Способ защиты проводов электрической сети от перегрева Советский патент 1993 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.

При перегрузках электрической сети происходит нагревание ее проводов. Нагрев провода приводит к увеличению стрелы провеса и снижению его механической прочности. Для электрических линий напряжением 6, 10, 35, 110 кВ вследствие сравнительно небольших длин пролетов между опорами увеличение стрел провеса, как превило, не опасно. Для воздушных линий не возникает опасных явлений в отношении их габаритов, и перегрузка возможна на 30- 40%, а в ряде случаев и до 50-60%.

Чем выше перегрузка, т.е. чем больше нагревается провод, тем быстрее теряется его механическая прочность. Потеря механической прочности приводит к обрыву провода, т.е. к аварии в электрической сети. Предотвращение подобных аварий осуществляется защитой от перегрева. Однако, не каждую перегрузку необходимо немедленно отключать даже в том случае, если темпеVI00 ON СЛ 00 СЛ

ратура провода превышает нормативное длительно допустимое значение. Отключение сети приводит к перерывам электроснабжения потребителей электроэнергии и существенному ущербу. Поэтому, если длительность перегрузки невелика и провод подвергается воздействию высокой температуры настолько непродолжительное время, что его мвханичебкая прочность не снижается, то линию отключать не следует. И, только в тех случаях, когда провод подвергается действию высокой температуры достаточно долго, и это может вызвать обрыв провода, линию надо отключать. Отсюда следует, что при перегрузках отключение должно происходить с выдержкой времени, причем эта выдержка должна быть тем меньше, чем выше температура провода. Известно устройство, в котором команда на отключение подается сразу при возрастании температуры сверх длительно допустимого значения, т.е. без выдержки времени. Способ формирования команды на отключение при перегреве без выдержки времени обладает тем недостатком, что снижает надежность и устойчивость электроснабжения.

Известно устройство для защиты контактной сети от перегрева током, в котором выдержка времени зависит от температуры защищаемого провода. В описании к этому устройству не формулируется способ формирования выдержки времени, однако на основе анализа принципа действия эта формулировка может иметь следующий вид: Способ определения выдержки времени, при котором измеряют температуру провода сети, нелинейно преобразуют ее в первый электрический сигнал, формируют второй электрический сигнал, начиная с момента превышения температурой длительно допустимого значения, увеличивающийся пропорционально текущему времени, сравнивают второй сигнал с первым и при превышении формируют команду на отключение сети.

Аналитическая модель (математическое выражение) этого способа имеет вид:

,Гд Т(г).д1,

где т - текущее время, начиная с момента превышения температурой провода t .длительно допустимого значения т.д (t т.д);

тд - допустимая выдержка времени, т.е. промежуток времени от момента превышения температурой провода t длительно допустимого значения т.д до момента

формирования команды на отключение сети;

-зависимость допустимой выдержки времени тд от температуры провода.

Способ, реализованный в устройстве, принят в качестве прототипа. Его недостатком является то, что остается неизвестным, как именно, по какому закону f(t) первый электрический сигнал преобразуется в требуемую для данной температуры выдержку времени. Не зная этого закона, нельзя выбрать выдержку времени при использовании устройства для защиты сетей, состоящих из проводов равного сечения и

различного металла, поскольку такие провода обладают разной термической стойкостью и различной зависимостью механической прочности от длительности воздействия температуры. В связи с этим,

прототип не обеспечивает условий точной работы для проводов разных сечений из разного металла. Кроме того, в известном способе предполагается, что температура провода, в соответствии с которой формируется выдержка времени, существует все время, начиная с момента появления второго электрического сигнала и она не меняется. На самом деле температура выше длительно допустимой может изменяться,

например, нарастать. Это снижает точность определения выдержки времени, т.е. точности защиты.

Целью изобретения является повышение точности определения допустимой выдержки времени защиты проводов электрической сети от перегрева за счет более точного учета зависимости между температурой, временем ее воздействия и механической прочностью провода.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в измерении температуры провода, фиксации момента превышения ею длительно допустимого значения, нелинейном преобразоаании температуры в первый электрический сигнал, формировании второго электрического сигнала и формировании команды на отключение по результатам сравнения первого и второго электрических сигналов, измеряют, начиная с момента превышения температурой длительно допустимого значения, следующие последовательно друг за другом интервалы времени т, в каждом 1-ом интервале времени измеряют абсолютную

температуру провода Т| и формируют первый электрический сигнал, пропорциональный величине а т exp(C2-Ci/Ti), где Ci и С2 - постоянные, зависящие от материала и конструкции провода, формируют второй

электрический сигнал, пропорциональный постоянной величине К3, суммируют величины первых электрических сигналов ai всех последовательно следующих друг за другом интервалов времени т и при превышении этой суммой величины второго электрического сигнала формируют команду на отключение сети.

