Реле перегрузки Советский патент 1992 года по МПК H02H3/08 H02H5/04 H01H83/20 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты электрических сетей, и предназначено для защиты электрических сетей, в том числе контактных сетей электрического транспорта, от токов длительных и повторяющихся перегрузок.

При коротких замыканиях, возникающих вне защищаемого участка сети, или при длительных перегрузках, когда ток в линии существенно превосходит номинальное значение, происходит чрезмерный нагрев проводов. Нагрев свыше

допустимой температуры, если он продолжается достаточно продолжительное время, приводит к потере проводами механической прочности и их разрыву, т,е. аварии электрической сети. Для предотвращения таких аварий служат реле перегрузки - токовые реле с зависимой выдержкой времени fjj .

Известно реле перегрузки с зависимой выдержкой времени, величина которой автоматически сокращается при повторной перегрузке на величину, зависящую от интервала времени между повторными перегрузками XI Этим | 1

Ю О

мым учитывается процесс остывания проводов сети между повторными перегрузками. Устройство содержит входно блок (датчик тока), функциональный преобразователь, реверсивный счетчик генератор импульсов и регистрирующий блок.

В том случае, если перегрузка была не долгой и реле по подало команды на реагирующий блок, в реверсивном счетчике оказалось накоплено по импульсов. При исчезновении переимпульсов с посто- опорожняет ревер- время

грузки генератора янной частотой f сивный счетчик за

АЈ

CJ

no/f

где i L. c t - величина сокращения времени срабатывания защиты, учитывающая on процесс охлаждения провода после его нагрева предыдущей перегрузкой.

Недостатком известного устройства является неточное определение времени поскольку при этом не учитыва-25 ются климатические условия охлаждения провода, а также величина тока в сети в промежутке между смежными перегрузками.

I

Сказанное иллюстрируется графиком на фиг.2, где по оси абсцисс отложены время Ј , а по оси ординат температура провода. На этом графике показана длительно допустимая температура t в виде горизонтальной линии. Пусть в результате перегрузки провод нагрелся до температуры t,, затем перегрузка закончилась и провод начинает остывать. Кривая изменения температуры провода при отсутствии в нем тока обозначена цифрой 1. Кривая изменения температуры провода при наличии в нем тока (меньшего тока перегрузки) обозначена цифрой 2. Время снижения тем30

J5

40

45

пературы провода от 11 до to. в первом случае равно А С е- Ј, , во втором случае й Ча z Как видно из фиг.2.

45

иЈ„

существенно различны

и

времена

и могут отличаться в несколько раз далее на порядок, В то же время в 50 известном устройстве такое различие не учитывается, а для надежности приходится устанавливать , максимально возможным, иначе не может быть гарантирована защита от перегрева при 55 повторных нагрузках, В реальных условиях это может приводить к неоправданным лишним отключениям Линии, т.е.

10

15

on

25

771964

к снижению устойчивости электроснабжения потребителей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа реле перегрузки д, содержащее датчик тока (входной блок), функциональный преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик, пороговый элемент, дешифратор, первый и второй логические элементы И. Принцип формирования величины сокращения времени срабатывания защиты, учитывающей процесс охлаждения провода после его нагрева предыдущей перегрузкой, такой же как в J2J. Накопленное в реверсивном счетчике число импульсов по постоянно уменьшается до нуля путем подключения генератора стабильной частоты f к входу обратного счета реверсивного счетчика. При этом uЈcr. M0/f, Недостатком известного устройства является неточное определение величины сокращения времени срабатывания защиты, учитывающей процесс охлаждения провода после его нагрева предыдущей перегрузкой, поскольку при этом не принимаются во внимание главные условия охлаждения провода: наличие или отсутствие ветра, тока в проводе, а также температуры окружающей среды,

Целью изобретения является повышение точности работы за счет автоматического сокращения времени срабатывания, учитывающего процесс охлаждения провода после его нагрева предыдущей перегрузкой.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее датчик тока, первый функциональный преобразователь напряжения в частоту, первую и вторую логические ячейки, пороговый элемент, реверсивный счетчик импульсов и первый дешиф30

