Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Математическая модель нагрева проводников в контактном соединении удлинителя
• 2. Расчетно-экспериментальный метод определения температуры срабатывания датчиков термореле защиты удлинителя
• 3. Описание схемы защиты
• Выводы
• Список источников

Введение

Существенной проблемой обеспечения пожарной безопасности в низковольтных электроустановках жилых и общественных зданий являются отказы, связанные с раскаленными соединениями и искрениями, которые обычно возникают из-за перегрева некачественных электрических соединений, характеризующихся высоким электрическим сопротивлением [1].

Согласно статистике в последние годы пожары в зданиях, вызванные электрическими факторами, составляют примерно от 30 до 50% от общего числа и их доля продолжает расти [2–3].

Плохой электрический контакт – это неисправность в низковольтной электросети, которая не обнаруживается обычными защитными устройствами [4]. В то же время он может вызвать точечный нагрев или серию электрических дуг, а также монотонный нагрев контактного соединения, которые являются распространенными причинами пожаров, вызванных повреждениями в низковольтных электроустановках.

В этом случае возгорание может произойти из-за нагрева:

• изделия из материалов с низкой теплоемкостью (постельное белье, шторы, покрывала, подушки...), которые размещаются непосредственно вблизи плохого контакта;
• пластмассовые детали элементов электроустановки;
• деревянные конструкции и предметы.

Пожар обычно вызывается сочетанием нескольких причин. Множество пожаров вызвано перегревом компонента, за которым следует искрение и, наконец, воспламенение. Например, проводник может перегреться из-за перегрузки по току или плохого электрического контакта. Перегрев может со временем снизить диэлектрическую прочность изоляции проводника, что приведет к короткому замыканию, когда проводник изгибается или проходит по металлу.

Вероятность возникновения пожара возрастает, если помимо электрических имеются еще и механические нарушения в электроустановке. Эксперименты, проведенные в Норвегии [5], показали, что температура хорошего соединения вилки с розеткой в точках контакта стабилизируется на уровне около 60 °C при номинальных токовых нагрузках. Однако при воздействии на штепсельное соединение слабых вибраций при работе с номинальной токовой нагрузкой температура в местах контакта за короткое время поднималась до 400–450 °С, что вызывало плавление окружающего изоляционного материала в непосредственной близости от вилки и гнезд розеток с последующим появлением регулярной электрической дуги.

На основании представленного обзора можно сделать вывод, что два вида отказа – перегрев плохого электрического контакта и регулярная электрическая дуга – являются критическими с точки зрения возникновения пожара, т.к. ни один классический защитный компонент не обнаруживает их.

Международный фонд электробезопасности (ESFI) показывает, что удлинительные шнуры являются распространенной причиной возгораний. Известен способ защиты удлинителя 220 В от токов перегрузки с помощью термобиметалла и от КЗ плавким предохранителем. Однако такой способ не обеспечивает защиту от возгораний при токах, меньших рабочего допустимого I_раб.д, вызванных перегревом плохого электрического контакта по причине искрения или монотонного изменения его переходного сопротивления R_конт.

1. Математическая модель нагрева проводников в контактном соединении удлинителя

С целью определения уставок температуры срабатывания датчиков термореле необходимо провести математическое моделирование и получить обоснованное решение по определению зависимости изменения температуры нагрева проводника в месте контактного соединения от времени.

Рассмотрим данную задачу на примере 5-ти розеточного удлинителя с номинальным током 10 А, мощностью 2,2 кВт. Основные размеры контактных пластин удлинителя в мм (рис. 1) использованы при вычислении коэффициента теплоотдачи.

Рис. 1. Сборочный чертеж контактной пластины удлинителя

Цель моделирования – определение параметров допустимого нагрева контактного соединения в зависимости от его сопротивления, тока нагрузки и размеров теплопроводящих элементов удлинителя.

При прохождении тока в проводнике часть выделенной теплоты используется для повышения его температуры в контактном соединении и электроизоляции, а другая часть рассеивается в атмосферу, повышая температуру изоляции электропроводки и корпусных деталей.

Стационарный режим нагрева, при котором температура проводника в месте контактного соединения достигает постоянного значения, обусловлен значением тока, переходного сопротивления и условиями теплоотдачи.

За время τ, с, в проводнике выделяется теплота:

(1)

где Q – количество выделяемой теплоты в проводнике, Дж;
I – длительно допустимый ток, А;
R_конт – переходное сопротивление контактного соединения, Ом.

Баланс выделяемой теплоты Q распределяется на нагревание проводника и отдачу теплоты в окружающую среду с поверхности контактного соединения:

(1)

где Q_нагр – количество теплоты, затраченной на нагревание проводника вместе контактного соединения, Дж.

