Результат интеллектуальной деятельности: Способ предупреждения пожара из-за неисправности контактного соединения в электрической сети

Изобретение относится к области мониторинга состояния контактных соединений в силовой электрической сети и может быть использовано для предупреждения пожара при неисправности контактного соединения в электрической сети или электроустановке и может найти применение в системах «Умный дом».

Известен способ предупреждения пожара при неисправности в электрической сети (п. 1 ф-лы RU 2159468), выбранный в качестве аналога, включающий измерение суммарного электрического тока в электрической сети, фильтрации первой гармоники или всего низкочастотного спектра измеренного суммарного тока, формировании суммарного сигнала второй и/или более высоких гармоник, его усилении, выпрямлении и накапливании в течение установленного времени, сравнении величины накопленного сигнала с заданным значением или с заданными значениями первого или более высоких уровней сравнения, принятыми для соответствующих степеней пожароопасности электрической сети, формировании сигнала или сигналов предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации и/или формировании команды на отключение электрической сети в зависимости от величины накопленного сигнала.

Недостатком этого способа является невозможность распознавания в защищаемой цепи большого переходного сопротивления в безыскровом режиме. На этом уровне чувствительности какое-либо изменение сигнала датчика тока от большого переходного сопротивления в безыскровом режиме практически неразличимо, а повышение чувствительности (понижение порога срабатывания относительно амплитуды сигналов датчика тока) может приводить к ложным срабатываниям устройства.

Известен способ неразрушающего контроля неисправностей в электрической сети (RU 2762526), выбранный в качестве прототипа, включающий соединение вводного щита с двумя электроустановками через переходные сопротивления, уменьшение суммарного напряжения электрической сети, фильтрацию, определение момента включения и номера электроустановки по наличию тока, протекающего через эту электроустановку, передачу этих данных в микроконтроллер, анализ изменения термоЭДС при включении и выключении каждой электроустановки и ее сравнении с заданным значением, принятым для соответствующей степени пожароопасности электрической сети, формирование сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации в зависимости от величины заданного значения сигнала, принятого для соответствующей степени пожароопасности.

Недостатком этого способа является невозможность выявления неисправностей контактного соединения в электрической сети при подключении нагрузки с током потребления меньше номинального.

Техническая проблема, решаемая настоящим изобретением - выявления неисправностей контактного соединения в электрической сети при подключении нагрузки с током потребления меньше номинального.

Предложенный способ предупреждения пожара из-за неисправностей контактного соединения в электрической сети, включающий соединение вводного щита с двумя электроустановками через контактное соединение, уменьшение суммарного напряжения электрической сети, фильтрацию, определение момента включения и номера электроустановки по наличию тока, протекающего через эту электроустановку, передачу этих данных в микроконтроллер, формирование сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации в зависимости от величины заданного значения сигнала, принятого для соответствующей степени пожароопасности.

Согласно изобретению измеряют величину тока через включенную электроустановку, полученные данные о токе включенной электроустановки передают в микроконтроллер, рассчитывают величину контактного сопротивления, пересчитывают термоЭДС на максимальный ток контактного соединения, который сравнивают с заданным значением, принятым для соответствующей степени пожароопасности электрической сети.

За счет измерения величины тока через включенную электроустановку, передаче в микроконтроллер полученных данных о токе включенной электроустановки, расчете величины контактного сопротивления, пересчете термоЭДС на максимальный ток контактного соединения появилась возможность предупреждения пожара из-за неисправностей контактного соединения в электрической сети.

При протекании тока через переходное сопротивление контакта на нем выделится тепло и по эффекту Зеебека появится термоЭДС в виде постоянного напряжения, величина которого прямо пропорциональна разности температур контактов проводника:

(1)

где T₂ и T₁ - температура горячего и холодного контакта соответственно; S₁ и S₂ коэффициенты Зеебека для первого и второго материала соответственно, α – коэффициент термо-ЭДС контактной пары, ΔT – разность температуры.

Мощность, выделяемая на контактном соединении, можно определить из тока и сопротивления:

(2)

где I – действующее значение силы тока, протекающего через контактное сопротивление; R – контактное сопротивление.

Из закона Джоуля — Ленца можно вычислить выделяемое тепло:

(3)

где dQ – количество тепла; t – время протекания тока.

Часть этого тепла нагревает контактное сопротивление, что приводит к повышению его температуры, а оставшаяся часть отводится за счет теплоотдачи. Тепло идущее на нагрев контактного сопротивления можно определить из выражения:

(4)

где m – вес контакта; с – удельная теплоемкость материала контакта.

Тепло, рассеиваемое контактом за время dt определяется из формулы:

(5)

где К – общий коэффициент теплоотдачи, учитывающий все ее виды; S – поверхность охлаждения контакта.

Уравнение теплового баланса имеет вид:

(6)

где dQ₂ – часть тепла, отводящаяся за счет теплоотдачи.