J5

40

45

ратор дополнительно включены датчики скорости ветра и температуры окружающей среды, квадратор, умножитель, первый и второй сумматоры, второй преобразователь напряжения в частоту, второй дешифратор, логические ячейки ИЛИ и НЕ, источник стабильного напряжения, первый, второй и третий блоки переменного коэффициента и функциональный преобразователь напряжения, причем вход второго дешифратора присоединен к выходу реверсивного счетчика импульсов, выход этого

5 1

дешифратора подключен к первому входу логического элемента ИЛИ, второй вход которого присоединен к выходу порогового элемента, а выход подключен через логический элемент НЕ к первому входу второго логического элемента И, к второму входу которого подключен выход второго преобразователя напряжения в частоту, вход квад ратора подключен к выходу датчика тока, а его выход через первый блок переменного коэффициента присоединен к первому блоку первого сумматора, к выходу которого подключен вход второго преобразователя напряже ния в частоту, датчик скорости ветра через функциональный преобразователь напряжения подключен к первому входу умножителя, выход которого присоеди нен ко второму входу первого сумматора, источник стабильного напряжения через третий блок переменного ко эффициента присоединен ко второму . входу второго сумматора, выход которого подключен ко второму входу умножителя .

Реле перегрузки (см. фиг. 1) содержит следующие блоки: 1 - датчик тока в защищаемом-проводе (преобразователь переменного или постоянного тока в постоянное напряжение)J 2 - функциональный преобразователь напряжения в частоту, формирующий необходимую для реле зависимость между током провода и частотой импульсов, определяющих выдержку времени на срабатывание при перегрузке провода} логические элементы И k - реверсивный счетчик числа импульсов} 5 дешифратор условий срабатывания (нахождения в счетчике заданного числа импульсов N)} 6 - пороговый элемент} 7 логический элемент ИЛИ{ 8 - логический элемент НЕ} 10 - дешифратор полностью опорожненного состояния реверсивного счетчика импульсов} 11 - квадратор , 12, 14, 19 - первый, второй и третий блоки переменного коэффициентаj 13 - датчик скорости ветра (преобразователь скорости ветра в пропорциональное напряжение), 1 - функциональный преобразователь напряжения, с нелинейной характеристикой вход-выход, отражающий зависимость коэффициента теплоотдачи провода от скорости ветра} 15 - умножитель4, 16,22 - первый и второй сумматоры1, 17 - преобразо771966

ватель напряжения в пропорциональную частоту) 18 - датчик температуры окружающей среды (преобразователь тем- ,. пературы в пропорциональное напряжение) , 20 - источник стабильного напряжения.

Устройство работает следующим образом. Функциональный преобразовачо тель напряжения в частоту 2 формирует

импульсы напряжения с частотой, кото-, рая заданным образом зависит от величины тока в защищаемом проводе,измеряемым датчиком тока 1. Если ток в 15 проводе превысит заранее заданное значение, что сработает пороговый элемент, который откроет логический элемент И 3. При этом импульсы преобразователя 2 поступают на вход прямого

20 счета реверсивного счетчика 4. Когда

число импульсов в счетчике k достигает заданной величины N, дешифратор 5 подает сигнал на отключение тока в проводе. Выдержка времени на срабаты25 вание реле определяется частотой преобразователя 2, т.е. временем накопления числа импульсов N если счетчик k предварительно был полностью опорожнен.

30 Однако, если перегрузка исчезла раньше, чем в счетчике 4 накопилось N импульсов, то пороговый элемент 6 вернется в исходное положение и запрет логическую ячейку И 3. При этом

«к поступление импульса на вход прямого счета счетчика k прекращается. Поскольку перегрузка закончилась, то провод начинает остывать, но если вновь возникает перегрузка при е.ще

40 не остывшем проводе, то выдержку времени на срабатывание надо сокращать и тем больше, чем меньше остыл провод. Иначе возможен пережог провода.

Сокращение выдержки времени осу45 Ществляется следующим образом. При исчезновении перегрузки, когда пороговый элемент 6 вернется в исходное положение, он через логические элементы ИЛИ 7 и НЕ 8 открывает логическую

50 ячейку И 9« Импульсы напряжения преобразователя напряжения 17 с определенной частотой поступают на вход обратного счета реверсивного счетчика А, опорожняя его, Время опорожнения

ее счетчика 4 определяется временем остывания провода,Когда счетчик k полностью опорожнится, второй дешифратор 10 подает сигнал логическая единица на вход логического элемента ИЛИ 7, что приведет., с учетом действия логического элемента НЕ 8 к запиранию логического элемента И 9 и устройство перейдет в режим ожидания.

