СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H02H5/04 B60M3/00 

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и предназначено для защиты от перегрузки проводов контактной сети и других электрических сетей.

При протекании по проводам тока в них выделяется тепло. В неблагоприятных условиях (высокая температура окружающей среды, большие величины токов и длительное время их протекания) температура провода может превысить длительно допустимое значение. Повышенная температура и длительность ее воздействия (т.е. два фактора) влияют на снижение механической прочности материала провода. При неблагоприятных условиях прочность провода может уменьшаться настолько, что он отжигается и разрывается, что приводит к аварии контактной сети или электрической линии. Для предотвращения подобных аварий и служит защита электрической сети от перегрузки.

Важное значение имеет точность ее работы, т.е. правильный выбор выдержки времени в зависимости от величины температуры провода. Если эта выдержка времени откажется больше допустимой, то возможны пережог проводов и авария линии. Если эта выдержка меньше допустимой, то это может привести к необоснованному отключению линии, прекращению подачи электроэнергии потребителям и нанесению им неоправданного ущерба.

Известно большое число технических решений, в которых измеряют температуру провода, преобразуют ее в электрический сигнал, сравнивают этот сигнал с эталонной величиной и при превышении формируют команду на отключение линии.

Недостатком такого способа защиты является отключении линии без выдержки времени, что приводит к снижению устойчивости электроснабжения потребителей. Объясняется это тем, что сам факт превышения температурой защищаемых проводов длительно допустимого значения еще не свидетельствует об опасной ситуации, поскольку для механической прочности имеет значение не только температура, но и длительность ее воздействия. В некоторых случаях повышенная температура не приводит к снижению прочности провода в течение 10-15 мин. За такое время перегрузка, как правило, снижается и отключения линии не требуется. Кроме того, за это время обслуживающий персонал или энергодиспетчер успевают принять меры по снижению перегрузки (включение параллельных линий, отключение части неответственных потребителей и т.п.) и отключения также не потребуется. Таким образом аналоги обладают низкими точностью работы и устойчивостью электроснабжения потребителей.

Известен способ для защиты контактной сети от перегрузки, при котором измеряют температуру провода, преобразуют ее в первый электрический сигнал, пропорциональный допустимому времени работы с измеренной температурой, фиксируют момент начала перегрузки, начиная с которого измеряют текущее время, преобразуют его во второй электрический сигнал, сравнивают с первым и при превышении формируют команду на отключение линии. Этот способ принят в качестве прототипа.

Недостатком способа-прототипа является то, что в нем не указана зависимость между температурой провода и допустимым временем работы с этой температурой, на основании которой формируется первый электрический сигнал. Поскольку эта зависимость неизвестна, то практическая реализация способа оказывается невозможной.

Целью изобретения является повышение точности работы и устойчивости электроснабжения потребителей.

Цель достигается тем, что в способе защиты электрической сети от перегрузки, при котором измеряют температуру провода, преобразовывают ее в первый электрический сигнал, пропорциональный допустимому времени работы с измеренной температурой, фиксируют момент начала перегрузки, начиная с которого измеряют текущее время, преобразуют его во второй электрический сигнал, сравнивают с первым и при превышении формируют команду на отключение, согласно изобретению, дополнительно определяют длительно допустимое значение температуры для защищаемых проводов, формируют третий электрический сигнал, пропорциональный разности измеренной и длительно допустимой температуры и формируют первый электрический сигнал, пропорциональный величине τ = B/(C + x²), где τ - значение первого электрического сигнала; В и С - постоянные электрические величины; х - величина дополнительного электрического сигнала.

Кроме того, постоянные В и С при разности времени в секундах имеют значения: для медных контактных проводов В = 2132, С = 107, для низколегированных контактных и медных многопроволочных проводов В = 1681, С = 84, для сталемерных многопроволочных проводов В = 948, С = 47,4, для алюминиевых и сталеалюминиевых многопроволочных проводов В = 421, С = 21 и с отключением от указанных значений не более ±10%.

Поскольку в предлагаемый способ включены новые операции (определение длительно допустимого тока и формирование дополнительного электрического сигнала), а также даны количественные признаки, отсутствовавшие в прототипе, то предложенное техническое решение соответствует критерию "Новизна".

При анализе отечественных и зарубежных источников информации не обнаружено способов или устройств, реализующих способы, в которых использовались бы операции, заявленные в качестве отличительных признаков изобретения, и приведенные количественные признаки, поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия".

В соответствии с указанными выше предлагаемый способ защиты реализует время-температурную характеристику срабатывания, имеющую вид:
τ = = , (1) где τ - допустимая выдержка времени; A,B,C, a,b - постоянные коэффициенты; t - измеренная температура провода; t_g - длительно допустимая температура провода; B = A/b, C = a/B, x = (t - t_g)².

