Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

С повышением уровня автоматизации различных отраслей промышленности, сельского хозяйства и объектов жилищно-коммунального хозяйства непосредственно связано увеличение числа и повышение мощности объектов, являющихся источниками зажигания. В качестве источников зажигания очень часто выступают горючие материалы (вещества), нагретые до высокой температуры детали и узлы электротехнических изделий, а также возникающие в аварийных режимах электрические дуги, искры, выброс газов и т. п. В этих условиях основным, а часто единственным способом предотвращения пожаров является отказ от использования источников зажигания или снижение их энергии до безопасного уровня.

Во многих промышленно-развитых странах около 20–25 % общего числа ежегодно происходящих пожаров составляют пожары, возникающие из-за неисправности или неправильной эксплуатации электротехнических устройств, при этом сохраняется тенденция роста таких пожаров [1].

1. Анализ состояния вопроса

В качестве источников зажигания очень часто выступают нагретые до высокой температуры электропроводки, а также сопровождающие аварийные режимы электрические дуги, искры, выброс газов и т.п. Основные причины возникновения пожаров: неосторожное обращение с огнем, нарушение правил ПБ при установке и эксплуатации электроустановок (НПУЭЭ) и т. д.

По данным статистики за 2015 г., основными причинами возникновения пожаров в России были: неосторожное обращение с огнем – 47473 ед. (32,5 % от общего числа), нарушение правил устройства и эксплуатации (НПУиЭ) электроустановок – 40767 ед. (27,9 %) (рис. 1) и НПУиЭ печей – 21023 (14,4 %) [2].

Электрические изделия традиционно являются одними из наиболее пожароопасных видов продукции. Так, если при всех пожарах, произошедших в России в 2015 г. (145,9 тыс. ед.), погибло 9405 чел., при пожарах, возникших в результате НПУиЭ электрооборудования (40 767 ед.), – 1879 чел.

1

Рис. 1. Данные о пожарах, возникших в результате НПУиЭ электрооборудования в России за 2003–2015 гг.

Аналогичная ситуация наблюдается на Украине. ГУ МЧС Украины называет основными причинами пожаров, произошедших в 2015 г. : неосторожное обращение с огнем – 56 869 ед. (71,5 %), НПУиЭ электрооборудования – 13 098 ед. (16,5 %), НПУиЭ печей, теплогенерирующих агрегатов и установок – 4171 ед. (5,2 %) [3]. Общее число погибших при пожарах на Украине в 2015 г. людей составило 1947 чел., травмированных – 1360 чел. (рис. 2).

1

Рис. 2. Динамика числа погибших и числа травмированных при пожарах на Украине людей за 2006–2015 гг.

Среднегодовое распределение пожаров в электроустановках по причинам их возникновения, согласно исследованиям ВНИИПО, а также в работах А.А. Сошникова [4], в которых содержатся результаты анализа статистического материала, зарегистрированного актами Алтайского краевого управления пожарной охраны, подтверждающие, что основной причиной пожаров в электроустановках (до 70 %) являются короткие замыкания (КЗ), вызванные различными факторами.

1

Рис. 3. Причины пожаров в электроустановках

Как свидетельствуют данные [5], в России по состоянию на 2007 г. ведущие места по числу пожаров занимают следующие виды электротехнической продукции: изделия кабельной продукции – провода и кабели (63,6 %); выключатели, вилки и другие разъемные элементы (6,7 %). При этом число пожаров, возникших от загорания кабелей, в 20–30 раз меньше числа пожаров, возникших от загорания проводов.

Анализ статистики показал, что на количество пожаров существенно влияет место и тип объекта, на котором произошло возгорание. Так, наибольшее количество погибших при пожарах в 2015 г. зарегистрировано в жилом секторе Украины – 1919 чел. (98,6 % от общего количества погибших вследствие пожаров).

