СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПОЖАРА ОТ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ И ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАХ Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно к способам и устройствам предупреждения пожаров, возникающих при неисправностях в электрических сетях (ЭС) или электроустановках (ЭУ) в помещениях, сооружениях, зданиях, самолётах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах.
Эксплуатация жилых, бытовых, производственных и др. объектов нередко сопро- вождается пожарами или взрывами, возникающими из-за неисправностей в электрических сетях (ЭС) и электроустановках (ЭУ). К основным неисправностям, нередко сопровождаемым большим материальным ущербом, гибелью и (или) увечьем людей, следует отнести искрение в электропроводке, короткое замыкание, ток перегрузки, ток утечки, недопустимо большое уменьшение напряжения в сети. В России согласно официальной статистике пожар на электрооборудовании по количеству и тяжести последствий занимает второе место после неосторожного обращения с огнём.
Особо опасны указанные выше неисправности при эксплуатации объектов повышенной опасности - объектов добычи, хранения и транспортировки нефтепродуктов и га- за, объектов горнодобьшающих отраслей промышленности, объектов эксплуатации ядовитых и взрывоопасных веществ, а также многих других пожаро- и взрывоопасных объектов специального, военного и гражданского назначения.
Для обнаружения подобных неисправностей разрабатывались различные способы и устройства защиты, применяемые в ЭС и ЭУ. Известно устройство защитного отключения (УЗО), представленное на рис. 4.7 [1], содержащее датчик измерения разностного тока (ТЕП - трансформатор тока нулевой по
следовательности), формирователь электромагнитного (ЭМ) сигнала отключения сети и исполнительный орган (ВО расцепитель), отключающий ЭС или ЭУ в случае выхода величины тока утечки за допустимые значения, тем самым предупреждая поражение чело- века электрическим током или возникновение пожара в ней.
Известно устройство защиты от короткого замыкания, представленное на рис. 4.8 [1], содержащее датчик-виток, расположенный на расцепителе и включённый последовательно в цепь тока нагрузки, формирователь сигнала отключения (расцепитель) и исполнительный орган, отключающий ЭС или ЭУ в случае достижения током величины тока короткого замыкания.
Этим же устройством, содержащим обмотку минимального расцепителя, осуществляется защита от понижения напряжения сети ниже допустимого значения.
Известно устройство зашиты от тока перегрузки, представленное на рис. 4.30 [1], содержащее биметаллический расцепитель, воздействующий на удерживающий рычаг с зубом, фигурную деталь, пружину с рычагами и контакты отключающего автомата.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ предупреждения пожара от искрения в электрической сети или электроустановке и устройство для его осуществления [2]. Оно обладает более широкой совокупностью общих свойств, присущих перечисленным выше техническим устройствам, и выбрано в качестве ближайшего аналога из числа известных и принято за прототип.
В соответствии с известным техническим решением измеряют электрический ток контролируемого участка ЭС или ЭУ, из измеренного тока путём фильтрации первой гармоники или всего низкочастотного спектра выделяют сигнал второй и/или более высоких гармоник, характеризующий процесс восстановления напряжения на разорванной цепи при прохождении тока искрения через нулевое значение. Величина выделенного сигнала определяется интенсивностью и величиной этого тока искрения, зависящего от переход-
ного сопротивления. Затем сигнал усиливают и вьшрямляют. При этом накопление сигнала осуществляют с учётом предварительно рассчитанной величины тока искрения. Величина тока искрения рассчитывается на основе измерения и последующего расчёта вы- бранного параметра (параметров) цикла «вoзникнoвeниe - гашение иcкpы» на его образующей и затухающей стадиях (на участках перехода тока искрения через нуль). К данным параметрам цикла, зависящим от величины тока искрения, относят, например, частоту следования циклов, продолжительность образующей и затухающей стадий цикла, количество импульсов на затухающей стадии цикла, амплитуда которых превышает уста- новленное значение. Результат накопления сигнала за установленное время сравнивают с заранее заданным (заданными) его допустимыми значениями. При этом на выходе устройства формируется сигнал предупреждения о соответствующем уровне пожарной опасности и (или) команда на отключение контролируемого участка неисправной ЭС или ЭУ, поступающие на блок отображения информации и (или) на блок отключения контроли- руемого участка ЭС или ЭУ.
