Способ определения времени срабатывания защиты токоведущих контактных соединений коммутационных аппаратов от перегрева Российский патент 2017 года по МПК H02H5/04 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к средствам защиты коммутационной аппаратуры от недопустимых превышений температуры, а именно от достижения контактной поверхностью температуры плавления материала контакт-детали контактных соединений (КС) токоведущих частей в схемах электроснабжения, непосредственно реагирующих на недопустимое превышение температуры при эксплуатационном или испытательном прямоугольном импульсе тока. Может найти применение в системах электроснабжения жилых, административных и производственных объектов напряжением 0,4 кВ, на заводах-изготовителях коммутационных аппаратов и в организациях, специализирующихся на проведении испытаний контактных соединений токоведущих частей электрооборудования на термическую стойкость сквозным током короткого замыкания.

Известен способ защиты коммутационной аппаратуры и контактных резьбовых соединений токоведущих частей (Патент РФ №2264682, опубл. 20.11.2005, МПК Н02Н 5/04), включающий поддержание температуры зажимов коммутационной аппаратуры в допустимых пределах путем затяжки зажимов, отличающийся тем, что осуществляют контроль отклонения от нормальной температуры зажимов коммутационной аппаратуры посредством установки в зажим коммутационной аппаратуры устройства для контроля отклонения от нормальной температуры контактных токоведущих частей, а затяжку зажима коммутационной аппаратуры проводят при появлении звукового сигнала, по которому судят о недопустимом отклонении температуры зажима от нормальной температуры.

Недостатком способа является отсутствие возможности оперативного контроля процесса нагрева непосредственно контактных поверхностей контактных соединений, на которых в первую очередь достигается максимальная температура материала контакт-детали при эксплуатационном или испытательном воздействии прямоугольного импульса тока с целью недопущения сплавления контакт-деталей.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение точности определения времени, в течение которого возможно срабатывание защиты.

Настоящая задача решается тем, что в способ определения времени срабатывания защиты токоведущих контактных соединений коммутационных аппаратов от перегрева, включающий контроль отклонения от максимально допустимого значения температуры наиболее подверженной перегреву контактной поверхности токоведущего контактного соединения в составе коммутационного аппарата и генерацию сигнала, по которому определяют время достижения контактной поверхностью максимально допустимой температуры, отличающийся тем, что в режиме мониторинга измеряют значение прямоугольного импульса тока и сравнивают измеренную величину с заданным пороговым значением испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока, в случае превышения током своего порогового значения проводят температурный контроль контактной поверхности в режиме динамического мониторинга на интервале времени нагрева контактного соединения по линейному закону:

от до t₂=t₁+nΔt,

где t₁ - время начала нагрева по линейному закону;

- толщина контакт-детали;

c, λ - удельная теплоемкость и теплопроводность материала контакт-детали;

Δt - шаг измерений;

n - число измерений;

t₂ - время завершения температурного контроля в режиме динамического мониторинга,

затем осуществляют пересчет измеренных в ходе динамического мониторинга значений температуры ,доступной для прямых измерении внешней поверхности контакт-детали T₁(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n в соответствующие значения температуры, недоступной для прямых измерений контактной поверхности контактного соединения T₂(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n, по формуле:

,

где τ⁽ⁱ⁾ - отсчет времени;

i - порядковый номер измерения;

n - номер последнего измерения;

k₁ - мультипликативный калибровочный коэффициент;

k₂ - аддитивный калибровочный коэффициент;

T₂(0) - начальное значение температуры контактной поверхности;

T_max - максимально допустимая для данного контактного соединения температура;

I_max - измеренное значение испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока;

ρ₂₀ - удельное электрическое сопротивление материала контакт-детали при температуре 20°С;

c - удельная теплоемкость материала контакт-детали;

α - температурный коэффициент удельного сопротивления;

S₁ - площадь поперечного сечения контакт-детали;

S₂ - площадь нахлестки контакт-деталей;

Ф(τ⁽ⁱ⁾) - динамический коэффициент, зависящий от отсчета времени измерений, и по зарегистрированным косвенным измерениям температуры контактной поверхности строят линейное уравнение регрессии, из которого определяют (τ_max) момент времени отключения коммутационного аппарата:

где А и В - коэффициенты уравнения линейной регрессии;

T_max - значение заданной максимально допустимой для данного контактного соединения температуры.

