КОМПЛЕКТ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ

Комплект защитного отключения (КЗО) относится к электротехнике и предназначен для защиты людей и животных на животноводческих фермах в сельском хозяйстве при аварийных режимах электрооборудования на животноводческих фермах и их воздушных электрических линиях.
Наличие металлической связи между электрооборудованием животноводческих ферм и стойловым оборудованием, особенно при привязном содержании, приводит, в случае появления электрического потенциала на корпусе оборудования, к созданию условий для поражения людей и животных электрическим током. Напряжение на металлоконструкциях животноводческих ферм появляется в результате возникновения аварийного режима в электрической сети или неисправности электрооборудования на ферме. Причинами могут быть: однофазное короткое замыкание на металлические корпуса электроустановок, обрыв нулевого провода электрической сети и прикосновение его к фазному проводу со стороны фермы, появление токов утечки с электроустановок (нарушение изоляции) и др.
В настоящее время основным доступным для хозяйств способом защиты животных от поражения электрическим током является применение устройств выравнивания электрических потенциалов (УВЭП). Эффективность работы УВЭП может быть обеспечена лишь при наличии надежной металлосвязи стойлового оборудования и УВЭП с нулевым проводом электросети, а также неповрежденности цепи нулевого провода, начиная от нейтрали трансформатора электрической трансформаторной подстанции до корпусов электрооборудования фермы [1]. При возникновении замыканий на корпус электрооборудования создается низкоомная цепь (обмотка трансформатора, фазный и нулевой провода) с большим током короткого замыкания, который воздействует на элетромагнитные расцепители автоматических выключателей или на предохранители как внутри фермы, так и на трансформаторной подстанции. Вэтом случае практически мгновенно обесточивается либо поврежденный участок, либо вся линия к ферме. Если же произойдет обрыв нулевого провода на линии или нулевого провода к поврежденному электрооборудованию, ток короткого замыкания будет проходить через «землю» либо до повторного заземления нулевого провода, а при отсутствии такового - напрямую к заземленной нейтрали трансформатора.
В этом случае сопротивление цепи для тока короткого замыкания увеличивается до десятков Ом, и ток в этой цепи будет недостаточным для срабатывания электрозащитных аппаратов.
Случаи массового поражения животных в Смоленской области происходили при обрыве нулевого провода сети и попадания фазного напряжения на корпус заземленного, но теперь не «зануленного» оборудования. Эти аварии сопровождались небольшими токами короткого замыкания на «землю», токовая защита по этой причине не срабатывала, и на оборудовании длительно присутствовал потенциал в диапазоне 35-50 В.
Под напряжением относительно земли оказываются все металлические элементы технологического оборудования и строительных конструкций. Кроме того, наблюдается большое шаговое напряжение от УВЭП в направлении зоны нулевого потенциала (нейтраль трансформатора, повторное заземление), что опасно как для животных, так и для людей.
В сетях с глухозаземленной нейтралью используются устройства защитного отключения (УЗО) [2] по току утечки на землю.
Эти устройства состоят из датчика, преобразователя сигнала и исполнительного органа. Датчик - трансформатор, реагирующий на алгебраическую сумму токов, протекающих по контролируемым проводникам. Если же сумма токов превышает допустимое значение, то это означает, что часть тока проходит помимо УЗО, то есть контролируемая электрическая цепь неисправна - в ней имеет место утечка. Преобразователь служит для усиления входного сигнала поступающего в датчика. Исполнительный орган отключает поврежденный участок при поступлении сигнала с усилителя. Однако с увеличением влажности воздуха значительно возрастают токи утечки с электроустановок, что приводит к частым отключениям и нарушению технологического процесса. УЗО не реагирует на неисправности, если они не сопровождаются утечкой тока (например, короткое замыкание между фазным и нулевым проводниками). Не срабатывает УЗО по току утечки и при заносе потенциала по нулевому проводу на корпус электрооборудования, что имело место во всех аварийных ситуациях, приведших к гибели скота.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение уровня электробезопасности человека и животных при аварийных режимах на животноводческих фермах связанных с короткими замыканиями в электрооборудовании ферм или при заносе потенциала по нулевому проводу на металлопривязь и другие корпуса электрооборудования при обрыве нулевого провода со стороны трансформаторной подстанции.