Кроме того, интервалы времени т принимают по крайней мере в 50 раз меньше постоянной времени нагрева провода, постоянную величину К3 принимают положительной со значением меньше единицы, и принимают для медных и бронзовых многопроволочных проводов Ci 11500, С2 23,84, для сталемедных многопроволочных и контактных проводов Ci 16600, С2 35,15, для алюминиевых и сталеалюминие- вых многопроволочных проводов Ci 30800, С2 50,28, для медных и бронзовых контактных проводов Ci 10100, С2 20,40, для медных низколегированных контактных проводов Ci 12130, С2 24,59, для бронзовых термостойких контактных проводов Ci 4800,02 3,99.

Аналитическая модель предлагаемого способа имеет вид:

i , i 1

или

2 г iexp(C2-Ci/Ti) Кз; Кз 1; Ti Тд,

i 1

где г -длительность 1-го интервала, являющегося составной частью выдержки времени; Т| - абсолютная температура провода, измеренная в 1-ом интервале; п - число последовательных интервалов, составляющих в сумме выдержку времени; Тд - длительно допустимая абсолютная температура провода.

Сравнение содержания и последовательности операций в известном и заявляемом способах показывает следующее. В известном способе первый электрический сигнал формируется в зависимости только от измеряемой температуры провода по неизвестному закону. В заявляемом способе первый электрический сигнал формируется по определенному закону в зависимости от абсолютной температуры провода и длительности принятых интервалов времени. В известном способе второй электрический сигнал изменяется пропорционально времени, в заявляемом способе второй электрический сигнал остается неизменным. В заявленном способе осуществляется суммирование первых электрических сигналов для всех следующих друг за другом последовательных интервалов времени. В извест- ном способе такой операции не предусмотрено.

Предложенная последовательность операций позволяет получить новые свойства защиты. Одно из них заключается в том, что заявляемые зависимости, по которым формируются первый и второй электрические сигналы, позволяют научно обоснованно установить (отрегулировать) такие

условия работы защиты, при которой она учитывает конкретные параметры и свойства любого защищаемого провода. Второе заключается в том, что в предложенном способе учитывается действительное термическое (суммарное) воздействие на провод при изменяющейся температуре в течение всех интервалов времени, предшествующих моменту срабатывания защиты. В прототипе же суммарное термическое воздействие

принимается равным тому, которое имеет место при температуре, соответствующей моменту срабатывания. Если же до момента срабатывания температура изменялась, то выдержка времени в прототипе определяется не точно.

При воздействии на провод высокой температуры его прочность через определенное время снижается, и он может оборваться. Чтобы этого не произошло,

необходимо ограничить промежуток времени воздействия температуры такой величиной, при которой механическая прочность провода еще сохраняется. Такой промежуток времени и определяет допустимую выдержку времени защиты от перегрева. Следовательно, для обоснованного выбора выдержки времени следует обратиться к теории термической прочности металлов. В частности, для меди, алюминия, их сплавов,

для стали, т.е. материалов, используемых в проводах электрической сети, одна из широко используемых моделей, которая носит название зависимости Ларсона-Миллера, имеет вид:

Тр exp(Ci/T-C2) (273 +1) -

где Тр - время до разрушения металла, с; Т 273 +1 - абсолютная температура металла, К; t - температура металла, °С; Тд - длительно допустимая абсолютная температура металла, К; Ci, C2 - постоянные, зависящие от металла и конструкции провода.

Однако для проводов электрических сетей значения этих постоянных в известной литературе не приводятся.

Экспериментальные и теоретические исследования авторов позволили установить, что для медных и бронзовых многопроволочных проводов Ci 11540, €2 23,84; для сталемедных многопроволочных проводов Ci 16600, 02 35,15; для алюминиевых и сталеалюминиевых многопроволочных проводовiCi 20820, С2 50,28; для медных и бронзовых контактных проводов Ci 10100, Ci- 20,40; для низколегированных контактных проводов Ci 12130, €2 24,59; для бронзовых термостойких контактных прб водов d 4800, С2 2,99; для сталемедных контактных проводов Ci 1600, Са

35.25: -

П р и воздействии на провод температуры bW не будет разрушен, если длительность воздействия г будет меньше времени до разрушения tp(r гр). Отсюда следует, что при неизменной температуре Т макси- мал ъ но Допустимая выдержка времени г может определена из условия т Кз tp #р7 гд ё К3 - коэффициент запаса. Это ус- лоййе йШл ётвЬряется при К3 1. Т.о., при К3 1 и Т const максимально допустимая выдержка вр ёмени может быть вычислена по формуле г/Тр Э: К3. Подставляя в послед- неё вьТрс1ж:ение формулу (2), получим усло- виеТ сЪблюдёние которого обеспечивает наибо л шую допустимую выдержку времени, не приводящую к разрушению провода (с учётом известной зависимости 1 /ех е х):

r/exp(Ci/Ti-C2) г exp(C2-Ci/T) К3,

КзП;Т Тд

.; .-« v .

