устройство для защитного отключения в электрической сети переменного тока с заземленной нейтралью

Формула изобретения

1. Устройство защитного отключения для электрической сети с заземленной нейтралью, содержащее выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя, дифференциальный трансформатор тока с первичными обмотками по числу питающих проводов электрической сети и одной вторичной обмоткой и пороговый элемент с выходным ключом и узлом питания, выводы питания которого подключены к одному из фазных проводов и к нулевому проводу сети соответственно, при этом выводы вторичной обмотки дифференциального трансформатора тока соединены с входом порогового элемента, а также выпрямитель, отличающееся тем, что введены двуханодный стабилитрон, резистор, в дифференциальный трансформатор тока введена дополнительная обмотка, один вывод которой соединен с заземлением, а другой вывод соединен через последовательно включенные двуханодный стабилитрон и резистор с нулевым проводом сети и через последовательно соединенные выходной ключ, катушку независимого расцепителя и выпрямитель с фазным проводом сети.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что введены три одинаковых резистора, каждый из которых соединен одним выводом с соответствующим фазным проводом сети, а их другие выводы присоединены к незаземленному выводу дополнительной обмотки дифференциального трансформатора.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам защиты людей от поражения электрическим током.

Известны устройства защитного отключения УЗО, [1]. Названные и подобные им УЗО содержат коммутационный аппарат (выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя или пускатель магнитный), дифференциальный трансформатор тока, выполняющий функцию датчика тока утечки и питаемый от сети полупроводниковый пороговый элемент с контактным или бесконтактным выходом.

УЗО20 представляет собой однофазное УЗО, у которого функцию коммутационного аппарата выполняет выключатель автоматический типа ВА60-26 с катушкой независимого расцепителя. При появлении разности токов в первичных обмотках дифференциального трансформатора тока в его вторичной обмотке индуктируется ЭДС, которая воздействует на полупроводниковый пороговый элемент. Выходом порогового элемента является тиристорный ключ, последовательно с которым включена катушка независимого расцепителя, питаемая через выпрямитель от напряжения фаза-ноль. При срабатывании порогового элемента тиристор открывается и пропускает через катушку независимого расцепителя ток, в результате чего выключатель срабатывает и размыкает свои контактны, чем и осуществляет отключение защищаемого участка электрической сети.

М3011 в комплекте с автономным выключателем автоматическим представляет собой трехфазное УЗО, которое отличается от однофазного главным образом конструкцией дифференциального трансформатора тока, имеющего четыре первичных обмотки (3 фазных и одна в нейтральном проводе). Напряжение сети подается на катушку независимого расцепителя автоматического выключателя путем замыкания выходного контакта порогового элемента М3011.

В качестве прототипа выбираем М3011, который объединяет признаки однофазного и трехфазного вариантов УЗО.

Недостатками прототипа являются:

а) потери работоспособности при обрыве нулевого рабочего и защитного провода PEN и вынос потенциала по этому проводу на все зануленные корпуса электроприемников;

b) отсутствие чувствительности к напряжению на нулевом рабочем проводе, если это напряжение превышает допустимые значения (не более 42В);

c) отсутствие чувствительности к потере напряжения любой из трех фаз в трехфазном исполнении УЗО.

Рассмотрим эти недостатки.

А) На фиг. 1 приведены схемы подсоединения однофазной электроустановки ЭУ1 и трехфазной электроустановки ЭУ2 к четырехпроводной электрической сети по схеме TN-C-S (2). Предположим, что в точке 0 (отмечена крестиком) произошел обрыв провода PEN. В этом случае в электроустановку ЭУ1 с провода фазы А потечет в землю ток I_a. Этот ток проходит по первичным проводникам дифференциального трансформатора тока и стекает через заземлитель в землю, при этом напряжение на заземленном корпусе электроприемника ЭУ1 может достигать почти 220В. Так как токи через обмотки дифференциального трансформатора равны между собой, т.е. I = 0, то УЗО не сработает и не отключит электроприемник ЭУ1. Очевидно, что потенциал корпуса электроприемника ЭУ1 по проводу PEN будет вынесен и на корпус электроприемника ЭУ2 и др., что создаст опасность электропоражения на всех электроприемниках, корпуса которых присоединены к нулевому проводу. Следует подчеркнуть, что, во-первых, этот недостаток присущ не только прототипу, а любым УЗО, а во-вторых, что заземление корпусов электроприемников существенного снижения опасности электропоражения не дает.

в) Предположим, что при целостности провода PEN произошло короткое замыкание (КЗ) одной из фаз на нейтраль N. В этом случае потенциал в точке КЗ будет в интервале 110-157В, в зависимости от сечения провода PEN. Следовательно, потенциалы корпусов электроприемников, присоединенных к нулевому рабочему проводу PEN будут иметь такие же значения, что значительно превышает допустимые по ГОСТу [3] 42В. Напряжение на нейтрали N, а следовательно и на корпусах электроприемников, может появиться и при неравномерной нагрузке 3-х фазной сети из-за значительного тока по проводу PEN.

с) Известно, что эксплуатация 3-х фазных электроприемников в 2-х фазном режиме приводит к ускоренному отказу их, в частности к перегреву проводов сверх допустимых значений, снижению сопротивления изоляции, а также к напряжению на зануленных корпусах электроприемников из-за перекоса фазных напряжений.

Целью изобретения является расширение защитных функций УЗО, а именно, защитное отключение при обрыве нулевого рабочего провода, при появлении опасного напряжения на нулевом рабочем проводе и соединенных с ним корпусах электроприемников, а также при исчезновении или значительном снижении напряжения любой фазы питающей сети.