(3)

c – теплоемкость материала проводника, Дж/(кг·К);
m – масса проводника, кг;
Q_рас – количество теплоты, затрачиваемой в контактном соединении на излучение с поверхности проводника, конвекцию и теплопроводность, Дж:

(4)

α – коэффициент теплоотдачи с поверхности проводника, Вт/(м²·К);
S – площадь теплоотдающей поверхности проводника, м²;
T_S – температура поверхности проводника, К.

В формуле (4) наиболее сложно определяется коэффициент теплоотдачи α с поверхности проводника. Следует отметить, что α зависит от большого количества различных факторов: формы и размеров тела, давления и скорости движения окружающей среды, физических свойств среды и др., но самое главное, как показали дальнейшие эксперименты, с увеличением тока нагрузки удлинителя растет также и α, причем этот рост имеет нелинейный характер в зависимости от количества выделяемой мощности P.

В определенных условиях доля лучистого теплообмена может составлять до 30% [9].

По закону Ньютона количество теплоты, отдаваемой единицей поверхности тела в единицу времени, пропорционально разности температур поверхности проводника T_S и окружающей среды T_C:

, Вт/м2

(5)

где α_C – конвективный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·К);
T_C – температура окружающей среды, К.

В работе [1] выводились аналитические зависимости по определению α_C в диапазоне температур от 20 до 140 °С. Предполагалось, что контактное соединение представлено в виде горизонтального проводника (цилиндра) длиной l, м, и диаметром d, м. Получение аналитических зависимостей основано на формулах для безразмерных коэффициентов теплоотдачи.

Общими недостатками такого подхода можно назвать:

• для расчета α_C необходимо заранее знать температуру установившегося перегрева проводника в контактном соединении Т_уст;
• отличие формы контактных пластин от цилиндра.

Поэтому ставилась задача сопоставить расчетный метод с результатами эксперимента по определению температуры нагрева контактных пластин удлинителя и скорректировать коэффициент α_C так, чтобы экспериментальные кривые нагрева во времени совпадали с теоретическими.

С учетом уравнений (1),(3), (4) выражение (2) примет вид:

(6)

Переходя к диффуравнению с разделяющимися переменными:

(7)

После интегрирования (7):

(8)

Установившая температура нагрева проводника в контактном узле T_устполучена из (6) с учетом того, что в этом режиме cmdT_s = 0:

(9)

Первоначально, учитывая сложность зависимости α = α(Тs), решение (6) получим при допущении α=const. Интегрируя (8), находим зависимость температуры нагревания проводника в месте контактного соединения T_нагр. от времени:

(10)

С учетом (9):

(11)

где T₀–начальная температура нагрева проводника в месте контактного соединения, К;
τ_нагр – время нагрева, с.

2. Расчетно-экспериментальный метод определения температуры срабатывания датчиков термореле защиты удлинителя

Коэффициент α наиболее точно можно определить путем экспериментального исследования нагрева контактной пластины удлинителя, поместив термопару Pt100 (рис. 4) вблизи точки локального нагрева контактного соединения - места установки вилки электроприемника.

Рис. 1. Рабочее место для экспериментального исследования нагрева контактной пластины удлинителя

Источник питания постоянного тока (ИП) с регулируемым уровнем напряжения подключен к контактным пластинам удлинителя через амперметр. Требуемое сопротивление R_конт контактного соединения вилка – пластины обеспечено за счет медных гильз, предварительно окисленных бытовым аммиаком. Вилка подключена к омической нагрузке – реостату, обеспечивающей протекание через контактное соединение заданной силы тока. Критерием окончания эксперимента принято значение скорости возрастания температуры ≤ 0,1 ⁰С/мин.

Рассмотрим особенности расчета на примере токовой нагрузки I_нагр = 3 А. Сопротивление контактного соединения принимаем R_конт = 0,33 Ом, мощность, выделяемая в контактном соединении P = I²·R_конт = 2,97 Вт, а T₀ = 25,3 °С. Путем параметрического анализа определены коэффициент α = 11,57, Вт/(м²·К) и зависимость T_нагр(τ_нагр) – рис. 5, согласно (9) – Т_уст = 107,4 °С.

Рис. 5. Зависимость температуры нагрева проводника в месте контактного соединения от времени (1- эксперимент, 2 - теория)

Аналогично, при варьировании I_нагр= 2..16 А, R_конт = 30..330 мОм определены значения T_уст (P, R_конт)и уравнение регрессии α(P) – табл. 1, рис. 6.

