Мониторинг состояния шлейфов силовой и осветительной электропроводки в помещении

Автор: Жижин Валерий

В статье рассматриваются методы реализации системы мониторинга состояния шлейфов электропроводок в помещении с целью своевременного обнаружения коротких замыканий и перегрузок в подключённых нагрузках с последующим быстродействующим обесточиванием аварийных шлейфов. Основная задача данной системы мониторинга – предотвращение возгорания электропроводки. В работе подробно рассмотрены аппаратные средства и алгоритмы решения данной задачи, позволяющие обнаруживать короткое замыкание на ранних фазах его возникновения и тем самым блокировать его последствия.

Введение

Одной из самых частых причин пожаров в квартирах и зданиях является возгорание электропроводки.

Возгорание электропроводки может возникать по нескольким причинам. Одни связаны с возрастом проводки и электроустановок, другие же — явные ошибки электриков или хозяев квартир. Как показывает статистика, наиболее частыми причинами возгорания являются следующие.

1. Старая электропроводка и автоматические выключатели.
   В большинстве многоэтажных домов, построенных ещё в СССР, электропроводка и автоматические выключатели не менялись со времён постройки здания. С годами изоляция проводов теряет свои эксплуатационные свойства и начинает рассыпаться. Ещё чаще, чем из-за старой проводки, может происходить возгорание из-за старого вводного автомата выключения в электрощитке. 
   Автомат с годами теряет свои механические свойства и может не сра­ботать на отключение, если на линии произошло короткое замыкание. В результате короткого замыкания по кабелю электропроводки может протекать ток в сотни ампер. Длительное протекание тока такой величины обязательно приведёт к горению и оплавлению изоляции проводки.
2. Слабые контакты соединений.
   Недостаточный (слабый) контакт соединений в распределительных коробках, розетках или автоматических выключателях может привести к их нагреву и, соответственно, возгоранию. Если контакты ослабли, то в месте соединения сопротивление растёт. Из-за этого провода (или монтажные пластины) начинают греться, а изоляция плавиться, что в результате приведёт к короткому замыканию проводников.
3. Длительная перегрузка в электросети или некачественное оборудование. Каждый кабель в шлейфах электросети имеет предельное значение по мощности подключённых нагрузок. При длительном превышении этого значения происходит нагрев проводов, и в конечном итоге возникает короткое замыкание в шлейфе.

Указанные деструктивные факторы могут привести к воспламенению проводов шлейфа даже после срабатывания автоматов защиты и УЗО. 

Для раннего обнаружения ситуации короткого замыкания, возникающего в шлейфах электропроводки, и предотвращения её возгорания необходима быстродействующая система непрерыв­ного мониторинга.

Техническое решение по мониторингу состояния электропроводки

Мониторинг состояния шлейфов электропроводок должен проводиться с целью своевременного обнаружения коротких замыканий и перегрузок в подключённых нагрузках, распределительных коробках, электрощитах и быстродействующем обесточивании аварийных шлейфов.

На первый взгляд, решение данной проблемы кажется достаточно тривиальным. Достаточно использовать схему с быстродействующим компаратором, который осуществляет сравнение сигнала датчика тока, установленного в шлейфе, с пороговой величиной напряжения, соответствующей току короткого замыкания (далее – КЗ), и вырабатывает сигнал дистанционного отключения входного автомата. Но, как показал анализ технической литературы [1, 2], посвящённой электромагнитным процессам при коротком замыкании, эти процессы достаточно сложны и зависят от ряда факторов, таких как характер подключённых нагрузок (ёмкостный, индуктивный, резистивный), предусловие возникновения КЗ (в ранее подключённой нагрузке или в момент её включения), степени изношенности проводов шлейфа.

Рассмотрим основные выводы, представленные в [1, 2], существенные для разработки системы мониторинга электропроводки.

Как указано в работе [1] со ссылкой на стандарт МЭК 60050-195, термин «короткое замыкание» определяется как случайный или преднамеренно созданный проводящий путь между двумя или более проводящими частями, принуждающий различия потенциалов между этими частями становиться равными или близкими к нулю.

ГОСТ Р 51731 определяет термин «перегрузка» как «Условие возникновения сверхтока в электрически не повреждённой сети».

