CN101916975B - 低压插接式母线槽及其接头处的温度保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压插接式母线槽及其接头处的温度保护方法，引入有限容积法获取低压插接式母线槽及其接头从内部到外表面各点处的温度值，即求得低压插接式母线槽及其接头从内部到外表面的温度场，通过判断内部各点温度值中的最大温度值与环境温度差是否超过国标规定的内部温升，确认低压插接式母线槽及其接头是否存在故障；同时判断表面温度与环境温度差是否超过国标规定的外部温升，确认故障是否存在。克服了传统母线槽只能通过测量表面温度替代其内部温度来判断故障的缺陷，提高了母线槽中小故障电路被检测到的可能性，提高了母线槽温度保护的精度。

Description

低压插接式母线槽及其接头处的温度保护方法

技术领域

本发明涉及低压插接式母线槽的温控保护领域，具体涉及一种低压插接式母线槽及其接头的温度保护方法。 

背景技术

低压插接式母线槽，特别是其接头处，因表面氧化、松动、接触不良、过负荷等引起的过热、绝缘击穿短路等时有发生，系统中会存在一个较小的故障电流，但其值可能小到比上一级(低压配电柜出线处的)断路器的瞬时、长延时甚至剩余电流整定值还要小。这时就会发生配电系统在小故障电流情况下长期运行的情况，当经过了一定长的时间后，由于热量的积累使低压插接式母线槽及其接头处内部温度过高，最终导致短路甚至爆炸。 

公开号为CN2783580Y的中国实用新型专利申请公开说明书公开了一种低压插接式母线槽的智能控制保护技术方案，在母线槽干线处设置温度传感器，通过温度传感器检测到的温度来判断母线槽是否处于高温故障运行状态。该技术方案通过温度传感器检测到的温度只是母线槽的外表面温度，检测温度的准确度也随传感器与母线槽干线的相对位置而有所不同，无法满足国家标准GB7251.2-2006《低压成套开关设备和控制设备第2部分：对母线干线系统(母线槽)的特殊要求》中对母线槽及其接头的内部温升检测需求。 

现有技术亦未报道通过检测低压插接式母线槽在实际运行过程中其内部各点的温度来判断其内部温升，并采取相应的保护措施，从而保障电力系统安全运行的相关技术方案。 

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明公开了一种低压插接式母线槽及其接头处的温度保护方法，引入有限容积法获取低压插接式母线槽及其接头从内部到外表面各点出的温度值，即求得低压插接式母线槽及其接头的内部温度场，通过判断各点温度值中的最大温度值与环境温度差是否超过国标规定的内部温升，确认低压插接式母线槽及其接头是否存在故障；同时判断表面温度与环境温度差是否超过国标规定的外部温升，确认故障是否存在。克服了传统母线槽只能通过测量表面温度替代其内部温度来判断故障的缺陷，提高了母线槽中小故障电路被检测到的可能性，提高了母线槽温度保护的精度。 

本发明的目的是这样实现的：低压插接式母线槽及其接头处的温度保护方法，其步骤为： 

1)获取采样环境温度； 

2)采样低压插接式母线槽及其接头的各相及中性线电流，求取低压插接式母线槽及其接头的从内到外各点温度和外表面温度； 

3)将内部各点温度值进行比较，选取这批温度值中的的最大温度值； 

4)最大温度值减去环境温度差值得到低压插接式母线槽内部的温升；判断温升是否大于预设定最高内部温升，如果大于则判断内部过热，存在故障，输出报警信号。 

进一步，还包括以下步骤： 

5)将步骤1)获得的环境温度与步骤2)获得的外表面温度求差，当外表面温度高于环境温度的差值大于预设定最高外部温升时，则判断外部过热，存在故障，输出报警信号； 

进一步，步骤2)包括如下步骤： 

21)采用有限容积法将低压插接式母线槽及其接头沿厚度方向离散化生 成离散化控制容积；离散化边界为低压插接式母线槽及其接头的外表面； 

22)根据各控制容积能量守恒和低压插接式母线槽及其接头表面的控制容积边界条件，得到表述各控制容积节点温度的非线性超越方程组； 

其中，各控制容积能量守恒满足： 

(k_e+k_w)θ_P＝k_eθ_E+k_wθ_W+Δx²s    (1)； 

其中，θ_p位于控制容积中心为控制容积的节点；θ_w为控制容积上邻节点，位于上邻控制容积中心；θ_e为控制容积下邻节点，位于下邻控制容积中心；k_e为控制容积下界面导热系数；k_w为控制容积上界面导热系数；Δx为控制容积深度；s为内热源，满足：s＝LI²，L为常数，I为控制容积流过的电流值； 

