Устройство для защиты от перегрева проводов электрической сети Советский патент 1992 года по МПК H02H5/04 H02H3/08 B60M3/00 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите, и может быть использовано для защиты проводов электрической сети от перегрева при перегрузках током.

При перегрузках электрической сети происходит нагревание ее проводов. Чрезмерный и неконтролируемый нагрев может быть опасным по двум главным причинам. Во-первых, при повышении температуры проводов возрастает стрела их провеса, вследствие чего уменьшается расстояние от нижней точки провода до Земли (габарит линии). Уменьшение габарита линии до Земли и до транспортных средств ухудшает условия электробезопасности и может явиться причиной тяжелых и человеческих жертв. Во-вторых, длительное повышение температуры снижает механическую прочность провода, что может явиться причиной его обрыва, т.е. повреждения сети и прекращения электроснабжения потребителей.

Релейная защита должна предотвращать как чрезмерное увеличение стрелы провеса провода, так и его обрыв вследствие неконтролируемого перегрева. При этом, предотвращение чрезмерного увеличения стрелы провеса должно обеспечиvj00

XI О- О

ваться отключением сети без выдержки времени как только температура провода достигнет заданного значэния. В то же время отключение линии из-за возможного снижения прочности проводов необходимо осу- ществлятьс выдержкой времени, поскольку механическая прочность зависит не только от температурь провода, но и от длительности ее воздействия.

Устройство Для защиты проводов элек- трической сети от перегрева должно обладать следующими свойствами: иметь выдержку времени, зависящую от температуры провода с учетом механической прочности; формировать команду на отключение сети, ее/in длительность воздействия данной температуры превышает допустимую выдержку времени и не формировать такой команды, если длительность воздействия данной температуры меньше допустимой выдержки времени; формировать команду на отключение сети без выдержки времени, если температура провода превысит значение, соответствующее максимально допустимой стреле провеса; иметь элементы регулировки выдержки времени применительно к конкретным проводам сети из разного металла и разных сечений.

Имеется большое число устройств, которые контролируют температуры защища- емого объекта (электрическая сеть, электрическая машина, контактная сеть и т п) с помощью температурного датчика, устанавливаемого непосредственно на защищаемом объекте. В них команда на от- ключение защищаемого объекта подается сразу (без выдержки времени) как только температура объекта превысит заданное значение. Такие устройства можно использовать для защиты от чрезмерного увеличе- ния стрелы провеса, однако, они не могут точно работать при защите от перегрева.

Объясняется это следующим.

Механическая прочность провода зависит не только от его температуры, но и от длительности ее воздействия. Так, например, медный многопроводочный трос, имеющий длительно допустимую температуру 70°С, может работать с температурой 100 С в течение 20 мин, с температурой 120°С - в течение 3 мин и с температурой 140°С - в течение 1 мин. В то же время большое число перегрузок носит кратковременный характер (1-10 мин). Если защита работает без выдержки времени, то она должна быть на- строена на 70°С. В противном случае (при настройке, например, на 100°С, допускающей работу в течение 20 мин) возможна потеря механической прочности при температуре ниже настройки (например, при

90°С), если длительность перегрузки будет значительной (часы)

С друюй стороны, каждое отключение сети лишает потребителей электроэнергии питания, что влечет за собой большой экономический и социальный ущерб Поэтому число отключений надо сокращать, Если, например, в результате перегрузки провода сети нагрелись на 120°С, но эта температура держалась не более 1 мин (допустимо 3 мин), а затем стала снижаться до 70°С (из-за появления ветра или снижения тока), то отключать сеть не требуется. Аналоги такого выбора выдержки времени в зависимости от температуры не обеспечивают, а, следовательно, и не обеспечивают точной работы при перегрузках.

Известно устройство для защиты контактной сети от перегрева током, в котором выдержка времени зависит от температуры защищаемого провода. Оно принято в качестве прототипа

Устройство содержит датчик температуры, пороговый элемент, функциональный преобразователь температуры, схему сравнения, цифроаналоговый преобразователь, генератор импульсов, реверсивный счетчик, логические элементы И и НЕ, исполнительный орган.

