СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ И ВРЕМЕНИ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ОТ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01D1/06 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технологиям с использованием электрооборудования, установленного на электрических станциях и подстанциях в системах производства, передачи и потребления электроэнергии, и может быть использовано во всех электроустановках, использующих цифровую обработку данных.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам обработки мгновенных значений результатов измерения переменных электрических сигналов, например токов низкой частоты до 1000 Гц, полученных с помощью цифровых приборов.

Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с. 97], так как может использоваться на всех электроустановках, оборудованных цифровыми амперметрами для получения оцифрованных мгновенных значений тока, и позволяет определить величину термического воздействие на проводники и электрические аппараты от тока короткого замыкания, которая необходима как для определения степени конкретного термического воздействия, так и определения их текущей и остаточной термической стойкости при будущих коротких замыканиях.

Определение величины и времени термического воздействия на проводники и электрические аппараты от тока короткого замыкания, приведенное в обширной технической литературе, базируется на «ГОСТ 30323-95 Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания. Переиздание. Август 2004 г. пп.3.1.1-3.1.8». Поэтому он выбран в качестве аналога. Признаком аналога, совпадающим с существенными признаками вариантов заявляемого способа, является только назначение.

Недостатком аналога, с точки зрения технического результата, является, во-первых, низкая точность, так как для расчета величины и времени термического воздействия приходится использовать не конкретные точные значения тока короткого замыкания и время его протекания, а некоторые вычисленные оценочные значения тока короткого замыкания в соответствии с указаниями на использование различных «исходных расчетных схем» и «расчетной продолжительности короткого замыкания в электроустановке».

Во-вторых, недостатком аналога является низкое быстродействие. Учитывая, что короткое замыкание практически может произойти в любой точке электрической цепи, имеющей конфигурацию любой сложности, то подобрать подходящую исходную расчетную схему для определения тока короткого замыкания, то есть схему, обеспечивающую наибольшую точность, можно только при наличии бесконечного банка исходных расчетных схем, что потребует бесконечное время расчета. Но даже и при имеющейся в наличии исходной расчетной схеме математические выражения с номерами от (35) до (49), приведенные в ГОСТ 30323-95, требуют большого числа неизвестных (и поэтому оценочных) параметров для определения периодической и апериодической составляющих тока короткого замыкания по непростым выражениям. Все эти расчеты требуют затрат времени.

В-третьих, недостатком аналога является высокая сложность вычислений, как это видно из математических выражений (35-49), приведенных в ГОСТ 30323-95.

В-четвертых, ГОСТ 30323-95 не учитывает постоянную составляющую тока короткого замыкания, которая, как и периодическая, и апериодическая составляющие, присутствуют в электрическом сигнале при аварийных режимах.

Наконец, в п. 1.1.5. читаем: «Расчетную продолжительность короткого замыкания при проверке проводников и электрических аппаратов на термическую стойкость следует определять путем сложения времени действия основной релейной защиты, в зону которой входят проверяемые проводники и электрические аппараты, и полного времени отключения соответствующего выключателя, а при проверке кабелей на невозгораемость - путем сложения времени действия резервной релейной защиты и полного времени отключения ближайшего к месту короткого замыкания выключателя. Согласно «ГОСТ Р 52565-2006 Выключатели переменного тока на напряжения от 3 до 750 кВ. Общие технические условия» полное время отключения - время с момента подачи команды на отключение до момента погасания дуги во всех фазах. Однако известно, например, «Чунихин А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М: Энергоатомиздат, 1988, с. 137-143.», что после погасания дуга может снова загореться. И это может повторяться несколько раз в зависимости от характера цепи. Таким образом, расчетная продолжительность короткого замыкания может не соответствовать точному действительному времени короткого замыкания, которое легко может быть полученное по результатам цифровых измерений.

Не представляется возможность выбрать прототип для заявляемого способа, так как среди существующих способов определения величины и времени термического воздействия от тока короткого замыкания не удалось найти способа, использующего оцифрованные мгновенное значение тока x(t_j) в момент времени t_j=t₁, t₂, …, t_N, где N - количество измерений в течение периода T, причем t_j+1=t_j+Δt, где Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала по времени.