Доказательство (обоснование) точности приведенной время-температурной характеристики (1) приведено в приложении. Разброс численных значений указанных коэффициентов не более 10% обусловлен нормальным значением коэффициента надежности для релейной защиты, минимальное значение которого для электрических сетей равно 1,1.

Известно большое число устройств, которые контролируют температуру защищаемого объекта (контактная сеть, провода электрической сети, электрическая машина и т.д.) с помощью температурного датчика, устанавливаемого непосредственно на защищаемый объект. В этих устройствах команда на отключение защищаемого объекта от источника его питания осуществляется сразу, как только температура объекта превысит заданное значение.

Недостатком таких устройств является немедленное отключение линии, без выдержки времени, т.е. снижение надежности электроснабжения потребителей.

Известно устройство для защиты контактной сети от перегрева током, в котором выдержка времени зависит от температуры. Это устройство принято в качестве прототипа. Оно содержит датчик температуры провода защищаемой сети, пороговый элемент, счетчик числа импульсов, логический элемент НЕ, элемент выдержки времени, первый выходной орган. Формирование выдержки времени на отключение сети в зависимости от температуры провода осуществляется функциональным преобразователем температуры.

Недостатками прототипа являются следующие. Не указана зависимость, связывающая величину выдержки времени с температурой провода, и не известны технические средства реализации функционального преобразователя. Для проводов разных конструкций, сечений, выполненных из разных материалов, необходимы разные зависимости выдержки времени от температуры, а в прототипе отсутствуют элементы, позволяющие изменить указанную зависимость применительно к конкретным проводам. В прототипе отсутствуют элементы, фиксирующие начало перегрузки, что не позволяет своевременно принять меры по ликвидации перегрузки и повышению устойчивости электроснабжения потребителей. В прототипе не предусмотрены меры по запрету неоправданно быстрого повторного включения отключившейся от перегрузки линии. Все высоковольтные электрические линии оборудованы устойчивыми автоматического повторного включения, которое осуществляется через несколько секунд после отключения защитой. Однако за такое короткое время провод остыть не успевает, поскольку постоянная времени проводов контактной сети и электрических сетей достигает 10 мин. Поэтому быстрое повторное включение не неостывший провод, сопровождающееся большими бросками тока, является опасным из-за возможности его пережога. Таким образом прототип не обеспечивает необходимой точности работы и устойчивости электроснабжения.

Цель достигается тем, что в устройстве для защиты электрической сети от перегрузки, содержащем датчик температуры провода защищаемой сети, пороговый элемент, счетчик числа импульсов, логический элемент НЕ, элемент выдержки времени, первый выходной орган, согласно изобретению, в него дополнительно введены первый и второй сумматоры, квадратор, преобразователь напряжения в частоту, повторитель положения первого выходного органа, первый, второй, третий и четвертый блоки регулируемого коэффициента, источник эталонного напряжения и второй выходной орган, при этом к датчику температуры подключены входы первого и второго пороговых элементов и первый вход первого сумматора, второй вход которого через первый блок регулируемого коэффициента подключен к источнику эталонного напряжения, а выход через последовательно соединенные квадратор и второй блок регулируемого коэффициента присоединен к первому входу второго сумматора, второй вход которого через третий блок регулируемого коэффициента присоединен к источнику эталонного напряжения, а выход через последовательно соединенные четвертый блок регулируемого коэффициента и преобразователь напряжения в частоту присоединен к входу счетчика импульсов, выход переноса которого присоединен к первому входу триггера, выход которого подключен к первому выходному органу, повторитель которого через элемент выдержки времени подключен к второму входу триггера, выход порогового элемента присоединен к второму выходному органу и через логический элемент НЕ к входу сброса счетчиков импульсов.

Изобретение отличается от прототипа введением первого и второго сумматоров, квадратора, преобразователя напряжения в частицу, триггера, повторителя положения первого выходного органа, четырех блоков регулируемого коэффициента, источника эталонного напряжения и второго выходного органа. Это отличие обуславливает соответствие критерию "Новизна".

В изобретении используются известные типовые элементы аналоговой и цифровой техники, однако их совокупность и связи между ними обеспечивают появление новых свойств, не совпадающих со свойствами известных решений. К этим свойствам относятся: новая зависимость между температурой провода и допустимой выдержкой времени, блокирование неоправданно быстрых повторных включений, опасных для прочности провода, сигнализация о начале перегрузки. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "Существенные отличия".

На чертеже приведена функциональная схема предложенного технического решения.

