УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ С ФУНКЦИЕЙ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ АВАРИЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ

Заявляемая полезная модель относится к устройствам в области электроэнергетики и пожарной безопасности и предназначена для предотвращения возгораний и повреждений кабельных линий и элементов электроустановок, возникающих при перегрузках, коротких замыканиях, токах утечки и зажигании электрической дуги путем обесточивания потребителей.
В электроустановках и кабельных линиях бытовых и производственных объектов из-за некачественных монтажных работ, под влиянием температурных перепадов, повышенной влажности, механических воздействий происходит постепенная деградация изоляционных материалов кабелей и контактных групп устройств коммутации - контакторов, реле, выключателей и подключения нагрузки - штепсельных розеток, патронов ламп и т.д.), приводящая к возможности возникновения коротких замыканий, токов утечки на землю и зажигания электрической дуги, выделению тепловой энергии и, как следствие, к увеличению температуры поврежденных элементов, что во многих случаях приводит к возгоранию.
Устройства защиты от сверхтоков, коротких замыканий - автоматические выключатели (АВ) и от превышения токами утечки безопасных значений - устройства защитного отключения (УЗО) - широко известны и повсеместно применяются в электроэнергетике. Указанные устройства не позволяют обнаружить и (или) отключить электроустановку при появлении электрической дуги.
Доля пожаров, возникающих из-за ненадежного контакта элементов электроустановок, которые не приводят к коротким замыканиями и перегрузкам, достигает 80% [Павлов Д.Д. Исследование и разработка интеллектуального устройства искробезопасности для систем автоматики: дис. канд. техн. наук: 05.13.05 Владимир, 2006 РГБ ОД, 61:06-5/3843, стр.12], поэтому применение устройства защиты электроустановки с функцией детектирования аварийной электрической дуги целесообразно на промышленных предприятиях, в особенности на объектах добычи, хранения и транспортировки нефтепродуктов и газа, горнодобывающей промышленности, эксплуатации ядовитых и взрывоопасных веществ, мукомольных производств, элеваторах, других пожаро- и взрывоопасных объектах специального, военного и гражданского назначения и в быту.
Явление возникновения электрической дуги объясняется образованием ионизированного участка проводимости в местах некачественного контакта. Горение дуги на переменном токе происходит с периодическим повторением циклов зажигания и гашения.
Различают три вида дуги: последовательную, параллельную и дугу на землю.
Последовательная электрическая дуга возникает при нарушении надежного контакта в цепи с подключенной нагрузкой. Ток последовательной дуги ограничивается номинальным током нагрузки.
Параллельная электрическая дуга возникает при дуговом коротком замыкании между фазными и (или) нейтральным проводниками.
Дуга на землю является частным случаем параллельной дуги и возникает при дуговом коротком замыкании между фазными проводниками и заземленными частями электроустановки (проводник защитного заземления).
При стабильном горении параллельная дуга может привести к срабатыванию автоматического выключателя защиты от сверхтоков, а дуга на землю - к срабатыванию УЗО.
Однако, в большинстве случаев процесс горения дуги нестабилен, что затрудняет ее регистрацию обычными средствами защиты сети. В частности, последовательную дугу штатными средствами защиты (АВ, УЗО) обнаружить невозможно. Для этой цели необходимы устройства нового поколения.
Известно устройство [патент России RU 2159468 С1 7 G08B 17/ 06, G08B 25/10, опубл. 20.06.2005], в соответствии с которым на вводе электрической сети измеряют суммарный электрический ток. Из измеренного суммарного тока путем фильтрации выделяют сигнал высоких гармоник, определяемый переходным сопротивлением. Сформированный сигнал усиливают, выпрямляют и накапливают в течение установленного времени. В процессе накопления сравнивают величину суммарного сигнала с заданным уровнем сравнения. Каждый уровень сравнения выбирается для соответствующей степени пожарной опасности сети. В зависимости от величины накопленного сигнала, соответствующего достигнутому уровню сравнения, формируют сигнал предупреждения или команду на отключение электрической сети.
Недостатками данного устройства являются низкая достоверность детектирования последовательной электрической дуги при использовании в электрических сетях с большой частотой коммутации нагрузок, так как в качестве информативного показателя используется сигнал высоких гармоник, появляющийся также при коммутации нагрузок и работе коллекторных двигателей; невозможность полного соответствия жестко заданных пределов степеней пожарной опасности реальным условиям функционирования электроустановки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является устройство [патент США 5,691,869, опубл. 25.12.1997], содержащее датчик тока, блок обработки сигнала и исполнительный узел, совмещенный с контактной группой автоматического выключателя; при этом схема обработки сигнала включает фильтры низких и высоких частот, двухполупериодный выпрямитель, интегрирующий элемент, а также схему, формирующую напряжение смещения для снижения вероятности ложных срабатываний, которая содержит датчик тока утечки. Устройство реагирует на увеличение перепада тока, сопровождающего каждое зажигание дуги, и периодичность перепадов; абсолютные значения амплитуд суммируются в течение установленного интервала времени, и, в случае превышения порогового значения, устройство отключает электроустановку. Устройство также реагирует на перегрузку, короткое замыкание в сети и на превышение током утечки допустимого значения.