Задачей изобретения является разработка простого, быстродействующего и точного способа определения величины и времени термического воздействия от тока короткого замыкания на основе измерения как мгновенных значений этого тока, так времени его действия. Способ ориентирован на получение данных от обычных цифровых измерительных приборов текущего значения тока и/или цифровых регистраторов аварийных процессов, без использования дополнительного энергозатратного и дорогостоящего оборудования. Это позволяет в эксплуатации получить следующие результаты:

- сократить временные затраты на определения величины и времени термического воздействия от тока короткого замыкания в эксплуатации;

- использовать точные значения величины термического воздействия от тока короткого замыкания и точного времени его действия для текущего контроля и прогноза состояния изоляции;

- использовать точные значения величины термического воздействия от тока короткого замыкания и точного времени его действия для оценки состояния контактов электрических коммутационных аппаратов;

- увеличить точность расчетов текущего значения величины и времени термического воздействия от тока короткого замыкания.

Достигаемый технический результат заявляемого изобретения, при определении величины и времени термического воздействия от тока короткого замыкания, в следующем:

- возможность постоянного мониторинга величины термического воздействия от тока короткого замыкания и точного времени его действия для всех электрических аппаратов с целью контроля их термической стойкости;

- увеличение быстродействия, так как все необходимые и точные данные для расчетов величины термического воздействия от тока короткого замыкания и точного времени его действия уже имеются в цифровом виде, а математические выражения для вычисления этих параметров согласно формуле предлагаемого изобретения содержат только операции сложения и умножения результатов измерения;

- повышение точности определения величины и времени термического воздействия от тока короткого замыкания и, как следствие, повышение качества управления электроэнергетическим объектом;

- отсутствие необходимости вычисления постоянной, периодической и апериодической составляющих тока короткого замыкания, так как все они уже присутствуют в оцифрованном мгновенном значении тока.

Технический результат достигается тем, что в формуле изобретения раскрыта техническая сущность способа определения величины и времени термического воздействия от тока короткого замыкания, возникшего в момент t₁, включающий измерение, фиксацию и оцифровку N раз в течение периода T и в каждый текущий момент времени t_j, j=1, 2, …, N, причем

где t_j+1 - последующий момент времени, с;

t_j - текущий момент времени, с;

Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала по времени, с,

текущего мгновенного значения тока короткого замыкания x_кз(t_i) в каждой фазе, осуществляют определение величины термического воздействия B_mер в каждой фазе по следующему математическому выражению:

где B_mер - величина термического воздействия от тока короткого замыкания в одной из фаз, А² с;

Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала по времени, с,

суммирование ведется по j от j=1, что соответствует моменту t₁ - времени возникновения тока короткого замыкания, до момента времени t_апв - времени завершения автоматического повторного включения, когда j=f(t_апв+1)N;

x_кз(t_i) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в текущий момент времени t_j, A;

x_кз(t_i+1) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в последующий момент времени t_j+1, A;

f - промышленная частота, Гц;

N - количество интервалов дискретизации,

а время термического воздействия t_кз при каждом j-м измерении нарастающим итогом монотонно увеличивается со значения t_кз=0, при j=1, на величину шага дискретизации сигнала по времени Δt, при условии что x_кз(t_j) - текущее мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе не равно нулю, и время термического воздействия t_кз остается неизменным, если x_кз(t_j) - текущее мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе равно нулю, таким образом, время термического воздействия t_кз для каждой из фаз определяется по следующему математическому выражению:

для всех j=1, 2, 3, …, f(t_апв+1)N,

где t_кз - время термического воздействия, с;

x_кз(t_i) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в текущий момент времени t_j, A;

Δt - шаг дискретизации сигнала по времени, с;

f - промышленная частота, Гц;

N - количество интервалов дискретизации.

Предлагаемый способ определения величины B_тер и времени t_кз термического воздействия от тока короткого замыкания основан на измерении оцифрованных мгновенных значений тока t_кз(t_j) в моменты времени t_j, где j=1, 2, …, N, N - число разбиений на периоде Т, Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала по времени.

Степень термического воздействия тока короткого замыкания на проводники и электрические аппараты согласно «ГОСТ 30323-95. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета электродинамического и термического действия тока короткого замыкания. Переиздание. Август 2004 г. пп. 3.1.1» определяется значением интеграла Джоуля (B_mер) в амперах в квадрате на секунду, то есть следующим математическим выражением

где $$x_{кз}^2\left(t\right)$$ - квадрат мгновенного значения тока короткого замыкания в произвольный момент времени t в течение диапазона интегрирования, А;

интегрирование ведется от момента t₁ - времени возникновения тока короткого замыкания, до t_откл - момента времени отключения, то есть до расчетной продолжительности КЗ в электроустановке, с.

