CN101233548B - 用于电网和电气装置故障检测的方法和火灾报警设备 - Google Patents

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Abstract

一种防止电路和装置发生火灾的发明方法，包括测量可控部分的电流，分离其高频成分，放大和整流一次谐波信号，确定打火电流值，从测得的电流信号范围中形成一次谐波信号，测量短路电流和/或过载电流和/或漏电流，和/或测量电路电压，形成可控部分的报警和/或切断信号。为确定打火电流，测量特征为打火引燃-熄灭循环的信号幅度和/或其它参数。本发明的防火设备包括用于形成一次谐波和更高次谐波信号的单元、确定打火电流量的单元、测量短路电流和/或过载电流和/或漏电流的单元、和/或电路电压测量电流，用于形成报警和/或切断可控部分的信号的单元。该打火电流量确定单元设置有用于测量特征为打火引燃-熄灭循环的信号幅度和/或其它参数的设备。

Description

用于电网和电气装置故障检测的方法和火灾报警设备
本发明涉及防火和电力工业领域，即，本发明涉及用于对由建筑物、工地、房屋、航空器、舰船、铁路设备和其它装置中的电网(EN)或电气装置(EI)的故障所引起的火灾进行检测的方法和设备。
在居民区、家庭、工业装置和其它装置中，偶然会发生火灾或爆炸，它们是由电网和电气装置故障引起的。除了伴随经济损失、人民群众的死亡和永久的伤害的基本故障之外，在线路、短路、以及回流、漏电流、大的不允许的线电压降低中发生打火(sparking)。在俄罗斯，根据官方统计，电气装置火灾的影响是继粗心火灾处理之后的第二大问题。上述具体故障在下列工业部门中的先进危险设施的利用中尤其危险：油气加工、贮藏和运输、采掘工业、有毒和爆炸材料、以及许多其它具有火险和爆炸危险的特殊、军用和民用目的的设施。
为了检测这些故障，已开发了多种在EN和EI中使用的方法和保护设备。在它们当中，一种著名的设备叫做紧急断路器(ECB)，如参考文献[1]的图4.7中给出的。该紧急断路器包括差动电流测量传感器(ZFSCT-零相序电流互感器)、电力网关闭的电磁信号发生器、致动设备(释放设备)，在跟踪的电阻(tracked resistance)超过容许值的情况下，关闭EN和EI，从而防止人员触电或失火。
在参考文献[1]的图4.8中给出了短路保护设备。它包含位于释放设备上并串联连接至电流电路负荷的传感器线匝(sensor-turn)、关闭信号发生器(释放设备)和致动设备，在电流强度达到短路电流强度的情况下，禁止EN或EI。
如果该设备具有绕组最小电流释放设备，则该设备还可以用于降压保护。
在参考文献[1]的图4.30中给出了防止过载电流的保护设备。它包含与断路器的齿释放臂、定型片、带有杠杆和触点的弹簧相互作用的双金属释放设备。
最接近现有技术描述了一种用于防止电网或电气装置中的打火所引起的火灾及其实现的方法和设备，参见参考文献[2]。其具有一系列可应用于上述技术设备的通常特性，并在已知所接受的现有技术中被选为最接近的现有技术。
根据公知的工程解决方案，测量EN或EI的受控部分的电流。通过对实际频率或低频频谱进行过滤，从已测电流中挑选出二次谐波和/或更高次谐波的信号。断路两端的电压降低过程的特征在于二次谐波，其中电流打火通过零值。所提取信号的值由该打火电流的强度和值限定，该打火电流取决于瞬态电阻。然后，对该信号进行放大和整流。同时，利用打火电流的先前估计量，执行信号累加。在测量的基础上，计算打火电流的值，并且随后计算“打火形成和熄灭”循环(cycle)的已选项(选择项)，所述“打火形成和熄灭”循环即形成和减弱阶段(在打火电流跃过零值的阶段)。对于循环指数(cycleindex)，取决于打火电流的值，我们应用例如循环的重复率、循环的形成和减弱阶段的持续时间、幅度超过特定值的循环的减弱阶段的脉冲量。现在，信号累加结果与预置的容许值保持平衡。同时，设备的输出形成通知火灾的相应级别和/或关闭指令的清除信号，以供不起作用的EN或EI的受控部分使用，该清除信号行进到EN或EI的受控部分的信息显示装置和/或关闭模块。