Данное устройство принято за прототип.
Существенными недостатками прототипа являются возможность ложного детектирования дуги при нормальном функционировании нагрузок с большими пусковыми токами, необеспечение пожарной безопасности при наличии электрической дуги малой мощности, ошибочное обнаружение дуги и отключение нагрузки при работе коллекторных двигателей и импульсных источников питания, отсутствие регистрации горения электрической дуги при подключенных индуктивных нагрузках.
Технической задачей предлагаемого устройства является повышение достоверности определения процесса горения последовательной, параллельной электрической дуги и дуги на землю в электроустановке, снижение ложных обнаружений дуги при работе с нерезистивными нагрузками, в особенности с коллекторными двигателями, нагрузками с импульсными источниками и устройствами с большими кратностями пусковых токов по отношению к номинальным, а также возможность работы в сети с изменяющимся составом нагрузок.
Для решения технической задачи в устройство, содержащее датчик тока нагрузки, к выходу которого подключен фильтр, сигнал с которого подают на усилитель с двухполупериодным выпрямителем, выходом подключенный к интегрирующему элементу, на вход которого также подают сигнал отрицательной обратной связи, после чего сигнал на выходе интегрирующего элемента сравнивают с пороговым с помощью компаратора и, в случае превышения, подают сигнал отключения электроустановки на исполнительный узел, вводят датчик напряжения, выходом подключенный к фильтру, сигнал с которого подают на усилитель, с выхода которого - на аналого-цифровой преобразователь, выходом подключенный к блоку управления и анализа; сигнал датчика тока нагрузки с выхода усилителя с двухполупериодным выпрямителем преобразуют в напряжение и подают на аналого-цифровой преобразователь, выходом подключенный также к блоку управления и анализа, который представляет собой цифровое логическое устройство, с помощью которого производят интегрирование сигналов, пропорциональных значениям перепадов тока, анализируют группы сигналов соседних импульсов перепадов тока, измеряют мгновенные значения напряжения сети в моменты возникновения импульсов перепадов тока и исключают импульсы, не соответствующие условиям зажигания электрической дуги, затем из полученного значения напряжения, пропорционального импульсам перепадов тока, вычитают напряжение смещения, пропорциональное регулярной и периодической составляющей сигнала перепадов тока, полученный результат сравнивают с пороговым значением, характерным для пожароопасной ситуации при горении дуги и, в случае его превышения формируют сигналы на отключение электроустановки, который с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, а также на усилитель, выход которого подключен к реле, которое приводит в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой электроустановки.
Устройство может быть конструктивно и функционально объединено с АВ, при этом изменяют алгоритм работы устройства, и встроенная функция защиты от сверхтоков и коротких замыканий деактивируется.
Устройство может быть конструктивно и функционально объединено с УЗО, при этом изменяют алгоритм работы устройства, и встроенная функция защиты от токов утечки деактивируется.
Из устройства может быть исключен исполнительный узел, в этом случае сигнал управления подают на катушку контактора, пускателя или иного внешнего устройства коммутации.
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами фиг.1-3.
На фиг.1 представлена схема включения устройства в сеть.
На фиг.2 - структурная схема устройства.
На фиг.3 - алгоритмы работы блока управления и анализа устройства.
Устройство может размещаться во вводном или распределительном щитах (фиг.1), конструктивно объединяться со штепсельными розетками и вилками нагрузок (потребителей электроэнергии), выполняться в отдельном корпусе. Устройство обеспечивает обнаружение электрической дуги, перегрузки и тока утечки в сетях и нагрузках, подключенных к его выходным клеммам.
На фиг.1, а, б, в обозначены нагрузки с электрической дугой на землю, параллельной и последовательной дугой соответственно.
Устройство содержит блок защиты от волновых перенапряжений 3, датчики тока нагрузки 4, тока утечки 6 и напряжения 5, блок питания 24, блок обработки сигнала Б, исполнительный узел А и включается в сеть последовательно с контролируемой частью электроустановки.
Устройство функционирует следующим образом.
Напряжение сети подают на входные клеммы 1, которое затем поступает на контактную группу 2, используемую для отключения нагрузки в случае аварийной ситуации, блок защиты от волновых перенапряжений 3, препятствующий прохождению кратковременных импульсных перенапряжений в контролируемую электроустановку, на группу датчиков 4-6 и на выходные клеммы 7.
