УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области электротехники, а более конкретно - к релейной токовой защите трехфазных электроустановок переменного тока и может быть использована для контроля токов и защиты электродвигателей, генераторов, трансформаторов и других электроустановок в аварийных режимах.
Известные устройства для защиты электроустановок переменного тока в аварийных режимах, как правило, содержат датчики в питающей сети электроустановки, электронный блок обработки данных, поступающих с датчиков, установленных в трех фазах питающей сети электроустановки, и исполнительный орган, отключающий электроустановку при возникновении аварийных режимов. Так, например, контролер диагностики и защиты по патенту РФ на изобретение №2256993 содержит электронный блок обработки данных, в состав которого входят аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, генератор тактовой частоты, делитель частоты, интерфейс, блок энергонезависимой памяти и энергонезависимые часы. Электронный блок соединен с пультом управления. Информация о значениях тока и напряжения силовых цепей поступает в электронный блок с блока гальванической развязки и предварительного масштабирования, состоящего из трансформаторов тока (датчиков) и резистивных делителей напряжения. Для отключения электроустановки при возникновении аварийных режимов в состав контролера входит исполнительное реле, подключенное к микропроцессору электронного блока. К недостаткам этого известного устройства следует отнести, во-первых, наличие гальванической развязки трансформаторного типа, которая повышает габариты устройства и снижает помехоустойчивость. Во-вторых, исполнительный орган соединен с блоком обработки данных посредством электрической связи, а это снижает надежность и ремонтопригодность устройства в случае выхода из строя исполнительного органа.
Известно устройство для защиты электроустановок от режимных перегрузок по заявке на изобретение №92006429, опубл. 1996.02.20. Оно предназначено для защиты электроустановок от режимных перегрузок по падению сопротивления изоляции, по температуре перегрева, сверхтоку потребления и току недогрузки. Устройство содержит датчики контролируемых параметров, блок обработки данных, в состав которого входят выпрямитель, блок задержки, логические элементы И и ИЛИ, уставки предельных значений контролируемых параметров, компараторы и блок индикации. Исполнительный орган для выключения цепей питания
электроустановки в аварийных режимах подключен к выходу логического элемента И. Такое соединение исполнительного органа с блоком обработки данных предполагает размещение их в одном корпусе. Устройство по заявке на изобретение №92006429 характеризуется минимально короткими аппаратурными цепями преобразований информации, поступающей от датчиков контролируемых параметров, поэтому оно позволяет быстро защитить электроустановку при отклонении режимов работы. Однако, как и в предыдущем случае, ремонтопригодность устройства снижена, поскольку в случае выхода из строя исполнительного органа требуется демонтаж всего устройства. А из практики эксплуатации известно, что именно исполнительный орган является наиболее уязвимым и ненадежным узлом.
За прототип заявляемой полезной модели по первому варианту принято устройство контроля и защиты электроустановок по патенту РФ на полезную модель №15430. Это устройство размещено в двух корпусах. В одном корпусе размещены блок обработки сигналов, поступающих с датчиков, установленных в фазах питающей сети электроустановки, и исполнительный орган (электронный ключ). В другом корпусе размещен блок индикации. Блок обработки сигналов датчиков содержит блок памяти, включающий счетчики аварийных отключений и схему хранения режимных уставок, и первый микропроцессор, в состав которого входят блок задержки и компараторы. Входы микропроцессора соединены с датчиками тока и выходом блока памяти, а выходы - с электронным ключом и входом блока памяти. Электронный ключ соединен с электромагнитным пускателем, посредством которого осуществляется отключение электроустановки от питающей сети. Блок индикации является пультом управления диспетчера. Кроме этого, устройство по прототипу содержит приемные и передающие элементы беспроводной оптической связи, за счет которых происходит обмен информацией между двумя микропроцессорами. Передающие и приемные элементы связи выполнены, соответственно, на инфракрасных излучателях и приемниках инфракрасного излучения - светодиодах. Считывание информации происходит на расстоянии от 5 до 30 см.