参考文献[2]中的用于实现该特定方法的设备包含打火电流值的求值器(evaluator)，它包括“打火形成和熄灭”循环的信号征兆(signalsymptom)生成模块，其形成所述“打火形成和熄灭”循环的二次谐波或更高次谐波成分信号脉冲-征兆循环；循环指数测量和计算或形成关于时间帧循环的第一信号脉冲-征兆的模块，在时间帧循环期间，累加脉冲征兆的信号，并且在时间帧循环结束之后，估计这些循环的复现率；和/或确定循环的形成和减弱阶段的持续时间，和/或确定幅度超过特定值的循环的减弱阶段的脉冲量；打火电流值计算模块，其基于复现率循环或根据复现率循环进行计算，和/或基于循环的形成和减弱阶段的持续时间进行计算，和/或基于幅度超过特定值的循环的减弱阶段的脉冲量进行计算；所估计的打火电流值的存储模块，其存储所估计的打火电流值并将其传送至累加模块。在输入“打火形成和熄灭”循环的信号脉冲-征兆到堆栈数(对应于所估计的打火电流值)后，该累加模块可以接收所估计的打火电流值，从控制模块接收关于明确时间间隔的形成的指令，并通过加的方式在该时间范围内实现信号累加。利用传送所估计的打火电流值至累加模块，控制模块因此实现了可以进行信号接收以实现产生特定的指令。执行设备的预置操作算法的所有指令都在控制模块中形成，例如，以微控制器的形式执行。通过供电单元提供设备的电源，该供电单元接着由EN和场离子源供电。
所提供的工程解决方案的缺点在于：缺少在“打火形成和熄灭”循环的形成和减弱阶段对脉冲幅度值的直接确定和/或在循环的形成阶段对幅度超过特定值的脉冲量的测量，在提供给设备的严格使用条件的情况下，他们能够确保对打火电流强度的最肯定和充分的限定。
此外，利用复杂保护的目标支持过程的必然复杂性增加了上述设备在电路和设计上的独立性、相同功能的重复、通过公共模块和电路设计在许多示例中的实施。
因此，将所有基本保护设备单独应用至防火和防爆系统不仅实际上十分复杂并增加了它们的使用成本，而且一般还降低了电子系统的可靠性。
本发明的目的是改进打火电流强度测量的真实性和准确性，以及扩展了火灾防止方法的功能性能，该火灾来自于居民区、家庭、车间和其它物体的电线打火，这种改进能够降低因EN和EI中的故障而产生的火灾AWP和爆炸所带来的相关支出费用。
该目标通过对电网(EN)或电气装置(EI)中的故障所引起的火灾或爆炸进行预防的方法来实现，该方法包含测量受控部分的电流、形成所测得电流的信号频谱的二次谐波和更高次谐波信号、对其进行放大和整流、确定打火电流的强度，根据本发明的权利要求，另外包含测量短路电流和/或过载电流和/或漏电流和/或测量EN电压，同时，通过从测得的受控部分的电流中获得(allocation)一次谐波信号来实现短路电流和/或过载电流的测量，并且通过相应地连接漏电流传感器和/或将EN电压或EI电压反馈给设备来执行漏电流测量和EN电压测量；为了确定打火电流，在“打火形成熄灭”循环的形成和/或熄灭阶段中测量脉冲幅度量；和/或在幅度超过特定值的循环的形成阶段中的脉冲量。
用于实现该特定方法的设备包含：用于测量受控部分电流的模块；二次谐波和/或更高次谐波的信号调节模块；放大器单元；整流器模块；打火电流强度确定模块；根据所描述的发明，还另外包含一次谐波信号调节单元，短路电流测量模块和/或过载电流测量模块，和/或具有漏电流传感器的漏电流测量模块，和/或EN电压测量模块，向打火电流强度确定模块提供用于在“打火形成和熄灭”循环的形成和熄灭阶段中测量脉冲幅度范围的设备和/或在幅度超过特定值的循环的形成阶段中测量脉冲量的设备。
