ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Актуальность темы

За последние 10 лет в Украине произошло 528833 пожара, из них 410562 пожара в объектах жилого сектора. В результате пожаров погибло 36529 человек, из них 1176 детей, ущерб составил 7,8 млрд. грн [1].

Все причины пожаров делятся на три основные группы: природные, социальные, техногенные. Техногенные причины пожаров составляют около 40%, к ним относятся неисправность в электрических сетях и электроприборах. Пожары, вызванные электротехническими причинами, составляют в среднем 22% всех пожаров в мире. В Украине в 2010 г. пожары, вызванные электротехническими причинами, составили около 45%, а по Донецкой области в 2009 г. около 25%. Пожары, вызванные электротехническими причинами, распределяются следующим образом: 62 % - возгорания изоляции низковольтных электрических сетей, напряжением до 1 кВ (НЭС); 10% - возгорания в электрических обогревателях; 6% - возгорания во вводных электрических щитках; 5% - возгорания в бытовой электрической технике; 5% - возгорания от неотключаемых (выгораемых) коротких замыканий (КЗ); 12% - возгорания, связанные с другими причинами (утечки тока на землю и т.д.) [2].

Анализ сетей 0,4 кВ промышленных предприятий показал, что возгорание изоляции в электрических сетях происходит в основном при КЗ в защищаемом элементе сети и отказе срабатываний ближайших к месту повреждения коммутационных аппаратов, через которые прошёл сквозной аварийный ток и привёл в действие их токовые защиты [3].

Следовательно, работы, связанные с прогнозированием и разработкой организационных и технических мероприятий по предотвращению возгораний изоляции НЭС объектов, связанных с жизнедеятельностью человека, от появления КЗ, переходных сопротивлений (ПС) или искрений в электрических контактных соединениях (ЭКС), являются весьма актуальной задачей.

Цель работы

Определить оптимальные, с точки зрения пожарной безопасности, сроки диагностики систем отключения защитных коммутационных аппаратов электрической сети, напряжением 0,4 кВ.

Для достижения поставленной цели необходимо:

  1. На основе регулярных, однородных марковских процессов с дискретным числом состояний и непрерывным времени разработать математическую модель, объясняющую процесс возгорания изоляции защищаемой проводки 0,4 кВ от случайного появления ОЗ либо КЗ, или ослабленного и опасно искрящегося силового контактного соединения.
  2. Получить аналитические зависимости вероятности возгорания изоляции в течении времени t: от частоты появления ОЗ или КЗ, или ослабленных ЭКС в сети; длительности их существования; от надёжности средств защиты и сроков их диагностики.
  3. Выбрать оптимальные относительно пожарной безопасности сроки диагностики средств защиты.
  4. Привести пример расчётов.

Состояние вопроса

Существующие на сегодняшний день защитно-коммутационные аппараты НЭС не реагируют на такой аварийный режим, как образование ПС или искрений в ЭКС, что приводит к возгоранию изоляции НЭС, а это, в свою очередь, приводит к пожарам на объектах, связанных с жизнедеятельностью человека. В работах [4], [5] предложены технические решения, с помощью которых возможно защищать НЭС при образовании ПС или искрений в ЭКС. Однако, анализ этих разработок показал необходимость создания более надёжных, функциональных, малогабаритных и приемлемых в отношении цены устройств искрозащиты (УИ), а также организационных и технических мероприятий по предотвращению возгорания изоляции электрической проводке при ослабленных и опасно искрящих силовых контактных соединений.

Результаты исследований

На сегодняшний день вероятность возникновения возгорания изоляции НЭС в год в Украине превышает в 712 раз величину нормируемую ГОСТ 12.1.004-91, в котором говорится, что вероятность пожаров в узле нагрузки в течение года не должна превышать величины 1·10-6 [6].

Возгорание изоляции в низковольтных сетях может происходить при совпадении в пространстве и времени двух случайных событий: появилось повреждение в защищаемой сети (или ОЗ, или КЗ, или НЗ ); произошёл отказ в срабатывании соответствующих средств защиты.

