Способ предупреждения пожара при неисправности в электрической сети или электроустановке (варианты) и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергии, а именно к способам и устройствам предупреждения пожаров, возникающих в помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах из-за неисправностей в электропроводке и др. элементов электрических сетей или электроустановок. Способ базируется на использовании в качестве контролируемого параметра величины переходного сопротивления путем измерения тока высокочастотного спектра (второй и более высоких гармоник), являющегося функцией этого сопротивления. По результатам контроля формируется предупреждающий сигнал или команда на отключение электрической сети (элетроустановок). Переходные сопротивления образуются в местах соприкосновения подвижных и неподвижных контактов коммутирующих элементов (реле, выключателях, разъединителях и др.), а также в места соединения проводов и подключения в электросеть различных элементов (соединительных коробок, штекерных соединений, электрических ламп, плавких вставок и др.). Аналога, характеризующего способ или устройство предупреждения пожара путем формирования сигнала пожарной опасности по величине и(или) интенсивности тока переходного сопротивления, не обнаружено. В результате внедрения данного изобретения в жилых и производственных помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и других объектах, а также в структурах контроля качества проектирования в эксплуатации этих объектов повышается их пожарная безопасность, что является техническим результатом. 3 с.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области пожарной безопасности и электроэнергетики, а именно к способам и устройствам предупреждения пожаров, возникающих при неисправностях электрических сетей или электроустановок в помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах.

Эксплуатация жилых, бытовых, производственных и др. объектов нередко сопровождается пожарами, возникающими по причине появления неисправностей в электропроводке или электрической аппаратуре - потребителях электроэнергии. В результате наносится большой материальный и моральный ущерб, нередко сопровождающийся гибелью и (или) увечьем людей.

Известно устройство [1], реагирующее на нестандартную ситуацию на транспортном средстве и автоматически выключающее его систему электропитания, предупреждая тем самым возможность возникновения пожара. Недостатком способа, реализуемого данным устройством, является отсутствие прямой причинно-следственной связи между качеством функционирования системы электропитания и моделью развития происшествия, связанного с возникновением пожара. В этом случае первопричиной возникновения пожара является возникновение нестандартной ситуации, вызывающей появление неисправностей, приводящей в свою очередь к пожару.

Известно устройство [2] , реагирующее на изменение температуры электропроводки, превышение которой является причиной возникновения пожара. Существенным недостатком подобных устройств и способов, ими реализуемых, является их не чувствительность к относительно малым токам (менее допустимых токов нагрузки) переходных сопротивлений. Переходные сопротивления образуются в местах соприкосновения подвижных и неподвижных контактов коммутирующих элементов (реле, выключателях, разъединителях и др.), а также в местах соединения проводов и подключения в электросеть различных элементов (соединительных коробок, штекерных соединений, электрических ламп, плавких вставок и др.). Указанный способ не позволяет обнаружить увеличение переходного сопротивления до опасного значения и сформировать сигнал пожарной опасности или команду на автоматическое отключение электрической сети (электроустановки). Последнее со временем приводит к повышенному выделению тепловой энергии в области увеличенного переходного сопротивления, что и является первопричиной возникновения пожара. Нередко причиной пожара является образование переходного сопротивления в местах обрыва электрических жил проводов.

Аналога, характеризующего способ или устройство предупреждения пожара путем формирования сигнала опасности по величине и (или) интенсивности тока переходного сопротивления, не обнаружено.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство [3], содержащее датчик тока и формирователь сигнала отключения (два пороговых элемента и интегратор, элемент ИЛИ, усилитель мощности и исполнительный орган).

Это устройство позволяет отключать электросеть (электроустановку) в случае выхода величины электрического тока нагрузки за допустимые значения, тем самым предупреждая возникновение пожара в ней. Данное устройство является ближайшим аналогом из числа известных и принято за прототип.

В прототипе предусматривается отключение электросети (электроустановки) при наличии в ней электрического тока, обязательно превышающего величину допустимой нагрузки.

Существенным недостатком прототипа является его нечувствительность к образованию в электрической сети (электроустановке) переходного сопротивления или его увеличению. Это не позволяет в случае возникновения в этой сети (электроустановке) неисправности, связанной с образованием переходного сопротивления или его увеличением, осуществить защитное противопожарное отключение или сформировать предупреждающий сигнал о возникновении пожароопасной ситуации.

Предлагаемое техническое решение обеспечивает защиту помещений (сооружений, зданий и др. объектов) от пожаров путем предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации или отключения электрической сети (электроустановки) по средством автоматического выявления в ней неисправности, связанной с несанкционированным образованием или увеличением переходного сопротивления.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей известных систем предупреждения о создании пожароопасной ситуации в жилых, бытовых, производственных и др. объектах, оснащенных функционирующими электрическими сетями и электроустановками.