Формирование выдержки времени в зависимости от температуры провода осуществляется функциональным преобразователем температуры. Прототип имеет следующие недостатки: не указан закон, связывающий величину выдержки времени с температурой провода, не раскрыто устройство (схема) функционального преобразователя температуры, отсутствуют блоки регулировки параметров срабатывания применительно к проводам из разного металла и различных сечений, не обеспечивается защита от чрезмерного увеличения стрелы провеса.

Таким образом, прототип также не обеспечивает точной работы для разных конкретных условий работы, поскольку разные провода имеют различную термическую стойкость и разную зависимость механической прочности от длительности воздействия температуры, т.е. разную зависимость выдержки времени от температуры.

Целью изобретения является повышение точности работы защиты от перегрева проводов электрической сети за счет более точного определения допустимой выдержки времени в зависимости от температуры провода с учетом его механической прочности.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее первый датчик температуры, к выходу которого подключен первый пороговый элемент, функциональный преобразователь, логический элемент НЕ и исполнительный орган, дополнительно введены источник стабильного напряжения, первый и второй сумматоры, второй и третий пороговые элементы, делитель, интегратор, первый, второй, третий и четвертый блоки регулируемого коэффициента и логический элемент ИЛИ, при этом, к выходу источника стабильного напряжения подключены входы первого, второго и третьего блоков регулируемого коэффициента, выход второго блока регулируемого коэффициента подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого присоединен к выходу датчика температуры, выход второго блока регулируемого коэффициента подключен к первому входу делителя, второй вход которого присоединен к выходу первого сумматора, а выход подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого присоединен к выходу третьего блока регулируемого коэффициента, а выход подключен к входу третьего порогового элемента через последовательно соединенные, соответственно, функциональный преобразователь, четвертый блок регулируемого коэффициента и интегратор, выход первого порогового элемента подключен к входу логического НЕ, выход которого присоединен к управляющему входу интегратора, вход второго порогового элемента подключен к выходу датчика температуры, а его выход присоединен к первому входу логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу третьего порогового органа, а выход присоединен к исполнительному органу.

Кроме того, функциональный преобразователь выполняет преобразование входного сигнала в выходной сигнал, согласно выражению , а интегратор выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя напряжения в частоту и счетчика числа импульсов.

На чертеже приведена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства для защиты проводов электрической сети от перегрева. Схема выполнена по правилам ЕСКД,

Устройство содержит датчик температуры 1, подключенные к нему первый 15 и второй 17 пороговые элементы и первый вход первого сумматора 4. Оно содержит также источник стабильного напряжения 2, к выходу которого подключены блоки регулируемых коэффициентов 3,5 и 7. Выход блока регулируемого коэффициента 3 подключен к второму входу сумматора 4, выход которого присоединен к первому входу делителя 6. Выход блока регулируемого коэффициента 5 подключен к второму входу делителя б, выход которого присоединен к перзому входу второго сумматора 8. Выход блока регулируемого коэффициента 7 подключей к второму входу второго сумматора 8, к выходу которого присоединены последовательно включенные функциональный преобразователь 9, блок регулируемого коэффициента 10, интегратор 11, состоящий

0 из преобразователя напряжения в частоту 12 и счетчика числа импульсов 13, и третий пороговый элемент 14. Выход первого порогового элемента 15 через логический элемент НЕ 16 присоединен к управляющему

5 входу интегратора 11, а выход второго элемента 17 присоединен к первому входу логического элемента ИЛИ 18. Второй вход логического элемента ИЛИ 18 подключен к выходу третьего порогового элемента 14, а

0 выход элемента ИЛИ 18 подключен к исполнительному органу 19.