Устройство [2] для осуществления указанного способа характеризуется тем, что оно содержит блок определения величины тока искрения, включающий в себя модуль формирования сигнала-признака цикла «вoзникнoвeниe — гашение иcкpы», обеспечивающий для каждого цикла «вoзникнoвeниe - гашение иcкpы» в последовательности этих циклов формирование из сигнала второй и (или) более высоких гармоник импульса сигнала - признака цикла, модуль измерения и расчета параметра цикла, или обеспечивающий формирование по первому импульсу сигнала — признака цикла временного интервала, в течение которого накапливают импульсы сигналов - признаков, а по окончании — рассчитывают частоту следования этих циклов, и (или) обеспечивающий определение продол- жительности образующей и (или) затухающей стадии цикла, и (или) обеспечивающий определение количества импульсов на затухающей стадии цикла, амплитуда которых превы-
шает установленное значение, модуль расчета величины тока искрения на основании или рассчитанной частоты следования циклов, и (или) на основании продолжительности образующей и (или) затухающей стадий цикла, и (или) на основании количества импульсов на затухающей стадии цикла, амплитуда которых превышает установленное значение, модуль хранения рассчитанной величины тока искрения, обеспечивающий запоминание рассчитанной величины тока искрения и передачу ее в блок накопления, при этом блок накопления выполнен с возможностью приема рассчитанной величины тока искрения, с возможностью получения команды от блока управления на формирование установленного интервала времени и с возможностью осуществления в течение этого интервала времени накопления сигнала посредством прибавления по поступлении каждого импульса сигнала - признака цикла «вoзникнoвeниe - гашение иcкpы» к предшествующему результату суммирования числа, соответствующего рассчитанной величине тока искрения, а блок управления выполнен соответственно с возможностью приема сигнала для осуществления вы- работки указанной команды при передаче рассчитанной величины тока искрения в блок накопления.
Все команды на выполнение заданного алгоритма работы устройства формируются в блоке управления, исполненного, например, в виде микроконтроллера. Питание устройства обеспечивается блоком питания, запитываемого, в свою очередь, от ЭС и (или) от ав- тономного источника.
Как недостаток данного технического решения следует отметить отсутствие операции прямого измерения величины амплитуды импульсов на образующей и (или) затухающей стадиях цикла «вoзникнoвeниe - гашение иcкpы» и (или) измерения на образующей стадии цикла количества импульсов, амплитуда которых превышает установленное значение, что могло бы обеспечить наиболее достоверное и точное определение величины тока искрения в условиях предъявления к устройству «yжecточeнныx» требований.
Кроме того, существенной сложностью процесса обеспечения объектов комплексной защитой является, как правило, независимость друг от друга перечисленных выше устройств по схемному и конструктивному исполнению, повторяемость одних и тех же функций, реализуемых во многом общими узлами и схемными решениями. Поэтому раздельное применение всех необходимых устройств защиты в системе обеспечения пожаро - взрывобезопасности не только усложняет и удорожает их использование на практике, но и понижает надёжность электрической системы в целом.
Целью изобретения является повышение достоверности и точности измерения ве- личины тока искрения, а также расширение функциональных возможностей способа предупреждения пожара от искрения в электропроводке жилых, бытовых, производственных помещений и др. объектов, позволяющих понизить стоимость затрат на создание и эксплуатацию системы предупреждения пожаров от неисправностей в ЭС и ЭУ .
