Устройство дифференциального тока

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам защиты электроустановок (электрических линий, машин и приборов), а в указанном классе к устройствам, реагирующим на обрыв линии, на прикосновение и замыкание на землю при контроле разности токов с помощью датчиков обнаружения дифференциального тока (суммирующих трансформаторов).
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 основные полюсы с подвижными и неподвижными контактами, общий синхронизатор подвижных контактов и общий датчик обнаружения дифференциального тока всех полюсов, также имеют выводы для соединения каждого основного полюса с источником питания и с электроприёмником. Важным свойством указанных устройств защиты электроустановок является способность выполнять функции приборов управления противоаварийных систем и пожарных сигнализаций [Мельников В.С. Пожарная автоматика защитного отключения электроустановок, М.: Мир науки, 2019, 152 с.]. Это свойство проявляется и используется, поскольку для противоаварийного или пожарного отключения электропитания достаточно воздействия малых дифференциальных токов. Например, для расчётных токов из ряда стандартных значений: 16, 25, 40, 63 А,  управляющий дифференциальный ток можно выбрать из номинальных значений: 10, 30, 100 мА, что на три порядка меньше. Многофункциональные конструкции, которые контролируют малые дифференциальные токи с целью отключения при аварии или пожаре, обычно содержат дополнительную нагрузку [RU 2246160 от 16.10.2003], а также дополнительные обмотки суммирующих трансформаторов [RU 2273936  от 22.12.2004, RU 2481666 от 02.02.2009]. Существенное разнообразие аналогов, тем не менее, не полностью исчерпывает  потенциал устройств дифференциального тока и приводит к технической проблеме, связанной с отсутствием единообразия деталей и инфраструктуры внешних элементов, порядок которых зависит от числа соединений, числа фаз, формы дополнительной нагрузки, числа дополнительных обмоток.
Ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели является «Автомат защитного отключения тока повреждения» [RU 2481666 от 02.02.2009], который содержит двухполюсный автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током. Основной полюс этого устройства соединён последовательно и навстречу с дополнительной обмоткой. В остальном конструкция сохраняет признаки других аналогов, т.е. содержит основные полюсы с подвижными и неподвижными контактами, общий синхронизатор подвижных контактов и общий датчик обнаружения дифференциального тока всех полюсов, также имеет выводы для соединения с источником питания и с электроприёмником. Такое устройство является средством защиты однофазных сетей. Ограничение связано с конструкцией автоматического выключателя, управляемого дифференциальным током, датчик которого обнаруживает дифференциальный ток для двух полюсов. Техническая проблема возникает, если требуется защита многофазной электроустановки. Применяемое на практике объединение нескольких однофазных устройств и групповых многополюсных автоматических выключателей, управляемых дифференциальным током, существенно увеличивает общее число различных деталей и объём электрощитов, соответственно при увеличении числа фаз требуется изменять схему соединения, такая зависимость усложняет монтаж, эксплуатацию и диагностику в случае отказа.
Предлагаемая полезная модель решает указанную техническую проблему, обеспечивая единообразие деталей и соединений, она позволит при любом числе фаз или числе соединений между элекроприёмником и источником питания одним устройством реализовывать функции прибора управления.
Новое техническое решение отличается от аналога [RU 2481666 от 02.02.2009] тем, что устройство дифференциального тока содержит как минимум два основных полюса и как минимум один дополнительный полюс,  одна сторона каждого дополнительного полюса имеет отдельный вывод для соединения с дополнительной нагрузкой, а другая сторона соединена с одним выводом, соединённым с той же дополнительной нагрузкой, с электроприёмником и с основным полюсом. Дополнительно устройство может иметь как минимум в одном основном полюсе встроенную защиту от сверхтока и индикатор отключения, указывающий причину отключения от сверхтока или от дифференциального тока. Также выводы, соединённые с электроприёмником, и отдельные выводы, соединённые с дополнительной нагрузкой, для разных полюсов могут иметь соединение между собой через нормально разомкнутый выключатель, управляемый средствами автоматики или вручную. Кроме того, в одном варианте подвижные и неподвижные контакты разных полюсов могут располагаться вдоль монтажной планки параллельно друг другу и группироваться в блок основных полюсов и блок дополнительных полюсов. В другом варианте подвижные и неподвижные контакты разных полюсов могут располагаться вдоль монтажной планки параллельно друг другу и группироваться парами, каждая из которых будет состоять из основного полюса и дополнительного полюса.
1
2
n
1
2
m
11
12
1n
1
2
n
21
22
2n
1
1
2
2
m
m.