Типовая причина возникновения перегрузки – в какой-то момент времени сумма токов всех одновременно работающих электроприёмников превышает номинальный ток в шлейфе.

Наибольшую пожароопасность представляет короткое замыкание в шлейфе. Вероятность возгорания электропроводки из-за перегрузки значительно ниже, поскольку в современных электроустановках зданий для защиты от сверхтоков в обязательном порядке (Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ), актуальная версия на 2024 год – глава 7.1) должны применяться устройства защиты от импульсных помех и перенапряжений (УЗИПы) и автоматы выключения.

Причины короткого замыкания состоят в следующем.

Короткое замыкание обычно возникает в условиях единичного или множественных повреждений изоляции каких-то проводящих частей, находящихся под разными электрическими потенциалами. Эти проводящие части замыкаются друг на друга, образуя между собой электрические контакты с ничтожно малыми переходными сопротивлениями. 

Электрическое сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в ней возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно нагреться и стать причиной пожара. Применение плавких вставок (предохранителей) в устройствах нагрузки далеко не всегда решает проблему, поскольку время их срабатывания сильно зависит от величины превышения тока в цепи относительно порога срабатывания предохранителя и может составлять от десятых долей секунды до несколько секунд. 

Как показано в работе [2], КЗ сопровождается апериодическим переходным процессом изменения тока в сети, форма которого может существенно отличаться от гармонического колебания частотой 50 Гц. При этом максимальное значение тока может на порядок и более превышать номинальное.

График типичного переходного процесса для тока при КЗ в электропроводке с индуктивно-резистивной нагрузкой показан на рис. 1.

Рис. 1. График переходного процесса тока при КЗ

Из представленного графика видно, что полный ток КЗ слагается из двух составляющих: вынужденной in, обусловленной действием напряжения источника, и свободной i, с максимальной амплитудой ударного тока Iуд, обусловленной изменением запаса энергии магнитного поля в индуктивности.

Вынужденная составляющая тока КЗ имеет периодический характер с частотой, равной частоте напряжения источника.

Свободная составляющая тока имеет апериодический характер изменения, поэтому её называют апериодической составляющей тока КЗ.

Быстрота затухания апериодического тока зависит от соотношения между активным и индуктивным сопротивлениями цепи КЗ: чем больше активное сопротивление, тем затухание происходит интенсивней. 

Максимальная величина мгновенного значения тока Iуд наступает примерно через 0,01 с после начала процесса КЗ. 

Таким образом, процесс КЗ является достаточно динамичным и быстропротекающим.

Математические и физические модели процессов КЗ при различных характерах нагрузки подробно рассмотрены в работе [2].

Современное подключаемое оборудование, как то: АС-DC модули светодиодных осветительных приборов, встроенные электродвигатели различных уст­ройств, компьютерные бестрансформаторные блоки питания – обладает зна­чительным реактивным импедансом нагрузки (ёмкостным или индуктивным), что приводит к искажению гармонической формы тока в шлейфе.

Электродвигатели свыше 1 кВт обладают значительным начальным пусковым током, порядка 30–35 А, и КЗ в момент запуска двигателя приводит к возникновению ударных токов свыше 100 А. Как следует из представленных факторов, рассмотренное техническое решение далеко не всегда обеспечивает быстрое обесточивание шлейфа при возникновении КЗ и может привести к возгоранию проводников.

Требования к алгоритму мониторинга

Алгоритм мониторинга состояния шлейфов электропроводок должен строиться с учётом электрофизических характеристик современного подключаемого оборудования. 

В процессе мониторинга алгоритм тестирования должен обнаруживать состояние КЗ как в нагрузке с постоянной амплитудой тока, так и в случае наличия нагрузки, обладающей значительным начальным пусковым током, порядка 30–50 А, т.е. должен дифференцироваться режим КЗ и перегрузки. При этом устройство, реализующее алгоритм мониторинга, не должно отключать электрические цепи при появлении в них кратковременных пусковых токов.

Крайне важно диагностировать КЗ и дистанционно отключать входной автомат на начальной стадии развития переходного процесса КЗ, до достижения током максимального значения.

В системе мониторинга необходимо использовать специальные алгоритмы анализа сигнала во временно́й и спектральной области, позволяющие однозначно дифференцировать характеристики переходных процессов при КЗ относительно других режимов.

