СПОСОБ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПОЖАРА ОТ БОЛЬШИХ ПЕРЕХОДНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ИЛИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR AUTOMATED WARNING OF FIRE FROM LARGE TRANSIENT RESISTANCES IN POWER GRIDS OR 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 или 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 элементах электрической сети и электроустановок. В результате наносится большой материальный и моральный ущерб, нередко сопровождающийся гибелью и (или) увечьем людей. Выделяют следующие основные пожароопасные аварийные режимы в электросетях и установках, которые могут привести к возникновению горения: полное (металлическое) короткое замыкание (КЗ), неполное КЗ, перегрузка, большое переходное сопротивление (БПС), вихревые токи, искрение (1). Большую долю из них (до 80%) занимают пожары, возникающие из-за отсутствия обнаружения неисправностей типа искрения и БПС, вызванных некачественным монтажом элементов электрических сетей и электроустановок, нарушениями требований их эксплуатации и другими причинами. БПС, с точки зрения пожарной опасности, может быть двух видов: искрение (искровой режим) и локальный нагрев (безыскровый режим). Эти виды БПС могут встречаться как раздельно, так и одновременно в одной точке цепи в зависимости от внешних условий (температуры, влажности, агрессивности среды), силы тока и других факторов (вибрации и т.д.) (1).
Известно техническое решение для защиты от искрения (2), 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 и при каждом превышении этого значения формируют импульс фиксированной длительности менее полупериода питающей сети, который подвергают интегрированию в накопителе, 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 (или) выдающий сигнал предупреждения. Данное техническое решение принято за прототип, далее называемый УЗИс (устройство защиты от искрения). Недостатком данного решения является невозможность распознавания в защищаемой цепи явления БПС в безыскровом режиме (далее - БПС-БР). Чувствительность и порог срабатывания УЗИс ограничены уровнем возможных высокочастотных помех, создаваемых в защищаемой цепи различными источниками: импульсными источниками питания, некачественными драйверами светодиодных ламп, ПРА люминесцентных ламп и т.п. На этом уровне чувствительности какие-либо сигналы датчика тока от БПС-БР практически неразличимы, а повышение чувствительности (понижение порога срабатывания относительно амплитуды сигналов датчика) может приводить к ложным срабатываниям устройства.
Задача, решение которой направлено на достижение технического результата заявляемого изобретения - предупреждение пожаров, возникающих при неисправностях в электрических сетях и электроустановках по причине возникновения в контактах защищаемой цепи большого переходного сопротивления в безискровом режиме.
Для этого в заявляемом способе задача обнаружения БПС-БР решается путем резкого понижения порога срабатывания УЗИс в ограниченной временной области вблизи моментов перехода сетевого напряжения через нулевое значение. В результате исследований (3) было установлено, что «в какой-то момент данный процесс может привести к возникновению микроскопических дуговых разрядов (микродуг) между контактировавшими поверхностями. Данные электрические разряды значительно повышают температуру контактного узла и, следовательно, его пожарную опасность. Эксперименты по изучению БПС-БР, проведенные авторами данной заявки, показывают, что при заметном по мощности нагрева контактов (≈10 Вт) проявлении БПС-БР отклики датчиков тока на высокочастотные процессы возникновения и гашения таких микродуг присутствуют во временном интервале, приблизительно равном ±2 мс вокруг перехода сетевого напряжения через ноль. Пример данного явления при токе потребления нагрузки с активным импедансом ≈0,4 А показан на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 (масштаб по вертикали определяется с учетом делителя щупа осциллографа 1:10). На данных осциллограммах (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) видно, что возникновение разряда и соответствующий ему высокочастотный отклик датчика тока происходят в интервале 1÷1,5 мс после перехода сетевого напряжения через нулевое значение. Эпюры напряжения на искровом промежутке объясняют и отсутствие искрения, т.к. возникновение микродуг предотвращает нарастание напряжения на искровом промежутке до более высоких значений, при которых происходит гораздо более интенсивный искровой разряд.
Для решаемой задачи не имеет значения, происходят ли разряды микродуг также на остальных временных интервалах. Важно то, что на выбранном интервале - вокруг момента перехода напряжения сети через ноль - отсутствуют регулярные помехи от их основных источников, перечисленных выше, так как напряжение сети в это время недостаточно для активизации этих устройств (на фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6 показано фазирование помех на выходе датчика тока относительно напряжения сети). Это и дает возможность кардинально повышать чувствительность системы к разрядам микродуг, избегая при этом ложных срабатываний устройства. Проведенные измерения позволяют оценить необходимый коэффициент повышения чувствительности системы к сигналам датчика тока величиной в десятки раз. Таким образом, предлагаемый способ заключается в том, что в течение временных интервалов, приблизительно равных ±2 мс вокруг перехода сетевого напряжения через ноль, порог срабатывания устройства для защиты от искрения понижается по отношению к напряжению сигналов датчика тока в десятки раз относительно его штатного значения в режиме выявления искрения. В устройство дополнительно введены блок, стробирующий интервалы времени около ±2 мс относительно момента перехода напряжения питающей сети через нулевое значение, и блок, увеличивающий под воздействием стробирующего импульса в указанные интервалы времени коэффициент усиления сигналов датчика тока перед первым блоком сравнения устройства в десятки раз.
