УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ НАГРУЗКИ

Полезная модель «Устройство защиты трехфазной нагрузки» относится к электротехнике, в частности к защитным устройствам, и может быть использована в сетях переменного тока для защиты трехфазного силового оборудования от утечки тока на землю и/или асимметрии токов в нагрузке, как с заземленной, так и с незаземленной нейтралью, и человека, от поражения электрическим током.
Известны способ и устройство защиты нагрузки [1], преимущественно для защиты трехфазной сети от токов утечки на землю, предписывающие плавное изменение сопротивления нелинейного элемента и перераспределение тока в цепи органа релейного элемента, для чего устройство содержит нелинейный элемент, соединенный через ограничительный резистор параллельно вспомогательному источнику тока, и выходное реле, соединенное обмоткой параллельно резистору. (Выделенное курсивом - признаки присущие предмету полезной модели).
Известен способ и устройство защиты нагрузки [2], преимущественно для защиты человека от поражения электрическим током, предписывающие отключение питающей сети при появлении на исполнительном устройстве сигнала, формирующегося за счет наведения ЭДС в теле человека электромагнитным полем, создаваемым в опасной зоне, что достигается подачей сигнала путем замыкания ЭДС на исполнительное устройство через токоведущие линии нагрузки и линии питания нагрузки в момент прикосновения человека к токоведущим линиям, находящимся под опасным напряжением. (Выделенное курсивом - признаки присущие предмету полезной модели).
Известны способ и устройство защиты нагрузки [3], преимущественно для защитного отключения электрических установок от сети переменного тока с трехфазными проводами и нулевым проводом, предписывающие, при нарушении симметрии токов, отключение нагрузки, для чего обеспечивается срабатывание магнитного пускателя, управляемого от трансформатора нулевой последовательности
через усилитель напряжения, реле и два асимметра. (Выделенное курсивом - признаки присущие предмету полезной модели).
Существенным недостатком, присущим выше указанным способам и устройствам защиты являются значительные аппаратурная избыточность, инерционность и ограниченная надежность в работе.
Задача полезной модели - защита трехфазных симметричных нагрузок от асимметрии фазных токов, замыканий и утечек на землю, а также человека от поражения электрическим током.
Технический результат полезной модели достигается тем, в устройство защиты трехфазной нагрузки, от асимметрии фазных токов, и человека, от поражения электрическим током, содержащее магнитный пускатель, соединенный силовыми входами пофазно с источником питания, дополнительно введено реле оценки степени асимметрии фазных токов в нагрузке, соединенное силовыми входами пофазно с силовыми выходами магнитного пускателя, силовыми выходами - со входами нагрузки, а нормально замкнутыми контактами - последовательно с обмоткой магнитного пускателя, причем реле оценки степени асимметрии фазных токов содержит сердечник из магнитомягкой электротехнической стали и катушку из трех идентичных обмоток, соединенных пофазно с одной стороны с силовыми выходами магнитного пускателя, а с другой стороны - со входами нагрузки, и нормально замкнутые контакты, соединенные последовательно с катушкой электромагнита магнитного пускателя.
Устройство защиты трехфазной нагрузки, от асимметрии фазных токов, и человека, от поражения электрическим током, содержит, см. фиг.1, магнитный пускатель 1, и реле 2 оценки степени асимметрии фазных токов. Магнитный пускатель 1 включает три группы силовых контактов 2, электромагнит с сердечником 3 из магнитомягкой электротехнической стали и обмоткой (катушкой) 4, группу нормально разомкнутых контактов 5 кнопки «Пуск» и группу нормально замкнутых контактов 6 кнопки «Стоп», а реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов содержит электромагнит, с сердечником 8 из магнитомягкой электротехнической стали и катушкой из трех идентичных для каждой фазы обмоток 9, и группу нормально замкнутых контактов 10.
Устройство защиты трехфазной нагрузки, от асимметрии фазных токов, и человека от поражения электрическим током, соединено силовыми входами магнитного пускателя 1, группами контактов 2 с одной стороны, с источником питания, с сетью общего назначения, его обмотка (катушка) 4 соединена одной клеммой с одним из силовых входов пускателя, контакты группы 5 соединены с одной стороны с другой клеммой обмотки 4, а с другой стороны - с другим силовым входом пускателя, контакты 6 соединены с одной стороны с одним силовым входом магнитного пускателя. Реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов соединено силовыми входами, обмотками 9 с одной стороны, пофазно с силовыми выходами пускателя 1, с другой стороной контактов 2 пускателя 1, а группой контактов 10, с одной стороны, - с другой клеммой обмотки 4 пускателя 1, а с другой стороны - с другой стороной группы 6 нормально разомкнутых контактов пускателя 1. Нагрузка 11, независимо от схемы соединения, по схеме «звезда» или по схеме «треугольник», ее элементов 12, пофазно соединена с силовыми выходами реле 7, с другой стороной обмоток 9.
