Повышение эффективности защиты электроустановок апк на основе количественной оценки пожарной опасности коротких замыканий

где вероятность пожара от КЗ i-го вида на s-том участке сети в течение времени Т ; - вероятность сосредоточения пожароопасного вещества (включая наличие горючей изоляции) вблизи электропроводки; - вероятность воспламенения пожароопасного вещества в результате воздействия электрической дуги или раскаленных частиц металла; - вероятность перерастания возникшего загорания в пожар; - вероятность отказа системы пожаротушения.

В расчетах значения вероятностей , , . и принимаются равными единице, поэтому называется показателем пожарной опасности i –го вида КЗ на s-ом участке электрической сети:

(7)

Используя коэффициент незащищенности электрической сети, можно определить показатель пожарной опасности i -го вида короткого замыкания для всей электрической сети рассматриваемого объекта по формуле:

(8)

С учетом введенных показателей интегральный показатель пожарной опасности всех видов КЗ в электрической сети может быть рассчитан по формуле:

, (9)

где - вероятность отсутствия пережога проводов при КЗ i-го вида; - показатель пожарной опасности к.з. на корпус.

Если сеть защищена УЗО, используется следующая формула:

(10)

В процессе практического использовании технологии предупреждения пожаров от КЗ был выявлен ряд проблем.

В основу оценки пожарной опасности дуговых КЗ положено сопоставление характеристик срабатывания аппаратов защиты (предохранителей или автоматических выключателей) и характеристик пережога электропроводки электрической дугой, полученных экспериментально в АлтГТУ.

Характеристики срабатывания аппаратов защиты задаются заводами-изготовителями с учетом разброса возможных значений. Реальное время срабатывания защиты за счет наличия зоны разброса может отличаться в несколько раз при одном и том же токе. Аналогичный разброс имеют и характеристики пережога электропроводок. В общем случае возможны как благоприятные, так и неблагоприятные сочетания характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки на различных участках электрической сети. В первом случае защита может иметь высокую эффективность. Во втором – крайне низкую.

Таким образом, при проведении расчетов показателей пожарной опасности КЗ возникает неопределенность, обусловленная зонами разброса характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки. Поэтому для повышения точности расчетов представляется целесообразным проведение анализа влияния выбора сочетания этих характеристик на результаты расчетов и разработка соответствующих рекомендаций для практического использования.

С вопросами выбора характеристик срабатывания защиты связаны также вопросы оценки эффективности ее резервирования, а также выбора типов защитных аппаратов. При этом можно рассматривать альтернативные варианты не только для автоматических выключателей или предохранителей с различными параметрами, но и учитывать возможности замены в определенных условиях автоматических выключателей быстродействующими предохранителями.

При расчетах показателей пожарной опасности КЗ существенное значение имеет точность определения токов КЗ, которые под влиянием нагрева проводников могут изменяться. Используемая технология предупреждения пожаров от КЗ не учитывала этот влияющий фактор. Поэтому в процессе ее совершенствования необходимо вводить соответствующие коррективы.

Одной из проблем, возникающей при оценке пожарной опасности объектов электроснабжения, является отсутствие возможности сравнения уровней пожарной опасности для различных объектов или их групп. Такое сравнение возможно при учете реального соотношения вероятностей КЗ на этих объектах с учетом измеренных показателей качества изоляции и протяженности электропроводки.

Изложенное обосновывает цель, поставленную в работе и задачи, подлежащие решению.

Вторая глава посвящена вопросам снижения неопределенности при количественной оценке пожарной опасности КЗ.

Для обоснования выбора расчетных характеристик с помощью разработанного в АлтГТУ программного комплекса «СКЭД -380» выполнены расчеты показателей пожарной опасности для различных вариантов электроснабжения и различных систем электрической защиты сельскохозяйственного объекта. Расчеты проводились для ПА-системы защиты (на основе предохранителей и автоматических выключателей) и ПАУ-систем защиты (с дополнительным использованием УЗО). При этом рассматривались верхние, средние и нижние характеристики срабатывания защиты и пережога электропроводки, обозначаемые далее соответственно В, С, Н в последовательности: для аппарата защиты – для пережога электропроводки

Анализ полученных результатов показывает, что наименьшие показатели пожарной опасности дуговых КЗ (наивысшей эффективности электрической защиты) соответствуют сочетанию характеристик: Н-В. Для всех остальных видов сочетаний характеристик показатели пожарной опасности КЗ увеличиваются. Поэтому сочетание Н-В использовать в расчетах нецелесообразно.

Наибольшие показатели пожарной опасности дуговых КЗ соответствуют сочетанию характеристик: В-Н, и С-Н. Улучшение по величине показателей пожарной опасности КЗ, иногда значительное, обеспечивает сочетание характеристик В-С.

Меньшим значениям показателей пожарной опасности по сравнению с сочетанием В-С среди оставшихся характеристик соответствуют сочетания: В-В, С-В, С-С и Н-С. При этом наихудшая ситуация соответствует сочетанию С-С. При сочетаниях В-В, С-В и Н-С показатели пожарной опасности по крайней мере не хуже этих показателей для сочетания С-С.

