Способ определения времени срабатывания защиты токоведущих контактных соединений коммутационных аппаратов от перегрева
DETERMINATION METHOD OF PROTECTION OPERATING TIME OF CONDUCTIVE CONTACT JOINTS OF SWITCHING DEVICES FROM OVERHEAT

Изобретение относится к области электротехники, в частности к средствам защиты коммутационной аппаратуры от недопустимых превышений температуры, а именно от достижения контактной поверхностью температуры плавления материала контакт-детали контактных соединений (КС) токоведущих частей в схемах электроснабжения, непосредственно реагирующих на недопустимое превышение температуры при эксплуатационном или испытательном прямоугольном импульсе тока. Может найти применение в системах электроснабжения жилых, административных и производственных объектов напряжением 0,4 кВ, на заводах-изготовителях коммутационных аппаратов и в организациях, специализирующихся на проведении испытаний контактных соединений токоведущих частей электрооборудования на термическую стойкость сквозным током короткого замыкания.
Известен способ защиты коммутационной аппаратуры и контактных резьбовых соединений токоведущих частей (Патент РФ №2264682, опубл. 20.11.2005, МПК Н02Н 5/04), включающий поддержание температуры зажимов коммутационной аппаратуры в допустимых пределах путем затяжки зажимов, отличающийся тем, что осуществляют контроль отклонения от нормальной температуры зажимов коммутационной аппаратуры посредством установки в зажим коммутационной аппаратуры устройства для контроля отклонения от нормальной температуры контактных токоведущих частей, а затяжку зажима коммутационной аппаратуры проводят при появлении звукового сигнала, по которому судят о недопустимом отклонении температуры зажима от нормальной температуры.
Недостатком способа является отсутствие возможности оперативного контроля процесса нагрева непосредственно контактных поверхностей контактных соединений, на которых в первую очередь достигается максимальная температура материала контакт-детали при эксплуатационном или испытательном воздействии прямоугольного импульса тока с целью недопущения сплавления контакт-деталей.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение точности определения времени, в течение которого возможно срабатывание защиты.
Настоящая задача решается тем, что в способ определения времени срабатывания защиты токоведущих контактных соединений коммутационных аппаратов от перегрева, включающий контроль отклонения от максимально допустимого значения температуры наиболее подверженной перегреву контактной поверхности токоведущего контактного соединения в составе коммутационного аппарата и генерацию сигнала, по которому определяют время достижения контактной поверхностью максимально допустимой температуры, отличающийся тем, что в режиме мониторинга измеряют значение прямоугольного импульса тока и сравнивают измеренную величину с заданным пороговым значением испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока, в случае превышения током своего порогового значения проводят температурный контроль контактной поверхности в режиме динамического мониторинга на интервале времени нагрева контактного соединения по линейному закону:
2
1
от  до t=t+nΔt,
1
где t - время начала нагрева по линейному закону;
- толщина контакт-детали;
c, λ - удельная теплоемкость и теплопроводность материала контакт-детали;
Δt - шаг измерений;
n - число измерений;
2
t - время завершения температурного контроля в режиме динамического мониторинга,
1
2
(i)
(i)
затем осуществляют пересчет измеренных в ходе динамического мониторинга значений температуры ,доступной для прямых измерении внешней поверхности контакт-детали T(τ), i=1, 2, …, n в соответствующие значения температуры, недоступной для прямых измерений контактной поверхности контактного соединения T(τ), i=1, 2, …, n, по формуле:
,
(i)
где τ - отсчет времени;
i - порядковый номер измерения;
n - номер последнего измерения;
1
k - мультипликативный калибровочный коэффициент;
2
k - аддитивный калибровочный коэффициент;
2
T(0) - начальное значение температуры контактной поверхности;
max
T - максимально допустимая для данного контактного соединения температура;
max
I - измеренное значение испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока;
20
ρ - удельное электрическое сопротивление материала контакт-детали при температуре 20°С;
c - удельная теплоемкость материала контакт-детали;
α - температурный коэффициент удельного сопротивления;
1
S - площадь поперечного сечения контакт-детали;
2
S - площадь нахлестки контакт-деталей;
(i)
max
Ф(τ) - динамический коэффициент, зависящий от отсчета времени измерений, и по зарегистрированным косвенным измерениям температуры контактной поверхности строят линейное уравнение регрессии, из которого определяют (τ) момент времени отключения коммутационного аппарата:
где А и В - коэффициенты уравнения линейной регрессии;
max
T - значение заданной максимально допустимой для данного контактного соединения температуры.
Изобретение направлено на предотвращение выхода из строя контактных соединений коммутационных аппаратов.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности предотвращения расплавления материала контакт-детали контактного соединения за счет получения оперативной и достоверной информации о тепловом состоянии наиболее подверженной перегреву контактной поверхности КС.
