ДонНТУ   Портал магистров

Крохин Николай Викторович

Факультет интеллектуальной электроэнергетики и робототехники.

Кафедра "Электроснабжения промышленных предприятий и городов"

Специальность "Электроэнергетика и электротехника"

Метод обнаружения пожароопасного перегрева и дугового пробоя контактных соединений

Научный руководитель: к.т.н, доцент, Згарбул Андрей Викторович

Резюме Образование Реферат Библиотека Ссылки Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Данная работа является аннотацией и предварительным обзором на тему магистерской работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Дуговой пробой
• 3.1 Источники дугового пробоя
• 3.2 Типы дугового пробоя
• 3.3 Принцип работы
• 4. Разработки в ДонНТУ
• 4.1 Вейвлет-преобразование
• 4.2 Анализ дискретного вейвлет-преобразования
• Выводы
• Список источников

Введение

С развитием технического прогресса, появлением новых технологий и созданием устройств, техники, а так же глобализацией и общей доступностью новых гаджетов, происходит непрерывный рост потребления электрической энергии.

Сейчас не удивительной стала такая ситуация, что у современного человека устройств требующих постоянной зарядки больше, чем розеток в квартире, доме. Обычно это телефон, планшет, беспроводные наушники, смарт-часы, а если это пара или семья с ребенком, а если он еще взрослый, то общее количество гаджетов увеличивается более, чем в два раза. Это приводит к тому, что используются переноски, тройники и т.д., или специальное зарядное устройство, что позволяет заряжать не одно или два, а сразу массу устройств. Как правило, все ставится на зарядку вечером или в ночь перед сном до утра. Не говоря уже о такой технике, как стиральная машинка, водонагревательный бойлер, чайник, телевизор, компьютер, ноутбук, холодильник и т.п.

Это все наглядно показывает насколько выросла доля потреблений электрической энергии населением за последние десять – двадцать лет.

Это все создаёт избыточную нагрузку на электропроводку здания, дома, квартиры. В особенности, когда проводка не рассчитана на такой уровень потребления электрической энергии.

Пожары в зданиях - одна из самых опасных и распространённых угроз. В основном она возникает из-за действий или бездействия владельцев, жильцов, которые используют старую технику, удлинители и перегружают сеть.

1. Актуальность темы

Если изучить материалы, предоставленные Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий, то станет ясно, что основной причиной пожаров из-за электричества является:

1) повреждение электросети, особенно электропроводки;

2) повреждение электрооборудования.

По данным МЧС России, в 2021 году в нашей стране произошло 390 859 пожаров, в результате которых погибли 8 473 человека, 8 403 человека получили ранения.

Наиболее распространенной причиной пожаров в зданиях является аварийная работа электрических сетей и оборудования, по итогам 2021 года аварийная работа электрических сетей и оборудования стала причиной 62,9% пожаров в зданиях образовательных учреждений, 63,0% – в зданиях здравоохранения и социальных служб, 38,0% – в жилых зданиях.

Для защиты электрической сети напряжением 0,4 кВ используются такие устройства:

1) АВ - выключатель, коммутационное устройство, предназначенное для защиты от токов перегрузки и короткого замыкания.

2) УЗО - устройство защитного отключения, устройство для коммутации сети от токов утечки.

3) АВДТ - дифавтомат, коммутационное устройство, объединяющее в одном устройстве АВ и УЗО, выполняющее одинаковые функции.

4) УЗДП или УЗИс - устройство защиты от дугового пробой или искрозащитное устройство, новое поколение защитных устройств, созданных на основе материально-технической и научной базы современности.

Как явление, факт последовательного и параллельного дугового пробоя известен уже давно. Однако создать устройство, способное обнаруживать последовательный и параллельный дуговой пробой, распознавать дугу и реагировать достаточно быстро, не представлялось возможным.

Если вы посмотрите на AB, УЗО, АВДТ, то, в общем, это механическое устройство, зависящее от изменения протекающего тока или напряжения. В свою очередь, УЗДП зависит от электронной платы и программы.

Только в последние десятилетия, с развитием программирования и использованием микропроцессоров, стало возможным создать такое устройство.