控制容积边界条件满足： 

其中，h为表面对流传热系数，A为低压插接式母线槽及其接头表面处的控制容积与外界接触的壁面面积，ε为发射率常量，σ为斯忒藩-波尔兹曼常量，θ₀为外界环境温度，θ′_w和θ′_e分别为低压插接式母线槽及其接头上下表面处的温度，(2)式中θ′_p上为低压插接式母线槽及其接头上表面处控制容积节点温度，(3)式中θ′_p下为低压插接式母线槽及其接头下表面处控制容积节点温度； 

23)检测低压插接式母线槽及其接头的A、B、C相和中性线的电流、外界环境温度，利用TDMA解法迭代求解非线性超越方程组，得到低压插接式母线槽及其接头处从内部到外表面各控制容积节点处温度，即低压插接式母线槽及其接头处从内部到外表面任意点处的温度。 

本发明的有益效果是：在低压插接式母线槽及其接头的故障判断中，引 入有限容积法获取低压插接式母线槽及其接头从内部到外表面各点出的温度值，即求得低压插接式母线槽及其接头的内部温度场，通过判断各点温度值中的最大温度值与环境温度差是否超过国标规定的内部温升，确认低压插接式母线槽及其接头是否存在故障；除内部温升判断故障外，通过判断外表面温度与环境温度差是否超过国标规定的外部温升，也可确认故障是否存在。 

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述： 

图1为有限容积法对低压插接式母线槽的离散划分示意图； 

图2为低压插接式母线槽的上表面边界处的控制容积示意图； 

图3为低压插接式母线槽的下表面边界处的控制容积示意图； 

图4为低压插接式母线槽或其接头的温度保护流程图。 

具体实施方式

以下将对本发明的优选实施例进行详细地描述。 

本发明公开了低压插接式母线槽及其接头处的温度保护方法，通过判断低压插接式母线槽及其接头的内部各点是否过热或者外部是否过热，来判断低压插接式母线槽及其接头处是否存在故障，如图4所示，其步骤为： 

1)各传感器及采集电路初始化； 

2)在低压插接式母线槽及其接头外界(例如，低压配电房内、电气竖井内等)设置温度传感器采样环境温度； 

3)采样各相和中性线电流，求取低压插接式母线槽及其接头从内到外各点温度和上下表面温度； 

4)将内部各点温度值进行比较，选取这批温度值中的的最大温度值；最大 温度值减去环境温度差值得到低压插接式母线槽内部温升；判断内部温升是否大于国标规定最高内部温升(根据国标设定预设定最高内部温升)，如果大于则判断内部过热，存在故障，输出报警信号； 

5)当步骤2)计算得到的上下表面温度高于环境温度的差值大于国标最高外部温升时(根据国标设定预设定最高外部温升)，则判断外部过热，存在故障，输出报警信号。 

步骤3)中低压插接式母线槽及其接头的从内到外各点温度和上下表面温度通过如下方法获得： 

图1中，低压插接式母线槽内有A、B、C和N线中有三相电流I_A，I_B，I_C和中性线电流I_n流过，将低压插接式母线槽按有限容积法划分为离散的若干控制容积，每个控制容积拥有中心点，即节点P，与控制容积上邻接有上邻控制容积节点W，与控制容积下邻接有下邻控制容积节点E，节点P和上邻节点W间有两相邻控制容积上界面w，节点P与节点E间有两相邻控制容积下界面e。 

各控制容积满足一维导热微分方程： 

$k\frac{d^{2}T}{{\mathrm{dx}}^2}+s=0---\left(1\right)$

其中，T为温度；k为导热系数，s为内热源，满足s＝LI²，L为常数，I为控制容积内流过的电流值。 

对控制容积进行积分： 

$\∫k\frac{d^{2}T}{{\mathrm{dx}}^2}\mathrm{dx}+\∫\mathrm{sdx}=0---\left(2\right)$

得到： 

(k_e+k_w)θ_P＝k_eθ_E+k_wθ_W+Δx²s    (3) 

其中，θ_p为一个控制容积的节点温度；θ_w为控制容积上邻节点温度；θ_e为控制容积下邻节点温度；k_e为控制容积下界面导热系数；k_w为控制容积上 界面导热系数；Δx为控制容积深度；s为内热源，满足：s＝LI²，L为常数，I为控制容积流过的电流值，可通过电流互感器得到。 

图2显示了低压插接式母线槽或其接头的上边界离散化情况。此时，只有P′及其下邻节点E′控制容积，没有上邻节点W′控制容积。节点P′与上邻节点W′间是上界面w′，节点P′与下邻节点E′间是下界面e′。可以认为W′和w′(控制容积上界面)重合，所以节点P′与上邻节点W′的距离为 

