УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ОТ ПЕРЕГРЕВА

Область техники, к которой относится изобретение (полезная модель),
Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к средствам защиты электроустановок от перегрева токами.
Характеристика аналогов изобретения (полезной модели)
В электротехнике широко известно тепловое реле [1]. Основа этого реле - тепловой аналог защищаемого объекта, на вход которого подается сигнал, пропорциональный току контролируемого объекта. Путем физического моделирования процессов нагрева и охлаждения с помощью теплового аналога определяется температура электродвигателя. Полученное таким образом значение температуры сравнивается с установленным допустимым значением, и, в случае превышения им допустимого уровня, формируется сигнал на отключение или разгрузку электроустановки.
Точность моделирования процессов нагрева и охлаждения этим тепловым аналогом очень низка, т.к. многие критерии подобия электромеханической модели нагрева и защищаемого объекта реализовать очень трудно, а некоторые - невозможно.
Это связано, в основном, с тем, что постоянные времени нагрева и охлаждения биметаллических элементов тепловых реле существенно отличаются от постоянных времени нагрева и охлаждения электроустановок.
Поэтому тепловые реле пригодны для выявления только грубых отклонений состояния защищаемого объекта от нормального, причем тех, которые сопровождаются значительным повышением тока.
Известно устройство защиты электроустановки от перегрева на основе теплового аналога электроустановки, при котором с целью повышения точности моделирования тепловые процессы моделируют с помощью электрических цепей и сигналов [2].
Но этим нельзя достичь высокой степени адекватности модели и реального процесса из-за невозможности учесть в модели изменения параметров контролируемого объекта под воздействием окружающей среды.
Характеристика прототипа, выбранного заявителем
Наиболее близким по технической сущности решением является устройство, в котором совместно используются прямые и косвенные методы контроля температуры, основанные на математическом моделировании процессов нагрева электрических машин [3].
Это устройство защиты электроустановки от перегрева содержит датчик тока, первичная обмотка которого имеет клеммы для включения в цепь питания защищаемой электроустановки, его вторичная обмотка подключена к первому входу модели нагрева-остывания, датчик температуры окружающей среды, выход которого подключен ко второму входу модели нагрева-остывания, блок формирования сигналов управления, вход которого соединен с первым выходом модели нагрева-остывания, выход блока формирования сигналов управления соединен с управляющим входом коммутационного аппарата и индикации.
Критика прототипа
Недостатком известного устройства является низкая точность определения температуры по модели нагрева электроустановки.
Это обусловлено низкой точностью параметров модели нагрева. Параметры модели определяются многими конструктивными факторами и условиями окружающей среды, которые трудно учесть при расчетах.
Цель изобретения (полезной модели)
Целью предложенной полезной модели является повышение точности тепловой защиты электроустановки за счет корректировки параметров модели нагрева применительно к условиям эксплуатации защищаемой электроустановки.
Сущность изобретения (полезной модели)
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве защиты электроустановки от перегрева дополнительно введен измеритель температуры доступной для измерения точки электроустановки, выход которого подключен к первому входу блока корректировки параметров модели нагрева-остывания, второй вход блока корректировки параметров модели нагрева-остывания соединен со вторым выходом модели нагрева-остывания.
При этом, блок корректировки параметров модели нагрева-остывания выполнен состоящим из вычислителя рассогласования между вычисленным и измеренным значениями температуры, два входа которого являются входами блока корректировки параметров модели нагрева-остывания, исполнительного органа, первый вход которого соединен с выходом вычислителя рассогласования между вычисленным и измеренным значениями температуры, второй вход соединен с датчиком состояния нагрева-остывания электроустановки, выход исполнительного органа является выходом блока корректировки параметров модели нагрева-остывания.
Причем, исполнительный орган выполнен в виде реверсивного регулятора пропорционального типа.
Перечень фигур графических изображений
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства защиты электроустановки от перегрева.
Схема содержит: контролируемую электроустановку (электродвигатель), которая подключена к питающей сети через кабельную линию, датчик тока (трансформатор тока) и коммутационный аппарат (выключатель), модель нагрева-остывания, блок корректировки параметров модели нагрева-остывания, датчик температуры окружающей среды и измеритель температуры доступной для измерения точки электроустановки, блок формирование сигналов.
На фиг. 2 приведена диаграмма изменения температуры нагрева электроустановки, полученной косвенным и непосредственным измерением.
Примеры конкретного выполнения
Предложенное устройство защиты электроустановки от перегрева может быть реализовано, например, применительно к асинхронному электродвигателю следующим образом.
Потери, неизбежно возникающие в любой электроустановке (например, электродвигателе, трансформаторе, реакторе, резисторе и др.) в процессе работы, преобразуются в теплоту. Следовательно, машина нагревается относительно окружающей среды. А наиболее уязвимый элемент - изоляция, расположена в непосредственной близости к источнику тепла - проводнику обмотки.
Потери находятся в сложной взаимосвязи и зависят от многих факторов. Поэтому строгое решение задачи косвенного определения температуры обмотки или токоведущей части получить очень трудно, а в большинстве случаев и невозможно. В связи с этим, с целью получения результатов с приемлемой для релейной защиты точностью пользуются упрощениями и допущениями.
Поскольку потери в стали асинхронной машины определяются, в основном, уровнем напряжения питания и мало зависят от режима работы двигателя, то их можно считать постоянной величиной. Потери на трение и другие потери в большинстве случаев много меньше потерь в обмотках машины. Поэтому ими также можно пренебречь.
