СПОСОБ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ОТ ПЕРЕГРЕВА Российский патент 2016 года по МПК H02H5/04 H02H6/00 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к средствам защиты электроустановок от перегрева токами.

В электротехнике широко известен алгоритм действия теплового реле [1]. Основа этого реле - тепловой аналог защищаемого объекта, на вход которого подается сигнал, пропорциональный току контролируемого объекта. Путем физического моделирования процессов нагрева и охлаждения с помощью теплового аналога определяется температура электродвигателя. Полученное таким образом значение температуры сравнивается с установленным допустимым значением, и, в случае превышения им допустимого уровня, формируется сигнал на отключение или разгрузку электроустановки.

Точность моделирования процессов нагрева и охлаждения этим тепловым аналогом очень низка, т.к. многие критерии подобия электромеханической модели нагрева и защищаемого объекта реализовать очень трудно, а некоторые - невозможно.

Это связано, в основном, с тем, что постоянные времени нагрева и охлаждения биметаллических элементов тепловых реле существенно отличаются от постоянных времени нагрева и охлаждения электроустановок.

Поэтому тепловые реле пригодны для выявления только грубых отклонений состояния защищаемого объекта от нормального, причем тех, которые сопровождаются значительным повышением тока.

Известен способ защиты электроустановки от перегрева на основе теплового аналога электроустановки, при котором с целью повышения точности моделирования тепловые процессы моделируют с помощью электрических цепей и сигналов [2].

Но этим нельзя достичь высокой степени адекватности модели и реального процесса из-за невозможности учесть в модели изменения параметров контролируемого объекта под воздействием окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности решением является способ, при котором совместно используются прямые и косвенные методы контроля температуры, основанные на математическом моделировании процессов нагрева электрических машин [3].

При этом способе измеряют ток электроустановки, по измеренному току и по модели нагрева-остывания вычисляют превышение температуры обмотки электроустановки над температурой окружающей среды, измеряют температуру окружающей среды, вычисляют абсолютное значение температуры обмотки, вычисленное абсолютное значение температуры обмотки сравнивают с допустимым значением, если абсолютное значение температуры обмотки превышает допустимое значение, то формируют соответствующий информационный сигнал и управляющий сигнал на разгрузку или отключение электроустановки.

Недостатком известного способа является низкая точность определения температуры по модели нагрева электроустановки.

Это обусловлено низкой точностью параметров модели нагрева. Параметры модели определяются многими конструктивными факторами и условиями окружающей среды, которые трудно учесть при расчетах.

Целью предложенного изобретения является повышение точности тепловой защиты электроустановки за счет корректировки параметров модели нагрева применительно к условиям эксплуатации защищаемой электроустановки.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе защиты электроустановки от перегрева, заключающемся в том, что измеряют ток электроустановки, по измеренному току и по модели нагрева-остывания вычисляют превышение температуры обмотки электроустановки над температурой окружающей среды, измеряют температуру окружающей среды, вычисляют абсолютное значение температуры обмотки, вычисленное абсолютное значение температуры обмотки сравнивают с допустимым значением, если абсолютное значение температуры обмотки превышает допустимое значение, то формируют соответствующий информационный сигнал и управляющий сигнал на разгрузку или отключение электроустановки, дополнительно измеряют температуру в доступной для измерения точке электроустановки, по измеренному току и по модели нагрева-остывания вычисляют температуру для точки электроустановки, в которой измерялась температура, определяют рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры, по полученному рассогласованию значений температур корректируют параметры модели нагрева до ликвидации рассогласования.

При этом, при нагревании если рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры положительное (вычисленная температура больше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени нагрева электроустановки увеличивают, если рассогласование отрицательное (вычисленная температура меньше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени нагрева уменьшают, при остывании если рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры положительное (вычисленная температура больше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени остывания электроустановки уменьшают, если рассогласование отрицательное (вычисленная температура меньше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени остывания увеличивают.

Причем постоянную времени нагрева и постоянную времени остывания электроустановки при корректировке изменяют пропорционально рассогласованию, чем больше величина рассогласования, тем больше изменяют постоянную времени, если рассогласование нулевое, то постоянную времени оставляют без изменения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ защиты электроустановки от перегрева.

Схема содержит: контролируемую электроустановку (электродвигатель), которая подключена к питающей сети через кабельную линию, трансформатор тока и выключатель, «модель нагрева-остывания», блок «корректировка параметров модели нагрева-остывания», датчики «температура окружающей среды» и «температура двигателя», блок «формирование сигналов».

