Способ определения времени срабатывания защиты токоведущих контактных соединений коммутационных аппаратов от перегрева Российский патент 2023 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-деталей контактных соединений (КС) токоведущих частей в схемах электроснабжения, непосредственно реагирующих н а 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 (RU №2264682, 20.11.2005), включающий поддержание температуры зажимов коммутационной аппаратуры в допустимых пределах путем затяжки зажимов. 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.

Известен способ определения времени срабатывания защиты токоведущих контактных соединений коммутационных аппаратов от перегрева (RU №2635385 от 13 ноября 2017 г.), 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 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; с - удельная теплоемкость материала контакт-детали; α - температурный коэффициент удельного сопротивления; S₁ - площадь поперечного сечения контакт-детали; S₂ - площадь нахлестки контакт-деталей (условная площадь контактной поверхности); 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.

Недостатком способа является не достаточная для практических целей скорость определения времени, в течение которого возможно срабатывание защиты КС коммутационного аппарата от перегрева.

Задачей решаемой настоящим изобретением является повышение качества (достоверности, быстродействия) определения времени, в течение которого возможно срабатывание защиты КС коммутационного аппарата от перегрева.

Техническая сущность достигается тем, что в методику определения вводят количественное значение замеров условно-контактного динамического сопротивления.

Данная задача решается тем, что в способе определения времени срабатывания защиты токоведущих контактных соединений коммутационных аппаратов от перегрева, 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, в режиме мониторинга измеряют значение прямоугольного импульса тока и сравнивают измеренную величину с заданным пороговым значением испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока, учитывают значение условно-контактного динамического сопротивления и 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+mΔt,

где t₁ - время начала нагрева по линейному закону,

l - толщина контакт-детали,

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

Δt - шаг измерений,

m - число измерений значения условно-контактного динамического сопротивления

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 T₁(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, m (τ⁽ⁱ⁾ - отсчет времени измерений) в соответствующие значения - условно-контактного динамического сопротивления (УКДС), одновременно учитывающего как изменение переходного контактного сопротивления R_К, так и эффективной площади контактной поверхности S_ЭФ=k_ПРS₂ (S=S₂ - площадь нахлестки контакт-деталей (условная площадь контактной поверхности), k_ПР - коэффициент приведения), как функции прямоугольного импульса тока I_max, по формуле:

где T₀ - значение температуры открытой поверхности контакт-детали в момент начала действия импульса, затем вычисляют математическое ожидание величины УКДС в момент времени , равное

поскольку при вычислении температуры контактной поверхности на интервале времени нагрева КС по линейному закону от до t₂=t₁+mΔt по формуле:

производная от температуры контактной поверхности по времени в момент времени τ⁽ⁱ⁾, а вместе с ней и величина от времени не зависят, т.е. являются постоянными, а величина представляет собой надежное косвенное измерение УКДС, после чего, подставляя в формулу (5) t=τ_max и T₁(t)=T_max (такая подстановка фактически обеспечивает контроль отклонения от максимально допустимого значения температуры наиболее подверженной перегреву контактной поверхности токоведущего контактного соединения) определяют τ_max - момент времени до отключения коммутационного аппарата.

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

Технический результат изобретения заключается в повышении качества (достоверности, быстродействия) определения времени, в течение которого возможно срабатывание защиты коммутационного аппарата от перегрева, обеспечивающего предотвращение расплавления материала контакт - детали контактного соединения за счет получения оперативной и достоверной информации о тепловом состоянии наиболее подверженной перегреву контактной поверхности КС.

На фиг. 1 - схема болтового соединения с точками прямого измерения температуры внешней поверхности контакт-детали T₁(t) и косвенного измерения температуры контактной поверхности T₂(t).

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

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

На фиг. 4 - нагрев прямоугольным импульсом тока 20 кА открытой T₁(t) и контактной T₂(t) поверхностей КС по линейному закону на стадии динамического мониторинга (формула (1) при ρ₂₀=0).