Сигнал с датчика тока нагрузки 4 подают на фильтр 9, выделяющий характерные для процесса горения дуги перепады тока, усиливают и выпрямляют с помощью усилителя с двухполупериодным выпрямителем 13 и суммируют с сигналом усилителя напряжения смещения 17, после чего подают на АЦП 18 для оцифровки и дальнейшей обработки блоком управления и анализа 22. Сигналы датчиков напряжения 5 и тока утечки 6 обрабатываются аналогично, за исключением суммирования с напряжением смещения.
Блок управления и анализа 22 представляет собой микроконтроллер или иное цифровое логическое устройство, с помощью которого осуществляют сбор, анализ сигналов с датчиков, подачу сигналов индикации аварийной ситуации 21 и на размыкание контактной группы 2 с помощью исполнительного механизма 8. Предварительно сигнал усиливают усилителем 16 до уровня, достаточного для срабатывания реле 12 привода исполнительного механизма 8.
Работа блока управления и анализа 22 осуществляется по следующим алгоритмам (фиг.3, а, б, в).
Алгоритм детектирования электрической дуги представлен в виде структурной схемы на фиг.3, а.
После инициализации переменных и сброса счетчиков с датчиков тока нагрузки 4 (фиг.2) и напряжения 5 после фильтрации и усиления поступают сигналы, пропорциональные току нагрузки и напряжению сети. Далее вычисляется текущий перепад тока как абсолютное значение приращения сигнала между двумя соседними отсчетами.
Текущий.Перепад=|Тек.Отсчет-Предыд.Отсчет.|
Перепад проверяют на принадлежность к области анализа, ограниченную значениями напряжения сети и временем зажигания (гашения) аварийной электрической дуги. В случае выхода за границы области анализа значение перепада не учитывается. За одну область анализа запоминается один максимальный перепад. Затем производится усреднение перепадов за несколько областей анализа. Перепады, значительно отличающиеся от среднего значения, не учитываются. Перепады суммируются в течение времени накопления и образуют величину накопления, которая сравнивается с установленным при инициализации предельным значением. При превышении предельного значения вырабатывается команда на отключение электроустановки. Если значение ниже предельного, то проверяется условие на превышение временем анализа установленного значения, и в случае превышения происходит сдвиг окна анализа по временной шкале, а величина накопления за предыдущий интервал времени накопления учитывается при последующем анализе и обнуляется. Сигнал смещения пропорционален регулярной и периодической составляющей тока электрической дуги. Вычитанием сигнала смещения из сигнала последующих перепадов с датчика тока нагрузки после его фильтрации и усиления производится компенсация влияния нагрузок со штатной электрической дугой - коллекторных двигателей - путем корректировки величины накопления. В зависимости от условий анализа величина накопления обнуляется, сохраняется либо изменяется. При достаточно низкой частоте возникновения перепадов сигнала время накопления увеличивается.
Алгоритм детектирования превышения максимально допустимого значения тока утечки представлен в виде структурной схемы на фиг.3, б.
С датчика тока утечки 6 (фиг.2) после фильтрации и усиления поступает сигнал, пропорциональный току утечки. После обработки сигнал, эквивалентный действующему значению тока утечки, сравнивается с предельным и, в случае превышения, подается команда на отключение.
Алгоритм детектирования превышения током нагрузки максимального значения представлен в виде структурной схемы на фиг.3, в.
С датчика тока нагрузки 4 (фиг.2) после фильтрации и усиления поступает сигнал, пропорциональный току нагрузки. После обработки сигнал, эквивалентный действующему значению тока утечки, сравнивается с предельным и, в случае превышения и отработки временной задержки в зависимости от кратности превышения и установленной характеристики выключателя (В, С, D согласно ГОСТ Р 50345-99) подается команда на отключение.
Устройство детектирования аварийной электрической дуги применяют как в виде отдельного узла, так и совмещенным с АВ, УЗО или контактором (пускателем, реле) в различных сочетаниях.
При объединении с АВ исключают функцию мониторинга действующего значения тока нагрузки и исполнительный узел (используются тепловой и электромагнитный расцепители АВ 23), при объединении с УЗО - функцию мониторинга действующего значения тока утечки, датчик 6 тока утечки, фильтр 11, усилитель 15, АЦП 20 и исполнительный узел, при использовании контактора или иного коммутатора тока нагрузки (пускателя, реле) исключают реле 12, исполнительный механизм 8 и контактную группу 2 исполнительного узла, а сигнал управления с усилителя 16 подают на вход внешнего коммутатора.
Возможно применение устройства в отдельном функциональном исполнении в качестве дополнительного элемента электробезопасности при наличии АВ и УЗО в последовательном включении.
Предлагаемое техническое решение отличается от известных тем, что оно дополнительно содержит в себе операции сравнения перепадов тока с областью допустимых для зажигания дуги напряжений и алгоритм корректировки времени накопления перепадов для регистрации нестабильной дуги или дуги малой мощности, что приводит к существенному возрастанию достоверности детектирования дуги.