Изобретение направлено на предотвращение выхода из строя контактных соединений коммутационных аппаратов.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности предотвращения расплавления материала контакт-детали контактного соединения за счет получения оперативной и достоверной информации о тепловом состоянии наиболее подверженной перегреву контактной поверхности КС.

На рис. 1 - схема болтового соединения с точками прямого и косвенного измерения температуры внешней и контактной поверхностей.

На рис. 2 - стадии нагрева болтового контактного соединения при воздействии прямоугольного импульса тока.

На рис. 3(a) и 3(б) - схема болтового соединения с условными размерами соединяемых поверхностей.

На рис. 4 - графики измерений температуры открытой и контактной поверхностей на второй (линейной) стадии нагрева.

Способ осуществляют следующим образом.

Измеряют величину эксплуатационного или испытательного прямоугольного импульса тока I_max. Если она превышает заданную пороговую величину I_п (это условие обеспечивает адиабатический режим нагрева КС), то начинают осуществление контроля процесса нагрева КС в режиме динамического мониторинга. На промежутке времени 0<t<t₀, (рис. 2) до начала действия импульса тока под действием номинального тока I_н процесс нагрева устанавливается: T₁(t)=T_1,0; T₂(t)=T_2,0). Оставшийся промежуток нагрева разделяют на три стадии: 1) начальная стадия адиабатического нагрева (t₀<t<t₁) по экспоненциальному закону (на этой стадии никаких действий согласно способу не производится); 2) стадия перехода процесса нагрева КС к линейной зависимости температуры от времени (t₁<t<t₂) - стадия измерения и регистрации температуры нагрева внешней поверхности контакт-детали, доступной для прямого измерения (динамический мониторинг) и 3) стадия нагрева контактной поверхности КС по линейному закону до максимально допустимой температуры T_max (определение τ_max - времени наступления перегрева КС, t₂<t<t₃). Начало второй и третьей стадии нагрева определяют по данным о теплофизических характеристиках и размерам контакт-деталей.

На второй стадии (стадии контроля температуры внешней поверхности контакт-детали в режиме динамического мониторинга) проводят измерение и регистрацию температуры T₁(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n внешней поверхности одной из контакт-деталей, доступной для прямых измерений в условиях эксплуатационных или испытательных воздействий прямоугольного импульса, и осуществляют косвенное измерение - по измеренным значениям T₁(τ⁽ⁱ⁾) определяют значения T₂(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n температуры контактной поверхности КС по формуле:

где τ⁽ⁱ⁾ - отсчет времени;

i - порядковый номер измерения;

n - номер последнего измерения;

k₁ - мультипликативный калибровочный коэффициент;

k₂ - аддитивный калибровочный коэффициент;

T₂(0) - начальное значение температуры контактной поверхности;

T_max - измеренное значение испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока;

ρ₂₀ - удельное электрическое сопротивление материала контакт-детали при температуре 20°С;

c - удельная теплоемкость материала контакт-детали;

α - температурный коэффициент удельного сопротивления;

S₁ - площадь поперечного сечения контакт-детали;

S₂ - площадь нахлестки контакт-деталей;

Формула (1) справедлива при выполнении условия для времени начала второй стадии нагрева t₁ контакт-детали толщины ; параметры c, λ для различных материалов контакт-деталей задают согласно таблице 1.

Таким образом, начало второй и третьей стадии определяется соотношениями и t₂=t₁+nΔt.

Для латуни свойства взяты как среднеарифметические значения свойств марок Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68 и Л62.

На третьей стадии - по измеренным и зарегистрированным температурам контактной поверхности КС.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты контактных соединений токоведущих частей коммутационной аппаратуры электрооборудования от перегрева при достижении контактной поверхностью максимально допустимой температуры подается сигнал, после которого с помощью выключателя нагрузки производится отключение коммутационного аппарата, предотвращающее сплавление контакт-деталей.

Пример расчета

В качестве примера было рассмотрено болтовое контактное соединение двух медных контакт-деталей (рис. 3). Сначала на второй стадии нагрева задаются значения измеренной температуры открытой поверхности контактного соединения Т₁(τ⁽ⁱ⁾) (рис. 4), полученные при значении эксплуатационного прямоугольного импульса тока I_max=1 кА. В качестве максимально допустимой температуры нагрева T_max принята температура, равная ~0,8 Т_пл меди = 800°С, шаг измерений проводимых на второй стадии принят равным 3 секундам, тепло- и электрофизические свойства меди приведены в таблицах 1 и 2.

