Патент на изобретение №2342711

(54) СПОСОБ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПОЖАРА ОТ НЕИСПРАВНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ИЛИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно к способам и устройствам предупреждения пожаров, возникающих на различных объектах из-за неисправностей в электропроводке и других элементах электрической сети или электроустановке, приводящих к искрению, короткому замыканию или к перегрузке сети, к токам утечки или опасному изменению напряжения сети. При измерении сигналов искрения одновременно определяется адрес места их проявления. Технический результат – повышение помехозащищенности, связанное с полным подавлением ложных сигналов, изредка воспринимаемых как факт искрения при отсутствии такового, совершенствование единой комплексной защиты по предупреждению пожаров и взрывов от неисправностей в электрических сетях и электроустановках и, как следствие, повышение надежности электротехнических систем в целом. Изобретение базируется на внесении дополнительных функций к защите от искрения, направленных на определение места искрения и исключение ложных сигналов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

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, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах.

Эксплуатация жилых, бытовых, производственных и др. объектов нередко сопровождается пожарами или взрывами, возникающими из-за неисправностей в электрических сетях и электроустановках.

Особо опасны указанные неисправности при эксплуатации объектов повышенной опасности: объектов ядерной энергетики, горнодобывающих отраслей промышленности, добычи, объектов эксплуатации ядовитых и взрывоопасных веществ, хранения и транспортировки нефтепродуктов и газа, а также многих других пожаро- и взрывоопасных объектов специального, военного и гражданского назначения.

Для обнаружения подобных неисправностей предлагались различные способы обнаружения искрения. Однако при реализации указанных технических решений в широко разветвленной электрической сети, нагруженной на большое многообразие различных видов ее потребителей, возникла необходимость в разработке способа автоматического определения места искрения и борьбы с помехами в ней.

Известно техническое решение [1] по защите от тока искрения в электропроводке. В соответствии с данным техническим решением с помощью датчика Д измеряют электрический ток контролируемой электрической сети или электроустановки. Из измеренного тока путем 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, определяемый интенсивностью и величиной этого тока, зависящим от переходного сопротивления, усиливают его и выпрямляют. Величина тока искрения рассчитывается на основе измерения выбранного параметра (параметров) цикла «возникновение и гашение искры» (цикла) на его образующей и/или затухающей стадиях. При этом на выходе устройства формируется сигнал предупреждения о соответствующем уровне пожарной опасности и (или) команда на отключение контролируемого участка неисправной сети или электроустановки, поступающие на блок отображения информации и (или) на блок отключения контролируемого участка сети или электроустановки.

Известно техническое решение [2] по защите от тока искрения в электропроводке, в котором дополнительно к решению [1] введены: операция прямого измерения величины амплитуды импульсов на образующей и (или) затухающей стадиях цикла «возникновение и гашение искры»; операция измерения количества импульсов на образующей стадии цикла, амплитуда которых превышает установленное значение; операция формирования сигнала первой гармоники из спектра сигнала измеренного тока, из которой выделяют и измеряют сигналы токов короткого замыкания, и (или) перегрузки и (или) утечки, и (или) напряжения электрической сети; операция формирования сигнала предупреждения и (или) отключения контролируемого участка.

Как недостаток указанных технических решений следует отметить невозможность адресного быстрого отключения электрической цепи, в которой искрение достигло верхнего уровня пожарной опасности. Выполнение данной операции приводит к отключению всей контролируемой электрической сети и тем самым кроме опасной цепи отключает нормально функционирующие электрические цепи с работающими потребителями. Автоматическое адресное определение конкретного места искрения каждой из электрических цепей приводит к необходимости применения устройств в количестве, равном числу возможных потенциально опасных электрических цепей и даже потенциально опасных их элементов. Это, во-первых, значительно удорожает процесс контроля электросети в целом и, во-вторых, приводит к повышению вероятности выдачи устройством в нормально работающей электрической сети сигнала ложной опасности. Названные способы не позволяют добиться абсолютно надежной идентификации процесса искрения в емкой и разветвленной электрической сети, в которой постоянно присутствует широкий спектр помех.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства обнаружения искрения. Данная цель реализуется путем внедрения автоматического способа определения места искрения, который приводит к совершенствованию процесса контроля качества функционирования электросети. Кроме того, предполагаемое конструктивное изменение устройства на практике эксплуатации систем защиты от искрения электрических сетей обеспечивает подавление ложных сигналов пожарной опасности.

