CN103175632B - 电气设备实时温度计算方法和保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气设备实时温度计算方法，包括下列步骤：1）从数据存储模块中读取电气设备历史运行数据；2）计算电气设备初始温升；3）测量环境温度及电气设备的工作电流；4）计算电气设备温升及温度；5）重复步骤3）、4）。一种电气设备保护装置，包括环境温度测量模块、电流测量模块、时钟模块、数据存储模块、参数设置模块、状态指示模块、报警模块、运行状态控制模块、数据处理与控制模块、电源模块以及电压监测模块。温升计算算法根据电气设备的热特性实时计算设备的温升及温度，考虑了环境温度、散热条件以及电气设备初始温度等因素对电气设备温度的影响，可用于工作电流随时间不断变化的电气设备温度的实时计算和保护。

Description

电气设备实时温度计算方法和保护装置

技术领域

本发明涉及一种用于电气设备温度计算的方法，和根据该计算方法所计算的电气设备温度来给出报警信号或限制流过电气设备的电流的保护装置。

背景技术

电气设备工作过程产生的损耗转化为热量使电气设备温度升高，过高的温度会导致电气设备绝缘快速老化甚至烧毁电气设备。在没有故障的情况下，额定工作电流时电气设备的温度不会超过其耐受值，电气设备的工作电流超过额定值时电气设备的温度是否会超过其耐受值则与过流倍数和过流时间有关。电气设备因过流而烧毁会导致经济损失，保护装置误动作同样会导致经济损失。因此，保护装置不仅应保护电气设备免受高温损坏，而且应保证电气设备工作的可靠运行。

现有的保护普遍采用电流反时限特性作为保护特性，这种做法存在以下几个问题：第一，电流反时限特性并不是电气设备的热特性，虽然电流反时限特性有多种形式可供选择，但是其数量有限，很难找到与电气设备的热特性相匹配的电流反时限特性；第二，电流反时限特性没有考虑环境温度、散热条件以及电气设备初始温度等因素对电气设备温度的影响；第三，反时限特性难于用在电流随时间不断变化的场合。所以有必要提出一种以电气设备的热特性为保护特性的，考虑了环境温度、散热条件以及电气设备初始温度等因素对电气设备温度的影响的，可用于电流随时间不断变化的场合的电气设备实时温度计算方法和电气设备保护装置。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种实时计算电气设备温度的方法。本发明的另一目的是提供一种电气设备保护装置。

为了实现本发明的上述目的，所采用的技术方案如下，一种电气设备实时温度计算方法，其特征在于，按照以下步骤进行操作：

1）读取电气设备历史运行数据；

2）根据步骤1)所读取的数据及当前的时间计算电气设备初始温升；

3）测量电气设备的工作电流并计算电气设备的温升；

4）测量环境温度并计算电气设备的温度；

5）重复步骤3)、4)。

其中步骤2)和步骤中4)电气设备温升的算法，其特征在于，当电气设备的发热及散热条件不随时间变化时，t时刻电气设备温升θ_t按照以下算法计算：

${\mathrm{\θ}}_t=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ti}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i({\mathrm{\θ}}_{\∞}+({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_{\∞})e^{-t/{\mathrm{\τ}}_i})---\left(1\right)$

其中n是大于零的整数；

θ_ti是θ_t的分量；

k_i满足：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i=1$

θ_∞是电气设备预期稳定温升，与电气设备本身及其工作电流有关；

θ₀是t=0时的电气设备温升；

e是欧拉数；

τ_i是热时间常数。

为了使本发明的方法更具实用性，本发明还提出了一种计算电气设备温升的算法的离散形式，其特征在于，当电气设备的发热及散热条件随时间变化时，t_j时刻电气设备温升θ_j按照以下算法计算：

${\mathrm{\θ}}_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ji}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(({\mathrm{\τ}}_i{\mathrm{\θ}}_{(j-1)i}+{\mathrm{\Δtk}}_i{\mathrm{\θ}}_{\∞j})/({\mathrm{\τ}}_i+\mathrm{\Δt}))---\left(2\right)$