Техническое решение

При разработке системы мониторинга был проведён анализ типовых схем разводки электропроводки в квартирах, частных домах и складских помещениях с учётом требований документа «Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ), актуальная версия на 2024 год» [3].

Предлагаемое техническое решение основано на оценке величин электрических токов и напряжений в шлейфах электропроводок в двух режимах:

• нормальный рабочий режим – на шлейфы подано электропитание 220 В, 50 Гц;
• режим мониторинга при обесточенных шлейфах.

Последний режим мониторинга активируется в нерабочее время в производственных помещениях или в жилых помещениях (квартиры, коттеджи) при их длительном обесточивании в период консервации.

Аппаратная часть

Функциональная схема системы мониторинга электропроводки представлена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема мониторинга электропроводки

Мониторинг состояния шлейфов осуществляет устройство – Блок мониторинга электросети (далее – БМЭ), размещаемое в распределительном электрошкафу.

Базовая версия БМЭ рассчитана на обслуживание до 4 шлейфов.

Мониторинг в нормальном рабочем режиме

При мониторинге в этом режиме производятся измерения величин токов в шлейфах.

Токи измеряются бесконтактными токовыми сенсорами (сенсор 1...4), закреплёнными непосредственно на кабелях шлейфов. 

Выходы сигналов с токовых сенсоров подключены к буферным усилителям Х2...Х5 и далее к каналам АЦП микроконтроллера БМЭ. 

Буферные усилители также осуществляют аналоговую низкочастотную фильтрацию 1 порядка.

При возникновении аварийных ситуаций (короткое замыкание, длительное импульсное перенапряжение) происходит резкое повышение величин токов относительно номинальных при текущих нагрузках в шлейфах.

ПО микроконтроллера в реальном времени производит анализ поступающих сигналов с датчиков тока по специальным алгоритмам во временно́й и спектральной области, и на основе полученных результатов принимает решение о наличии/отсутствии короткого замыкания в каждом контролируемом шлейфе. 

В случае обнаружения короткого замыкания в каком-либо шлейфе ПО микроконтроллера вырабатывает на шине управления сигнал выключения соответствующего автомата выключения электропитания, осуществляет фиксацию и индикацию номера повреждённого шлейфа, даты в формате «месяц-день-час-минута», а также формирует СМС-сообщение, отправляемое через GSM-модуль указанным в списке абонентам.

Время отклика системы при обнаружении короткого замыкания не превышает 4 мс, что на порядок быстрее времени реакции на это событие автоматов выключения электропитания и УЗО.

Описание основных положений алгоритма анализа сигналов представлено в разделе «Программное обеспечение».

Мониторинг обесточенных шлейфов

Алгоритм мониторинга в данном режиме состоит в следующем.

Шаг 1.

ПО микроконтроллера запускает генератор тест-сигнала и управляет работой двунаправленного коммутатора 4×1. Таким образом, тест-сигнал подключается к каждому шлейфу в своём временно́м слоте. Тест-сигнал имеет дли­тельность 1 секунду и частоту 100 Гц. Длительность каждого временно́го слота составляет 250 мс.

Подключение генератора к каждому шлейфу осуществляется следующим образом: тест-сигнал вводится в фазный провод, а общая шина БСЭ присоединяется к проводу «нейтраль» шлейфа. 

Общий выход коммутатора подключается к каналу 1 АЦП микроконтроллера через буферный усилитель Х1. Таким образом осуществляется контроль напряжения между фазным проводом и проводом «нейтраль» каждого шлейфа.

Шаг 2.

Через интервал времени, составляющий порядка 25% от длительности временно́го слота, ПО микроконтроллера включает АЦП канал 1 и считывает данные до момента окончания временно́го слота. Одновременно считываются данные с канала АЦП, подключённого к сенсору тока тестируемого в данный момент шлейфа.

Шаг 3.

После завершения процедуры генерации тест-сигнала ПО микроконтроллера по специальному алгоритму обрабатывает поступающие с каждого шлей­фа сигналы во временно́й и спектральной области, производит их анализ и на основе результатов принимает решение о наличии/отсутствии аварийных ситуаций «Короткое замыкание», «Обрыв» в каждом контролируемом шлейфе.