Цель достигается тем, что способ предупреждения пожара или взрыва от неис- правности в электрических сетях (ЭС) или электроустановках (ЭУ), содержащий измерение электрического тока контролируемого участка, формирование сигнала второй и (или) более высоких гармоник из спектра сигнала измеренного тока, усиление его и выпрямление, определение величины тока искрения, согласно заявленного изобретения, дополнительно содержит измерение тока короткого замыкания и (или) тока перегрузки и (или) то- ка утечки и (или) напряжения ЭС, при этом ток короткого замыкания и (или) ток перегрузки измеряют путем выделения из измеренного электрического тока контролируемого участка сигнала первой гармоники, а измерение тока утечки и (или) напряжения ЭС осуществляют соответственно путем подключения датчика тока утечки и (или) подачи к устройству напряжения ЭС или ЭУ; для определения тока искрения измеряют величину ам- плитуды импульсов на образующей и (или) затухающей стадиях цикла «вoзникнoвeния - гашения иcкpы» и (или) количества импульсов на образующей стадии цикла, амплитуда
которых превышает установленное значение.
Устройство для осуществления указанного способа содержит блок измерения тока контролируемого участка, блок формирования сигнала второй и (или) более высоких гар- моник, блок усиления, блок выпрямления, блок определения величины тока искрения, дополнительно содержит, согласно заявляемого изобретения, блок формирования сигнала первой гармоники, блок измерения тока короткого замыкания и (или) блок измерения тока перегрузки и (или) блок измерения тока утечки с датчиком тока утечки и (или) блок измерения напряжения ЭС, при этом блок определения величины тока искрения снабжен уст- ройством измерения величины амплитуды импульсов на образующей и (или) затухающей стадиях цикла «вoзникнoвeниe — гашение иcкpы» и (или) устройством измерения на образующей стадии цикла количества импульсов, амплитуда которых превышает установленное значение.
Таким образом, в известное техническое решение [2] наряду с операциями выделе- ния высокочастотной составляющей тока, измерения и расчёта выбранного параметра цикла «вoзникнoвeниe-гaшeниe» искры, расчёта и учёта величины тока искрения дополнительно измеряют величину амплитуды импульсов на образующей и (или) затухающей стадиях цикла «вoзникнoвeниe - гашение иcкpы», и (или) вводят следующие дополнительные операции: формирование сигнала первой гармоники; измерение входных сигаа- лов; сравнение измеренных величин входных сигналов с их заданными значениями; задание допустимых значений входных сигналов; формирование сигнала (команды) о неисправности или нарушении режима эксплуатации ЭС или ЭУ.
При этом, исходя из технической и экономической целесообразности, перечисленные дополнительные операции могут вводиться в полном или в ограниченном объёме. Выполнение указанных операций независимо или совместно с известными операциями измерения других параметров цикла «вoзникнoвeниe - гашение иcкpы» позволяет не толь-
ко повысить достоверность и точность измерения величины тока искрения, но и расширить функциональные возможности данного технического решения — вместо одного реализовать в себе пять видов защиты: защиту от искрения, защиту от короткого замыкания, защиту от тока перегрузки, защиту от токов утечки и защиту от понижения напряжения в сети.
Наличие в заявляемом техническом решении совокупности отличительных признаков, не известных из уровня техники, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «нoвизнa». Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения, предопределяющих получение указанного технического результата, явным образом не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности «изoбpeтaтeльcкий ypoвeнь».
Условие патентоспособности «пpoмышлeннaя применимость)) подтверждено на примере конкретного осуществления.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где: на фиг. 1 - представлена схема подключения устройства защиты от пожара к электрической сети помещения; на фиг. 2 - представлены схемы блока формирования сигнала по искрению и блока формирования сигналов по току короткого замыкания, току перегрузки, току утечки и напряжению ЭС; на фиг. 3 - представлен блок определения величины тока искрения; на фиг. 4 - приведены графики, иллюстрирующие процессы, сопровождающие явление искрения, а также сами понятия цикла ««вoзникнoвeниe - гашение иcкpы», его образующей и затухающей стадий. Так: на графике 1 представлена форма сигнала, появляющегося на выходе блoкal7 вы- прямления при возникновении искрения на каком-либо участке контролируемой ЭС или ЭУ; на графике 2 показан характер изменения во времени тока искрения, практически
равного штатному току нагрузки, и форма сигнала на выходе блока 15 формирования ВЧ- спектра в моменты перехода величины тока искрения через нуль; на графике 3 иллюстрируется определение понятия цикла ««вoзникнoвeниe - гашение иcкpы» и его основных со- ставляющих стадий - образования искры, искрения и гашения искры.
