Блок устройств дифференциального тока Российский патент 2021 года по МПК H02H3/16 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для дифференциальной защиты электроустановок, реагирующим на замыкание на землю и на обрыв линии при контроле разности токов с помощью датчиков обнаружения дифференциального тока.

Хорошо известны устройства дифференциального тока (коммутационные устройства), предназначенные включать, проводить и отключать электропитание при нормальных условиях и автоматически отключать, когда дифференциальный ток достигает заданного значения [ГОСТ 30331.1-2013 (IEC 60364-1:2005)]. Практическое применение нашли устройства дифференциального тока в виде автоматических выключателей, управляемых дифференциальным током [ГОСТ IEC 61008-1-2012, ГОСТ IEC 61009-1-2014]. Они содержат полюсы с контактами, расцепитель для механического соединения и синхронизации контактов, а также датчик обнаружения дифференциального тока, входные и выходные выводы для соединения с источником питания, с электроприемником или с вспомогательными проводниками.

Расширение набора функций для указанных устройств достигается путем объединения нескольких автоматических выключателей, управляемых дифференциальным током. Например, устройство [RU 198896 от 05.05.2020, фиг.3], выбранное в качестве аналога, обеспечивает защиту от обрыва нескольких проводников. При этом органы управления (расцепители) двух устройств дифференциального тока синхронизированы механическим соединением.

Недостаток механической синхронизации заключается в том, что устройства должны быть подобраны из одного модельного ряда и иметь смежное размещение. Механическая синхронизация как правило возможна для ограниченного числа полюсов (до четырех) из-за уменьшения надежности при увеличении длины (размеров)механических связей.

Ближайшим аналогом предлагаемого изобретения является «Устройство защитного отключения» [RU 2572619 от 13.09.2011], в котором содержатся два устройства дифференциального тока с входными выводами, выходными выводами и две пары вспомогательных контактов, каждая из которых механически соединена расцепителем с контактами полюсов одного из двух устройств дифференциального тока. Электрическое соединение вспомогательных контактов выполнено с контролером для выработки сигнала синхронизации в зависимости от положения вспомогательных контактов. Такое решение вполне обеспечивает решение задачи синхронизации, но не является универсальным, поскольку требует для каждого конкретного случая выбора и программирования специализированного контролера.

Предлагаемое изобретение расширяет арсенала технических средств синхронизации устройств дифференциального тока.

Новое техническое решение отличается от конструкции ближайшего аналога [RU 2572619 от 13.09.2011] тем, что одна пара вспомогательных контактов выбрана замыкающей, а вторая размыкающей, при этом вспомогательные контакты соединены в последовательную электрическую цепь с конденсатором и резистором между входным и выходным выводами разных полюсов устройства дифференциального тока с размыкающей парой вспомогательных контактов. Дополнительно указанное соединение вспомогательных контактов может повторяться для четного числа пар вспомогательных контактов двух и более устройств дифференциального тока.

На фиг.1…9 показаны схемы, поясняющие конструкцию. Предлагаемый блок (1) (фиг.1) содержит два устройства дифференциального тока, к которым присоединен электроприемник (2) с помощью основных проводников (3) и вспомогательных проводников (4). В случае трехфазного электроприемника с нагрузками фаз R_H1, R_H2, R_H3 и с нейтралью источник питания соединен через входные выводы (L₁, L₂, L₃, N) с контактами четырех полюсов устройства дифференциального тока QD₁, которое соединено последовательно с устройством дифференциального тока QD₂. Основные проводники (3) соединены с выходными выводами устройства QD₂ непосредственно, а вспомогательные - с выходными выводами устройства QD₁ через резисторы R₁, R₂, R₃, R_N и конденсаторы С₁, С₂, С₃, C_N. При этом устройство (1)содержит две пары вспомогательных контактов (К₁ и К₂), каждая из которых механически соединена расцепителем с контактами полюсов одного из двух устройств дифференциального тока, пара вспомогательных контактов К₁ выбрана замыкающей, а К₂-размыкающей, указанные вспомогательные контакты соединены в последовательную электрическую цепь с конденсатором С_К и резистором R_К между входным (N) и выходным (L₁') выводами разных полюсов устройства дифференциального тока QD₁.