Для этого в комплект защитного отключения введен блок контроля, подключенный к выходу вводно-распределительного устройства трехфазной сети животноводческой фермы, который содержит два диодных трехфазных моста с балластными конденсаторами на входе и с последовательно соединенными параметрическими стабилизаторами, подключенными на выходе, средние точки которых подключены к нейтрали трехфазной сети, два составных транзистора, первый - германиевый - подключен к отрицательному полюсу выхода первого трехфазного диодного моста, а второй - кремниевый - к положительному полюсу этого моста, два диода развязки цепей, резистор смещения упомянутых составных транзисторов, первым своим выходом соединенный с эмиттерами выходных транзисторов составных транзисторов и подключенный к нейтрали трехфазной сети, вторым выводом резистор смещения соединен с базами входных транзисторов составных транзисторов, конденсатор согласования, который первым своим выводом соединен со вторым выводом резистора смещения, два операционных усилителя, один из которых работает в режиме компаратора, а второй с резисторами и конденсатором - в автогенераторном режиме, второй вывод конденсатора согласования подключен к выходу второго операционного усилителя, а вход операционного усилителя подключен к катоду диода развязки, который анодом соединен с выходом первого операционного усилителя, два резисторных делителя напряжения, первый подключен к выходу второго трехфазного диодного моста, а второй - параллельно к интегрирующему конденсатору, выходы резисторных делителей напряжения через входные резисторы подключены соответственно к первому и второму входам первого операционного усилителя, три резистора, подключенные к трем фазам электросети по схеме «звезда», средняя точка которой подсоединена к аноду второго диода развязки цепей, катод которого соединен с интегрирующим конденсатором, последовательно соединенные клемма, резистор ограничения тока и первый диод выпрямления, подключенный катодом к интегрирующему конденсатору, образуют цепь защиты металлопривязи, анод диода соединен через второй диод с нейтралью сети, которая соединена с его анодом.
В комплект защитного отключения также введен блок отключения, подключенный к автоматическому выключателю с дистанционным расцепителем, установленному на трансформаторной подстанции, коммутирующему и защищающему трехфазную воздушную или кабельную линию для животноводческой фермы. Блок отключения содержит трехфазный диодный мост с балластными конденсаторами на входе моста, подключенными к трехфазной электросети, и с последовательно соединенными параметрическими стабилизаторами, подключенными на выходе моста, средняя точка которых подключена к заземленной нейтрали трехфазной сети, два RC-фильтра высокой частоты и третий - активный полосовой заграждающий на операционном усилителе с включением двойного Т-образного моста в контур обратной связи усилителя, высокочастотный транзисторный усилитель, а также три конденсатора, четыре резистора, однопереходной транзистор, четыре диода, резисторный делитель напряжения, тиристор, две клеммы и это все соединено между собой определенным образом, а именно:
первый трехфазный RC-фильтр высокой частоты подсоединен первыми выводами конденсаторов к трехфазной сети, причем первые выводы резисторов соединены между собой и подключены к первому выводу конденсатора второго высокочастотного RC-фильтра, резисторы каждого из упомянутых фильтров своими выводами соединены со вторыми выводами соответствующих им конденсаторов, первый вывод резистора второго RC-фильтра подключен к нейтрали сети, транзисторный усилитель, содержащий резистор обратной связи и резистор нагрузки своим входом подключен параллельно резистору второго фильтра высокой частоты, коллектор транзисторного усилителя подключен ко входу активного полосового заграждающего фильтра на операционном усилителе с включением двойного Т-образного моста в контур обратной связи усилителя, второй вход усилителя соединен с выходом резисторного делителя напряжения, подключенного к выходу операционного усилителя, который через первый конденсатор подключен к средней точке выпрямителя из двух соединенных последовательно диодов, при этом катод первого через первый резистор соединен с первым выводом второго конденсатора и эмиттером однопереходного транзистора, при этом анод второго диода соединен со вторым выводом второго конденсатора и подключен к нейтрали сети, вторая база транзистора подключена через второй резистор к положительному полюсу трехфазного диодного моста, а первая база соединена с первым выводом третьего резистора и с управляющим электродом тиристора, к аноду которого подключены первая клемма и анодом третий диод защиты, катод которого соединен с катодом четвертого выпрямительного диода, второй клеммой и первым выводом третьего конденсатора, у которого второй вывод подключен к нейтрали сети, а анод четвертого диода через токоограничивающий четвертый резистор соединен с одной из фаз трехфазной сети, катод тиристора соединен со вторым выводом третьего резистора и подключен к нейтрали сети, цепи питания операционных усилителей в блоках контроля и отключения подключены к параметрическим стабилизаторам соответствующих блоков комплекта.