Если же повторная перегрузка появится до того, как счетчик k полностью опорожнится, то вновь сработает пороговый элемент 6, откроет логическую ячейку 3 и счетчик k вновь будет заполняться импульсами. Однако в этом случае накопление импульсов в счетчике начинается не от нуля, а от того начального числа импульсов, которые остались в счетчике в процессе неполного его опорожнения. Из-за этого накопления N импульсов в счетчике Ц происходит за более короткое время, т.е. происходит автоматическое сокращение времени срабатывания, учиты- вающего процесс охлаждения провода после его нагрева предыдущей перегрузкой,

Формирование требуемой частоты импульсов преобразователя напряжения в частоту 17 осуществляется квадратором 11, умножителем 15 датчиками скорости ветра 13 и температуры окружающей среды 18, функциональным преобразователем напряжения 1, сум- маторами 16 и 22, а также блоками переменных коэффициентов 12, 19, 21. Сигнал на выходе блока 12 равен U Kyi2, где I - ток защищаемого провода. Сигнал на выходе функцио- нального преобразователя 14 равен U,4 где об - коэффициент теплоотдачи провода. Сигнал на выходе блока 19 равен U ,9 Ке toKp , где tOKp - температура окружающей среды. Сигнал на выходе блока 21 равен Kj . Коэффициенты К, Кг, Къ - постоянные, величина которых может регулироваться Сигнал на выходе сумматора 22 равен U22 U2,-U,9 К1 - К-г 1:0{р , Сигнал на выходе умножителя 15 равен 1% U22U,4(K,-K2t0((p )v: . Сигнал на выходе сумматора 16 равен Ufg Ut5--U,2 (K,-K2tOKp) tf- I2K5. Сигнал U,Ј преобразуется в пропорциональную ему частоту преобразователем 17. Таким образом моделирование процесса охлаждения провода осуществляется частотой импульсов преобразователя 17, пропорциональных напряжению U,:

f fCKt-K p -K,

- (Kj-Kjte.tpte-K j P.(1)

0 &j+ (8. e

,л- Аь

где Kj - коэффициент пропорциональности между напряжением Ufg и частотой преобразоватег , ля 17 RJ,. Кг,

постоянные коэффициенты, Известно, что процесс нагревания (или остывания) проводника с током описывается выражением

(2)

° где О - перегрев проводника, т.е.

превышение его температуры

над температурой окружающей

среды,°С{

°«j - установившийся перегрев, С; 0i - начальный перегрев,0С , А - величина, обратная постоянн

времени нагрева, 1/с , t .- текущее время, с. При этом величины Qy и А вычисляются по формулам

F0i

Гт

л

КГ

(3)

где F - площадь поверхности единицы длины проводника, м2/м,

С - удельная теплоемкость металла проводника, Вт-с/(кг С),1

m - масса единицы длины проводника, кг/м;

of- коэффициент теплообмена,включающий все виды охлаждения (коэффициент теплоотдачи),

вт/(м2.°с);

I - ток, протекающий по проводнику, А , г - сопротивление единицы длины

проводника, Ом/м . Если начальный перегрев проводника был в|, то время Ј , в течение которого перегрев снизится до в , определится из (2)

f - 1 in Ј:fl(4)

А Q - Bu

Время Ј &Ј« , в течение которого температура проводника снизится от начального значения t, до длительно допустимой температуры (см, фиг.2), получим из (4), имея в виду, что

t Q + t

Окр

где tOK- - температура окружающей среды,0С

1 . t А 1П

tn .Ј СГ

1 ln c.: Јi/ti( ,

А 1 - vy(5)

где tu - установившаяся температура при с , определяемая прибавлением tOK- 0i

к величине «а «Л

За время необходимо сброси до нуля максимально возможное число импульсов в реверсивном счетчике 4, которое не привело к срабатыванию реле из-за того, что перегрузка прератилась. Это число импульсов равно N-1. Для того, чтобы сбросить N-1 импульсов за время необходима частота преобразователя 17, равная f (7 (М-1)/дЈсг, или учитывая выра

(7 жение

с

(5)

А(КЧ)

i;iXi5/Ii

« ;:I:-: ZE (

1-V4

Обозначим р f17/A(N-1).

