Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда

Полезная модель - устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда - относится к устройствам защиты в области электроэнергетики и пожарной безопасности, осуществляющим автоматическое отключение и непосредственно реагирующим на недопустимое отклонение от нормальных электрических рабочих параметров с последующим восстановлением соединения или без такового, а именно, к устройствам динамического обнаружения аварийного электрического разряда.

В электроустановках и кабельных линиях по причине механических, химических и температурных воздействий образуются повреждения изоляции, которые приводят к нарушению порядка функционирования электрической цепи, изменению соответствующей ей совокупности характеристик и возникновению аварийных режимов работы. Наибольшую сложность в обнаружении представляют аварийные режимы, при которых протекают физические процессы с электрическими разрядами.

Особенностью современных электроустановок является наличие в них устройств с однократными или периодически повторяющимися электрическими разрядами или устройств, генерирующих форму тока, сходную с током разряда, в штатном режиме работы. В связи с этим, при разработке устройства динамического обнаружения аварийного электрического разряда возникла необходимость его разграничения на два класса - штатный электрический разряд и аварийный электрический разряд.

Доля пожаров, возникающих из-за ненадежного контакта и повреждений 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 устройства защиты от аварийного электрического разряда актуален и его следует применять на электроустановках всех категорий как промышленного, так и бытового назначения.

Существующие устройства защиты с помощью автоматических выключателей (АВ) и устройств защитного отключения (УЗО) не позволяют произвести своевременное отключение поврежденной части электроустановки, поэтому для значительного повышения уровня безопасности электроустановок возникла необходимость в разработке новых устройств.

Задачей полезной модели - устройства динамического обнаружения аварийного электрического разряда - является обеспечение устойчивого функционирования и отсутствия ложных срабатываний для всех видов нагрузок, в том числе при наличии штатных электрических разрядов и для пусковых токов любого уровня и, обеспечение стабильного и постоянного порогового уровня аварийного электрического разряда, основанного на экспериментальных данных по минимальной энергии разряда, необходимой для возгорания, регистрация как дуговых, так и искровых электрических разрядов.

Для получения такого технического результата предлагается устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда, которое содержит датчик тока нагрузки контролируемой сети с подключенным к выходу устройством защиты входа, сигнал с которого подают на широкополосный усилитель, с выхода которого он поступает на аналого-цифровой преобразователь, с использованием которого производят дискретное по времени считывание зарегистрированного сигнала i(t) тока нагрузки контролируемой сети, аналого-цифровой преобразователь подключен к функциональному модулю - цифровому логическому устройству, с помощью которого получают M отсчетов i_m за промежуток времени T_j, далее из полученного набора отсчетов поэлементно вычитают набор отсчетов, полученный за предыдущий промежуток времени T_j-1:

,

где i_m - m-ый элемент набора отчетов, полученного из дискретизированного сигнала тока нагрузки, считанного за временной промежуток T_j;

M - количество отсчетов, получаемых за промежуток времени T _j;

полученные наборы отсчетов усредняют, применяя оператор усреднения

,

где S - фиксированное количество отсчетов, попадающих в радиус малой окрестности ;

и вычисляют норму полученного результата по формуле:

;

для выделения высокочастотных составляющих к исходному набору отсчетов i_m применяют оператор усреднения согласно формуле:

,

для повышения достоверности оценки исключают медленно меняющиеся составляющие последовательности отсчетов нескольких периодов анализа: из исходного набора отсчетов i_m поэлементно вычитают i_m,3, после чего вычисляют норму полученного набора чисел:

;

далее из полученных значений x _n,1, x_n,2 вычитают средние арифметические значения наборов отсчетов x_m,k, полученных за последние r промежутков времени T_j, и берут их абсолютные величины:

;

затем, применяя к каждой из последовательностей значений y_n,1, y_n,2 преобразование, эквивалентное двухступенчатой схеме фильтрации, состоящей из нелинейного фильтра подавления изолированных импульсов и линейного фильтра накопления:

;

где ;

получают значения z_n,1 и z_n,2 сравнивают их с заданными пороговыми значениями и , т.е. проверяют выполнение условия:

(z _n,1>)&(z_n,2>),

в случае выполнения этого условия формируют сигнал для отключения электроустановки, который с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, выход которого подключен к реле, приводящее в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой сети.

Устройство конструктивно и функционально может быть объединено с устройством защитного отключения, и (или) с автоматическим выключателем защиты от перегрузок и сверхтоков.

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами фиг.1-3.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства.