环境温度点0处可设置温度传感器测量环境温度。 

环境温度点0与上邻节点W′存在着对流换热和辐射换热： 

对流换热满足： 

Q_c＝hA(θ′_w-θ₀)    (4) 

其中，θ′_w为上邻节点处温度，即低压插接式母线槽或其接头上表面处的温度，θ₀为环境温度，可通过在此处设置温度传感器获得；A为控制容积与外界接触的壁面面积；h为表面对流传热系数；Q_c为对流换热热量。 

辐射换热满足： 

$Q_r=\mathrm{\ϵ\σ}({\mathrm{\θ}}_w^{\′4}-{\mathrm{\θ}}_0^4)---\left(5\right)$

其中，Q_r为辐射换热量；σ为斯忒藩-波尔兹曼常量；ε为发射率常量，可取值0.9。 

边界条件生成： 

在边界处，由式(3)(4)(5)，得到边界条件： 

其中，k_w为上界面导热系数，θ′_w为上邻节点处温度，即低压插接式母线槽或其接头上表面处的温度；θ′_p上为低压插接式母线槽及其接头上表面处控制容积节点温度。 

图3显示了低压插接式母线槽或其接头的下边界离散化情况；低压插接 式母线槽或其接头的下边界离散化情况与低压插接式母线槽或其接头的上边界离散化情况类似。其边界条件为： 

其中，θ′_e为下邻节点处温度，即低压插接式母线槽或其接头下表面处的温度；θ′_p下为低压插接式母线槽及其接头下表面处控制容积节点温度。 

温度场的确立： 

联立式(3)、(6)、(7)得到表述各控制容积节点温度的非线性超越方程超越方程组，检测低压插接式母线槽及其接头的各相和中性线电流、外界环境温度，利用TDMA解法迭代求解低压插接式母线槽及其接头处从内部到外表面各控制容积节点处温度，即低压插接式母线槽及其接头处从内部到外表面任意点处的温度。 

以上所述仅为本发明的优选并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。 

Claims (2)

1.低压插接式母线槽及其接头处的温度保护方法，其特征在于：其步骤为：

1)获取采样环境温度；

2)采样低压插接式母线槽及其接头的各相及中性线电流，求取低压插接式母线槽及其接头的从内到外各点温度和外表面温度；

3)将内部各点温度值进行比较，选取这批温度值中的最大温度值；

4)最大温度值减去环境温度差值得到低压插接式母线槽内部的温升；判断温升是否大于预设定最高内部温升，如果大于则判断内部过热，存在故障，输出报警信号；

步骤2)包括如下步骤：

21)采用有限容积法将低压插接式母线槽及其接头沿厚度方向离散化生成离散化控制容积；离散化边界为低压插接式母线槽及其接头的外表面；

22)根据各控制容积能量守恒和低压插接式母线槽及其接头表面的控制容积边界条件，得到表述各控制容积节点温度的非线性超越方程组；

其中，各控制容积能量守恒满足：

(k_e+k_w)θ_P＝k_eθ_E+k_wθ_W+Δx²s    (1)；

其中，P为控制容积的节点，位于控制容积中心；W为控制容积上邻节点，位于上邻控制容积中心；E为控制容积下邻节点，位于下邻控制容积中心；θ_P为P节点的温度值；θ_W为W节点的温度值；θ_E为E节点的温度值；节点P和上邻节点W间有两相邻控制容积上界面w，节点P与节点E间有两相邻控制容积下界面e；k_e为控制容积下界面导热系数；k_w为控制容积上界面导热系数；Δx为控制容积深度；s为内热源，满足：s＝LI²，L为常数，I为控制容积流过的电流值；

控制容积边界条件满足： 

其中，h为表面对流传热系数，A为低压插接式母线槽及其接头表面处的控制容积与外界接触的壁面面积，ε为发射率常量，σ为斯忒藩-波尔兹曼常量，θ₀为外界环境温度，θ′_w和θ′_e分别为低压插接式母线槽及其接头上下表面处的温度，(2)式中θ′_P上为低压插接式母线槽及其接头上表面处控制容积节点温度，(3)式中θ′_P下为低压插接式母线槽及其接头下表面处控制容积节点温度；

23)检测低压插接式母线槽及其接头的A、B、C相和中性线的电流、外界环境温度，利用TDMA解法迭代求解非线性超越方程组，得到低压插接式母线槽及其接头处从内部到外表面各控制容积节点处温度，即低压插接式母线槽及其接头处从内部到外表面任意点处的温度。

2.如权利要求1所述的低压插接式母线槽及其接头处的温度保护方法，其特征在于：还包括以下步骤：

5)将步骤1)获得的环境温度与步骤2)获得的外表面温度求差，当外表面温度高于环境温度的差值大于预设定最高外部温升时，则判断外部过热，存在故障，输出报警信号。 

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