На фиг. 1 изображена в качестве примера схема помещения, содержащая вводной щит 1, провода электрической сети (ЭС) 2, электроустановки (ЭУ) 3, электрическую цепь 4, а также представлена блок-схема 5 устройства предупреждения пожара от неисправностей в ЭС и ЭУ. Электрическая цепь 4 образуется при подключении к электрической сети нагрузки, которой в рассматриваемом примере является электроустановка ЭУi.
Устройство 5 содержит: блок 6 измерения тока, предназначенный для измерения суммарного тока; блок 7 формирования сигнала (команды) по искрению; блок 8 формирования сигналов (команд) по току короткого замыкания (I13), току перегрузки (Iпep), по отклонению тока утечки (Iyx ) и по отклонению напряжения сети (Uсети ); блок 9 отображения информации; блок 10 формирования команды на отключение контролируемого участка ЭС или ЭУ; исполнительный орган 11; блок 12 управления; блок 13 питания.
Блок 7 формирования сигнала (команды) по искрению состоит из следующих блоков: блок 14 фильтрации низкочастотного спектра (НЧ - спектра), блок 15 формирования высокочастотного спектра (ВЧ — спектра), блок 16 усиления, блок 17 выпрямления, блок 18 определения величины тока искрения, блок 19 накопления, блок 20 сравнения, блок 21 хранения заданных значений и блок 22 формирования сигнала (команды).
Блоки 7, 9-13 полностью входят в состав структурной схемы устройства предупреждения пожара от искрения в ЭС или ЭУ, блок 6 - только в части трансформатора тока (TpT), их состав и работа отражены в [2]. Блок 8 вводится дополнительно. Блок 6 включает в себя датчик измерения сигнала от тока искрения, который может быть выполнен в виде, например, сердечника и обмотки, представляющих вместе
с одним проводом сети трансформатор тока (TpT). В случае применения защиты от тока утечки блок 6 будет также включать в себя датчик измерения тока утечки, который может быть исполнен в виде, например, сердечника и обмотки, представляющих вместе с двумя или тремя (для 3-х фазной сети) проводами сети трансформатор тока нулевой последовательности (ТНП). Блоки 7,9 - 13 описаны ранее, как составная часть прототипа.
Блок 8 формирования сигнала команды по искрению, представленный на фиг.2, содержит: блок 23 формирования сигнала первой гармоники; блок 24 - 27 измерения входных сигналов Iкз, Iпep, IyT> Uceти, соответственно. Измеренные величины входных сигналов, приведенные к единому виду, например к импульсной форме, поступают на соответствующие входы блока 20 сравнения, где и сравниваются с заданными значениями, поступающими на другие входы блока 20 сравнения с соответствующих выходов блока 21 хранения заданных значений.
Блок 23 формирования сигнала первой гармоники предназначен для выделения из предварительно отфильтрованного сигнала НЧ-спектра (блок 14) сигнала первой гармон- ки - для промышленной сети в России этот сигнал имеет частоту 50 Гц. Сигнал первой гармоники используется для измерения токов короткого замыкания и перегрузки.
Блок 24 измерения Iкз измеряет ток короткого замыкания путем предварительного его преобразования, например, в импульсную форму (основные операции: усиление; вы- прямление; преобразование постоянного напряжения в переменное, частота которого пропорциональна величине входного сигнала; однополупериодное выпрямление). Далее данным блоком осуществляется измерение количества импульсов за установленное время с помощью, например, счётчиков импульсов.
Результат счёта с выхода блока 24 поступает на вход блока 20 сравнения, где и сравнивается с заданным (заданными) значением. Заданное значение по величине тока короткого замыкания направляется в блок 20 сравнения из блока 21 хранения заданных зна-
чений по команде из блока управления 12.
Результат сравнения в виде импульса, формируемого при отклонении измеренного значения от допустимого, поступает в блок 22 формирования сигнала (команды), с выхода которого сигнал поступает на отображение информации в блок 9 и (или) в блок 10 формирования команды на отключение контролируемого участка ЭС или ЭУ.