Учитывая еще и ряд других корректных для релейной защиты допущений, нагрев электрической машины представляют уравнением теплового баланса:
ΔPdt=αFTdt+cGdT,
где ΔР - активная мощность, выделяющаяся в обмотке; α - коэффициент теплоотдачи; F - площадь поверхности обмотки; Т - превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды; с - удельная теплоемкость обмотки; G - масса обмотки.
Первое слагаемое в правой части уравнения определяет энергию, отводимую от обмотки через ее поверхность. Второе слагаемое - тепловую энергию, которая расходуется на изменение температуры обмотки.
Энергия, выделяющаяся в обмотке за время dt, определяется электрическими потерями в ней:
,
1
где I - ток в обмотке статора; r - активное сопротивление обмотки.
Решение этого уравнения имеет вид:
НАЧ
У
Здесь Т и Т - начальное и установившееся значения превышения температуры обмотки; τ=cG/αF - постоянная времени нагрева обмотки; установившаяся температура .
НАЧ
Таким образом, кривая нагрева обмотки представляет собой экспоненту, начало которой соответствует начальному превышению температуры обмотки Т над температурой окружающей среды.
АБС
ОКР
Абсолютная температура обмотки (Т) равна сумме превышения температуры обмотки над температурой окружающей среды (T) и температуры окружающей среды (Т):
АБС
ОКР
Т=Т+Т.
С помощью датчиков непосредственно измерить температуру обмотки и слоев изоляции, прилегающих к проводникам обмотки, невозможно из-за необходимости обеспечить электрическую изоляцию этих датчиков и проводников обмотки. В связи с этим обстоятельством температуру измеряют с помощью измерителей (датчиков) в других точках (например, на поверхности корпуса), где возможно измерение температуры с помощью датчиков, но которые отделены от проводника обмотки некоторым тепловым сопротивлением (тепловой изоляцией).
Модель нагрева-остывания электродвигателя строится с двумя выходами таким образом, что вычисляется значение температуры на поверхности электродвигателя (в месте установки датчика) и значение температуры проводника обмотки.
Точность модели нагрева-остывания во многом определяется постоянной времени нагрева. Она, в свою очередь, зависит от параметров, которые трудно определить расчетным путем и которые могут изменяться в процессе работы электродвигателя. Корректировка (изменение) постоянной времени по отклонению вычисленного значения температуры от действительного значения температуры на поверхности электродвигателя позволяет приближать процессы в модели к реальным процессам нагрева электродвигателя.
В определенные моменты времени (t1, t2 и т.д.) измеряют температуру в определенной точке электродвигателя и производят вычисление температуры в этой же точке при исходном значении постоянной времени нагрева. Сравнивают полученные значения (фиг. 2). Если при нагреве рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры положительное (вычисленная температура больше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени нагрева электроустановки увеличивают, и процесс нагрева в модели идет медленнее (приращения температуры становятся меньше). Если рассогласование отрицательное (вычисленная температура меньше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени нагрева уменьшают, и далее процесс нагрева в модели идет быстрее (приращения температуры за единицу времени становятся больше). Таким образом, кривая нагрева модели приближается к реальной кривой нагрева электроустановки.
В качестве датчика состояния нагрева-охлаждения электроустановки может быть использован дополнительный контакт коммутационного аппарата. Например, когда выключатель включен, и дополнительный контакт замкнут идет процесс нагрева электроустановки. Когда выключатель отключен, и дополнительный контакт разомкнут, идет процесс остывания.
При остывании если рассогласование между вычисленным и измеренным значениями температуры положительное (вычисленная температура больше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени остывания электроустановки уменьшают, если рассогласование отрицательное (вычисленная температура меньше измеренной), то в модели нагрева-остывания постоянную времени остывания увеличивают. Таким образом, кривая остывания модели приближается к реальной кривой остывания электроустановки.
Причем, постоянную времени нагрева электроустановки при корректировке изменяют с помощью исполнительного органа блока корректировки параметров модели нагрева-остывания пропорционально рассогласованию, чем больше величина рассогласования, тем больше изменяют постоянную времени нагрева.
Таким образом, с течением времени при некотором значении постоянной времени нагрева процессы нагрева или охлаждения в модели и в реальном объекте совпадают (с определенной погрешностью).
Вместе с вычислением температуры в контрольной точке, где производится измерение температуры, используя текущее значение постоянной времени нагрева, вычисляют температуру проводников обмотки и прилегающих к ней слоев изоляции в модели нагрева-остывания. Если вычисленная температура обмотки превысила допустимое значение, то формируют соответствующий информационный сигнал и сигнал на отключение или разгрузку защищаемого объекта.
Технико-экономическая или иная эффективность изобретения (полезной модели)
Благодаря корректировке параметров модели нагрева-остывания по разности между вычисленной и измеренной температуры достигается повышение степени адекватности модели и реального процесса. В свою очередь, повышение точности модели повышает точность вычисления температуры обмотки и прилегающих слоев изоляции. Это повышает точность работы защиты от перегрева в целом, и позволяет, с одной стороны, более полно использовать перегрузочные возможности защищаемых объектов, а, с другой стороны, не допускать их чрезмерного перегрева и последующего повреждения.
Источники информации:
1. Родштейн Л.А. Электрические аппараты. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. - 304 с.
2. Тепловой аналог электродвигателя // Дудник М.З. и др. Авторское свидетельство СССР №1001294 Н02Н 7/085, опубликовано в БИ №:8 28.02.83.
3. Устройство для защиты электродвигателя от перегрева // Булычев А.В., Третьяков В.Л. Авторское свидетельство СССР №1374325 H02H 5/04, 7/085, опубликовано в БИ №:6 15.02.88.