Слайд 1Санкт-Петербургский политехнический университет
Петра Великого
Институт компьютерных наук и технологиц
Кафедра «Системный
анализ и управление»
Симаков Игорь Павлович
Лекция на тему:
СИСТЕМНЫЙ
АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОЖАРОБЕЗОПАСНОСТИ АППАРАТУРЫ АВТОМАТИКИ И РАЗВИТИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ, МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
ДЛЯ ИХ РЕШЕНИЯ
Санкт-Петербург
Слайд 2
Цели и задачи исследований
1. Развитие математических моделей и
методов анализа физических и физико-химических процессов в электрических цепях систем
автоматики (контроля и управления) при возможных коротких замыканиях и перегрузках с выявлением закономерностей и условий возгорания электропроводок (в том числе в отдаленных от места возникновения дефектов помещениях).
2. Разработка теоретико-методологических основ для создания инженерной расчетной методики с программным обеспечением, позволяющей для схем любой сложности и конфигурации и выявить потенциально пожароопасные участки схемы и осуществить согласованный выбор типов и сечений проводников и устройств защиты (предохранителей и/или автоматических выключателей), исключающих возможность возгорания при полных и неполных КЗ и перегрузках.
3. Выработка предложений по совершенствованию средств защиты электрических цепей от возгораний при КЗ и перегрузках и принципам сверхраннего обнаружения предпосылок к возгоранию электропроводок и монтажа приборов.
Слайд 3
ПРЕДПОСЫЛКИ К ПОСТАНОВКЕ ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.Установлено, что причиной подавляющего числа
возгораний и пожаров является недостаточная теоретическая и экспериментальная проработка вопросов
организации защиты электропроводок, приборного монтажа аппаратуры автоматики и электрических цепей от токов К.З. и перегрузок, в том числе и при старении материалов.
2. Действующие НТД и принятые в них критерии по защите электрических цепей и согласованному выбору предохранителей (автоматов защиты) и сечений и марок проводов подвергаются хотя и резкой, но справедливой критике.
3. Проблема проектирования пожаробезопасной аппаратуры систем «упирается» прежде всего в отсутствие информации о токовременных характеристиках (ТВХ) проводов. Для предохранителей и автоматов защиты такие характеристики известны из ТУ, Паспортов и Руководств по эксплуатации.
4. Только совместный анализ ТВХ проводов и ТВХ ПР путем их наложения друг на друга позволит объективно оценить возможность возгорания изоляции и осуществить при проектировании грамотный выбор типов и сечений проводников и средств защиты.
5. Экспериментальное определение ТВХ проводов для всей номенклатуры проводов, сечений, материала оболочки (изоляции), внешних условий не может быть в принципе выполнено (и не только из-за необеспеченности финансированием).
6. Выход один – в разработке адекватных математических моделей для получения ТВХ проводов с проведение «разумного» числа экспериментов для определение небольшого числа параметров модели (в частности, коэффициентов теплообмена)
Слайд 4Содержательная постановка задачи
Токовременная характеристика проводника
Токовременная характеристика
предохранителя
Номинальный ток плавкой вставки
Рабочий
ток в электрической цепи
Ток(А)
Время(с)
Слайд 5Несколько «житейских» соображений:
Изоляция электропроводки и кабелей – неконтролируемый и неохраняемый
склад горючих материалов.
Удельная теплотворная способность, например, проводников с поливинилхлоридной изоляцией
= 7500 ккал/кг ( как и у АНТРОЦИТА !).
Проводники являются и источниками зажигания при К.З. и перегрузках, и горючим веществом. А с окислителем проблем нет.
4. Внешним признаком перегрузки кабельных изделий является их перегрев, приводящий к возможному зажиганию изоляции.
Слайд 6Пример стандарта
«Защита электрических цепей.
выбор предохранителей»
Критерием защищенности цепи
от токов короткого замыкания (к.з.)
принято неравенство
где
- расчетный ток короткого замыкания,
- номинальный ток плавкой вставки.
Слайд 7Электрическая цепь с последовательно включенными проводами различного сечения
Расчетный ток короткого
замыкания зависит от длины цепи, характера
замыкания и может иметь
различные значения (см. на графике значения
тока К.З.
,
,
Из графика видно, что провод «а» при любом токе К.З. перегорит раньше предохранителя, то есть его защита не обеспечивается, причем независимо от величины
.
Слайд 8
К постановке задач математической физики
Модель для расчета нестационарного температурного поля
в двухслойной конструкции системы «проводник – изолятор»
при К.З. и
перегрузках
Температуру плавления изоляции принимаем за ограничение как для адекватности моделей математической физики, так и для фиксации критических для возгорания изоляции температур (консервативная оценка) T1 (R1,t) = T2 (R1,t) < Tплавления изоляции
Слайд 9Математическая модель задачи
Слайд 10- коэффициент теплообмена для ПВХ
Слайд 11Теплофизические характеристики объекта исследования
(463-473)±10
Слайд 12Методы решения задачи
Метод собственных функций Фурье
Метод Гринберга
3.
Обобщенный метод Бубнова – Галеркина –Канторовича
Слайд 13Методы аналитического решения задачи
Метод собственных функций Фурье
Слайд 14Методы аналитического решения задачи
Метод Гринберга
Слайд 15Приближённые методы решения задачи
Недостатки метода Бубнова –Галеркина – Канторовича :
Свойство
оператора задачи учитывается конечным числом констант, координатные функции априорно заданы.
