СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ УСТРОЙСТВА ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПОЖАРА ОТ ИСКРЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ И ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF INCREASING INTERFERENCE IMMUNITY OF DEVICES FOR AUTOMATED FIRE PREVENTION FROM SPARKING IN ELECTRICAL NETWORKS AND ELECTRICAL INSTALLATIONS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно к способам и устройствам предупреждения пожаров, возникающих при неисправностях в электрических сетях и электроустановках в помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах. Эксплуатация жилых, бытовых, производственных и др. объектов нередко сопровождается пожарами, возникающими из-за неисправностей в электропроводке или других элементов электрической сети и электроустановок. В результате наносится большой материальный и моральный ущерб, нередко сопровождающийся гибелью и увечьем людей. Большую долю из них (до 80%) занимают пожары, возникающие из-за отсутствия способов обнаружения неисправностей в виде искрения, вызванных некачественным монтажом элементов электрических сетей и электроустановок, нарушениями требований их эксплуатации и другими причинами.
Известно техническое решение (заявка на выдачу патента на изобретение №2012135372, опубл. 27.02.2014 г.), в соответствии с которым измеряют суммарный электрический ток, проходящий из электрической сети в защищаемую цепь. Путем фильтрации измеренного суммарного тока защищаемой цепи подавляют низкочастотные компоненты спектра до частоты в несколько сотен килогерц. Величину полученного сигнала без накопления сравнивают с заданным значением, при каждом превышении этого значения формируют импульс фиксированной длительности менее полупериода питающей сети, который подвергают интегрированию в накопителе и сравнивают с порогом, достигаемым при поступлении в накопитель нескольких импульсов подряд или с минимальным интервалом. При достижении уровня сигнала в накопителе данного порога формируют сигнал, отключающий защищаемую цепь электроустановок от питающей сети и выдающий сигнал предупреждения. Данное техническое решение принято за прототип, далее называемый УЗИ (устройство защиты от искрения). Существенным недостатком данного технического решения является отсутствие механизма защиты от возможности срабатывания устройства при интенсивной помехе (например, сильном искрении) в цепях, смежных с защищаемой. Это приводит к появлению на выходе датчика сигнала помехи, способного достигать больших значений, так как соотношение амплитуд, минимально различаемого на фоне помех и максимального сигнала датчика тока может достигать соотношения 1:100. Такие помехи могут привести к ложному срабатыванию устройства при отсутствии искрения в защищаемой цепи. Проблема может быть решена размещением между сетью питания и данным устройством фильтра помех, но практически это соответствует кардинальному ухудшению всех технико-экономических данных, особенно с ростом допустимого тока потребления защищаемой цепи. Например, положительную роль сыграл бы линейный трансформатор, но уже для тока 30 А он имеет вес 30 кГ и стоимость 20…30 тыс. руб. Промышленные сетевые фильтры также далеки от желаемых показателей. Во-первых, их массогабаритные и стоимостные показатели уже сами по себе превосходят показатели малогабаритного и экономичного устройства прототипа. Кроме того, их заявленные частотные характеристики подавления помех соблюдаются для постоянных гармонических сигналов, а не для импульсных процессов в виде искрения, что для фильтрующих цепей составляет принципиальную разницу. Задача повышения помехоустойчивости устройства прототипа решается путем размещения в устройстве дополнительного датчика, идентичного основному, и конденсатора, подключенных по схеме, показанной на фиг. 1.
Задача, решение которой направлено на достижение технического результата заявляемого изобретения, - повышение помехоустойчивости для предупреждения пожара от искрения в электрических сетях и электроустановках.
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
гр
Технический результат обеспечивается введением дополнительного датчика и схемы обработки его сигнала в совокупности с сигналом основного датчика - определить направление прихода импульса: из защищаемой цепи или извне - из сети, после чего действие импульсов, пришедших извне, можно заблокировать. В ходе эксперимента установлено, что наиболее надежным идентификатором направления является сравнение общей энергетики импульса датчиков, которая вследствие шунтирования части тока конденсатором остается большей у датчика, расположенного со стороны прихода импульса. Количественным критерием может служить полярность разности средневыпрямленных значений сигнала датчиков во временном интервале, приблизительно равном 10/F, где F - верхняя граничная частота полосы пропускания датчика. Для получения этой разности сигналы с датчиков Т2 (дополнительный) и Т1 (основной) проходят двухполупериодное выпрямление с противоположным знаком и суммируются в отдельном интеграторе (далее - интегратор блокировки) с постоянной времени ≈10/F. Приход импульса из защищаемой цепи дает на интеграторе, например, положительный импульс, оставляемый схемой без последствий (фиг. 2: верхняя линия - сигнал датчика Т1, нижняя - сигнал на интеграторе). Приход импульса извне (фиг. 3) дает отрицательный сигнал, инициирующий формирование импульса блокировки (ИБ), блокирующего формирование импульса фиксированной длительности несколько менее полупериода питающей сети (далее - накопительный импульс), который подвергают интегрированию в накопителе устройства [1]. При этом длительность первичного импульса в интеграторе блокировки (далее - импульс инициации блокировки - ИИБ) составляет ≈10/F, а время его нарастания ≈1/F (фиг. 2, фиг. 3). В ходе дальнейшего процесса, вследствие случайного характера импульсов тока искрения, полярность импульса в интеграторе блокировки может изменяться на противоположную, но в первые 10/F времени она соответствует