Измеренные температуры T₁(τ⁽ⁱ⁾) и результат вычислений температуры Т₂(τ⁽ⁱ⁾) по формуле (1) представлены на рис. 4

По вычисленным значениям температуры контактной поверхности определяли коэффициенты А и В линейной регрессии, подставляя которые в уравнение (3) по температуре плавления меди определили максимально допустимое время срабатывания защиты τ_max=124,5 с, до достижения которого не происходит сплавление контакт-деталей.

Использование: в области электротехники. Технический результат – повышение точности определения времени срабатывания защиты. Способ включает контроль отклонения от максимально допустимого значения температуры наиболее подверженной перегреву контактной поверхности токоведущего контактного соединения в составе коммутационного аппарата и генерацию сигнала, по которому определяют время достижения контактной поверхностью максимально допустимой температуры. Дополнительно в способе в режиме мониторинга измеряют значение прямоугольного импульса тока и сравнивают измеренную величину с заданным пороговым значением испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока, в случае превышения током своего порогового значения проводят температурный контроль контактной поверхности в режиме динамического мониторинга на интервале времени нагрева контактного соединения. Далее проводят пересчет измеренных в ходе динамического мониторинга значений температуры, доступной для прямых измерений внешней поверхности контакт-детали, в соответствующие значения температуры, недоступной для прямых измерений контактной поверхности контактного соединения, и по зарегистрированным косвенным измерениям температуры контактной поверхности строят линейное уравнение регрессии, из которого определяют момент времени до отключения коммутационного аппарата. 4 ил., 2 табл.

Способ определения времени срабатывания защиты токоведущих контактных соединений коммутационных аппаратов от перегрева, включающий контроль отклонения от максимально допустимого значения температуры наиболее подверженной перегреву контактной поверхности токоведущего контактного соединения в составе коммутационного аппарата и генерацию сигнала, по которому определяют время достижения контактной поверхностью максимально допустимой температуры, отличающийся тем, что в режиме мониторинга измеряют значение прямоугольного импульса тока и сравнивают измеренную величину с заданным пороговым значением испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока, в случае превышения током своего порогового значения проводят температурный контроль контактной поверхности в режиме динамического мониторинга на интервале времени нагрева контактного соединения по линейному закону:

от до t₂=t₁+nΔt,

где t₁ - время начала нагрева по линейному закону;

l - толщина контакт-детали;

с, λ - удельная теплоемкость и теплопроводность материала контакт-детали;

Δt - шаг измерений;

n - число измерений;

t₂ - время завершения температурного контроля в режиме динамического мониторинга,

затем осуществляют пересчет измеренных в ходе динамического мониторинга значений температуры, доступной для прямых измерений внешней поверхности контакт-детали Т₁(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n, в соответствующие значения температуры, недоступной для прямых измерений контактной поверхности контактного соединения Т₂(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n, по формуле:

,

где τ⁽ⁱ⁾ - отсчет времени;

i - порядковый номер измерения;

n - номер последнего измерения;

k₁ - мультипликативный калибровочный коэффициент;

k₂ - аддитивный калибровочный коэффициент;

T₂(0) - начальное значение температуры контактной поверхности;

T_max - максимально допустимая для данного контактного соединения температура;

I_max - измеренное значение испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока;

ρ₂₀ - удельное электрическое сопротивление материала контакт-детали при температуре 20°С;

с - удельная теплоемкость материала контакт-детали;

α - температурный коэффициент удельного сопротивления;

S₁ - площадь поперечного сечения контакт-детали;

S₂ - площадь нахлестки контакт-деталей;

Ф(τ⁽ⁱ⁾) - динамический коэффициент, зависящий от отсчета времени измерений,

и по зарегистрированным косвенным измерениям температуры контактной поверхности строят уравнение:

где А и В - коэффициенты уравнения линейной регрессии, подставляя в которое значение максимально допустимой температуры нагрева T_max контактной поверхности КС определяют (τ_max) момент времени до отключения коммутационного аппарата.