Устройство защиты трехфазной нагрузки, от асимметрии фазных токов, и человека, от поражения электрическим током, работает следующим образом (см. фиг.2).
Устройство защиты трехфазной нагрузки осуществляет оценку степени асимметрии фазных токов и, при ее отклонении за поле допуска, отключение (обесточивание) нагрузки, что поясняют диаграммы токов в нагрузке (см. фиг.2) (на фиг.2.а. - временные, а на фиг, 2.6. - векторные), при этом по модулю  суммы векторов фазных токов  оценивается степень их асимметрии  а при выходе значения  за поле допуска  нагрузка отключается от источника питания. Такое решение обеспечивает исключение содержания нагрузки под током как при утечке тока по любой из фаз, так и при дисбалансе сопротивления любого фазного элемента, в т.ч. и, при достаточной чувствительности устройства, защиту человека от поражения электрическим током.
Нормально замкнутые контакты 10 реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов обеспечивают гальваническую связь обмотки 4 магнитного пускателя
р
a
b
c
1
2
3
р
р
1, через нормально замкнутые контакты 6 его кнопки «Стоп», с источником питания. При нажатии кнопки «Пуск» контакты 5 пускателя 1, нормально разомкнутые, замыкаются, при этом срабатывает электромагнит пускателя 1, замыкая контакты 2 и удерживая их в замкнутом состоянии, а нагрузка 11, через магнитный пускатель 1, его контакты 2, и реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов, соединяется с источником питания. В нагрузке 11, при симметричности ее фазных сопротивлений, протекают равные по модулю фазные токи  со сдвигом по фазе на угол (∠) в 120°, а асимметрия фазных токов не выходит за пределы поля допуска  тогда напряженность магнитного поля |Н| в катушке 9 реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов недостаточна (|Н|<|Н|) для размыкания контактов 10 реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов и обесточивания обмотки 4 магнитного пускателя 1. При нарушении симметрии фазных токов, т.е. при  в момент выхода асимметрии за поле допуска  по причинам неравенства модулей фазных токов  неравенства фазных сопротивлений нагрузки {R≠R≠R), неравенства сопротивлений между входом фазы нагрузки 11 и корпусом нагрузки и/или землей {R≠R≠R) и т.д., в катушке 9 реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов протекают несимметричные токи, напряженность Н магнитного поля в сердечнике 8 реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов достигает уровня |≥Н|, достаточного для срабатывания реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов, при этом его нормально замкнутые контакты 10 размыкаются (при |Н|≥|Н|), обмотка 4 магнитного пускателя 1 обесточивается, контакты 2 магнитного пускателя 1 размыкаются, а нагрузка 11 отключается от питающей сети (обесточивается). Нарушение симметричности фазных токов нагрузки 11, т.е. токов протекающих через реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов, независимо от причины ее вызвавшей, приводит к обесточиванию нагрузки 11, а следовательно - к ее защите, равно как и к защите питающей сети от короткого замыкания, обрыва фазы, утечки на землю, а при достаточной чувствительности реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов - и к защите человека от поражения электрическим током.
Результаты испытаний - инерционность защитного отключения трехфазной нагрузки (с нейтралью или без таковой) не превышает 0,2 сек при модуле асимметрии фазных токов ≤20÷40 мА, что даже при снижении сопротивления изоляции любой из фаз на корпус обеспечивает защиту нагрузки 11 (электропривода) от асимметрии фазных токов и человека от поражения электрическим током в 30÷40 мА/сек и более, при допуске (в шахтной угледобыче) в 100÷150 мА/сек.
Достоинства устройства защиты трехфазной нагрузки, от асимметрии фазных токов, и человека, от поражения электрическим током, состоят в повышении быстродействия срабатывания защиты при минимизации аппаратурной избыточности в случае выхода асимметрии фазных токов в нагрузке за поле допуска, и, как следствие, в повышении надежности в работе. Так при разнице тока в одной из фазных обмоток реле 7 оценки степени асимметрии фазных токов на десятки миллиампер устройство с задержкой не более 0,2 сек отключает (обесточивает) нагрузку 11, что позволяет защитить нагрузку 11 от перекоса фазных токов, при нарушении равенства сопротивлений фазных элементов 12 нагрузки, и утечек тока на корпус оборудования, и даже при появлении тока утечки через цепь с сопротивлением в единицы и десятки тысяч Ом, а, следовательно, защитить человека от токов в десятки мА/сек, что в шахтных условиях, условиях повышенной влажности, обеспечивает защиту человека от поражения током.
Источники информации:
1. Патент RU 2069434, МПК Н02Н 3/16, 1996.11.20;
2. Патент RU 2131161, МПК Н02Н 5/00, 1999.05.27;
3. Патент RU 2017299, МПК Н02Н 3/16, 1994.07.30.