31
32
3m
1
2
m
1
1
2
2
m
m
2n
3m
mn
На фиг. 1…10 показаны схемы и эскизы, поясняющие конструкцию. Предлагаемое устройство дифференциального тока (1) содержит n основных полюсов (2): Р, Р, …, P(фиг. 1). Также оно имеет m дополнительных полюсов (3):  Р', Р', …, P'. Для обнаружения дифференциального тока всех полюсов конструкция содержит общий датчик обнаружения (4), например, суммирующий трансформатор с обмотками каждого полюса.  По стандартному определению полюсы имеют подвижные контакты (5), которые замыкаются с неподвижными контактами. Для фиксации положения (замкнуто или разомкнуто) подвижные контакты (5) соединены с общим синхронизатором (6), которым может быть механический привод, связанный с датчиком обнаружения дифференциального тока (4).  Устройство (1) кроме того имеет выводы (7): В, В, …, В для соединения каждого основного полюса (2) с источником питания (с проводниками L, L, …, L) и выводы (8): В, В, …, В для соединения каждого основного полюса (2) с электроприёмником (10) - (ЭП). Причём электроприёмником может быть любое электрооборудование и электроприбор бытового или промышленного назначения. Ориентация полюсов (2) и (3) относительно датчика обнаружения дифференциального тока (4) и соединение полюсов выбираются так, что каждый дополнительный полюс (3) соединён последовательно навстречу с одним основным полюсом (2). Так, дополнительный полюс Р' соединён последовательно и навстречу с основным полюсом Р. Дополнительный полюс Р' – последовательно и навстречу с Р и т.д. Соответственно дополнительный полюс  Р' будет соединён последовательно и навстречу с основным полюсом Р Отличием конструкции является то, что она содержит как минимум два основных полюса (n≥2) и как минимум один дополнительный полюс (m≥1),  одна сторона каждого дополнительного полюса (3) имеет отдельный вывод (9): В, В, …, В для соединения с дополнительной нагрузкой (11): R, R, …, R, а другая сторона соединена с одним выводом (8), соединённым с той же дополнительной нагрузкой (11), с электроприёмником (10) и с основным полюсом (2). Соответственно каждый полюс оказывается присоединённым параллельно со своей дополнительной нагрузкой: Р' с R,  Р' с R, …, Р' с R. Устройство (1) может иметь в одном или нескольких основных полюсах (2) встроенную защиту от сверхтока M и индикатор отключения, указывающий причину отключения от сверхтока или от дифференциального тока. Это не исключает наличие такой защиты и индикаторов в дополнительных полюсах. Кроме того, при выборе конкретного исполнения выводы (8), соединённые с электроприёмником, и отдельные выводы (9), соединённые с дополнительной нагрузкой, для разных полюсов могут иметь соединение между собой через нормально разомкнутый выключатель (12), управляемый средствами автоматики или вручную. В соответствии с этим указанием вывод Всоединён с выводом В через нормально разомкнутый выключатель К, для которого  имеет значение то, что номера не совпадают (m ≠ n).
1
1
2
2
Эскиз на фиг. 2  отображает вариант, в котором подвижные и неподвижные контакты разных полюсов расположены вдоль монтажной планки параллельно друг другу и сгруппированы парами, каждая из которых будет состоять из основного полюса и дополнительного полюса, например, Р'-Р, Р'-Р. При этом все полюсы могут иметь одну конструкцию и одинаковые характеристики.
1
2
1
2
Эскиз на фиг. 3 отображает вариант, в котором подвижные и неподвижные контакты разных полюсов расположены вдоль монтажной планки параллельно друг другу и сгруппированы в блок основных полюсов Р, Ри блок дополнительных полюсов Р', Р'. При этом все полюсы также могут иметь одну конструкцию и одинаковые характеристики.
нi
нi
1…3
Схемы на фиг. 4-10 содержат указанные детали конструкции и вспомогательные элементы, предназначенные для использования полезной модели в разных электросетях. Кроме устройства (1), электроприёмника (10) добавлены электроприёмники (13), которые могут присоединяться к групповой линии. Также показаны присоединительные устройства (колодки, разъёмы, розетки и т.д.) (14) и (15), при этом оконечные устройства (15) содержат дополнительную нагрузку (11) из резисторов R и (или) конденсаторов C. Варианты нормально разомкнутых выключателей (12), управляемых средствами автоматики, представлены при использовании в данном назначении контактов реле напряжения KV, варисторов U, термостатов t, технологических сенсоров КD, Kt и (или) радиореле РР. Последние могут быть связаны с противоаварийными датчиками или пожарными извещателями ИП.
Работает устройство дифференциального тока следующим образом.
