ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОВОДА КОНТАКТНОЙ СЕТИ И ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 2018 года по МПК B60M1/00 H02H5/04 G01K3/06 G01W1/02 

Изобретение относится к электрифицированным железным дорогам и может использоваться в системах электроснабжения тяги для устройств защиты контактной сети и электрических сетей от перегрева проводов и для обеспечения успешности противогололедных режимов. Оно может использоваться также для устройств защиты от перегрева и для обеспечения успешности противогололедных режимов контактной сети городского электрического транспорта, а также электрических сетей и воздушных линий электропередачи общего назначения.

Известно устройство защиты от перегрева контактной сети, вычисляющее температуру провода, содержащее датчик тока, подключенный к измерительному блоку, связанному с исполнительным органом, датчик скорости ветра, датчик температуры окружающей среды, а измерительный блок выполнен в виде первого и второго сумматоров, квадратора, интегратора, множительного блока, нелинейного преобразователя, первого и второго порогового элементов, элемента выдержки времени и логического элемента И (см. Авторское свидетельство СССР №854769, кл. B60M 3/04, H01H 71/74, 1981).

Общими с заявленным изобретением являются такие существенные признаки, как: датчики тока, скорости ветра и температуры окружающей среды, измерительный блок, первый и второй сумматоры, множительный блок (в заявляемом изобретении - первый умножитель), нелинейный преобразователь (в заявляемом изобретении - первый функциональный преобразователь), первый и второй пороговые элементы, логический элемент И (в заявляемом изобретении - схема совпадения), исполнительный орган.

В данном аналоге измерительный блок 4 вычисляет перегрев провода путем решения уравнения теплового баланса, а температура провода определяется на выходе второго сумматора 11 как сумма перегрева провода и температуры окружающей среды.

К недостаткам устройства-аналога относятся:

- низкая точность из-за неучета направления ветра относительно оси провода, которое весьма значительно влияет на условия охлаждения провода, а следовательно, и на его температуру;

- низкая точность из-за того, что значение теплоотдачи на выходе нелинейного преобразователя 10 поставлено в зависимость только от скорости ветра. На самом деле по основам теплопередачи оно зависит еще и от превышения абсолютной температуры провода над абсолютной температурой окружающей среды по закону Стефана-Больцмана;

- узкая область применения из-за того, что значение теплоотдачи на выходе нелинейного преобразователя 10 не поставлено в зависимость от влажности воздуха. При атмосферных условиях, соответствующих возможному образованию на проводах гололеда (относительная влажность воздуха более 85% при температуре окружающей среды ниже 0°C), закон теплоотдачи существенно изменяется. Поэтому при создаваемых в эксплуатации противогололедных режимах (профилактический подогрев проводов, плавка гололеда) устройство использовано быть не может.

Известно устройство защиты от перегрева контактной сети, содержащее датчик тока с присоединенным к нему квадратором, датчик скорости ветра с присоединенным к нему нелинейным преобразователем, первый и второй сумматоры, интегратор, первый и второй умножители, датчик температуры окружающей среды, первый - пятый блоки регулируемых коэффициентов и исполнительный орган (см. Авторское свидетельство СССР №1778852, кл. H02H 5/04, B60M 3/00, H02H 3/08, 1992).

Общими с заявленным изобретением являются такие существенные признаки, как: датчики тока, скорости ветра и температуры окружающей среды, нелинейный преобразователь (в заявляемом изобретении - первый функциональный преобразователь), первый и второй сумматоры, первый и второй умножители, первый - пятый блоки регулируемых коэффициентов (в заявляемом изобретении - задатчики параметров провода, его массы, теплоемкости, сопротивления и температурного коэффициента сопротивления) и исполнительный орган.

В этом аналоге на выходе интегратора 15 сигнал пропорционален перегреву провода в результате решения уравнения теплового баланса, а температура провода определяется на выходе первого сумматора 10 как сумма перегрева провода и температуры окружающей среды.

Это устройство точнее предыдущего аналога, поскольку в уравнении теплового баланса учтено, что сопротивление провода тоже зависит от его температуры, и обеспечивается независимая регулировка параметров, учитывающих те свойства провода, которые входят в уравнение теплового баланса.