Координатные
функции должны удовлетворять. краевым условиям.
Краевые условия должны быть однородны.
Предлагаемый в работе метод устраняет (2),(3) недостатки.
Слайд 16Приближённые методы решения задачи
Метод по существу вариационный, но не требует
поиска порождающего функционала.
Слайд 17Вычислительные методы решения задачи
Общая идея метода
Уравнение
Граничные условия Начальные условия
Решение в
виде:
Слайд 18Вычислительные методы решения задачи
Общая идея метода
Вариация функционала невязки по
имеет вид
Слайд 19Вычислительные методы решения задачи
Общая идея метода
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ПРИВОДИТ
К
СЛЕДУЮЩЕМУ РЕЗУЛЬТАТУ – ПОЛУЧЕНИЮ СОДУ ДЛЯ Сi(t)
После интегрирования по частям
получим
Слайд 20Вычислительные методы решения задачи
Общая идея метода
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ПРИВОДИТ
К
СЛЕДУЮЩЕМУ РЕЗУЛЬТАТУ – ПОЛУЧЕНИЮ СОДУ ДЛЯ Сi(t)
Окончательное решение
После интегрирования получим
Слайд 21БАЗОВЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ТОКОВРЕМЕННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ
ПРОВОДНИКА С ИЗОЛЯЦИЕЙ
Слайд 22Исследование процессов нагрева неизолированного провода (пример)
Слайд 23Исследование процессов нагрева неизолированного провода (пример)
Теоретическая кривая
Экспериментальная кривая
Зависимость времени
нагрева алюминиевого провода
S=6 мм2 до температуры плавления жилы от
тока.
Ошибка 6.5%
Слайд 24Условия возгорания электропроводки для основных типов монтажных проводов
Слайд 25Условия возгорания электропроводки для основных типов монтажных проводов
Параметром, характеризующим
интенсивность воздействия на кабельные изделия токов К.З. или перегрузки, служит
коэффициент кратности сверх токов Kc:
Слайд 26Исследование процессов нагрева изолированного провода
Определим токовременные характеристики проводки --
зависимость времени нагрева токопроводящей жилы
до температуры 210 оС ((200+5%)
оС) от ожидаемого тока.
Температура 200 оС – данный токорежим допустим без вторичного использования изоляции (ПВХ) .
Вопросы выбора электропроводки сводятся к
Слайд 27Исследование процессов нагрева
изолированного провода
Токовременная характеристика провода марки ПВ-1
сечения 1.5 мм2
Слайд 28Токовременные характеристики провода и плавкой вставки
Исследование процессов нагрева изолированного
провода
Слайд 29Исследование процессов нагрева изолированного провода
Слайд 30Исследование процессов нагрева изолированного провода
Соответствие токовременных характеристик провода сечения
1.5 мм2 и его плавкого предохранителя.
Слайд 31Исследование процессов нагрева изолированного провода
Соответствие токовременных характеристик провода сечения
2.5 мм2 и его плавкого предохранителя.
Слайд 32Исследование процессов нагрева изолированного провода
Соответствие токовременных характеристик провода сечения
6 мм2 и его плавкого предохранителя
Слайд 33
Обобщение результатов
и определение дополнительных условий для надежной защиты
электропроводки
от токов перегрузки
Рабочая зона предохранителя:
Не рабочая зона:
Дополнительные условия
для надежной защиты должны учитывать нерабочую зону предохранителей
Слайд 34Заключение
1. Показана принципиальная возможность использования аппарата математической физики для расчета
токовременных характеристик проводников, знание которых крайне необходимо при проектировании для
безошибочного выбора сечений проводников и подбора устройств защиты с соответствующими параметрами, обеспечивающими исключение возгораний электропроводки при любых коротких замыканиях и перегрузках в сети.
2. Заложены основы для создания необходимого для решения в процессе проектирования проблемы пожаробезопасности систем программного обеспечения, а также системы автоматизированной экспертизы проектов систем с точки зрения их пожароопасностию.
3. Определены недостатки статических устройств защиты (плавких предохранителей), проведены расчеты, определяющие пожароопасность электропроводки, для проводов, часто применяемых при монтаже в жилых, промышленных помещениях.
4. Предложены дополнительные условия по выбору устройств защиты для полной безопасности проводки при аварийных режимах. Определенно направление развития устройств защиты.
“ Все прожекты зело исправны быть
должны,
дабы казну зряшно не разорять и отечеству
ущерба не чинить. Кто прожекты станет
абы как ляпать, того чина лишу и кнутом драть велю” драть велю” . Пётр I
«…тщательный анализ аварийных событий
свидетельствует о том, что центр тяжести
проблем лежит все-таки в области управления,
где человеческий фактор наиболее существен. Выясняется, что сами инструкции были либо не очень точны и не предусматривали, а в некоторых случаях и не могли предусмотреть правил поведения при возникновении нештатных режимов».
Академик Легасов Валерий Алексеевич
журнал «Коммунист» № 8 за 1987 г.,
статья «Проблемы безопасного развития техносферы»,
с. 92 – 101.
