Блок устройств дифференциального тока
DIFFERENTIAL CURRENT DEVICE BLOCK

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.
H1
H2
H3
1
2
3
1
2
2
1
1
2
3
N
1
2
3
N
1
2
1
2
К
К
1
1
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, R, R и с нейтралью источник питания соединен через входные выводы (L, L, L, N) с контактами четырех полюсов устройства дифференциального тока QD, которое соединено последовательно с устройством дифференциального тока QD. Основные проводники (3) соединены с выходными выводами устройства QD непосредственно, а вспомогательные - с выходными выводами устройства QD через резисторы R, R, R, R и конденсаторы С, С, С, C. При этом устройство (1)содержит две пары вспомогательных контактов (К и К), каждая из которых механически соединена расцепителем с контактами полюсов одного из двух устройств дифференциального тока, пара вспомогательных контактов К выбрана замыкающей, а К-размыкающей, указанные вспомогательные контакты соединены в последовательную электрическую цепь с конденсатором С и резистором R между входным (N) и выходным (L') выводами разных полюсов устройства дифференциального тока QD.
1
2
К
К
Во втором варианте (фиг.2) последовательная цепь вспомогательных контактов К, К, конденсатора С и резистора R 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.
H1
1
2
К
К
1
2
1
N
P
Третий вариант (фиг.3) иллюстрирует случай однофазной нагрузки R и применение предлагаемого устройства с деталями (К, К, С, R) для двухполюсных устройств дифференциального тока, первым из которых (QFD) является автоматическим выключателем, управляемым дифференциальным током, с встроенной защитой от сверхтока (М), а второй (QD) соединен с радиореле PP. Это радиореле по радиоканалу соединено с пожарным (противоаварийным) извещателем ИП, а присоединения вспомогательных проводников выполнены через резисторы R, R, R.
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.
1
2
К
К
1
2
Фиг. 7 содержит схему предлагаемого блока с деталями(К, К, С, R) для двух устройств дифференциального тока QFD и QFD, присоединенных к однофазному источнику питания параллельно.
1
2
К1
К1
3
4
К2
К2
1
2
3
Фиг. 8 показывает возможность повторения предлагаемого соединения в конструкции из двух пар вспомогательных контактов, которые образуют последовательные цепи (К, К, С, R) и (К, К, С, R) для синхронизации трех устройств дифференциального тока QFD, QFD, QFD, присоединенных к однофазному источнику питания также параллельно.
1
2
1
2
К1
К1
3
4
К2
К2
Фиг. 9 демонстрирует схему блока с встречной синхронизацией двух устройств дифференциального тока QFD, QFD за счет повторения предлагаемой конструкции для двух пар вспомогательных контактов с последовательным соединением деталей (К, К, С, R) и (К, К, С, R).
Работает блок устройств дифференциального тока следующим образом.
1
2
3
2
2
1
1
1
2
К
К
H1
H2
H3
1
2
3
N
1
2
3
N
2
Электропитание подается через входные выводы L, L, L, N (фиг. 1). Напряжение системы переменного тока (50 Гц): фазное - 230 В, межфазное -400 В. При последовательном соединении устройств дифференциального тока первым включают устройство QD. При этом вспомогательный контакт К за счет связи со своим расцепителем переходит в разомкнутое положение. Затем замыкают контакты полюсов устройства QD, вместе с ними в замкнутом положении оказываются контакты К. Цепь К, К, С, R оказывается разомкнутой и устройства дифференциального тока используются для контроля электропитания нагрузки R, R, R. В том числе контролируется целостность проводников (3) за счет вспомогательных проводников (4) с конденсаторами С, С, С, C и резисторами R, R, R, R. В рабочем положении цепи проводников (4) оказываются зашунтированными контактами полюсов устройства QD и ток через них отсутствует или незначительный.
2
2
1
2
К
К
1
1
1
В случае обрыва любого проводника (3) (в том числе нулевого N) возникает ток через соответствующий резистор и конденсатор, нарушается баланс токов устройства QD и автоматически происходит его защитное отключение. Вспомогательный контакт К переходит в замкнутое положение, в цепи К, К, С, R возникает ток между выходным выводом входным выводом L' и входным N. Это приводит к нарушению баланса токов устройства QD, которое также автоматически отключается и контакт К переходит в разомкнутое положение.
Таким образом осуществляется полное автоматическое отключение всех соединений с источником питания.
2
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 QD.
Следовательно предлагаемая конструкция блока (1) обладает необходимыми свойствами многофункционального автоматического выключателя.
1
2
Фактически вспомогательные контакты К, К, 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.
