УСТРОЙСТВО БЕЗОПАСНОСТИ КОРАБЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОСЕТИ

Настоящая полезная модель относится к области электротехники, а именно к технике электробезопасности, и может быть использована на кораблях, судах и других подвижных объектах.
Известно, что замыкания в электрических сетях с изолированной нейтралью одной из фаз на корпус могут приводить не только к возникновению перенапряжений и импульсных помех, но и к ухудшению состояния электробезопасности.
Обеспечение электробезопасности на кораблях является проблемой, так как на кораблях широко используется специальное электрическое оборудование. Характерно также применение электрифицированных передвижных средств механизации и электрического переносного оборудования и электроинструмента различного назначения, что требует особого внимания при решении проблемы электробезопасности на кораблях и судах. Корабельные электрические сети переменного тока, как правило, выполняются с изолированной от корпуса корабля нейтралью. При нормальном состоянии изоляции между фазами и отсутствием емкостных токов утечки на корпус повреждение изоляции одной фазы не вызывает аварийного срабатывания защиты от недопустимых токов, обеспечивая непрерывность электроснабжения, что является достоинством таких сетей. В то же время, при наличии однофазного замыкания на корпус, возникает опасность электрического поражения человека при одновременном прикосновении к корпусу корабля и любой другой, неповрежденной фазе.
В реальных корабельных сетях, кроме сопротивления изоляции, необходимо принимать во внимание наличие емкостей фаз сети относительно корпуса корабля. Она образуется как собственной распределенной емкостью применяемого электрооборудования, в том числе электрических кабелей, так и емкостью фильтров защиты электронной аппаратуры от помех.
На кораблях и судах уровень емкостей фаз значительно превышает уровень электробезопасности, а ряде случаев и уровень пожаробезопасности.
Применение переносного и передвижного электрооборудования напряжением 220 В и 380 В, частотой 50 Гц приводит к необходимости использования дополнительных средств защиты, а именно использовать устройства защиты отключения.
Такое устройство должно отключать питание, если ток утечки на корпус превысит величину 30 мА (отключающий ток).
В береговых электросетях в настоящее время накоплен достаточный опыт применения устройств защиты отключения (УЗО), прежде всего в сетях с заземленной нейтралью электроустановок жилых и общественных зданий. Аналоги: 1. odinelectric.ru>equipment/circuit-breaker…uzo…vidy. 2. ГОСТ 12.1.038-82 «ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов», М., Изд. Стандартов, 1984 г. Известно устройство защиты отключения. Прототип. Источник: https://odinelectric.ru/equipment/circuit-breaker/chto-takoe-uzo-naznachenie-m. Оно состоит из: дифференциального трансформатора тока, порогового элемента, исполнительного механизма и цепи тестирования.
Принцип действия УЗО.
Функционирование устройства построено на фиксации тока утечки на «землю» и отключении электросети в случае такого ЧП. Наличие утечки прибор фиксирует только по разнице между токами: теми, что вышли из прибора, и теми, что вернулись обратно. Если с электросетью все в порядке, то токи идентичны по величине, однако разнятся по направлению. Как только появляется утечка - к примеру, вы дотронулись до незаизолированного на 100% провода - часть тока уходит «на землю» по другому контуру (в данном случае - посредством тела человека). Как результат, ток, вернувшийся в УЗО через нейтраль, будет меньше вышедшего. То же самое происходит, если в одном из электрических приборов повредилась изоляция. Тогда под напряжением оказываются корпус или другая деталь. Задевая их, человек создает еще один контур «на землю». В этом случае часть тока будет двигаться по нему, то есть, баланс разрушится.
Недостатком, как аналога, так и прототипа является то, что УЗО требует наличие отдельного провода защитного заземления наряду с проводом рабочего заземления. Провод защитного заземления в этом случае подводится к электроприемнику таким образом, что позволяет создать обходной конур и обеспечит наличие разностного тока, формирующего сигнал отключение питания при превышении током утечки заранее установленного значения.
В корабельных сетях переменного тока, выполненных по схеме с изолированной нейтралью, создание обходного контура тока утечки вызывает определенные трудности.
Целью полезной модели является обеспечение электробезопасности в электрических сетях с изолированной нейтралью.
из
ч
о
н
о
Поставленная цель достигается тем, что в корпус устройства безопасности корабельной электросети введено устройства защитного отключения, при этом устройство защиты отключения соединено с входом и выходом разделительного трансформатора, который изменяет условие протекания различных токов утечки через сопротивление R или сопротивление человека R со стороны нагрузки в сети питания, при этом лишь часть тока утечки, а именно через емкости С, формирует сигнал срабатывания, а другая часть возвращается в источник питания через емкости нагрузки С, не влияя на работу устройства защитного отключения, причем ток утечки через емкости С выше установки срабатывания, как только сопротивление станет ниже допустимого уровня, при этом электроприбор соединяется с выходом трансформатора.