其中n是大于零的整数；

θ_ji是θ_j的分量；

τ_i是热时间常数；

θ_(j-1)i是θ_i在t=t_j-1时刻的值；

Δt是当前时刻t_j与上一时刻t_j-1之间的时差，即Δt=t_j-t_j-1；

k_i满足：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i=1$

θ_∞j是t_j时刻工作状态下的电气设备预期稳定温升，与电气设备本身及t_j时刻工作电流有关。

上述两种电气设备温升计算算法是本发明算法的两种基本形式，上述算法中的参数可以进行等效的合成、分解或替换，从而可以得到更多的算法形式。

电气设备温度等于电气设备温升与环境温度之和。

本发明实施例进一步提供了一种电气设备保护装置，其特征在于：该装置包括：用于为保护装置提供工作电源的电源模块、用于对数据进行处理并根据处理结果对装置进行控制的数据处理与控制模块以及与该数据处理与控制模块连接的用于测量电气设备周围环境温度的环境温度测量模块、用于测量流过电气设备的电流的电流测量模块、用于为保护装置提供时间基准的时钟模块、用于存储电气设备特性参数及电气设备的运行数据的数据存储模块、用于设置参数的参数设置模块、用于显示电气设备工作状态及所计算的温度等信息的状态指示模块、用于给出报警信号的报警模块、用于控制电气设备运行状态的运行状态控制模块和用于监测保护装置工作电压的电压监测模块。

其中电流测量模块所测量的电流可以是单相的或多相的，并且该电流测量模块所测量的可以是电流的有效值、平均值或者是瞬时值。

其中时钟模块具有多路工作电源，且任意时刻至少有一路电源能为其提供工作电源；并且该时钟模块可以以恒定的频率输出信号触发数据处理与控制模块进行温升及温度计算；并且该时钟模块的时间可以通过数据处理与控制模块进行读写。

其中数据存储模块具有掉电保存功能，当电压监测模块监测到保护装置的工作电压跌落后向数据处理与控制模块发出信号，数据处理与控制模块收到信号后可以在电压跌落到数据写入所允许的最低工作电压之前将下一次温升计算所需的数据写入数据存储模块。

其中数据处理与控制模块采用（1）式或（2）式的算法或其等效算法计算电气设备温升和温度，并且该数据处理与控制模块根据所计算的温度和预设温度值判断是否给出报警信号或控制电气设备的运行状态。

上述功能模块可以是多个物理器件实现一个功能模块的功能，也可以是一个物理器件实现多个功能模块的功能。

本发明所述的装置在上电后可以根据环境温度、电气设备的当前工作状态以及数据存储模块中所存储的上一次保护装置掉电前的电气设备运行数据计算当前时刻电气设备的温升和温度，并将其作为后续计算的基础。

附图说明

图1是本发明提出的电气设备保护装置框图；

图2是本发明提出的电气设备保护装置程序流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式做进一步详细描述。

本实施例提供一种电气设备实时温度计算方法，其特征在于，按照以下步骤进行操作：

1）读取电气设备历史运行数据；

2）根据步骤1)所读取的数据及当前的时间计算电气设备初始温升；

3）测量电气设备的工作电流并计算电气设备的温升；

4）测量环境温度并计算电气设备的温度；

5）重复步骤3)、4)。

其中步骤2)和步骤中4)电气设备温升的算法，其特征在于，当电气设备的发热及散热条件不随时间变化时，t时刻电气设备温升θ_t按照以下算法计算：

${\mathrm{\θ}}_t=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ti}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i({\mathrm{\θ}}_{\∞}+({\mathrm{\θ}}_0-{\mathrm{\θ}}_{\∞})e^{-t/{\mathrm{\τ}}_i})---\left(1\right)$

其中n是大于零的整数；

θ_ti是θ_t的分量；

k_i满足：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i=1$

θ_∞是电气设备预期稳定温升，与电气设备本身及其工作电流有关；

θ₀是t=0时的电气设备温升；

e是欧拉数；

τ_i是热时间常数。

为了使本发明的方法更具实用性，本发明还提出了一种计算电气设备温升的算法的离散形式，其特征在于，当电气设备的发热及散热条件随时间变化时，t_j时刻电气设备温升θ_j按照以下算法计算：

${\mathrm{\θ}}_j=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ji}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}(({\mathrm{\τ}}_i{\mathrm{\θ}}_{(j-1)i}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{tk}}_i{\mathrm{\θ}}_{\∞j})/({\mathrm{\τ}}_i+\mathrm{\Δt}))---\left(2\right)$

其中n是大于零的整数；

θ_ji是θ_j的分量；

τ_i是热时间常数；

θ_(j-1)i是θ_i在t=t_j-1时刻的值；

Δt是当前时刻t_j与上一时刻t_j-1之间的时差，即Δt=t_j-t_j-1；

k_i满足：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{k}_i=1$

θ_∞j是t_j时刻工作状态下的电气设备预期稳定温升，与电气设备本身及tj时刻工作电流有关。

请参见图1，图1是本实施例电气设备保护装置框图，其中：

温度测量模块用于测量电气设备周围环境温度，其数值与电气设备温升计算算法所计算的温升相加即为电气设备的温度；

电流测量模块的测量结果用于计算电气设备的预期稳定温升，电气设备的预期稳定温升与电流之间的关系因电气设备本身及其散热条件的不同而不同；

本发明所提出的算法与时间密切相关，装置中的时钟模块用于为算法提供时间基准，为保证时间的准确性，时钟模块必须具备多路可自动切换的工作电源；该时钟模块可以以恒定的频率输出信号触发数据处理与控制模块进行温升及温度计算；并且时钟模块的时间可以通过数据处理与控制模块进行读写；