В общем случае, текущее мгновенное значение тока короткого замыкания x_кз(t_i) в момент времени t_i аналитически может быть представлен одним из следующих шести математических выражений:

- в стационарном режиме при симметричной пофазной нагрузке описывается известным равенством

- при наличии X_П - постоянной составляющей, гармонический электрический сигнал перемещается параллельно оси абсцисс вверх или вниз в зависимости от знака и величины X_П, и выражение для этого сигнала имеет вид

- при наличии быстро протекающего переходного процесса, обусловленного коммутацией или критическими режимами (короткие замыкания, обрывы фаз) появляется либо аддитивная апериодическая составляющая, которая может быть или убывающей

- или возрастающей

либо мультипликативная апериодическая составляющая, которая также может быть или убывающей

- или возрастающей

где для всех шести формул, описывающих математический вид результатов измерения оцифрованных мгновенных значений тока короткого замыкания при цифровой обработке данных, приняты следующие обозначения:

x_кз(t_j) - результат измерения оцифрованных мгновенных значений тока в момент времени t_i, A,

X_m - амплитудное значение тока, А,

ω=2πf, - круговая частота, рад/с,

f - частота сигнала, Гц,

X_П - постоянная составляющая тока, А,

A_a↓· - начальное значение убывающей аддитивной апериодической составляющий тока, А,

τ_a↓ - постоянная времени затухания убывающей аддитивной апериодической составляющий тока, с^-1,

A_a↑· - начальное значение возрастающей аддитивной апериодической составляющий тока, А,

τ_a↑ - постоянная времени затухания возрастающей аддитивной апериодической составляющий тока, с^-1,

A_М↓· - начальное значение убывающей мультипликативной апериодической составляющий тока, А,

τ_М↓ - постоянная времени затухания убывающей мультипликативной апериодической составляющий тока, с^-1,

A_М↑· - начальное значение возрастающей мультипликативной апериодической составляющий тока, А,

τ_М↑ - постоянная времени затухания возрастающей мультипликативной апериодической составляющий тока, с^-1,

t_i=t₁, t₂, …, t_N - моменты времени, в которых осуществляются измерения сигнала, t_i+1=t_i+Δt, c,

Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала x(t_i) по времени, то есть в секундах, значение шага дискретизации в радианах равно 2π/N,

T - длительность периода, с,

N - число измерений тока в течение периода.

Таким образом, текущее мгновенное значение тока x_кз(t_i) в момент времени t_i по своей природе содержит все составляющие (постоянную, периодическую, апериодическую), если они имеют место в данной цепи. Это свойство мгновенного значения тока и не нужно специально определять эти составляющие.

Подставив текущие мгновенные значение тока x_кз(t_i) в выражение (1), записанное для вычисления интеграла при дискретных измерениях с шагом Δt (формула трапеций для вычисления интеграла, которая обеспечивает достаточную точность вычислений при относительной простоте окончательных выражений), получим математическое выражение, приведенное в формуле предлагаемого изобретения для определения величины термического воздействия тока

где B_mер - величина термического воздействия от тока короткого замыкания в одной из фаз, А² с;

Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала по времени, с,

суммирование ведется по j от j=1, то есть от момента t₁ - времени возникновения тока короткого замыкания, до момента времени t_апв - времени завершения автоматического повторного включения, то есть до j=f(t_апв+1)N;

x_кз(t_i) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в текущий момент времени t_j, A;

x_кз(t_i+1) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в последующий момент времени t_j+1, А;

f - промышленная частота, Гц;

N - количество интервалов дискретизации.

Сложность представляет определение реального времени t_кз термического воздействия от тока короткого замыкания, так как согласно исследованиям «Чунихин А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 137-143.» при коммутации дуга может гаснуть и загораться несколько раз в зависимости от характера цепи. В то время, когда дуга не горит и ток короткого замыкания не протекает, нет ни какого термического воздействия на проводники и электрические аппараты от тока короткого замыкания. Поэтому это время не нужно учитывать, и оно не учитывается в формуле предлагаемого изобретения.

При этом нужно учесть еще одно требование ГОСТ 30323-95, п. 1.1.5, которое звучит так: «При наличии устройств автоматического повторного включения цепи следует учитывать суммарное термическое действие тока короткого замыкания». Время в течение которого может произойти автоматическое повторное включения цепи, зависит от характера цепи и устанавливается релейными службами. Поэтому для вычисления степени термического воздействия тока короткого замыкания на проводники и электрические аппараты время вычисления требуется увеличить на одну секунду, для завершения всех переходных процессов, то есть сделать равным t_апв+1. Для перевода этого времени из секунд в число измерений оцифрованных мгновенных значений тока необходимо время умножить на промышленную частоту f, тем самым получим число периодов, а затем умножить на число измерений в периоде N - количество интервалов дискретизации. Таким образом, число измерений мгновенных значений тока составит f(t_апв+1)N.