Датчик температуры может быть выполнен в виде тиристора, термодиода, терморезистора: позистора иТ.д.Гразмещаемого на

5 контролируемом проводе. Он может быть выполнен так же в виде пирометра или тепловизора, т.е. измерять температуру провода по его инфракрасному излучению на расстоянии, без непосредственного кон0 такта с проводом.

Делитель 6 может быть выполнен на основе интегральной микросхемы К525АС1 (7, с.131-132), функциональный преобразователь 9 может быть выполнен на основе ку5. сочно-линейных преобразователей с операционными усилителями и диодами (7, с.124-126). Интегратор 11 может быть выполнен для малых выдержек времени (единицы и десятки секунд) в виде

0 интегрирующего операционного преобразователя (7, с.93-94). Для защиты проводов требуются выдержки времени, измеряемые единицами и десятками минут, при этом, операционный преобразователь не обеспе5 чиваеттребуемой точности, т.к. его переходная функция должна быть в этом случае чрезвычайно пологой, а при этом, резко возрастает погрешность определения времени достижения этой функцией порогового зна0 чения. Кроме того, такой операционный преобразователь на большие выдержки времени требует применения конденсатора большой емкости, что делает все устройство чрезвычайно громоздким.

5 Предлагается выполнять интегратор 11 в виде последовательно соединенных преобразователя напряжения в частоту 12, выполненного, например, с использованием микросхемы КР1108ПП1 (7, с.269), и электронного счетчика числа импульсов (7, с. 167).

Блоки регулируемого коэффициента 3,5,7,10 могут быть выполнены в виде потенциометров, либо операционных усилителей с регулируемой обратной связью. Пороговые элементы 15 и 17 могут быть выполнены на операционных усилителях в виде компараторов (9, с.221), например, по схеме триггера Шмитта. Конструкция третьего порогового элемента 14 зависит от конструкции интегратора 11. Если выходной сигнал интегратора 11 является аналоговым (как, например, в интегрирующем операционном преобразователе), то элемент 14 выполняется также в виде компаратора (триггера Шмитта). Если же выходной сигнал интегратора 11 является цифровым (как, например, в предложенном устройстве с преобразователем напряжения в частоту 12 и счетчиком импульсов 13), то элемент 14 выполняется в виде типового дешифратора на интегральной микросхеме, сигнал на выходе которой появляется лишь тогда, когда выходной цифровой сигнал достигает заданного значения (равного, например, заданному числу импульсов).

Напряжение сигнала на выходе датчика температуры 1 равно Ui mrt, где гтм - коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции датчика 1; t - температура провода. Напряжение на выходе блока 3 равно Уз Ki. Напряжение сигнала на выходе сумматора 4 равно Ш Уз + Ui Ki+ + mit. Напряжение на выходе блока 6 равно Us К2. Напряжение сигнала на выходе делителя 6 равно Ue meOJs/LM) meK2(Ki + +mit), где тб - коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров делителя 6. Напряжение сигнала на выходе блока 7 равно 1/7 Кз. На Ёыходё сумматора 8 напряжение сигнала равно Ue U - Ue me K2

-Кз-,

На выходе функционального

Ki+mt

преобразователя 9 напряжение сигнала равно Ug mgexpUe. где mg - коэффициент пропорциональности функционального преобразователя 9, зависящий от конструкции, На выходе блока 10 напряжение сигнала равно Uio HUUg

Mmgexp -i.

Напряжение на выходе интегрирующего элемента 11 равно

тт

Un mil /o Uiodr тцК4ПП9/о

где ти - коэффициент пропорциональности зависящий от конструкции и параметров интегратора 11: г - текущее время.

0

5

Параметры mi.me.mg.mn являются нерегулируемыми, они зависят от конструкции, соответственно, блоков 1,6,9,11. Параметры К1,К2,Кз,К4 являются регулируемыми,

Пороговый элемент 14 переключается при условии , где Р-порог срабатывания элемента 14. Подставляя в это условие значение Un получаем:

mnldmg / + t)(1)

Разделив правую и левую части этого выражения на mnK/jmg и обозначив Р

V .

