Снижение пожарной опасности в индивидуальных жилых зданиях при несимметричной и нелинейной нагрузке
Аннотация
В статье рассмотрена возможность использования методов и технических средств для снижения риска возникновения пожароопасных ситуаций в индивидуальных жилых зданиях (ИЖЗ) из-за несбалансированных режимов, обусловленных несимметричной и нелинейной нагрузкой. Определены максимально допустимые значения тока в нейтральном проводнике внутренней электрической сети ИЖЗ и в четырехпроводной сети напряжением 0,4 кВ при различных температурных режимах. На основе фактических измерений параметров электрической энергии во внутренней электрической сети ИЖЗ проведено имитационное моделирование подключения разработанного балансирующего устройства к вводному распределительному устройству ИЖЗ. Проведен анализ эффективности использования балансирующего устройства с целью снижения риска возникновения пожара. Установлено, что использование балансирующего устройства позволяет уменьшить тепловые потери, которые могут вызывать опасность возникновения пожара в исследуемой электрической сети, более чем на 60 %. Полученные результаты могут представлять интерес для компаний, занимающихся проектированием и строительством ИЖЗ, а также для ученых, исследующих несбалансированные режимы работы низковольтных электрических сетей.
Литература
2. Федоринова Е.С. Совершенствование методов управления режимами работы низковольтных систем электроснабжения: дис. … канд. техн. наук. Иркутск, 2023, 152 с.
3. Минстрой России разработал законопроект по развитию индивидуального жилищного строительства [Электрон. ресурс], URL: https://www.minstroyrf.gov.ru/press/minstroy-rossii-razrabotal-zakonoproekt-po-razvitiyu-individualnogo-zhilishchnogo-stroitelstva/ (дата обращения 06.02.2025).
4. Козлова Ю.С. Оценка риска возникновения пожара от короткого замыкания при расследовании и экспертизе пожаров, вызванных аварийными режимами на воздушных линиях электропередачи. – ХХI век. Техносферная безопасность, 2021, т. 6, № 4, с. 363–368.
5. Седов Д.В. О роли противопожарной деятельности в управлении пожарными рисками с точки зрения регулирования. – Международный научно-исследовательский журнал. Охрана труда, пожарная и промышленная безопасность, 2025, № 1 (151).
6. Pay S.L. The Case of Overheated Transformers and Neutral Conductors 01.09.2008 [Электрон. ресурс], URL: https://www.ecmweb.com/power-quality-reliability/article/20888418/the-case-of-overheated-transformers-and-neutral-conductors (дата обращения 03.01.2025).
7. Naumov I.V. et al. Methods for Fire Risk Reduction in Residential Premises with the Help of Balancing Devices. – IPASJ International Journal of Electrical Engineering, 2017, vol. 5, No. 5, pp. 10–16.
8. Watson A.N., Benjamin A.K., Ariemie B. Reduction of harmonics in the Neutral Wire for 3-Phase 4-Wire Distribution Systems. – International Journal of Scientific Publications, 2022, vol. 12, iss. 3, pp. 288–299, DOI: 10.29322/IJSRP.12.03.2022. p12340.
9. Пат. RU 2789514 C1. Система защиты элементов электрической сети от перегрева / Б.Н. Зубов, В.Д. Купцов, 2023.
10. Shamiur Rahman M.D., Hossain M.J., Lu J. Coordinated Control of Three-Phase AC and DC Type EV–ESSs for Efficient Hybrid Microgrid Operations. – Energy Conversion and Management, 2016, vol. 122, pp. 488–503, DOI: 10.1016/j.enconman.2016.05.070.
11. RodrÍguez P. et al. Current Harmonics Cancellation in Three-Phase Four-Wire Systems by Using a Four-Branch Star Filtering Topology. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, vol. 24, No. 8, pp. 1939-1950, DOI: 10.1109/TPEL.2009.2017810.
12. Asna F.M.P., Kumar M.V. Neutral Current Compensation Using Three-Leg Inverter Based DSTATCOM Topologies. – 2nd International Conference on Intelligent Computing, Instrumentation and Control Technologies (ICICICT), 2019, pp. 94–100, DOI:10.1109/ICICICT46008.2019.8993216.