Устройство по патенту РФ №15430 имеет улучшенные эксплуатационные характеристики, обеспечивает надежную и быструю защиту электроустановок.
Прототипом заявляемой полезной модели по второму варианту выбрано реле токовой защиты по патенту РФ на полезную модель №57523. Как и устройство по патенту №15430, реле по патенту №57523 тоже размещено в двух корпусах. В одном
корпусе расположены блок обработки сигналов, поступающих с датчиков, установленных в фазах питающей сети электроустановки, исполнительный орган (электронный ключ), устройство аварийной сигнализации и блок оперативной индикации. Блок обработки сигналов датчиков содержит блок памяти, включающий счетчики аварийных отключений и схему хранения режимных уставок, и первый микропроцессор, в состав которого входят блок задержки и компараторы. Входы микропроцессора соединены с датчиками тока и выходом блока памяти, а выходы - с электронным ключом (исполнительным органом), входом блока памяти, устройством сигнализации и блоком оперативной индикации. Электронный ключ соединен с электромагнитным пускателем, посредством которого осуществляется отключение электроустановки от питающей сети. Во втором корпусе расположен пульт управления диспетчера. Он включает второй микропроцессор, к входу которого подключена клавиатура, а к выходу - цифровой дисплей. Микропроцессоры связаны между собой через интерфейс, электромагнитное приемно-передающее устройство и проводную линию связи, выполненную в виде соединительного шлейфа с зондом.
Достоинством реле токовой защиты по патенту №57523 является то, что оно с помощью сигнализации обеспечивает оперативное оповещение возникших аварийных режимов и позволяет установить причины аварийного отключения электроустановки без использования пульта управления.
Устройства, выбранные в качестве прототипов для первого и для второго вариантов заявляемого устройства, обладают следующими недостатками. Исполнительный орган (электронный ключ) электрически связан с блоком обработки сигналов и находится с ним в одном корпусе. А из практики эксплуатации устройств токовой защиты известно, что исполнительный орган является ненадежным узлом. Причинами низкой надежности могут явиться случайные короткие замыкания или перегрузки в цепи исполнительного органа, межвитковое замыкание катушек управления электромагнитных пускателей, субъективные ошибки обслуживающего персонала и другие причины. Выход из строя исполнительного органа приводит к полному отказу устройства токовой защиты и необходимости остановки защищаемой электроустановки, демонтажа устройства с целью ремонта, затем повторного монтажа. В некоторых случаях, например коротком замыкании, требуется замена неремонтопригодного устройства токовой защиты на новое. Вышеперечисленные действия требуют значительных затрат
времени и средств, приводят к простоям производства и значительным экономическим потерям.
Задача полезной модели по обоим заявляемым вариантам исполнения состоит в том, чтобы повысить надежность и ремонтопригодность устройств защиты электроустановок.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в обеспечении беспроводной связи исполнительного органа с блоком обработки сигналов, а в случае неисправности исполнительного органа в возможности его демонтажа без остановки защищаемой электроустановки и демонтажа всего устройства в целом.
Технический результат достигается следующим образом.
По первому варианту по аналогии с прототипом устройство защиты электроустановки содержит блок обработки сигналов, поступающих с датчиков тока, установленных в фазах питающей сети электроустановки, исполнительный орган для отключения электроустановки при возникновении аварийных режимов, соединенный с электромагнитным пускателем, включенным в питающую сеть электроустановки, передатчик оптической связи, связанный с выходом блока обработки сигналов, и приемник оптической связи. В отличие от прототипа в заявляемом устройстве по первому варианту посредством оптической связи соединены между собой блок обработки сигналов и исполнительный орган. Кроме этого, блок обработки сигналов с передатчиком оптической связи и исполнительный орган с приемником оптической связи размещены в отдельных корпусах.