На фиг. 1 представлено напряжение на искровом промежутке, на фиг. 2: верхняя линия - напряжение на искровом промежутке, нижняя линия - сигнал датчика тока до подавления низкочастотных компонент спектра; на фиг. 3: 1-й канал - сетевое напряжение; 2-й канал - сигнал датчика тока до подавления низкочастотных компонент спектра.
На фиг. 4 представлено фазирование помех от блока питания ноутбука (холостой ход); на фиг. 5 - фазирование помех от блока питания ноутбука при подключенной нагрузке.
На фиг. 6 представлено фазирование помех от светодиодной лампы.
На фиг. 7 представлена блок-схема устройства защиты от искрения (УЗИс), дополненного защитой от большого переходного сопротивления в безыскровом режиме в помещениях объекта (сооружения, здания или др.).
Устройство (прототип (2)) работает следующим образом. Сигнал датчика проходит блок формирования ВЧ-спектра и поступает на вход блока сравнения 1, где сравнивается с постоянным напряжением первого заданного уровня. При превышении сигналом этого уровня на выходе блока сравнения 1 происходит скачок напряжения, инициирующий запуск блока формирования команды 1 (ждущего мультивибратора), формирующего импульс длительностью 5…9 мс (для сети переменного напряжения с частотой 50 Гц). Этот импульс поступает в блок накопления с постоянной времени заряда 0,1…0,3 с и разряда - около 0,4…0,6 с. С выхода блока накопления сигнал подается на вход блока сравнения 2, где сравнивается с постоянным напряжением второго заданного уровня. При его превышении происходит скачок напряжения на выходе блока сравнения 2, инициирующий запуск блока формирования команды 2, формирующего импульс фиксированной длительности порядка 0,5…1 с, поступающий на исполнительный орган, производящий отключение защищаемой цепи от питающей сети.
В это устройство вводится электронный блок, выделяющий (стробирующий) временные интервалы около ±2 мс относительно момента перехода напряжения питающей сети через нулевое значение. В течение времени вне данных интервалов устройство работает, как это описано абзацем выше. В течение данных этих интервалов (±2 мс относительно момента перехода напряжения питающей сети через нулевое значение) стробирующий сигнал осуществляет повышение коэффициента усиления сигналов датчика тока в десятки раз путем подачи стробирующего сигнала на блок, также дополнительно введенный в состав прототипа перед блоком сравнения 1. Сигналы отклика датчика, превышающие порог блока сравнения 1, приводят в действие дальнейший алгоритм работы прототипа, происходит скачок напряжения на выходе блока сравнения 2, инициирующий запуск блока формирования команды 2, формирующего импульс фиксированной длительности порядка 0,5…1 с, поступающий на исполнительный орган, производящий отключение защищаемой цепи от питающей сети.
Пример реализации устройства показан на фиг. 7, где вновь вводимые элементы выделены жирными линиями.
Устройство может быть выполнено на серийной аналоговой элементной базе, в основе которой лежат известные микросхемы сдвоенного компаратора и сдвоенного одновибратора, и поэтому обладает малой массой и габаритами, пониженным энергопотреблением и относительной дешевизной. Устройства могут быть разработаны и изготовлены в одном исполнении с известными автоматами защиты, что расширит их функциональные возможности и существенным образом повысит их эффективность.
Примечание
Стробирование (англ. strobing, от strobe - посылать избирательные импульсы, от греч. strobos - кружение, беспорядочное движение) - метод выделения некоторого интервала на временной оси, шкале частот и т.п. для увеличения вероятности обнаружения полезных сигналов на фоне помех…. Стробирование применяют также в телевидении, вычислительной технике и т.д. - в системах, где необходимо выделение сигнала на фоне естественных или искусственных помех и корректировка отдельных характеристик сигналов.
(Большой энциклопедический политехнический словарь)
ЛИТЕРАТУРА
1. Экспертное исследование после пожара контактных узлов электрооборудования в целях выявления признаков больших переходных сопротивлений. Методические рекомендации. - МЧС РФ, ФГУП «ВНИИПО», Москва, 2008.
2. Патент на изобретение RU 2528137 от 17.08.2012 г.
3. Лебедев К.Б., Чешко И.Д. Следы больших переходных сопротивлений в электротехнических устройствах и их экспертное исследование // Пожаровзрывобезопасность. - 2003. - №6. - С. 32-38.