УЛУЧШЕННОЕ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ ОТ НЕПРАВИЛЬНОГО ЧЕРЕДОВАНИЯ И ОБРЫВА ФАЗ

Название полезной модели. Улучшенное реле защиты от неправильного чередования и обрыва фаз.
Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике, и может быть использована для защиты потребителей от неправильного чередования фаз напряжения.
Уровень техники. Известно устройство для защиты трехфазной нагрузки от неправильного чередования фаз [А.с. СССР №635552], содержащее подключенный к двум фазам и нулевому проводу трехфазной сети фазочувствительный элемент, выполненный из тиристора и диода с последовательно соединенным резистором в цепи управляющего электрода тиристора, анод которого через катушку исполнительного реле подключен к одной из фаз, катод тиристора соединен с нулевым проводом, а анод диода, включенного в цепь управляющего электрода тиристора, подключен к опережающей фазе. Между упомянутым резистором и управляющим электродом тиристора включен элемент задержки сигнала управления.
К недостаткам такого решения можно отнести использование диодов и тиристоров, что при работе в промышленной сети с высоким напряжением снижает надежность и безопасность устройства.
Также известно устройство для защиты трехфазной сети от изменения чередования фаз [А.с. СССР №864412], содержащий контактор, силовые контакты которого подключены между источником питания и трехфазной сетью, блок контроля чередования фаз по схеме несимметричной звезды, в которой включены первый резистор, конденсатор и второй резистор последовательно с выпрямительным мостом, в диагональ которого включена катушка реле, замыкающие контакты которого включены в цепь катушки упомянутого контактора. Дополнительно устройство защиты оснащено вторым промежуточным реле, вторым выпрямительным мостом и вторым контактором, один из силовых контактов которого включен параллельно силовому контакту первого контактора, подключенного к третьей по порядку фазе, а два других подключены соответственно между входом силового контакта первого контактора, подключенного к первой фазе и выходом контакта первой фазы, при этом в луч звезды последовательно с первым резистором включен второй выпрямительный мост, в диагональ которого включена катушка второго реле, замыкающие контакты которого включены в цепь катушки второго контактора.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие двух реле, двух выпрямительных мостов и балластных резисторов с конденсатором, что ведет к снижению надежности устройства при длительной работе, а также ограничивает его работу в высоковольтных сетях из-за отсутствия развязки с питающей сетью и повышению требований к элементам схемы.
Такое решение является по своей технической сущности наиболее близким прототипом к заявляемой полезной модели.
Раскрытие полезной модели. Из уровня техники известны различные варианты конструкции реле для защиты от смены чередования фаз. Всем таким решениям присущи те или иные недостатки, главным образом недостаточная надежность в силу значительного числа элементов и наличия полупроводниковых деталей (диодов, тиристоров, транзисторов) в составе реле. Современные изделия подобного рода могут выполняться на микроконтроллерах, однако это имеет также свои недостатки - например, чувствительность к помехам в питающей сети или зависание программы микроконтроллера. В более ранних решениях затруднено использование реле в высоковольтных сетях, из-за непосредственной гальванической связи элементов с питающей сетью. Это приводит к тому, что номинальное напряжение всех полупроводниковых элементов схемы должны значительно превышать уровень напряжения в питающей сети. Уже при напряжении питающей сети 380 вольт надежность таких решений значительно снижена, а в сетях с напряжением 3,3 кВ и выше работа крайне затруднительна.
Таким образом, перед предлагаемым решением стоит следующая задача: общее упрощение конструкции, снижение числа полупроводниковых элементов в составе реле, а также обеспечение гальванической развязки цепей управления с трехфазной питающей сетью. Это позволит улучшить эксплуатационные качества реле, и расширит область в высоковольтных распределительных сетях.
На фигуре 1 изображена векторная диаграмма напряжений трехфазной сети переменного тока. Очевидно, что угол сдвига между фазами равен 120 электрическим градусам между любой из трех фаз. В таком случае, для фазы А сдвиг равняется 0 электрических градусов, для фазы В сдвиг равен 120 электрическим градусам, для фазы С сдвиг равен -120 электрическим градусам - что эквивалентно углу сдвига 240 электрических градусов. В целом, основное отличие трехфазной сети переменного тока - наличие цикличности в происходящих процессах чередования фаз в определенной последовательности. В таком случае, при периодичности питающей сети 360 электрических градусов [1, 2], запаздывание на 240 градусов эквивалентно опережению на -120 градусов. Наибольшее значение правильное чередование фаз питающей трехфазной сети имеет для электродвигателей, смена двух фаз, на обмотке статора которых ведет к смене направления вращения (реверсу) в обратном направлении. Это крайне нежелательно, и может вести не только к снижению производительности электропривода, но и к убыткам.