Способ осуществляют следующим образом. На промежутке времени, до начала действия импульса (фиг. 2) под действием номинального тока I_н процесс нагрева КС устанавливается: T₁(t)=T_1,0; Т₂(t)=Т_2,0. Оставшийся промежуток нагрева разделяют на три стадии: 1) начальная стадия адиабатического нагрева (0<t<t₁) по экспоненциальному закону; 2) стадия перехода процесса нагрева КС к линейной зависимости температуры от времени (t₁<t<t₂) и 3) стадия нагрева КС по линейному закону до максимально допустимой температуры T_max (t₂<t<τ_max). Начало второй и третьей стадии нагрева определяют по данным о теплофизических характеристиках и толщине контакт-детали.

На первой стадии измеряют величину эксплуатационного или испытательного прямоугольного импульса тока I_max. Если она превышает заданную пороговую величину I_п (это условие обеспечивает наличие адиабатического режима нагрева КС), то начинают измерения температуры нагрева внешней поверхности контакт-детали.

На второй стадии измеряют температуру внешней поверхности контакт-детали и пересчет измеренных значений в условно-контактное динамическое сопротивление по формуле (3).

На третьей стадии по формуле (6) определяют τ_max - время наступления перегрева КС.

Начало второй и третьей стадии определяют из соотношений и t₂=t₁+mΔt. Осредненные на интервале измерения данные о теплофизических характеристиках электрокерамики с, λ и толщине контакт-детали l приведены в таблице 1.

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

Пример. В качестве примера повышения качества определения времени срабатывания защиты от перегрева путем перехода согласно изобретению от n косвенных измерений температуры контактной поверхности КС T₂(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n на начальной стадии адиабатического нагрева КС по линейному закону, построения по измеренным значениям уравнения линейной регрессии и прогнозирования по построенному уравнению времени τ_{max, 1} достижения контактной поверхностью максимально допустимого значения температуры T_max к m (m<n) измерениям температуры открытой поверхности контакт-детали T₁(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, m с последующим пересчетом измеренных значений в условно-контактное динамическое сопротивление КС i=1, 2, …, m (фактически это m-кратное косвенное измерение постоянной величины , повышающее достоверность и скорость получения результата измерений) и вычислению по формуле (6) времени срабатывания защиты КС от перегрева τ_{max, 2} был рассмотрен нагрев болтового контактного соединения двух контакт-деталей из электрокерамики (фиг. 3) прямоугольным импульсом тока 20 кА.

Сначала задаются значения измеренной температуры открытой поверхности контактного соединения T₁(τ⁽ⁱ⁾) (фиг. 4), полученные при значении прямоугольного импульса тока 20 кА. В качестве максимально допустимой температуры нагрева T_max принята температура 1000°С, шаг измерений, проводимых на второй стадии принят равным 0,1 секунды, теплофизические свойства приведены в таблице 1, в таблице 2 - геометрические характеристики КС и калибровочные коэффициенты.

Поскольку формулы (3)-(6) справедливы только при достаточно больших значениях I_max (I_max в несколько раз превосходит I_H т.е. вычисления производятся без учета прямого нагрева контакт-детали прямоугольным импульсом тока, производится учет только нагрева теплотой, выделенной на переходном контактном сопротивлении), то расчетная формула (1) также используется без учета прямого нагрева, т.е. при ρ₂₀=0.

Расчет по методике прототипа. Сначала в режиме динамического мониторинга на интервале времени (t₁<t<t₂) измеряют температуру открытой поверхности контакт-детали T₁(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n (фиг. 4, табл. 3), затем по формуле (1) при ρ₂₀=0 и калибровочных коэффициентах к1=0,99 и к2=0,05 (табл. 2) вычисляют температуру контактной поверхности КС T₂(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, n (фиг. 4, табл. 3).

Затем, по рассчитанным значениям температуры контактной поверхности T₂(τ⁽ⁱ⁾) рассчитывают коэффициенты линейной регрессии А=244 и В=268 и по уравнению (2) вычисляют по методике прототипа время срабатывания защиты от перегрева τ_{max, 1}=3с.

Расчет по новой методике. В режиме динамического мониторинга на интервале времени (t₁<t<t₂) измеряют температуру открытой поверхности контакт-детали T₁(τ⁽ⁱ⁾), i=1, 2, …, m (m<n) (фиг. 4, табл. 4), затем по формуле (3) при заданных в табл. 2, 3 параметрах и T₀=90°С, I_max=20 кА вычисляют соответствующие значения УКДС .