Цель достигается тем, что в предлагаемых выше технических решениях с учетом известных операций измерения и расчета параметров цикла «возникновение – гашение искры» вводят устройство А измерения искрения и дорабатывают существующее устройство Б путем введения в его конструкцию дополнительного блока 12, предназначенные для определения места искрения, возникающее и протекающее в электрической сети при нарушении целостности электрической цепи в целом или отдельного заданного ее элемента. Одновременно за счет шунтирования входа данного устройства А измерения искрения исправным рабочим проводником (нормально функционирующей электрической цепью) практически полностью исключается появление на выходе устройства А измерения искрения каких-либо сигналов (ложных сигналов). Расшунтирование данного устройства происходит автоматически при нарушении целостности контролируемой цепи, которое по природе явления обусловливает возникновение и протекание процесса искрения в ней.

Предлагаемые операции способа поясняются схемами, представленными на Фиг.1 и Фиг.2.

На Фиг.1 для примера представлена разветвленная электрическая сеть, подключаемая к источнику питания, например, ˜220 В 50 Гц, имеющая n участков и контролируемая известным устройством Б с входящим в него датчиком Д, измеряющим суммарный ток всей электрической сети или электроустановки. Устройством Б при анализе измеренного тока выделяется его высокочастотный спектр, на основе которого формируются сигналы, соответствующие протекающему в контролируемой электрической сети или электроустановке процессу искрения. При этом формируется и осуществляется хранение совокупности заданных значений и сравниваются с ними результаты сформированных сигналов как по искрению, так и по уровням пожарной опасности, им соответствующих. Отображение может осуществляться так же как по процессу искрения, так и (или) по соответствующему ему уровню пожарной опасности. При искрении на j-м участке (см. Фиг.1) с подключенным к его i-й электрической цепи (нагрузка H_ji) устройством A_ji измерения искрения отключается только данный участок автоматом AB_j. В случае искрения на участке с неподключенным к нему устройством А отключается вся контролируемая электрическая сеть или электроустановка автоматом АВ (см. Фиг.1). Команда на данное отключение выдается с блока управления 22 устройства Б (см. Фиг.2). Указанная команда формируется на основании анализа информации, полученной с блока 12 (на выходе всех модулей 13 логический 0, соответствующий отсутствию адреса) и блока 21 устройства Б (блоком сформирован сигнал, соответствующий превышению максимально допустимого искрения) на любом из участков электрической сети или электроустановки при отсутствии подключения к ним устройства A.

В общем случае данная сеть имеет 1, 2,… j…n участков с подключенными к ним устройствами А измерения искрения. Каждый из j-х участков при превышении максимально допустимого искрения в какой-либо его электрической цепи, контролируемой при этом доработанным устройством Б совместно с устройством А, отключается автоматическим выключателем AB_j.

Доработка устройства Б заключается в введении в него блока 12 определения места искрения, который вместе с устройствами А измерения искрения, равными по количеству контролируемым электрическим цепям, составляют функционально единое устройство определения места искрения.

Для примера показан участок 1 электрической сети, представленный электрическими цепями №1, №2…№i, нагруженными соответствующими потребителями Н₁₁, H₁₂ (светильники) и другой Н_1i нагрузкой. Нагрузка подключается к сети соответствующими выключателями B₁ и (или) В₂ и т.д., а также может подключаться напрямую, например, через штепсельные розетки или другое монтажное соединение.

На фрагментах 1 и 2, детально раскрытых на Фиг.2, рассматриваются конструктивные решения, являющиеся элементом устройства А измерения искрения и подавления ложных сигналов при отсутствии искрения в контролируемой цепи.