К недостаткам устройства относятся:

- низкая точность из-за неучета направления ветра относительно оси провода, которое значительно влияет на условия охлаждения провода, а следовательно, и его температуру;

- снижение точности из-за того, что значение коэффициента теплоотдачи на выходе нелинейного преобразователя 6 поставлено в зависимость только от скорости ветра, хотя на самом деле оно зависит еще и от превышения абсолютной температуры провода над абсолютной температурой окружающей среды по закону Стефана-Больцмана;

- узкая область применения из-за того, что значение коэффициента теплоотдачи на выходе нелинейного преобразователя 6 не поставлено в зависимость от от влажности воздуха и температуры окружающей среды при атмосферных условиях, способствующих образованию на проводах гололеда, когда значение этого коэффициента резко возрастает, что исключает возможность использования устройства в этих условиях.

Точность определения температуры провода в значительной мере зависит от того, насколько верно учитывается коэффициент теплоотдачи, входящий в уравнение теплового баланса. Известен способ определения коэффициента теплоотдачи провода воздушной линии электропередачи, в котором определяют температуру провода при протекании по нему тока, измеряют температуру окружающей среды и скорость ветра, дополнительно определяют периметр поперечного сечения провода и вычисляют коэффициент теплоотдачи α по формуле:

α=α_к+α_л,

где α_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией;

α_л - коэффициент теплоотдачи излучением.

При этом коэффициент теплоотдачи конвекцией вычисляют по формуле:

,

где V- скорость ветра;

П - периметр сечения провода;

λ - теплопроводность воздуха;

ν - кинематическая вязкость воздуха;

a, b - постоянные, которые принимают равными

а=а₁=0,44, b=b₁=0,813 при ; a=a₂=0,59, b=b₂=0,288 при .

Коэффициент теплоотдачи α_л вычисляют по известной формуле:

где ε - степень черноты поверхности провода;

T - абсолютная температура провода;

T_окр - абсолютная температура окружающей среды; или по приближенной формуле:

α_л=4,44ε(1+0,008t)(1+0,00454t_окр)

(см. Патент РФ №2417905, кл. B60M 1/00, 2011).

В отличие от других известных формул для определения коэффициента теплоотдачи α_к приведенное выражение позволяет определить значение α_к не только для круглых проводов, но и для витых и фасонных (контактных) проводов, т.е. именно для тех, которые и применяются в контактной сети и линиях электропередачи.

Общими с заявляемым изобретением являются такие существенные признаки, как определение коэффициента теплоотдачи в виде суммы коэффициента теплоотдачи конвекцией α_к и коэффициента теплоотдачи излучением α_л, а также представление вычислительного алгоритма для определения коэффициента теплоотдачи конвекцией α_к в виде приведенного математического выражения.

К недостаткам способа относятся неучет влияния направления ветра относительно оси провода и неучет изменения коэффициента теплоотдачи конвекцией α_к при атмосферных условиях, способствующих образованию на проводах гололеда, а также недостаточно достоверные значения постоянных a₁, b₁ и a₂, b₂, что снижает точность способа и область его применения.

Все выражения для теплоотдачи конвекцией α_к, как известно, приводятся (в том числе и для аналогов) для поперечного по отношению к оси провода направлению ветра, т.е. для угла атаки набегающего потока 90 градусов. Угол атаки ψ может изменяться от 0 до 90 градусов. При продольном направлении ветра (угол атаки 0 градусов) коэффициент теплоотдачи α_к, как известно, снижается для круглых цилиндров (труб) с гладкой поверхностью примерно в два раза (см. Справочник по теплообменникам. В двух томах. Том 1 // Перевод с английского под редакцией чл.-кор. АН СССР Б.С.Петухова и канд. техн. наук В.К. Шишкова. М.: Энергоиздат, 1987. Раздел 2.5 Теплообмен при однофазной конвекции, § 2.5.2, С.245, п. 3, таблица).

В линиях электропередачи используются не цилиндрические провода, а витые, в контактной сети применяют фасонные провода. Для тех и других при продольном направлении ветра коэффициент теплоотдачи α_к также снижается, но из-за отсутствия геометрического подобия с цилиндрами характер этого снижения по законам теплопередачи должен быть другим. Ни в аналогах, ни в другой литературе не обнаружено сведений, описывающих опытные данные по характеру изменения коэффициента теплоотдачи α_к в зависимости от направления ветра для витых и фасонных проводов.

При продольном направлении ветра из-за снижения коэффициента теплоотдачи α_к при том же токе температура провода (по сравнению с расчетным значением) возрастает. Если не учитывать этого обстоятельства, может наступить отжиг и обрыв провода.

Гололед откладывается на проводах при переохлажденных тумане, мороси или дожде и относительной влажности воздуха не менее 85%. Для линии электропередачи и контактных сетей гололед опасен; он может привести к обрыву проводов, коротким замыканиям, другим тяжелым последствиям.

