CN1299146A - 热保护继电器 - Google Patents

Abstract

该热保护继电器根据测量的电流值、前一个热像值和预先设定的发热时间常数(て₁)和冷却时间常数(て₂),确定代表需保护的设备的热像的值(E)。该继电器考虑(c3)由设备的实验的耐热曲线决定的非零初始热像(E_s0)。例如在电机的情况下,能够使得继电器的冷态跳闸曲线降低,而没有改变热态跳闸曲线,从而使得继电器的跳闸曲线更接近电机的耐热曲线。

Description

热保护继电器

本发明涉及一种用于保护电设备的热保护继电器，包括：测量装置，用来测量由该设备吸收的电流；一确定装置，用来根据测量的电流值、前一个热像值和至少一个预先设定的时间常数，确定代表该设备的热像(thermalimage)的值；另一确定装置，用来确定至少一个保护阈值；比较装置，用来将代表热像的值与保护阈值进行比较；和发生装置，当表示热像的值超出保护阈值时，用来产生报警和/或跳闸信号。

这种继电器1可以用来保护电机2(图1)、变压器、电力线路或电容器组。如图1中所示，电流传感器3向继电器1提供代表由电机2吸收的电流的信号。根据测得的电流，继电器1计算代表电机2的热像的值，即，表示电机发热。在由于例如过载导致严重过热和分别超出报警阈值Esa或跳闸阈值Esd的情况下，该继电器1提供报警信号或跳闸信号。跳闸信号使得接触器4断开并中断电机2的供电。

在传统的方式中，根据下面的公式，计算在时间t的热像的值E_k： $E_k=E_{k-1}+\[\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_b}{\]}^2\•\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\τ}}-E_{k-1}\•\frac{\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\τ}}--\left(1\right)$

其中：

E_k-1是在时间(t-Δt)计算的前一个热像值。

I_eq是等效电流，表示由电机吸收的电流并且由测量到的电流决定。

I_b是设备的基准电流，即，由在正常工作条件下运行的设备吸收的电流。

τ是需保护的设备的时间常数。通常地，时间常数τ可以采用两个截然不同的值，当电机运行时的发热时间常数τ₁，和是由制造商提供的，当电机不运行时的冷却时间常数τ₂。

在已知的方式中，根据下面的公式，由测量到的电流计算等效电流I_eq：

I_eq ²=I²+I_inv ²    (2)

其中：

I是测量到的在向该设备供电的相导体中流过的有效电流的最大值。

I_inv是测得的反向电流。

K是可调节的系数。

如图2中所示，因此可以确定该继电器的冷态和热态时间/电流跳闸曲线，分别为C_f1和C_c1(图中的虚线)。

根据下面的公式，冷态跳闸曲线C_f1限定自零发热的保护继电器的跳闸时间： $\frac{t}{\mathrm{\τ}}=\log \frac{{\left(\frac{\mathrm{Ieq}}{I_b}\right)}^2}{{\left(\frac{\mathrm{Ieq}}{I_b}\right)}^2-E_{\mathrm{sd}}}--\left(3\right)$

其中E_sd是跳闸阈值。

根据下面的公式，热态跳闸曲线C_c1根据标准发热值(level)E=1限定保护继电器的跳闸时间： $\frac{t}{\mathrm{\τ}}=\log \left(\frac{{\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_b}\right)}^2-1}{{\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_b}\right)}^2-E_{\mathrm{sd}}}\right)--\left(4\right)$

由于预先设定的电流大于稳态工作条件中的最大电流，需保护的冷状态的电机的跳闸时间大于从热状态电机得到的跳闸时间。

作为一个例子，在图2中，对于电流I_eq/I_b=2，处于冷态(点A1)时该继电器的跳闸时间是665秒而处于热态(点A2)时为70秒。

制造商通常提供该设备的实验获得的热态和冷态下的耐热曲线(thermalresistance curve)。在图2中，当电机的热C_c1m和冷C_f1m曲线(虚线)相对于相关的继电器的曲线C_c1和C_f1向上移动。因此通过该继电器可以对相应的电机正确地进行保护。