Фрагмент 1 электрической сети содержит электрическую цепь №1 с токопроводящими жилами (проводниками) 1 и изоляционным защитным слоем 4 или без такового; не проводящий ток корпус выключателя В1 с неподвижными 9 и подвижным 10 контактами; металлические винты 3 для прижима токопроводящих жил 1 к неподвижным контактам 9 корпуса выключателя; подвижный контакт 10 для создания гальванического соединения между неподвижными контактами 10 (при включенном положении выключателя В1).

Фрагмент 2 электрической сети содержит электрическую цепь №2 с токопроводящими жилами (проводниками) 1 и изоляционным защитным слоем 4 или без такового; переходную контактную колодку 2; металлические винты 3 для прижима токопроводящих жил 7 к металлической основе переходной колодки 2 и обеспечения тем самым гальванического соединения между данными токопроводящими жилами.

Рабочая электрическая цепь (цепи №1, 2 и др.) представляет собой замкнутый потенциально опасный участок токоведущих проводников 1, качество соединения которых контролируется устройством А. Данная цепь может содержать от одного до десятка и более замкнутых коммутационных элементов (контактов автоматов, выключателей, реле, разъединителей нагрузки и т.п.), а также жестких монтажных соединений и самих электрических проводов (потенциально опасных с точки зрения возможности нарушения их целостности), по которым протекает штатный ток нагрузки.

Контролируемые участки электрических цепей, каждый из которых включает в себя для простоты только один элемент (монтажное подсоединение выключателя В1 или нагрузки H₁₂). Дополнительное включение в единую контролируемую электрическую цепь неограниченного количества элементов не изменяет физическую суть явления, так как нарушение целостности одного или более любых из этих элементов всегда приводит к нарушению целостности электрической цепи в целом, что при этом не изменяет параметры самого процесса возникновения, протекания или затухания искрения.

Каждое устройство А заблаговременно подсоединено своим входом параллельно заранее выбранному замкнутому участку работоспособной электрической цепи №1 и №2…№1, не имеющему нарушения целостности на момент начала эксплуатации сети, но которое может возникнуть в дальнейшем. Будем называть такой участок сети как потенциально опасный.

Данное устройство А содержит электрические проводники 6 и элементы 5 для обеспечения надежного электрического контакта данных электрических проводников с началом и окончанием контролируемого участка рабочей замкнутой потенциально опасной i-й цепи. Завершающими элементами устройства являются два проводника 11, предназначенные для передачи сигнала от устройства А на один из модулей 13 (модули 1, 2…ni) блока 12 определения места искрения устройства Б (Фиг.2).

Так, например, на фрагменте 2 показано данное устройство, снимающее сигнал между точками 5 и 5, равный величине напряжения дуге (искре) процесса искрения, и передающее его на блок 12 определения места искрения (Фиг.2).

Кроме названной структуры устройство А может включать дополнительные элементы, необходимые для формирования другого требуемого сигнала, соответствующего, например, величине тока искрения. На фрагменте 1 в качестве таких дополнительных элементов представлены элемент 7, например, в виде конденсатора и элемент 8. например, в виде трансформатора тока, например, для согласования и передачи на блок 12 определения места искрения.

Устройство А определения места искрения и подавления ложных сигналов работает следующим образом.

Работу устройства рассмотрим на примере электрической цепи №1 (Фиг.1 и фрагмент 7, Фиг.2).

При исправном состоянии электрической сети элементами 2, 3, 9 и 10 обеспечивается надежное соединение токоведущих частей 1 рабочей электрической цепи №1, величина сопротивления которой близка к нулю. Падение напряжения на данном участке между элементами 5 пренебрежимо мало, что соответствует практически нулевому значению тока в цепи 6 и его высокочастотной составляющей. Нулевое значение тока согласующим элементом 8 (трансформатором тока) через провод 11 передается блоку 12. На выходе модуля 1 данного блока величина сигнала искрения равна нулю, что соответствует отсутствию сигналов на входе блоков отображения информации и формирования команды на отключение контролируемого участка сети.