Во втором варианте (фиг.2) последовательная цепь вспомогательных контактов К₁, К₂, конденсатора С_К и резистора R_К применена в соединении с двумя трехполюсными устройствами дифференциального тока, которые соединены последовательно между источником питания и трехфазной нагрузкой с изолированной нейтралью, при этом в цепях вспомогательных проводников применены варисторы и конденсаторы.

Третий вариант (фиг.3) иллюстрирует случай однофазной нагрузки R_H1 и применение предлагаемого устройства с деталями (К₁, К₂, С_К, R_К) для двухполюсных устройств дифференциального тока, первым из которых (QFD₁) является автоматическим выключателем, управляемым дифференциальным током, с встроенной защитой от сверхтока (М), а второй (QD₂) соединен с радиореле PP. Это радиореле по радиоканалу соединено с пожарным (противоаварийным) извещателем ИП, а присоединения вспомогательных проводников выполнены через резисторы R₁, R_N, R_P.

Фиг. 4 повторяет предыдущий вариант схемы с условным выделением токов при срабатывании пожарного (противоаварийного) извещателя.

На фиг.5 аналогично условно выделены токи, но в ситуации обрыва фазного проводника.

Фиг. 6 иллюстрирует случай короткого замыкания на стороне электроприемника между фазным и нулевым рабочим проводником.

Фиг. 7 содержит схему предлагаемого блока с деталями(К₁, К₂, С_К, R_К) для двух устройств дифференциального тока QFD₁ и QFD₂, присоединенных к однофазному источнику питания параллельно.

Фиг. 8 показывает возможность повторения предлагаемого соединения в конструкции из двух пар вспомогательных контактов, которые образуют последовательные цепи (К₁, К₂, С_К1, R_К1) и (К₃, К₄, С_К2, R_К2) для синхронизации трех устройств дифференциального тока QFD₁, QFD₂, QFD₃, присоединенных к однофазному источнику питания также параллельно.

Фиг. 9 демонстрирует схему блока с встречной синхронизацией двух устройств дифференциального тока QFD₁, QFD₂ за счет повторения предлагаемой конструкции для двух пар вспомогательных контактов с последовательным соединением деталей (К₁, К₂, С_К1, R_К1) и (К₃, К₄, С_К2, R_К2).

Работает блок устройств дифференциального тока следующим образом.

Электропитание подается через входные выводы L₁, L₂, L₃, N (фиг. 1). Напряжение системы переменного тока (50 Гц): фазное - 230 В, межфазное -400 В. При последовательном соединении устройств дифференциального тока первым включают устройство QD₂. При этом вспомогательный контакт К₂ за счет связи со своим расцепителем переходит в разомкнутое положение. Затем замыкают контакты полюсов устройства QD₁, вместе с ними в замкнутом положении оказываются контакты К₁. Цепь К₁, К₂, С_К, R_К оказывается разомкнутой и устройства дифференциального тока используются для контроля электропитания нагрузки R_H1, R_H2, R_H3. В том числе контролируется целостность проводников (3) за счет вспомогательных проводников (4) с конденсаторами С₁, С₂, С₃, C_N и резисторами R₁, R₂, R₃, R_N. В рабочем положении цепи проводников (4) оказываются зашунтированными контактами полюсов устройства QD₂ и ток через них отсутствует или незначительный.

В случае обрыва любого проводника (3) (в том числе нулевого N) возникает ток через соответствующий резистор и конденсатор, нарушается баланс токов устройства QD₂ и автоматически происходит его защитное отключение. Вспомогательный контакт К₂ переходит в замкнутое положение, в цепи К₁, К₂, С_К, R_К возникает ток между выходным выводом входным выводом L₁' и входным N. Это приводит к нарушению баланса токов устройства QD₁, которое также автоматически отключается и контакт К₁ переходит в разомкнутое положение.

Таким образом осуществляется полное автоматическое отключение всех соединений с источником питания.

Аналогично синхронизация отключения осуществляется при замыкании фазных проводников на землю, при недопустимом увеличении сопротивления проводников (3), возникновении больших переходных сопротивлений, либо при недопустимых токах нагрузки, а также при ручном размыкании устройства QD₂.

Следовательно предлагаемая конструкция блока (1) обладает необходимыми свойствами многофункционального автоматического выключателя.

