УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к низковольтным устройствам защиты электрооборудования.

Известны устройства защиты электрооборудования, например автоматические выключатели, содержащие контактную систему и максимальный расцепитель тока [1] . Номинальный ток таких автоматических выключателей I_н соответствует номинальному или расчетному току электрооборудования I_р с учетом коэффициента запаса, учитывающего зону разброса защитных характеристик автоматических выключателей и зону разброса предельно-допустимых нагрузок электрооборудования по току и времени, т.е. I_н = KI_р, где I_н - номинальный ток автоматического выключателя, I_р - номинальный или расчетный ток электрооборудования, K - коэффициент запаса. Коэффициент запаса K в зависимости от типа устройства защиты (автоматического выключателя или предохранителя) и в зависимости от вида выполняемых функций, условий эксплуатации и других особенностей защищаемого электрооборудования изменяется в пределах от 1,05 до 2.

Недостатком такого устройства защиты является его неэффективность для защиты электрооборудования переменной мощности. Особенно наглядно это проявляется в случае защиты одним автоматическим выключателем группы нагрузок, каждая из которых коммутируется своим коммутирующим устройством, не несущим функции защиты, например магнитным пускателем. Поэтому через автоматический выключатель протекает "плавающий" ток от ноля до I_р. Примером защиты такого рода нагрузок может служить защита осветительных установок.

Известно, что в настоящее время защита осветительных установок от токов короткого замыкания и перегрузок осуществляется практически без учета типов источников света. Сети электроосвещения рассчитывают по потере напряжения, исходя из уровней напряжения у наиболее удаленных ламп, с одновременным выполнением комплексного расчета всех звеньев питающей и групповой сетей на общий минимум проводникового металла. Затем по величине рабочего тока осветительной установки I_р по таблицам [2] выбирают сечение и тип провода, способного длительное время выдерживать ток I_р. По величине I_р осветительной установки выбирают тип щитка, который уже укомплектован автоматическими выключателями определенного типа. При этом при защите групповых линий автоматические выключатели с тепловыми расцепителями, установленные в закрытых шкафах или щитках, соответствуют условию I_н ≥ 1,11 • I_р, а для отстройки автоматических выключателей с комбинированными расцепителями от пусковых токов источников света необходимо, чтобы выполнялось условие I_н ≥ 1,4 • I_р (в случае осветительных установок с лампами накаливания и разрядными лампами).

Недостатком такой защиты является ее нечувствительность к токам перегрузки, что ведет к повышению вероятности пожароопасной ситуации. Эта ситуация особенно обостряется, если учесть, что часто часть ламп или группы ламп коммутируются отдельными выключателями, не обладающими функциями защиты.

Известны устройства защиты осветительных установок, например с помощью автоматических выключателей, отвечающих условию I_н = 1,4 • I_р [3]. При такой защите устраняются ложные отключения при кратковременных перегрузках и их несрабатывание в аварийных ситуациях.

Однако такие устройства защиты эффективны только при условии своевременной замены вышедших из строя источников света (например, перегоревших ламп накаливания). В противном случае с сокращением числа источников света снижается нагрузка, и защита не срабатывает в пожароопасной ситуации, когда возросшая на отдельном источнике света нагрузка не увеличивает общую нагрузку до значения, превышающего 1,4 I_р.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство защиты осветительной установки (электрооборудования), содержащее аппарат защиты, например автоматический выключатель, соответствующий условию I_н = 1,4 • I_р, где I_н - номинальный ток аппарата защиты, I_р - расчетный ток осветительной установки )электрооборудования), 1,4 - коэффициент запаса, но при этом необходимо согласовывать предельно-допустимые нагрузки по току и времени различных типов источников света с зоной разброса защитных характеристик автоматического выключателя [4].

Недостатком такого устройства защиты является малая его чувствительность к токам перегрузки, так как коэффициент пропорциональности между фактическим током осветительной установки и ее расчетным током I_р возрастает до 3-4 за счет коэффициента запаса. Кроме того, часто в осветительных установках отдельные источники света или отдельные группы источников света дополнительно коммутируются выключателями, не обладающими функциями защиты. В этом случае мощность осветительной установки, защищаемой автоматическим выключателем, может колебаться в пределах (0,05 - 1,0) P_р (P_р - номинальная или расчетная мощность осветительной установки). Это увеличивает вероятность возникновения пожароопасной ситуации.