При атмосферных условиях, характерных для возможного отложения на проводах гололеда, условия теплоотдачи существенно меняются. Поверхность провода уже не является сухой. Она покрывается тонким слоем стекающей влаги, из-за чего коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к существенно возрастает. Температура провода при том же токе по сравнению с расчетным значением уменьшается.

Для борьбы с отложением гололеда используют метод профилактического подогрева проводов, при котором по проводу пропускают ток такой величины, чтобы при данных атмосферных условиях температура провода была не менее плюс 1°C. Если не учесть увеличение α_к при этих атмосферных условиях, то действительная температура провода, в отличие от расчетной, может оказаться менее 0°C, что не помешает образованию гололеда на проводах (неуспешный профилактический подогрев проводов). Сведения о температуре провода в данных условиях являются сигналом о необходимости увеличения значения тока для повышения температуры провода, чтобы профилактический подогрев проводов оказался успешным.

В качестве прототипа принято устройство для защиты от перегрева проводов электросети (Патент РФ №2022827, кл. B60M 1/100, H02H 5/04, 3/08, G01K 1/16, 1994), в котором, в отличие от двух первых аналогов, коэффициент теплоотдачи α учитывает, как и в указанном выше способе, две его составляющие - коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к и коэффициент теплоотдачи излучением α_л.

Устройство содержит датчик тока, датчик скорости ветра с подключенным к нему нелинейным преобразователем, датчик температуры окружающей среды, блок вычисления перегрева, первый, второй и третий сумматоры, источник стабилизированного напряжения, первый - пятый блоки регулируемых коэффициентов, исполнительный орган. Общими с заявленным изобретением являются такие существенные признаки, как датчики тока, скорости ветра и температуры окружающей среды, нелинейный преобразователь (в заявляемом изобретении - первый функциональный преобразователь), блок вычисления перегрева, первый и второй сумматоры, источник стабилизированного напряжения, первый блок регулируемых коэффициентов (в прототипе - блок 4; в заявляемом изобретении один блок разбит на три отдельных блока, выполняющих в совокупности те же функции, что и один блок прототипа: это - первый и второй задатчики постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвекцией, а также задатчик периметра провода), второй блок регулируемых коэффициентов (в прототипе - блок 13, в заявляемом изобретении - задатчик степени черноты поверхности провода) и исполнительный орган.

Устройство (прототип) вычисляет температуру провода как сумму температуры окружающей среды и перегрева провода. Перегрев провода определяется в блоке вычисления перегрева 6, первый вход которого подключен к датчику тока, а второй вход - к выходу сумматора 5. На выходе сумматора 5 сигнал пропорционален коэффициенту теплоотдачи α в виде математического выражения:

α=α_л+α_к=ξ(K₁+K₂t_окр+K₃θ)+bV^a,

где α_л - коэффициент теплоотдачи излучением;

α_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией;

ξ - степень черноты поверхности провода, задаваемая в блоке регулируемых коэффициентов 13;

t_окр - температура окружающей среды, задаваемая датчиком этой температуры 9;

θ - перегрев провода, т.е. превышение температуры провода над температурой окружающей среды, значение которого определяется в блоке вычисления перегрева 6;

V - скорость ветра, задаваемая датчиком скорости ветра 2;

K₁, K₂, K₃ - регулируемые коэффициенты, формируемые блоками 8, 10, 11, определяющие значение коэффициента теплоотдачи излучением;

b - регулируемый параметр для коэффициента теплоотдачи конвекцией, формируемый блоком регулируемых коэффициентов 4;

a - нерегулируемый (постоянный) параметр для коэффициента теплоотдачи конвекцией, формируемый тем же блоком регулируемых коэффициентов 4 (в прототипе вместо обозначения а использовано обозначение g).

К недостаткам прототипа относятся:

- низкая точность выражения для α_л, как показано в описании к указанному выше способу (см. Патент РФ №2417905);

- низкая точность выражения для α_к, поскольку коэффициенты a и b, как показано в указанном выше способе (см. Патент РФ №2417905), должны быть не постоянными, а иметь два значения a₁, b₁ и a₂, b₂, зависящие от произведения скорости ветра на периметр провода;

- низкая точность из-за неучета направления ветра;

- узкая область применения, поскольку не полностью учтена возможность использования проводов разного размера из разных материалов, поскольку в коэффициенты K₁, K₂, K₃ параметры проводов не входят по определению, в параметр b может также по определению входить только размер провода, а такие регулируемые параметры провода, как масса, теплоемкость, сопротивление и его температурный коэффициент, необходимые для алгоритма в блоке вычисления перегрева 6, отсутствуют;

- узкая область применения, поскольку коэффициент α не учитывает влажность воздуха при атмосферных условиях возможного образования гололеда, когда коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к существенно увеличивается.

