УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПРИ НАЛИЧИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ, УПРАВЛЯЕМЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ТОКОМ

Полезная модель относится к электротехнике и предназначена для использования в быту и на производстве при защите бытовой и производственной техники и персонала при помощи отключения нагрузки при отклонении параметров питающей электрической цепи от нормы.
Нестабильность параметров электрических сетей может привести к повреждению оборудования потребителя и возникновению аварийных ситуаций, угрожающих его жизни, здоровью и имуществу. Для защиты от данных факторов разработан и применяется целый ряд устройств защиты (например, реле контроля напряжения), производящих в аварийных ситуациях отключение сети от потребляющего оборудования. При этом отключение производится разъединением контактов, по которым через устройство защиты протекает весь ток потребления защищаемой цепи. В качестве механизмов разъединения используются различные реле, габариты, стоимость и тепловое рассеяние которых значительно возрастают при увеличении допустимой силы тока. В частности, в конструкциях реле контроля напряжения для установки на DIN-рейку устройства шириной в 1 модуль 17,5 мм имеют допустимую силу тока не более 16 А, что недостаточно для энергоснабжения многих объектов, в то время как оптимальным местом установки реле контроля напряжения является точка ввода сети на объект в целом, так как угрожающее воздействие приходит из сети. Между тем в современных сетевых вводах объектов потребления электроэнергии, как правило, присутствуют устройства защитного отключения (УЗО-Д - выключатели автоматические, управляемые дифференциальным током, далее - УЗО), также обладающие коммутационными функциями. Параметры УЗО строго регламентируются международными и гармонизированными с ними отечественными стандартами, в частности, ГОСТ Р 51326.1-99 (МЭК 61008-1-96) [табл.1]. Соблюдение данных стандартов обеспечивает высокую надежность и эффективность коммутационных функций УЗО. Таким образом, имеется возможность производить отключение нагрузки от сети путем воздействия устройства защиты на УЗО, что исключает принципиальную необходимость протекания тока потребления через устройство защиты. Для отключения УЗО необходимо приложение дифференциального тока (ДТ) между ветвями фазы и нейтрали, проходящими через него. Очевидным способом организации ДТ является создание искусственной утечки тока одной из ветвей на защитное заземление. Организация ДТ путем искусственной утечки тока нейтрали на защитное заземление имеет следующие недостатки:
- может требовать перегрузочной способности по току коммутации утечки, сравнимой с максимальным током потребления как защищаемого, так и смежных с ним участков нагрузки;
- не гарантирует срабатывания в случае сравнимых величин текущего тока потребления и номинального отключающего дифференциального тока (НОДТ) УЗО.
∆n
Организация ДТ путем искусственной утечки тока фазы на защитное заземление требует протекания в цепи утечки значительной мощности, составляющей при максимальном значении НОДТ I=0,5 А ([1], п.5.3.3.) и сетевом напряжении 220 В величину не менее 110 ВА.
Основным же недостатком вышеприведенных решений является возможность опережающего срабатывания других УЗО, включенных выше по тракту энергоснабжения по отношению к УЗО, которое подразумевается выбранным для отключения, что в случае их принадлежности другим собственникам невозможно считать допустимым.
∆n
∆n
Другим способом организации ДТ является создание искусственной утечки тока одной из ветвей УЗО в обход другой ветви, реализуемый, например, включением в диагональ между выходом фазы и входом нейтрали УЗО двухполюсника с импедансом, управляемым напряжением фаза-нейтраль. Это решение реализовано в устройстве [2]. Показана схема его работы (фиг.1). Устройство работает следующим образом. При включении устройства для защиты от перенапряжений в сеть переменного напряжения при входном напряжении выше порогового уровня напряжения, установленного потенциометром R5, происходит пробой динистора VD1, что влечет за собой появление тока в делителе R2, R3 и появление тока базы супер-бета транзистора VT, достаточного для его перехода в режим насыщения, что влечет за собой прохождение импульса тока (более 30 миллиампер, например) через коллектор супер-бета транзистора VT и резистор R4, что в свою очередь шунтирует выход диодного моста VD2-VD5, обеспечивая, тем самым появление тока в цепи входного нейтрального вывода дифференциального автомата и его же выходного фазного вывода, что эквивалентно протеканию тока утечки, фиксируемого дифференциальным автоматом (УЗО), превышающего уровень тока утечки, достаточного для срабатывания дифференциального автомата (УЗО), в результате чего происходит выключение дифференциального автомата, при этом обеспечивается отключение нагрузки, подключенной к выходу дифференциального автомата (УЗО). При входном напряжении ниже уровня, установленного потенциометром R5, пробоя динистора VD1 не происходит, и нагрузка не отключается дифференциальным автоматом. Недостатком устройства является необходимая для универсального устройства организация протекания дифференциального тока не менее I=0,5 А для УЗО типа АС и 0,7 А для УЗО типа А при напряжении отключения U≥250 В, причем в течение времени 0,3÷0,5 с согласно табл.1 ([1], п.5.3.12), приведенной на Фиг.2. Такое время отключения слишком велико для обеспечения сохранности подключенного оборудования. Минимальное же время отключения УЗО достигается при значениях дифференциального тока I≥5I, что может соответствовать текущей мощности в устройстве Р≥250 В×5×0,7А=875 Вт. Такое значение мощности крайне отрицательно скажется на технико-экономических показателях устройства (сочетание габаритов, стоимости и надежности) и не реализовано в каких-либо известных устройствах.
