СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2006 года по МПК H02H3/00 H02H7/09 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, в частности к защитным способам и устройствам, и может быть использовано для защиты трехфазного силового оборудования от асимметрии токов и человека от поражения электрическим током в сетях переменного тока как с заземленной, так и с незаземленной нейтралью.

Известны способ и устройство защиты нагрузки [патент RU 2069434, МПК H 02 H 3/16, 1996.11.20], преимущественно для защиты трехфазной сети от токов утечки на землю, предписывающие плавное изменение сопротивления нелинейного элемента и перераспределение тока в цепи органа релейного элемента, для чего устройство содержит нелинейный элемент, соединенный через ограничительный резистор параллельно вспомогательному источнику тока, и выходное реле, соединенное обмоткой параллельно резистору (Выделенное курсивом - признаки присущие предмету изобретения).

Известен способ и устройство защиты нагрузки [патент RU 2131161, МПК H 02 H 5/00, 1999.05.27], преимущественно для защиты человека от поражения электрическим током, предписывающие отключениепитающей сети при появлении на исполнительном устройстве сигнала, формирующегося за счет наведения ЭДС в теле человека электромагнитным полем, создаваемым в опасной зоне, что достигается подачей сигнала путем замыкания ЭДС на исполнительное устройство через токоведущие линии нагрузки и линии питания нагрузки в момент прикосновения человека к токоведущим линиям, находящимся под опасным напряжением (Выделенное курсивом - признаки, присущие предмету изобретения).

Известны способ и устройство защиты нагрузки [патент RU 2017299, МПК H 02 H 3/16, 1994.07.30], преимущественно для защитного отключения электрических установок от сети переменного тока с трехфазными проводами и нулевым проводом, предписывающие, при нарушении симметрии токов, отключение нагрузки, для чего обеспечивается срабатывание магнитного пускателя, управляемого от трансформатора нулевой последовательности через усилитель напряжения, реле и два асимметра (Выделенное курсивом - признаки, присущие предмету изобретения).

Существенным недостатком, присущим вышеуказанным способам и устройствам защиты, являются значительные аппаратурная избыточность, инерционность и ограниченная надежность в работе.

Задача изобретения - защита трехфазных симметричных нагрузок от асимметрии фазных токов, замыканий и утечек на землю, а также человека от поражения электрическим током.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе защиты трехфазной нагрузки осуществляют сравнение модулей мгновенных значений асимметрии фазных токов в нагрузке с ее допуском, а при выходе асимметрии фазных токов в нагрузке за поле допуска нагрузки отключают от источника трехфазной питающей цепи, а устройство для защиты трехфазной нагрузки дополнительно содержит трехфазное реле оценки степени асимметрии фазных токов, соединенное обмотками последовательно, между магнитным пускателем и нагрузкой, нормально замкнутые контакты которого последовательно соединены с обмоткой магнитного пускателя.

Для достижения технического результата в способе защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током, включающем оценку степени асимметрии токов в нагрузке, дополнительно осуществляют сравнение модулей мгновенных значений асимметрии фазных токов в нагрузке с ее допуском, а при выходе асимметрии фазных токов в нагрузке за поле допуска нагрузку отключают от источника трехфазной питающей цепи; в устройство защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током, содержащее магнитный пускатель, соединенный входами пофазно с источником питания, и нагрузку, дополнительно введено трехфазное реле оценки степени асимметрии фазных токов в нагрузке, соединенное входами пофазно с выходами магнитного пускателя, выходами - со входами нагрузки, а нормально замкнутые контакты реле оценки степени асимметрии фазных токов соединены последовательно с обмоткой магнитного пускателя, причем реле оценки степени асимметрии фазных токов содержит катушку из трех идентичных обмоток, в которой размещен сердечник из магнитомягкой электротехнической стали и нормально замкнутые контакты, управляемые магнитным полем сердечника.

Диаграммы токов в нагрузке, поясняющие принцип оценки степени асимметрии фазных токов в нагрузке, приведены на фиг.1, схема устройства для защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током приведена на фиг.2, а схема реле оценки степени асимметрии фазных токов - на фиг.3.

Способ защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током состоит в том, что, см. фиг.1, по модулю суммы векторов фазных токов оценивается степень их асимметрии а при выходе значения за поле допуска нагрузка отключается от источника питания. Такое решение обеспечивает исключение содержания нагрузки под током как при утечке тока по любой из фаз, так и при дисбалансе сопротивления любого фазного элемента, в т.ч. и, при достаточной чувствительности устройства, защиту человека от поражения электрическим током.

Устройство защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током содержит (см. фиг.2) магнитный пускатель 1, соединенный входами с источником питания, нагрузку 2 и реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов, соединенное входами (обмотками) пофазно с выходами магнитного пускателя 1, выходами (обмотками) - пофазно со входами нагрузки 2, а нормально замкнутыми контактами - последовательно с обмоткой магнитного пускателя 1. Реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов (см. фиг.3) содержит катушку 4 из трех идентичных (w₁=w₂=w₃) обмоток, сердечник 5 из магнитомягкой электротехнической стали, размещенный в катушке 4, и нормально замкнутые контакты 6, управляемые магнитным полем сердечника 5. Входы катушки 4 (обмоток w_i) пофазно соединены с выходами магнитного пускателя 1, выходы катушки 4 (обмоток w_i) реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов соединены пофазно со входами нагрузки 2, а нормально замкнутые контакты 6 реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов соединены последовательно с обмоткой магнитного пускателя 1.

