Устройство защиты от повреждения проводника

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам защиты электрических линий, машин и приборов, а в указанном классе к устройствам, реагирующим на обрыв линии.
Среди известных имеются технические решения, содержащие устройства дифференциального тока (УДТ по ГОСТ 30331.1) [1], в том числе автоматические выключатели, управляемые дифференциальным током, без встроенной защиты от сверхтоков (ВДТ по ГОСТ IEC 61008) [2] и со встроенной защитой от сверхтока (АВДТ по ГОСТ IEC 61009) [3]. Эти решения представлены, например, в монографии «Пожарная автоматика защитного отключения электроустановок», М.: Мир науки, 2019 [4]. В том числе, в цепях между источниками питания и однофазными электроприёмниками устанавливают двухполюсные УДТ (ВДТ или АВДТ), а в трёхфазных сетях трёхполюсные и четырёхполюсные УДТ. Автоматические выключатели, управляемые дифференциальным током (ВДТ и АВДТ) выполняют одновременно функцию обнаружения дифференциального тока, сравнения его значения с величиной отключающего дифференциального тока и отключения защищаемой цепи в случае, когда значение дифференциального тока превосходит эту величину. Чаще всего стандартные значения номинального отключающего дифференциальный тока составляю 10, 30, 100 мА, а стандартные значения номинального тока находятся в диапазоне 6… 63 А (на три порядка больше). Достигнутая высокая чувствительность по дифференциальному току в том числе позволяет эффективно реагировать на повреждение проводников. Поскольку при повреждении проводника между электроприёмником и источником питания дифференциальный ток в этом проводнике не возникает, для целей контроля используют различные дополнительные нагрузки (резисторы, конденсаторы, варисторы, пороговые устройства и т.д.). Использование дополнительной нагрузки, присоединённой к удалённым частям электросети, имеет место во многих конструкциях.
Так, в качестве аналога предлагаемого решения может быть указана полезная модель по патенту RU 72571 U1 от 02.10.2007 [5]. При использовании этой полезной модели под контролем оказывается дифференциальный ток через дополнительную нагрузку (пороговое устройство), присоединённую к электроприёмнику и источнику питания. В случае обрыва нулевого проводника дифференциальный ток через дополнительную нагрузку (пороговое устройство) приводит к срабатыванию двухполюсного автоматического выключателя, управляемого дифференциальным током. Эксплуатация подобных конструкций выявила недостаток, заключающийся в том, что цепь порогового устройства и присоединенные компоненты остаются под напряжением в случае обрыва нулевого защитного проводника. Кроме того, из-за разного времени включения полюсов известное устройство не позволяет уверенно производить включение. Если электроприёмник присоединён к линии, в момент включения устройство реагирует на разомкнутый полюс, как на обрыв проводника, и не включается.
Указанная техническая проблема выявлена для целого ряда известных технических решений, в том числе для полезной модели по патенту RU 181222 U1 от 30.01.2018 [6], которая может быть выбрана в качестве ближайшего аналога предлагаемой конструкции. Это устройство содержит дополнительную нагрузку и автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током, соединённый с электроприёмником и с источником питания. При нормальных условиях эксплуатации дифференциальный ток не возникает, поскольку симметричная дополнительная нагрузка обеспечивает равное напряжение между местами присоединения к электроприёмнику и к источнику питания. Отключение происходит из-за дифференциального тока, который возникает через дополнительную нагрузку при обрыве проводников и соответствующем неравенстве  напряжений. Фактически работоспособность устройства не обеспечивается, поскольку из-за разного времени включения полюсов во время включения дифференциальный ток возникает точно так, как при обрыве проводников. Следствием того, что после отключения дополнительная нагрузка и все присоединённые компоненты остаются присоединёнными к источнику питания, также является снижение уровня электробезопасности. Кроме того, указанное соединение дополнительной нагрузки будет причиной того, что известное устройство не идентифицирует причину отключения, поскольку обрыв любого проводника приводит к одинаковой последовательности возникновения дифференциального тока и реакции на него, что усложняет диагностику и эксплуатацию оборудования электросетей.