На схеме приняты следующие обозначения:
1 - источник эталонного напряжения;
2,3,7,9 - блоки регулируемого коэффициента;
4 - датчик температуры провода;
5,8 - сумматоры;
6 - квадратор;
10 - преобразователь напряжения в частоту;
11 - счетчик числа импульсов;
12 - триггер;
13 - первый выходной орган;
14 - пороговый элемент;
15 - логический элемент НЕ;
16 - повторитель положения первого выходного органа;
17 - элемент выдержки времени;
18 - второй выходной орган.

В предложенном техническом решении реализуется зависимость между допустимой выдержкой времени и температурой, которая имеет вид:
τ = , (1) где τ - допустимая выдержка времени;
A,a,b - постоянные;
t - температура провода;
t_g - длительно допустимая температура провода.

Источник 1 эталонного напряжения через блоки 2 и 3 регулируемого коэффициента присоединен к одному из входов сумматоров 5 и 8 соответственно. Датчик 4 температуры присоединен к второму входу сумматора 5, к пороговому элементу 14 и органу 18. Выход сумматора 5 через квадратор и блок 7 регулируемого коэффициента подключен к второму входу сумматора 8. Выход сумматора 8 через блок 9 регулируемого коэффициента и преобразователь 10 напряжения в частоту подключен к входу счетчика 11 импульсов. Выход переноса счетчика 11 присоединен к первому входу триггера 12, а выход которого присоединен к первому выходному органу 13. Второй вход триггера 12 через элемент 17 задержки времени подключен к повторителю 16 положения первого выходного органа. Пороговый элемент 14 подключен к входу второго выходного органа 18 и через логический элемент НЕ 15 к входу сброса счетчика 11 импульсов.

Напряжение на выходе блока 2 равно U₂ = K₂, где K₂ - постоянная регулируемая величина. Напряжение на выходе датчика 4 температуры пропорционально U₄ = t, где t температура контролируемого провода. Напряжение на выходе сумматора 5 пропорционально U₅ = t - K₂, на выходе квадратора 6 пропорционально U₆ = (t - K₂)², а на выходе блока 7 оно равно U₇ = K₇ х (t - K₂)², где К₇ - постоянная регулируемая величина. Напряжение на выходе блока 3 равно U₃ = K₃, где К₃ - постоянная регулируемая величина. На выходе сумматора 8 напряжение равно U8 = =U₃ + U₇ = K₃ + K₇(t - K₂)², а на выходе блока 9 равно U₉ = K₉U₈ = K₉[K₃ + K₇(t - K₂)²], где К₉ - постоянная, регулируемая величина. Частота на выходе преобразователя 10 равна f = mU₉ = mK₉[K₃ + K₇(t - K₂)²], где m - коэффициент преобразования (постоянная величина).

П р и м е р. Датчик 4 температуры может быть выполнен в виде температур сопротивления, термопары, термодиода, терморезистора и т.п. Блоки 2,3,7,9 регулируемого коэффициента выполняются в виде операционного усилителя с регулируемой обратной связью либо потенциометра. Источник 1 эталонного напряжения выполняется в виде стабилизатора напряжения, в том числе и интегрального исполнения. Выходные органы 13 и 18 выполнены в виде типовых контактных или бесконтактных выходных органов релейной защиты. Повторитель 16 положения выходного органа 13 может быть выполнен в виде вспомогательных контактов этого органа или в виде контактов реле-повторителя. Все остальные элементы (фиг.1) являются типовыми элементами цифровой и аналоговой электроники.

Устройство работает следующим образом.

Как только температура контролируемого провода превысит длительно допустимое значение, срабатывает пороговый элемент 14, который включает второй выходной орган 18 для сигнализации о начале перегрузки. Одновременно, при срабатывании порогового органа, через логический элемент НЕ 15 снимается блокировка со счетчика 11 и на вход последнего начинают поступать импульсы с выхода преобразователя 10 напряжения в частоту. Частота этих импульсов равна f = K₉[K₃ + K₇(t - K₂)²], где t - температура контролируемого провода; K₂, K₃, K₇, K₉ - постоянные регулируемые коэффициенты. Через время τ = N/f, где N - емкость счетчика 11, на выходе переноса органа 13 появляется сигнал, который переключает триггер 12. Переключение триггера вызывает срабатывание выходного органа 13 и отключение сети. С момента начала перегрузки и до момента отключения сети проходит время:
τ = = . (2)
Обозначают
A = N/K₉, a = K₃, b = K₇, t_g = K₂.

В этом случае получают вместо (2) выражение (1), что соответствует постоянной задаче. Для проводов из разных металлов, разного сечения необходимы разные численные значения a, b, t_g. Регулировка этих значений осуществляется независимо друг от друга блоками 2,3,7 регулируемых коэффициентов. Для разных конструкций счетчиков, имеющих различные значения емкости N, требуется одинаковое значение А (если τ измеряют в секундах, то А = 1200, если в минутах, то А = 20). Требуемая регулировка осуществляется блоком 9.