因此，除了获得高频电流成分的操作、所选“打火形成和熄灭”循环标准测量和计算的操作、打火电流强度计算和记录的操作之外，公知的工程解决方法[2]另外还在“打火形成和熄灭”循环的形成和/或熄灭阶段测量脉冲幅度量，和/或引入下述附加操作：形成一次谐波信号，测量到达信号，将到达信号的测量值与它们的预置值进行比较；形成通知关于故障或EN或EI操作故障的信号。在这点上，在技术和经济可行性的基础上，可以在全部或有限范围内引入上述附加操作。执行与“打火形成和熄灭”循环参数的其它公知测量操作无关或相关的特定操作，这不仅能够提高打火电流强度测量的真实性和准确性，而且还扩展了所提供的工程解决方案的功能性能，以实现五种保护：打火保护；短路保护；过载电流保护；漏电流保护和降压保护。本发明存在现有技术所没有的显著特征，这能够得出关于本发明符合专利性条件“新颖性”的结论。已描述的本发明的实质性特征的集合预先确定了特定的技术效果，它显然不是从现有设备水平中得出的，从而能够得出关于本发明符合专利性条件“创造性”的结论。实际的实现情况确认了专利性条件“工业实用性”。
参考附图来介绍本工程解决方案的实质，在附图中：图1示出了防火设备与设备的电网的连接图；图2示出了用于打火的信号调节单元和用于短路电流、过载电流、漏电流和EN电压的信号调节单元的方案；图3示出了用于确定打火电流强度的模块；以及图4示出了几个曲线图，其用于说明伴随打火的过程，以及“打火形成和熄灭”循环的概念，它的形成和/或熄灭阶段。
图4的曲线图1示出了一个波形，在受控EN或EI的任意部分上形成打火时，该波形出现在模块17的输出端上。图4的曲线图2示出了打火电流的时间特性，实际上等于标准负载电流，以及模块15的输出的信号格式，其在打火电流强度转变为零时形成高的频谱。图4的曲线图3显示了术语”打火形成和熄灭”循环的定义和它的基本组成阶段——打火产生、打火和熄灭。
例如，图1示出了设备的示图，包含引入板1、电网(EN)2、电器装置(EI)3、电路4、以及用于EN和EI中的故障的火灾报警设备的框图5。电路4形成有连接至电网的负载，在所考虑的示例中，该负载是电器装置。
设备5包含：电流测量模块6，用于测量总电流；用于打火电流的信号调节单元7；用于短路电流(Ish-c)、过载电流(Ioverl)、漏电流偏差(Icreep)及电路电压偏差(Unetw)的信号调节单元8；用于信息指示的模块9；用于编译指令的模块10，以关闭EN或EI的受控部分；致动设备11；控制模块12；供电单元13。
用于打火的信号调节单元7包括下列模块：低频谱(LF-spectrum)滤波器模块14；高频谱(HF-spectrum)形成模块15；放大器单元16；整流器模块17；打火电流强度确定模块18；累加模块19；比较器单元20；用于预置值存储的模块21；信号调节单元22。模块7、9-13完整地形成了EN或EI中打火报警设备的框图。模块6仅作为电流互感器(CTr)的一部分，它们的结构和工作在参考文献[2]中反映。另外引入了模块8。
模块6包括用于对打火电流进行信号测量的传感器，其能够以例如铁和绕组的形式实现，与电网线路一起表示电流互感器(CTr)。在应用漏电流保护的情况下，模块6将还包括漏电流测量传感器，例如，其可以由铁和线圈制成，与两根或三根电线(在三相电网的情况下)一起表示零相顺序电流互感器。
前面已经描述了作为现有技术一部分的模块7，9-13。
如图2所示，用于打火的信号调节单元包含：一次谐波信号调节单元23；模块24-27，相应地用于测量信号Ish-c、Ioverl、Icreep、Unetw的到达。将到达信号的测量量标准化为单一类型，例如标准化为脉冲形式，进入比较单元的相应输入端，在此将其与预置值进行比较，该预置值进入比较单元的其它输入端，该比较单元具有用于预置值存储模块21的相应输出端。一次谐波信号调节单元23用于从低频频谱(模块14)的先前滤波信号挑选出一次谐波信号，对于俄罗斯工业电网，该信号具有50Hz(循环/每秒)的频率。一次谐波信号用于短路和过载电流测量。