Впервые разработка AFDD началась в США в прошлом веке. Причиной этого стало большое количество пожаров в результате неисправности электропроводки.

Результатом работы стало создание системы:

1) AFD (arc foul detection unit) - блок обнаружения неисправностей электрической дуги;

2) AFCI (arc-fault circuit interrupter) - автоматический выключатель электрической дуги;

3) AFDD (arc fault detection device) - устройство для обнаружения дуговых неисправностей[9][15][16][17][18].

Когда это устройство доказало свою эффективность, в 2002 году его начали внедрять в Канаде, а чуть позже и в Европе. Теперь эта практика дошла и до нас.

Был сформирован межгосударственный стандарт - ГОСТ IEC 62606-2016 "Защитные устройства для домашнего и аналогичного использования при весенних поломках". С 1 июля 2018 года в Российской Федерации принят ГОСТ в качестве национального стандарта[13].

На основании постановления законодательства Российской Федерации от 1 марта 2024 года, УЗДП подлежит установке на объекте нового строительства, при реконструкции, капитальном ремонте и эксплуатации электроустановок зданий общежитий, спальных корпусов, общеобразовательных организаций, образовательных организаций с наличием школы-интерната, дошкольные образовательные организации, специализированные дома престарелых и инвалидов, общежития детских организаций отдыха и оздоровления, медицинские организации, предназначенные для осуществления медицинской деятельности.

Кроме того, УЗДП являются обязательными при новом строительстве многоквартирных домов высотой более 50 м и многоквартирных домов площадью более 150 м[13].

На российском рынке можно встретить такие устройства, как

1) модель УЗДП "ИСТОК" производства компании АО "Экотех", которая успешно прошла испытания на соответствие ГОСТ IEC 62606-2016. Испытания проводились добровольно в лаборатории испытательного центра ВНИИПО МЧС России;

2) УЗДП Meander от компании "Меандр";

3) УЗО компании EKF, созданное на основе технологии AFDD;

4) УЗО-ELTA-2D - многофункциональное устройство производства АО "Электроавтомат", сочетающее в одном корпусе функции устройства защитного отключения (УЗО), устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) и автоматического выключателя, устройства защиты при дуговом пробое (УЗДП) и реле перенапряжения.

Несмотря на то, что создано множество вариантов устройств защиты от дугового пробоя, выполняющих свою функцию, эта технология относительно молода и не имеет достаточного срока службы.

Технологии, на основе которых были созданы УЗДП, развиваются. Можно улучшить возможности предотвращения ложных срабатываний и неисправностей, усовершенствовать методы определения разрыва контакта, отличить дугу от обычной искры, увеличить дальность действия и т.д.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью работы является создания устройства защиты от дугового пробоя на основании модели вейвлет-преобразования, исключить возможность ложных срабатываний.

Для выполнения поставленной задачи, необходимо пройти следующие этапы:

1. Выбрать метод определения дуги – метод на основе вейвлет-преобразования.
2. Написание программы. Было принято решение использовать язык Rust. Передача данных о работе программы в микропроцессоре STM32F411, написанной на Rust, в Matlab.
3. Отстройка и корректировка программы.
4. Создание полностью рабочей модели.

3. Дуговой пробой

Дуговой пробой – это опасное явление, которое несет угрозу человеку и электрической системе в частности. Возникает дуговой пробой в момент расположение проводников на максимально близком расстоянии или при разрыве контакта. В этот момент возникает искра и начинается процесс протекания тока по воздуху, что и образовывает дугу.

Температура дуги может достигать больших величин, происходит оплавление изоляции, начинается её карбонизация, а горючие материалы возгораются[1].

Обугленная (карбонизированная) изоляция становится проводником, а это значительно увеличивает риск усиления дуги или её повторного возникновения.

Существует множество патентов, различные варианты УЗДП для приобретения, но информации по их работе крайне мало, а в свободном доступе практически полностью отсутствует. Есть множество статей описывающий принцип работы, показывающие сравнительные характеристики различного рода выключателей (АВ, УЗДО, АВДТ, УЗДП) по их способности отключения при аварийных режимах работы сети.