При протекании по рабочему проводнику 1 высокочастотной составляющей тока нагрузки (помехи) шунтирующее сопротивление между точками 5-5 (сопротивление практически равно нулю) гарантирует в электрической цепи 6 практически нулевое значение тока, что обеспечивает требуемое качество подавления данной помехи и на выходе элемента 8 какой-либо сигнал, в том числе ложный будет отсутствовать.

За практически нулевое значение принимается величина конкретного результата измерения или выходного сигнала, не превышающая нижнее заданное значение и принятое за логический нуль.

При возникновении неисправности, связанной с образованием ионизированного переходного сопротивления в месте появления некачественного контакта между, например, зажимом 3 и неподвижным контактом 9 корпуса 2 выключателя В1, в электрической цепи №1 появляется ток искрения (на возникшем зазоре ток свободных ионов и электронов), проявляющийся в виде последовательности циклов «возникновение – гашение искры». В результате возникает высокочастотная составляющая электрического тока, накладывающаяся на ток суммарной нагрузки. На вторичной обмотке трансформатора тока 8 появляется сигнал высокочастотного спектра, поступающий на вход блока 12 определения места искрения – дополнения известного устройства Б.

Уровень сигнала измеряется в модуле 1 (13), результат которого далее в модуле 15 определения места искрения преобразуется, например, в кодовое значение. Если величина измеренного сигнала превышает заданный минимальный уровень, хранящийся в блоке 21, ему присваивается, например, логическая единица, в противном случае – логический нуль.

При этом если присвоенное значение равно единице, в том же модуле 15 формируется адрес места искрения, текущее значение которому присваивается, например, единица – номер модуля 1 платы 16, в котором измерялся сигнал с выхода соответствующего устройства А (фрагмент 1, Фиг.2).

Полученный адрес передается в модуль 17 отображения номера места искрения, являющегося наряду с модулем 18 составной частью блока 19 отображения информации. Одновременно полученный в модуле 15 адрес передается в блок 14 формирования команды на отключение контролируемого участка сети.

Присвоенное в модуле 15 нулевое значение соответствует наличию в электрической сети на участке 1 допустимо малого искрения либо наличию любого уровня искрения на других участках сети, не охваченных устройствами А. Независимо от последней ситуации данное искрение уже с пониженным уровнем помехозащищенности в любом случае обнаруживается датчиком Д совместно с устройством Б. При этом на блоке отображения информации фиксируется уровень пожарной опасности, но не отображается на нем адрес искрения или отображается как, например, нулевой.

Команда на адресное отключение электрической сети формируется блоком управления 22 при одновременном наличии адреса в блоке 12 и признака высшего уровня пожарной опасности искрения, сформированного блоком 14. В случае отсутствия адреса и при одновременном наличии высшего уровня пожарной опасности искрения тем же блоком управления формируется команда на отключение всей электрической сети автоматическим выключателем АВ (Фиг.1).

Предлагаемое техническое решение отличается от известных тем, что оно содержит в себе операции и устройства, формирующие адрес места искрения и подавляющие ложные сигналы при отсутствии данного искрения. Это расширяет функциональные возможности существующих в настоящее время способов и устройств предупреждения пожара при появлении неисправностей в электрической сети и электроустановке.

В научно-технической литературе не обнаружено технических решений с указанной выше совокупностью признаков. Следовательно, эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию НОВИЗНА.

При этом цель изобретения достигается всей введенной совокупностью операций, элементов и связей, которая не была известна до даты заявки технического решения, что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию СУЩЕСТВЕННЫЕ ОТЛИЧИЯ.

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 защиты по предупреждению пожаров и взрывов от неисправностей в электрических сетях и электроустановках, а также повышается надежность электротехнических систем в целом. Последнее утверждение заключается в следующем:

– определение места искрения путем применения по количеству потенциальных точек искрения простых и дешевых устройств А и дополнительно доработанного только одного устройства Б экономически выгоднее и в стоимости устройств и в их эксплуатации вместо применения эквивалентного количества дорогостоящих существующих устройств Б (по количеству тех же потенциальных точек искрения);

– предлагаемое техническое решение при отсутствии искрения в электрической сети практически исключает выдачу ложных сигналов на выходе устройства.

