УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Российский патент 2001 года по МПК H02H3/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах защиты электрических сетей и обслуживающего персонала от поражения электрическим током и обеспечения пожаробезопасности в промышленных и бытовых электрических сетях.

Известны устройства защитного отключения в электрических сетях жилых помещений и зданий стационарного и передвижного типа [1, 2]. Защита от коротких замыканий и перегрузки таких электрических сетей, содержащих, как правило, рабочую нейтраль, осуществляется широко применяемыми плавкими предохранителями или автоматическими выключателями, выполняемыми в однофазном или трехфазном исполнении. Плавкие предохранители или автоматические выключатели используются для защиты проводов и приемников электрической энергии от теплового действия тока при перегрузках и коротких замыканиях. При перегрузках перегорает плавкая вставка, установленная внутри пробки. Преимущество плавкого предохранителя состоит в том, что смена пробки происходит без прикосновения к токоведущим частям. Недостаток заключается в том, что при срабатывании плавкого предохранителя необходимо плавкую вставку заменять на новую. Этих недостатков лишены автоматические выключатели, при срабатывании которых достаточно повторно их включить.

Общим же недостатком плавких предохранителей и автоматических выключателей является то, что они не предохраняют обслуживающий персонал от поражения электрическим током. Не сработают указанные устройства также при появлении утечки тока на землю, если величина этого тока не превышает уставки данного предохранителя или уставки автоматического выключателя.

Частично эти недостатки устранены в известном устройстве защитного отключения электрической сети [3], принятом нами за прототип.

Устройство защитного отключения содержит трансформатор тока, магнитопровод которого охватывает проводники питания защищаемой электрической сети, к вторичной обмотке которого подключено промежуточное токовое реле, связанное с системой защитного отключения.

Это устройство обеспечивает отключение нагрузки при появлении утечки тока фазы на контур заземления порядка 10 мА.

При совместном применении плавких предохранителей, автоматического выключателя и устройства защитного отключения электрической сети возможна защита электрической сети от коротких замыканий и утечек тока на контур заземления. Однако устройство защитного отключения, принятое нами за прототип, при применении его без дополнительных автоматического выключателя и плавких предохранителей при появлении тока между фазным и рабочим нулевым проводниками вплоть до величины тока короткого замыкания не сработает, так как сумма токов в окне магнитопровода трансформатора тока равна нулю. Если в защищаемой электрической сети возникает дуговое замыкание через большое переходное сопротивление, при котором ток дуги меньше тока плавкой вставки или уставки автоматического выключателя, устройство автоматического отключения в этом случае не сработает. Устройство защитного отключения также не сработает при продолжительном интенсивном искрении и нагреве в ослабленных контактных соединениях защищаемой электрической сети, питающей электроприемник.

Между тем известно, что контактное соединение (контакт) в электрической сети, питающей электропотребители, является одним из наиболее важных ее элементов, при нарушении (ослаблении или окислении) которого могут возникнуть аварийные ситуации, сопровождающиеся повреждением электропотребителя, приводящие к пожарам, а при наличии в помещении взрывоопасной среды достаточной концентрации возникновение искры между контактами может привести к взрыву.

Состояние контакта зависит от сопротивления в переходном слое между контактными поверхностями, сжатыми друг с другом. Общая площадь надежного соприкосновения зависит от силы нажатия и сопротивления смятию материала контактов. В процессе же эксплуатации контакты могут подвергаться окислению от воздействия атмосферы, что приводит к возрастанию переходного сопротивления, от длительного пользования электрических приборов состояние контактов может ухудшаться по мере их механического срабатывания, ослабления из-за вибраций и в результате приводит к нагреванию, а в конечном итоге может вызвать замыкание в месте соприкосновения контактов и, следовательно, к выходу из строя питаемых аппаратов, устройств, а также к возгоранию изоляции проводов, а в случае благоприятных условий для горения - к пожару, значительному экономическому ущербу и человеческим жертвам.

В основу изобретения поставлена задача создать устройство защитного отключения, которое позволило бы обеспечить защиту электрической сети, питающей нагрузку, при возникновении искрения в ослабленных ее контактных соединениях или дугового замыкания через большие переходные сопротивления.