На фиг.2 - алгоритм работы функционального модуля устройства.

На фиг.3 - временная диаграмма работы устройства.

В результате внедрения заявляемого устройства значительно повышается достоверность определения аварийного электрического разряда, исключаются ложные срабатывания при одновременной работе нагрузок различных видов (чисто активные, индуктивные, емкостные и смешанные). Отдельно следует указать на высокое быстродействие устройства и устойчивую регистрацию аварийной ситуации до зажигания стабильной электрической дуги, наиболее часто приводящей к пожару. Данное изобретение может применяться в сетях как переменного, так и постоянного тока.

Таким образом, внедрение предлагаемого устройства динамического обнаружения аварийного электрического разряда обеспечивает предупреждение пожара при неисправности в электрической сети или электроустановке, повышает степень защиты людей, жилых, производственных и др. объектов от поражающего действия пожаров.

Полезная модель - устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда - относится к устройствам защиты в области электроэнергетики и пожарной безопасности, осуществляющим автоматическое отключение и непосредственно реагирующим на недопустимое отклонение от нормальных электрических рабочих параметров с последующим восстановлением соединения или без такового, а именно, к устройствам динамического обнаружения аварийного электрического разряда.

В электроустановках и кабельных линиях по причине механических, химических и температурных воздействий образуются повреждения изоляции, которые приводят к нарушению порядка функционирования электрической цепи, изменению соответствующей ей совокупности характеристик и возникновению аварийных режимов работы. Наибольшую сложность в обнаружении представляют аварийные режимы, при которых протекают физические процессы с электрическими разрядами.

Особенностью современных электроустановок является наличие в них устройств с однократными или периодически повторяющимися электрическими разрядами или устройств, генерирующих форму тока, сходную с током разряда, в штатном режиме работы. В связи с этим, при разработке устройства динамического обнаружения аварийного электрического разряда возникла необходимость его разграничения на два класса - штатный электрический разряд и аварийный электрический разряд.

Под штатным электрическим разрядом (ШЭР) будем понимать разряд любого вида - искровой, дуговой и др., присущий ряду электрических машин и устройств (коллекторные электродвигатели, выключатели, контакторы, реле, сварочные аппараты, газоразрядные лампы и т.д.). К штатному электрическому разряду также можно отнести электрические процессы, протекающие в контролируемой сети, которые обладают рядом характерных для разряда признаков - переходные и коммутационные процессы, сопровождающие работу импульсных источников питания и преобразователей напряжения, устройств частотного привода и т.п.

Аварийным электрическим разрядом (АЭР) будем считать разряд любого вида - искровой, дуговой и др., не характерный для электроустановок, машин и устройств, находящихся в исправном состоянии, который может привести к возгоранию или воспламенению изоляционных материалов и окружающих предметов и веществ.

Аварийный электрический разряд, в свою очередь, целесообразно разделить по ряду признаков и особенностей детектирования на три вида: последовательный, параллельный и АЭР на землю.

Последовательный аварийный электрический разряд возникает при нарушении надежного электрического контакта в цепи с подключенной нагрузкой. Ток последовательного аварийного электрического разряда ограничивается номинальным током нагрузки.

Параллельный аварийный электрический разряд возникает при дуговом или искровом разрядах между фазными и (или) нейтральным проводниками.

Аварийный электрический разряд на землю является частным случаем параллельного аварийного электрического разряда и возникает при дуговом или искровом разрядах между фазными проводниками и заземленными частями электроустановки (проводник защитного заземления).

При аварийной ситуации первоначально появляются одиночные искровые разряды, характеризующиеся крайне малым временем протекания разрядного тока. Выделяющаяся теплота при достаточной частоте появления искровых разрядов способствует обугливанию изоляционного материала и перетеканию аварийного электрического разряда в следующую, более устойчивую фазу - дуговой разряд. Аналогично процесс развивается при нарушении электрического контакта в клеммниках и других коммутационных изделиях.

Доля пожаров, возникающих из-за ненадежного контакта и повреждений 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 устройства защиты от аварийного электрического разряда актуален и его следует применять на электроустановках всех категорий как промышленного, так и бытового назначения.