13. Karanki S.V. et al. A DSTATCOM Topology with Reduced DC-Link Voltage Rating for Load Compensation with Nonstiff Source. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, vol. 27, No. 3, pp. 1201–1211, DOI: 10.1109/TPEL.2011.2163946.
14. Gupta A., Jain D., Dahiya S. Neutral Current Compensation Techniques in Autonomous Wind Energy Sources. – International Journal of Energy and Environmental Engineering, 2014, vol. 5, pp. 357–363, DOI:10.1007/S40095-014-0134-0.
15. Ayoubi E. et al. Enhanced Controller for a Four-Leg Inverter Operating in a Stand-Alone Microgrid with Unbalanced Loads. – International Journal of Power Electronics and Drive Systems, 2021, vol. 12 (4), pp. 2372–2383, DOI: 10.11591/ijpeds.v12.i4.pp2372-2383.
16. Belitskiy A.A., Rastvorova I.I. Denisova O.V. Nonlinear and Unbalanced Load as a Basic Factor of a Neutral Conductor Current. – IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2018, DOI: 10.1109/EIConRus.2018.8317162.
17. Byerly J.M. et al. Real-Time Circuit Breaker Health Diagnostics. – 70th Annual Conference for Protective Relay Engineers (CPRE), 2019, DOI: 10.1109/CPRE.2017.8090047.
18. Xue Y. et al. Analysis on Failure Modes of Miniature Circuit Breaker. – IEEE International Conference on Power System Technology (POWERCON), 2016, DOI: 10.1109/POWERCON.2016.7753881.
19. Косоухов Ф.Д. Методы расчета и анализа показателей несимметрии токов и напряжений в сельских распределительных сетях. Л.: ЛСХИ, 1984, 42 с.
20. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2023684122 РФ. Программа "Unbalance -3" для расчета несбалансированных режимов работы низковольтных электрических сетей / И.В. Наумов, 2023.
21. Schneider Electric. Sizing the Neutral Conductor [Электрон. ресурс], URL: https://www.electrical-installation.org/enwiki/Sizing_the_neutral_conductor (дата обращения 30.01.2025).
22. Козловская В.Б., Калечиц В.Н. Учет влияния высоких гармоник при выборе поперечных сечений проводов линий наружного освещения. – Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ, 2017, т. 60, № 6, с. 544–557.
23. Chesterton T. The Cross-Section of the Wire for Electrical Wiring [Электрон. ресурс], URL: https://havethebestelectronics.com/17228469-cross-section-of-the-wire-when-installing-electrical-wiring (дата обращения 30.01.2025).
24. Stallcup J.Sr. Characteristics of the Neutral Conductor 01.09.2000 [Электрон. ресурс], URL: https://www.ecmweb.com/national-electrical-code/code-basics/article/20890526/characteristics-of-the-neutral-conductor (дата обращения 30.01.2025).
25. Radiation Heat Transfer. Blackbody Radiation [Электрон. ресурс], URL: https://www.nuclear-power.com/nuclear-engineering/heat-transfer/radiation-heat-transfer/ (дата обращения 09.01.2025).
26. Наумов И.В. Устройство по снижению потерь в электрических сетях с нелинейно-несимметричной нагрузкой. – Электричество, 2023, № 6, с. 57–66.
27. Кутявин И.Д., Лисецкий Н.В. Расчет фильтров токов прямой и обратной последовательностей. – Известия Томского ордена Трудового красного знамени, политехнического института имени С.М. Кирова, 1952, т. 72, с. 55–59.
28. Наумов И.В. Технологические предпосылки для оценки несбалансированных режимов работы компонентов низковольтных систем электроснабжения и способы минимизации последствий этих режимов. – Вестник Сибирского федерального университета. Техника и технологии, 2024, т. 17, № 6, с. 777–800.
29. ГОСТ IEC 61000-4-30-2017. Электромагнитная совместимость (ЭМС). Ч.4-30 Методы испытаний и измерений. Методы измерений качества электрической энергии. М.: Стандартинформ, 2020, 57 с.