В частном случае выполнения в качестве передатчика оптической связи может быть использован излучающий диод, а в качестве приемника оптической связи - оптосимистор. В таком исполнении оптосимистор выполняет одновременно и функцию исполнительного органа.
По второму варианту устройство защиты электроустановки содержит, как и прототип, блок обработки сигналов, поступающих с датчиков тока, установленных в фазах питающей сети электроустановки, исполнительный орган для отключения электроустановки при возникновении аварийных режимов, соединенный с электромагнитным пускателем, включенным в питающую сеть электроустановки, передатчик электромагнитной связи, связанный с выходом блока обработки сигналов, и приемник электромагнитной связи. В отличие от прототипа в заявляемом устройстве по второму варианту посредством электромагнитной связи соединены между собой блок обработки сигналов и исполнительный орган. Кроме
этого, блок обработки сигналов с передатчиком электромагнитной связи и исполнительный орган с приемником электромагнитной связи размещены в отдельных корпусах.
В частном случае выполнения передатчик электромагнитной связи может быть выполнен в виде генератора импульсов высокой частоты и катушки индуктивности, которая соединена с его выходом. В этом случае приемником электромагнитной связи служит вторая катушка индуктивности, при этом в качестве исполнительного органа использован высокочувствительный симистор, подключенный к выводам второй катушки индуктивности.
Совокупность существенных признаков, которыми характеризуется заявляемая полезная модель по каждому из заявленных вариантов, заявителем среди известных технических решений не выявлена, что дает основание утверждать о наличии новизны полезной модели.
В обоих предложенных вариантах заявляемой полезной модели исполнительный орган электрически не связан с блоком обработки сигналов и выполнен в отдельном корпусе. В случае его неисправности для устранения неполадок его легко можно демонтировать, а после ремонта установить на прежнее место или оперативно заменить на исправный. При выполнении всех этих действий исключается необходимость отключения самой электроустановки, разъединения силовых токоведущих шин, трудоемкого демонтажа и последующего монтажа всего устройства. В результате значительно снижаются простои производства и связанные с ними экономические потери. Кроме этого, следует отметить, что исполнительный орган при работе выделяет значительное количество тепла. Расположение его в отдельном корпусе облегчает тепловой режим работы остальных элементов устройства и расширяет его температурный диапазон работы. Все перечисленные достоинства ведут к повышению надежности и ремонтопригодности заявляемого устройства по обоим вариантам исполнения.
Таким образом, оба варианта заявляемой полезной модели объединены единым творческим замыслом и соответствуют требованию единства полезной модели, поскольку они имеют одно и то же назначение и направлены на достижение одного и того же технического результата.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства защиты электроустановки по первому варианту. На фиг.2 показан пример выполнения оптической связи между блоком обработки сигналов и исполнительным органом. На фиг.3 изображена блок-схема
устройства защиты электроустановки по второму варианту. На фиг.4 -пример выполнения электромагнитной связи между блоком обработки сигналов и исполнительным органом.
На фиг.1 и фиг.3 буквой Е обозначена электроустановка, буквами А, В, С - фазы сети питания. Устройство по первому и по второму вариантам (фиг.1, 3) содержит блок обработки сигналов 1, на вход которого поступают сигналы с датчиков тока 2, 3, 4, установленных в фазах А, В, С питающей сети переменного тока электроустановки Е. Устройство содержит также исполнительный орган 5. Исполнительный орган 5 соединен с цепью управления электромагнитного пускателя 6. К выходу блока обработки сигналов 1 в первом варианте (фиг.1) подключен передатчик оптической связи 7. Посредством передатчика оптической связи 7 и приемника оптической связи 8 осуществляется связь исполнительного органа 5 с блоком обработки сигналов 1. Блок обработки сигналов 1 и передатчик оптической связи 7 выполнены в корпусе 9. Исполнительный орган 5 и приемник оптической связи 8 - в корпусе 10. Передатчиком оптической связи по первому варианту (фиг.2) является излучающий диод 11, а приемником - оптосимистор 12, который является одновременно и исполнительным органом.