Технический результат заключается в повышении точности определения температуры провода и расширении области применения устройства путем учета направления ветра относительно оси провода и учета влажности воздуха при атмосферных условиях, способствующих образованию на нем гололеда, а также формированию более точного алгоритма для вычисления коэффициента теплоотдачи.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство, содержащее датчики тока, скорости ветра и температуры окружающей среды, первый функциональный преобразователь, блок вычисления перегрева, первый и второй сумматоры, источник стабилизированного напряжения, первый и второй задатчики постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвекцией, задатчики периметра провода и степени черноты его поверхности, а также исполнительный орган, вход которого подключен к выходу второго сумматора, дополнительно введены третий и четвертый задатчики постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвекцией, датчик направления ветра, датчик относительной влажности воздуха, первое, второе и третье программируемые (настраиваемые) многофункциональные средства, второй функциональный преобразователь, первый и второй переключатели с управляемым входом, первый, второй и третий пороговые элементы, первый и второй умножители, схема совпадения, задатчики массы, удельной теплоемкости, сопротивления единицы длины провода, задатчик температурного коэффициента сопротивления провода и блок масштабного коэффициента, причем первый функциональный преобразователь реализует вычислительный алгоритм в виде математического выражения

К_V=1-0,3cos³ψ,

где ψ - угол между направлением ветра и осью провода;

а второй функциональный преобразователь реализует вычислительный алгоритм в виде математического выражения

,

где t_окр - температура окружающей среды.

Выход датчика скорости ветра подключен к первому входу первого программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, второй вход которого подключен к выходу задатчика периметра провода, а выход подключен через последовательно присоединенное первое пороговое устройство к управляющему входу первого переключателя, к первому, второму, третьему и четвертому входам которого подключены соответственно первый, второй, третий и четвертый задатчики постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвекцией. Первый и второй выходы первого переключателя подключены соответственно к первому и второму входам второго программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, третий вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра, четвертый вход присоединен к выходу задатчика периметра провода, а его выход соединен с первым входом первого умножителя, ко второму входу которого через последовательно присоединенный первый функциональный преобразователь подключен датчик направления ветра, а его выход соединен с первым входом второго умножителя. Второй вход второго умножителя подключен к выходу второго переключателя, управляющий вход которого присоединен к выходу схемы совпадения, первый вход которой через последовательно присоединенное второе пороговое устройство подключен к датчику относительной влажности воздуха, а второй вход через последовательно присоединенное третье пороговое устройство подключен к датчику температуры окружающей среды и входу второго функционального преобразователя. Выход второго функционального преобразователя присоединен ко второму входу второго переключателя, первый вход которого подключен к источнику стабилизированного напряжения. Выход второго умножителя подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, первый вход которого соединен с датчиком температуры окружающей среды, второй вход присоединен к задатчику степени черноты провода, а третий вход соединен с выходом второго сумматора. Выход первого сумматора соединен с первым входом блока вычисления перегрева, ко второму входу которого подключен задатчик периметра провода, к третьему, четвертому, пятому и шестому входам присоединены задатчики соответственно массы, теплоемкости, сопротивления и температурного коэффициента сопротивления провода. К седьмому входу блока вычисления перегрева через последовательно присоединенный блок масштабного коэффициента тока подключен датчик тока. Выход блока вычисления перегрева присоединен ко второму входу второго сумматора, первый вход которого подключен к датчику температуры окружающей среды.

Вычислительный алгоритм первого программируемого (настраиваемого) многофункционального средства представлен в виде математического выражения

,

где П - периметр сечения провода;

V - скорость ветра;

λ - теплопроводность воздуха.

Вычислительный алгоритм второго программируемого (настраиваемого) многофункционального средства представлен в виде математического выражения

,

где a, b - постоянные параметры коэффициента теплоотдачи конвекцией;

V - скорость ветра;

П - периметр сечения провода;

ν - кинематическая вязкость воздуха, причем коэффициенты a и b принимают по условию

a=a₁=0,452, b=b₁=0,777 при K₁<10³; a=a₂=0,601 b=b₂=0,278 при K₁≥10³.

Уставки срабатывания пороговых элементов принимают: для первого - 10³, для второго - 85%, для третьего - 0°C.