Учитывая (3), (4) и (5) уравнение теплового баланса примет вид:

(7)

Отсюда находят контактное сопротивление:

(8)

Полученное значение R используется для расчета изменения температуры при номинальном токе через контактное сопротивление:

(9)

Полученное значение ΔT используют для расчета термоЭДС в соответствии с формулой (1), которое сравнивается с заданным значением, принятым для соответствующей степени пожароопасности электрической сети и при необходимости осуществляется выработка сигнала предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации.

На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

В таблице 1 приведены результаты контроля термоЭДС и формирование сигнала пожароопасности.

Способ предупреждения пожара из-за неисправностей контактного соединения в электрической сети осуществлен с помощью устройства (фиг. 1), содержащего вводной щит 1, к которому через электрическую сеть 2, первое контактное соединение 3 и первый датчик тока 4 (ДТ1) подключена первая электроустановка 5 (ЭУ), а также через второе контактное соединение 6 и второй датчик тока 7 (ДТ2) подключена вторая электроустановка 8 (ЭУ). К электрической сети 2 последовательно подключены высоковольтный делитель 9, фильтр низкой частоты 10 (ФНЧ), первый усилитель 11, первый аналого-цифровой преобразователь 12 (АЦП 1), микроконтроллер 13 (МК), к которому подключены первый 14 и второй 15 индикаторы. Первый датчик тока 4 (ДТ1) подключен к микроконтроллеру 13 (МК) через второй усилитель 16 и второй аналого-цифровой преобразователь 17 (АЦП 2), второй датчик тока 7 (ДТ2) подключены к микроконтроллеру 13 (МК) через третий усилитель 18 и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3).

Контактные соединения 3 и 6 выполнены на стандартных розетках, например, фирмы Legrand модель Cariva 773659 с максимальным током 16 А, первый и второй датчики тока 4 и 7 выполнены на стандартных датчиках Холла, например, фирмы Allegro модель ACS758LCB-100B. Высоковольтный делитель 8 выполнен на 10 резисторах МЛТ 2. Фильтр низкой частоты 9 (ФНЧ) и усилители 10, 16 и 18 выполнены на операционном усилителе, например К140УД6. Аналого-цифровые преобразователи 11 (АЦП 1), 17 (АЦП 2), и 17 (АЦП 3) выполнены на стандартной микросхеме АЦП К572ПВ3. Микроконтроллер 13 типовой, например, АРДУИНО. Индикаторы 14 и 15 выполнены на двух светодиодах, например АЛ307.

Предлагаемым способом был проведен контроль неисправности контактного соединения электрической плиты и настольной лампы с электрической сетью.

Процедура контроля. В электрическую сеть 2 напряжением 220 вольт 50Гц через первое контактное соединение 3 и первый датчик тока 4 (ДТ1) подключили первую электроустановку 5 (электрическую плиту мощностью 1,8 кВт). Через второе контактное соединение 6 и второй датчик тока 7 (ДТ2) подключили вторую электроустановку 8 (ЭУ2), в качестве которой использовали настольную лампу мощностью 95 Вт.

Сначала включили первую электроустановку 5 в электрическую сеть 2. На выходе первого датчика тока 4 (ДТ 1) появился сигнал, который через второй усилитель 16 и второй аналого-цифровой преобразователь 16 (АЦП 2) в цифровом виде поступил на микроконтроллер 13 (МК). В это же время измерили термоЭДС и пересчитали ее на ток 16 А. Для увеличения термоЭДС первого контактного соединения (что равносильно увеличению контактного сопротивления) поместили первое контактное соединение в термокамеру и нагрели до температуры 100±5°С. На выходе первого датчика тока 4 (ДТ 1) появился сигнал, который поступил через второй усилитель 16 и второй аналого-цифровой преобразователь 17 (АЦП 2) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). В это же время измерили термоЭДС, пересчитали ее на ток 16 А. Затем выключили первую электроустановку 5.

Результаты измерения термоЭДС приведены в таблице 1, из которой видно, что при превышении сигнала термоЭДС 0,5 В, микроконтроллер 13 выдал сигнал пожароопасности на первый индикатор 14.

Затем включили вторую электроустановку 8 в электрическую сеть 2. На выходе второго датчика тока 7 (ДТ 1) появился сигнал, который поступил через третий усилитель 18 и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). В это же время измерили термоЭДС, пересчитали ее на ток 16 А. Для увеличения термоЭДС второго контактного соединения (что равносильно увеличению контактного сопротивления) поместили второе контактное соединение в термокамеру и нагрели до температуры 100±5°С. На выходе второго датчика тока 4 (ДТ 1) появился сигнал, который поступил через третий усилитель 18 и третий аналого-цифровой преобразователь 19 (АЦП 3) в цифровом виде в микроконтроллер 13 (МК). В это же время измерили термоЭДС, пересчитали ее на ток 16 А. Затем выключили вторую электроустановку 8.

Результаты измерения термоЭДС приведены в таблице 1, из которой видно, что при превышении сигнала термоЭДС 0,2 В, микроконтроллер 13 выдал сигнал пожароопасности на индикатор 14.

Следовательно, использование заявляемого способа позволяет выявить неисправность контактного соединения в электрической сети при подключении двух электроустановок и предупредить пожар.

Таблица 1.