数据存储模块用于存储电气设备的特性参数及电气设备的运行数据，数据存储模块具有掉电保存功能；而且一旦电压监测模块监测到电压跌落，温升计算所需的数据即被保存到数据存储模块，以供下次温升计算用；

参数设置模块用于设置电气设备的特性参数以及报警和保护的温度预设值，以增强保护装置应用的灵活性；

状态指示模块用于在工作时显示电气设备的工作状态及报警信号，以及在参数设置时显示所设置的参数；

报警模块用于在电气设备计算温度超过报警温度预设值时给出报警信号；

运行状态控制模块用于在电气设备计算温度超过运行状态控制预设值时控制电气设备的运行状态；

数据处理与控制模块根据（1）式或（2）式的算法或其等效算法计算电气设备温升和温度，并根据所计算的温度和预设温度值判断是否给出报警信号或控制电气设备的运行状态；

电源模块用于为保护装置提供工作电源，当电气设备处于通电工作状态时，电源模块可为整个保护装置提供可靠的工作电源，当电气设备处于断电状态时，电源模块至少可为时钟模块提供可靠的工作电源；

电压监测模块监测到保护装置的工作电压跌落后可以向数据处理与控制模块发出信号，数据处理与控制模块收到信号后可以在电压跌落到数据写入所允许的最低工作电压之前将下一次温升计算所需的数据写入数据存储模块。

请参见图2，图2是电气设备保护装置程序流程图，保护装置上电后步骤①从数据存储模块中读出上一次保护装置掉电前存入的温升计算所需数据，主要包括掉电时的设备温升、掉电时的时间值以及掉电时的设备电流。

步骤②采用（1）式或（2）式的算法或其等效算法计算电气设备的初始温升，如果采用（2）式的算法进行计算，则需将当前时刻与掉电时刻之间的时差分段进行多次计算，以提高计算精度。

步骤③测量设备的工作电流，优选地，所测量的是电流的真有效值。并计算设备的温升

步骤④采用（1）式或（2）式的算法或其等效算法计算电气设备的实时温升。

步骤⑤测量电气设备周围的环境温度。

步骤⑥将环境温度与设备温升相加得到设备温度。

步骤⑦将设备温度送至状态指示模块进行显示。

步骤⑧判断设备温度是否超过报警温度或运行状态控制温度的预设值，如果是则转到步骤⑨发出报警信号或控制电气设备的运行状态后进入步骤⑩；否则直接进入步骤⑩。

步骤⑩检测是否有时钟触发信号，有则进入下一轮的温升温度计算，否则继续等待时钟触发信号。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种电气设备保护装置，其特征在于：该装置包括：用于为保护装置提供工作电源的电源模块、用于对数据进行处理并根据处理结果对装置进行控制的数据处理与控制模块，以及与该数据处理与控制模块连接的用于测量电气设备周围环境温度的环境温度测量模块、用于测量流过电气设备的电流的电流测量模块、用于为保护装置提供时间基准的时钟模块、用于存储电气设备特性参数及电气设备的运行数据的数据存储模块、用于设置参数的参数设置模块、用于显示电气设备工作状态及所计算的温度信息的状态指示模块、用于给出报警信号的报警模块、用于控制电气设备运行状态的运行状态控制模块和用于监测保护装置工作电压的电压监测模块，所述电源模块与所述电压监测模块连接，所述时钟模块具有多路工作电源，并且任意时刻至少有一路电源能为其提供工作电源；该时钟模块能以恒定的频率输出信号触发数据处理与控制模块进行温升及温度计算，该时钟模块的时间能通过数据处理与控制模块进行读写，当电压监测模块监测到保护装置的工作电压跌落后向数据处理与控制模块发出信号，数据处理与控制模块收到信号后在电压跌落到数据写入所允许的最低工作电压之前将下一次温升计算所需的数据写入数据存储模块；并且该数据存储模块具有掉电数据保存功能；保护装置在上电后根据环境温度、电气设备的当前工作状态以及数据存储模块中所存储的上一次保护装置掉电前的电气设备运行数据计算当前时刻电气设备的温升和温度，并将其作为后续计算的基础。