По данным НИИ горноспасательного дела и пожарной безопасности Респиратор (г. Донецк) в Донецкой области в 2006 г. наибольшую долю в этом сегменте (82,3 %) занимают жилые здания и объекты частной собственности.

2. Цель работы

Научное обоснование процесса нагрева электропроводок напряжением 0,4 кВ. Определение взаимосвязи их электрических и тепловых характеристик, в зависимости от материала провода, материала жилы, сечения, коэффициента перегрузки, необходимых для совершенствования устройств защиты.

3. Научная новизна

Получение экспериментальных зависимостей допустимого времени нагрева электропроводок напряжением 0,4 кВ. Предложение способа совершенствования защиты с помощью микропроцессорного расцепителя.

4. Практическая ценность

Методика оценки опасности нагрева электропроводки 0,4 кВ, применяемая в зданиях. Для совершенствования характеристик защиты от пожара вызванными электротехническими причинами.

5. Основное содержание работы

Для разработки защит на кафедре Электроснабжение промышленных предприятий и городов (ЭПГ) ДонНТУ, г. Донецк проводился анализ тепловых характеристик кабельно-проводниковых изделий. С помощью экспериментального стенда, определялись ВТХ плавления изоляции двухжильных проводов марок ВВГ, АВВГ, ППВ, АППВ, ПВС, ШВВП сечений 1,5—2,5 мм2 для меди, 2,5—4 мм2 для алюминия. Приборы использованные в принципиальной схеме (рис. 3) имеют следующие технические характеристики: ЛАТ1 - лабораторный автотрансформатор типа АОСН-2-220-82 (предел регулирования по напряжению 5—240 В при токе нагрузки до 2 А); Т1- силовой понижающий трансформатор типа ОСМ-0,25 УЗ (мощность 0,25 кВА, напряжения обмоток ВН-220,НН-24В); А- токоизмерительные клещи FUKE 266 Clamp meter CE (предел измерения до 1КА); V1- токоизмерительные клещи FUKE 266 Clamp meter CE (с возможностью измерения температуры при помощи термопары до 750 °);V2 - вольтметр универсальный цифровой В7-38; цифровой секундомер.

На рис. 4 показана характеристика АВ группы C [7]. Различные причины (предварительный нагрев расцепителя автомата, отклонения параметров при изготовлении) могут приводить к значительному разбросу характеристики АВ (кривые 1 и 2). При незначительном отклонении тока КЗ ниже порога срабатывания электромагнитного расцепителя (точка 1 на кривой 1) время срабатывания АВ определяется тепловым расцепителем и достигает 7 с (точка 2 на кривой 1). При прохождении через автомат тока 5 Iн в предварительно нагретом состоянии АВ должен сработать через 0,02 с (точка 3 на кривой 2), в холодном состоянии при такой нагрузке он отключится в пределах 9–20 с (для автоматов до 32 А и выше 32 А соответственно) – точка 4 на кривой 1.

Недостаточная чувствительность АВ может приводить к пожароопасным режимам в электропроводке при отказе защиты автоматического выключателя фидера, например в случае приваривания подвижного контакта к корпусу АВ. В таком случае необходимо обеспечить дальнее резервирование за счет группового АВ.

Согласно ГОСТ Р МЭК 60949–2009 [8] были рассчитаны времятоковые характеристики (ВТХ) медных и алюминиевых проводов сечением 1,5–6 мм2, при которых температура жилы при КЗ достигает 160 ° Эти характеристики были совмещены в одной системе координат с ВТХ автоматических выключателей серий ВА25, АЕ2000 (рис. 5).

