Система электрической и пожарной безопасности объекта при термоэлектрозондировании оборудования и линейно-кабельных сооружений
В результате системных исследований установлено, что для обеспечения электрической и пожарной безопасности промышленного объекта необходима двух-уровневая система, которая в реальном масштабе времени, с помощью термозондирования и электроизмерений оборудования и линейно-кабельных сооружений, контролирует электрические параметры электрического оборудования и приборов (напряжение, ток, активную и реактивную мощность, включая перекос фаз и другие параметры качества электроэнергии), а также температуру и электрофизические параметры проводов и кабелей, включая токи утечки. Синтез системы базируется на методах термозондирования оборудования и линейно-кабельных сооружений, а также их электрозондирования на переменном токе. Новизна подхода заключается в том, что система реализует принцип обнаружения предаварийных режимов оборудования и линейно-кабельных сооружений. Это позволяет организовать своевременный профилактический ремонт оборудования и линейно-кабельных сооружений, и достичь установленного ГОСТ 12.1.004. уровня пожарной безопасности функционирования объекта.
1. Состояние проблемы
Несмотря на теоретический задел по диагностике пожарной опасности электроприборов и линейно-кабельных сооружений по токам утечки [1-5], проблема автоматизации предотвращения пожаров с использованием методов контроля токов утечки до настоящего времени была не решена.
Это обусловливалось рядом трудностей в решении задач обеспечения пожаровзрывобезопасности объектов промышленности [6,7]:
во-первых, сложностью систем пожаровзрывобезопасности из-за большого количества взаимосвязанных элементов и необходимости их контроля в реальном масштабе времени, что порождает огромный объем обрабатываемой информации;
во-вторых, низкой чувствительностью существующих средств электрической и тепловой защиты, не позволяющих своевременно обнаруживать предпожарные режимы оборудования и линейно-кабельных сооружений;
в-третьих, отсутствием автоматических датчиков и устройств контроля токов утечки, позволяющих своевременно обнаружить превышение допустимого уровня токов утечки в работающем электрооборудовании и передать информацию на верхний уровень автоматизированной системы, или диспетчеру, т.е. лицу принимающему решение (ЛПР).
В настоящее время появились достаточные предпосылки для автоматизированного решения задач в системе пожаровзрывобезопасности объектов промышленности (высокое быстродействие ЭВМ, большие объемы памяти, широкая номенклатура измерительных и управляющих модулей, наличие достаточного опыта создания и эксплуатации автоматизированных систем и т.д.).
В связи с изложенным, была предпринята попытка моделирования автоматизированной системы, которая с помощью термоэлектрозондирования электрообрудования (ЭО) и линейно-кабельных сооружений (ЛКС), контролируя электрические параметры ЭО (напряжение, ток, активную и реактивную мощность, включая перекос фаз), а также температуру и электрофизические параметры изоляции ЛКС, вычисляет токи утечки каждого провода, распознавая пожароопасные ситуации, и предотвращая загорания и пробой, путем автоматизированного отключения.
2. Способ решения
На примере производственного цеха маширостроительного завода была разработана модель (рис.1) автоматизированной системы предотвращения пожаров от ЭО и ЛКС (АСППЭ).
В связи с отсутствием приборов, позволяющих измерять токи утечки при работающем электрооборудовании, модель построена на вычислении токов утечки по текущим значениям напряжений на проводах (UТi), которые измеряется модулями АЕТ-423, текущим температурам проводов (ТТi), которые измеряется термометрами-сопротивлениями (ТСМ-50М) и модулями W937T, и сопротивлений изоляции проводов (Rti), которые получены перед включением электрооборудования (а затем после выключения), по результатам измерений прибором Е7-20 следующих параметров каждого провода, относительно его изоляции в диапазоне частот от 25Гц до 1 МГц [8]:
индуктивности- Li;
емкости- Сi;
активного сопротивление- Ri;
реактивное сопротивление - Xi;
проводимости- Gp;
тангенса угла потерь- tg д;
добротности- Q;
модуля комплексного сопротивления- |Z|;
угла фазового сдвига комплексного сопротивления- ц;
тока утечки (на постоянном токе)- I.
Рисунок 1. Структурная блок-схема системы
Подключение Е7-20 на каждый провод и отключение после окончания цикла измерений осуществляется реле (по 2 группы в каждом), которые включены в источник вторичного электропитания DRA120-24SSA (24В/5А) через 32-х канальные модули вывода дискретных сигналов М 9540, управляемые контроллером (Trei-05), состоящем из процессорного мастер-модуля М 902Е-24310, расширенного 2-мя модулями Ethernet, 2-мя модулями RS-485 (COM3,COM4) и 4-х проводной платой RS-485 (рис.2).