#
1. CTIF. Center of Fire Statistics. World Fire Statistics (2024), No. 29, 96 p. [Electron. resource], URL: https://ctif.org/sites/default/files/2024-06/CTIF_Report29_ERG.pdf (Access on 02.01.2025).
2. Fedorinova E.S. Sovershenstvovanie metodov upravleniya rezhimami raboty nizkovol’tnyh sistem elektrosnabzheniya: dis. … kand. tehn. nauk (Improvement of Methods for Controlling the Operating Modes of Low-Voltage Power Supply Systems: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). Irkutsk, 2023, 152 p.
3. Minstroy Rossii razrabotal zakonoproekt po razvitiyu individual’nogo zhilishchnogo stroitel’stva (The Russian Ministry of Construction Has Drafted a Bill on the Development of Individual Housing Construction) [Electron. resource], URL: https://www.minstroyrf.gov.ru/press/minstroy-rossii-razrabotal-zakonoproekt-po-razvitiyu-individualnogo-zhilishchnogo-stroitelstva/ (Access on 06.02.2025).
4. Kozlova Yu.S. XXI vek. Tehnosfernaya bezopasnost’ – in Russ. (XXI Century. Technosphere Safety), 2021, vol. 6, No. 4, pp. 363–368.
5. Sedov D.V. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel’skiy zhurnal. Ohrana truda, pozharnaya i promyshlennaya bezopasnost’ – in Russ. (International Scientific Research Journal. Occupational Safety, Fire and Industrial Safety), 2025, No. 1 (151).
6. Pay S.L. The Case of Overheated Transformers and Neutral Conductors 01.09.2008 [Electron. resource], URL: https://www.ecmweb.com/power-quality-reliability/article/20888418/the-case-of-overheated-transformers-and-neutral-conductors (Access on 03.01.2025).
7. Naumov I.V. et al. Methods for Fire Risk Reduction in Residential Premises with the Help of Balancing Devices. – IPASJ International Journal of Electrical Engineering, 2017, vol. 5, No. 5, pp. 10–16.
8. Watson A.N., Benjamin A.K., Ariemie B. Reduction of harmonics in the Neutral Wire for 3-Phase 4-Wire Distribution Systems. – International Journal of Scientific Publications, 2022, vol. 12, iss. 3, pp. 288–299, DOI: 10.29322/IJSRP.12.03.2022. p12340.
9. Pat. RU 2789514 C1. Sistema zashchity elementov elektri-cheskoy seti ot peregreva (The System of Protection of Elements of the Electrical Network from Overheating) / B.N. Zubov, V.D. Kuptsov, 2023.
10. Shamiur Rahman M.D., Hossain M.J., Lu J. Coordinated Control of Three-Phase AC and DC Type EV–ESSs for Efficient Hybrid Microgrid Operations. – Energy Conversion and Management, 2016, vol. 122, pp. 488–503, DOI: 10.1016/j.enconman.2016.05.070.
11. RodrÍguez P. et al. Current Harmonics Cancellation in Three-Phase Four-Wire Systems by Using a Four-Branch Star Filtering Topology. – IEEE Transactions on Power Electronics, 2009, vol. 24, No. 8, pp. 1939-1950, DOI: 10.1109/TPEL.2009.2017810.
12. Asna F.M.P., Kumar M.V. Neutral Current Compensation Using Three-Leg Inverter Based DSTATCOM Topologies. – 2nd International Conference on Intelligent Computing, Instrumentation and Control Technologies (ICICICT), 2019, pp. 94–100, DOI:10.1109/ICICICT46008.2019.8993216.
13. Karanki S.V. et al. A DSTATCOM Topology with Reduced DC-Link Voltage Rating for Load Compensation with Nonstiff Source – IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, vol. 27, No. 3, pp. 1201–1211, DOI: 10.1109/TPEL.2011.2163946.
14. Gupta A., Jain D., Dahiya S. Neutral Current Compensation Techniques in Autonomous Wind Energy Sources. – International Journal of Energy and Environmental Engineering, 2014, vol. 5, pp. 357–363, DOI:10.1007/S40095-014-0134-0.