С целью исключения  указанного недостатка предлагается устройство защиты от повреждения проводника, содержащее дополнительную нагрузку и управляемый дифференциальным током двухполюсный автоматический выключатель, у которого полюсы соединены последовательно непосредственно между собой, первый полюс навстречу второму полюсу, первый полюс соединён с электроприёмником, второй полюс соединён с источником питания,  дополнительная нагрузка присоединена параллельно первому полюсу с одной стороны непосредственно и с другой стороны через соединение с электроприёмником. Предлагаемое устройство в зависимости от технических условий эксплуатации может быть дополнено рядом деталей, которые расширяют арсенал средств решения технической проблемы.
Сущность полезной модели пояснена схемами (фиг.1-6).
Н
1
2
1
1
2
Н
1
Н
1
2
1
2
На схеме (фиг.1) показан вариант полностью исправной электросети (при отсутствии повреждений). Устройство защиты от повреждения проводника (1) соединено с электроприёмником (ЭП) (2) и с источником питания (с его фазным проводником L и нулевым рабочим проводником N). Устройство (1) содержит дополнительную нагрузку - резистор R и двухполюсный автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током QFD, у которого полюсы Р и Рсоединены последовательно первый полюс навстречу второму, первый полюс Р соединён с электроприёмником (2) проводником  L , второй полюс Рсоединен с источником питания фазным проводником L, а дополнительная нагрузка R присоединена параллельно первому полюсу Р с одной стороны непосредственно и с другой стороны через соединение с электроприёмником проводниками  L и L. В данном варианте автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током, выбран со встроенной защитой от сверхтока М - расцепителем сверхтока, который находится во втором полюсе Р. Кроме того, устройство (1) содержит индикатор,  указывающий причину отключения от сверхтока или от дифференциального тока.  Как правило полюс Р имеет время включения меньшее по сравнению со временем включения второго полюса Р, но может быть и обратное исполнение для исключения включения устройства (1) под нагрузкой. Порядок (последовательность) расположения контактов, встроенной защиты от сверхтока и устройства обнаружения дифференциального тока внутри каждого полюса рекомендуется такой, как показано на схеме, но допускается иной в зависимости от указаний изготовителей по расположению входов и выходов относительно соединения с источником питания.
1
На схеме (фиг. 2) показан вариант того же устройства (1) при повреждении проводника L. Таким повреждением может быть обрыв проводника, увеличение переходных сопротивлений или обрыв, сопровождаемый дуговым пробоем.
1
2
Н1
Н2
1
1
На схеме (фиг. 3) показан вариант исполнения предлагаемого устройства (1), в случае, когда требуется защита от повреждения нескольких проводников. Для контроля каждого проводника устройство продублировано, причём органы управления дублирующих устройств QFD и QFD синхронизированы механическим соединением. Здесь в качестве дополнительной нагрузки выбраны конденсаторы C, С, и показан случай повреждения проводников L , N.
1
2
3,
4
4
H
H
1
2
1
H
1
На схеме (фиг. 4) показан вариант дополнения устройства (1) двухполюсным выключателем с полюсами К, К, ручным выключателем К автоматическим выключателем  К, а также реле контроля электропитания KV, которое выбирают с измерительным блоком по току, частоте, сдвигу фаз, чередованию фаз или импульсам высокой частоты. Реле KV и автоматический выключатель К могут быть соединены между собой.   Дополнительная нагрузка (из цепи резистора R c конденсатором C) и первый полюс Р присоединены к электроприёмнику раздельно через полюсы выключателя К, Ксоответственно так, чтобывремя включения дополнительной нагрузки (проводника L) было больше по сравнению со временем включения электроприёмника (проводника L).
1
1…3
На схеме (фиг. 5) показан вариант дополнения устройства (1) элементом, который выбирают из замыкающего контакта К, источника постоянного тока Е или источника переменного тока. При указанном дополнении первый полюс Р соединён параллельно с управляемым от сигнала датчика элементом. В этом варианте могут использоваться любые датчики электрических и неэлектрических показателей ИП(пожарные извещатели, термостаты, датчики протечки и т.д.), которые передают сигнал через реле РР по радиоканалу, проводному высокочастотному или инфракрасному каналу.
2
2
На схеме (фиг. 6) показан вариант исполнения устройства (1) с дополнительным автоматический выключатель, управляемым дифференциальным током QFD, соединяющим источник питания (проводник L) с вторым полюсом Р и источник питания (проводник N) с электроприёмником (2). В данном примере автоматический выключатель, управляемый дифференциальным током (QD) и полюс Рвыбраны без встроенной защиты от сверхтока, а дополнительное устройство QFD со встроенной защитой.