Таблица 1 – Расчетные и экспериментальные данные

Rконт, мОм	P, Вт	I, А	α = Вт/ (м2К)	Tуст, °C
				теория	эксперимент
330	1,3 2,97 5,3 11,9 21,1	2 3 4 6 8	8,485 11,57 14,667 22,489 28,451	64,8 106,7 152,3 221 319	66,6 107,4 152,5 - 310,3
100	1,6 3,6 6,4 10 14,4 19,6	4 6 8 10 12 14	8,986 12,172 16,176 20,541 24.679 27,872	74,55 123,85 165,6 203,85 244,3 294,46	- - - - - -
30	1,9 3 4,3 5,88 7,68	8 10 12 14 16	9,51 11,245 13,223 15,473 17,829	84,5 111,71 136,8 159,12 180,37	- - - - -

Итоговым результатом расчетов по данной методики стала характеристика:

Tуст(P)=0,0421·P3 – 1,6795·P2 +29,949·P + 32,936

(12)

Рис. 6. Зависимость коэффициента теплоотдачи от рассеиваемой мощности в контактном узле

Она позволяет рассчитывать Т_уст при любых сочетаниях I_нагр и R_конт для указанного типа удлинителей (рис. 7).

Согласно ГОСТ Р51539-99[1] в нормальном режиме в удлинителях, имеющих соединения между неподвижными и подвижными частями, должно выполняться R_конт≤0,05 Ом. В проведенных нами экспериментах R_конт не превышало 0,02 Ом, тогда при I_нагр = 10 А из (12) получим T_уст = 86,5 °С. Выбрано термореле ThermalFuseSeries с температурой действия 95±5° С и температурой возврата 70±10°С.

Рис. 7. Зависимость установившейся температуры нагрева проводника от рассеиваемой мощности в контактном узле

3. Описание схемы защиты

Реализация электрической схемы защиты удлинителя от перегрева контактного соединения представлена на рис. 8. Подключение удлинителя к электрической цепи сетевого питания осуществляется за счет вилки ХТ, смонтированной в конце провода.

Рис. 8 – Схема электрическая принципиальная удлинителя с дополнительной защитой

Защитный выключатель SA1 типа ST001 предназначен как для механического снятия напряжения у потребителя, так и отключения при превышении нагрузкой силы тока 10А.

Защита от импульсных перенапряжений сформирована на базе варистора RU1 (на амплитудный уровень 470 В) и защитного выключателя SA1 (защитное устройство варистора вместо предохранителя).

Для обеспечения стабилизированного питания собственных нужд элементов защиты, применен линейный преобразователь напряжения DA1 с выходным напряжением постоянного тока 5 В. Ограничение рассеиваемой мощности на стабилизаторе в номинальных режимах работы (не более 0,2 Вт) схемы обеспечивает параметрический стабилизатор на 8,2 В (VD3, R5).

Для снижения напряжения уровня сети и его выпрямления за счет диодного моста VD применен источник питания с гасящим конденсатором С1 и разрядными резисторами R1, R3, R4 (на конденсаторе может долго присутствовать напряжение даже после отключения от сети). Также в схеме предусмотрен сглаживающий конденсатор С2 и фильтрующие пульсации в цепи 5В конденсаторы С4, С5.

Для замера температуры нагрева медных пластин розеток удлинителя применены два термореле SA2, SA3 с порогом срабатывания 95±5° С (каждое реле устанавливается на свою медную пластину). Узел контроля состояния контактов SA2, SA3 с исполнительным реле К1 и светодиодной индикацией VD1 состоит из VT1, VT2, VD5, R7…R9, R10, R11. В данной схеме реализована блокировка подачи напряжения нагрузке при перегреве одного из контролируемых контактных соединений. Это предотвращает самовосстановление схемы устройства, а также способствует выявлению и устранению причин нарушения его нормальной работы.

RC цепочка R7, С6 обеспечивает необходимую задержку сигнала на подхват (снижает вероятность ложных срабатываний при подаче питания на удлинитель, сбросе защиты и т.д).

Схема защиты работает следующим образом. В момент включения удлинителя кнопкой SA1 формируется напряжение собственных нужд 5В, но при этом напряжение в розетках отсутствует (реле К1 отключено). Если отсутствует превышение температуры выше допустимого на обоих термореле транзистор VT1 открывается и включает реле К1, тем самым подает напряжение к нагрузке через розетки удлинителя. Зеленый светодиод светится, а красный – нет (зашунтирован коллектором VT1).

Транзистор VT2 предназначен для формирования режима «защелка» при срабатывании защиты. Пока транзистор VT1 открыт, потенциал его коллектора притянут к общей цепи (шунтирование красного светодиода и базы VT2).

