RU1781760C - Устройство дл защиты от перегрева проводов электрической сети - Google Patents

Abstract

Использование: электротехника, а именно релейна  защита, и может быть применено дл  защиты проводов электрической сети от перегрева при перегрузках током. Сущность изобретени : в устройство, содержащее датчик температуры, к выходу которого подключен первый пороговый элемент , функциональный преобразователь, логический элемент НЕ и исполнительный орган, дополнительно введены источник стабильного напр жени , 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 допустима  абсолютна  температура дл  защищаемого провода, Тмакс - абсолютна  температура, соответствующа  максимально допустимой стреле провеса провода; Ci,C2 - посто нные дл  данного провода; Кз- коэффициент запаса. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к релейной защите, и может быть использовано дл  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 уменьшаетс  рассто ние от нижней точки провода до Земли (габарит линии). Уменьшение габарита линии до Земли и до транспортных средств ухудшает услови  электробезопасности и может  витьс  причиной т желых и человеческих жертв. Во-вторых, длительное повышение температуры снижает механическую прочность провода, что может  витьс  причиной его обрыва, т.е. повреждени  сети и прекращени  электроснабжени  потребителей.

Релейна  защита должна предотвращать как чрезмерное увеличение стрелы провеса провода, так и его обрыв вследствие неконтролируемого перегрева. При этом, предотвращение чрезмерного увеличени  стрелы провеса должно обеспечиvj 00

XI О- О

ватьс  отключением сети без выдержки времени как только температура провода достигнет заданного значэни . В то же врем  отключение линии из-за возможного снижени  прочности проводов необходимо осу- ществл тьс выдержкой времени, поскольку механическа  прочность зависит не только от температурь провода, но и от длительности ее воздействи .

Устройство Дл  защиты проводов элек- трической сети от перегрева должно обладать следующими свойствами: иметь выдержку времени, завис щую от температуры провода с учетом механической прочности; формировать команду на отключение сети, ее/in длительность воздействи  данной температуры превышает допустимую выдержку времени и не формировать такой команды, если длительность воздействи  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.

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

Объ сн етс  это следующим.

Механическа  прочность провода зависит не только от его температуры, но и от длительности ее воздействи . 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 врем  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 потер  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 питани , 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 снижатьс  до 70°С (из-за по влени  ветра или снижени  тока), то отключать сеть не требуетс . Аналоги такого выбора выдержки времени в зависимости от температуры не обеспечивают, а, следовательно , и не обеспечивают точной работы при перегрузках.

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

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

Формирование выдержки времени в зависимости от температуры провода осуществл етс  функциональным преобразователем температуры. Прототип имеет следующие недостатки: не указан закон, св зывающий величину выдержки времени с температурой провода, не раскрыто устройство (схема) функционального преобразовател  температуры , отсутствуют блоки регулировки параметров срабатывани  применительно к проводам из разного металла и различных сечений, не обеспечиваетс  защита от чрезмерного увеличени  стрелы провеса.

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

Целью изобретени   вл етс  повышение точности работы защиты от перегрева проводов электрической сети за счет более точного определени  допустимой выдержки времени в зависимости от температуры провода с учетом его механической прочности.

Поставленна  цель достигаетс  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 напр жени , 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 напр жени  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 делител , 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 управл ющему 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 выполн ет преобразование входного сигнала в выходной сигнал, согласно выражению , а интегратор выполнен в виде последовательно соединенных преобразовател  напр жени  в частоту и счетчика числа импульсов.

На чертеже приведена функциональна  электрическа  схема предлагаемого устройства дл  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 напр жени  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 делител  6. Выход блока регулируемого коэффициента 5 подключен к второму входу делител  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, состо щий

0 из преобразовател  напр жени  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 управл ющему

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. измер ть температуру провода по его инфракрасному излучению на рассто нии, 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 усилител ми и диодами (7, с.124-126). Интегратор 11 может быть выполнен дл  малых выдержек времени (единицы и дес тки секунд) в виде

0 интегрирующего операционного преобразовател  (7, с.93-94). Дл  защиты проводов требуютс  выдержки времени, измер емые единицами и дес тками минут, при этом, операционный преобразователь не обеспе5 чиваеттребуемой точности, т.к. его переходна  функци  должна быть в этом случае чрезвычайно пологой, а при этом, резко возрастает погрешность определени  времени достижени  этой функцией порогового зна0 чени . Кроме того, такой операционный преобразователь на большие выдержки времени требует применени  конденсатора большой емкости, что делает все устройство чрезвычайно громоздким.

5 Предлагаетс  выполн ть интегратор 11 в виде последовательно соединенных преобразовател  напр жени  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 св зью. Пороговые элементы 15 и 17 могут быть выполнены на операционных усилител х в виде компараторов (9, с.221), например, по схеме триггера Шмитта. Конструкци  третьего порогового элемента 14 зависит от конструкции интегратора 11. Если выходной сигнал интегратора 11  вл етс  аналоговым (как, например, в интегрирующем операционном преобразователе), то элемент 14 выполн етс  также в виде компаратора (триггера Шмитта). Если же выходной сигнал интегратора 11  вл етс  цифровым (как, например, в предложенном устройстве с преобразователем напр жени  в частоту 12 и счетчиком импульсов 13), то элемент 14 выполн етс  в виде типового дешифратора на интегральной микросхеме, сигнал на выходе которой по вл етс  лишь тогда, когда выходной цифровой сигнал достигает заданного значени  (равного, например, заданному числу импульсов).