3 mi К/| mg

;:Ј-273:

1711

% C;K3 C2;273+t T

(2)

mi

получим/о ехр(С2-у- )

Выражение (2) определяет зависимости между временем срабатывания устройства г и абсолютной температурой провода Т.

Для обоснования выражения (2), определяющего выдержку предложенного устройства с учетом влияния температуры и длительности ее воздействия на провод, приведены следующие доказательства. При

воздействии на провод абсолютной температуры Т он не будет разрушаться, если длительность воздействия этой температуры токазывается меньше времени до разрушения гр, т.е. при условии г гр . Отсюда следует, что максимально допустимая выдержка времени может быть определена неравенством Кз Гр где К3 - коэффициент запаса ().

Следовательно, условие срабатывания

защиты от перегрева имеет вид гр или

.

Различные аналитические зависимости длительной прочности металла (времени до его разрушения под воздействием температуры) описаны в (8). Для металлов, из которых делают провода (медь, алюминий, сталь, их сочетания и сплавы) длительная прочность описывается широко используемой зависимостью Ларнона-Миллера:

гр ехр(С 1 /Т - С2),

Тд - абсолютное значение длительно допустимой температуры металла,

Ci. C2 - постоянное для данного металла.

Подставив это выражение в условие

срабатывания защиты, получаем,

ехр(г)

|г % К3 при условии (3)

Это выражение справедливо в том случае, если в течение времени г температура Т остается постоянной. Учитывая известные соотношения 1(ехр.х ехр (-х) и полагая, что температура Т в течение времени может изменяться, получим вместо (3):

гс

/о ехр (С2 - - у )d ,

Это выражение тождественно выражению (2), что и требовалось доказать.

Устройство работает следующим образом.

Порог срабатывания порогового органа 15 устанавливается соответствующим длительно допустимой температуре защищаемого провода Тд. Порог срабатывания порогового органа 17 устанавливается соответствующим температуре провода, при которой стрела его провеса достигает максимально допустимого значения. Если температура провода не достигла длительно-допустимого значения, то пороговый орган 15 не срабатывает и на выходе соединенного с ним логического элемента НЕ 16 имеется единичный сигнал. Этот сигнал подается на управляющий вход интегратора 11 и удерживает этот интегратор в исходном состоянии; при котором сигнал на его выходе равен нулю. Устройство в целом находится в режиме дежурства (ожидания), при котором пороговые элементы 14,15,17 находятся в исходном (несработанном) состоянии.

Если температура провода превысит длительно допустимое значение Тд, то срабатывает пороговый элемент 15 и на выходе логического элемента НЕ 16 появляется нулевой сигнал, разрешающий работу интегратора 11. На выходе этого интегратора сигнал (аналоговый или цифровой) начинает увеличиваться. Когда величина этого сигнала превысит порог срабатывания порогового элемента 14, последний переключается и на его выходе появляется единичный сигнал. Промежуток времени от момента срабатывания порогового органа 15 и до момента срабатывания порогового органа 14 образует выдержку времени, отвечающую условию (2).

Если температура провода снизится ниже длительно допустимого значения до истечения выдержки времени т, то пороговый орган 15 вернется в исходное состояние, на управляющем входе интегратора 11 появится единичный сигнал, который сбросит интегратора в нулевое состояние и устройство вновь переходит в режим дежурства.

Если температура провода выше длительно допустимого значения держится в течение времени, не менее т , определяемой условием (2), то на выходе интегратора 11 сигнал станет больше порога срабатывания порогового элемента 14, последний переключается, на его выходе появляется единичный сигнал, который через логический элемент ИЛИ 18 поступает на исполни0 тельный орган 19, осуществляющий отключение сети.

Если температура провода достигнет значения, при котором срабатывает пороговый орган 17, то на его выходе появится

5 единичный сигнал, который проходит через логический элемент 18 на исполнительный орган 19 и команда на отключение сети формируется без выдержки времени.