Решение поставленной задачи достигнуто тем, что устройство защитного отключения электрической сети, содержащее трансформатор тока, магнитопровод которого охватывает проводники питания защищаемой электрической сети, к вторичной обмотке которого подключено промежуточное токовое реле, связанное с системой автоматического отключения, снабжено устройством преобразования спектра высокочастотных электромагнитных колебаний, включающим трансформаторы тока, магнитопроводы которых охватывают каждый в отдельности фазные силовые проводники защищаемой электрической сети, и связанное с ними реле, реагирующее на высокочастотные колебания тока, инициированные искрением ненадежных контактов или электрической дугой через большое переходное сопротивление, причем упомянутые промежуточное токовое реле и реле, реагирующее на высокочастотные электромагнитные колебания тока, связаны с системой автоматического отключения через введенный логический элемент ИЛИ, а ввод устройства представляет собой фильтр низкочастотных колебаний.

Предложенное устройство может иметь однофазное или многофазное (например, трехфазное) исполнение.

В трехфазной электрической сети источник информации появления в силовых проводниках определенного спектра высокочастотных колебаний содержит трансформаторы тока, магнитопроводы которых охватывают каждый в отдельности фазные силовые проводники, а вторичные их обмотки соединены с реле, реагирующим на инициированный искрой спектр высокочастотных электромагнитных колебаний.

Указанные существенные признаки достигнуты во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Между совокупностью существенных признаков изобретения и достигнутым техническим результатом - отключением электрической сети, питающей нагрузку, при возникновении искрения в ослабленных ее контактных соединениях или дугового замыкания через большие переходные сопротивления - существует причинно-следственная связь, заключающаяся в том, что при введении источника информации и преобразования спектра высокочастотных электромагнитных колебаний, включающего трансформаторы тока, магнитопроводы которых охватывают каждый в отдельности фазные силовые проводники защищаемой электрической сети, и связанного с ним реле, реагирующего на инициированные электрической искрой или дугой с большим переходным сопротивлением высокочастотных колебаний, связанного с системой автоматического отключения, и вводом устройства, представляющего собой фильтр низкочастотных колебаний, обеспечивается защита электрической сети, питающей нагрузку, при возникновении искрения в ее ослабленных контактных соединениях или электрической дуги через большие переходные сопротивления.

Изобретение отвечает требованию изобретательского уровня, так как существенные признаки защитного устройства отключения, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, в известных устройствах не обнаружены, что позволяет сделать вывод о наличии существенных отличий в предложенном техническом решении.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема защитного устройства отключения однофазной электрической сети с рабочим нулевым проводом; на фиг. 2 и 3 представлены схемы устройства, предназначенного для использования в сетях с глухозаземленной и изолированной нейтралью соответственно; на фиг. 4, 5 и 6 показаны примеры включения устройства в однофазную и трехфазные сети с глухозаземленной и изолированной нейтралью соответственно.

Защитное устройство отключения электрической сети содержит трансформатор тока, магнитопровод которого 1 (фиг. 1, 2 и 3) охватывает фазные проводники питания 2 электрической сети. К вторичным обмоткам 3 трансформатора тока подключено промежуточное токовое реле 4.

Устройство преобразования спектра высокочастотных электромагнитных колебаний представляет собой трансформаторы тока, магнитопроводы 5 которых охватывают фазные проводники 2, обмотки 6 которых связаны с реле 7, реагирующим на высокочастотные колебания тока, инициированные электрической искрой или дугой с большим переходным сопротивлением. Вторичные обмотки 3 трансформатора, магнитопровод которого 1 охватывает фазный 2 проводники электрической сети и реле 7, реагирующее на ВЧ колебания тока, инициированные электрической искрой или дугой с большим переходным сопротивлением с системой автоматического отключения 8 (фиг. 4, 5 и 6) связаны через логический элемент ИЛИ 9. На вводе устройства установлен фильтр низкочастотных колебаний 10, обеспечивающий селективность действия защитного отключения, препятствуя проникновению высокочастотных помех из сети со стороны источника питания.

Работа предложенного устройства защитного отключения электрической сети основана на срабатывании реле, реагирующего на высокочастотные колебания в токе, инициированные электрической искрой в ослабленных силовых контактах или дуговыми замыканиями через большие переходные сопротивления.

С целью эффективной отстройки реле 7 от воздействия рабочего тока нагрузки промышленной частоты 50 (60) Гц, трансформаторы тока 5 выполняются с воздушным зазором магнитопровода (на чертежах не показано), что, как известно, позволяет получить вторичное напряжение, пропорциональное скорости изменения первичного тока - производной тока.

Указанное свойство трансформаторов тока с воздушным зазором в магнитопроводе значительно повышает чувствительность реле 7 к высокочастотным компонентам первичного тока и обеспечивает эффективную отстройку от тока нагрузки промышленной частоты. Следовательно, трансформатор тока с воздушным зазором в магнитопроводе одновременно выполняет функцию преобразователя спектра тока.