5.3.12 Стандартные значения времени отключения и не отключения
Стандартные значения времени отключения (см.3.3.9) и неотключения (см. 3.3.10) для ВДТ типа АС даны в таблице).
Таблица 1
Стандартные значения времени отключения и неотключения для работы при наличии дифференциального тока
Тип
I<sub>∆</sub>
I<sub>∆n</sub>
Стандартные значения времени отключения и неотключения C<sub>i</sub> дифференциальном токе
I<sub>∆n</sub>
2I<sub>∆n</sub>
5I<sub>∆n</sub> <sup>*</sup>
500А
Общий
Любое значение
Любое значение
0,30
0,150
0,04
0,04
Максимальное время отключения
S
Cв.25
Св.0,030
0,50
0,200
0,15
0,15
0,13
0,006
0,05
0,04
Минимальное время не отключения
* Для ВДТ общего типа, встраиваемых или предназначенных только для компановки со штепсельными розетками и вилками, и для ВДТ общего типа с I<sub>∆n</sub><30 мА ток 0,25 А может быть использован как альтернатива 5I<sub>∆n</sub>.
Максимальное время отключения, установленное в таблице 1, распостраняется также на ВДТ типва А, однако значение тока I<sub>∆n</sub>, 2I<sub>∆n</sub>, 5I<sub>∆n</sub>, 0,25 и 500 А  принимают для испытаний по 9.2.1.1 с коэффициэнтом 1,4 для ВДТ с I<sub>∆n</sub>>0,01 А и с  коэффициэнтом 2 для ВДТ с I<sub>∆n</sub><0,01 А.
Табл.1
Данные недостатки отсутствуют при отключении УЗО в случае реализации заявляемого технического решения.
Задача данного устройства - защита бытовой и производственной техники в быту и на производстве.
Технический результат - отключение нагрузки тока при отклонении параметров питающей электрической цепи от нормы.
Для этого в устройстве для отключения полезной нагрузки электрической сети с автоматическим выключателем, управляемым дифференциальным током, производится замыкание управляемого ключа, который последовательно включен в сеть с входным контактом нейтрали выключателя, выходным контактом нейтрали выключателя и источником переменного тока с частотой напряжения сети.
Принцип работы устройства (фиг.2) заключается в организации дифференциального тока, приложенного к подлежащему отключения УЗО путем пропускания через цепь вход-выход нейтрали УЗО. Причем предпочтительной формой тока для сетей с переменным напряжением является синусоидальная форма с частотой и синфазная питанию сети, отключающая УЗО любого типа. При этом отключается только УЗО, включенное в схему, так как через другие УЗО формируемый дифференциальный ток не проходит.
∆n
∆n
mаx
2
2
Мощность Р, непосредственно отключающая любое УЗО за гарантированно минимальное время, должна превосходить значение 25 I ·r, где I - дифференциальный ток отключения УЗО с максимальным значением 0,7 А ([1]), r - сумма сопротивлений контактов и проводника нейтрали УЗО, составляющая 1-2 миллиома. Таким образом, Р=25×0,7×0,002≈25 мВт. Столь малое значение требуемой мощности позволяет кардинально минимизировать массогабариты и стоимость применяемых ЭРЭ и, таким образом, устройства защиты в целом. В результате устройство защиты, например, в конструкции для установки на DIN-рейку может представлять собой один модуль шириной 17,5 мм с практическим отсутствием тепловыделения и быть при этом универсальным для отключения УЗО с любыми значениями номинального (рабочего) и дифференциального тока. Таким образом, технико-экономические данные предлагаемого устройства значительно улучшаются.
Приводится один из примеров реализации механизма отключения УЗО, использующего данное устройство (фиг.3). Схема, состоящая из трансформатора Т, конденсатора С и реле К, размещается в устройстве защиты и работает следующим образом. Через цепь, состоящую из конденсатора и первичной обмотки трансформатора, последовательно включенных между фазовым и нейтральным проводами на выходе УЗО, протекает небольшой ток с частотой напряжения сети. В момент необходимого отключения, схема устройства защиты, подключенного к выходам фазы и нейтрали УЗО, и отслеживающего параметры сети, активирует управляющую обмотку реле, замыкая его нормально разомкнутый контакт, и через провод нейтрали внутри УЗО начинает протекать ток с частотой основной гармоники, равной частоте напряжения сети, например, 50 Гц, возбуждаемый напряжением, прилагаемым вторичной обмоткой трансформатора. Для УЗО этот ток является дифференциальным и при превышении НОДТ УЗО отключает его.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. ГОСТ Р 51326.1-99 (МЭК 61008-1-96)
2. Патент RU 2251775 С2