Цель достигается тем, что в область контролируемых операций, определяющих пожароопасную ситуацию, вводится операция контроля параметра R_перех переходного сопротивления 1 (Фиг. 1), образуемого или увеличивающего свое значение при неисправности в электрической сети 2 или электроустановке 3. При этом суммарная величина электрических токов второй и (или) более высоких гармоник, протекающих по электрической цепи 4, определяется данным параметром R_перех и определяется устройством 5. По результатам контроля делается вывод о противопожарном состоянии жилых, бытовых, производственных и др. объектов и при необходимости формируется предупреждающий сигнал и (или) команда на отключение электрической сети (электроустановки).

Предлагаемые операции способа поясняются схемами, представленными на фиг. 2, 3, 4, на которых изображены: Фиг. 2 - структурная схема устройства; Фиг. 3 - график 1 изменения тока в сети при отсутствии неисправности, график 2 изменения тока в сети при наличии неисправности, график 3 сигнала помехи на выходе блока накопления; Фиг. 4 - график 1 изменения сигнала на выходе блока выпрямления, график 2 изменения сигнала на выходе блока накопления.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство 5 содержит: блок 6 измерения суммарного тока в электрической сети 2; блок 7 формирования высокочастотного спектра сигнала (второй и (или) более высоких гармоник) путем фильтрации первой гармоники или всего низкочастотного спектра; блок 8 усиления (при необходимости) сигнала выделенного высокочастотного спектра; блок 9 выпрямления усиленного сигнала; блок 10 накопления выпрямленного сигнала; блок 11 задержки; блок 12 сравнения величины накопленного сигнала с заданным (заданными) значением (значениями) с нуль-органом 13; блок 14 формирования предупреждающего сигнала (сигналов) и (или) команды на отключение электрической сети (электроустановки); исполнительный орган 15 отключения электрической сети (электроустановке); блок 16 питания.

Устройство 5 с помощью блока 6 измерения тока, выполненного в виде, например, трансформатора тока, подключено к одному из проводов электрической сети (электроустановки) в заранее выбранном месте, например у вводного щита в квартиру (дом, склад, цех, транспортное средство и т.д.).

Устройство работает следующим образом. При исправном состоянии электрической сети (электроустановки) по ее проводу, являющемуся одновременно первичной обмоткой трансформатора тока блока 6 измерения, протекает электрический ток частотой питающей сети, величина которого равна сумме токов нагрузки всех потребителей (график 1 фиг. 3). ЭДС, наведенная во вторичной обмотке трансформатора тока, поступает на вход блока 7 формирования сигнала высокочастотного спектра, выполненного, например, в виде фильтра LC, настроенного, например, на первую гармонику. Таким образом, сигнал, частота которого равна частоте питающей сети, практически полностью отфильтровывается и на входе блока 8 усиления независимо от величины тока нагрузки при отсутствии неисправности величина сигнала всегда близка к нулю. Поэтому после блоков 9 выпрямления и 10 накопления будет иметь место постоянная составляющая, величина которой 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 12 сравнения как логический нуль. При этом, контролю подвержена вся электрическая сеть (все электроустановки), находящиеся за местом установки устройства 5 (в приведенном примере за вводным щитом).

При возникновении неисправности, связанной с образованием или увеличением переходного сопротивления 1, в электрической цепи 4 появляется (возрастает) высокочастотная составляющая электрического тока (второй и (или) более высоких гармоник), накладывающаяся на ток суммарной нагрузки. На вторичной обмотке трансформатора тока блока 6 измерения наводится ЭДС, форма которой представлена на графике 2 фиг. 3. На выходе блока 7 появляется сигнал высокочастотного спектра, например второй и более высоких гармоник, поступающий на вход блока 8 усиления (график 2, фиг. 3). Усиленный сигнал выпрямляется в блоке 9 (график 1, фиг. 4) и поступает затем в блок 10 накопления. В блоке 10 накопление импульсов осуществляется по командам с блока 11 задержки, который включается в работу по первому поступившему импульсу, достигшему значения первого уровня срабатывания компаратора блока 12 сравнения, и формирует продолжительность τ₃ накопления (интегрирования) последующих импульсов (график 2, фиг. 4). При этом уровень накопленного сигнала определяется интенсивностью и величиной поступающих в блок 10 импульсов.

В устройстве предусматривается схема исключения ложного формирования сигнала (команды) при поступлении на промежутке τ₃ отдельных импульсов, не представляющих пожарной опасности. Так, если между соседними импульсами образовался интервал, превышающий величину времени разряда интегрирующего элемента (например, конденсатора C) блока 10, то в этом случае с нуль-органа 13 блока 12 сравнения на блок 11 задержки выдается команда на прекращение задержки. При этом сигнал на выходе блока 10 накопления имеет нулевой уровень, что означает приведение устройства 5 в исходное состояние и готовность его к следующему циклу работы Расчет времени τ₃, с одной стороны, проводят с учетом исключения за время контроля возможности перерастания пожароопасной ситуации в пожар (τ₃≪ τ_пож).