Датчик температуры 1, пороговый эле0 мент 15, логический элемент 16, функциональный преобразователь 9 и исполнительный орган 19 известны по прототипу. Остальные элементы схемы в прототипе отсутствуют и, следовательно,

5 являются новыми. Изучение данной и смежной областей техники не выявилиустройств, обеспечивающих зависимость (2) между контролируемой температурой и выдержкой времени на отключение сети.

0 По сравнению с прототипом устройство позволяет повысить точность работы защиты проводов электрической сети от перегрева с учетом сохранения механической прочности проводов, так и ограничения не5 допустимых стрел провеса. Устройство легко настраивается (регулируется) для защиты - каждого конкретного провода, причем, регулировка f.gx параметров осуществляется независимо друг от друга. При этом, с одной

0 стороны сокращается число необоснованных отклю ний сети (за счет использования резерва времени, обусловленного длительной прочностью металла проводов), а с другой стороны каждое отключение яв5 ляется обоснованным, благодаря адекватному учету условий нагрева. Все это повышает надежность электроснабжения потребителей.

Формула изобретения

0 1. Устройство для защиты от перегрева проводов электрической сети, содержащее датчик температуры, к выходу которого подключен первый пороговый элемент, логический элемент НЕ, функциональный

5 преобразователь и исполнительный орган, отличающееся тем, что. с целью повышения точности работы защиты от перегрева проводов электрической сети за счет более точного определения допустимой выдержки времени в зависимости от

температуры провода с учетом его механической прочности, в него дополнительно ввэдены источник стабильного напряжения, первый и второй сумматоры, второй и третий пороговые элементы, делитель, интегратор, первый, второй, третий и четвертый блоки регулируемого коэффициента и логический элемент ИЛИ, при этом к выходу источника стабильного напряжения подключены входы первого, второго и третьего блоков регулируемого коэффициента, выход первого блока регулируемого коэффициента подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого присоединен к выходу датчика температуры, выход второго блока регулируемого коэффициента подключен к первому входу делителя, второй вход которого присоединен к выходу первого сумматора, а выход подключен к первому входу второго сумматора, второй вход которого присоединен к выходу третьего блока регулируемого коэффициента, а выход подключен к входу третьего порогового элемента через последовательно соединенные

соответственно функциональный преобразователь, четвертый блок регулируемого коэффициента и интегратор, выход первого порогового элемента подключен к входу логического элемента НЕ, выход которого присоединен к управляющему входу интегратора, вход второго порогового элемента подключен к выходу датчика температуры, а его выход присоединен к первому

входу логического элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу третьего порогового органа, а выход присоединен к исполнительному органу.

2. Устройство по п.1, от л и ч а ю щее- с я тем, что функциональный преобразователь выполнен в виде преобразователя входного сигнала X в выходной сигнал Y согласно выражению .

3. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что интегратор выполнен в виде последовательно соединенных преобразователя напряжения в частоту и счетчика числа импульсов.

Использование: электротехника, а именно релейная защита, и может быть применено для защиты проводов электрической сети от перегрева при перегрузках током. Сущность изобретения: в устройство, содержащее датчик температуры, к выходу которого подключен первый пороговый элемент, функциональный преобразователь, логический элемент НЕ и исполнительный орган, дополнительно введены источник стабильного напряжения, первый и второй сумматоры, также введены второй и третий пороговые элементы, делитель, интегратор, первый, второй, третий и четвертый блоки регулируемого коэффициента и логический элемент ИЛИ. Устройство реализует следующую зависимость между допустимой выдержкой времени f и абсолютной температурой провода Т т /о exp(C2-Ci/T) d , TЈTg, , Т Тмакс, где Тд - длительно допустимая абсолютная температура для защищаемого провода, Тмакс - абсолютная температура, соответствующая максимально допустимой стреле провеса провода; Ci,C2 - постоянные для данного провода; Кз- коэффициент запаса. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.