УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ОТ ТОКОВ ПЕРЕГРУЗКИ, УТЕЧКИ И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
UNIVERSAL ELECTRONIC MODULE FOR ELECTRIC NETWORK DISTRIBUTION AND PROTECTION AGAINST OVERLOAD, LEAKAGE AND SHORT CIRCUIT CURRENTS

Универсальный электронный модуль распределения и защиты электрической сети от токов перегрузки, утечки и короткого замыкания относится к электротехнике и может быть использован для отключения сразу нескольких нагрузок от источника питания при неисправности электрической сети 380/220 В в жилых и общественных зданиях с возможностью установки необходимых параметров отключения.
Известны множество видов автоматических выключателей, устройств защитного отключения (далее УЗО), а также автоматические выключатели дифференциального тока, которые объединяют в себе функции автоматического выключателя и УЗО. Например, автоматический выключатель (RU 2541517, кл. Н01Н 83/14 (2006.01), Н01Н 83/22 (2006.01)) для защиты от перегрузок, токов короткого замыкания и токов утечки выполнен в двухполюсном исполнении. Еще один пример, автоматический выключатель (RU 2477541, кл. Н01Н 83/22 (2006/01)) также предназначен для защиты от перегрузок, токов короткого замыкания и токов утечки, выполнен в двухполюсном исполнении. Можно привести еще несколько примеров, отличающихся между собой размерами, различными конструкциями внутренних механизмов, количеством полюсов. Главные отличия от рассматриваемого изобретения - это фиксированные установленные заводом параметры для каждой единицы изделия и отдельный корпус для каждой группы потребителей. Данные устройства применяются для сборки распределительных щитов и последующей защиты электропроводки от короткого замыкания, токов перегрузки и токов утечки.
На сегодняшний день для сборки большинства электрических щитов 380/220 В необходимо подобрать по заранее разработанной схеме:
- автоматические выключатели по требуемому номинальному току для защиты электрической сети от перегрузок и короткого замыкания;
- УЗО по номинальному току и по току утечки по каждой группе потребителей в отдельности для защиты от токов утечки и поражения человека электрическим током при повреждении изоляции электроустановок;
- либо автоматический выключатель дифференциального тока по требуемому номинальному току и току утечки.
Помимо вышеописанных электроустановочных изделий потребуются также как минимум еще несколько дополнительных деталей, таких как шина для подключения нулевых проводников, шина для подключения проводников заземления, шина для соединения между собой автоматических выключателей, а также предварительно подготовленные перемычки (отрезки проводов необходимой длины) для соединения УЗО с автоматическими выключателями по специальной схеме. На фигуре 1 представлен один из наиболее распространенных примеров подключения автоматических выключателей 4 и УЗО 5 в электрическом щите. В данном примере проводник фазы питающего кабеля 1 подключаются к каждому УЗО 5 с последующим подключением к автоматическому выключателю 4, нулевой провод подключается к шине для подключения нулевых проводников 2, провод заземления - соответственно к шине подключения проводников заземления 3. Кабели подключения потребителей 6 подключаются к соответствующей группе автоматического выключателя 4 (фаза) и УЗО5 (ноль) с подключением проводников заземления к шине 3.
Недостатками при сборке электрического щита, используя вышеописанные детали, являются:
- сложность монтажа, т.к. необходимо безошибочно подключить между собой автоматические выключатели 4, УЗО 5, а также правильно распределить нулевые проводники, часть из которых подключается к нулевой шине 2, а часть - к необходимым УЗО 5;
- необходимость в обязательном подборе деталей по требуемым параметрам;
- большое количество времени, затраченного на монтаж, подбор и закупку всех необходимых деталей для сборки щита.
Техническими задачами универсального электронного модуля распределения и защиты электрической сети от токов перегрузки, утечки и короткого замыкания являются:
1. Объединение в одном устройстве сразу нескольких автоматических выключателей дифференциального тока с возможностью настройки параметров по номинальном току и току утечки в необходимом диапазоне для каждой группы в отдельности.
2. Уменьшение количества компонентов для сборки электрического щита.
3. Максимально простой и быстрый процесс монтажа;
4. Минимизация стоимости монтажных работ.