Предлагаемое устройство состоит из
1 - корпуса;
2 - устройство защиты отключения (УЗО);
3 - электроприбора;
c
4 - напряжение питающей сети (U);
о
5 - емкости фаз относительно корпуса на стороне питающей сети (U);
н
6 - емкости фаз относительно корпуса на стороне подключающей нагрузки (U);
ч
7 - сопротивление тела человека (R);
из1;
из2
8 - сопротивление изоляции в цепи питания (R R);
9 - защитного заземления.
из
Сопротивление R - это сопротивление изоляции в цепи питания УЗО. При нахождении УЗО во влажной камере с относительной влажностью воздуха 91-95% в течение 48 часов сопротивление изоляции его главной цепи должно быть не менее 2 Мом, сопротивление изоляции между металлическим частями механизма и корпусом - не менее 5 мОм. Измерение сопротивления изоляции проводят при напряжении 500 В постоянного тока. Изоляция УЗО также должна выдерживать испытания на стойкость к импульсным перенапряжениям. Испытания включают в себя приложение десяти импульсов тока (1,2/50 мкс) с пиковым напряжением 6 кВ между соединенными вместе фазными полюсами и нейтральным полюсом. Вторую серию испытаний проводят при пиковым напряжении импульсов 8 кВ.
о
Емкость С - суммарная емкость фаз относительно корпуса корабля. На стороне питающей сети емкость может достигать до 20 мкФ на фазу при несимметрии не более: 30% для сети 380 В; 40% для сети 220 В.
Протекающий ток в нейтральном проводе равен сумме токов, которые протекают в фазах для трехфазной четырехпроводной цепи. Когда в таком контуре из-за случайного прикосновения человека к неизолированным частям токопроводящих элементов цепи или при контакте оголенной части проводки (из-за повреждения) с другими токопроводящими предметами, образующими новую электрическую цепь, происходит так называемая утечка тока - равенство входящего и выходящего токов нарушается. Это нарушение регистрируется и используется как команда на отключение всей электрической цепи. На этом процессе конструируется УЗО. Ток «утечки» называется дифференциальным током. При включении УЗО включается соленоид и удерживает шток контактной группы аналогично электромагниту. Так как в этот же момент приходят в контакт клеммы обмотки самого соленоида и клеммы питающих проводов. Но в схеме питания соленоида установлены транзитные контакты размыкания, которые управляются магнитоэлектрическим реле и на реле дается функция самостоятельного отключения УЗО.
Выходящий и входящий ток сети, протекая в соответствующих обмотках трансформатора, за счет произведенной электродвижущей силы (ЭДС) создает в магнитопроводе (сердечнике) два равных, но разнонаправленных магнитных потока. Результирующий магнитный поток равен нулю, ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. По причине полной компенсации магнитных потоков, в намотанной на сердечник вторичной обмотке, питающей контрольное реле, не возникает ЭДС и реле находится в пассивном состоянии.
В момент касания оголенной части фазного провода или корпуса какого-либо бытового прибора, на который произошел пробой фазы, через входящую обмотку трансформатора будет протекать дополнительный дифференциальный ток. Нарушение равенства входящего и выходящего токов мгновенно создают некомпенсированный магнитный поток в сердечнике трансформатора. И как следствие, мгновенное появление ЭДС во вторичной обмотке, связанной с реле как источник его питания. Если этот ток превышает значение порогового элемента пускового органа, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм. Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. Реле, получив электропитание, сразу же срабатывает и отключает питание соленоида (транзитные клеммы размыкаются), удерживающего основные контакты в замкнутом положении. Контакты размыкаются, соленоид обесточивается и отпускает подпружиненный шток контактной группы, и электроснабжение сети прерывается. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается.
Чем чувствительнее контрольное магнитоэлектрическое реле к значениям сигнала сбрасывания дифференциального тока, тем эффективней защитная функция УЗО, классифицирующаяся по выполняемым функциям:
АС - реагирование на внезапно появляющийся или нарастающий постепенно переменный ток утечки;
А - дополнительно срабатывает на постоянный пульсирующий дифференциальный ток, который может появляться неожиданно или нарастать постепенно;
В - реагирование на постоянный и переменный пульсирующие токи утечки;
S - селективное УЗО с дополнительной временной выдержкой на отключение;
G - аналогично S, но с меньшей задержкой.
Формируемый сигнал сбрасывания характеризуется временем отключения - промежутком от появления отключающего тока утечки до момента гашения дуги и предельным временем несрабатывания для устройства типа S - временным интервалом между началом возникновения тока утечки и размыканием контактов. Последний параметр определяет селективность действия УЗО. Его предельная величина составляет 0,5 с. При этом следует учитывать, что для защиты людей размыкание должно происходить в течение 10-40 мс и для предотвращения возгорания изоляции - до 40-500 мс. УЗО селективного типа S применяется для исключения ложного срабатывания от влияния помех или скачков напряжения.