Затем по формуле (6) вычисляют время срабатывания защиты КС от перегрева τ_max, ₂=3с по новой методике для всех τ⁽ⁱ⁾ (табл. 4). Времена срабатывания защиты от перегрева КС по методике прототипа и предлагаемой новой методике τ_{max, 1} и τ_{max, 2} оказались равными, потому что в табл. 4 для вычисления УКДС использовались точные измерения температуры открытой поверхности контакт-детали T₁(τ⁽ⁱ⁾), i=3, 4, 5 (см. табл. 3).

В таблице 5 приведены результаты вычисления времени срабатывания защиты КС от перегрева по предлагаемой методике τ_{max, 2} для всех τ⁽ⁱ⁾, i=3, 4, 5, полученные по температурам открытой поверхности контакт-детали, измеренным с погрешностью 2°С. Они отличаются от точного значения τ_{max, 2}=3с на 0,04 с; 0,03 с и 0,02 с соответственно.

Для повышения достоверности результата вычисления времени срабатывания защиты КС от перегрева в формуле (6) используют математическое ожидание величины УКДС в момент времени , равное в данном случае подставляя которое в (6), снова получают τ_{max, 2}=3с.

В этом примере показано повышение качества определения времени срабатывания защиты симметричного болтового соединения прямоугольных шин от перегрева прямоугольным импульсом тока за счет перехода к предлагаемому в изобретении способу: достоверность повышена за счет вычисления постоянной величины УКДС данного контактного соединения с трехкратной повторностью (три измерения температуры открытой поверхности контакт-детали выполнены с погрешностью 2°С) и принятия в качестве измеренного значения УКДС в момент времени среднего арифметического значения этой величины, вычисленных по температуре открытой поверхности T₁(τ⁽ⁱ⁾), измеренной в моменты времени t=τ⁽ⁱ⁾, i=3, 4, 5; скорость определения времени срабатывания защиты от перегрева КС повышается за счет уменьшения количества точек измерения температуры и упрощения расчетных формул (объема вычислений в формулах (4), (6) значительно меньше, чем в формулах (1), (2) совместно с формулами для расчета коэффициентов линейной регрессии).

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение точности и быстродействия 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 при достижении контактной поверхностью максимально допустимой температуры. В режиме мониторинга измеряют значение прямоугольного импульса тока и сравнивают с заданным пороговым значением, при этом учитывают значение условно-контактного динамического сопротивления. 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, затем осуществляют пересчет измеренных в ходе динамического мониторинга значений температуры доступной для прямых измерений внешней поверхности контакт-детали, затем вычисляют математическое ожидание величины условно-контактного динамического сопротивления и определяют момент времени до отключения коммутационного аппарата. 5 ил., 5 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, в режиме мониторинга измеряют значение прямоугольного импульса тока и сравнивают измеренную величину с заданным пороговым значением испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока, отличающийся тем, что учитывают значение условно-контактного динамического сопротивления и 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+mΔt,

где t₁ - время начала нагрева по линейному закону,

l - толщина контакт-детали,

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

Δt - шаг измерений,

m - число измерений значения условно-контактного динамического сопротивления,

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 в соответствующие значения условно-контактного динамического сопротивления (УКДС), одновременно учитывающего как изменение переходного контактного сопротивления R_К, так и эффективной площади контактной поверхности S_ЭФ=k_ПРS (S - площадь нахлестки контакт-деталей (условная площадь контактной поверхности), k_ПР(k_ПР<1) - коэффициент приведения условной площади к эффективной (фактической) площади контактного соединения), как функции прямоугольного импульса тока I_max, по формуле:

где T₀ - значение температуры открытой поверхности контакт-детали в момент начала действия импульса,

τ⁽ⁱ⁾ - отсчет времени,

T_max - максимально допустимая для данного контактного соединения температура;

I_max - измеренное значение испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока;

l - толщина контакт-детали,

S - площадь нахлестки контакт-деталей (условная площадь контактной поверхности);

с, λ - удельная теплоемкость и теплопроводность материала контакт-детали, затем вычисляют математическое ожидание величины УКДС в момент времени , равное

,

и определяют τ_max - момент времени до отключения коммутационного аппарата