В основу изобретения поставлена задача создания такого устройства защиты, содержащего аппарат защиты, в котором благодаря введению элементов, автоматически выбирающих значения уставки тока срабатывания в зависимости от фактического тока защищаемого электрооборудования, достигается повышение эффективности защиты, в частности на токах меньше расчетных, что приведет к снижению возможности возникновения пожароопасной ситуации.

Поставленная задача решается следующим образом. Устройство защиты электрооборудования содержит аппарат защиты, соответствующий условию I_н ≥ K_пI_р, где I_н - номинальный ток аппарата защиты, I_р - расчетный ток электрооборудования, K_п = 1,05 - 2,0 - коэффициент запаса. Согласно изобретению устройство дополнительно содержит блок управления и силовой блок, представляющий собой параллельное соединение ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных аппарата защиты и симистора, причем блок управления содержит источник питания, вход которого подключен к нейтральному проводу и фазе электрооборудования на входе аппаратов защиты с разными номинальными токами, измерительный орган, включающий в себя генераторы импульсов и трансформатор тока, являющийся входом многоканального компаратора, выполненного на операционных усилителях, неинвертирующий вход одного из которых и инвертирующий вход остальных подсоединены к делителю опорного напряжения, а оставшийся вход каждого операционного усилителя - к выходу трансформатора тока, выход каждого операционного усилителя соединен с входом своего генератора импульсов, выход каждого из которых соединен с цепью управления своего симистора, причем количество операционных усилителей, генераторов импульсов и каналов компаратора равно числу аппаратов защиты в силовом блоке. Кроме того, соотношение номинальных токов аппаратов защиты силового блока кратно K_i, т.е.

I_2н = I_iн/K₂, I_3н = I_2н/K₃ и т.д.,
где
K_i = 2 - 7, I_iн - номинальный ток аппарата защиты первой ветви;
I_2н - номинальный ток аппарата защиты второй ветви;
I_3н - номинальный ток аппарата защиты третьей ветви и т.д.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достижением технического результата заключается в следующем. Именно выполнение устройства защиты указанным выше образом обеспечивает достаточную чувствительность защиты к токам перегрузки. Введение блока управления, содержащего орган измерения фактической величины тока перегрузки, от которого сигнал передается многоканальному компаратору, который через соответствующие элементы управляет одним из симисторов, обеспечивает включение цепи того автоматического выключателя, значение уставки тока которого соответствует данной величине тока нагрузки защищаемого электрооборудования.

Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого устройства защиты обеспечивает значение уставки тока срабатывания устройства защиты, соответствующее величине тока нагрузки защищаемого оборудования, и необходимое изменение уставки с изменением нагрузки. В результате повышается эффективность защиты, в том числе и при изменении нагрузки в сторону ее уменьшения, следствием чего является снижение вероятности возникновения аварийной ситуации.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства защиты с трехступенчатой автоматически регулируемой уставкой тока срабатывания для осветительной установки.

На фиг. 2 приведена принципиальная схема силового блока.

На фиг. 3 - принципиальная схема трехканального компаратора.

На фиг. 4 - принципиальная схема генератора импульсов.

Устройство защиты содержит силовой блок 1, включенный в фазовый провод "Ф" защищаемого электрооборудования (осветительной установки) 2 и блок управления 3, включающий в себя источник питания 4. Вход источника питания 4 соединен с нейтральным проводом "О" и фазой "Ф" электрооборудования 2. Кроме того, блок управления 3 содержит измерительный орган 5, состоящий из генераторов импульсов 6, 7, 8 (по числу уставок тока срабатывания устройства защиты) и трехканального компаратора 9. Входом компаратора 9 является трансформатор тока ТТI, первичная обмотка которого включена в фазовый провод "Ф" осветительной установки 2. Выход трансформатора тока ТТI соединен с входом операционных усилителей 10, 11, 12 (с входом "к" операционных усилителей 11 и 12 и с входом "и" усилителя 10). Оставшийся вход операционных усилителей (вход "и" усилителей 11 и 12 и вход "к" усилителя 10) соединен с делителем опорного напряжения 13. Выход "е" каждого операционного усилителя 10, 11, 12 соединен с входом своего генератора импульсов, соответственно 6, 7, 8. Каждый генератор импульсов 6, 7, 8 содержит трансформатор импульсов ТИ. Выход каждого генератора импульсов 6, 7, 8 (соответственно "a", "b", "c") соединен с цепью управления соответствующего симистора S1, S2, S3 силового блока 1. Силовая цепь каждого из симисторов S1, S2, S3 соединена последовательно со своим автоматическим выключателем, соответственно A1, A2, A3. Контакты K1, K2, K3 автоматических выключателей A1, A2, A3 в случае аварийных ситуаций разрывают цепь нагрузки 2. K4 - K7 - выключатели, не обладающие функциями защиты, которыми вручную меняют мощность нагрузки защищаемого электрооборудования 2.