В блоке масштабного коэффициента тока устанавливают долю тока в проводе, для которого определяется температура, по отношению к току контактной сети.

На чертеже приведена функциональная схема устройства. Она содержит: первый задатчик постоянного параметра a=a₁ коэффициента теплоотдачи конвекцией 1, второй задатчик постоянного параметра b=b₁ коэффициента теплоотдачи конвекцией 2, третий задатчик постоянного параметра a=a₂ коэффициента теплоотдачи конвекцией 3, четвертый задатчик постоянного параметра b=b₂ коэффициента теплоотдачи конвекцией 4, первый переключатель с управляемым входом 5, датчик скорости ветра 6, первое программируемое (настраиваемое) многофункциональное средство 7, первый пороговый элемент 8, задатчик периметра сечения провода 9, второе программируемое (настраиваемое) многофункциональное средство 10, датчик направления ветра (флюгер) 11, первый функциональный преобразователь 12, первый умножитель 13, датчик влажности воздуха 14, второй пороговый элемент 15, схему совпадения 16, третий пороговый элемент 17, источник стабилизированного напряжения 18, второй переключатель с управляемым входом 19, второй умножитель 20, датчик температуры окружающей среды 21, второй функциональный преобразователь 22, задатчик степени черноты поверхности провода 23, третье программируемое (настраиваемое) многофункциональное средство 24, первый сумматор 25, задатчик массы единицы длины провода 26, задатчик удельной теплоемкости провода 27, задатчик сопротивления единицы длины провода 28, задатчик температурного коэффициента сопротивления провода 29, датчик тока 30, блок масштабного коэффициента тока 31, блок вычисления перегрева 32, второй сумматор 33 и исполнительный орган 34.

Блоки 1, 2, 6, 9, 13, 18, 21, 23, 25, 30, 32, 33, 34 являются известными и используются в прототипе, блоки 3, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 19, 20, 22, 24, 26, 27, 28, 29, 31 являются новыми. Все блоки схемы выполнены на основе известных устройств (датчики, переключатели), а также известных элементов аналоговой и цифровой электронной техники, например, микропроцессоров.

Устройство, как в аналогах и прототипе, вычисляет температуру контролируемого провода путем решения уравнения теплового баланса, которое в дифференциальной форме имеет вид

I²Rdτ=αFθdτ+CGdθ,.

где I - ток в проводе;

R - сопротивление единицы длины провода;

α - коэффициент теплоотдачи;

F - площадь поверхности единицы длины провода, численно равная периметру П сечения провода;

θ - перегрев провода, т.е. разность между его температурой t и температурой окружающей среды t_окр (θ=t-t_окр);

С - удельная теплоемкость металла провода;

G - масса единицы длины провода;

τ - время.

Зависимость сопротивления от температуры провода имеет, как известно, вид

R=R₂₀[1+β(t-20)],

где R₂₀ - справочное значение сопротивления единицы длины провода при температуре 20°C;

β - температурный коэффициент сопротивления.

С учетом этого выражения решение уравнения теплового баланса относительно перегрева имеет вид

Температура провода определяется как

t=θ+t_окр.

Вычисление значения θ осуществляется, как и в прототипе в блоке вычисления перегрева 32.

Новым в заявленном изобретении является принцип определения коэффициента теплоотдачи α, который входит в выражение (1). Алгоритм определения коэффициента теплоотдачи α представлен математическим выражением в виде

где К_V - коэффициент, учитывающий направление ветра;

К_д - коэффициент, учитывающий влияние влажности воздуха при атмосферных условиях образования гололеда на проводе;

α_к - коэффициент теплоотдачи конвекцией;

α_л - коэффициент теплоотдачи излучением.

Вычислительный алгоритм коэффициента К_V на основании опытных данных, полученных заявителем для витых и фасонных проводов на специальном аэродинамическом стенде, имеет следующее математическое выражение

где ψ - угол между направлением ветра и осью провода.

Вычислительный алгоритм коэффициента К_д на основании расчетов, выполненных заявителем с учетом теории тепло- и массообмена при условии, что температура провода выше 0°С, температура окружающей среды ниже 0°C, а влажность воздуха равна 90%, имеет следующее математическое выражение:

- при наличии тумана, мороси или дождя,

где t_окр - температура окружающей среды;

- при отсутствии осадков

Вычислительный алгоритм коэффициента теплоотдачи конвекцией α_к имеет следующее математическое выражение

где a, b - постоянные параметры коэффициента теплоотдачи конвекцией;

λ - теплопроводность воздуха;

V - скорость ветра;

ν - кинематическая вязкость воздуха;

П - периметр сечения провода.