На фиг.З приведена зависимость р от , из которой следует, что с высокой степенью точности имеет место следующая аппроксимация

..

()a-b -t.a-b(9 +t0kp )

а 1/ln(t,) Ь- 1/tc,,

(7

Учитывая выражения (3), (6) и (7) имеем:

f,(N-1);F(N-1

С mln(t1 /to )

F(NH)

С mtn

(к ( -к

-окр

К r(N-1)

С mt

I2

§

I tow

де К,

)«- K; I

F(NZ1)

С mln(t(/t,)

к:

к

.F(N3i)

С m to

rOM) С тп

Для надежности t выбирается равной допустимому значению при минимальной выдержке времени на срабатывание реле, Выражение (8) совпадает с (1), что обосновывает получение устройством (см. фиг.1) положительного эффекта, заключающегося в повы

ь20

)

15

35

40

шении точности работы реле перегрузки при автоматическом выборе величины сокращения времени срабатывания п при повторяющихся перегрузках.

Формула изобретения

Реле перегрузки, содержащее -датчик 10 тока, первый функциональный преобразователь напряжения в частоту, первую и вторую логические ячейки И, пороговый элемент, реверсивный счетчик импульсов и первый дешифратор, при этом вход первого функционального преобразователя напряжения в частоту и пороговый элемент подключены к датчику тока, выход функционального преобразователя напряжения в частоту подключен к первому входу первой логической ячейки И, второй вход которой подключен к выходу порогового элемента, а выход присоединен к входу прямого счета реверсивного счетчика 25 импульсов, к входу обратного счета которого подключен выход второй логической ячейки И, а к его выходу присоединен первый дешифратор, отличающееся тем, что, с- 30 целью повышения точности работы при автоматическом выборе величины сокращения времени срабатывания, учитывающей процесс, охлаждения провода после его нагрева предыдущей перегрузкой, в него дополнительно включены датчики скорости ветра и температуры окружающей среды, квадратор,

умножитель, первый и второй сумматор, второй преобразователь напряжения в частоту, второй дешифратор, логические ячейки ИЛИ и НЕ, источник стабильного напряжения, первый, второй и третий блоки переменного коэффициента и функциональный преобразователь напря45 жения, при этом вход второго дешифратора присоединен к выходу реверсивного счетчика импульсов, выход второго дешифратора подключен к первому входу логического-элемента ИЛИ, второй

50 вход которого присоединен к выходу порогового элемента, а выход подключен через логический элемент НЕ к первому входу второго логического элемента И, к второму входу которого подключен вы55 Х°Д второго преобразователя напряжения в. частоту, вход квадратора подключен к выходу датчика тока, а его выход через первый блок переменного коэффициента присоединен к первому входу

первого сумматора, к выходу которого подключен вход второго преобразователя напряжения в частоту, датчик скорости ветра черкез функциональный преобразователь напряжения подключен к первому входу умножителя, выход которого присоединен к второму входу первого сумматора, датчик температуры

окружающей среды через второй блок . переменного коэффициента присоединен к первому входу второго сумматора, источник стабильного напряжения через третий блок переменного коэффициента присоединен к второму входу второго сумматора, выход которого подключен к второму входу умножители.

Использование: электротехника, а именно техника релейной защиты электрических сетей. Реле предназначено для защиты электрических сетей и контактных сетей электрического транспорта от токов длительных и пов-; теряющихся перегрузок. Сущность изобретения: реле перегрузки содержит датчик тока, функциональный преобразователь частоты, реверсивный счетчик импульсов, логические элементы и дешифратор, Новым в реле является применение датчиков скорости ветра и температуры окружающей среды, квадратора, умножителя, второго преобразователя напряжения в частоту, двух сумматоров, второго дешифратора, логических элементов ИЛИ и НЕ, источника стабильного напряжения, трех блоков переменного коэффициента и функционального преобразователя напряжения. При исчезновении перегрузки реверсивный счетчик импульсов опорожняется со скоростью, определяемой скоростью остывания защищаемого провода с учетом величины тока в нем, скорости охлаждающего ветра, и температуры окружающей среды. 3 ил. сл с

и

ш.

22

Т.

Фиг. 2

,с

Ј

0fce, 1

0,2 0,4 0,6 QS W fytf -

9uS.Z