但是出现了比相关的继电器曲线(C_c2和C_f2)更接近的电机的热态和冷态下的耐热曲线(C_c2m和C_f2m)情况，如图3中所示。在图3表示的例子中，对于电流I_eq/I_b=2，继电器的热态的耐热时间(thermal resistance time)是250秒，由于如前所述低于相对应的电机的耐热时间。但是，继电器的冷态跳闸时间是620秒(点A4)，大于电机的冷态耐热时间(点A5)。因此当其自冷状态经受过载时不能正确地保护，尽管自热状态的跳闸保持确保在需要时间内。

通过降低继电器的发热时间常数τ₁，继电器的两个跳闸曲线可以向下移动。因此所得到的新的热态跳闸曲线C_c3和冷态跳闸曲线C_f3全部位于电机的相关曲线(C_c2m和C_f2m)的下面。于是新的冷态耐热时间(点A6)低于电机的冷态耐热时间(点A5)。这一点对于热态耐热时间(点A7和A3)是同样的。

但是，继电器的热态跳闸曲线的降低启动中可能引起问题。继电器的热态跳闸曲线C_c3实际上可以穿过电机启动曲线，如图3中所示。在图3中，表示两个启动曲线C_d1和C_d2。在电机的启动中，每个曲线分别表示对于按照额定电压U_n(C_d1)启动的和按照电压0.9U_n(C_d2)启动的电流值相对时间的关系。

热态跳闸曲线C_c3在点A8穿过启动曲线C_d1和在点A9穿过启动曲线C_d2因此，在热启动的情况下，电流值使得它立即引起跳闸，因此防止任何热启动。

本发明的目的在于克服这些缺点和为处于各种情况下的设备提供良好的热保护。

根据本发明，通过这样的事实实现该目的，考虑采用非零初始热像来决定热像，从设备的实验的耐热曲线确定初始热像的值。

根据本发明的一个改进，保护阈值是跳闸阈值，通过公式(5)得出继电器的冷态跳闸时间t： $\frac{t}{\mathrm{\τ}}=\log \frac{({\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_b}\right)}^2-E_{s0})}{({\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_b}\right)}^2-E_{\mathrm{sd}})}--\left(5\right)$

其中：

τ是继电器的时间常数

I_b是设备的基准电流

I_eq是表示测量到的电流的等效电流

E_s0是初始热像

E_sd是跳闸阈值

最好根据公式(6)确定初始热像E_s0： $E_{s0}={\left(\frac{I_r}{I_b}\right)}^2-e^{\frac{t_r}{{\mathrm{\τ}}_1}}\•\[{\left(\frac{I_r}{I_b}\right)}^2{E}_{\mathrm{sd}}\]--\left(6\right)$

其中：

I_b是设备的基准电流

I_r是预先设定的设定电流

t_r是与设定电流I_r相关的所需要的冷态跳闸时间

τ₁是发热时间常数，由设备的实验热态耐热曲线决定。

此外，该继电器包括测量装置，用来测量周围环境温度；和校正装置，用来根据测量到的周围环境温度校正代表热像的值。

根据本发明的另一个改进，在电机的情况下，时间常数、报警和/或跳闸阈值和初始热像构成继电器的一组参数，该继电器包括比较装置，用来将测量到的电流与表示电机转子的停止状态的电流阈值进行比较，和选择装置，用来当测量到的电流小于电流阈值时选择第一组参数，和用来当测量到的电流大于电流阈值时选择第二组参数。