Существующие устройства защиты с помощью автоматических выключателей (АВ) и устройств защитного отключения (УЗО) не позволяют произвести своевременное отключение поврежденной части электроустановки, поэтому для значительного повышения уровня безопасности электроустановок возникла необходимость в разработке новых устройств.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является устройство [заявка на патент США 2009/0059449 A1, опубл. 05.03.2009], в котором зарегистрированный сигнал тока контролируемой сети подается на два независимых канала; первый канал содержит фильтр высоких частот (ФВЧ), предназначенный для удаления из сигнала основной гармоники сети переменного тока, второй - фильтр низких частот (ФНЧ), служащий для подавления высокочастотных составляющих тока, возникающих, в частности, при искрении. Сигналы тока каждого из каналов после фильтрации оцифровываются и обрабатываются с помощью микропроцессора следующим образом. Сигнал первого канала анализируется для выявления одной или нескольких статистических характеристик. Сигнал второго канала служит для вычисления среднеквадратичного значения тока нагрузки. Статистические характеристики сигнала первого канала сравниваются с определенными диапазонами значений, зависящих от среднеквадратичного значения тока нагрузки. В случае если значения статистических характеристик попадают в заданные для определенного значения тока нагрузки пределы, значения логического счетчика увеличиваются. При достижении предельного значения формируется сигнал, приводящий к обесточиванию контролируемой сети.

Существенными недостатками данного технического решения являются: возможность ложного срабатывания устройства при нормальном функционировании нагрузок с большими пусковыми токами и высоким уровнем штатных электрических разрядов - коллекторных двигателей и импульсных источников питания, необеспечение пожарной безопасности при наличии аварийного электрического, в том числе дугового, разряда, являющегося одним из видов аварийного электрического разряда малой мощности, зависимость предельного уровня аварийного электрического разряда от тока нагрузки контролируемой сети, приводящая к недопустимому повышению его порогового значения, невозможность устойчивой регистрации кратковременных искровых разрядов.

Задачей полезной модели - устройства динамического обнаружения аварийного электрического разряда - является обеспечение устойчивого функционирования и отсутствия ложных срабатываний для всех видов нагрузок, в том числе при наличии штатных электрических разрядов и для пусковых токов любого уровня и, обеспечение стабильного и постоянного порогового уровня аварийного электрического разряда, основанного на экспериментальных данных по минимальной энергии разряда, необходимой для возгорания, регистрация как дуговых, так и искровых электрических разрядов.

Для получения такого технического результата предлагается устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда, которое содержит датчик тока нагрузки контролируемой сети с подключенным к выходу устройством защиты входа, сигнал с которого подают на широкополосный усилитель, с выхода которого он поступает на аналого-цифровой преобразователь, с использованием которого производят дискретное по времени считывание зарегистрированного сигнала i(t) тока нагрузки контролируемой сети, аналого-цифровой преобразователь подключен к функциональному модулю - цифровому логическому устройству, с помощью которого получают M отсчетов i_m за промежуток времени T _j, далее из полученного набора отсчетов поэлементно вычитают набор отсчетов, полученный за предыдущий промежуток времени T _j-1:

,

где i_m - m-ый элемент набора отчетов, полученного из дискретизированного сигнала тока нагрузки, считанного за временной промежуток T_j;

M - количество отсчетов, получаемых за промежуток времени T _j; полученные наборы отсчетов усредняют, применяя оператор усреднения

,

где S - фиксированное количество отсчетов, попадающих в радиус малой окрестности ;

и вычисляют норму полученного результата по формуле:

;

для выделения высокочастотных составляющих к исходному набору отсчетов i_m применяют оператор усреднения согласно формуле:

,

для повышения достоверности оценки исключают медленно меняющиеся составляющие последовательности отсчетов нескольких периодов анализа: из исходного набора отсчетов i_m поэлементно вычитают i_m,3, после чего вычисляют норму полученного набора чисел:

;

далее из полученных значений x _n,1, x_n,2 вычитают средние арифметические значения наборов отсчетов x_m,k, полученных за последние r промежутков времени T_j, и берут их абсолютные величины:

;

затем, применяя к каждой из последовательностей значений y_n,1, y_n,2 преобразование, эквивалентное двухступенчатой схеме фильтрации, состоящей из нелинейного фильтра подавления изолированных импульсов и линейного фильтра накопления:

;

где ;

получают значения z_n,1 и z _n,2 и сравнивают их с заданными пороговыми значениями и , т.е. проверяют выполнение условия:

(z _n,1>)&(z_n,2>),

в случае выполнения этого условия формируют сигнал для отключения электроустановки, который с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, выход которого подключен к реле, приводящее в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой сети.

Устройство конструктивно и функционально может быть объединено с устройством защитного отключения, и (или) с автоматическим выключателем защиты от перегрузок и сверхтоков.

Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами фиг.1-3.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства.

На фиг.2 - алгоритм работы функционального модуля устройства.

На фиг.3 - временная диаграмма работы устройства.

Устройство (фиг.1) содержит контактную группу 2, блок защиты от волновых перенапряжений 3, датчик тока нагрузки 4, блок питания 7, устройство защиты входа 9, усилитель 11, аналого-цифровой преобразователь 12, функциональный модуль 14, индикатор 13, реле 10, исполнительный механизм 8 и, в случае совмещения с устройством защиты, тепловой и электромагнитный расцепители, и датчик дифференциального тока 6.

Устройство включается в контролируемую сеть последовательно с нагрузками и 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 и на электронную схему устройства, на датчик тока нагрузки 4 и на выходные клеммы 5.

Сигнал с датчика тока нагрузки 4 подают на устройство защиты входа 9, осуществляющее дополнительную защиту электронной схемы устройства при длительной перегрузке (в том случае, если в составе устройства не предусмотрен автоматический выключатель либо при его повреждении). Далее сигнал усиливается с помощью усилителя 11 и подается на аналого-цифровой преобразователь 12 для оцифровки и дальнейшей обработки с помощью функционального модуля 14.

Функциональный модуль 14 содержит микроконтроллер или иное цифровое логическое устройство с дополнительными элементами, обеспечивающими требуемый режим работы. С его помощью осуществляют сбор, хранение и обработку оцифрованных данных сигнала тока, поступившего с датчика, формирование сигнала на индикатор 13 и команды на реле 10 для приведения в действие исполнительного механизма 8 с целью размыкания контактной группы 2 и обесточивания контролируемой сети при возникновении аварийной ситуации.

Функциональный модуль 14 обрабатывает поступающие сигналы и выдает информационные сообщения или формирует команду на отключение контролируемой сети согласно алгоритму, представленному на фиг.2 и включает в себя процессор, буфер, счетчик, оперативное запоминающее устройство.

На фиг.3 изображена временная диаграмма, поясняющая последовательность выполняемых устройством действий.

При включении устройства происходит инициализация, включающая обнуление счетчика времени и буфера, установку начальных параметров (параметров подавления и успокоения) и периода анализа T. Одновременно запускается счетчик, осуществляющий отсчет времени, начинается запись зарегистрированного и оцифрованного аналогово-цифровым преобразователем сигнала тока в виде кодов в буфер, причем их группировка происходит по кадрам.

Счетчик времени осуществляет отсчет на протяжении всего кадра (КАДР 1 на фиг.3) до момента начала поступления данных кадра, следующего за текущим (КАДР 2).

По окончании процесса инициализации процессор переходит в режим ожидания (запись данных в буфер и отсчет времени продолжаются).

В момент полного заполнения КАДРА 1 значение счетчика становится равным значению периода анализа T, затем данные из буфера передаются процессору для дальнейшей обработки, происходит обнуление буфера, счетчик обнуляется и продолжает отсчет времени до достижения значения, равного периоду анализа T (конец КАДРА 2).

После получения данных из буфера процессором инициируется обработка текущего кадра (КАДРА 1) в виде последовательных вычислений трех пар значений X₁ и X₂, Y₁ и Y ₂, Z₁ и Z₂, причем после каждого вычисления пары их значения хранятся в ОЗУ для дальнейшего использования, т.к. вычисления каждой последующий пары значений, согласно алгоритму по фиг.2, происходят рекурсивно, через значения, полученные при обработке предыдущих кадров.

После вычисления последней за кадр пары значений Z₁ и Z₂ , что соответствует окончанию обработки процессором данных, полученных за предыдущий кадр, осуществляется проверка условия (Z_{1, текущее}>)&(Z_{2, текущее}>) и процессор переходит в режим ожидания (процессором осуществляется хранение пар значений в ОЗУ, запись либо перезапись данных в буфер продолжается).

При достижении счетчиком очередного значения, равного периоду анализа T (конец КАДРА 2), процесс повторяется аналогично обработке КАДРА 1: данные КАДРА 2 из буфера передаются процессору для обработки, буфер обнуляется либо получает разрешение на перезапись хранимых в нем данных, счетчик обнуляется и продолжает отсчет времени. После вычисления процессором очередных пар значений X₁ и Х₂ , Y₁ и Y₂, Z₁ и Z₂ , текущие пары записываются на место предыдущих значений, а ячейки памяти с текущими парами значений остаются в режиме хранения до следующей перезаписи либо общей команды сброса.