В случае обнаружения аварийной ситуации ПО микроконтроллера осуществляет фиксацию и индикацию вида аварии, номера шлейфа, даты в формате «месяц-день-час-минута», а также формирует СМС-сообщение, отправляемое через GSM-модуль указанным в списке абонентам.

Графики во временно́й и спектральной области для обесточенного шлейфа с типичной реактивной нагрузкой 1 Генри, 50 мкФ, резистивной нагрузкой 300 Ом в безаварийном режиме и режиме КЗ представлены на рис. 3 и 4 соответственно.

Рис. 3. Безаварийный режим работы

Рис. 4. Режим КЗ в шлейфе

Алгоритм анализа представлен в разделе «Программное обеспечение».

Электропитание БМЭ

При мониторинге в нормальном рабочем режиме электропитание осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц (модуль питания подключается к одному из шлейфов). При пропаже сетевого электропитания аппаратура БМЭ автоматически переходит на работу от встроенной АКБ. Модуль питания содержит встроенную схему подзарядки АКБ.

В режиме мониторинга при обесточенных шлейфах электропитание блока БМЭ осуществляется от встроенной АКБ. 

При длительности цикла тест-сигнала 1 с и скважности работы 2 раза в сутки период эксплуатации БМЭ в этом режиме составляет не менее 5 лет.

Нагрузочная способность генератора тест-сигнала по току должна составлять не менее 12 А.

Основные технические требования к узлам и компонентам БСЭ

1. Требования к сенсорам тока:

• бесконтактный метод измерения;
• диапазон измерения, не менее, 0–60 А;
• чувствительность, не менее, 40 мВ/А;
• полоса частот, не менее, 50 кГц;
• нелинейность передаточной харак­теристики, не более, 1%. 
  Указанным требованиям удовлетворяют недорогие бесконтактные датчики тока фирмы Saures (Китай).

2. Требования к усилителям:

• динамический диапазон, не менее, 86 дБ;
• полоса единичного усиления, не менее, 100 кГц;
• режим работы – микропотреб­ление.
  Данным требованиям соответст­вуют, например, счетверённые, недорогие корпус SO-14, микромощные Rail-to-Rail операционные усилители ввода-вывода MAX4044 компании Maxim.

3. Требования к АЦП микроконтроллера:

• разрядность, не менее, 12;
• нелинейность передаточной характеристики, не более, 0,5%.

4. Требования к микроконтроллеру:

• тактовая частота, не менее, 80 МГц;
• разрядность, 32 бита;
• наличие многоканального АЦП;
• наличие SPI-интерфейсов, не менее, 2;
• потребление в режиме «сон», не более, 1 мкА.
  Указанным выше требованиям 3, 4 соответствуют микроконтроллеры из модельного ряда STM32F303xxx компании ST Microelectronics.

5. Требования к АКБ:

• рабочее напряжение 12 В;
• отсутствие «эффекта памяти», что даёт возможность подзаряжать аккумулятор по мере необходимости;
• высокая удельная ёмкость;
• низкий уровень саморазряда – не более 3…5% в месяц;
• общая ёмкость, не менее, 5 А·ч;
• рабочий температурный диапазон –40...+50°С. 
  Указанным требованиям соответствуют литий-полимерные АКБ производства компании EEMB с индексом LC в конце наименования. Они сохраняют работоспособность при отрицательных температурах до –40°C. При этом значение ёмкости остаётся на уровне 70% от номинальной.

Программное обеспечение

Программное определение нештатной ситуации основано на сравнении характеристик колебаний тока или напряжения, снимаемых в процессе мониторинга, с характеристиками колебаний тока или напряжения, служащими эталоном и соответствующими нормальному режиму функционирования контролируемого оборудования. Эталонные значения колебаний формируются в результате обучения системы. Таким образом, в каждом из двух режимов работы БМЭ – нормальном рабочем режиме и в режиме мониторинга при обесточенных шлейфах – различаются два режима программного функционирования устройства: режим обучения и режим мониторинга. На этапе обучения происходит накопление и систематизация полученных данных.

При разработке ПО микроконтроллера учитывалось несколько важных требований.