Устройство защиты работает следующим образом.

В исходном положении автоматические выключатели A1, A2, A3 включены, т. е. их контакты K1, K2, K3 замкнуты. Однако ток в силовой цепи появится только тогда, когда будет вручную включен хотя бы один из выключателей K4, K5, K6, K7, которые не обладают функциями защиты. Симистор S1 открыт. Поэтому при включении любого выключателя K4 - K7 в силовой цепи через автоматический выключатель A1 начинает протекать ток. В этом случае компаратор 9 измерительного органа 5 блока управления 3 через соответствующий генератор импульсов 7 или 8 открывает тот симистор, номинальный ток автоматического выключателя которого A2 или A3 ближе всего к току защищаемого электрооборудования в данный момент времени. В случае изменения фактического тока защищаемого электрооборудования 2 посредством выключателей K4 - K7 блок управления 3 автоматически осуществляет переключение параллельных ветвей силового блока 1 при помощи открытия одного из соответствующих симисторов S1, S2, S3 и закрытия двух остальных. Всегда открыт только один из симисторов S1, S2, S3. Таким образом, в любой момент времени включена только одна из трех параллельных ветвей силового блока 1. В случае возникновения тока перегрузки через определенное время срабатывает соответствующий автоматический выключатель и его контакты K1, или K2, или K3 отключают электрооборудование 2. Для повторного включения электрооборудования 2 необходимо взвести рукояткой во включенное положение соответствующий автоматический выключатель. В случае отключения всех выключателей K4 - K7 ток в силовой цепи исчезнет и симисторы S2 и S3 закрываются. Последовательность включения того или иного автоматического выключателя A1 - A3 в зависимости от величины фактического тока силовой цепи осуществляется за счет делителя 13 опорного напряжения. Переключение силовой цепи с одного автоматического выключателя на другой осуществляется при соотношении их номинальных токов в интервале от 2 до 7. В этом интервале может быть установлено любое соотношение. Соотношение номинальных токов автоматических выключателей равное K_i = 2 соответствует практически нижней границе токов перегрузки, а K_i = 7 - практически верхней границе токов перегрузки. Конкретное значение K_i определяется видом защищаемого оборудования, выполняемыми им функциями и условиями его эксплуатации. Перед включением тока электрооборудования 2 выключателями K4 - K7 всегда открыт симистор S1. Т. е. всегда первым включается автоматический выключатель A1, который имеет самое большое значение номинального тока I_1н > I_2н > I_3н. При токе осветительной установки 1 ≤ I_2н закрывается симистор S1, но открывается симистор S2, т.е. ток электрооборудования 2 начинает проходить через автоматический выключатель A2. Теперь защиту осветительной установки 2 осуществляет уже автоматический выключатель A2. При токе силовой цепи 1 ≤ I_3н открывается симистор S3, но закрывается и симистор S2. Теперь защиту электрооборудования 2 осуществляет уже автоматический выключатель A3. При увеличении тока переключение симисторов идет в обратном направлении.

Таким образом, предлагаемое устройство защиты позволяет автоматически подбирать тот автоматический выключатель для защиты нагрузки, номинальный ток которого находится ближе к току силовой цепи. Это позволит повысить чувствительность защиты к токам перегрузки и снизить вероятность возникновения пожароопасной ситуации.