从下面对本发明的特定实施例的描述中，这些实施例仅仅作为非限定性的例子给出和在附图中表示的，本发明的其它优点和特点将更清楚，其中：

图1以非常简略的方式表示根据现有技术的其中可以实现本发明的电机的热保护继电器。

图2和3表示根据现有技术的电机的时间/电流耐热曲线，此外图3表示电机的启动曲线。

图4表示根据本发明的电机的启动曲线以及电机和继电器的耐热曲线。

图5表示分别根据现有技术和本发明的过载过程中的热像E变化相对于时间的关系。

图6和7表示能在根据本发明的继电器中实现的流程图的特定实施例。

图8表示，处于正常工作中和停止转子时的电机的耐热曲线，以及电机的启动曲线。

在图4表示的本发明的实施例中，电机的耐热曲线C_f2m和C_c2m，和电机的启动曲线C_d1和C_d2与图3中的相同。继电器的热态跳闸曲线C_c2同样保持不变，不相交电机启动曲线C_d1和C_d2。另一方面继电器的冷态跳闸曲线C_f变化，从而下降到电机的冷耐热曲线C_f2m的下面。作为一个例子，对于I_eq/I_b=2，点A3不改变，继电器的冷态曲线C_f的点A10位于电机的冷态曲线C_f2m的点A5的下面。

当计算代表热像的值E时，考虑非零初始热像E_s0得到该结果。

改变和通过公式(5)替代给出继电器的冷态跳闸时间的公式(3)。如果E_s0=0，我们得到传统的冷态跳闸曲线公式(3)。另一方面如果E_s0=1，我们得到传统的热态跳闸曲线公式(4)。

由设备的实验耐热曲线确定初始热像E_s0的值。该值位于0和1之间。

作为一个例子，根据图3和4的曲线，按以下的方式可以确定初始热像E_s0的值。电机冷却时间常数τ₂已知，我们还可以得到电机的热态实验曲线C_c2m和冷态实验曲线C_f2m和稳态工作状态下的最大电流I_max。作为一个例子，如果I_max/I_b=1.1因此调节跳闸阈值E_sd，使得E_sd=(I_max/I_b)²，即E_sd=1.2。例如报警阈值E_sa可以设定在0.9。为了确定继电器的发热时间常数τ₁，可以使用对应于继电器的热态曲线C_c2的公式(4)，其中等效电流I_eq由预先设定的调节电流I_r代替。因此得到值t_c/τ₁，其中t_c是与调节电流I_r相关的所需要的热态跳闸时间。在实用中，最好使用包含继电器的热态曲线的数字化值的表。例如假设，对于E_sd=1.2和I_r/I_b=2，得到t_c/τ₁=0.069。

在图4的实施例中，由于跳闸在I_r/I_b=2和t_c=250秒的A3点处发生，与电机的热态耐热曲线(C_c2m)相一致，因此时间常数τ₁可以设定为29分钟，对应于图4的曲线C_c2。

利用公式(3)按照τ=τ₁=29分钟，I_eq/I_b=I_r/I_b=2和E_sd=1.2，或者对应于继电器的冷态曲线C_f2的表，得到对应的冷态跳闸时间t_f∶t_f/τ₁=0.3567，即，对于τ₁=29分钟，t_f=620秒，对应于图3的曲线C_f2的点A4.在之一特定情况下，点A4位于对应于电机的实验冷态曲线C_f2m的点A5的上面，后者不能保证实现正确保护电机。

由于这一点，引入初始热像E_s0来改善继电器的冷态曲线，使得所需要的与调节电流I_r相关的冷态跳闸时间t_r低于与电机的冷态曲线C_f2m的点A5相关的跳闸时间。作为一个例子t_r=500秒，对于I_r/I_b=2，对应于位于点A5上方的点A10(图4)。

由从公式(5)推导出的公式(6)进行E_s0的计算，其中t=t_r,τ=τ₁和I_eq=I_r。在上面提到的例子中，利用t_r=500秒，I₁/I_b=2,τ₁=29分钟和E_sd=1.2，得到E_s0=0.27。因此继电器的冷态曲线C_f2(图3)向下移动，给出与电机的热阻一致的冷态曲线C_f(图4)，反之继电器的热态曲线C_c2’其本身与电机的耐热性一致，不改变。