(3)

Формулы (2) и (3) справедливы для одной неизменной температуры Т. В реальных условиях температура провода изменяется при изменении величины тока в электрической сети . Условия (2) и (3) предлагается распространить на изменяющуюся темпе- ратуру Т следующим образом. Как только температура провода Т превысит длительно допустимое значение Тд, начинают отсчет времени т. При этом время т делится на отдельные последовательно следующие друг за другом малые интервалы т, где i - номер интервала (i 1, 2, 3, .... п). Внутри каждого малого интервала т измеряется температура провода ТП, которая в течение этого интервала принимается неизменной. Для каждого интервала времени т вычисляется величина aj -т exp (C2-Ci/Ti),

где ai - доля ресурса термической стойкости, израсходованная в интервале времени TI. Полный ресурс найдем в виде суммы величин ai для последовательно следующих интервалов т. В таком случае условие (3) принимает вид:

10

Z пехр(С2-С1/ТО К3, К3 1; Ti Тд, (4)

где п - число малых интервалов т, следующих друг за другом, при котором выполняется условие (4). Выражение (4)

тождественно равно (1), что доказывает положительный эффект и достижение цели предложенным способом. Выражение(4) является тем более точным, чем меньше выбирается длительность каждого из интервалов

П. Расчеты показывают, что для получения технически обоснованной точности при изменяющейся температуре каждый из интервалов времени должен быть по крайней мере в 50 раз меньше постоянной времени

нагревания провода.

Выражение (4) доказывает, что предлагается последовательность операций по сравнению с прототипом, обеспечивает повышение точности определения выдержки

времени защиты за счет учета параметров и свойств конкретных запрещаемых проводов, за счет учета действительного закона термической прочности металла и за счет учета действительного суммарного ресурса

термической стойкости металла проводов при изменяющейся нагрузке.

Формула изобретения 1. Способ защиты проводов электрической сети от перегрева, при котором измеряют температуру провода, фиксируют момент превышения им длительно допустимого значения, нелинейно преобразуют температуру в первый электрический сигнал, формируют второй электрический сигнал и формируют команду на отключение по результатам сравнения первого и второго электрических сигналов, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности путем более достоверного определения выдержки времени, измеряют, начиная с момента превышения температурой длительно допустимого значения, длительность следующих последовательно друг за другом интервалов времени т, а в каждом

1-м интервале времени измеряют абсолютную температуру провода П и формируют первый электрический сигнал, пропорциональный величине ai riexp(C2-Ci/Ti), где Ci и С2 - постоянные, зависящие от материала и конструкции провода, формируют второй

электрический сигнал, пропорциональный постоянной величине, суммируют величины первых электрических сигналов ai всех последовательно следующих друг за другом интервалов времени т и при превышении этой суммой второго электрического сигнала формируют команду на отключение сети.

2. Способ по п,1,отличающийся тем, что каждый из интервалов времени т принимают по крайней мере в 50 раз меньше постоянной времени нагрева провода.

3. Способ по п.1,отличающийся тем, что постоянную величину принимают

0

5

положительной со значением меньше единицы.

4. Способ п. 1,отличающийся тем, что принимают для медных, бронзовых проводов Сч 11500, С2 23,84, для сталемед- ных многопроволочных и контактных проводов Ci 16600, С2 35,25, для алюминиевых и сталеалюминиевых многопроволочных проводов- Ci 20800, Cz 50,28, для медных и бронзовых контактных проводов -Ci 10100, Са 20,40, для медных низколегированных контактных проводов - Ci 12130, С2 24,59, для бронзовых термостойких контактных проводов- Ci 4800, Са 3,99.

Использование: электротехника, а именно - релейная защита, и может применяться для защиты проводов от перегрева при перегрузках. Сущность изобретения: измеряют длительность п последовательно следующих друг за другом интервалов времени, начиная с момента превышения температурой провода длительно допустимого значения, для каждого интервала времени. Измеряют абсолютную температуру провода Т|. Формируют первый электрический сигнал, пропорциональный величине а) riexp(C2-Ci/Tj), где Ci и Сг - постоянные, зависящие от материала и конструкции провода. Формируют второй электрический сигнал, пропорциональный постоянной величине Кз, суммируют величины электрических сигналов а всех следующих друг за другом интервалов времени т. При превышении этой суммой величины электрического сигнала, пропорционального Кз, формируют сигнал на отключение сети. Длительность каждого из интервалов времени т принимают по крайней мере в 50 раз меньше постоянной времени нагревания провода. Величина коэффициента Кз принимается меньше единицы. 3 н.п.ф-лы. Ё