Алгоритм вычисления времени термического воздействия t_кз можно описать следующим образом:

время термического воздействия t_кз при каждом j-м измерении нарастающим итогом монотонно увеличивается со значения t_кз=0, при j=1, на величину шага дискретизации сигнала по времени Δt, при условии что x_кз(t_j) - текущее мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе не равно нулю, и время термического воздействия t_кз остается неизменным, если x_кз(t_j) - текущее мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе равно нулю, таким образом, время термического воздействия t_кз для каждой из фаз определяется по следующему математическому выражению:

для всех j=1, 2, 3, …, f(t_апв+1)N,

где t_кз - время термического воздействия, с;

x_кз(t_i) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в текущий момент времени t_j А;

Δt - шаг дискретизации сигнала по времени, с;

f - промышленная частота, Гц;

N - количество интервалов дискретизации.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрооборудованию, установленному на электрических станциях и подстанциях в системах производства, передачи и потребления электроэнергии, и может быть использовано во всех электроустановках, использующих цифровую обработку данных. Технический результат: возможность быстро и точно определить величину и время термического воздействия на проводники и электрические аппараты от тока короткого замыкания путем фиксации мгновенных значений и вычисления по математическим выражениям, приведенным в формуле изобретения. Сущность: измеряют, фиксируют и оцифровывают N раз в течение периода T и в каждый текущий момент времени t_j текущее мгновенное значение тока короткого замыкания x_кз(t_i) в каждой фазе. Осуществляют определение величины термического воздействия В_тер в каждой фазе по выражению: где В_mер - величина термического воздействия от тока короткого замыкания в одной из фаз, А²с;

Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала по времени, с,

суммирование ведется по j от j=1, что соответствует моменту t₁ - времени возникновения тока короткого замыкания, до момента времени t_anв - времени завершения автоматического повторного включения, когда j=f(t_anв+1)N; х_кз(t_i) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в текущий момент времени t_j, А; x_кз(t_i+1) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в последующий момент времени t_j+1, А; f - промышленная частота, Гц; N - количество интервалов дискретизации. Время термического воздействия t_кз при каждом j-м измерении нарастающим итогом монотонно увеличивается со значения t_кз=0 на величину шага дискретизации сигнала по времени Δt, при условии что x_кз(t_j) - текущее мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе не равно нулю и определяется в соответствии со следующим выражением:

Способ определения величины и времени термического воздействия от тока короткого замыкания, возникшего в момент t₁, включающий измерение, фиксацию и оцифровку N раз в течение периода T и в каждый текущий момент времени t_j, j=1, 2,…, N, причем
t_j+1=t_j+Δt,
где t_j+1 - последующий момент времени, с;
t_j - текущий момент времени, с;
Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала по времени, с, текущего мгновенного значения тока короткого замыкания x_кз(t_i) в каждой фазе, осуществляют определение величины термического воздействия В_mер в каждой фазе по следующему математическому выражению:

где В_mер - величина термического воздействия от тока короткого замыкания в одной из фаз, А²с;
Δt=T/N - шаг дискретизации сигнала по времени, с,
суммирование ведется по j от j=1, что соответствует моменту t₁ - времени возникновения тока короткого замыкания, до момента времени t_anв - времени завершения автоматического повторного включения, когда j=f(t_anв+1)N;
х_кз(t_i) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в текущий момент времени t_j, А;
x_кз(t_i+1) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в последующий момент времени t_j+1, А;
f - промышленная частота, Гц;
N - количество интервалов дискретизации,
а время термического воздействия t_кз при каждом j-м измерении нарастающим итогом монотонно увеличивается со значения t_кз=0 на величину шага дискретизации сигнала по времени Δt, при условии что x_кз(t_j) - текущее мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе не равно нулю, и время термического воздействия t_кз остается неизменным, если x_кз(t_j) - текущее мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе равно нулю, таким образом, время термического воздействия для каждой из фаз определяется по следующему математическому выражению:

где t_кз - время термического воздействия, с;
x_кз(t_i) - мгновенное значение тока короткого замыкания в данной фазе в текущий момент времени t_j, А;
Δt - шаг дискретизации сигнала по времени, с;
f - промышленная частота, Гц;
N - количество интервалов дискретизации.