Внедрение данного изобретения приведет к снижению количества случаев возгорания в жилых и производственных помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах, использующих электрические сети и электроустановки. Кроме того, снизится количество случаев поражения человека электрическим током, а также вывода из строя бытовой и другой техники при недопустимом понижении напряжения в электрической сети.

Внедрение устройств, реализующих предлагаемый способ, предполагает использование серийных комплектующих узлов и элементов. Это не требует перестройки предприятий промышленности и частных фирм на выпуск новой номенклатуры продукции.

Экономический и моральный выигрыш от внедрения изобретения определяется числом сохраненных жизней, а также количеством и стоимостью жилых, производственных и др. объектов, спасенных от пожаров путем применения предлагаемого технического 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 государства в целом.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент №2254615, МПК 7 G08В 17/06, G08В 25/10.

2. Международная заявка №PCT/RU 2005/000251 на патент на изобретение, опубликована 16.11.2006 г.

Формула изобретения

1. Способ предупреждения пожара от неисправности в электрической сети или электроустановке, содержащий измерение электрического тока контролируемой разветвленной электрической сети или электроустановки; формирование сигнала по искрению из высокочастотного спектра измеренного тока; формирование и хранение совокупности заданных значений для сформированных сигналов по искрению и сравнение с ними сформированных сигналов; формирование по результату сравнения команды на отображение информации и/или формирование команды на отключение контролируемой электрической сети или электроустановки и ее исполнение, отличающийся тем, что параллельно замкнутой электрической цепи, по меньшей мере, одного, потенциально опасного участка разветвленной электрической сети или электроустановки, подключают вход устройства измерения искрения таким образом, что в исправном состоянии упомянутого участка вход упомянутого устройства шунтирован, измеряют величину напряжения электрической дуги (искры) и/или тока искрения при нарушении целостности контролируемой упомянутой электрической цепи; формируют сигнал, определяющий место искрения – место нахождения участка поврежденной электрической цепи в электрической сети или установке; отображают адрес места нахождения этого участка и/или отключают этот участок с поврежденной электрической цепью, причем формирование команды на отключение контролируемой электрической сети или электроустановки и ее исполнение осуществляют при достижении высшего уровня пожарной опасности.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее блок измерения электрического тока контролируемой разветвленной электрической сети или электроустановки, блок формирования сигнала по искрению из высокочастотного спектра измеренного тока, блок формирования и хранения совокупности заданных значений для сформированных сигналов по искрению и сравнения с ними сформированных сигналов, блок формирования по результату сравнения команды на отображение информации и/или блок формирования команды на отключение контролируемой электрической сети или электроустановки, и блок ее исполнения, отличающееся тем, что содержит входом подключенное параллельно замкнутой электрической цепи, по меньшей мере, одного, потенциально опасного участка разветвленной электрической сети или электроустановки, устройство измерения искрения, в котором на упомянутом его входе измеряется величина напряжения электрической дуги (искры) и/или тока искрения, причем в исправном состоянии упомянутого участка вход упомянутого устройства шунтирован упомянутой цепью, а также блок определения места искрения, в котором измеряется величина напряжения дуги (искры) и/или тока искрения, определяется адрес места искрения, т.е. упомянутого контролируемого участка, причем вход данного блока соединен с выходом устройства измерения искрения и с выходом блока формирования и хранения совокупности заданных значений для сформированных сигналов по искрению, а выход блока определения места искрения соединен с блоком отображения информации и/или с блоком формирования команды на отключение контролируемого участка электрической сети или электроустановки, причем формирование команды на отключение контролируемой электрической сети или электроустановки и ее исполнение соответствующими блоками осуществляется при достижении высшего уровня пожарной опасности.

РИСУНКИ