К
К
K
1
К
К
К
Цепь из последовательно соединенных конденсатора и резистора, обладает большим пусковым током, который ограничивается сопротивлением резистора R, а также существенно меньшим значением длительного переменного тока. Он в свою очередь ограничивается емкостью конденсатора С. Подбором значения сопротивления R можно обеспечить такой большой пусковой ток последовательной цепи, при котором значение времени отключения устройства дифференциального тока QD будет минимальным, например, менее стандартного значения 0,04 сек. Подбором значения емкости конденсатора С 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 и его габариты. Конструкция вспомогательных контактов рассчитывается на определенный ток замыкания и размыкания, в связи с этим выбор сопротивления резистора R напрямую зависит от характеристик применяемых вспомогательных контактов. Пусковой ток не должен превышать расчетный ток замыкания (размыкания) вспомогательных контактов.
1
2
К
К
Взаимная зависимость характеристик последовательной цепи К, К, С, R приводит к выводу о необходимости всех предлагаемых деталей и их соединения для реализации предлагаемого изобретения.
1
2
В случае нагрузки с изолированной нейтралью (рис. 2) действие блока устройств QD, QD 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.
1
2
P
1
2
1
2
К
К
1
2
Вариант однофазной нагрузки (фиг.3) в части синхронизации устройств QD, QD 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, возникает ток между входным выводом (L') и выходным (нейтралью) нарушается баланс и устройство QD отключается. Дальнейшая синхронизация с помощью цепи К, К, С, R приводит к полному автоматическому отключению блока устройств QD, QD от источника питания.
2
1
2
2
2
1
2
К
К
1
1
1
Отключение однофазной нагрузки может быть иллюстрировано условным выделением токов, которые нарушают баланс устройства QD при обрыве фазного проводника (фиг.5). Утолщенные линии показывают, что ток через вспомогательный проводник и резистор R не проходит через датчик дифференциального тока устройства QD, что и является первичной причиной отключения. Затем расцепитель устройства QD замыкает контакт К (стрелкой показано условное направление смещения механического расцепителя). Далее возникает ток в цепи К, К, С, R и срабатывает устройство QFD, после чего размыкаются контакты К (стрелкой также показано условное направление смещения механического расцепителя устройства QFD).
1
1
1
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 QFD, оно и должно реагировать на короткое замыкание. Соответствующие сверхтоки условно выделены на схеме утолщенными линиями. В этом случае происходит отключение только устройства QFD, однако этого оказывается достаточно для полного отключения от источника питания, поскольку контакт К размыкается своим расцепителем (направление механического движения расцепителя условно показано стрелкой).
1
2
H1
H2
1
1
2
К
К
2
1
H1
H2
Работу предлагаемого блока при параллельном соединении устройств QFD, QFD удобно показать на примере (фиг.7) синхронизации отключения электронагревателя (R) и электродвигателя (R), которые должны одновременно получать однофазное питание от источника (L,N). Работа нагревателя без включения двигателя не допускается. Именно этот эффект и обеспечивает соединение деталей К, К, С, R. Любая причина отключения устройства QFD вызовет синхронное отключение устройства QFD. Т.е. электронагреватель (R) будет отключен от электропитания даже при полной исправностей питания собственных цепей. Произойдет это, если возникнет замыкание в цепи электродвигателя (R), либо его пробой на землю, либо ручное отключение.
1
2
3
H3
3
3
4
К2
К2
2
1
2
К1
К1
1
Расширение применения предлагаемого устройства на случай объединения в блок более двух автоматических выключателей уместно показать на примере трех параллельно присоединенных к источнику питания устройств QFD, QFD, QFD (фиг.8). Синхронизация отключения между ними достигается за счет повторения принципа соединения вспомогательных контактов, резистора и конденсатора. Так, любая причина отключения нагрузки R вначале приведет к срабатыванию устройства QFD, в результате замкнется цепь К, К, С, R, что приведет к срабатыванию устройства QFD, замкнется цепь К, К, С, R, и последним отключится устройство QFD.
1
2
К1
К1
2
1
3
4
К2
К2
1
2
1
1
2
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 К, К, С, R оказывается замкнутой при отключении QFD, вслед за этим отключается и устройство QFD. Цепь К, К, С, R замыкается при отключении QFD, что в свою очередь приводит к отключению устройства QFD. В результате питание от источника на входные выводы L, N может быть подано только после совместного включения устройств QFD и QFD. В этом и заключается цель перекрестной синхронизации.
Δn
К
К
Экспериментальная проверка работоспособности блока устройств дифференциального тока проведена при значении номинального отключающего дифференциального тока I=30 мА и 100 мА. Апробация подтвердила наличие заявленных функций во всех вариантах использования. Рекомендуемые номиналы резисторов и конденсаторов имеют значения: R=27…130 Ом, С=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.