1

Рис. 4. Времятоковая характеристика автоматического выключателя группы С: 1 – верхняя граница разброса характеристик АВ; 2 – нижняя граница разброса характеристик АВ

1 1 1 1

Рис. 5. Совмещенные графики времятоковых характеристик автоматических выключателей и проводников: а, в – проводники с медными жилами типа ППВ сечениями 1,5–4 мм2; б, г – проводники с алюминиевыми жилами типа АППВ сечениями 2,5-6 мм2; 1–3 – токи КЗ получены по формулам [8] для термически допустимой температуры 160 ° 4–6 – время плавления ПВХ изоляции при установившемся токе, полученное экспериментально в [6]

Проанализировав графики, можно сделать вывод о том, что не во всех случаях АВ, выбранные в соответствии с ПУЭ, обеспечивают своевременное отключение при КЗ. В частности, в п. 3.1.11 ПУЭ требуется обеспечить кратность номинального тока расцепителя АВ (с нерегулируемой обратно зависящей от тока характеристикой) и тока трогания расцепителя АВ (с регулируемой обратно зависящей от тока характеристикой) по отношению к длительно допустимым токовым нагрузкам провода с ПВХ, резиновой аналогичной по тепловым характеристикам изоляцией (табл. 2) не более 100 %. Следует учесть, что согласно п. 7.3.97 ПУЭ во взрывоопасных зонах проводники ответвлений к электродвигателям с короткозамкнутым ротором до 1 кВ должны быть во всех случаях защищены от перегрузок, а сечения их должны допускать длительную нагрузку не менее 125% номинального тока электродвигателя.

Номинальный ток расцепителя АВ (Iн.расц = 25 А) согласован с допустимыми токами медного провода сечением 2 x 2,5 мм2 или алюминиевого провода сечением 2 x 4 мм2 по условию, приведенному в п. 3.1.11 ПУЭ, но как следует из данных, представленных на рис. 5, защитные характеристики АВ могут проходить выше ВТХ указанных проводов. Это приводит к их вероятному пожароопасному нагреву.

Для определения аналогичных зависимостей в режиме перегрузки 1,5–4 Iдоп совмещались ВТХ плавления изоляции проводов, полученные на кафедре Электроснабжение промышленных предприятий и городов ДонНТУ, г. Донецк, для двухжильных проводов марок ВВГ, АВВГ, ППВ, АППВ, ПВС, ШВВП, с ВТХ АВ серий ВА25, АЕ2000. Приборы, использованные в принципиальной схеме (рис. 6), имеют следующие технические характеристики: ЛАТ1 – лабораторный автотрансформатор типа АОСН-2-220-82 (предел регулирования по напряжению 5–240 В при токе нагрузки до 2 А); T1 – силовой понижающий трансформатор типа ОСМ-0,25 УЗ (мощность 0,25 кВА, напряжение обмоток ВН-220, НН – 24 В); А – токоизмерительные клещи FUKE 266 ClampmeterCE (предел измерения до 1КА); V1 – токоизмерительные клещи FUKE 266 ClampmeterCE (с возможностью измерения температуры при помощи термопары до 750 оС); V2 – универсальный цифровой вольтметр В7-38; цифровой секундомер.

При этом обнаружена несогласованность времени отключения АВ для наиболее часто применяемых в жилых помещениях проводов сечениями 1,5–2,5 мм2 для меди, 2,5–4 для алюминия, т. е. для ППВ сечений 2,5 и 4 мм2 и АППВ сечений 4 и 6 мм2 существуют отдельные участки, где АВ срабатывает за недопустимо большое время. Если используются провода ППВ 1,5 мм2 и АППВ 2,5 мм2 (характерно для жилых помещений), то в большом диапазоне токов защита с помощью АВ (см. рис. 5) может приводить к пожароопасному состоянию электропроводки.

Схема

Рис. 6. Принципиальная схема экспериментального стенда для определения интервалов времени до плавления ПВХ изоляции кабельных изделий ВВГ (АВВГ), ППВ(АППВ), ПВС, ШВВП при разной кратности перегрузок(анимация: 8 кадров, 3 циклов повторения, 42,4 килобайт)

К числу задач, стоящих в рассматриваемой области, относится обеспечение прогнозирования нагрева защищаемого кабеля (провода) от величины полного тока в целях недопущения превышения нормированных ГОСТ Р МЭК 60949–2009 [8] температур, а также прогнозирование темпа нагрева в зависимости от величины тока возмущения.