После отключения сети температура t проводов снижается. Как только она станет меньше длительно допустимого значения t_g, пороговый элемент 14 возвращается в исходное положение и через логический элемент НЕ 15 сбрасывает содержимое счетчика 11 в нуль. В момент срабатывания порогового органа 13 его повторитель 16 переключается и запускает элемент 17 выдержки времени. Через заданное время элемент 17 переключается и переключает триггер 12 в первоначальное положение. После этого все устройство снова готово к работе. В течение выдержки времени пока триггер 12 не переключился, выходной орган находится в сработанном состоянии, т.е. подает команду на отключение выключателя сети. Поэтому в течение этого времени сеть повторно включить нельзя.

Технико-экономическая эффективность заключается в обеспечении точной работы защиты применительно к проводам разных конструкций, сечений и из разного материала, что предотвращает возможные пережоги проводов сети при перегрузках и расширяет область применения. Кроме того, устройство исключает необоснованные отключения линии при кратковременной перегрузке, при которой провода не успевают перегреться. А это повышает надежность и устойчивость электроснабжения потребителей.

Использование: электрифицированный транспорт и предназначено для защиты от перегрузки проводов контактной сети и других электрических сетей. Сущность изобретения: в способе измеряют температуру провода, преобразуют ее в первый электрический сигнал, пропорциональный величине τ = B/[C+(t-t_д)²] , где τ - допустимая выдержка времени; t - температура провода; t_д - длительно допустимая температура провода; B и C - постоянные. Формируют второй электрический сигнал, пропорциональный времени от момента начала перегрузки, сравнивают с первым и при превышении формируют команду на отключение панели. Устройство содержит датчик температуры, пороговый элемент, счетчик числа импульсов, логический элемент НЕ, элемент выдержки времени и первый выходной орган. Новым является введение первого и второго сумматоров, квадратора, преобразователя напряжения в частоту, триггера, повторителя положения первого выходного органа, четырех блоков регулируемого коэффициента, источника эталонного напряжения и второго выходного органа. Осуществляется сигнализация о начале перегрузки, предусмотрен запрет повторного включения сети на неостывшие провода. Приведены значения постоянных B и C. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ защиты электрической сети от перегрузки, при котором измеряют температуру провода, преобразовывают ее в первый электрический сигнал, пропорциональный допустимому времени работы с измеренной температурой, фиксируют момент начала перегрузки, начиная с которого измеряют текущее время, преобразуют его во второй электрический сигнал, сравнивают с первым и при превышении формируют команду на отключение, отличающийся тем, что дополнительно определяют значение длительно допустимой температуры провода, формируют третий электрический сигнал, пропорциональный разности измеренной и длительно допустимой температур, и формируют первый электрический сигнал, пропорциональный величине τ = B / ( C + X²) , где τ - значение выдержки времени, пропорциональное первому электрическому сигналу, X - величина, пропорциональная третьему электрическому сигналу, B и C - постоянные величины, при размерности времени в секундах имеющие значения: для медных контактных проводов B= 2182, C=107, для низколегированных контактных и медных многопроволочных проводов B=1681, C=84, для алюминиевых и сталеалюминиевых многопроволочных проводов B= 421, C=21, для сталемедных многопроволочных проводов B=948, C=47,4 с отклонением указанных значений не более 10%. 2. Устройство защиты электрической сети от перегрузки, содержащее датчик температуры, пороговый элемент, счетчик числа импульсов, логический элемент НЕ, элемент выдержки времени и первый выходной орган, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый и второй сумматоры, квадратор, преобразователь напряжения в частоту, триггер, повторитель положения первого выходного органа, первый, второй, третий и четвертый блоки регулируемого коэффициента, источник эталонного напряжения и второй выходной орган, при этом к датчику температуры подключены входы порогового элемента и первый вход первого сумматора, второй вход которого через первый блок регулируемого коэффициента подключен к источнику эталонного напряжения, а выход через последовательно соединенные квадратор и второй блок регулируемого коэффициента присоединен к первому входу второго сумматора, второй вход которого через третий блок регулируемого коэффициента присоединен к источнику эталонного напряжения, а выход через последовательно соединенные четвертый блок регулируемого коэффициента и преобразователь напряжения в частоту присоединен к входу счетчика импульсов, выход переноса которого присоединен к первому входу триггера, выход которого подключен к первому выходному органу, повторитель которого через элемент выдержки времени подключен к второму входу триггера, выход порогового элемента присоединен к второму выходному органу, и через логический элемент НЕ, подключен к выходу сброса счетчика импульсов.