В основе предлагаемого решения лежит использование свойства всех трехфазных цепей, а именно - равенство нулю суммы напряжений всех трех фаз. Наглядно это изображено на фигуре 2, где представлена векторная диаграмма суммы напряжений симметричной трехфазной сети.
Однако, данное свойство (равенство нулю суммы напряжений) верно только при правильном (согласном) включении всех трех фаз. Для случая, когда одна или две фазы имеют неправильную полярность, то равенство нулю суммы напряжений всех фаз нарушается.
На фигуре 3 представлена векторная диаграмма напряжений вторичных обмоток однофазных трансформаторов, питаемых от трехфазной сети, для случая неправильного подключения двух из трех фаз питающей сети. Для защищаемой нагрузки это означает смену направления чередования фаз, а электропривод начнет вращаться в противоположную сторону. В схеме реле защиты на фигуре 4 это ведет к появлению напряжения на выходе вторичных обмоток, превышающего уровень напряжения одной фазы. Это объясняется тем, что вторичные обмотки однофазных трансформаторов включаются последовательно и согласно, и имеют строго определенную полярность. Смена двух фаз из трех в питающей сети, ведет не только к смене фаз местами, но и изменению взаимной полярности напряжения двух из трех вторичных обмоток однофазных трансформаторов. Таким образом, условие равенства нулю суммы напряжений нарушается - срабатывает контактор, катушка переменного тока которого получает питание от выхода включенных последовательно и согласно вторичных обмоток. Срабатывание контактора размыкает его нормально замкнутые (в исходном состоянии схемы при отсутствии питания) контакты, чем и отключает защищаемую нагрузку от питающей трехфазной сети.
В состав схемы, изображенной на фигуре 4, входят три однофазных трансформатора, первичные обмотки которых подключаются к питающей сети по схеме треугольник. В таком случае, важна взаимная полярность упомянутых однофазных трансформаторов, вторичные обмотки которых имеют равный коэффициент трансформации (обязательное условие для равенства нулю суммы напряжений при правильном чередовании фаз). С учетом того, что все серийно выпускаемые трансформаторы соответствуют техническим условиям, и имеют маркировку выводов, соблюдение этого правила несложно также и для схемы звезда.
При неправильном подключении к питающей сети, когда 2 из 3 фаз подключены взаимно обратно, сумма напряжений вторичных обмоток станет аналогичной представленной на фигуре 3 векторной диаграмме, и вызовет срабатывание управляющей катушки контактора, которая разомкнет группу контактов, подключающих защищаемую нагрузку к питающей сети. Таким образом, имеет место прямой принцип работы - при срабатывании, выдается отключающее воздействие на контактор.
Наличие трех однофазных трансформаторов является существенным для работы предлагаемого решения, поскольку непосредственное включение последовательно трех фаз питающей сети невозможно [2]. Трансформаторы обеспечивают не только гальваническую развязку с питающей сетью, но и дают возможность выполнить суммирование напряжений всех трех фаз при последовательном их включении.
Такой принцип работы обеспечивает простое, унифицированное и надежное решение - которое можно реализовать на разные номинальные напряжения питающей сети и мощности нагрузки, при использовании только серийно выпускаемых стандартных комплектующих.
На фигуре 5 представлена функциональная схема предлагаемого решения. Из схемы видно, что реле выполняется проходным - оно получает напряжение от трехфазной питающей сети, которое используется и для работы схемы, и для питания нагрузки - которая подключена к выходу группы нормально разомкнутых (в исходном состоянии схемы) контактов. При нарушении условия чередования фаз, цепи управления вырабатывают сигнал, приводящий к срабатыванию схемы защиты и снятию питания с потребителей электроэнергии.
Главным образом, такая защита направлена на предотвращение любой возможности запуска ответственных механизмов в обратном направлении вращения. Поскольку электромонтаж и подключение к промышленной сети трехфазного напряжения производится один раз при подготовке к первому пуску, предлагаемое решение имеет нормально разомкнутые контакты.