На фиг. 2 приведена диаграмма изменения температуры нагрева электродвигателя, полученной косвенным и непосредственным измерением.

Предложенный способ защиты электроустановки от перегрева может быть реализован, например, применительно к асинхронному электродвигателю следующим образом.

Потери, неизбежно возникающие в электроустановке (электродвигателе, трансформаторе, реакторе, резисторе и др.) в процессе работы, преобразуются в теплоту. Следовательно, машина нагревается относительно окружающей среды. А наиболее уязвимый элемент - изоляция, расположена в непосредственной близости к источнику тепла - проводнику обмотки.

Потери находятся в сложной взаимосвязи и зависят от многих факторов. Поэтому строгое решение задачи косвенного определения температуры обмотки или токоведущей части получить очень трудно, а в большинстве случаев и невозможно. В связи с этим, с целью получения результатов с приемлемой для релейной защиты точностью пользуются упрощениями и допущениями.

Поскольку потери в стали асинхронной машины определяются, в основном, уровнем напряжения питания и мало зависят от режима работы двигателя, то их можно считать постоянной величиной. Потери на трение и другие потери в большинстве случаев много меньше потерь в обмотках машины. Поэтому ими также можно пренебречь.

Учитывая еще и ряд других корректных для релейной защиты допущений, нагрев электрической машины представляют уравнением теплового баланса:

ΔPdt=αFTdt+cGdT,

где ΔР - активная мощность, выделяющаяся в обмотке; α - коэффициент теплоотдачи; F - площадь поверхности обмотки; Т - превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды; с - удельная теплоемкость обмотки; G - масса обмотки.

Первое слагаемое в правой части уравнения определяет энергию, отводимую от обмотки через ее поверхность. Второе слагаемое - тепловую энергию, которая расходуется на изменение температуры обмотки.

Энергия, выделяющаяся в обмотке за время dt, определяется электрическими потерями в ней:

$$\Delta Pdt=I_1^{2}rdt$$ ,

где I₁ - ток в обмотке статора; r - активное сопротивление обмотки.

Решение этого уравнения имеет вид:

Здесь Т_НАЧ и Т_У - начальное и установившееся значения превышения температуры обмотки; τ=cG/αF - постоянная времени нагрева обмотки; установившаяся температура $$T_{У}=\frac{\Delta P}{\alpha F}$$ .

Таким образом, кривая нагрева обмотки представляет собой экспоненту, начало которой соответствует начальному превышению температуры обмотки Т_НАЧ над температурой окружающей среды.

Абсолютная температура обмотки (Т_АБС) равна сумме превышения температуры обмотки над температурой окружающей среды (Т) и температуры окружающей среды (Т_ОКР):

Т_АБС=Т+Т_ОКР.

С помощью датчиков непосредственно измерить температуру обмотки и слоев изоляции, прилегающих к проводникам обмотки, невозможно из-за необходимости обеспечить электрическую изоляцию этих датчиков и проводников обмотки. В связи с этим обстоятельством температуру измеряют с помощью датчиков в других точках (например, на поверхности корпуса), где возможно измерение температуры с помощью датчиков, но которые отделены от проводника обмотки некоторым тепловым сопротивлением (тепловой изоляцией).

Модель нагрева-остывания электродвигателя строится с двумя выходами таким образом, что вычисляется значение температуры на поверхности электродвигателя (в месте установки датчика) и значение температуры проводника обмотки.

Точность модели нагрева-остывания во многом определяется постоянной времени нагрева. Она, в свою очередь, зависит от параметров, которые трудно определить расчетным путем и которые могут изменяться в процессе работы электродвигателя. Корректировка (изменение) постоянной времени по отклонению вычисленного значения температуры от действительного значения температуры на поверхности электродвигателя позволяет приближать процессы в модели к реальным процессам нагрева электродвигателя.

В определенные моменты времени измеряют температуру в определенной точке электродвигателя и производят вычисление температуры в этой же точке при исходном значении постоянной времени нагрева. Сравнивают полученные значения. Если при нагреве рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры положительное (вычисленная температура больше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени нагрева электроустановки увеличивают и процесс нагрева в модели идет медленнее (приращения температуры становятся меньше). Если рассогласование отрицательное (вычисленная температура меньше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени нагрева уменьшают и далее процесс нагрева в модели идет быстрее (приращения температуры за единицу времени становятся больше).