На фиг.1 представлена схема подключения блоков контроля и отключения комплекта КЗО (в дальнейшем - устройство). Сущность полезной модели поясняется чертежами: на фиг.2 и фиг.3 - пример конкретного выполнения схемы полезной модели, соответственно блоков контроля и отключения.
Устройство состоит из блоков: контроля 1, подключенного к выходу вводно-распредилительного устройства 2 трехфазной электросети животноводческой фермы 3 и блока отключения 4, подключенного к автоматическому выключателю с дистанционным расцепителем 5 [3] трансформаторной подстанции 6 с трансформатором 7. Автоматический выключатель 5 коммутирует и защищает трехфазную воздушную линию 8 для животноводческой фермы 3.
Блок контроля 1 содержит два диодных трехфазных моста 9 и 10 с балластными конденсаторами на входе и с последовательно соединенными параметрическими стабилизаторами, подключенными на выходе, средние точки которых подключены к нейтрали трехфазной сети N; два составных транзистора, первый 11 германиевый подключен к отрицательному полюсу выхода первого трехфазного моста 9, а второй 12 кремниевый - к положительному полюсу этого моста, два диода 13 и 14 развязки цепей; резистор смещения 15 упомянутых составных транзисторов первым своим выводом соединен с эмиттерами выходных транзисторов составных транзисторов и подключен к нейтрали трехфазной сети N, вторым выводом резистор смещения 15 соединен с базами входных транзисторов составных транзисторов; конденсатор согласования 16, который первым своим выводом соединен со вторым выводом резистора смещения 15; два операционных усилителя (например, на микросхемах серии К140-УД7), один из которых 17 работает в режиме компаратора, а второй 18 с резисторами 19, 20, 21 и конденсатором 22 - в автогенераторном режиме, второй вывод конденсатора согласования 16 подключен к выходу второго операционного усилителя 18, а вход операционного усилителя подключен к катоду диода развязки 13, который анодом соединен с выходом первого операционного усилителя 17; два резисторных делителя напряжения, первый 23-24 подключен к выходу второго трехфазного диодного моста, а второй делитель 25-26 - параллельно к интегрирующему конденсатору 27, выходы делителей подключены через входные резисторы 28 и 29 соответственно к входам компаратора 17; три резистора 30, 31, 32, подключенные к трем фазам электросети по схеме «звезда», средняя точка которой подсоединена к аноду второго диода 14 развязки цепей, катод которого соединен с интегрирующим конденсатором 27; последовательно соединенные клемма 33, резистор 34 ограничения тока и первый диод 35 выпрямления, подключенный катодом к интегрирующему конденсатору, образуют цепь защиты металлопривязи, анод диода 35 соединен через второй диод 36 с нейтралью сети N, которая соединена с его анодом.