На фиг. 4, 5 и 6 изображены схемы присоединения устройств защитного отключения в сетях с однофазной и трехфазной электрической нагрузкой 11.

При возникновении электрической искры, например, между контактами n и m (фиг. 3) или дугового замыкания через большое переходное сопротивление (например, по влажной или загрязненной изоляции) в токе питающей электрической сети возникают высокочастотные колебания. При появлении в кривой тока нагрузки высокочастотных компонентов, во вторичной обмотке трансформатора 5 наводится электродвижущая сила, пропорциональная производной тока. Таким образом, на вход реле 7 будет подано напряжение, пропорциональное высокочастотным колебаниям первичного тока, появление которых связано с электрическим искрением либо с возникновением в сети электрической дуги.

Реле 7 преобразовывает поступающие на его вход колебания в единичный дискретный логический сигнал, поступающий на элемент ИЛИ 9, а через него сигнал поступает на систему автоматического отключения 8, что приводит к отключению защищаемой сети. При питании трехфазной нагрузки (фиг. 5, 6) устройство работает аналогичным образом, контролируя его состояние во всех трех фазах a, b и с. Благодаря элементу 9 ИЛИ защитные свойства, присущие аналогу, взятому нами за прототип, также сохраняются. Высокочастотные помехи, поступающие в защищаемую электрическую сеть приемника электроэнергии 11 подавляются при помощи фильтра 10 низкочастотных колебаний.

Предложенное защитное устройство отключения электрической сети позволяет обеспечить защиту при возникновении в электрической сети электрических искр между контактами, дуговых замыканий через большие переходные сопротивления и, при правильной эксплуатации устройства, практически исключить возникновение аварий и их последствий.

Защитное устройство отключения может выполняться как автономно без автоматического выключателя, так и совместно с ним в виде единого блока. Изготовление его не требует высокой квалификации и может выполняться на сравнительно небольших площадях. Применение его в электрических сетях жилых помещений, а также в промышленных установках в сетях с рабочим нулевым проводом и в сетях с изолированной нейтралью позволяет существенно повысить надежность эксплуатации электрооборудования.

Источники информации
1. Основы теории электрических аппаратов. И.С. Таев и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.

2. Чунихин А.А. Электрические аппараты. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 720 с.

3. Цапенко Е. Ф. К вопросу о применении устройств защитного отключения при эксплуатации электроустановок. Промышленная энергетика, N 11, 1997 г.

Использование: для защиты электрических сетей и обслуживающего персонала, обеспечение пожаробезопасности. Технический результат заключается в защите электрической сети, питающей нагрузку, при возникновении искрения в ослабленных контактных соединениях или дугового замыкания через большие переходные сопротивления. Устройство содержит трансформатор тока, магнитопровод которого охватывает проводники питания защищаемой электрической сети. К его вторичной обмотке подключено промежуточное токовое реле. Преобразователь спектра высокочастотных электромагнитных колебаний включает трансформаторы тока, магнитопроводы которых охватывают каждый в отдельности фазные силовые проводники защищаемой электрической сети и связанное с ними реле, реагирующее на высокочастотные колебания тока, инициированные искрением ненадежных контактов или электрической дугой через большее переходное сопротивление. Это реле, а также промежуточное токовое реле связаны с системой автоматического отключения через логический элемент ИЛИ. Ввод устройства представляет собой фильтр низкочастотных колебаний. 6 ил.

Устройство защитного отключения электрической сети, содержащее трансформатор тока, магнитопровод которого охватывает проводники питания защищаемой электрической сети, к вторичной обмотке которого подключено промежуточное токовое реле, связанное с системой автоматического отключения, отличающееся тем, что оно снабжено устройством преобразования спектра высокочастотных электромагнитных колебаний в напряжение, пропорциональное высокочастотным колебаниям первичного тока, с последующим преобразованием его в единичный логический дискретный сигнал, включающим трансформаторы тока, магнитопроводы которых охватывают каждый в отдельности фазные силовые проводники защищаемой электрической сети, и связанное с ним реле, реагирующее на высокочастотные колебания тока, инициированные искрением ненадежных контактов или электрической дугой через большое переходное сопротивление, причем упомянутые промежуточное токовое реле и реле, реагирующее на высокочастотные колебания тока, связаны с системой автоматического отключения через введенный логический элемент ИЛИ, а ввод устройства представляет собой фильтр низкочастотных колебаний.