В случае превышения температуры одного из термореле (размыкание его контакта) зеленый светодиод гаснет, транзистор VT1 закрывается (реле К1 отключается – нагрузка обесточивается), красный светодиод загорается, транзистор подхвата VT2 открывается и своим коллектором шунтирует базу VT1, принудительно закрывая его. В этом случае, при восстановлении температуры (сработавшее термореле включается) загорается зеленый светодиод (поскольку зеленый и красный в одном корпусе, то при одновременном свечении двух цветов получается желтый цвет) включение реле К1 не происходит из-за подхвата VT2.

Сброс защиты произойдет только отключением и повторным включением кнопки SA1.

Особенности индикации защиты:

• зеленый – температура в норме, сеть к нагрузке подана;
• желтый – температура снизилась (в норме), в устройстве необходимо сбросить защиту (пока не будет светиться желтый - сбросить защиту невозможно);
• красный – температура поднялась выше допустимой, сеть к нагрузке отключена.

Выводы

1. В электроустановках жилых и общественных зданий низкого напряжения распространена причина пожаров, вызванная контактным нагревом. Удлинительные шнуры являются частой причиной возгораний, и в них предлагается использовать способ обнаружения «горячих» точек, предполагающий установку термодатчиков, которые внедряют в потенциально опасных местах (чаще всего на соединительных клеммах или зажимах).
2. Впервые предложены удобные для инженерных расчетов формулы для определения установившейся температуры нагрева контактных пластин удлинителя в зависимости от количества выделяемой мощности на примере типового 5 розеточного удлинителя с номинальным током 10 А.
3. Путем разработанного расчетно-экспериментального метода определена температура срабатывания датчиков термореле защиты удлинителя от перегрева его контактных соединений (95±5° С) при различных сочетаниях I_нагр и R_конт для указанного в п. 2 типа удлинителя.
4. В схеме защиты реализована блокировка подачи напряжения нагрузке при перегреве одного из контролируемых контактных соединений. Это предотвращает самовосстановление схемы устройства, а также способствует выявлению и устранению причин нарушения его нормальной работы. Световая индикация позволяет определить все возможные режимы дополнительной защиты удлинителя, которая может располагаться в технологических полостях конструкции его корпуса.

Список источников

1. Бершадский, И. А. Обоснование способа защиты электрической сети напряжением 220 В от перегрузок с учетом нестационарного нагрева электропроводки [Электронный ресурс] / И. А. Бершадский, А. В. Згарбул,А. А. Кулиш // Вестник Донецкого национального технического университета. — 2019. — 2(16). — С. 71—79.
2. European statistics and potential fire safety measures, Final report, January 2009.
3. Бершадский, И. А. Анализ статистики пожаров по электротехническим причинам и состояния устройств защиты в сетях 0,4 кВ [Текст] / И. А. Бершадский, А. В. Згарбул // Пожарная безопасность. — 2017. — № 4. — С. 119—125.
4. Hadziefendic,N.Thermal imaging of poor contacts and AFCI technique for series arc breaking [Text] /N. Hadziefendic, M. Kostic, J. Trifunovic // Proceedings of II Fire Safety Consulting. — Belgrade (in Serbian). — 2012. — P. 25–42.
5. SINTEF, Fire in electrical installations, Norwegian Institute of Technology, January 28, 2008.
6. J.J. Shea, US Patent No. 8,854,066 (3 Oct, 2014). Method and apparatus for detecting a glowing contact in a power circuit - Режимдоступа https://patents.google.com/patent/WO2013151626A1/en. - Загл. c экрана.
7. NedzadHadziefendic. The influence of poor electrical contacts on the occurrence of initial fire and a method for their detection in low-voltage electrical installations [Text] :Doctoral Dissertation–Belgrade : UniversityofBelgrade, schoolofelectricalengineering, 2019. – 237 c.
8. Solyonyj, S. Automatic System of Monitoring and Diagnostics of Sparking in Contact [Text] / S. Solyonyj, O. Solenaya and Andrey Roznhin // MATEC Web of Conferences 77, 12003 . – 2016. – P. 1–5.
9. Зинченко, E.О. Температура нагревания проводников в контактных соединениях электроустановок[Текст] / Научный вестник НИИГД «Респиратор».–2017. – № 3(54). – С. 36-47.
10. Удлинители бытового и аналогичного назначения на кабельных катушках. Общие требования и методы испытаний: ГОСТ 31223-2012 (IEC 61242:1995). Введ. 01.01.2014. Москва: Росстандарт, 2014. 52 с.