11
12
1n
11
21
31
12
22
32
1m
2m
3m
1
2
m
1
2
n
21
22
2m
2m
m и
m
1
2
m
3m
2n
Электропитание подаётся через выводы В, В, …, В(фиг. 1). Замыкание всех контактов обеспечивает синхронизатор (6), поэтому совпадает потенциал внутри каждой группы выводов (В, В, В), (В, В, В), …,  (В, В, В). Если все соединения, показанные на схеме, исправны и отсутствует ток утечки, например, на землю для электроприёмника (10), то ток через дополнительную нагрузку (11) для любого резистора (R, R, …, R) равен нулю, и равна нулю сумма токов через основные полюсы (2): Р, Р, …, P. Данный режим является рабочим. Разбалансировку может вызвать обрыв соединения (любого проводника) между выводами В, В, …, В и точкой присоединения дополнительной нагрузки (11). Допустим, оборвётся соединение с выводом  В, тогда возникнет ток через электроприёмник (10), резистор Rдополнительный полюсР'. Датчик (4) зафиксирует этот дифференциальный ток, а синхронизатор (6) обеспечит размыкание всех контактов (5). В результате все цепи будут отключены от источника питания. Возможность контроля соединений на обрыв по принципу реализации совпадает с возможностью контроля других повреждений проводников, а именно увеличения переходных сопротивлений (ухудшения качества соединений) или появления последовательного дугового пробоя. При этом расположение дополнительной нагрузки (R, R, …, R) в наиболее удалённой части соединений, например, в оконечном устройстве групповых линий максимально увеличит зону контроля. Второй вариант возникновения дифференциального тока и отключения будет связан с замыканием выключателя (12). В результате возникнет ток между выводами В и  В, которые имеют разный потенциал, поскольку m≠n. Выключатель (12) может замыкаться вручную или средствами автоматики. Следовательно, возможно самое широкое использования устройства (1) в качестве прибора управления для отключения электроустановки, предотвращения аварии или пожара. Третий вариант, при котором будет обеспечиваться отключение, связан с возникновением обычного тока утечки. Дифференциальный ток в этом случае будет зафиксирован для суммы токов основных полюсов (2). Дополнительно отключение возможно, если хотя бы в одном основном полюсе предусмотрена защита от сверхтока (М). Такая защита сработает, например, при коротком замыкании в электроприёмнике. Соответственно  причину покажет индикатор отключения.  Реализация представленной схемы показывает, что устройство (1) обеспечивает все функции защиты при унификации деталей и однообразии соединений.
Апробация устройства (1) показала, что работоспособность не зависит от порядка расположения полюсов. Однако для удобства соединения и эксплуатации имеется возможность упорядочить расположение деталей.
1
2
21
22
Попарная группировка полюсов (фиг. 2) упростит коммутацию полюсов между собой, в частности, соединения дополнительных полюсов Р', Р' с выводами В, В могут быть выполнены стандартными шинами.
Объединение полюсов в два блока (фиг. 3) облегчает коммутацию по общепринятой схеме, в том числе при реконструкции действующих электрощитов, когда обычный многополюсный автоматический выключатель меняют на предлагаемое устройство. Очевидно, что при этом не потребуется замена проводников соединения с основными полюсами.
21
н
н
t
u
u
31
22
1
2
1
Работу устройства (1) при минимальном числе основных полюсов n=2 и дополнительных полюсов m=1 удобно показать с помощью схемы на фиг. 4. В данном примере электропитание будет прекращено при регистрации дифференциального тока в случае возникновении тока утечки для любого из электроприёмников (10), (13). Также при обрыве проводника, соединяющего электроприёмники с выводом В, поскольку возникнет ток через дополнительную нагрузку, состоящую из резистора R и конденсатора С. Нормально разомкнутые выключатели (12) здесь будут действовать, если при перегреве сработают термостаты t, при перенапряжении сработает реле напряжения KV, при аварии или пожаре сработают извещатели ИП1…ИП2, а по их сигналу включится радиореле РР. Для каждой из этих модификаций рекомендуется предусмотреть подключение выключателя (12) через резисторы и (или) конденсаторы (С, C , R), которые будут ограничивать ток замыкания между выводами В и В. Все указанные функции устройство (1) будет иметь при одинаковой конструкции полюсов Р,Р, Р'.
21
22
21
22
Работа устройства (1), состоящего из четырёх одинаковых полюсов при наличии встроенной защиты от сверхтока и индикаторов отключения может быть показана с помощью схем на фиг. 5-7, где толстой линий выделены проводники соединений, в которых токи не равны нулю. Электропитание по групповой линии в этом варианте осуществляется с контролем тока утечки, также с контролем качества соединений выводов В и В, контроля нагрева клемм в присоединительных устройствах (14), (15), контроля напряжения и тока питания. При отсутствии причин отключения в рабочем режиме имеет место ток только между электроприёмниками (10), (13) и клеммами В и В(фиг 5).