Блок отключения 4 содержит трехфазный диодный мост 37 с балластными конденсаторами на входе моста, подключенными к трехфазной электросети, и с последовательно соединенными параметрическими стабилизаторами, подключенными на выходе моста, средняя точка которых подключена к заземленной нейтрали трехфазной сети N; два RC-фильтра 38 и 39 высокой частоты и третий - активный полосовой заграждающий на операционном усилителе 40 с включением двойного Т-образного моста 41 в контур обратной связи усилителя; высокочастотный транзисторный усилитель 42; а также три конденсатора 43, 44, 45, четыре резистора 46, 47, 48, 49, однопереходный транзистор 50, четыре диода 51, 52, 53, 54, резисторный делитель напряжения 55-56, тиристор 57, две клеммы 58. Все это соединено между собой определенным образом, а именно: первый трехфазный RC-фильтр 38 высокой частоты подсоединен первыми выходами конденсаторов к трехфазной сети, причем первые выводы резисторов соединены между собой и подключены к первому выводу конденсатора второго высокочастотного RC-фильтра 39, резисторы каждого из упомянутых фильтров своими вторыми выводами соединены со вторыми выводами соответствующих им конденсаторов, первый вывод резистора второго RC-фильтра 39 подключен к нейтрали сети N; транзисторный усилитель 42, содержащий резистор обратной связи и резистор нагрузки своим входом подключен параллельно резистору второго фильтра 39 высокой частоты, коллектор транзисторного усилителя 42 подключен ко входу активного полосового заграждающего фильтра на операционном усилителе 40 включением двойного Т-образного моста 41 в контур обратной связи усилителя, второй вход усилителя соединен с выходом резисторного делителя напряжения 55, 56, подключенного к выходу операционного усилителя 40, который через первый конденсатор 43 подключен к средней точке выпрямителя из двух соединенных последовательно диодов 51, 52, при этом катод первого 51 через первый резистор 46 соединен с первым выводом второго конденсатора 44 и эмиттером однопереходного транзистора 50, при этом анод второго диода 52 соединен со вторым выводом второго конденсатора 44 и подключен к нейтрали сети N, вторая база транзистора 50 подключена через второй резистор 47 к положительному полюсу трехфазного диодного моста 37, а первая база соединена с первым выводом третьего резистора 48 и с управляющим электродом тиристора 57, к аноду которого подключены первая клемма 58 и анодом третий диод 53 защиты, катод которого соединен с катодом четвертого выпрямительного диода 54, второй клеммой 58и первым выводом третьего конденсатора 45, у которого второй вывод подключен к нейтрали сети N, а анод четвертого диода 54 через токоограничивающий четвертый резистор 49 соединен с одной из фаз трехфазной сети, катод тиристора 57 соединен со вторым выводом третьего резистора 48 и подключен к нейтрали сети N. Цепи питания операционных усилителей в блоках контроля и отключения подключены к параметрическим стабилизаторам диодных мостов 10 и 37. Обмотка независимого электромагнитного (дистанционного) расцепителя автоматического выключателя 5 подключена к клеммам 58, то есть параллельно диоду 53 защиты блока отключения 6. Электрическая связь металлопривязи 59 с блоком контроля осуществляется подключением металлопривязи электропроводом к клемме 33.
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме работы на выходе трансформатора 7 питающей трехфазной сети действует трехфазная симметричная система номинального напряжения.
При включении автоматического выключателя 5 на трансформаторной подстанции 6 и вводно-распределительного устройства 2 на животноводческой ферме 3 на блоки контроля и отключения устройства подается трехфазное напряжение 0,4 кВ, которое поступает на диодные трехфазные мосты 9, 10, 37 с балластными конденсаторами на входе и с последовательно соединенными параметрическими стабилизаторами, подключенными к нейтрали трехфазной сети N, и на «звезду», составленную резисторами 30, 31, 32. Тем самым получают питание: составные транзисторы от мостового выпрямителя 9, операционные усилители 17 и 18 от мостового выпрямителя 10, а усилитель 40 от выпрямителя 37. Потенциал нулевой точки резисторной «звезды» по отношению к нейтрали системы N равен нулю, поскольку система напряжения симметрична. По этой причине напряжение на конденсаторе 27 равно нулю и на вход компаратора 17 поступает с делителя 25-26 через входное сопротивление 29 нулевой потенциал. На другой вход компаратора напряжение поступает с делителя 23-24 через входное сопротивление 28. Напряжение на резисторный делитель напряжения подается от мостового выпрямителя 10. Компаратор при этом на выходе имеет нулевой сигнал, который присутствует на аноде диода 13. Итак, «логический нуль» поступает на первый вход операционного усилителя 18. Этот усилитель содержит резисторы 19, 20, 21, которые осуществляют обратную связь выхода усилителя с его входами, а к первому входу подключен конденсатор 22.