При остывании если рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры положительное (вычисленная температура больше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени остывания электроустановки уменьшают, если рассогласование отрицательное (вычисленная температура меньше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени остывания увеличивают.

Причем постоянную времени нагрева электроустановки при корректировке изменяют пропорционально рассогласованию, чем больше величина рассогласования, тем больше изменяют постоянную времени нагрева.

Таким образом, с течением времени при некотором значении постоянной времени нагрева процессы нагрева или охлаждения в модели и в реальном объекте совпадают (с определенной погрешностью).

Вместе с вычислением температуры в контрольной точке, где производится измерение температуры, используя текущее значение постоянной времени нагрева, вычисляют температуру проводников обмотки и прилегающих к ней слоев изоляции. Если вычисленная температура обмотки превысила допустимое значение, то формируют соответствующий информационный сигнал и сигнал на отключение или разгрузку защищаемого объекта.

Благодаря корректировке параметров модели нагрева-остывания по разности между вычисленной и измеренной температурами достигается повышение степени адекватности модели и реального процесса. В свою очередь, повышение точности модели повышает точность вычисления температуры обмотки и прилегающих слоев изоляции. Это повышает точность работы защиты от перегрева в целом и позволяет, с одной стороны, более полно использовать перегрузочные возможности защищаемых объектов, а с другой стороны, не допускать их чрезмерного перегрева и последующего повреждения.

Источники информации

1. Родштейн Л.А. Электрические аппараты. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1989. - 304 с.

2. Тепловой аналог электродвигателя // Дудник М.З. и др. Авторское свидетельство СССР №1001294, Н02Н 7/085, опубликовано в БИ №8, 28.02.83.

3. Устройство для защиты электродвигателя от перегрева // Булычев А.В., Третьяков В.Л. Авторское свидетельство СССР №1374325, Н02Н 5/04, 7/085, опубликовано в БИ №6, 15.02.88.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности тепловой защиты электроустановки. Согласно способу измеряют ток электроустановки, по измеренному току и по модели нагрева-остывания вычисляют превышение температуры обмотки электроустановки над температурой окружающей среды, измеряют температуру окружающей среды, вычисляют абсолютное значение температуры обмотки, вычисленное абсолютное значение температуры обмотки сравнивают с допустимым значением, если абсолютное значение температуры обмотки превышает допустимое значение, то формируют соответствующий информационный сигнал и управляющий сигнал на разгрузку или отключение электроустановки, дополнительно измеряют температуру в доступной для измерения точке электроустановки, по измеренному току и по модели нагрева-остывания вычисляют температуру для точки электроустановки, в которой измерялась температура, определяют рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры, по полученному рассогласованию значений температур корректируют параметры модели нагрева до ликвидации рассогласования. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты электроустановки от перегрева, при котором измеряют ток электроустановки, по измеренному току и по модели нагрева-остывания вычисляют превышение температуры обмотки электроустановки над температурой окружающей среды, измеряют температуру окружающей среды, вычисляют абсолютное значение температуры обмотки, вычисленное абсолютное значение температуры обмотки сравнивают с допустимым значением, если абсолютное значение температуры обмотки превышает допустимое значение, то формируют соответствующий информационный сигнал и управляющий сигнал на разгрузку или отключение электроустановки, отличающийся тем, что измеряют температуру в доступной для измерения точке электроустановки, по измеренному току и по модели нагрева-остывания вычисляют температуру для точки электроустановки, в которой измерялась температура, определяют рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры, по полученному рассогласованию значений температур корректируют параметры модели нагрева до ликвидации рассогласования.

2. Способ защиты электроустановки от перегрева по п. 1, отличающийся тем, что при нагревании если рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры положительное (вычисленная температура больше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени нагрева электроустановки увеличивают, если рассогласование отрицательное (вычисленная температура меньше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени нагрева уменьшают, при остывании если рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры положительное (вычисленная температура больше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени остывания электроустановки уменьшают, если рассогласование отрицательное (вычисленная температура меньше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени остывания увеличивают.

3. Способ защиты электроустановки от перегрева по п. 2, отличающийся тем, что постоянную времени нагрева и постоянную времени остывания электроустановки при корректировке изменяют пропорционально рассогласованию, чем больше величина рассогласования, тем больше изменяют постоянную времени, если рассогласование нулевое, то постоянную времени оставляют без изменения.