СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРЕВА ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
SYSTEM FOR PROTECTION FROM OVERHEATING OF ELECTRICAL NETWORK ELEMENTS

Система защиты от перегрева элементов электрических сетей решает проблему повышения надежности защиты элементов электрических сетей от перегрева имеющих, кроме фазного (L) и нулевого (N) проводников, защитный проводник (РЕ) и состоит из устройства защитного отключения (УЗО), автоматического выключателя на защитном проводнике (РЕ) механически соединенного с устройством защитного отключения (УЗО) и термореле, установленных в местах возможного перегрева. Термины, обозначения и определения приводятся в соответствии с:
ГОСТ IEC 60051-151-2014
МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ СЛОВАРЬ Часть 151
Электрические и магнитные устройства
ГОСТ IEC 60051-195-2005
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ЗАЗЕМЛЕНИЕ И ЗАЩИТА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Термины и определения
ГOCT IEC/TR60755-2017
УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНЫЕ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛНЫМ (ОСТАТОЧНЫМ ТОКОМ)
Общие требования
Под термином "Элемент электрической сети" понимается как один, так и несколько объединенных элементов выполняющих определенную функцию, из которых состоит электрическая сеть.
Под термином "Напряжение сети" будет пониматься действующее значение фазного переменного напряжения (U) между нулевым проводником (N) и фазным проводником (L) на выходе вводного распределительного устройства (ВРУ).
Под термином "Ток сети " будет пониматься действующее значение переменного тока (I) фазного проводника (L) на выходе вводного распределительного устройства (ВРУ).
Под термином "Мощность сети " будет пониматься Активная мощность в сети (Р) равная P=U*I.
Под термином "Устройство защитного отключения (УЗО)" в данном случае также понимается дифференциальный автоматический выключатель выполняющий функцию УЗО.
Из предшествующего известно "Устройство защиты контактов штепсельного соединения от перегрева", описанное в патенте RU 174 735, которое мы будем использовать для сравнения и называть в дальнейшем "Сравниваемым устройством". В Сравниваемом устройстве, в качестве контактов штепсельного соединения рассматриваются контакты штепсельной розетки. Вводные контакты розетки соединены с нулевым (N), фазным (L) и защитным (РЕ) проводниками. Для защиты электрической сети используется УЗО. В Сравниваемом устройстве используется термоэлемент, состоящий из:
1. Вариант
нормально разомкнутого термореле, соединенного последовательно с резистором, которые подключены между фазным (L) и защитным (РЕ) проводниками
2. Вариант
термистор, подключенный между фазным (L) и защитным (РЕ) проводниками
В Варианте 1, при превышении температурой значения, равного температуре срабатывания термореле, через резистор протекает ток, превышающий по значению номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО, и УЗО отключается.
В Варианте 2, при превышении температурой порогового значения для термистора, сопротивление термистора резко падает, вследствие чего через него протекает ток, превышающий по значению номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО, и УЗО отключается.
Недостатки в Варианте 1:
- При нарушении целостности защитного (РЕ) проводника или отсутствия его соединения на вводном распределительном устройстве (ВРУ) с нулевым проводником (N), ток утечки, превышающий номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО, отсутствует, УЗО не срабатывает, на корпусах приборов и оборудования появляется фазное напряжение.
- При не срабатывании УЗО по какой либо причине, например неисправности, через резистор протекает ток, который с учетом напряжения на резисторе, равного напряжению сети, вызывает нагрев резистора, если он не рассчитан на мощность в несколько Ватт. Например, при номинале резистора 6600 Ом при напряжении сети 220 Вольт на резисторе выделяется энергия равная 7,3 Ватт/сек. Резисторы рассчитанные на мощность 7,3 Ватт имеют большие габариты, что делает их монтаж в бытовую штепсельную розетку (используемую в загородных домах, квартирах для подключения различного оборудования) невозможным. Использование малогабаритных резисторов меньшей мощности, приведет к их нагреву, перегреву и выходу из строя, с вероятностью возгорания.
Недостатки в Варианте 2
- аналогичные недостаткам Варианта 1
- возможность ложного срабатывания УЗО, вследствие того, что характеристика термистора отличается от характеристики идеального ключа, и ток утечки через термистор будет суммироваться с токами утечки в термисторах аналогичных Сравниваемых устройствах, установленных в той же сети, и может превысить значение номинального отключающего дифференциального тока УЗО.
