УСТРОЙСТВО ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1999 года по МПК H02H3/32 

Устройство относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам защиты людей от поражения электрическим током и электрооборудования от возгорания при снижении сопротивления изоляции. Известны устройства защитного отключения (далее УЗО), например, РУД05[1], М3011 [2], УЗО20 [3] и др. Все УЗО содержат датчик тока утечки (ДТУ), пороговый элемент (ПЭ) и исполнительный элемент (ИЭ). Выделяемый датчиком ДТУ сигнал - переменное напряжение или ток с частотой защищаемой сети (50 Гц) - поступает на пороговый элемент и, при превышении значения его порога срабатывания (уставки), приводит к переходу ПЭ в состояние, при котором срабатывает исполнительный элемент и осуществляет защитное отключение электроустановки. У всех типов УЗО пороговый элемент выполнен с "памятью", т.е. так, что после первой полуволны синусоидального сигнала пороговый элемент мгновенно переходит в состояние "1", соответствующее срабатыванию (отключению защищаемого объекта) УЗО.

Благодаря этому исключается вибрация подвижных частей исполнительного элемента (у реле - это якорь и контакты) с частотой входного сигнала, в результате чего повышается надежность работы и долговечность УЗО. "Память" у разных УЗО достигается либо путем охвата электронного усилителя порогового элемента глубокой положительной обратной связью, как у РУД-05, М3011 и многих других, либо использованием на выходе линейного усилителя порогового элемента тиристорного ключа, как у УЗО20, УЗО-В и др. В любом из названных вариантов после срабатывания порогового элемента от первой полуволны входного сигнала исполнительный элемент остается включенным, а защищаемая УЗО электроустановка - выключенной, до тех пор, пока его вручную не вернут в исходное состояние.

В качестве прототипа выбираем РУД-05УЗ [1], у которого "память" о переходе в сработанное состояние обеспечивается триггерной характеристикой усилителя с положительной обратной связью.

Недостатками прототипа являются:
а) невозможность обеспечения временной селективности при последовательном соединении двух и более УЗО для построения системы высоконадежной защиты электроустановок;
б) сравнительно низкая помехоустойчивость и, как следствие, возможность ложных отключений защищаемой электроустановки.

Рассмотрим суть названных недостатков.

А) На фиг. 1 приведена схема селективной защиты группы электроустановок ЭУ1, ЭУ2, . ..ЭУ4, устройствами защитного отключения первой ступени УЗО-1 и второй ступени УЗО-2. Пусть уставки УЗО-1 равны 10 мА, а уставка УЗО - 2-30 мА, причем все УЗО мгновенного действия. При возникновении в зоне защиты УЗО-1,1 тока утечки I_ут ≥ 30 мА появится сигнал на срабатывание как в УЗО-1.1, так и в УЗО-2. Выше было отмечено, что все УЗО "запоминают" появление сигнала и произведут отключение даже тогда, когда сигнал исчезнет. По этой причине срабатывание УЗО-1.1 и отключение тока I_ут не приостановит срабатывание УЗО-2, а при срабатывании УЗО-2 будут необоснованно отключены электроустановки ЭУ2, . ..ЭУ4. Таким образом, существующие УЗО не могут обеспечить селективную систему защиты.

В) УЗО мгновенного действия часто срабатывают ложно при прохождении по проводам защищаемой сети кратковременных коммутационных электромагнитных импульсных помех. Например, при включении ЭУ-3 на контактах УЗО возникают коммутационные помехи, которые могут вызвать ложное срабатывание любого из находящихся вблизи УЗО. Очевидно, что при срабатывании УЗО от помех надежность электроснабжения потребителей становится низкой.

Целью изобретения является обеспечение фиксированной выдержки времени на срабатывание (уставки по времени) и возможности срабатывания УЗО только при длительности протекания тока утечки, превышающей уставку по времени.

Указанная цель достигается тем, что дополнительно введены пиковый выпрямитель, буферный усилитель и инерционная RC-цепь, которые включены между датчиком тока утечки и пороговым элементом так, что выход датчика тока утечки подключен ко входу пикового выпрямителя, его выход подключен ко входу буферного усилителя, к выходу которого через RC-цепь подключен пороговый элемент, например компаратор с заданным порогом срабатывания, к выходу которого подключен исполнительный орган (реле).