Например, для осветительной установки трехкомнатной квартиры используется автоматический выключатель с I_н = 6,2 А. Источниками света в такой осветительной установке являются лампы накаливания. В общем случае их число может быть равным: прихожая - одна лампа мощностью 100 Вт; кухня - одна лампа мощностью 100 Вт; ванная комната и туалет - две лампы мощностью 60 Вт каждая; гостиная - люстра 5х60 Вт; две комнаты - люстра 3х60 Вт в каждой комнате. Итого, общая мощность осветительной установки 980 Вт. Расчетный ток осветительной установки при всех включенных лампах I_р = 4,5 А. Рекомендуемое соотношение между I_н и I_р практически выполняется и при этом осуществляется защита от токов перегрузки. Обычно свет включается не полностью, а частично. Чаще всего это происходит в прихожей. В этом случае I_р ≈ 0,45 А. Автоматический выключатель при этом не будет реагировать не только на токи перегрузки, но и на ток короткого замыкания. Возникающие при определенных условиях (чаще всего при коммутации) в лампах накаливания дуговые разряды между витками спирали или между электродами не всегда являются причиной отключения автоматического выключателя. В одном случае дуговой разряд может вызвать взрыв колбы, а в другом - проплавление ее частицами никеля, образующимися в результате расплавления электродов. В обоих случаях аварийный режим сопровождается образованием и выбросом источников зажигания (частицы никеля, расплавленной вольфрамовой спирали и конструкционных элементов, нагретых до высоких температур). Наиболее пожароопасны частицы никеля. В осветительных установках с лампами ДРЛ причиной пожара могут быть межвитковые и межслоевые замыкания в дросселе.

Предлагаемое устройство защиты позволит в этом случае снизить вероятность возникновения пожароопасной ситуации.

Источники информации.

1. Кузнецов Р.С. Аппараты распределения электрической энергии на напряжение до 1000 В. - М.: Энергия, 1970.

2. Справочная книга по светотехнике./ Под ред. Ю.Б. Айзенберга. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Клюев С.А. Освещение производственных помещений. - М.: Энергия, 1979.

4. Особенности защиты осветительных установок с лампами ДРЛ /К.К.Намитоков, В.Н. Терешин, Т.Г. Аветисова и др. Светотехника, 1991, N 3, с. 17 - 18.

Изобретение относится к низковольтным устройствам, предназначенным для защиты электрооборудования от токов перегрузки. Устройство содержит блок управления и силовой блок. Силовой блок представляет собой параллельное соединение ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных аппарата защиты и симистора, причем аппараты защиты имеют разные номинальные токи. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности защиты. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство защиты электрооборудования, содержащее аппарат защиты, соответствующий условию
I_н ≥ I_р • K,
где I_н - номинальный ток аппарата защиты;
I_р - расчетный ток электрооборудования;
K_п = 1,05 - 2,0 - коэффициент запаса,
отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит блок управления и силовой блок, представляющий собой параллельное соединение ветвей, каждая из которых состоит из последовательно соединенных аппарата защиты и симистора, причем аппараты защиты имеют разные номинальные токи. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления содержит источник питания, вход которого подключен к нейтральному проводу и фазе электрооборудования на входе аппаратов защиты, измерительный орган, включающий в себя генераторы импульсов и трансформатор тока, являющийся входом многоканального компаратора, выполненного на операционных усилителях, неинвертирующий вход одного из которых и инвертирующий вход остальных подсоединены к делителю опорного напряжения, а оставшийся вход каждого операционного усилителя - к выходу трансформатора тока, выход каждого операционного усилителя соединен с входом своего генератора импульсов, выход каждого из которых соединен с цепью управления своего симистора, причем количество операционных усилителей, генераторов импульсов и каналов компаратора равно числу аппаратов защиты в силовом блоке. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение номинальных токов аппаратов защиты силового блока кратно K_i, то есть
I_2н = I_1н/K₂, I_3н = I_2н/K₃ и т.д.,
где K_i = 2 - 7 - коэффициент пропорциональности;
I_1н - номинальный ток аппарата защиты первой ветви;
I_2н - номинальный ток аппарата защиты второй ветви;
I_3н - номинальный ток аппарата защиты третьей ветви и так далее.