Особенностью Системы защиты от перегрева элементов электрических сетей, в дальнейшем Система, является использование устройства защитного отключения (УЗО), автоматического выключателя установленного на защитном проводнике (РЕ) механически соединенного с устройством защитного отключения (УЗО), и термореле установленных на местах возможного перегрева, подключенных между нулевым (N) и защитным (РЕ) проводниками, которые формируют при превышении температурного порога ток утечки, превышающий номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО.
Для описания работы Системы защиты от перегрева электрических сетей рассмотрим электрическую сеть Фиг. 1 со вводным распределительным устройством (ВРУ) 8, фазным (L) 12, нулевым (N)13, защитным (РЕ) 14 проводниками, УЗО 7 с номинальным отключающим дифференциальным током IΔn=30 мА, автоматическим выключателем 11 с номинальным током срабатывания 1 Ампер механически соединенным с УЗО 7, штепсельным соединителем 18 в качестве элемента электрической сети, к которому через контакты 20 подключена нагрузка с сопротивлением (Rr) 19. Прочие нагрузки в электрической сети отсутствуют. Будем считать расстояние от штепсельного соединителя до ВРУ равным расстоянию от точки расщепления 4 до вводного контакта штепсельного соединителя 25. Сопротивление фазного проводника от ВРУ до штепсельного соединителя (Rl) 17; сопротивление нулевого проводника от ВРУ до штепсельного соединителя (Rn) 16; сопротивление защитного проводника от ВРУ до штепсельного соединителя (Rpe) 15. Будем считать Rn=Rl=Rpe.
Напряжение питания от подстанции подается на ВРУ 8 через вводной контакт 1 фазного проводника и вводной контакт 2 совмещенного нулевого и защитного проводника (PEN) 2. Внутри ВРУ совмещенный нулевой и защитный проводник 2 расщепляется 4 на нулевой проводник (N) 13 и защитный проводник (РЕ) 14. ВРУ имеет локальное заземление 6.
Ток утечки создается термореле 24 с сопротивлением в замкнутом состоянии Rt 23. Ток через термореле 24 (It) равен току утечки при положении контактов 22 термореле 24. Автоматический выключатель 11 отключит УЗО при его не срабатывании по какой-либо причине, если ток утечки превысит 1 Ампер, и предотвратит перегрев термореле 24. Напряжение между защитным и нулевым проводниками Upn в месте установки штепсельного соединителя 18 при отсутствии тока в защитном проводнике 14, будет равно I*Rn. При токе сети I=40А, удельном сопротивлении нулевого проводника 0,0068 Ом/м и расстоянию между местом установки штепсельного соединителя и точкой расщепления 4 равному 30 метрам, Upn=0,0068*30*40=8,2B. При замыкании контактов термореле, переключение из положения 21 в положение 22, напряжение на термореле равно Upn. Небольшое значение напряжения на термореле позволяет ему выдерживать токи переключения в несколько десятков ампер.
Для расстояния от ВРУ 8 до штепсельного соединителя 18 равного 1 метр, напряжения в сети U=220 В, Rt=30 мОм, Rn=Rl=Rpe=0,0068 Ом, при наличии только одного штепсельного соединителя 18, для определения минимальной нагрузки при которой ток утечки будет равен It=IΔn=30 мА, произведем несложный расчет и получим значение сопротивления нагрузки 19 Rr=1144 Ом. Пренебрегая падением напряжения на сопротивлениях Rl и Rn, будем считать напряжение на нагрузке равным напряжению сети 220 В и соответственно мощность нагрузки будет равна Pn=42 Ватта. Это означает, что при наличии нагрузки мощностью более 42 Ватт, подключенной к штепсельному соединителю 18, установленному на расстоянии 1 метр от ВРУ 8, при превышении температурой порога срабатывания термореле 24, определяемого параметрами термореле, при переходе контактов термореле 24 из положения 21 в положение 22 произойдет отключение УЗО 7. Контакты УЗО 7 переключатся из положения 3 в положение 5 одновременно с контактами автоматического выключателя 11, контакты которого перейдут из положения 10 в положение 9. При увеличении расстояния (более 1 метра) от места установки штепсельного соединителя 18 до ВРУ 8, мощность нагрузки, необходимая для создания тока утечки It=IΔn=30 мА, будет уменьшаться.
Таким образом, обеспечивается защита термореле от перегрева и возгорания и, как следствие, повышается надежность защиты элементов электрических сетей.
Если в качестве штепсельного соединителя рассматривать штепсельную розетку, целесообразно устанавливать термореле на внутреннюю поверхность корпуса рядом с отверстиями для контактов штепсельного соединения.
Рассмотренный вариант использования Системы защиты от перегрева элементов электрических сетей, не исчерпывает все возможные варианты ее использования и технического исполнения.