Конкретика, почему и как работает УЗДП – коммерческая тайна, которую не открывают ни производители, ни научные институты.

3.1 Источники дугового пробоя

Причинами возникновения искры, дуги в распредсети 0,4, 0,22 кВ является:

1) аварийный режим работы (Перегрузка сети, обрыв, перенапряжение);

2) повреждение изоляции:

а) износ, старение;

б) механические повреждения вследствие ударов, вибрации, забитым гвоздем, шурупом, пережатие провода тяжёлым объектом и т.д.

3) фактор окружающей среды (влага, сырость, высокая температура)

4) плохой или ослабленный контакт

5) использование старого, не качественного или бракованного электро оборудования[2][3].

Избежать возникновение дуги, искры невозможно.

Дуга возникает в момент разрыва, соединения контакта. Это можно легко увидеть при использовании электрического удлинителя в момент соединения, отсоединения электрической вилки устройства появляется искра, порой довольно сильная.

Так же и клавишный выключатель освещения. При его эксплуатации в нем порой возникает искрение.

3.2 Типы дугового пробоя

Дуговой пробой разделяют на два типа:

1) параллельный дуговой пробой;

2) последовательный дуговой пробой;

Параллельный дуговой пробой возникает при соприкосновении двух находящимися под напряжением проводников вследствие повреждения изоляции. При этом образуется электрическая дуга, которая постепенно превращают изоляцию в углерод. Со временем процесс начинает ускоряться, увеличивается количество обугленной изоляции, увеличивается значение тока в дуги и начинается возгорание.

Параллельный дуговой пробой бывает двух типов: между фазным проводом и нейтралью (ноль) и между фазой и проводом заземления.

При параллельном пробое время начала возгорания и момент появления первой дуги может быть очень коротким, а ток, проходящий через автомат, не достаточно высок для мгновенного отключения. При этом времени задержки срабатыванием автомата достаточно для начала пожара.

Параллельный дуговой пробой типа «фаза – земля» будет зафиксирован и отключен с помощью УЗО, АВДТ или УЗДП, АВ вероятно так же сработает.

Параллельный дуговой пробой типа «фаза – ноль» УЗО не отработает, АВ и АВДТ должны отключить сеть, но это происходит не всегда, УЗДП сработает.

По своей функции замыкание фазы с нейтралью автоматический выключатель должен сработать и разъединить цепь, но поскольку токи замыкания сети 220 В обычно не превышают 500А, то выключатель срабатывает с задержкой, а пожар уже начался.

Последовательный дуговой пробой возникает в момент разрыва контактного соединения одного проводника(фазы). Например, расшатанный контакт в розетке, выключателе в момент разрыва образуется искра (дуговой пробой) или обрыв одного проводника.

В этот момент ток протекающий по поврежденному проводу ограничивается нагрузкой, а это довольно малые токи, даже меньше исправно работающей сети, дифференциального тока так же нет. Это приводит к тому, что ни автоматический выключатель, ни УЗО, ни АВДТ не нарушения в сети. Только УЗДП может обнаружить последовательный дуговой пробой и отключить сеть[4][5][7].

3.3 Принцип работы

В общих чертах устройства защиты от дугового пробоя работаю на основе постоянного мониторинга всех процессов, изменений происходящих в защищаемой зоне сети.

Как известно нагрузка бытовой сети представляет собой синусоиду тока и напряжения 220В, 50 Гц.

Если исходить из этой модели, то обнаружить дуговой пробой легко, но это идеальная модель идеальной сети и нагрузки, что в действительности практически никогда не бывает.

Начиная от электростанций передавая электроэнергию потребителям её качество ухудшается. Потери напряжения, не симметрия нагрузки фаз, что вызывает не симметрию напряжения, работа электродвигателей, например стиральной машинки, импульсные блоки питания, включение и отключения потребителей и т.д.

Причин множество и все из них исключить невозможно. Разработаны ГОСТы которые должны поддерживать качество электроэнергии в определенный рамках для правильной работы сети.