Быстродействие системы

Определение аварийной ситуации и её предупреждение должны выполняться за минимальный интервал времени. Для этого в данной разработке применяются решения, позволяющие использовать возможности аппаратного ускорения операций, а также решения, гарантированно дающие нужный результат при возможности высокой оптимизации.

Автономность изделия

Система должна самостоятельно и без участия оператора выполнять весь цикл мониторинга. Для выполнения этого требования связь с клиентом поддерживается исходя из следующих принципов:

• запуск режима обучения происходит автоматически при подключении оборудования к устройству. Скважность режима обучения по отношению к режиму мониторинга уточняется в процессе опытной эксплуа­тации системы;
• мониторинг осуществляется на основе вырабатываемых внутренних критериев;
• обмен данными с клиентом выполняется только по инициативе клиента;
• информационные сигналы посылаются клиенту только при его подключении к изделию.

Универсальность решения

Программное обеспечение должно адаптироваться к широкому кругу задач автоматического контроля. Это достигается применением модульной архитектуры и созданием многофункциональных компонентов.

Алгоритм работы комплекса в части приёма и обработки сигналов приведён на рис. 5.

Рис. 5. Алгоритм приёма и обработки сигналов

Функционирование системы представляет собой бесконечный цикл. Каждая итерация состоит из трёх этапов. 

На первом этапе сигнал считывается и обрабатывается для последующего анализа. 

На втором этапе выполняется сам анализ сигнала. 

Третий этап включает в себя действия системы в зависимости от результатов анализа. Действия, выполняемые на третьем этапе, различаются в зависимости от программного режима функционирования (обучение или мониторинг).

При нормальном рабочем режиме считывание сигнала с датчика тока осуществляется в течение периода колебания в электросети 20 мс с дискретом 0,5 мс. Данные с датчика поступают в виде последовательности мгновенных значений напряжений, соответствующих мгновенным значениям тока в диагностируемом шлейфе. 

Внешний тест-сигнал не используется.

В режиме мониторинга при обесточенных шлейфах считывание сигнала с датчика напряжения осуществляется в каждом временно́м слоте длительностью 250 мс с дискретом 0,5 мс в период действия внешнего тест-сигнала (меандр частотой 100 Гц и длительностью 1 секунда). Данные с датчика поступают в виде последовательности мгновенных значений напряжений, соответствующих характеристикам нагрузок в диагностируемом шлейфе. 

Реализовано два различных метода анализа тока и напряжения: спектраль­ный и амплитудный. Каждый метод использует свой алгоритм подготовки данных для анализа.

Спектральный анализ основан на разложении колебаний тока в ряд Фурье. Значению амплитуды каждого среза A сопоставляется свой порядковый номер j. 

Расчёт немасштабированной амплитуды ДПФ для каждого значения частоты f выполняется по формуле

где F(f) – значение комплексной не­масштабированной амплитуды разложения Фурье для частоты f; N – количество срезов, на которые поделён сигнал.

Из полученных пар значений частота/амплитуда отбираются данные с амплитудными максимумами и подаются на вход анализатора.

Преимущества данного метода:

• полное описание сигнала вне зави­симости от его формы;
• независимость от начальной фазы сканирования сигнала.

Недостатки:

• времяёмкие вычисления, необходимые для ДПФ.

В амплитудном анализе используются амплитуды самих импульсов тока или напряжений. Для выравнивания импульсов по фазе отыскивается максимум значения тока в импульсе, и все срезы нумеруются от найденного максимума до конца и от начала до максимума исключительно. В каждой точке вычисляется производная сигнала по времени. 

Пары значений номер/производная подаются на вход анализатора.

Преимущества данного метода:

• отсутствие вычислений;
• независимость от начальной фазы сканирования сигнала при извест­ной форме сигнала.

Недостатки:

• определённые требования к форме импульсов.

На втором этапе пришедшие данные подготавливаются и анализируются на предмет совпадения с уже накопленной информацией. Анализатор построен на системе искусственного интеллекта, выполняющей классификацию входных импульсов. За основу такой системы взята семантическая сеть.