Таким образом, функция защиты от тока короткого замыкания реализуется путём задействования TpT и блоков 14, 23, 24, 20, 21, 22, 9, 10, 11, 12, 13.
Примечание: полужирным шрифтом выделены номера блоков, рке используемых в устройстве защиты от искрения.
Аналогичным образом организуется работа устройств защиты от:
- тока перегрузки (TpT и блоки 14, 23, 25, 20, 21, 22, 9, 10, 11, 12, 13);
- тока утечки (ТИП и блоки 26, 20, 21, 22, 9, 10, 11, 12, 13);
- от понижения напряжения сети (блоки 27, 20, 21, 22, 9, 10, 11, 12, 13). Блок 18 определения величины тока искрения состоит из модуля 28 определения частоты следования циклов, модуля 29 измерения продолжительности образующей и (или) затухающей стадий цикла, модуля 30 измерения количества импульсов на затухающей стадии цикла, модуля 31 измерения амплитуды импульсов на образующей и (или) затухающей стадиях цикла, модуля 32 измерения количества импульсов на образующей стадии цикла, величина которых превышает установленное значение, модуля 33 расчета величины тока искрения и модуля 34 хранения величины тока искрения.
Комплексная защита объектов обеспечивается путём: измерения сигнала от тока искрения Iиcкp; измерения тока короткого замыкания IK3; измерения тока перегрузки In4,; измерения тока утечки Iyx; измерения напряжения сети Ucети. Процесс измерения перечис- ленных входных сигналов завершается формированием выходного сигнала (сигнала по- пожарной опасности) и (или) команды на отключение контролируемого участка элек-
трической сети или электроустановки.
Устройство предупреждения пожара от неисправностей ЭС и ЭУ 5 работает следующим образом. Устройство 5 с помощью блока 6 измерения суммарного тока нагрузки контролируемого участка ЭС или ЭУ и измерения тока нулевой последовательности, выполненного в виде, например, трансформатора тока (TpT) и трансформатора тока нулевой последовательности (ТИП) подключено, например, к вводному щиту 1. К этому же вводному щиту для измерения напряжения Uсети. электрической сети 2 подключён блок 8 этого же устрой- ства. Таким образом, контролю подвержена вся электрическая сеть (все электроустановки), находящиеся за местом установки устройства 5 (в приведенном примере за вводным щитом).
Для примера рассмотрим работу устройства по защите от тока искрения.
При исправном состоянии электрической сети 2 и электроустановок 3 (фиг.l) по её проводу, являющемуся одновременно первичной обмоткой трансформатора тока TpT блока 6 измерения, протекает электрический ток частотой питающей сети, величина которого равна сумме токов нагрузки всех потребителей. Электродвижущая сила (ЭДС), наведённая во вторичной обмотке трансформатора тока, поступает на вход блока 7 формирования сигнала (команды) по искрению. В блоке 7 (фиг.2) сигнал проходит через фильтр, настроенный, например, на НЧ спектр. Поэтому сигнал, частота которого равна частоте питающей сети, практически полностью отфильтровывается и направляется в блок 23 для формирования сигнала первой гармоники. При этом на входе блока 16 усиления независимо от величины тока нагрузки при отсутствии неисправности величина сигнала всегда близка к нулю. После блока 17 выпрямления, блока 18 определения величины тока искрения и блока 19 накопления будет иметь место постоянная составляющая сигнала, величина ко-
торой определяется погрешностью настройки фильтра, нелинейными искажениями измеряемого тока нагрузки и допустимыми значениями переходных сопротивлений в каждом из контактов коммутационной аппаратуры и монтажных соединений и воспринимается блоком 20 сравнения как логический нуль.
При возникновении неисправности, связанной с образованием ионизированного переходного сопротивления RПePex в месте, например, некачественного контакта, в электрической цепи 4 электроустановки 3 (ЭУi) появляется ток искрения (ток свободных ионов и электронов), проявляющийся в виде последовательности циклов «вoзникнoвeниe- гашение иcкpы». В результате возникает высокочастотная составляющая электрического тока, накладывающаяся на ток суммарной нагрузки.