Пусть ζ1(t) - случайный регулярный однородный марковский процесс, который описывает изменения во времени состояния низковольтной электрической сети. Обозначим через «0» - в сети отсутствуют повреждения, которые могут привести к повреждению изоляции проводника, а через «1» - в сети появился источник, мощность и длительность которого способна поджечь изоляцию электрооборудования. Через ζ2(t) обозначим случайный регулярный однородный марковский процесс, который описывает изменения состояния защитного коммутационного аппарата. Обозначим через «0» - работоспособное состояние средств защиты, а через «1» - отказавшее состояние защиты.

Возгорание изоляции в сети произойдёт в момент встречи процессов ζ1(t) и ζ2(t) в состоянии «1», т.е. ζ1(t)=ζ2(t)=1.

Совокупность процессов ζ1(t) и ζ2(t) рассмотрим как один регулярный однородный марковский процесс E(t) c четырьмя дискретными состояниями и непрерывным времени.

Система в любой момент времени может находиться в одном из множества состояний , где
е1(0,0) - в сети отсутствуют повреждения, которые могут привести к ОЗ, КЗ, ослабленным ЭКС; средства защиты находятся в работоспособном состоянии;
е2(1,0) - в сети появилось повреждение ОЗ, или КЗ, или ослабленные ЭКС; средства защиты находятся в работоспособном состоянии;
е3(0,1) - в сети отсутствуют повреждения, которые могут привести к ОЗ, КЗ, ослабленным ЭКС; средства защиты находятся в отказавшем состоянии;
е4(1,1) - в сети появилось повреждение ОЗ, или КЗ, или ослабленные ЭКС; средства защиты находятся в отказавшем состоянии.

При случайном попадании системы в состояние е4(1,1) происходит возгорание изоляции, что может привести к пожару в месте повреждения изоляции. Параметры процессов ζ1(t) и ζ2(t) обозначим через λ1, μ1; λ2, μ2 соответственно, где
 - средний интервал времени между появлением опасного повреждения сети;
 - средняя длительность существования опасного источника;
 - средний интервал времени между отказами средств защиты;
 - средняя длительность нахождения средств защиты в необнаруженном отказавшем состоянии.

Вероятность возгорания изоляции в течение времени t из-за повреждений в сети и отказов в срабатывании средств защиты:

Вероятности P1(t), P2(t), P3(t), нахождения системы в каждом из возможных состояний е1(0,0), е2(1,0), е3(0,1) находим из системы линейных дифференциальных уравнений вида:

Система уравнений (2) решается при начальных условиях P1(0)=1, P2(0)=0, P3(0)=0.

Из системы уравнений находим P1(t), P2(t), P3(t) численным методом и полученные значения подставляем в формулу (1).

Среднее время до возгорания изоляции, если система находится в одном из состояний: е1(0,0), е2(1,0), е3(0,1) из-за повреждения, сопровождаемое или ОЗ, или КЗ, или ЭКС и отказе в срабатывании соответствующей защиты, получим:

Из системы (3) находим:

Дисперсию времени до возгорания изоляции проводника НЭС при условии, что в начальный момент времени система находилась в одном из состояний: е1(0,0), е2(1,0), е3(0,1), найдём из системы линейных алгебраических уравнений:

где

Из системы линейных алгебраических уравнений (7) находим:

Системы уравнений (2), (3) и (7) полностью характеризуют пожароопасный узел. Если в результате расчётов получим, что τ1=σ1, тогда вероятность возгорания изоляции НЭС можно определить по формуле:

В том случае, когда λ1«μ1 и λ2«μ2, и тогда, используя формулу (4), находим интенсивность возгорания изоляции проводника НЭС:

где

 – средний интервал времени между появлениями или КЗ, или ПС, или искрений в ЭКС защищаемой НЭС;

 – среднее время существования или КЗ, или ПС, или искрений в ЭКС защищаемой НЭС;

 – средний интервал времени между отказами или КЗ, или ИЗ, или УИ;

 – среднее время нахождения системы отключения коммутационного аппарата в необнаруженном состоянии.