Уточненные значения параметров a и b в выражении (6), на основании опытных данных, полученных заявителем для витых и фасонных проводов на специальном аэродинамическом стенде, следует принимать в зависимости от значения параметра K₁, которое имеет следующее математическое выражение

по условию

Коэффициент теплоотдачи излучением α_л вычисляют по известному математическому выражению

Выражения (2), (3), (4), (5), (6), (7) и (8) лежат в основе принципа действия предложенного устройства.

Устройство работает следующим образом.

На выходе первого программируемого (настраиваемого) многофункционального средства 7, входы которого подключены к датчику скорости ветра 6 и задатчику параметра поверхности провода 9, формируется сигнал, пропорциональный параметру K₁ в соответствии с выражением (7). Если соблюдается условие K₁ меньше 10³, то первый пороговый элемент 8 не срабатывает и не подает сигнала на управляющий вход УВ первого переключателя 5. В этом случае на выходе этого переключателя, ко входам которого подключены задатчики 1, 2, 3 и 4 постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвекцией соответственно a₁, b₁, a₂ и b₂, формируются сигналы, пропорциональные параметрам a=a₁, и b=b₁, которые поступают соответственно на первый и второй входы второго программируемого (настраиваемого) многофункционального средства 10.

Если же на выходе блока 7 сигнал, пропорциональный параметру K₁, отвечает условию K₁, больше или равно 10³, то пороговый элемент 8 срабатывает, подает сигнал на управляющий вход УВ первого переключателя 5 и этот последний переключается. В этом случае на его выходах 1 и 2, подключенных соответственно к первому и второму входам блока 10, формируются сигналы, пропорциональные a=a₂ и b=b₂.

На выходе первого функционального устройства 12, вход которого подключен к датчику направления ветра 11, формируется сигнал, пропорциональный параметру K_V в соответствии с выражением (3). Этот сигнал поступает на второй вход первого умножителя 13.

На выходе второго порогового элемента 15, вход которого подключен к датчику влажности воздуха 14, сигнал появляется только, если значение влажности воздуха превышает порог в 85%. На выходе третьего порогового элемента 17, вход которого подключен к датчику температуры окружающей среды 21, сигнал появится только, если температура окружающей среды опустится ниже порога 0°C. На выходе схемы совпадения 16, входы которой присоединены к выходам пороговых элементов 15 и 17, сигнал появится только при одновременном срабатывании этих пороговых элементов, т.е. при условиях, характерных для образования на проводах гололеда. Если хотя бы один из пороговых элементов 15 и 17 не сработает, то на выходе схемы совпадения 16 сигнал не появится, поэтому переключение второго переключателя 19 не произойдет. В этом случае сигнал на выходе второго переключателя 19 будет равен напряжению источника стабилизированного напряжения 18, уровень которого выбирают пропорциональным условию (5) при К_д=1, что соответствует отсутствию атмосферных осадков. Если же пороговые элементы 15 и 17 срабатывают одновременно, то на выходе схемы совпадения 16 появляется сигнал, попадающий на управляющий вход УВ второго переключателя 19, что вызывает переключение последнего. В этом случае сигнал на выходе второго переключателя 19, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя 22, формируется пропорциональным параметру К_д, в соответствии с выражением (4), что соответствует атмосферным условиям образования гололеда на проводах. Выход второго переключателя 19 соединен со вторым входом второго умножителя 20, поэтому сигнал на этом входе в зависимости от атмосферных условий либо пропорционален условию К_д=1, либо пропорционален параметру К_д в соответствии с выражением (4).

На выходе третьего программируемого (настраиваемого) многофункционального средства 24, входы которого подключены к датчику температуры окружающей среды 21, задатчику степени черноты поверхности провода 23 и выходу второго сумматора 33, формируется сигнал, пропорциональный значению коэффициента теплоотдачи излучением α_л, в соответствии с известным математическим выражением (9) или его приближенными выражениями.

Контактная сеть электрифицированного транспорта выполняется из нескольких проводов разного сопротивления, соединенных параллельно. Устройство контролирует температуру только в одном из них, в то время как датчик тока 30 в современных условиях измеряет ток присоединения контактной сети, т.е. суммарный ток параллельно соединенных проводов. Поэтому сигнал на выходе блока масштабного коэффициента тока 31, вход которого присоединен к датчику тока 30, должен быть пропорционален той доле тока контактной сети, которая протекает по контролируемому проводу.