При сочетании характеристик Н-Н возможны как высокие, так и низкие показатели пожарной опасности. При этом в случае высоких значений показатели пожарной опасности, по крайней мере, не хуже этих показателей при сочетаниях В-Н, и С-Н, а в случае низких значений они, по крайней мере, не лучше этих показателей для сочетания С-С.

По результатам проведенного анализа можно сделать вывод, что для оценки эффективности системы электрической защиты можно ограничиться расчетом показателей пожарной опасности по следующим сочетаниям характеристик срабатывания защиты и пережога проводов: С-Н и С-С. При сочетании характеристик С-Н показатели пожарной опасности достигают максимальных значений, а при сочетании С-С можно рассчитывать усредненные значения пожарной опасности КЗ.

Дополнительным аргументом в пользу исключения из рассмотрения сочетаний характеристик В-Н и В-С является возможность отбраковки части автоматических выключателей с характеристиками выше средней в процессе монтажа системы электрической защиты.Остальные сочетания характеристик приводят к промежуточным значениям показателей пожарной опасности.

Точность количественной оценки пожарной опасности КЗ зависит от точности определения значений тока КЗ в электрической сети. Если активное сопротивление проводника к моменту КЗ составляет не менее 20 % от суммарного индуктивного сопротивления цепи, возникает ощутимый эффект уменьшения тока за счет нагрева проводников – тепловой спад тока. При этом изменяются и расчетные показатели пожарной опасности КЗ.

Для уточнения расчета токов КЗ можно использовать известную методику определения изменения температуры проводника при его нагреве.

Активное сопротивление проводника при его начальной температуре определяется по формуле

(11)

где, - погонное (удельное) активное сопротивление проводника, Ом/м, при нормированной температуре ; l - длина проводника до места КЗ, м; - условная температура, равная: для меди = 234 °С, для алюминия = 236 °С.

Увеличение активного сопротивления проводников при КЗ следует учитывать с помощью коэффициента:

, (12)

где :- коэффициент увеличения активного сопротивления проводника, который зависит от материала, а также начальной и конечной температур проводника:

(13)

Конечную температуру нагрева проводника без учета теплоотдачи можно определить по формуле:

, (14)

где Iкз- ток металлического КЗ в момент замыкания, А; S- площадь поперечного сечения проводника, мм2; k1 - постоянная, зависящая от материала проводника; - величина, обратная температурному коэффициенту сопротивления при 0°С; - коэффициент, учитывающий отвод тепла в изоляцию.

Результаты расчетов показали, что в зависимости от схемы электроснабжения, удаленности и мощности питающего трансформатора, а также параметров защитных аппаратов контролируемого объекта при учете теплового действия тока КЗ показатели пожарной опасности могут увеличиваться, уменьшаться или оставаться без изменения.

Неоднозначность полученных результатов объясняется различными ситуациями, характеризуемыми смещением расчетных диапазонов токов КЗ по отношению к сопоставляемым характеристикам срабатывания защиты и пережога электропроводки по участкам электрической сети за счет теплового спада. Например, в одной из таких ситуаций (рисунок 1) диапазон токов КЗ на участке сети находится в области чувствительности электромагнитного расцепителя, но даже с учетом теплового спада полностью соответствует защищенной или незащищенной зонам. То есть весь участок характеристики срабатывания электромагнитного расцепителя в диапазоне токов КЗ находится под характеристикой пережога или весь участок характеристики пережога в диапазоне токов КЗ находится под характеристикой срабатывания электромагнитного расцепителя. Для этой ситуации показатели пожарной опасности КЗ не изменяются.

1 - характеристика срабатывания автоматического выключателя;

2 - характеристика пережога провода;

3 - диапазон токов КЗ с учетом теплового спада;

4 - диапазон токов КЗ без учета теплового спада;

5 - граница зоны пережога провода.

Рисунок 1 – Смещение диапазона токов КЗ, не приводящее

к изменению показателей пожарной опасности

Другая ситуация возникает если в диапазоне токов КЗ на рассматриваемом участке сети приводится в действие (в зависимости от конкретного значения тока) либо тепловой, либо электромагнитный расцепители. В этом случае смещение диапазона токов КЗ в область действия теплового расцепителя приводит к увеличению показателей пожарной опасности (рисунок 2).

Заранее оценить значимость смещения диапазона токов КЗ по каждому участку электрической сети не представляется возможным. Поэтому целесообразно учитывать тепловой спад тока при КЗ во всех случаях при расчете показателей пожарной опасности.

1 - характеристика срабатывания автоматического выключателя;

2 - характеристика пережога провода;

3 - диапазон токов КЗ с учетом теплового спада;

4 - диапазон токов КЗ без учета теплового спада;

5 - граница зоны пережога провода.