На вторичной обмотке трансформатора тока TpT блока 6 измерения наводится ЭДС. На выходе фильтра появляется сигнал ВЧ- спектра, поступающий на вход блока 16 усиления. Усиленный сигнал выпрямляется в блоке 17 и поступает в блок 18 определения величины тока искрения, в частности на модуль 31, в котором с помощью, например, аналогового цифрового преобразователя осуществляется измерение амплитуды импульсов, например, на затухающей стадии цикла по первому и (или) по какому-либо другому (другим) выбранному импульсу. Сигнал, пропорциональный измеренной амплитуде импульса, поступает на модуль
33 расчета величины тока искрения, выход которого подключен к входу модуля 34 хранения величины тока искрения.
После запоминания рассчитанной величины тока искрения блок 12 управления формирует команду для выработки установленного интервала времени и накопления в те- чение него сигнала, причем, накопление сигнала осуществляют в блоке 19 путем прибавления по поступлении каждого импульса или цикла «вoзникнoвeниe — гашение иcкpы» к
предшествующему результату суммирования числа, соответствующего величине запомненного в модуле 34 тока искрения.
Уровень накопленного сигнала, определяемый интенсивностью поступления им- пульсов или циклов «вoзникнoвeниe-гaшeниe иcкpы» и величиной тока искрения, непрерывно сравнивается с его допустимым значением (значениями), хранящемся в блоке 21. При превышении накопленным сигналом допустимого значения на выходе блока сравнения формируется сигнал соответствующего уровня опасности, поступающий в блок 22 формирования сигнала. В блоке 22 параметры сигналы доводятся до величины, необхо- димой и достаточной для обеспечения нормальной работы блока 9 отображения информации и блока 10 отключения контролируемого участка сети.
В результате внедрения данного изобретения на промышленных и бытовых объектах, а также в структурах контроля качества их проектирования и эксплуатации повышается, в целом, безопасность эксплуатации этих объектов и их пожарная безопасность, в частности. Кроме того, снижается стоимость затрат на реализацию комплексной защиты по предупреждению пожаров и взрывов от неисправностей в электрических сетях и электроустановках, а также повышается надёжность электротехнических систем, в целом. Последнее утверждение подтверждается приведенными ниже цифрами:
- дополнительное использование 4-х независимых защит требует введения 38 но- вых блоков;
- дополнительное использование 4-х защит, комплексированных с защитой от искрения, требует введения только 14 новых блоков.
Внедрение данного изобретения приведёт к снижению количества случаев возгорания в жилых и производственных помещениях, сооружениях, зданиях, самолётах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах, использующих электрические сети и электроустановки. Кроме того, снизится количество случаев поражения человека электри-
ческим током, а также вывода из строя бытовой и другой техники при недопустимом понижении напряжения в электрической сети.
Внедрение устройств, реализующих предлагаемый способ, предполагает использо- вание серийных комплектующих узлов и элементов. Это не требует перестройки предприятий промьшшенности и частных фирм на выпуск новой номенклатуры продукции.
Экономический и моральный выигрыш от внедрения изобретения определяется числом сохранённых жизней, а также количеством и стоимостью жилых, производственных и др. объектов, спасённых от пожаров путём применения предлагаемого техническое решения.
Таким образом, внедрение предлагаемого способа предупреждения пожара при неисправности в электрической сети или электроустановке повысит защиту людей, жилых, производственных и др. объектов от поражающего действия пожаров, а также обеспечит существенную экономию материальных и финансовых средств каждого гражданина и го- сударства, в целом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. И.C. Таев. Электрические аппараты управления. M., Высшая школа. 1984.
2. Заявка на изобретение RU Ж2003120730, МПК 7 G08B 17/06, G08B 25/10, дата подачи 2003.07.10, решение от 2005.02.01. о выдаче патента на изобретение «Cпocoб и устройство для предупреждения пожара от искрения в электрической ceти».