1
Обрыву или ухудшению контакта  в одном из соединений электроприёмников и устройства (1) соответствует схема на фиг. 6. Она демонстрирует  появление тока в дополнительном полюсе Р', когда обрыв сопровождается последовательным дуговым пробоем. Следовательно, при данном аварийном режиме устройство (1) обеспечит полное отключение от источника питания.
1
2
Перегрев одной из клемм присоединительного устройства (14) или (15) приводит к замыканию термостатов t и возникновению тока в дополнительных полюсах P' или P' (фиг. 7). С учётом эффективности данного противоаварийного контроля можно рекомендовать применение устройства (1) при установке термостатов t на каждую клемму присоединения электроприёмников (10) и (13). Аналогично ток через дополнительный полюс возникает при перенапряжении за счёт срабатывания варистора U. Таким образом соединение с показанными модификациями нормально разомкнутого включателя (12) также обеспечивает полное отключение от источника питания в аварийных ситуациях.
1
При объединении в устройстве (1) пяти унифицированных полюсов n=3, m=2 появляется возможность контроля двухфазной электроустановки (фиг. 8). Допустим, такая электроустановка содержит в качестве электроприёмника (10) водонагреватели с реле давления КD. Контакты этого реле будут замыкаться при превышении давления и таким образом выполнять функции  выключателя (12). В момент замыкания контактов возникнет ток в дополнительном полюсе P' и будут разомкнуты все цепи соединения с источником питания. Так устройство (1) может использоваться в качестве прибора управления для предотвращения аварии по сигналу любого технологического датчика. Остальные функции устройство (1) реализует, как указано в предыдущих примерах.
1
Н1
Н2
Н3
Устройство дифференциального тока (1) с шестью универсальными полюсами может использоваться с трёхфазными электроприёмниками (10) без нейтрали (фиг. 9). В данном примере помимо функции контроля тока утечки (отсутствия повреждений изоляции) и контроля повреждения соединений фазных проводников удобно показать возможность контроля температуры самого электроприёмника (10) или его частей.  Для этого используется реле Kt с выносным датчиком. Реле имеет функцию нормально разомкнутого выключателя (12), и при недопустимом нагреве возникает ток через дополнительный полюс P'. Величина тока будет ограничиваться встроенным конденсатором,но останется достаточной для срабатывания устройства (1), соответственно для полного отключения от источника питания. Можно заметить, что регулярная структура устройства (1) обуславливает единообразный порядок всех внешних элементов (клемм, конденсаторов дополнительной нагрузки С, С, С и соединений).
Добавление ещё одного полюса позволит организовать контроль для трёхфазной электроустановки с нейтралью 7-ми полюсным устройством, но практически более полезно рассмотреть пример для восьми универсальных полюсов (фиг. 10). В этом составе устройство (1) сможет полноценно контролировать все соединения, включая нулевой рабочий проводник N. Так, для электроприёмника, присоединённого к выводам устройства (1) через колодку (14) с термостатами t, устройство будет обеспечивать полное отключение при превышении температуры по любому из 4-х контактов.
Δn
нi
нi
Экспериментальная проверка работоспособности устройства проведена при значении номинального отключающего дифференциального тока I=100 мА. Апробация подтвердила наличие заявленных функций в вариантах использования дополнительных нагрузок и ограничивающих ток элементов, если номиналы резисторов R, Rt, Ru и конденсаторов  С, Сt, Сu выбирают из следующих значений: R=130 Ом, 1500 Ом; C= 3,3 мкФ; RC=27 Ом, 3,3 мкФ.
Как показано в описании устройства и в описании его функций, указанная техническая проблема устранена. Независимо от числа фаз и числа соединений с электроприёмником детали (полюсы) и соединения выводов выполняются единообразно. Техническим результатом является регулярная внутренняя структура, при которой внешние элементы и соединения также однообразно упорядочены, а многофункциональная конструкция собирается из практически одинаковых полюсов в автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током.   Унифицированное таким образом устройство будет выполнять все функции по предотвращению аварий, пожаров и защите различных электроустановок, обеспечивая соединение с источником питания, контроль дифференциального тока и своевременное полное отключение. Достигнутый результат также упростит монтаж, в том числе соединение с применением стандартных элементов, при эксплуатации исключит контроль дополнительных устройств, а в случае отказа облегчит и ускорит диагностику.