Устройство защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током работает следующим образом (см. фиг.2). Нормально замкнутые контакты 6 реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов обеспечивают гальваническую связь обмотки магнитного пускателя 1, через нормально замкнутые контакты его кнопки "Стоп", с источником питания. При нажатии кнопки "Пуск" контакты пускателя 1, нормально разомкнутые, замыкаются и нагрузка 2, через магнитный пускатель 1 и реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов, соединяется с источником питания. В нагрузке 2, при симметричности ее фазных сопротивлений, протекают равные по модулю фазные токи со сдвигом по фазе на 120°, а асимметрия фазных токов не выходит за пределы поля допуска тогда напряженность магнитного поля |H| в катушке реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов недостаточна (|H|<|H_p|) для размыкания контактов реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов и обесточивания обмотки магнитного пускателя 1. При нарушении симметрии фазных токов, т.е. при в момент выхода асимметрии за поле допуска (при по причинам неравенства модулей фазных токов неравенства фазных сопротивлений нагрузки (R_фа≠R_фb≠R_фс), неравенства сопротивлений между входом фазы нагрузки 2 и корпусом нагрузки и/или землей (R₁≠R₂≠R₃) и т.д., в катушке 4 реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов протекают несимметричные токи, напряженность магнитного поля в сердечнике 5 реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов достигает уровня |≥H_p|, достаточного для срабатывания реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов, при этом его нормально замкнутые контакты 6 размыкаются (при |H|≥|H_p|), обмотка магнитного пускателя 1 обесточивается, контакты магнитного пускателя 1 размыкаются, а нагрузка 2 автоматически отключается от питающей сети (обесточивается). Нарушение симметричности фазных токов нагрузки 2, т.е. токов, протекающих через реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов, независимо от причины, ее вызвавшей, приводит к обесточиванию нагрузки 2, а следовательно, - к ее защите, равно как и к защите питающей сети от короткого замыкания, обрыва фазы, утечки на землю, а при достаточной чувствительности реле 3 оценки степени асимметрии фазных токов - и к защите человека от поражения электрическим током.

Результаты испытаний - инерционность защитного отключения трехфазной нагрузки (с нейтралью или без таковой) не превышает 0,2 сек при модуле асимметрии фазных токов , что даже при снижении сопротивления изоляции любой из фаз на корпус обеспечивает защиту нагрузки 2 (электропривода) от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током в 30÷40 мА/сек и более, при допуске (в шахтной угледобыче) в 100÷150 мА/сек.

Достоинства способа и устройства защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током состоят в автоматическом срабатывании защиты при минимизации аппаратурной избыточности и инерционности отключения нагрузки в случае выхода асимметрии фазных токов в нагрузке за поле допуска и, как следствие, в повышении надежности в работе. Так при разнице тока в одной из фазных обмоток реле оценки степени асимметрии фазных токов на десятки миллиампер устройство с задержкой не более 0,2 сек отключает (обесточивает) нагрузку, что позволяет защитить нагрузку от перекоса фазных токов, при нарушении асимметрии сопротивления фазных обмоток нагрузки, и утечек тока на корпус оборудования, и даже при появлении тока утечки через цепь с сопротивлением в единицы и десятки тысяч Ом, а следовательно, - защитить человека от токов в десятки мА/сек, что в шахтных условиях, условиях повышенной влажности, обеспечивает защиту человека от поражения током.

Использование: для защиты трехфазного силового оборудования от асимметрии токов, от утечки тока на землю и от поражения человека электрическим током. Технический результат заключается в повышении надежности и устранении аппаратной избыточности. Способ защиты состоит в оценке мгновенных значений асимметрии фазных токов в нагрузке, сравнении этих значений с допуском и, при выходе мгновенного значения степени асимметрии токов в нагрузке за поле допуска, в отключении нагрузки от источника трехфазной питающей цепи. Устройство защиты, содержащее магнитный пускатель и нагрузку, дополнительно содержит реле оценки степени асимметрии фазных токов в нагрузке, соединенное входами пофазно с выходами магнитного пускателя, выходами - со входами нагрузки, а нормально замкнутые контакты реле соединены последовательно с обмоткой магнитного пускателя. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током, включающий оценку степени асимметрии токов в нагрузке, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют сравнение модулей мгновенных значений асимметрии фазных токов в нагрузке с ее допуском, а при выходе асимметрии фазных токов в нагрузке за поле допуска нагрузку отключают от источника трехфазной питающей цепи.2. Устройство защиты трехфазной нагрузки от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током, содержащее магнитный пускатель, соединенный входами пофазно с источником питания, и нагрузку, отличающееся тем, что в него дополнительно введено реле оценки степени асимметрии фазных токов в нагрузке, соединенное входами пофазно с выходами магнитного пускателя, выходами - со входами нагрузки, а нормально замкнутые контакты реле оценки степени асимметрии фазных токов соединены последовательно с обмоткой магнитного пускателя, причем реле оценки степени асимметрии фазных токов содержит катушку из трех идентичных обмоток, в которой размещен сердечник из магнитомягкой электротехнической стали и нормально замкнутые контакты, управляемые магнитным полем сердечника.