Сигнал, пропорциональный этой доле тока, поступает на седьмой вход блока вычисления перегрева контролируемого провода 32.

Индивидуальная и независимая настройка первого, второго и третьего программируемых (настраиваемых) многофункциональных средств (соответственно блоков 7, 10, 24), а также блока вычисления перегрева 32 применительно к контролируемым проводам разных размеров и из разных металлов осуществляется: задатчиком периметра сечения провода 9, присоединенным к входам первого 7, второго 10 и третьего 24 программируемых (настраиваемых) многофункциональных средств, а также блоку вычисления перегрева 32, задатчиком степени черноты поверхности провода 23, присоединенным ко входу третьего программируемого (настраиваемого) многофункционального средства 24, а также задатчиками массы 26, удельной теплоемкости 27, сопротивления единицы длины 28 и температурного коэффициента сопротивления 29, присоединенными ко входам блока вычисления перегрева 32.

Второе программируемое (настраиваемое) многофункциональное средство 10 на основе информации о параметрах a и b, поступающей на его входы 1 и 2 от первого переключателя 5, скорости ветра V, поступающей на его вход 3 от датчика скорости ветра 6, и периметра сечения провода П, поступающей на его вход 4 от задатчика 9, определяет значение коэффициента теплоотдачи конвекцией α_к в соответствии с математическим выражением (6). Значения параметров λ и ν, входящих в это выражение, не меняются и входят в вычислительный алгоритм блока 10 в виде постоянных величин. Сигнал, пропорциональный значению α_к, с выхода блока 10 поступает на первый вход первого умножителя 13, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный коэффициенту К_V с выхода первого функционального преобразователя 12. На выходе блока 13 образуется сигнал, пропорциональный произведению К_Vα_к, который поступает на первый вход второго умножителя 20, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный коэффициенту К_д с выхода второго переключателя 19.

На выходе блока 20 образуется сигнал, пропорциональный произведению К_VК_дα_к, который поступает на первый вход первого сумматора 25, второй вход которого подключен к выходу третьего программируемого (настраиваемого) многофункционального средства 24. Поскольку сигнал на выходе блока 24 пропорционален α_л, то на выходе первого сумматора 25 формируется сигнал, пропорциональный коэффициенту теплоотдачи а в соответствии с математическим выражением (2). Этот сигнал поступает на первый вход блока вычисления перегрева 32, на другие входы которого поступают сведения о параметрах провода от задатчиков 26, 27, 28 и 29, а также сигнал, пропорциональный току контролируемого провода, от датчика тока 30 через блок масштабного коэффициента тока 31. Сигнал на выходе блока вычисления перегрева 32 пропорционален значению θ в соответствии с вычислительным алгоритмом, представленным математическим выражением (1). Этот сигнал поступает на второй вход третьего сумматора 33, первый вход которого соединен с датчиком температуры окружающей среды 21. Сигнал на выходе третьего сумматора 33 пропорционален искомой температуре провода t=θ+t_окр.

Этот сигнал поступает на вход исполнительного органа 34, который может быть выполнен просто как фиксатор текущего значения температуры провода, или как пороговый элемент выходного органа температурной защиты, или любым другим образом, который требуется для устройств управления и автоматики, работа которых связана со сведениями о температуре провода.

Предлагаемое устройство позволяет более точно, чем прототип и аналоги, определять коэффициент теплоотдачи контролируемого провода, в том числе при разных направлениях ветра и при атмосферных условиях, способствующих образованию гололеда на проводах, что повышает точность определения температуры этого провода и расширяет область применения устройства.