На рис. 1 - схема болтового соединения с точками прямого и косвенного измерения температуры внешней и контактной поверхностей.
На рис. 2 - стадии нагрева болтового контактного соединения при воздействии прямоугольного импульса тока.
На рис. 3(a) и 3(б) - схема болтового соединения с условными размерами соединяемых поверхностей.
На рис. 4 - графики измерений температуры открытой и контактной поверхностей на второй (линейной) стадии нагрева.
Способ осуществляют следующим образом.
max
п
0
н
1
1,0
2
2,0
0
1
1
2
max
max
2
3
Измеряют величину эксплуатационного или испытательного прямоугольного импульса тока I. Если она превышает заданную пороговую величину I (это условие обеспечивает адиабатический режим нагрева КС), то начинают осуществление контроля процесса нагрева КС в режиме динамического мониторинга. На промежутке времени 0<t<t, (рис. 2) до начала действия импульса тока под действием номинального тока I процесс нагрева устанавливается: T(t)=T; T(t)=T). Оставшийся промежуток нагрева разделяют на три стадии: 1) начальная стадия адиабатического нагрева (t<t<t) по экспоненциальному закону (на этой стадии никаких действий согласно способу не производится); 2) стадия перехода процесса нагрева КС к линейной зависимости температуры от времени (t<t<t) - стадия измерения и регистрации температуры нагрева внешней поверхности контакт-детали, доступной для прямого измерения (динамический мониторинг) и 3) стадия нагрева контактной поверхности КС по линейному закону до максимально допустимой температуры T (определение τ - времени наступления перегрева КС, t<t<t). Начало второй и третьей стадии нагрева определяют по данным о теплофизических характеристиках и размерам контакт-деталей.
1
1
2
(i)
(i)
(i)
На второй стадии (стадии контроля температуры внешней поверхности контакт-детали в режиме динамического мониторинга) проводят измерение и регистрацию температуры T(τ), i=1, 2, …, n внешней поверхности одной из контакт-деталей, доступной для прямых измерений в условиях эксплуатационных или испытательных воздействий прямоугольного импульса, и осуществляют косвенное измерение - по измеренным значениям T(τ) определяют значения T(τ), i=1, 2, …, n температуры контактной поверхности КС по формуле:
(i)
где τ - отсчет времени;
i - порядковый номер измерения;
n - номер последнего измерения;
1
k - мультипликативный калибровочный коэффициент;
2
k  - аддитивный калибровочный коэффициент;
2
T(0) - начальное значение температуры контактной поверхности;
max
T - измеренное значение испытательного или эксплуатационного прямоугольного импульса тока;
20
ρ - удельное электрическое сопротивление материала контакт-детали при температуре 20°С;
c - удельная теплоемкость материала контакт-детали;
α - температурный коэффициент удельного сопротивления;
1
S - площадь поперечного сечения контакт-детали;
2
S - площадь нахлестки контакт-деталей;
1
Формула (1) справедлива при выполнении условия  для времени начала второй стадии нагрева t контакт-детали толщины ; параметры c, λ для различных материалов контакт-деталей задают согласно таблице 1.
2
1
Таким образом, начало второй и третьей стадии определяется соотношениями  и t=t+nΔt.
Для латуни свойства взяты как среднеарифметические значения свойств марок Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68 и Л62.
На третьей стадии - по измеренным и зарегистрированным температурам контактной поверхности КС.
Технический результат достигается тем, что в способе защиты контактных соединений токоведущих частей коммутационной аппаратуры электрооборудования от перегрева при достижении контактной поверхностью максимально допустимой температуры подается сигнал, после которого с помощью выключателя нагрузки производится отключение коммутационного аппарата, предотвращающее сплавление контакт-деталей.
Пример расчета
1
max
max
пл
(i)
В качестве примера было рассмотрено болтовое контактное соединение двух медных контакт-деталей (рис. 3). Сначала на второй стадии нагрева задаются значения измеренной температуры открытой поверхности контактного соединения Т(τ) (рис. 4), полученные при значении эксплуатационного прямоугольного импульса тока I=1 кА. В качестве максимально допустимой температуры нагрева T принята температура, равная ~0,8 Т меди = 800°С, шаг измерений проводимых на второй стадии принят равным 3 секундам, тепло- и электрофизические свойства меди приведены в таблицах 1 и 2.
1
2
(i)
(i)
Измеренные температуры T(τ) и результат вычислений температуры Т(τ) по формуле (1) представлены на рис. 4
max
По вычисленным значениям температуры контактной поверхности определяли коэффициенты А и В линейной регрессии, подставляя которые в уравнение (3) по температуре плавления меди определили максимально допустимое время срабатывания защиты τ=124,5 с, до достижения которого не происходит сплавление контакт-деталей.