С другой стороны, расчет времени τ₃ проводят с учетом исключения возможности ложного формирования сигнала о пожароопасной ситуации при проведении в случайный момент времени штатной операции по включению (отключению) нагрузки или ее части. В этом случае в электрической сети возникает переходной процесс продолжительностью τ₁ (график 3, фиг. 3), сопровождающийся появлением на входе блока 10 накопления одиночного высокочастотного импульса, накапливаемого блоком 10 в течение времени (3-5)τ₂ (τ₂ - постоянная заряда интегрирующего элемента блока накопления).

τ₃≫ τ₁, Таким образом, где τ_пож - минимально возможное время от начала возникновения пожароопасной ситуации до возникновения пожара; τ₁ - время переходного процесса коммутационного элемента электрической сети (электроустановки), имеющего максимальную продолжительность (практически для всех элементов может быть принято равным, например, одной секунде.

τ₂ - постоянная времени накопления импульсов (заряда конденсатора C), поступающих с блока 9 импульсов (τ₂= (3-5)C·R_заряда).
- постоянная времени разряда интегрирующего элемента (например, конденсатора C) блока 10 при отсутствии на его входе сигнала

R_заряда - сопротивление настройки зарядной кривой блока 10;
R₁ - сопротивление настройки разрядной кривой блока 10;
R_{вх.компаратора} - входное сопротивление компаратора блока 12.

Блок 12 сравнения может включать в себя несколько компараторов. Компараторы более низкого уровня с помощью блока 14 формируют сигналы, предупреждающие о возникновении соответствующей степени пожароопасной ситуации (график 2 фиг.4). Соответствующий сигнал поступает на схему исполнительного органа 15 для включения соответствующего, например, светового и (или) звукового сигнала. Компаратор верхнего уровня формирует команду на отключение электрической сети (электроустановки) и выдает ее на исполнительный орган 15.

Предлагаемое техническое решение отличается от известных тем, что оно содержит в себе операции и устройства выделения и использования высокочастотного спектра сигнала, несущего в себе информацию о возникновении и развитии пожароопасной ситуации.

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 дополнительных 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 проектирования и эксплуатации этих объектов повышается их пожарная безопасность. Снижается количество случаев возгорания в жилых и производственных помещениях, сооружениях, зданиях, самолетах, судах, железнодорожном транспорте и др. объектах, использующих электрические сети и (или) электроустановки.

Внесение 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. Устройства могут быть разработаны и изготовлены в одном исполнении с известными автоматами защиты, что расширит их функциональные возможности и существенным образом повысит их эффективность.

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 обеспечит эффективную 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 России 2120865 C1, кл. B 60 K 28/14, A 62 C 3/07.

2. Патент США 5654684, нац. кл. 361/1.

3. Патент России 0001581 U1, кл. H 02 N 3/08.

Формула изобретения

1. Способ предупреждения пожара в электрической сети, в соответствии с которым измеряют суммарный электрический ток в электрической сети, отличающийся тем, что путем фильтрации первой гармоники или всего низкочастотного спектра измеренного суммарного тока формируют суммарный сигнал второй и/или более высоких гармоник, усиливают его, выпрямляют усиленный сигнал и накапливают его в течение установленного времени, сравнивают величину накопленного сигнала с заданным значением или с заданными значениями первого или более высоких уровней сравнения, принятыми для соответствующих степеней пожароопасности электрической сети, в зависимости от величины накопленного сигнала формируют сигнал или сигналы предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации и/или формируют команду на отключение электрической сети.

2. Способ предупреждения пожара в электроустановке, в соответствии с которым измеряют суммарный электрический ток в электроустановке, отличающийся тем, что путем фильтрации первой гармоники или всего низкочастотного спектра измеренного суммарного тока формируют суммарный сигнал второй и/или более высоких гармоник, усиливают его, выпрямляют усиленный сигнал и накапливают его в течение установленного времени, сравнивают величину накопленного сигнала с заданным значением или с заданными значениями первого или более высоких уровней сравнения, принятыми для соответствующих степеней пожароопасности электроустановки, в зависимости от величины накопленного сигнала формируют сигнал или сигналы предупреждения о возникновении пожароопасной ситуации и/или формируют команду на отключение электроустановки.

3. Устройство для предупреждения пожара, содержащее блок измерения суммарного тока в электрической сети или электроустановке, блок усиления, блок выпрямления усиленного сигнала, блок накопления выпрямленного сигнала, блок сравнения величины накопленного сигнала с заданным значением или с заданными значениями, блок формирования предупреждающего сигнала или сигналов и/или команды на отключение, исполнительный орган для оповещения и/или отключения, блок питания, отличающееся тем, что введен блок формирования суммарного сигнала второй и/или более высоких гармоник, вход которого подключен к выходу блока измерения суммарного тока, а выход - к входу блока усиления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4