Изобретение относится к линиям электроснабжения. Определитель температуры провода контактной сети и воздушных линий электропередачи содержит датчик тока, датчик скорости ветра, датчик температуры окружающей среды, первый и второй функциональные преобразователи, блок вычисления перегрева, первый и второй сумматоры, источник стабилизированного напряжения, первый, второй, третий и четвертый задатчики постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвенцией, задатчик периметра провода, задатчик степени черноты поверхности провода и исполнительный орган, а также датчик направления ветра, датчик относительной влажности воздуха, первое, второе и третье программируемые многофункциональные средства, первый и второй переключатели с управляемым входом, первый, второй и третий пороговые элементы, первый и второй умножители, схему совпадения, задатчики массы, удельной теплоемкости, сопротивления единицы длины провода, задатчик температурного коэффициента сопротивления провода и блок масштабного коэффициента тока. Вход исполнительно органа подключен к выходу второго сумматора. Причем функциональные преобразователи реализуют вычислительные алгоритмы в виде математических выражений. Технический результат заключается в повышении точности определения температуры провода. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Определитель температуры провода контактной сети и воздушных линий электропередачи, содержащий датчик тока, датчик скорости ветра, датчик температуры окружающей среды, первый функциональный преобразователь, блок вычисления перегрева, первый и второй сумматоры, источник стабилизированного напряжения, первый и второй задатчики постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвенцией, задатчик периметра провода, задатчик степени черноты поверхности провода и исполнительный орган, вход которого подключен к выходу второго сумматора, отличающийся тем, что в него дополнительно включены третий и четвертый задатчики постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвекцией, датчик направления ветра, датчик относительной влажности воздуха, первое, второе и третье программируемые (настраиваимые) многофункциональные средства, второй функциональный преобразователь, первый и второй переключатели с управляемым входом, первый, второй и третий пороговые элементы, первый и второй умножители, схема совпадения, задатчики массы, удельной теплоемкости, сопротивления единицы длины провода, задатчик температурного коэффициента сопротивления провода и блок масштабного коэффициента тока, причем первый функциональный преобразователь реализует вычислительный алгоритм в виде математического выражения

К_V=1-0,3cos³ψ,

где ψ - угол между направлением ветра и осью провода;

а второй функциональный преобразователь реализует вычислительный алгоритм в виде математического выражения

где t_окр - температура окружающей среды;

при этом выход датчика скорости ветра подключен к первому входу первого программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, второй вход которого подключен к выходу задатчика периметра провода, а выход подключен через последовательно присоединенное первое пороговое устройство к управляющему входу первого переключателя, к первому, второму, третьему и четвертому входам которого подключены соответственно первый, второй, третий и четвертый задатчики постоянных параметров коэффициента теплоотдачи конвекцией, а первый и второй выходы первого переключателя подключены соответственно к первому и второму входам второго программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, третий вход которого соединен с выходом датчика скорости ветра, четвертый вход присоединен к выходу задатчика периметра провода, а его выход соединен с первым входом первого умножителя, ко второму входу которого через последовательно присоединенный первый функциональный преобразователь подключен датчик направления ветра, а его выход соединен с первым входом второго умножителя, второй вход которого подключен к выходу второго переключателя, управляющий вход которого присоединен к выходу схемы совпадения, первый вход которой через последовательно присоединенное второе пороговое устройство подключен к датчику относительной влажности воздуха, а второй вход через последовательно присоединенное третье пороговое устройство подключен к датчику температуры окружающей среды и входу второго функционального преобразователя, выход которого присоединен ко второму входу второго переключателя, первый вход которого подключен к источнику стабилизированного напряжения, выход второго умножителя подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, первый вход которого соединен с датчиком температуры окружающей среды, второй вход присоединен к задатчику степени черноты провода, а третий вход соединен с выходом второго сумматора, выход первого сумматора соединен с первым входом блока вычисления перегрева, ко второму входу которого подключен задатчик периметра провода, к третьему, четвертому, пятому и шестому входам присоединены задатчики соответственно массы, удельной теплоемкости, сопротивления единицы длины провода и температурного коэффициента сопротивления провода, к седьмому входу через последовательно присоединенный блок масштабного коэффициента тока подключен датчик тока, а его выход присоединен ко второму входу второго сумматора, первый вход которого подключен к датчику температуры окружающей среды.

2. Устройство по п. 1, в котором вычислительный алгоритм первого программируемого (настраиваемого) многофункционального средства представлен в виде математического выражения

где П - периметр сечения провода;

V - скорость ветра;

λ - теплопроводность воздуха.

3. Устройство по п. 1, в котором вычислительный алгоритм второго программируемого (настраиваемого) многофункционального средства представлен в виде математического выражения

где a, b - постоянные параметры коэффициента теплоотдачи конвекцией;

λ - теплопроводность воздуха;

V - скорость ветра;

ν - кинематическая вязкость воздуха;

П - периметр сечения провода,

причем коэффициенты а и b принимают по условию

a=a₁=0,452, b=b₁=0,777 при К₁<10³; a=a₂=0,601, b=b₂=0,278 при К₁≥10³.

4. Устройство по п. 1, в котором уставка срабатывания первого порогового элемента равна 10³.

5. Устройство по п. 1, в котором уставка срабатывания второго порогового элемента равна 85%.

6. Устройство по п. 1, в котором уставка срабатывания третьего порогового элемента равна 0°C.

7. Устройство по п. 1, в котором в блоке масштабного коэффициента тока устанавливают долю тока в проводе, для которого определяется температура, по отношению к току контактной сети.