В п. 1 формулы изобретения указанная цель достигается тем, что в дифференциальный трансформатор тока введена дополнительная обмотка, один вывод которой соединен с заземлением, а другой вывод с нулевым проводом сети через вновь введенные последовательно включенные двуханодный стабилитрон и резистор, кроме того, незаземленный вывод дополнительной обмотки присоединен через выходной ключ, катушку независимого расцепителя и выпрямитель к фазному проводу сети. В п.2 формулы изобретения, цель достигается тем, что дополнительно введены три одинаковых резистора, каждый из которых одним выводом соединен с одним фазным проводом питающей сети, а другие выводы резисторов присоединены к незаземленному выводу дополнительной обмотки дифференциального трансформатора тока.

На фиг. 2 приведена схема электрическая принципиальная заявляемого устройства по п. 1 формулы изобретения, на которой изображено однофазное (двухпроводное) исполнение УЗО.

На фиг. 3 приведена схема электрическая принципиальная заявляемого устройства для трехфазного (четырепроводного) исполнения УЗО.

Заявляемое устройство содержит: выключатель автоматический - 1 с катушкой независимого расцепителя -1,1; дифференциальный трансформатор тока - 2 с числом первичных проводников соответствующим числу питающих проводов сети и двумя вторичными обмотками 2.1 и 2.2; питаемый от сети пороговый элемент 3, состоящий из узла питания 3.1 и собственно порогового элемента 3.2 с контактным или бесконтактным ключом 3.3: токоограничивающий резистор 4; двуханодный стабилитрон 5; выпрямитель 6: три одинаковых резистора 7, 8 и 9.

Заявляемое устройство работает следующим образом. При ручном включении выключателя 1 его контакты замыкаются и осуществляют подачу электроэнергии на защищаемую электроустановку и одновременно на пороговый элемент 3. Потребляемый элементом 3 ток протекает по пути: фазный провод L1(A1) - вход питания элемента 3 - выход питания элемента 3 - нулевой (нейтральный) провод N1. Если вся система исправна в ней нет аварийных напряжений, то падение напряжения между зажимом N1 и заземлением ( фиг. 1) может составлять единицы вольт. Если это напряжение меньше напряжения стабилизации двуханодного стабилитрона 5, то ответвления тока питания в ветвь 4-5 не будет и все УЗО работает так же, как и прототип.

Теперь рассмотрим, как в заявляемом устройстве устраняются указанные недостатки прототипа.

1. Пусть произошел обрыв нулевого провода. В этом случае электропитание порогового элемента 3 будет осуществляться по цепи: фазный провод L1 (A1) - вход питания элемента 3 - выход питания элемента 3 - резистор 4 - двуханодный стабилитрон 5 - обмотка 2.2 - земля. Из приведенного видно, что при обрыве нейтрального рабочего провода через обмотку 2.2 протекает потребляемый элементом 3 ток, который наводит в обмотке 2.1 ЭДС и вызывает срабатывание всего устройства. Таким образом, заявляемое устройство при обрыве нейтрали осуществляет защитное отключение электроустановки и, благодаря размыканию контактов, предотвращает вынос потенциала фазы через нагрузку на нулевой провод.

2. Пусть на рабочем нулевом проводе из-за нештатного режима появилось опасное напряжение, приложенное к зажиму N1 и заземлению нейтрали трансформаторной подстанции. Очевидно, что если это напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона 5, то по цепи: N1 -4 - 5 - 2.2 - заземление потечет ток, который наведет ЭДС в обмотке 2.1 и приведет к срабатыванию порогового элемента 3 и далее всего устройства. Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает срабатывание защиты при появлении опасного напряжения на нулевом рабочем проводе и присоединенных к нему корпусов электроустановок.

3. В заявляемом трехфазном устройстве (фиг. 3) одинаковые резисторы в точке их соединения образуют искусственный нулевой потенциал относительно заземленной нейтрали трансформатора. Поэтому, при близких значениях напряжений в фазах A, B, C, ток через обмотку 2.2. пренебрежимо мал, соответственно, малой будет ЭДС в обмотке 2.1 и поэтому срабатывания порогового элемента 3 не происходит. Однако при обрыве любого фазного провода или при появлении значительной асимметрии фазных напряжений, к которым подключены резисторы 7, 8, 9, через обмотку 2.2 в землю начинает течь ток. Этот ток наводит в обмотке 2.1 ЭДС, которая и вызывает срабатывание всего устройства. Таким образом, заявляемое устройство осуществляет защитное отключение при полном или значительном частичном снижении напряжения любой фазы.

Технико-экономическая эффективность заявляемого устройства выражается в более широком наборе защитных функций, выполняемых одним устройством. Благодаря этому появляется возможность обеспечить в четырехпроводных TN-C-S сетях такую же электробезопасность, как и в пятипроводных TN-S сетях [4]. Экономическая эффективность этого очевидна, так как отпадает необходимость в добавлении 5-го провода в широко распространенные в России четырехпроводные сети.

Лабораторные испытания подтвердили правильную реакцию заявляемого устройства во всех описанных аварийных режимах.

Источники информации.

1. ГОСТ Р50807-95 "Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током. Общие требования и методы испытаний".

2. В Главгосэнергонадзоре России. О применении УЗО. Информационное письмо N 42-6/34-ЭТ от 23.10.95 "Промышленная энергетика", N 3, 1996.

3. ГОСТ 12.2.007.0-75 СБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности".

4. Слободкин А. Х. Анализ влияния УЗО на электробезопасность в сетях 380/220В с заземленной нейтралью. "Промышленная энергетика", N 5, 1997(в печати).