Работоспособность устройства (1) может быть показана с помощью приведённых схем следующим образом.
1
2
1
H
1
2
В случае отсутствия повреждения проводника (фиг. 1) электроприёмник (ЭП) (2) присоединён к источнику питания (к фазному проводнику L) через последовательно включённые полюсы  Р иР. Нулевой рабочий проводник N в этой схеме непосредственно присоединён к электроприёмнику.  Падение напряжения на проводнике Lминимально (находится в допустимых пределах), и этот проводник фактически шунтирует дополнительную нагрузку  R. В результате ток через дополнительную нагрузку отсутствует, а равный ток последовательно включённых полюсов Р иРуравновешивает устройство дифференциального тока QFD.
1
H
H
При повреждении проводника L(фиг. 2), например, в случае обрыва или увеличения переходных сопротивлений, возникает разность потенциалов на дополнительной нагрузке Rи соответствующий дифференциальный ток по проводнику L. Разбалансировка токов приводит к срабатыванию устройства дифференциального тока  QFD и к защитному отключению от источника питания. При этом благодаря выбранной конструкции (а именно из-за последовательного соединения полюсов и указанного соединения дополнительной нагрузки) повреждённый проводник и все детали  устройства (1) оказываются отключёнными от фазного проводника L источника питания. Таким образом обеспечивается электробезопасность.
1
Поскольку устройство дифференциального тока QFD выбрано со встроенной защитой от сверхтока и с индикатором причины отключения, повреждение проводника  L будет определено, как отключение из-за дифференциального тока.
1
H
1
2
После исправления неисправности (восстановления или замены проводника L) станет возможным повторное включение. При этом наличие дополнительной нагрузки R не помешает включению, поскольку до включения полюса будут разомкнуты полюсы Р,Ри дополнительная нагрузка не образует предварительно замкнутой цепи.
1
2
1
H
Если полюс Р выбран со временем включения меньшем по сравнению со временем включения второго полюса Р, то включение устройства допускается производить с присоединённым электроприёмником (2), поскольку проводник Lшунтирует дополнительную нагрузку R до подачи напряжения.
1
2
1
2
H
H
Если полюс Р выбран со временем включения большим по сравнению со временем включения второго полюса Р,то включение устройства с присоединённым электроприёмником будет восприниматься, как обрыв проводника L. Вначале возникнет дифференциальный ток через полюс Р, дополнительную нагрузку R, проводник L  и электроприёмник. Следовательно такое включение невозможно, а устройство (1) будет защищать от включения электроприёмника без контроля. Соответствующий алгоритм включения будет обязывать предварительно отсоединять электроприёмник (2) и подсоединять его только после включения устройства (1), что дополнительно повысит уровень электробезопасности, особенно при удалённом расположении устройства (1) и электроприёмника (2).
1
2
Н1
Н2
Работу устройства с контролем любого числа проводников можно продемонстрировать на примере одновременной защиты от повреждения фазного проводника и нулевого рабочего проводника (фиг. 3). Очевидно, что дублирование не влияет на функции устройств дифференциального тока. Независимость контроля двух и более проводников возможна без изменения характеристик QFD, QFD , …, а также без изменения номиналов дополнительной нагрузки C, С, … Повреждение каждого проводника будет контролироваться, как в предыдущем случае, а отключение и включение окажется синхронизированным благодаря механическому соединению органов управления. Индикатор причины отключения при этом сработает только для повреждённого проводника, поскольку только для него возникнет дифференциальный ток через присоединённую дополнительную нагрузку. Следовательно устройство (1) однозначно идентифицирует причину отключения при контроле нескольких проводников.
1
2
3
4
1
3
4,
Устройство (1), снабжённое ручными и автоматическими выключателями, позволяет организовать управление электроприёмником (фиг.4). Так, с помощью двухполюсного выключателя К, К можно включать и отключать электроприёмник без отключения устройства дифференциального тока  QFD. Через такие выключатели к одному устройству (1) удобно подключать несколько электроприёмников. Действие выключателей К  и К имитирует обрыв проводника L. Поэтому при внешнем управлении инициируется отключение устройства дифференциального тока QFD. Ручное управление реализуется нажатием на выключатель К , а автоматическое управление – по команде реле контроля электропитания KV . Например, при увеличении напряжения выше заданного значения, реле KV будет размыкать контакты выключателя Кчто приведёт к срабатыванию устройства дифференциального тока и к отключению от источника питания.