Рисунок 2 – Смещение диапазона токов КЗ в область действия

теплового расцепителя

При использовании количественного подхода может возникнуть задача сравнительной оценки пожарной опасности КЗ на различных объектах электроснабжения. По абсолютным значениям интегральных показателей, рассчитанных для рассматриваемых объектов, нельзя делать вывод о большей или меньшей степени пожарной опасности КЗ, так как различные сети характеризуются разными вероятностями возникновения КЗ. Поэтому количественная оценка может использоваться только в рамках одного объекта при сравнении эффективности вариантов защиты.

Для сравнительной оценки пожарной опасности рекомендована методика, позволяющая учесть соотношения вероятностей КЗ на различных объектах. В соответствии с этой методикой вводится понятие: «Объект приведения по уровню изоляции» (далее ОПИ), под которым понимается гипотетический объект электроснабжения, характеризуемый среднестатистическими значениями вероятностей КЗ, одинаковыми для каждого участка электрической сети, и определенными значениями показателей качества изоляции: сопротивления изоляции , коэффициента абсорбции Кабс и коэффициента поляризации Кпол,также одинаковыми для всех участков электрической сети. Коэффициент абсорбции характеризует увлажнение изоляции, а коэффициент поляризации - степень ее старения.

Кроме того, вводится понятие: «обобщенный показатель уровня изоляции» участка электрической сети, в совокупности характеризующий качество изоляции электропроводки на участке и протяженность сети:

, (15)

где , , - нормированные значения показателей качества изоляции.

Кратность нормативного сопротивления изоляции (0,5 Мом) по отношению к сопротивлению изоляции электрической сети характеризует общую протяженность электропроводки и принята в качестве показателя степени в формуле (15).

Для сопоставления показателей пожарной опасности любого расчетного объекта с соответствующими показателями ОПИ, необходимо измерить показатели качества изоляции , Кабс, Кпол, например, с помощью прибора MIC-1000, для каждого участка электрической сети рассматриваемого объекта, определить значение и произвести корректировку значений вероятности КЗ каждого вида КЗ по формуле:

(16)

где - среднестатистическое значение вероятности данного вида КЗ для ОПИ.

Далее производится расчет приведенных интегральных показателей пожарной опасности КЗ для рассматриваемого объекта с использованием скорректированных значений вероятностей КЗ каждого вида по участкам электрической сети.

Если определить показатели качества изоляции для каждого участка электрической сети невозможно, то используется упрощенный метод корректировки расчетного значения вероятностей КЗ с учетом допущения, что качество изоляции на рассматриваемом объекте одинаково для всех участков электрической сети и соответствует уровню изоляции на выбранном для контроля участке.

Рассчитанные таким образом значения приведенных интегральных показателей могут использоваться для сравнительной оценки пожарной опасности различных объектов или их групп, выделяемых по функциональным или территориальным признакам.

В третьей главе представлены результаты разработки методики использования количественных показателей для оценки эффективности электрической защиты и необходимого программного обеспечения.

По результатам расчетов показателей пожарной опасности для различных вариантов электроснабжения и различных систем электрической защиты сельскохозяйственного объекта определены способы повышения эффективности электрической защиты при благоприятных и неблагоприятных сочетаниях характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки.

Наиболее простым способом снижения пожарной опасности КЗ при В-Н и В-С сочетаниях характеристик является отбраковка автоматических выключателей с защитными характеристиками выше средней. Такая отбраковка может быть проведена перед монтажем аппаратов защиты, например, с помощью комплекта РТ-2048 М», предназначенного для испытания автоматических выключателей.

Опасность однофазных КЗ на корпус может быть устранена за счет применения УЗО, то есть использования ПАУ-систем защиты.

При неблагоприятных сочетаниях характеристик срабатывания защиты и пережога электропроводки для снижения опасности оставшихся видов КЗ могут быть предложены использование быстродействующих предохранителей а также частичная замена алюминиевой электропроводки, прежде всего на участках с наименьшими сечениями проводов. Алюминиевые провода сечением 2,5 мм2 целесообразно исключить еще на этапе проектирования системы электроснабжения и повысить тем самым пожарную безопасность при КЗ.

Быстродействующие предохранителей, например, серии СН, производства Словении представляют значительный интерес для использования в электроустановках АПК. Конструктивное исполнение и защитные характеристики таких предохранителей, приведенные в сравнении с характеристиками предохранителей НПН2 и автоматических выключателей ВА47-29, показаны на рисунках 3 и 4.

Рисунок 3 – Конструктивное исполнение предохранителя СН

и корпуса для его установки в электрический щит

Преимущества этих предохранителей по сравнению с автоматическими выключателями и отечественными предохранителями типа НПН2 проявляются не только в диапазоне повышенных токов КЗ, соответствующих зоне срабатывания электромагнитных расцепителей автоматических выключателей, но и в зоне их тепловых расцепителей. Поэтому целесообразно использование этих предохранителей взамен автоматических выключателей на отдельных участках электрической сети, определяемых по результатам расчетов показателей пожарной опасности.