направлению прихода возмущения. Длительность блокирующего импульса делается равной ≈100/F. Такая длительность импульса выбрана как минимально необходимая для надежного затухания импульса в датчиках. Расширение же блокирующего импульса до нескольких миллисекунд может парализовать работу системы в случае, например, работы в смежной цепи мощного тиристорного регулятора. Тогда блокирование будет происходить каждый полупериод на большую часть его длительности и устройство не сработает на искрение в защищаемой цепи. При выбранной же длительности, как показывают испытания, схема продолжает срабатывать на искрение в защищаемой цепи даже при очень интенсивной помехе извне. Вместе с тем интенсивный сигнал искрения в защищаемой цепи может не только превзойти порог срабатывания в основном датчике Т1 (фиг. 1), но после прохождения времени 10/F, если полярность импульса в интеграторе блокировки будет меняться на противоположную, превзойти и порог блокировки в этом интеграторе, и полезный сигнал будет заблокирован, если не принять дополнительных мер. Такой мерой является синхронная подача накопительного импульса устройства, направляемого в основной интегратор устройства (с выхода «Блока формирования команды 1», фиг. 5), на «Блок запрета ИБ», производящий запрет формирования блокирующего импульса путем передачи накопительного импульса на блокирующий вход блока формирования ИБ, осуществляемой с задержкой на время, меньшее длительности ИИБ (≈10/F), но большее, чем время его нарастания (≈1/F). Так, из фиг. 3 следует, что F=1 МГц, а время нарастания ИИБ составляет около 1,6 мкс, т.е. ≈1,6/F, тогда задержка запрета блокировки выбирается, например, 3/F. Если сигнал приходит из защищаемой цепи, то в течение времени 10/F сигнал интегратора блокировки гарантированно положителен (фиг. 2) и блокировки не происходит. Через время 3/F от начала импульса формирователь блокирующего импульса уже сам заблокирован почти на весь полупериод напряжения питающей сети и накопительный импульс беспрепятственно поступает в интегратор для срабатывания устройства. Если же сигнал приходит извне, то почти сразу же блокируется формирование накопительного импульса, и запрет формирования блокирующего импульса, задерживаемый на 3/F, отменяется. Простейшим вариантом элемента задержки может служить интегрирующая RC-цепь. На фиг. 4 показан прерванный накопительный импульс на входе и выходе интегрирующей цепи. В результате прерывания сигнал на выходе элемента задержки (нижняя линия) не достигает порога выполнения команды запрета блокировки. Импульс, формируемый в интеграторе блокировки (нижняя эпюра фиг. 2), может также использоваться вместо непосредственно сигнала датчика для запуска формирования накопительного импульса, направляемого в основной интегратор устройства. В этом случае необходимость задержки импульса запрета блокировки отпадает. В совокупности эту систему мер помехоустойчивости можно назвать асимметричным перекрестным блокированием (АПБ).
На фиг. 1 представлена схема устройства прототипа с расположением дополнительного датчика. На фиг. 2 представлены сигналы импульса из защищаемой цепи, формируемого в интеграторе (две осциллограммы: верхняя линия - сигнал датчика Т1, нижняя - сигнал на интеграторе в случае помехи в защищаемой цепи). На фиг. 3 представлены две осциллограммы сигнала импульса в случае помехи во внешней цепи. На фиг. 4 - представлен прерванный накопительный импульс на входе и выходе интегрирующей цепи (импульс отмены запрета блокировки). На фиг. 5 представлена блок-схема устройства защиты от искрения (УЗИс) помещения объекта (сооружения, здания и др.), дополненный защитой от внешних помех (вновь вводимые элементы выделены).
гр
гр
гр
гр
гр
гр
Устройство работает в составе УЗИс следующим образом. При возникновении искрения импульсы датчиков Т1 и Т2 поступают в блок сравнения импульсов, где подаются на выпрямители напряжения с противоположной для сигналов Т1 и Т2 полярностью выпрямления. Сигналы с выходов выпрямителей затем суммируются в интеграторе блокировки, также находящемся в составе блока сравнения импульсов. При поступлении помехи с внешней стороны УЗИс на выходе блока сравнения импульсов появляется импульс (ИИБ) определенной полярности (например, отрицательной), подаваемый в блок формирования ИБ (импульса блокировки), вырабатывающий при этом импульс блокировки длительностью ≈100/F, подаваемый на блокирующий вход блока формирования команды 1 и осуществляющий на это время запрет работы последнего. По окончании импульса блокировки запрет снимается и УЗИс готов реагировать на сигналы искрения в защищаемой цепи. Если сигнал внешней помехи производит в основном датчике Т1 отклик, достаточный для запуска накопительного импульса на выходе блока формирования команды 1, подаваемого кроме основного интегратора УЗИс также на блок запрета ИБ, то через время ≈1/F, составляющее время нарастания ИИБ в интеграторе блокировки, импульс на выходе блока формирования команды 1 будет подавлен командой блокировки и вследствие задержки в блоке запрета ИБ на время, большее 1/F, импульс запрета на выходе блока запрета ИБ будет подавлен, и блокировка не будет запрещена (фиг. 4). В основной интегратор при этом поступит импульс длительностью ≈1/F, на несколько порядков меньшей полупериода сети, что не приведет к накоплению сколько-нибудь различимого уровня сигнала. При поступлении сигнала со стороны защищаемой цепи на выходе блока сравнения импульсов появится положительный импульс, гарантированно сохраняющий свою полярность на время 10/F. За это время накопительный импульс с выхода блока формирования команды 1, пройдя через блок запрета ИБ с задержкой, меньшей 10/F, успевает заблокировать генерацию ИБ в блоке формирования ИБ, и блокировка будет запрещена на все время длительности накопительного импульса, т.е. почти на весь полупериод напряжения питающей сети.
Устройство может быть выполнено на серийной аналоговой элементной базе, обладает малой массой и габаритами, пониженным энергопотреблением и относительной дешевизной.