Поставленные задачи решаются благодаря следующим основным элементам модуля: микроконтроллер, датчики тока (трансформаторы тока), силовые элементы (симисторы), цифровой графический индикатор и кнопки управления. Структурная схема модуля отображена на фигуре 2. Реализуются задачи следующим образом. После монтажа модуля в распределительный щит вручную задаются необходимые параметры для каждой группы потребителей. Например:
- Группа №1 - номинальный ток 25 А, ток утечки 100 мA;
- Группа №2 - номинальный ток 10A, ток утечки 30 мA;
- Группа №3 - номинальный ток 16А, ток утечки 30 мA;
- Группа №4 - номинальный ток 32А, ток утечки 300 мA и так далее.
Микроконтроллер модуля с помощью трансформаторов тока в реальном времени считывает значение номинального тока с каждой группы потребителей в отдельности, а с помощью дифференциальных трансформаторов тока считывает ток утечки также с каждой группы в отдельности. Затем микроконтроллер сравнивает полученные значения с заданными, и в случае превышения номинального тока либо тока утечки в любой из групп потребителей по определенному алгоритму выдает команду на отключение силовому элементу группы, в которой произошло превышение установленных параметров. На фигуре 3 отображен универсальный электронный модуль распределения и защиты электрической сети от токов перегрузки, утечки и короткого замыкания в трех ракурсах. Для удобства модуль выполнен в корпусе для монтажа на din-рейку любого распределительного щита. Подключение модуля к вводу питания осуществляется с помощью клемм 7, расположенных слева в верхнем и нижнем рядах и соединенных параллельно между собой для удобства подключения. На данном чертеже представлен модуль на 4 группы (распределительные линии), две из которых расположены сверху (8, 9) и две снизу (10, 11), но возможно изготовление модуля большим количеством групп. В данном изобретении подключение ввода питания и распределительных линий осуществляется к соответствующим трехконтактным клеммам без необходимости разделки и разводки нулевых проводов и проводов заземления каждого кабеля по шинам, так как все три провода (фаза, нейтраль, земля) подключаются к одной клемме в соответствующие контакты. Кроме того, нет необходимости соединять между собой группы автоматических выключателей и УЗО, что существенно упрощает и ускоряет процесс монтажа и в итоге уменьшает его стоимость. На фигуре 4 изображен пример подключения универсального электронного модуля распределения и защиты электрической сети от токов перегрузки, утечки и короткого замыкания 22.
Установка параметров модуля производится следующим образом (фигура 3):
1. С помощью кнопки 13 «Установка» выбирается режим установки номинального тока.
2. Кнопками 15-18 выбирается группа, для которой будет установлено значение, и кнопками 12, 14 устанавливается необходимый номинальный ток.
3. Нажатием кнопки 13, переходим в режим установки тока утечки и также кнопками 12, 14 устанавливается необходимое значение.
При дальнейшем нажатии кнопки 13 модуль переходит в режим работы, в котором производится измерение текущих параметров и сравнение их с уже заданными. В режиме работы кнопки 15-18 выполняют функцию включения и отключения соответствующей группы. Все установленные значения по каждой группе отображаются на индикаторе 19. Смена режимов и выбор соответствующих групп на индикаторе 19 отображаются миганием соответствующих значений. Обновление либо корректировка программы управления в данном модуле осуществляется легко благодаря вынесенному на боковую панель гнезда USB 20. В качестве силовых элементов, управляемых включением и отключением нагрузки посредством сигналов от микроконтроллера, являются мощные симисторы, отвод тепла с которых осуществляется благодаря специальному теплоотводу 21.
Использование данного изобретения в распределительных электрических щитах намного упростит и ускорит монтаж, избавит от необходимости выбора изделий по параметрам, т.к. они устанавливаются самостоятельно уже после монтажа модуля. Пример такого щита приведен на фигуре 5, где в стандартный 12-модульный щит 23 установлен счетчик 25, вводной двухполюсный автоматический выключатель 24 и универсальный электронный модуль распределения и защиты электрической сети от токов перегрузки, утечки и короткого замыкания 22. Кроме того, учитывая тот факт, что модуль работает на микроконтроллере, появляются безграничные возможности «программно» менять режимы работы, контролировать причины аварийных отключений, вести статистику потребления электроэнергии и т.д. Также, при применении дополнительных модулей возможно удаленно контролировать и управлять включением/отключением групп потребителей.
Учитывая вышеописанные возможности, данное изобретение находит применение во многих электрических сетях, где требуется распределение, защита от перегрузок, токов утечки, короткого замыкания, а также защита человека от поражения электрическим током.