Семантическая сеть – это одна из форм хранения, представления и использования знаний, необходимых для решения поставленной задачи. Предметная область образована связанными между собой сущностями. Каждая сущность является узлом сети, а в роли нитей выступают связи между узлами. Принцип действия семантической сети основывается на агрегировании сущностей, сопутствующих друг другу. При этом решаются задачи синонимичности и значимости. Процесс группирования сущностей посредством связей называется обучением. Последующее распознавание предлагаемых объектов строится на поиске сохранённых сущностей с целью нахождения агрегации, наиболее близкой к распознаваемой. Такая структура данных имеет ряд недостатков, главными из которых яв­ля­ются отсутствие различий между сущностями и невозможность проведения аналитического анализа строящейся структуры.

Решение этих проблем заключается в присвоении сущностям ролей в группе. Для этого каждая связь между узлами сети наделяется своим смыслом (типом связи). Семантические сети с типизированными связями называются концептуальными графами [4]. Связи могут быть как логическими (в математическом понимании), так и онтологическими (смысловыми). Такие связи определяют отношения между сущностями [5].

Результатами обращения к системе, построенной на семантической сети, могут быть статусы завершения операций распознавания или выделение сущностей, соответствующих некоторым необходимым к выполнению командам.

Выбор в пользу семантической сети обусловлен следующими критериями:

• наглядностью представления храни­мой информации;
• масштабируемостью под встраивае­мые системы;
• возможностью оптимизации при небольшом количестве сущностей;
• контролируемостью процесса обучения.

Семантическая сеть, применённая в данном изделии, использует такие сущности, как «импульс», «срез» и их численные характеристики. Каждое отношение между узлами взаимно и представлено двунаправленной связью, описывающей характер данного отношения. Для оптимизации распознавания связи между сущностями носят иерархический характер.

Семантический анализатор получает входную порцию данных и выполняет её сопоставление с хранящейся информацией. Результат сопоставления возвращается в виде условного кода. 

Код возврата обрабатывается в соответствии с режимом «обучение/мониторинг».

На этапе обучения решаются вопросы идентификации импульсов: синонимичность сущностей и незначительность сущности для анализа. На этапе мониторинга определяется степень совпадения характеристик пришедшего сигнала с характеристиками, сохранёнными в сети.

Затем цикл повторяется.

Связь через Wi-Fi предполагается для получения сигнала на принудительное переключение режимов и отправку по запросу отчётной и диагностической информации, а также сообщений о возникновении нештатных ситуаций.

Выводы

Отличия предлагаемой системы мониторинга от существующих заключа­ются в следующем:

• мониторинг возникновения аварийных ситуаций в шлейфах электропроводки без каких-либо технологических доработок электророзеток или распредкоробок и без встраива­ния температурных сенсоров;
• осуществляется непрерывный мониторинг шлейфов электропроводки как в рабочем, так и в обесточенном режиме при временной консервации;
• время отклика системы мониторинга при обнаружении короткого замыкания не превышает 4 мс, что на порядок быстрее времени реакции на это событие автоматов выключения электропитания и УЗО. Тем самым предотвращается развитие аварийной ситуации, приводящей к возгоранию электро­проводки и поме­щения в целом;
• система мониторинга может быть интегрирована как в уже существующие на объектах схемы электроразводок, так и в процессе их капиталь­ного ремонта;
• предлагаемая система может быть интегрирована в уже имеющуюся на объекте систему «умный дом» и ис­поль­зовать её компоненты. ●

Литература

1. Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Ч. 4 // Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». 2015. № 6. С. 50–51.
2. Татарникова А.Н., Парфенова Н.А. Переходные процессы в электроэнергетичес­ких системах. Ч. 1: Электромагнитные пере­ход­ные процессы. Рубцовск, 2016. С. 26–30.
3. Правила Устройства Электроустановок (ПУЭ), актуальная версия на 2024 год // URL: https://en-res.ru/stati/puje-aktualnost.html.
4. Дальберг И. Организация знаний: её сфера и возможности // Организация знаний: проблемы и тенденции: программа и тез. докл. конф. Москва, 10–14 мая 1993 г.
5. Бабкин Э.А., Козырев О.Р., Куркина И.В. Принципы и алгоритмы искусственного интеллекта: монография. Н. Новгород: Нижегород. гос. техн. ун-т, 2006.

© СТА-ПРЕСС, 2024