По второму варианту (фиг.3) с выходом блока обработки сигналов 1 связан передатчик электромагнитной связи 13, а исполнительный орган 5 соединен с выходом приемника электромагнитной связи 14. Блок обработки сигналов 1 с передатчиком электромагнитной связи 13 выполнены в отдельном корпусе 9. Исполнительный орган 5 и приемник электромагнитной связи 14 - в отдельном корпусе 10. Передатчик электромагнитной связи (фиг.4) состоит из генератора импульсов высокой частоты 15 и катушки индуктивности 16, а приемником электромагнитной связи служит вторая катушка индуктивности 17. Катушка индуктивности 16 соединена с управляющим электродом симистра 18, который является исполнительным органом.
Полезная модель промышленно применима. Она может быть неоднократно реализована с получением указанного технического результата. При изготовлении устройства используются современные серийно выпускаемые приборы и элементы. В качестве датчиков тока могут быть использованы датчики Холла или тороидальные трансформаторы тока. Блок обработки сигналов может быть выполнен в виде микропроцессора с заранее заложенной в него программой или любого иного электронного модуля, обеспечивающего сравнение контролируемых параметров питающей сети с допустимыми параметрами и выработку сигнала на
отключение электроустановки. В качестве исполнительного органа может быть использован электронный ключ или электромагнитное реле. Предложенные варианты выполнения оптической связи и электромагнитной связи не ограничиваются предложенными заявителем. Возможно использование других, доступных и известных в технике средств, обеспечивающих беспроводную, оптическую или электромагнитную, связь между блоками, что не выходит за рамки заявляемой полезной модели. Для оптической связи могут быть использованы, например, ИК-излучатели и ИК-приемники на базе светодиодов и фотодиодов.
Работа и эксплуатация устройства защиты электроустановки заключаются в следующем.
Устройство устанавливают в цепях питания трехфазных электроустановок и контролируют токи, протекающие по проводам каждой из трех фаз. В нормальном режиме контакты электромагнитного пускателя замкнуты, и электроустановка получает питание от сети переменного тока. С датчиков тока 2, 3, 4 информация поступает в блок обработки сигналов, где сравнивается с режимными параметрами. В случае аварийной ситуации блок обработки сигналов выдает команды на отключение исполнительного органа 5.
Заявителем испытаны оба варианта предложенных схем связи между блоком обработки сигналов 1 и исполнительным органом 5. По первому варианту в качестве передающего элемента оптической связи был применен излучающий диод L934P3C. Оптическая связь осуществляется следующим образом. Управляющим сигналом от блока обработки сигналов 1 включается (отключается) излучающий диод 11 (фиг.2), что приводит к отпиранию (запиранию) оптосимистора 12, выполняющего одновременно функции приемного элемента и электронного ключа. При превышении параметров происходит запирание оптосимистора, что приводит к отключению электромагнитного пускателя и размыканию его контактов.
По второму варианту управляющим сигналом от блока обработки сигналов 1 включается (отключается) генератор импульсов высокой частоты 15 (2-10 МГц), питающий катушку индуктивности 16. Высокочастотный сигнал при его наличии, наводимый в приемной катушке индуктивности 17 за счет наличия индуктивной связи с катушкой 16, подается на управляющий электрод высокочувствительного симистора 18 (был использован серии MAC 8 SN), что приводит к его отпиранию. Симистор в этом случае выполняет роль электронного ключа. Происходит размыкание контактов электромагнитного пускателя 6 (фиг.1, 3). Устройство показало хорошую работоспособность в обоих вариантах исполнения. При наличии
же неисправности исполнительного органа предложенная конструкция позволяет легко осуществить его демонтаж для устранения неполадок.