在图5中，根据设备例如电机2过载过程中的公式(1)，提供热像E对于时间的变化。应当注意到在设备的正常工作的情况下，没有过载，热像限定在它的标称值1。在根据现有技术的继电器中，热像的变化由曲线c1表示，如果设备从1开始为热启动，和由曲线c2表示，如果设备从0开始为冷启动。分别是热态和冷态的对应跳闸时间表示为t₁和t₂。初始热像E_s0的引入改变了由冷状态获得的曲线，将成为曲线c3。然后冷态跳闸时间变成时间t₃，低于时间t₂，而热态跳闸时间t₁不改变。

保护继电器1最好是微处理器为基础的继电器，其中通过以下参照图6和7描述的流程图可以实现本发明。

在第一次初始化步骤F1中，系数k设定为1并且前一个热像E_k-1的值选取为值E_s0，如上面给出的设备的实验跳闸曲线指示的已经预先确定了值E_s0。然后，在步骤F2中，测量电流I和I_inv。然后根据公式(2)计算等效电流Ieq(步骤F3)。在电机的情况下，将该等效电流与代表电机转子的停止状态的电流阈值I_s相比较。如果等效电流Ieq不大于I_s(F4的结果是“否”)，继电器选择(步骤F5)第一组参数τ₁,τ₂，报警阈值E_sa和跳闸阈值E_sd，和初始热像E_s0，如上所述是考虑电机的冷态C_f2m和热态C_c2m耐热曲线所确定的。如果等效电流I_eq大于I_s(F4的结果是“是”)，电机转子由该继电器认定为处于停止并且继电器选择第二组参数(步骤F6)。

当电机的转子停止时，它的热效应实际上非常不同于其处于额定负载的效应。在这些状态中，电机可能由于转子或者定子的过热而损坏。对于高功率的电机，通常是转子构成限制因素。对于电机的正常工作选择的参数(第一组参数)不再有效。有时制造商可以提供当转子停止时电机的冷态C_f3m和热态C_c3m曲线(图8)。在图8中表示分别对应于不同的电机启动电压U_n,0.8U_n和0.65U_n的每个曲线。通过在U_n的启动曲线C_d1,在0.8U_n的C_d3和在0.65U_n的C_d4,在图8中表示对应的启动电流中的变化。考虑曲线C_c3m和C_f3m，以与第一组同样的方式，可以决定第二组参数。因此得到在图6的流程图中的步骤F6中要采用的不同参数(τ₁,τ₂,E_sa,E_sd,和E_s0)的第二组值。阈值电流I_s的值最好等于启动电流的80％。

在步骤F5或F6之后，继电器进行到步骤F7，在其中等效电流Ieq与另一个非常低的电流阈值例如0.1I_b相比较。如果等效电流大于或等于该另一个电流阈值(F7的结果是“是”)，将电机认定为正在运转，并且在步骤F8中，前面选择的发热时间常数τ₁赋值给时间常数τ。另一方面如果等效电流Ieq小于该另一个电流阈值(F7的结果是“否”)，将该电流认定为零值并且电机认定为没有运转。然后使用冷却时间常数τ₂作为时间常数τ(步骤F9)。然后在步骤F10中，根据公式(1)，计算热像的新值Ek。然后，在步骤F11(图7)中，E_k的值由更高的值E_k和E_s0代替。因此值E_k可以不再低于初始图像E_s0，即使电机长时间停机之后。

在一个优选实施例中，根据周围环境温度执行热像的校正(步骤F12至F14)。由于这一点，该继电器包括温度测量传感器提供表示周围环境温度的值θ_a(步骤F12)。已知需保护的设备的导体最大温度值θ_max，计算校正系数f_cor(步骤F13)，使得：