Токи утечки всегда имеют место в электрических цепях. В сумме они не должны быть выше 1/3 от номинального тока утечки устройства. Считается, что на 1 А нагрузки приходится 0,4 мА тока утечки потребителя, а на 1 м длины фазного провода - 10 мкА. Защитный прибор настраивается по величине суммарного тока естественной утечки. Если этого не делать, могут происходить частые ложные срабатывания. При этом следует учитывать, что устройство с током утечки свыше 100 мА уже не защитит человека от поражения током.
В конструкции трансформатора дифференциального тока учтены механизмы по устранению ложных срабатываний от разрядов во время грозы и чувствительность по дифференциальному току до 30 mA. При этом габаритные размеры УЗО позволяют размещать его в электрических шкафах на DIN-рейке. Быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на дифференциальный ток в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке, отключает потребителя от питающей сети, если произойдет утечка тока на заземляющий проводник «землю». Дифференциальный трансформатор имеет три обмотки. Первичная и вторичная обмотки включены в фазные и нулевой провод соответственно, а третья обмотка - к пусковому органу, который выполняется на чувствительных реле или электронных компонентах. Пусковой орган связан с исполнительным управляющим устройством, который включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. Тестовая кнопка служит для проверки и контроля исправности УЗО. В нормальном режиме, при отсутствии тока утечки, в цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока, протекает рабочий ток нагрузки. Именно эти проводники образуют встречно включенные первичную и вторичную обмотки трансформатора тока. Данные токи будут равны по величине и противоположны по направлению. Они наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но встречно направленные магнитные потоки. Получается, что результирующий магнитный поток равен нулю, ток в третьей (исполнительной) обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю и пусковой орган находится в состоянии покоя и УЗО функционирует в нормальном режиме.
При прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроустройства, на который произошел пробой изоляции по фазной (первичной) обмотке трансформатора тока кроме тока нагрузки протекает дополнительный ток, являющийся для трансформатора тока дифференциальным. Получается, что токи у нас неравны, следовательно, неравны и магнитные потоки, которые уже не компенсируют друг друга. Из-за этого в третьей обмотке возникает ток. Если этот ток превышает установленное значение 30 мА, то срабатывает пусковой орган, который воздействует на исполнительный механизм.
Исполнительный механизм, состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь, в результате чего установка отключается от сети. Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) в УЗО предусмотрена кнопка тестирования. Она включена последовательно с резистором. Номинал резистора подобран, таким образом, чтобы разностный ток был равен паспортному току утечки срабатывания УЗО. Если при нажатии на эту кнопку УЗО срабатывает, значит, оно исправно.
В трехфазных УЗО через окно сердечника проходят четыре провода - три фазных и нулевой. При равенстве нагрузки в нулевом и в трех фазных проводах их геометрическая сумма равна нулю (ток в фазном проводе УЗО течет в одном направлении, а ток в нулевом проводе точно такого же значения течет в противоположном направлении). При утечке тока на заземленный корпус электроприемника, а также при случайном прикосновении стоящего на токопроводящем полу человека к фазному проводу электрической сети, равенство токов в первичной обмотке трансформатора тока нарушится, поскольку по фазному проводу, помимо тока нагрузки, будет проходить ток утечки, и в его вторичной обмотке появится ток, протекающий во вторичной обмотке трансформатора, ток воздействует на управляющий элемент, который через выключатель отключает потребителя от питающей сети.
Все элементы конструкции плотно соединены с корпусом. В устройстве обработка и формирование сигналов осуществляется с применением полупроводниковой и микроэлектронной техники. Для формирования тактового сигнала используется трансформаторный датчик тока. В качестве исполнительного органа использован малогабаритный контактор типа ПМ 12 в морском исполнении. ТУ3426-077-05758109-2014. Указанный контактор обеспечивает требуемое быстродействие (время отключение), необходимый ресурс работы и приемлемые массогабаритные параметры. В корпусе устройства защиты 2 размещаются платы электронных блоков, трансформаторный датчик тока утечки, предназначенные для определения силы переменного или постоянного тока в электрических цепях. Он состоит из магнитопровода с зазором и компенсационной обмотки, датчика Холла и электронной платы обработки электрических сигналов. Контактор и зажимы для подключения внешних электрических кабелей (цепи питания и цепи нагрузки).
Устройство защиты отключения 2 работоспособно при суммарной емкости относительно корпуса корабля до 20 мкФ на фазу при несимметрии не более: 30% для сети 380 В; 40% для сети 220 В.
ном
Время срабатывания при возникновении дифференциального тока не превышает значений: 1.. 2 I - 200 мс; 250 - 100 мс; >500 - 90 мс.
Применение устройство при решении проблемы электробезопасности на кораблях, несомненно, положительно скажется на состоянии электробезопасности кораблей и судов.