Фактически вспомогательные контакты К₁, К₂, как и в конструкции указанного ближайшего аналога, контролируют состояние контактов полюсов устройств дифференциального тока. Благодаря механической связи со своими расцепителями они выполняют роль датчиков положения.

Цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора, обладает большим пусковым током, который ограничивается сопротивлением резистора R_К, а также существенно меньшим значением длительного переменного тока. Он в свою очередь ограничивается емкостью конденсатора С_К. Подбором значения сопротивления R_K можно обеспечить такой большой пусковой ток последовательной цепи, при котором значение времени отключения устройства дифференциального тока QD₁ будет минимальным, например, менее стандартного значения 0,04 сек. Подбором значения емкости конденсатора С_К можно обеспечить минимальный длительный ток последовательной цепи, например, на уровне значения номинального отключающего дифференциального тока (100 мА или 30 мА), соответственно существенно ограничить мощность резистора R_К и его габариты. Конструкция вспомогательных контактов рассчитывается на определенный ток замыкания и размыкания, в связи с этим выбор сопротивления резистора R_К напрямую зависит от характеристик применяемых вспомогательных контактов. Пусковой ток не должен превышать расчетный ток замыкания (размыкания) вспомогательных контактов.

Взаимная зависимость характеристик последовательной цепи К₁, К₂, С_К, R_К приводит к выводу о необходимости всех предлагаемых деталей и их соединения для реализации предлагаемого изобретения.

В случае нагрузки с изолированной нейтралью (рис. 2) действие блока устройств QD₁, QD₂ полностью совпадает с предыдущим. Особенность связана только с работой вспомогательных проводников. За счет использования варисторов контролируется перепад напряжений на проводниках питания нагрузки и соответственно можно подбирать условия отключения в зависимости от допустимого падения напряжений.

Вариант однофазной нагрузки (фиг.3) в части синхронизации устройств QD₁, QD₂ также совпадает с первым примером. Дополнительные возможности устройства здесь можно продемонстрировать в случае действия пожарной (противоаварийной) сигнализации (фиг.4). Так, при обнаружении опасности извещатель ИП передает световое и звуковое оповещение, а также радиосигнал для реле PP. Соответственно реле замыкает цепь резистора R_P, возникает ток между входным выводом (L₁') и выходным (нейтралью) нарушается баланс и устройство QD₂ отключается. Дальнейшая синхронизация с помощью цепи К₁, К₂, С_К, R_К приводит к полному автоматическому отключению блока устройств QD₁, QD₂ от источника питания.

Отключение однофазной нагрузки может быть иллюстрировано условным выделением токов, которые нарушают баланс устройства QD₂ при обрыве фазного проводника (фиг.5). Утолщенные линии показывают, что ток через вспомогательный проводник и резистор R₁ не проходит через датчик дифференциального тока устройства QD₂, что и является первичной причиной отключения. Затем расцепитель устройства QD₂ замыкает контакт К₂ (стрелкой показано условное направление смещения механического расцепителя). Далее возникает ток в цепи К₁, К₂, С_К, R_К и срабатывает устройство QFD₁, после чего размыкаются контакты К₁ (стрелкой также показано условное направление смещения механического расцепителя устройства QFD₁).

Особым случай синхронизации связан с коротким замыканием между фазным и нулевым рабочим проводником (фиг.6). Поскольку в рассматриваемой схеме встроенную защиту от сверхтока имеет только устройство QFD₁, оно и должно реагировать на короткое замыкание. Соответствующие сверхтоки условно выделены на схеме утолщенными линиями. В этом случае происходит отключение только устройства QFD₁, однако этого оказывается достаточно для полного отключения от источника питания, поскольку контакт К₁ размыкается своим расцепителем (направление механического движения расцепителя условно показано стрелкой).

Работу предлагаемого блока при параллельном соединении устройств QFD₁, QFD₂ удобно показать на примере (фиг.7) синхронизации отключения электронагревателя (R_H1) и электродвигателя (R_H2), которые должны одновременно получать однофазное питание от источника (L₁,N). Работа нагревателя без включения двигателя не допускается. Именно этот эффект и обеспечивает соединение деталей К₁, К₂, С_К, R_К. Любая причина отключения устройства QFD₂ вызовет синхронное отключение устройства QFD₁. Т.е. электронагреватель (R_H1) будет отключен от электропитания даже при полной исправностей питания собственных цепей. Произойдет это, если возникнет замыкание в цепи электродвигателя (R_H2), либо его пробой на землю, либо ручное отключение.