Процесс покадровой обработки непрерывно продолжается до тех пор, пока при проверке процессором условие (Z_{1, текущее} >)&(Z_{2, текущее}>) не станет истинным.

При возникновении аварийного электрического разряда в контролируемой сети (КАДР 3 и КАДР 4 на фиг.3 - наличие хаотичных резких пиков и провалов на осциллограмме тока) возрастает значение иррегулярной компоненты (ИК) сигнала, что вызывает рост значения Z₂, одновременно с этим нарушается повторяемость формы сигнала, т.е. нарушение периодичности регулярной компоненты (РК), приводящее к росту значения Z₁, оценивающего апериодичность РК. При достижении Z₁ и Z₂ установленных пороговых значений аир соответственно условие:

(Z_{1, текущее} >)&(Z_{2, текущее}>)

принимает значение:

(Z _{1, текущее}>)&(Z_{2, текущее}>)=ИСТИНА,

процессор выдает сигнал тревоги (АВАРИЯ на фиг.3) и (или) формирует команду (в виде сигнала на исполнительный узел) для отключения контролируемой сети.

В результате внедрения заявляемого устройства значительно повышается достоверность определения аварийного электрического разряда, исключаются ложные срабатывания при одновременной работе нагрузок различных видов (чисто активные, индуктивные, емкостные и смешанные). Отдельно следует указать на высокое быстродействие устройства и устойчивую регистрацию аварийной ситуации до зажигания стабильной электрической дуги, наиболее часто приводящей к пожару. Данное изобретение может применяться в сетях как переменного, так и постоянного тока.

Таким образом, внедрение предлагаемого устройства динамического обнаружения аварийного электрического разряда обеспечивает предупреждение пожара при неисправности в электрической сети или электроустановке, повышает степень защиты людей, жилых, производственных и др. объектов от поражающего действия пожаров.

1. Устройство динамического обнаружения аварийного электрического разряда, содержащее датчик тока нагрузки контролируемой сети с подключенным к выходу устройством защиты входа, сигнал с которого подают на широкополосный усилитель, с выхода которого он поступает на аналого-цифровой преобразователь, с использованием которого производят дискретное по времени считывание зарегистрированного сигнала i(t) тока нагрузки контролируемой сети, аналого-цифровой преобразователь подключен к функциональному модулю - цифровому логическому устройству, с помощью которого получают M отсчетов i_m за промежуток времени T_j, далее из полученного набора отсчетов поэлементно вычитают набор отсчетов, полученный за предыдущий промежуток времени T_j-1:

,

где i_m - m-й элемент набора отсчетов, полученного из дискретизированного сигнала тока нагрузки, считанного за временной промежуток T_j;

M - количество отсчетов, получаемых за промежуток времени T_j;

полученные наборы отсчетов усредняют, применяя оператор усреднения

,

где S - фиксированное количество отсчетов, попадающих в радиус малой окрестности ;

и вычисляют норму полученного результата по формуле:

;

для выделения высокочастотных составляющих к исходному набору отсчетов i_m применяют оператор усреднения согласно формуле:

,

для повышения достоверности оценки исключают медленно меняющиеся составляющие последовательности отсчетов нескольких периодов анализа: из исходного набора отсчетов i_m поэлементно вычитают i_m,3, после чего вычисляют норму полученного набора чисел:

;

далее из полученных значений x_n,1, x _n,2 вычитают средние арифметические значения наборов отсчетов x_m,k, полученных за последние r промежутков времени T_j, и берут их абсолютные величины:

;

затем, применяя к каждой из последовательностей значений y_n,1, y_n,2 преобразование, эквивалентное двухступенчатой схеме фильтрации, состоящей из нелинейного фильтра подавления изолированных импульсов и линейного фильтра накопления:

;

где ;

получают значения z_n,1 и z_n,2 и сравнивают их с заданными пороговыми значениями и , т.е. проверяют выполнение условия:

(z_n,1 >)&(z_n,2>),

в случае выполнения этого условия формируют сигнал для отключения электроустановки, который с выхода блока управления и анализа подают на индикатор, выход которого подключен к реле, приводящему в действие исполнительный механизм, воздействующий на контактную группу, с помощью которого осуществляют обесточивание контролируемой сети.

2. Устройство по п.1 конструктивно и функционально может быть объединено с устройством защитного отключения.

3. Устройство по пп.1 и 2 конструктивно и функционально может быть объединено с автоматическим выключателем защиты от перегрузок и сверхтоков.