1
2
1…3
Присоединение замыкающего контакта К, источника постоянного тока Е или источника переменного тока (рис. 5) также приводит к срабатыванию автоматического выключателя, управляемого дифференциальным током QFD, поскольку возникает неравенство токов в полюсах Р иР. Следовательно устройство (1) может быть отключено по сигналу датчиков ИПс помощью реле PP, например, в случае пожара или протечки.
1
1
2
При дополнении устройства (1) автоматическим выключателем, управляемым дифференциальным током  QFD (рис. 6) полностью сохраняются функции защиты от повреждения проводника и добавляются функции контроля тока утечки. Благодаря предложенному соединению деталей, ток утечки на землю с фазного проводника  L будет без изменений протекать через последовательную цепь полюсов Р,Р, соответственно станет причиной разности токов в полюсах дополнительного устройства дифференциального тока QFD, что приведёт к его отключению от источника питания и обеспечит электробезопасность.
В табл. 1 даны значения характеристик предлагаемого устройства (1), полученные при испытании конструкции с автоматическими выключателями, функционально не зависящими от напряжения сети.
Таблица 1
x
Δn
Н
Н
Значения времени отключения T при обрыве проводника и минимального значения напряжения сохранения работоспособности U в зависимости от номинальной мощности нагрузки N значения номинального отключающего дифференциального тока Iи номинальных значений характеристик вспомогательной нагрузки R, С
N, Вт
I<sub>Δn</sub>, мА
R<sub>Н</sub>, Ом
С,мкФ
Tне более<sup>*</sup>,сек
U<sub>x </sub>не более, В
40
30
130
-
0,04
60
3900
-
0,20
90
27
1
0,20
90
100
130
-
0,20
75
1500
-
0,30
150
27
3,3
0,30
150
1000
30
130
-
0,04
25
3900
-
0,15
70
27
1
0,15
70
100
130
-
0,04
40
1500
-
0,20
120
27
3,3
0,20
120
* при напряжении сети - 230 В.
Увеличение переходных сопротивлений до 2,5…5 Ом и более для контролируемого проводника приводит к отключению устройства (1) наравне с реакцией на обрыв проводника, если в качестве дополнительной нагрузки используется резистор с номинальным сопротивлением 130 Ом.
Не ограничиваясь приведёнными значениями параметров, работоспособность устройства доказана при пониженных напряжениях и для широкого диапазона нагрузок (мощности электроприёмников). Кроме того, установлено, что наравне с конденсаторами и резисторами в качестве дополнительной нагрузки могут применяться варисторы, тиристоры и другие активные компоненты.
Таким образом предложенная полезная модель решает техническую проблему, связанную с соединением дополнительной нагрузки и источника питания.
Техническим результатом, обеспечивающим полезной моделью, является отключение от источника питания дополнительной нагрузкой при отключении повреждённого проводника, следствием этого является непосредственное указание повреждённого проводника при срабатывании устройства, обеспечение электробезопасности, исключение ложных срабатываний устройства при включении электроприёмника, независимость защиты нескольких проводников.
Источника информации
1. ГОСТ 30331.1-2013 (IEC 60364-1:2005) Электроустановки низковольтные. Часть 1. Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения
2. ГОСТ IEC 61008-1-2012 Выключатели автоматические, управляемые дифференциальным током, бытового и аналогичного назначения без встроенной защиты от сверхтоков. Часть 1. Общие требования и методы испытаний/
3.  ГОСТ IEC 61009-1-2014 Выключатели автоматические, срабатывающие от остаточного тока, со встроенной защитой от тока перегрузки, бытовые и аналогичного назначения. Часть 1. Общие правила.
4.  Мельников В.С. Пожарная автоматика защитного отключения электроустановок. Монография – М.: Мир науки, 2019, 152 c.
5. RU 72 571 U1 от 02.10.2007, Устройство контроля обрыва нулевого проводника в электросети для УЗО (УКОНПЭ-УЗО), Сокол Г.Н.
6. RU 181 222 U1 от 30.01.2018, Устройство для токовой защиты участка трёхфазной линии от обрыва нулевого провода и/или одного из фазных проводов. Белов А. В., Ильин Ю. П., Смирнов А. П.