Расширение применения предлагаемого устройства на случай объединения в блок более двух автоматических выключателей уместно показать на примере трех параллельно присоединенных к источнику питания устройств QFD₁, QFD₂, QFD₃ (фиг.8). Синхронизация отключения между ними достигается за счет повторения принципа соединения вспомогательных контактов, резистора и конденсатора. Так, любая причина отключения нагрузки R_H3 вначале приведет к срабатыванию устройства QFD₃, в результате замкнется цепь К₃, К₄, С_К2, R_К2, что приведет к срабатыванию устройства QFD₂, замкнется цепь К₁, К₂, С_К1, R_К1, и последним отключится устройство QFD₁.

Предлагаемое устройство также эффективно отключается в случае встречного повторения соединений, при котором отключение первого устройства приводит к отключению второго и наоборот, второе инициирует отключение первого (рис. 9). В этом варианте цепь К₁, К₂, С_К1, R_К1 оказывается замкнутой при отключении QFD₂, вслед за этим отключается и устройство QFD₁. Цепь К₃, К₄, С_К2, R_К2 замыкается при отключении QFD₁, что в свою очередь приводит к отключению устройства QFD₂. В результате питание от источника на входные выводы L₁, N может быть подано только после совместного включения устройств QFD₁ и QFD₂. В этом и заключается цель перекрестной синхронизации.

Экспериментальная проверка работоспособности блока устройств дифференциального тока проведена при значении номинального отключающего дифференциального тока I_Δn=30 мА и 100 мА. Апробация подтвердила наличие заявленных функций во всех вариантах использования. Рекомендуемые номиналы резисторов и конденсаторов имеют значения: R_К=27…130 Ом, С_К=1,0…3,3 мкФ, при этом расчетный ток вспомогательных контактов находится в пределах - 5…→10 А, а значение времени отключения блока после замыкания цепи не превышает 0,04 сек.

Важно отметить, что предлагаемый блок работоспособен независимо от способа соединения устройств дифференциального тока (параллельного или последовательного), а также независимо от типоразмера и числа полюсов устройств (разные модели объединяются одинаково). Кроме того, он отличается от устройства с механическим соединением (синхронизатором) и позволяет разместить устройства блока на любой дистанции друг от друга.

Предлагаемое изобретение обладает всеми качествами многофункционального автоматического выключателя, а технический результат состоит в существенном расширении арсенала технических средств синхронизации устройств дифференциального тока.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для дифференциальной защиты электроустановок, реагирующим на замыкание на землю, на обрыв линии и дугу, а также на сверхтоки, повышение переходных и линейных сопротивлений. Технический результат заключается в существенном расширении арсенала технических средств синхронизации устройств дифференциального тока. Технический результат достигается за счет конструкции, в которой для объединения двух устройств дифференциального тока одна пара вспомогательных контактов выбрана замыкающей, а вторая размыкающей, при этом вспомогательные контакты соединены в последовательную электрическую цепь с конденсатором и резистором между входным и выходным выводами разных полюсов устройства дифференциального тока с размыкающей парой вспомогательных контактов. Дополнительно указанное соединение вспомогательных контактов может повторяться для четного числа пар вспомогательных контактов двух и более устройств дифференциального тока. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Блок устройств дифференциального тока, содержащий не менее двух устройств дифференциального тока с входными выводами, выходными выводами и две пары вспомогательных контактов, каждая из которых механически соединена расцепителем с контактами полюсов одного из двух устройств дифференциального тока, отличающийся тем, что одна пара вспомогательных контактов выбрана замыкающей, а вторая размыкающей, при этом вспомогательные контакты соединены в последовательную электрическую цепь с конденсатором и резистором между входным и выходным выводами разных полюсов устройства дифференциального тока с размыкающей парой вспомогательных контактов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанное соединение вспомогательных контактов повторяется для четного числа пар вспомогательных контактов двух и более устройств дифференциального тока.