Ish-c测量模块24测量预先变换成例如脉冲形式的短路电流(基本操作：放大；整流；以与输入信号值成比例的频率，将直流电压变换为交流电压；半波检测)。
此外，模块通过例如脉冲计以预置时间执行脉冲量测量。来自模块24的输出端的计数结果进入比较单元20的输入端，在此将其与预置值相比。
在控制模块12发出命令后，短路电流强度的预置值从预置值存储模块21进入比较模块20。
脉冲形式的比较结果(其在测量值偏离允许值时形成)进入到信号(指令)形成模块22，该模块输出端的信号进入到信息映射模块9和/或模块10中，以形成用于关闭EN或EI的受控部分的指令。
因此，通过包含CTr和模块14、23、24、20、21、22、9、10、11、1 2、13。实现了短路保护功能。
注：粗体强调在打火保护设备中不使用的模块号(block number)。
利用下列模块，保护设备以相同的方式操作：
-过载电流(CTr和模块14、23、25、20、21、22、9、10、11、12、13)；
-漏电流(CTr和模块26、20、21、22、9、10、11、12、13)；
-网络欠压(模块27、20、21、22、9、10、11、12、13)。
打火电流强度确定模块18包含用于确定重复率循环的模块28；用于测量循环持续时间的形成和/或熄灭阶段的模块29；用于在循环的熄灭阶段测量脉冲量的模块30；用于在循环的形成和/或熄灭阶段测量脉冲幅度的模块31，用于在值超过特定值的循环的形成阶段测量脉冲量的模块32；用于计算打火电流强度的模块33；以及用于存储打火电流强度的模块34。
通过下述方式向对象提供复杂保护：从打火电流Ispark中测量信号；测量短路电流Ish-c；测量过载电流Ioverl；测量漏电流Icreep；测量系统电压Unetw。通过形成输出信号(火灾危险信号)和/或用于电网或电器装置的受控部分的关闭指令来结束所述到达信号的测量过程。
用于防止EN和EI中的故障的火灾报警设备5以如下方式操作。设备5通过模块6测量EN或EI的受控部分的负载总电流，以及例如利用连接到引入板1的电流互感器(CTr)或零相序电流互感器(ZPSCT)来进行零相序电流测量。同一设备的模块8连接至相同的引入板，以用于测量电网2的电压Unetw。利用这种方式，对位于设备5的安装位置后面(在本示例中，位于引入板的后面)的整个电网(所有电气装置)进行控制。
作为示例，让我们考虑用于防止打火电流的设备的工作。
当电网2和电器装置3通过其电线正常工作时(图1)，同时，测量模块6的电流互感器CTr的初级绕组的电流以电力线的频率流动，其大小与所有用户的总负载电流相等。互感器的二次电流所感应的电动势(EMF)进入到用于打火的信号(指令)调节单元7的输入端。在模块7(图2)中，信号通过滤波器例如被调整为低频谱。这就是频率等于电力线频率的信号被实际完全过滤出并被发送至模块23以形成一次谐波信号的原因。此时，在放大器单元16的输入端，不考虑负载的电流强度，在无任何故障的情况下，信号大小总是接近于零。在整流器模块17、打火电流强度确定模块18、以及累加模块19之后，将是信号的直流成分，其大小由滤波器校准误差、测得负载电流的谐波畸变、以及在开关装置和电线逻辑连接的几个接触点中的每一个的瞬态电阻的允许值来限定，并被单元20认为是逻辑零。
在与例如不良接触点位置处的可电离的瞬态电阻Rtrans的形成有关的故障开始后，在电气装置3的电路4中，出现打火电流(自由离子和微粒的电流)，以一系列“打火形成和熄灭”循环的形式出现。结果，出现电流的高频成分，交叠电流的整个负载。
测量模块6的互感器CTr的二次电流感应出EMF。在滤波器输出端，出现高频频谱的信号，进入到放大器单元17的输入端。在模块17中，对放大的信号进行整流，然后进入打火电流强度确定模块18中，尤其是进入模块31，其中，例如在模拟数字转换器的帮助下，例如，在循环的熄灭阶段，对第一和/或任何其它所选脉冲执行脉冲幅度测量。