На фигуре 6 представлена принципиальная схема предлагаемого решения. В основу его положено применение силового твердотельного реле для коммутации трехфазного напряжения питающей сети. Такой выбор обусловлен большой номенклатурой выпускаемых твердотельных реле, а также их преимуществами (закрытое исполнение, отсутствие ограничений на число циклов коммутации). В основе всех твердотельных реле используются двунаправленные полупроводниковые ключи (симисторы), управляемые светом (излучающим светодиодом). Управление состоянием твердотельного реле светом гарантирует надежную гальваническую развязку силовой цепи от системы управления. На фигуре 6 схема твердотельного реле обведена пунктиром. Для управления состоянием реле необходимо подать постоянное напряжение на управляющий вход, содержащий балластный резистор и светодиод. Выпускаемые твердотельные реле имеют широкий диапазон, как правило, весьма малых по абсолютному значению токов управления. Однако, исходное состояние твердотельного реле - нормально выключенное. Таким образом, управляющим воздействием для твердотельных реле должна быть подача напряжения, что ведет к замыканию контактов и подаче питания на трехфазную нагрузку. При отсутствии управляющего напряжения, контакты реле остаются выключенными. Для питания цепи управления используется однофазный диодный мост, подключенный к вторичной обмотке одного из трансформаторов. Установленные на выходе диодного моста балластный резистор и конденсатор образуют цепь задержки включения, необходимую для синхронизации работы промежуточного электромагнитного реле и твердотельного реле, производящего коммутацию трехфазного питающего напряжения. Введение этой цепочки задерживает включение твердотельного реле при подаче питания на время, необходимое для срабатывания защиты при обрыве фазы или смене очередности фаз. Это гарантирует отсутствие ложных кратковременных включений твердотельного реле после подачи питающего напряжения. Срабатывание цепи управления (т.е. ее размыкание) осуществляется нормально замкнутым контактом промежуточного реле, которое производит отключение питания на входе твердотельного реле при ошибочном подключении фаз питающей сети, либо при их обрыве. Питание катушки промежуточного реле осуществляется от однофазного диодного выпрямительного моста, как это видно из фигуры 6. Вход диодного моста подключен к выходу включенных последовательно и согласно между собой вторичных обмоток трансформаторов. Согласно приведенной на фигуре 3 векторной диаграмме, при неправильной очередности фаз питающей сети, произойдет нарушение равенства нулю суммы напряжений питающей сети, что приведет к появлению напряжения, приблизительно равному сумме напряжений двух фаз. Также и в случае обрыва одной из фаз, на выходе включенных последовательно вторичных обмоток возникнет напряжение, близкое к напряжению суммы двух фаз - чего достаточно для срабатывания промежуточного реле. Следует обратить внимание, что в силу свойств полупроводниковых управляемых элементов (тиристоров, транзисторов), в качестве промежуточного реле может выступать только электромагнитное реле с механическими нормально замкнутыми контактами.
В предлагаемом решении реализована гарантированная защита от смены очередности и обрыва фаз питающей сети, не допускающая подачи ошибочного питания к потребителям. Задача защиты решается как в момент подачи внешнего питания, так и в процессе дальнейшей работы.
Таким образом, стоящая перед заявляемым решением техническая задача достигнута.
Предлагаемое решение упрощает конструкцию реле защиты от смены чередования фаз, делает ее более надежной и бесперебойной. Несомненно, такое реле востребовано в промышленных установках, и позволяет защитить потребителей (особенно, электропривод разного рода, в том числе насосов) от неправильного чередования фаз и связанного с этим материального ущерба, возникающего, например, при обратном направлении вращения электропривода некоторых исполнительных механизмов.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- для отключения защищаемой нагрузки от питания используется твердотельное (полупроводниковое) реле;
- для размыкания питания цепи управления используется контакт промежуточного электромагнитного реле;
- для исключения кратковременной подачи питания на нагрузку, используется цепочка из резистора и конденсатора.
Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели ведет к новому техническому результату - упрощению и повышению надежности работы.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена векторная диаграмма напряжений трехфазной сети. На фигуре 2 изображена векторная диаграмма напряжений вторичных обмоток однофазных трансформаторов при правильном чередовании фаз. На фигуре 3 изображена векторная диаграмма напряжений вторичных обмоток однофазных трансформаторов при неправильном чередовании фаз. На фигуре 4 изображена принципиальная схема реле защиты от неправильного чередования фаз с электромагнитным контактором. На фигуре 5 изображена функциональная схема включения улучшенного реле защиты от неправильного чередования и обрыва фаз. Здесь 1 - питающая трехфазная сеть, 2 - реле защиты от неправильного чередования фаз, 3 - потребитель электроэнергии. На фигуре 6 изображена принципиальная схема улучшенного реле защиты от неправильного чередования и обрыва фаз
Список использованной литературы.
1. Фрумкин A.M. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982. - 407 с.
2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015.-556 с.