Если заданы интервалы времени между проведением диагностик состояния ЭКС (Θ1), тогда интенсивность восстановления μ1 можно определить, по формуле:

Если λ1Θ1<0,1, тогда формула (11) примет вид:

Если заданы интервалы времени между диагностиками Θ2 защитного коммутационного аппарата, то аналогичным образом вычисляется и μ2, т.е.:

Если λ2Θ2<0,1, тогда формула (11) примет вид:

Если λ1<<μ2 и λ2<<μ1, тогда:

Пример

Оценить пожарную безопасность НЭС 0,4 кВ (рис. 1):

Схема защищаемого узла нагрузки

Рисунок 1 – Схема защищаемого узла нагрузки

Обозначим следующие события:

 – произошло КЗ в защищаемой сети;

 – произошла утечка тока на землю в сети;

 – появился ослабленный и опасно искрящий силовой контакт;

 – произошел отказ в срабатывании (МЗ);

 – произошел отказ в срабатывании (РУ);

 – произошел отказ в срабатывании (УИ).

Строим «дерево» событий, которое объясняет появление возгорания изоляции в низковольтных сетях из-за их различных повреждений:

Анимация: 8 кадров, 5 повторений, длительность каждого кадра - 120 мс, 54,8 Кб

Рисунок 2 – «Дерево» событий, объясняющее процесс возгорания изоляции в НЭС

Схема минимальных сечений

Рисунок 3 – Схема минимальных сечений

Используя полученную выше формулу (15), находим:

Ввиду того, что средства защиты 4, 5 и 6 (рис. 1) находятся в одном корпусе, тогда:

Запишем формулу (15) в следующем виде:

Зная исходные данные: x1, x2, x3, y4, y5, y6, а также Θ2 , можно определить вероятность возгорания изоляции в течение времени t следующим образом:

Выводы

Полученная в магистерской работе расчетная формула и схемы минимальных сечений позволяют оценить пожарную безопасность электрической сети, напряжением 0,4 кВ и выбирать оптимальные с точки зрения безопасности сроки диагностики систем отключения защитных коммутационных аппаратов.

Список литературы

  1. Офіційний інформаційний сервер ГУ МНС України. Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків чорнобильської катастрофи/ Розділ Оперативна інформація / Національні доповіді про стан техногенної та природної безпеки в Україні у 2004-2009 роках [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.mns.gov.ua....
  2. Алехин Е.М. Пожары в России и в мире. Статистика, анализ, прогнозы / Алехин Е.М., Брушлинский Н.Н., Вагнер П. – М.: Центр Пропаганды, 2002. – 158 с
  3. Шевченко О. А. О пожарной опасности сетей напряжением 380-220 В промышленных предприятий и жилых зданий//Сб. научн. трудов ДонНТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 28.–Донецк: ДонНТУ.– 2001
  4. Пат. 2342711 Российская Федерация, МПК G08B17/06. Способ предупреждения пожара от неисправности в электрической сети или электроустановке и устройство для его осуществления / Королева Е.И., Новикова Е.И.; заявители и патентообладатели Королев И.С., Королева Е.И., Новикова Е.И. - № 2006145635/09; заявл. 22.12.06; опубл. 22.12.06, Бюл. № 9.
  5. Пат. 2374691 Российская Федерация, МПК G08B17/06, H02H3/00. Способ предупреждения пожара от искрения в электрической сети или электроустановке и устройство для его осуществления / Кривов Ю.Н., Тонкий Л.В., Царев А.Б.; заявители и патентообладатели Кривов Ю.Н., Тонкий Л.В., Царев А.Б. - № 2008145312/09; заявл. 17.11.08; опубл. 27.11.09, Бюл. № 17.
  6. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования. – М: Издательство стандартов, 1976. – с. 32.
  7. Тихонов В.И. Марковские процессы / В.И. Тихонов, М.А. Миронов. – М.: Советское радио, 1977. – 488 с.
  8. Ковалев А.П. О проблемах оценки безопасности электротехнических объектов / А.П. Ковалев // Электричество. – 1991. – № 8. – С. 50-55.
  9. Ковалев А.П., Чурсинов В. И., Якимишина В. В. Оценка вероятности появления цепочечных аварий в энергосистемах. – Вестник Кременчугского гос.политехн. ун-та, 2004, вып. 3/2004(26).
  10. Солёный С. В., Ковалёв А. П., Демченко Г. В. Математическое моделирование системы «устройство искрозащиты — электрическое контактное соединение»//Сб. научн. трудов ДонНТУ. Серия: электротехника и энергетика, выпуск 11(186).–Донецк: ДонНТУ.– 2011.