При этом сам Е7-20, в отличие от контроллера, который подключен в компьютер диспетчера через Ethernet, включается через порт СОМ1 (RS-232) и программа «верхнего уровня» осуществляет цикл измерений каждого обесточенного провода, блокируя возможность включения через контроллер, меняя каждые 40 мс частоту измерений от 25Гц до 1 МГц, и записывая на диск функции указанных выше параметров, после чего вычисляет сопротивления изоляции проводов (Rti), которые используются в дальнейшем при эксплуатации электрооборудования до следующего выключения. Указанный цикл измерений занимает 1,2 секунды на каждый провод (4,8 сек. на 3 фазы и нулевой провод), а с вычислением функции Rti(Т) на рабочей частоте (в данном случае 50 Гц) составляет - менее 6 секунд на единицу электрооборудования, после чего компьютер диспетчера «разрешает» включение измеренного оборудования в работу и возвращается к циклическому опросу АЕТ-423 и записи в базу данных параметров работающего электрооборудования [8,9].
Рисунок 2. Схема контроля и управления электроприводами цеха
электрический пожарный сооружение безопасность
Как только компьютер диспетчера «обнаруживает выключение» какого-либо электрооборудования по «нулевым показаниям» АЕТ-423 в цикле опроса, то тут же выдается команда контроллеру на блокировку его включения, и запускается цикл измерений, описанный выше. При этом в базу данных всегда записывается текущая температура проводов и кабелей (ТТi), что позволяет в течение длительного времени эксплуатации, дополнять функции указанных выше параметров и функцию сопротивления изоляции проводов (Rti), включая сезонные изменения температур и влажности в цехе (на схеме термогигрометр не показан), которые измеряются отдельным прибором и записываются в базу данных компьютером диспетчера.
При превышении токами утечки пожароопасного порога, компьютер выдает диспетчеру «предложение на отключение и ремонт электроустановки», в которой это обнаружено. Диспетчер может отклонить отключение, если по технологии это недопустимо, но на его пульте появится окно с возможностью активации выключения, которое можно осуществить в любой момент. Однако после окончания технологического процесса и выключения «пожароопасной электроустановки», контроллер заблокирует её включение вновь, до тех пор пока выявленные нарушения не будут устранены и диспетчер введет команду допуска электроустановки к эксплуатации.
Выводы
Впервые предложена модель автоматизированной системы, которая с помощью термоэлектрозондирования электрообрудования (ЭО) и линейно-кабельных сооружений (ЛКС) в реальном масштабе времени, контролируя электрические параметры ЭО (напряжение, ток, активную и реактивную мощность, включая перекос фаз), а также температуру и электрофизические параметры изоляции ЛКС, вычисляет токи утечки каждого провода, распознавая пожароопасные ситуации, и предотвращая загорания и пробой, путем их автоматизированного отключения.
Библиография
1.Смелков Г.Н., Александров А.А., Пехотиков В.А. Методы определения причастности к пожарам аварийных режимов в электротехнических устройствах. М.: Стройиздат, 1980. 87 с.
2.Поединцев И.Ф., Смирнов В.В., Бойцов В.Ф. Методика исследования зажигания оболочки кабеля локальными токами утечки // В сб. "Вопросы развития и автоматизации судовых электроэнергетических систем" - ВНТО им. Акад. А.Н. Крылова. Вып. 521. Л.: ВНТО, 1992. С. 64-68.
3.Тюгай С.И., Смирнов В.В., Иванов Е.А. Нормирование токов утечки на корпус по условиям пожаробезопасности // Изв. ГЭТУ. 1999. Вып. 463. С. 52-58.
4.Смелков Г.И., Смирнов В.В., Сашин В.Н. Пожарная опасность длительных по времени локальных токов утечки в электрических сетях с изолированной нейтралью // Пожаровзрывобезопасность. 1994. № 4. С. 43.
5.Прогнозирование, оценка и анализ пожарной безопасности / Е.И. Богуславский, В.В. Белозеров, Н.Е. Богуславский: уч. пособие. Ростов-н/Д: РГСУ, 2004. 150 с.
6.Nguyen Tuan Anh (Vietnam). The automatic fire protection system of electric cables in hydropower plant of Vietnam // Ежегодная международная научно-техническая конференция «Системы безопасности» - СБ-2009. М.: АГПС МЧС России, 2009. С. 184-185.
7.Автоматизация предотвращения пожаров при обнаружении токов утечки в электрооборудовании / В.В. Белозеров, Т.А. Нгуен, Н.Г. Топольсикй и др. М.: АГПС МЧС России, 2011. 110 с.
8.Измеритель иммитанса Е7-20. Руководство по эксплуатации /УШЯИ.411218.012 РЭ. Мн.: ОАО «МНИПИ», 2004. 40 с.
9.Устройство программного управления ТREI-5В-05 / Руководство по эксплуатации TREI 421457.401-TREI GmbH, 2009. 327 с.