Таким образом в существующих сетях 0,4 кВ, защищаемых стандартными автоматическими выключателями, которые реагируют на токи перегрузки и КЗ, для повышения уровня пожарной безопасности необходима разработка более совершенных защит, основанных на микропроцессорных расцепителях, которые бы решали следующие задачи:

  1. повышение чувствительности АВ;
  2. учет характеристик защищаемых линий;
  3. отстройка от дуговых замыканий, имеющих прерывистый характер;
  4. прогнозирование нагрева защищаемого кабеля (провода) от величины полного тока .

В настоящее время на кафедре ЭПГ разрабатывается защита на основе микроконтроллера STM32F103, датчиков прямого и обратного тока использующих эффект Холла, структурная схема которой представлена на рис. 7.

1

Рис. 7 – Структурная схема микропроцессорной защиты. Обозначения: ДТф, ДТн – датчики фазного и нулевого токов; - МК – микроконтроллер семейства STM; БП – блок питания; S1 – контактор; Zн – нагрузка; КП – кнопка «ПУСК»; И1, И2, И4, И5 – элементы индикации; X1,X2,X3,X4 – клеммы подключения нагрузки; Rx, Tx - выводы последовательного интерфейса стандарта UART.

Выводы

    Применяемые для защиты устройства имеют ряд недостатков, обусловленных особенностями согласования времени отключения систем защиты от КЗ или перегрузок с допустимыми температурами нагрева жил электропроводок, а также снижением чувствительности к удаленным и дуговым КЗ.

    Анализ возможностей микропроцессорных устройств защиты показывает целесообразность разработки новых принципов обеспечения пожаробезопасности кабелей и электропроводок сетей напряжением 0,4 кВ, которые позволили бы ускорить отключение аварийного участка, снизить вероятность перегрева, плавления изоляции и разбрызгивания частиц металла.

    Одним из важных и эффективных способов снижения пожарной опасности в электрических распределительных и групповых сетях зданий является применение нового поколения кабелей (ВВГнг, ВВГнг-LS): не распространяющих горение, с низким дымогазовыделением, огнестойких, с низкой токсичностью продуктов горения.

    Список источников

    1. Смелков Г.И. Пожарная безопасность электропроводок, — М.: ООО КАБЕЛЬ, 2009. — 328 с.
    2. Официальный информационный сервер Государственной службы Украины по чрезвычайным ситуациям: http://www.dsns.gov.ua/. [Электронный ресурс]
    3. Пожары и пожарная безопасность в 2015 году: Статистический сборник. Под общей редакцией Матюшина А.В. - М.: ВНИИПО, 2016 – 124 с.: ил. 40.
    4. Рябинин И.А. Основы теории и расчета надежности судовых электроэнергетических систем, - 2-е изд. – Л., Судостроение, 1971. – 456 с.
    5. Прогнозирование, мониторинг и предупреждение возникновения источников возгорания горючего материала в электрифицированных помещениях [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 05.26.01 / Солёная Оксана Ярославовна ; ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет". – Донецк, 2014. – 215 с.
    6. ГОСТ Р 50345-99 (МЭК 60898-95). Автоматические выключатели для защиты от сверхтоков бытового и аналогичного назначения. — Взамен ГОСТ Р 50345-92; введ. 01.01.2001 — М.: Госстандарт России — 65 с.
    7. ГОСТ Р МЭК 60949-2009. Расчет термически допустимых токов короткого замыкания с учетом неадиабатического нагрева. — введ. 26.06.2009 — М.: Госстандарт России — 12 с.
    8. Правила устройства электроустановок. – М.: Кнорус, 2015. – 488 с.