15. Ayoubi E. et al. Enhanced Controller for a Four-Leg Inverter Operating in a Stand-Alone Microgrid with Unbalanced Loads. – International Journal of Power Electronics and Drive Systems, 2021, vol. 12 (4), pp. 2372–2383, DOI: 10.11591/ijpeds.v12.i4.pp2372-2383.
16. Belitskiy A.A., Rastvorova I.I. Denisova O.V. Nonlinear and Unbalanced Load as a Basic Factor of a Neutral Conductor Current. – IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2018, DOI: 10.1109/EIConRus.2018.8317162.
17. Byerly J.M. et al. Real-Time Circuit Breaker Health Diagnostics. – 70th Annual Conference for Protective Relay Engineers (CPRE), 2019, DOI: 10.1109/CPRE.2017.8090047.
18. Xue Y. et al. Analysis on Failure Modes of Miniature Circuit Breaker. – IEEE International Conference on Power System Technology (POWERCON), 2016, DOI: 10.1109/POWERCON.2016.7753881.
19. Kosouhov F.D. Metody rascheta i analiza pokazateley nesimmetrii tokov i napryazheniy v sel’skih raspredelitel’nyh setyah (Calculation and Analysis Methods of Current and Voltage Asymmetry Indices in Rural Distribution Networks). L.: LSHI, 1984, 42 p.
20. Certificate of State Registration of the Computer Program No. 2023684122 RF. Programma "Unbalance-3" dlya rascheta nesbalansirovannyh rezhimov raboty nizkovol’tnyh elektricheskih setey (The "Unbalance-3" Program for Calculating Unbalanced Operating Modes of Low-Voltage Electric Networks) / I.V. Naumov, 2023.
21. Schneider Electric. Sizing the Neutral Conductor [Electron. resource], URL: https://www.electrical-installation.org/enwiki/Sizing_the_neutral_conductor (Access on 30.01.2025).
22. Kozlovskaya V.B., Kalechits V.N. Energetika. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy i energeticheskih ob’‘edineniy SNG – in Russ. (Energy. News of Higher Educational Institutions and Energy Associations of the CIS), 2017, vol. 60, No. 6, pp. 544–557.
23. Chesterton T. The Cross-Section of the Wire for Electrical Wiring [Electron. resource], URL: https://havethebestelectronics.com/17228469-cross-section-of-the-wire-when-installing-electrical-wiring (Access on 30.01.2025).
24. Stallcup J.Sr. Characteristics of the Neutral Conductor 01.09.2000 [Electron. resource], URL: https://www.ecmweb.com/national-electrical-code/code-basics/article/20890526/characteristics-of-the-neutral-conductor (Access on 30.01.2025).
25. Radiation Heat Transfer. Blackbody Radiation [Electron. resource], URL: https://www.nuclear-power.com/nuclear-engineering/heat-transfer/radiation-heat-transfer/ (Date of appeal 09.01.2025).
26. Naumov I.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 6, pp. 57–66.
27. Kutyavin I.D., Lisetskiy N.V. Izvestiya Tomskogo ordena Trudovogo krasnogo znameni, politehnicheskogo instituta imeni S.M. Kirova – in Russ. (Proceedings of the Tomsk Order of the Red Banner of Labor, Polytechnic Institute Named after S.M. Kirov), 1952, vol. 72, pp. 55–59.
28. Naumov I.V. Vestnik Sibirskogo federal’nogo universiteta. Tehnika i tehnologii – in Russ. (Bulletin of the Siberian Federal University. Machinery and Technology), 2024, vol. 17, No. 6, pp. 777–800.
29. GОSТ IEC 61000-4-30-2017. Elektromagnitnaya sovmesti-most' (EMS). CH.4-30 Metody ispytaniy i izmereniy. Metody izmereniy kachestva elektricheskoy energii (Electromagnetic Compatibility (EMC). Part 4-30: Testing and Measurement Techniques. Power Quality Measurement Methods). М.: Standartinform, 2020, 57 p