和f_cor≥1

然后校正系数作用给热像的值E_k，来提供校正后的热像E_c(步骤F14)，使得：E_c=E_kf_cor。因此步骤F12至F14对应于根据环境温度进行的热像值的校正。作为一个例子，最大温度值θ_max可以是160℃。如果环境温度θ_a是50℃，校正系数f_c0r=120/110，大于1。因此当环境温度超出预定的温度极限时，在所给出的例子中是40℃，校正系数增发热像的值，只要环境温度保持低于该温度极限不改变它。

然后将校正后的热像的值E_c与报警阈值E_sa相比较(步骤F15)。如果E_c大于报警阈值E_sa(步骤F15的结果是“是”)，起动报警(步骤F16)，然后将E_c的值与跳闸阈值E_sd相比较(步骤F17)。如果跳闸阈值超出(步骤F17的结果是“是”)，产生跳闸信号，从而中断向设备的供电。当没有超出报警或跳闸阈值时(F15或F17的结果是“否”)，并且同样在跳闸步骤F18之后，继电器进行到步骤F19，其中在返回到步骤F2之前将系数k加1(k=k+1)，用于考虑存储在存储器中的前面计算出来的值E_k-1来计算热像的新值。

Claims (5)

1．一种用于保护电设备(2)的热保护继电器(1)，包括：测量装置(3)，用来测量由该装置吸收的电流；一确定装置，用来根据测量的电流值(I_eq)、前一个热像值(E_k-1)和至少一个预先设定的时间常数(τ₁,τ₂)，确定代表该设备的热像的值；另一确定装置(F5,F6)，用来确定至少一个保护阈值(E_sa,E_sd)；比较装置(F15,F17)，用来将代表热像的值(E_k)与保护阈值进行比较；和发生装置(F16,F18)，当表示热像的值超出保护阈值时，用来产生报警和/或跳闸信号，该继电器的特征在于考虑采用非零初始热像(E_s0)来决定热像，从设备的实验的耐热曲线(C_f2m,C_c2m；C_f3m,C_c3m)确定初始热像的值。

2．根据权利要求1所述的继电器，特征在于保护阈值是跳闸阈值，通过如下公式得出继电器的冷态跳闸时间t： $\frac{t}{\mathrm{\τ}}=\log \frac{({\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_b}\right)}^2-E_{s0})}{({\left(\frac{I_{\mathrm{eq}}}{I_b}\right)}^2-E_{\mathrm{sd}})}$

其中：

τ是继电器的时间常数

I_b是设备的基准电流

I_eq是表示测量电流的等效电流

E_s0是初始热像

E_sd是跳闸阈值

3．根据权利要求2所述的继电器，特征在于根据如下公式确定初始热像E_s0： $E_{s0}={\left(\frac{I_r}{I_b}\right)}^2-e^{\frac{t_r}{\mathrm{\τ}1}}\•\[{\left(\frac{I_r}{I_b}\right)}^2-E_{\mathrm{sd}}\]$

其中：

I_b是设备的基准电流

I_r是预先设定的设定电流

t_r是与设定电流I_r相关的所需要的冷态跳闸时间

τ₁，是发热时间常数，由设备的实验热态耐热曲线决定。

4．根据权利要求1至3中任何一个所述的继电器，特征在于其包括测量装置(F12)，用来测量周围环境温度(θ_a)；和校正装置(F13,F14)，用来根据测量到的周围环境温度校正代表热像的值(E_k)。

5．根据权利要求1至3中任何一个所述的继电器，特征在于，该设备由电机构成，时间常数(τ₁,τ₂)、报警阈值(E_sa)和/或跳闸阈值(E_sd)和初始热像(E_s0)构成继电器的一组参数，该继电器包括比较装置(F4)，用来将测量到的电流(I_eq)与表示电机转子的停止状态的电流阈值(I_s)进行比较；和选择装置(F5,F6)，用来当测量到的电流(I_eq)小于电流阈值(I_s)时选择第一组参数，和用来当测量到的电流(I_eq)大于电流阈值(I_s)时选择第二组参数。

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