Указанные радиоэлементы подобраны таким образом, что при подаче на первый вход операционного усилителя 18 сигнала «логическая единица», он начинает работать в режиме автогенератора высокой частоты, например, 5 кГц, а при подаче на первый вход усилителя 18 «логического нуля» автогенераторный режим прекращается.
При аварийном режиме на животноводческой ферме, например, однофазном коротком замыкании (фазы А), при обрыве нулевого провода со стороны трансформаторной подстанции происходит перекос питающего напряжения на «звезде», составленной резисторами 30, 31, 32 блока контроля 3. По этой причине на аноде диода 14 появится напряжение, что приведет к заряду конденсатора 27. В результате на первый вход компаратора будет подан сигнал через входной резистор 29 с резисторного делителя 25-26.
Этот сигнал компаратор сравнивает по напряжению с сигналом на втором его входе с делителя 23-24, поступающим через резистор 28.. При превышении сигнала (напряжения) на первом входе по отношению к величине сигнала на втором, компаратор 17 включается и выдает на выходе сигнал - «логическую единицу». Этот сигнал поступает через диод 13 на первый вход второго операционного усилителя, который начинает работать в автогенераторном режиме. Сигналы высокой частоты с выхода усилителя 18 через конденсатор 16 поступают на входы усилителей - составных транзисторов 11 и 12. Высокочастотный сигнал проходит через трехфазный диодный мост 9 и поступает на воздушную линию 8, а затем на блок отключения 4, далее - последовательно на RC-фильтры 38 и 39 высокой частоты и на предварительный транзисторный усилитель 42. Выделение и усиление полезного сигнала от транзисторного усилителя 42 осуществляет активный полосовой заграждающий фильтр на операционном усилителе 40 с включением двойного Т-образного моста 41 в контур обратной связи усилителя [4]. Напряжение гармоники полезного сигнала усиливается фильтром в тысячи раз, для остального спектра частот усиление практически не происходит.
Выход операционного усилителя нагружен однополупериодным выпрямителем на элементах 43, 44, 46, 51, 52. Цепочка - конденсатор 44 и резистор 46 - обеспечивает некоторую задержку срабатывания порогового элемента на однопереходном транзисторе 50. Это позволяет исключить отключения при кратковременных перекосах питающего напряжения, например, при грозовых перенапряжениях, кратковременных схлестываниях проводов при сильном ветре.
При заряде конденсатора 44 до соответствующего порогового уровня, транзистор 50 лавинообразно открывается [5] и тиристор 57 включается.
Последовательно с тиристором через клеммы 58 к блоку 4 подключена обмотка дистанционного расцепителя автоматического выключателя 5. В результате конденсатор 45 разряжается на обмотку дистанционного расцепителя автоматического выключателя 5. Это приводит к отключению автоматического выключателя 5 трансформаторной подстанции 6 и к обесточиванию защищаемой линии 8 электропередач. Для заряда конденсатора 45 используется цепь 49-54. Диод 53 препятствует пробою тиристора от перенапряжения самоиндукции.
В случае, при заносе потенциала по нулевому проводу на металлопривязь 59 и другие корпуса электрооборудования при обрыве нулевого провода со стороны трансформаторной подстанции, этот потенциал появится на клемме 33. В этом случае по цепи резистор 34 - диод 35 будет происходить заряд конденсатора 27 блока контроля 3. При достижении определенного значения напряжения на конденсаторе, происходит включение компаратора 17 и далее происходит процесс аналогично описанному выше, который заканчивается отключением автоматического выключателя 5 на трансформаторной подстанции 6 и к обесточиванию воздушной линии 8 электропередач.
Источники информации
1. ГОСТ Р 50571.14-96 Электроустановки сельскохозяйственных и животноводческий помещений.
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Википедия.
3. А.А.Чунихин. Электрические аппараты. Москва. «Энергия». 1967 г. стр.382.
4. http://analogiu.ru/6/6-5-4.html.
5. Р.Фелпс, пер. В.А.Логинова 750 практических электронных схем (справочное руководство). Москва, «Мир». 1986 г., стр.443