Схема заявляемого устройства приведена на фиг. 2. Оно содержит: датчик тока утечки 1; пиковый выпрямитель 2; буферный усилитель 3; инерционное звено в виде RC-цепи 4; пороговый элемент, например, компаратор с опорным напряжением U_оп 5; исполнительный орган (реле) 6.

Работу заявляемого устройства рассмотрим на временных диаграммах, приведенных на фиг. 3. На диаграмме I изображена зависимость U₁(t), представляющая собой синусоидальное напряжение на выходе датчика тока утечки 1. Это напряжение поступает на вход пикового выпрямителя 2. Характеристика "вход-выход" этого пикового выпрямителя на графике II. На диаграмме III изображено выходное напряжение U₂(t) и условно импульсы напряжения до выпрямления. На диаграмме IV изображено напряжение U₃(t) на выходе буферного усилителя 3, а на диаграмме V - напряжение U₄ на входе порогового элемента 5 и опорное напряжение U_оп и процесс формирования выдержки времени на срабатывание (t_уст).

В селективной системе защиты (фиг. 1) селективным, т.е. не мгновенного действия, должно быть УЗО-2. Для УЗО-2 характерны три режима работы:
- режим 0, при котором сигнал о величине тока утечки меньше уставки срабатывания, U₁ < U_уст;
- режим 1, при котором сигнал о величине тока утечки U₁ > U_уст, но длительность его меньше времени срабатывания УЗО 2-й ступени (t_ср.1 ≤40 мс);
- режим 2, при котором U₁ > U_уст и длительность его определяется срабатыванием УЗО 2-й ступени (t_ср.2=t_уст.2 = 100 мс).

В режиме 0 имеет очевидные из фиг. 3 зависимости: U₁ < U_уст, U₂ = 0, U₃ = 0, U₄ < U_оп и поэтому компаратор 5 находится в зоне срабатывания.

В режиме 1: U₁ > U _уст, среднее значение U₃ : U_3med ≈ 20, ... 22 B, при этом начинает заряжаться через резистор R конденсатор C с постоянной времени τ₄= RC. За время срабатывания 1-й ступени t_ср.1≈ 40 мс отключается электроустановка с большим током утечки и процесс переходит в режим U₁ < U_уст, U₂=0, U₃ = 0, конденсатор начинает разряжаться (точка "а" на диаграмме V) и устройство не сработав остается в состоянии готовности.

В режиме 2: U₁ > U_уст, U_3med≈20,...22В, конденсатор С заряжается до значения U₄ ≥U_оп за время t_уст.2≈10 мс, после чего происходит срабатывание исполнительного органа 6 и отключение УЗО 2-й ступени.

Благодаря выдержке времени на срабатывание заявляемое устройство не реагирует на электромагнитные помехи длительностью менее времени срабатывания.

Технико-экономическая эффективность заявляемого устройства выражается в повышении надежности электроснабжения со всеми вытекающими из этого эффектами.

Источники информации
1. Реле утечки дифференциальное РУД-05У3. Технические условия ТУ 16-523, 568-78, паспорт ИГРФ. 648221.001 ПС.

2. Модуль защитного отключения серии М3011. Технические условия ТУ 16-90 ИГРФ. 648229.001 ТУ.

3. Устройство защитного отключения УЗО20. Технические условия ТУ 16-90 ИЖТШ.656111.085 ТУ.

4. Устройство защитного отключения УЗО-В. Технические условия ТУ 16-88 ИЖТШ.656111.058 ТУ.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике защиты людей от электропоражений в сетях переменного тока, и может быть использовано для снижения электротравматизма в быту и на производстве. Техническим результатом является построение устройства защитного отключения с выдержкой времени на срабатывание, благодаря чему появится возможность построения селективных многоступенчатых систем защиты электроустановок. 3 ил.

Устройство защитного отключения электрической сети переменного тока, содержащее датчик тока утечки, пороговый элемент с заданным порогом срабатывания и исполнительный орган, соединенные между собой так, что выход датчика тока утечки присоединен к входу порогового элемента, а к выходу порогового элемента подключен вход исполнительного органа, отличающееся тем, что дополнительно введен пиковый выпрямитель, буферный усилитель и инерционная RC-цепь, включенные так, что выход датчика тока утечки присоединен к входу пикового выпрямителя, его выход подсоединен к входу буферного усилителя, к выходу которого через инерционную RC-цепь подсоединен пороговый элемент, к выходу которого подсоединен исполнительный орган.