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

-Кз-,

На выходе функционального

Ki+mt

преобразовател  9 напр жение сигнала равно Ug mgexpUe. где mg - коэффициент пропорциональности функционального преобразовател  9, завис щий от конструкции , На выходе блока 10 напр жение сигнала равно Uio HUUg

Mmgexp -i.

Напр жение на выходе интегрирующего элемента 11 равно

тт

Un mil /o Uiodr тцК4ПП9/о

где ти - коэффициент пропорциональности завис щий от конструкции и параметров интегратора 11: г - текущее врем .

0

5

Параметры mi.me.mg.mn  вл ютс  нерегулируемыми , они завис т от конструкции , соответственно, блоков 1,6,9,11. Параметры К1,К2,Кз,К4  вл ютс  регулируемыми ,

Пороговый элемент 14 переключаетс  при условии , где Р-порог срабатывани  элемента 14. Подставл   в это условие значение Un получаем:

mnldmg / + t)(1)

Разделив правую и левую части этого выражени  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) определ ет зависимости между временем срабатывани  устройства г и абсолютной температурой провода Т.

Дл  обосновани  выражени  (2), определ ющего выдержку предложенного устройства с учетом вли ни  температуры и длительности ее воздействи  на провод, приведены следующие доказательства. При

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

Следовательно, условие срабатывани 

защиты от перегрева имеет вид гр или

.

Различные аналитические зависимости длительной прочности металла (времени до его разрушени  под воздействием температуры ) описаны в (8). Дл  металлов, из которых делают провода (медь, алюминий, сталь, их сочетани  и сплавы) длительна  прочность описываетс  широко используемой зависимостью Ларнона-Миллера:

гр ехр(С 1 /Т - С2),

Тд - абсолютное значение длительно допустимой температуры металла,

Ci. C2 - посто нное дл  данного металла .

Подставив это выражение в условие

срабатывани  защиты, получаем,

ехр(г)

|г % К3 при условии (3)

Это выражение справедливо в том случае , если в течение времени г температура Т остаетс  посто нной. Учитыва  известные соотношени  1(ехр.х ехр (-х) и полага , что температура Т в течение времени может измен тьс , получим вместо (3):

гс

/о ехр (С2 - - у )d ,

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

Устройство работает следующим образом .

Порог срабатывани  порогового органа 15 устанавливаетс  соответствующим длительно допустимой температуре защищаемого провода Тд. Порог срабатывани  порогового органа 17 устанавливаетс  соответствующим температуре провода, при которой стрела его провеса достигает максимально допустимого значени . Если температура провода не достигла длительно-допустимого значени , то пороговый орган 15 не срабатывает и на выходе соединенного с ним логического элемента НЕ 16 имеетс  единичный сигнал. Этот сигнал подаетс  на управл ющий вход интегратора 11 и удерживает этот интегратор в исходном состо нии; при котором сигнал на его выходе равен нулю. Устройство в целом находитс  в режиме дежурства (ожидани ), при котором пороговые элементы 14,15,17 наход тс  в исходном (несработанном) состо нии .

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

Если температура провода снизитс  ниже длительно допустимого значени  до истечени  выдержки времени т, то пороговый орган 15 вернетс  в исходное состо ние, на управл ющем входе интегратора 11 по витс  единичный сигнал, который сбросит интегратора в нулевое состо ние и устройство вновь переходит в режим дежурства.

Если температура провода выше длительно допустимого значени  держитс  в течение времени, не менее т , определ емой условием (2), то на выходе интегратора 11 сигнал станет больше порога срабатывани  порогового элемента 14, последний переключаетс , на его выходе по вл етс  единичный сигнал, который через логический элемент ИЛИ 18 поступает на исполни0 тельный орган 19, осуществл ющий отключение сети.

Если температура провода достигнет значени , при котором срабатывает пороговый орган 17, то на его выходе по витс 

5 единичный сигнал, который проходит через логический элемент 18 на исполнительный орган 19 и команда на отключение сети формируетс  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  вл ютс  новыми. Изучение данной и смежной областей техники не вы вилиустройств, обеспечивающих зависимость (2) между контролируемой температурой и выдержкой времени на отключение сети.

0 По сравнению с прототипом устройство позвол ет повысить точность работы защиты проводов электрической сети от перегрева с учетом сохранени  механической прочности проводов, так и ограничени  не5 допустимых стрел провеса. Устройство легко настраиваетс  (регулируетс ) дл  защиты - каждого конкретного провода, причем, регулировка f.gx параметров осуществл етс  независимо друг от друга. При этом, с одной

0 стороны сокращаетс  число необоснованных отклю ний сети (за счет использовани  резерва времени, обусловленного длительной прочностью металла проводов), а с другой стороны каждое отключение  в5 л етс  обоснованным, благодар  адекватному учету условий нагрева. Все это повышает надежность электроснабжени  потребителей.

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   0 1. Устройство дл  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, отличающеес  тем, что. с целью повышени  точности работы защиты от перегрева проводов электрической сети за счет более точного определени  допустимой выдержки времени в зависимости от

   температуры провода с учетом его механической прочности, в него дополнительно ввэдены источник стабильного напр жени , 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 напр жени  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 делител , 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 управл ющему 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. 2. Устройство по п.1, от л и ч а ю щее- с   тем, что функциональный преобразователь выполнен в виде преобразовател  входного сигнала X в выходной сигнал Y согласно выражению .
3. 3. Устройство поп.1,отличающее- с   тем, что интегратор выполнен в виде последовательно соединенных преобразовател  напр жени  в частоту и счетчика числа импульсов.