与所测脉冲幅度成比例的信号进入到打火电流强度计算模块33，其输出端连接到打火电流强度存储模块34的输入端。
在存储了估计的打火电流值之后，控制模块12在其中形成用于形成明确的时间间隔和进行信号累加的指令，在将每个脉冲或“打火形成和熄灭”循环输入到前面的数字堆栈(对应于存储在打火电流模块34中的值)后，通过相加在模块19中执行信号累加。
累加信号的水平由到达的脉冲的强度或“打火形成和熄灭”循环和打火电流强度来确定，将该累加信号的值连续地与存储在模块21中的它的容许值进行比较。当累加信号超过容许值时，在比较单元的输出端形成与危险等级相对应的信号，该信号进入信号调节单元22。在模块22中，使信号的特性具有必须和足够的水平，以便支持信息映射模块9和网络受控部分关闭模块10的正常运转。
作为在工业装置和室内装置以及它们的设计和开发的质量控制结构中采用本发明的结果，改善了这些装置的安全利用，特别是改善了它们的防火性能。此外，降低了与用于实现防火、防爆系统相关联的费用支出并降低了电网和电气装置中的故障，同时增加了电力系统的可靠性。
最后的说明由下述值证明：
-4个新独立保护系统的补充应用需要引入38个新模块；
-4个防止打火的新保护系统的补充应用仅需要引入14个新模块。
执行本发明能够使居民区和车间、工地、房屋、航空器、舰船、铁路设备和其它具有电网和电气装置的设施中发生火灾的情况减少。此外，电引起的伤害及电网中由不容许的欠压所引起的家庭和其它装备损坏的数目降低。实现设备、实现所提出的方法都假定使用相关联的部件和元件。这并不需要改变工厂企业和私人公司来生产一系列的新产品。
利用提出的技术成果所挽救的生命的数量以及使得免于火灾伤害的居民区、工业和其它装置的数量和成本，说明了本发明的经济效益和伦理效益。
利用这种方式，实现了提出的用于防止电网或电气装置中的故障所引起的火灾的方法，增强了对人民群众、居民区、工厂和其它设备的保护，以使他们不受火灾伤害，并且确保每个公民和国家的物质和金融财产的实质节省。
参考文献
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2.发明RU2003120730，MPK 7 G08B17/06，G08B25/10的权利要求，申请日2003.07.10，2005.02.01决定。发明专利“Method andapparatus for fire prevention of sparking in electrical network”的发行。

Claims (2)

1.一种防止电网或电气装置中的故障引起火灾的方法，包含：
测量受控部分的电流，形成所测得电流的信号频谱的二次谐波和更高次谐波信号；对该谐波信号进行放大和整流、确定打火电流强度，其特征在于：该方法具有测量短路电流和/或过载电流和/或漏电流和/或电网电压的功能，其中，通过从测得的所述受控部分的电流中获得一次谐波信号来测量所述短路电流和/或过载电流，并且通过相应地连接漏电流传感器和/或将电网电压或电气装置电压反馈给设备来执行漏电流测量和/或电网电压测量；为确定打火电流，在“打火形成-熄灭”循环的形成和/或熄灭阶段测量脉冲幅度量和/或在幅度超过特定值的循环的形成阶段测量脉冲量。
2.用于实施如权利要求1所述方法的设备，包含用于测量受控部分的电流的模块、用于形成二次谐波和/或更高次谐波的信号调节单元、放大器单元、整流器模块、打火电流强度确定模块，其特征在于，它具有一次谐波信号形成模块，此外，其包含短路电流测量模块和/或过载电流测量模块和/或带有漏电流传感器的漏电流测量模块和/或电网电压测量模块，其中给打火电流强度确定模块提供用于在“打火形成-熄灭”循环的形成和/或熄灭阶段中测量脉冲幅度值的设备和/或在幅度值超过特定值的循环的形成阶段中测量脉冲量的设备。
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