Так же большое влияние имеет токовая характеристика каждого электрического прибора в отдельности или группы приборов. При этом синусоида тока будет кардинально отличаться от идеальной и даже быть похожей на сигнал дугового пробоя. Не рассматривая приборы, которым для своей работы необходима дуга, что является нормальный режим работы (электродрель, в особенности старого образца).

Это затрудняет возможность обнаружения дугового пробоя[6][8].

Для создания эффективного устройства необходимо отсеять ненужный шум и определить наличие дугового пробоя за достаточно короткий промежуток времени до начала возгорания.

4. Разработки в ДонНТУ

Первые разработки по созданию дугозащитных устройства на тему "Устройство искрозащиты - электрическое контактное соединение" и "Защита электрической шахтной сети напряжением до 1000 В от искрения в силовых контактных соединениях" в Донецком Национальном Техническом Университете были еще начаты в 2010г. В результате работ были предложены варианты защиты сети от дуговых пробоев в определённых областях[10][11].

Нынешняя разработка является отчасти приемником старых разработок, но основана совершенно на других принципах.

За основы разработки принят принцип вейвлет-преобразования на котором строится новая защиты сети 0,4 и 0,22 кВ.

4.1 Вейвлет-преобразование

Вейвлет-преобразование — это математический метод, который разлагает сигнал на его частотные компоненты в разных масштабах. Это позволяет анализировать сигналы с информацией как по времени, так и по частоте. В этом контексте вейвлет-преобразование используется для анализа текущей кривой (или сигнала) с целью выявления закономерностей и особенностей, которые могут указывать на наличие неисправности[14].

Анализ методом вейвлет-преобразования включает следующие этапы:

1) сбор данных. Измерение текущего сигнала от линии электропередачи или подстанции.

2) предварительная обработка. Фильтрация сигнала для удаления шума и гармоник.

3) вейвлет-разложение. Применение вейвлет-преобразования к предварительно обработанному сигналу с его разложением на аппроксимационные (грубые) и детальные (точные) компоненты в разных масштабах.

4) вейвлет-коэффициентов, таких, как:

а) плотность энергии. Измеряет содержание энергии в каждом масштабе.

б) спектральная энтропия. Измеряет неопределенность или случайность сигнала.

в) скорость пересечения нуля. Измеряет количество пересечений сигнала нуля.

Преимуществом метода Вейвлет-преобразование позволяет получать как временную, так и частотную информацию, что делает его эффективным для обнаружения неисправностей, возникающих в течение короткого периода времени, а также определение последовательных неисправностей, что трудно сделать традиционными методами[6].

4.2 Анализ дискретного вейвлет-преобразования

Итеративный процесс анализа сигнала в рамках набора фильтров DWT называется анализом с несколькими разрешениями (MRA). На первом этапе декомпозиции сигнал поступает в фильтр нижних частот (LPF), специфичный для определенной функции масштабирования основного вейвлета. Коэффициенты аппроксимации (са) могут быть получены после свертки выборок сигнала с коэффициентами передаточной функции низкочастотного фильтра g и понижающей дискретизацией в 2 раза, т.е. исходная длина вектора данных уменьшается вдвое[1].

где g_k – параметры НЧ фильтра, k – порядок коэффициента фильтра ( и принимает как отрицательные, так и положительные значения), n – номер точки обрабатываемого сигнала, j – уровень вейвлет-преобразования (декомпозиции). Чтобы получить коэффициенты детализации (сd) сигнала на первом уровень декомпозиции, его необходимо ввести в высокочастотный фильтр h, специфичный для вейвлет-функции, и свернуть его выборки с параметрами передаточной функции фильтра, также затем уменьшив дискретизацию в 2 раза[1].

где h_k – параметры ВЧ фильтра.

На втором уровне декомпозиции коэффициенты аппроксимации, полученные на первом этапе, будут обрабатываться таким же образом, как при обработке входного сигнала для получения коэффициентов сa и сd[1].

Существование такого набора фильтров зависит от двух типов функций, которые являются функцией масштабирования и вейвлет-функцией, специфичными для определенных типов материнских вейвлетов[1].

Рисунок 8 – График вейвлет-преобразования кривой тока искры в дрели