Реле напряжения и управления устройствами дифференциального тока

Предлагаемая полезная модель относится к реле, которые срабатывают при отклонении электрических показателей от нормальных значений. В указанном подклассе хорошо известны защитные реле, срабатывающие при падении напряжения и при перенапряжении [ГОСТ 3699-82, ГОСТ 17523-85, ГОСТ EN 50550-2016, IEC 63052-2019], они нашли широкое применение для защиты электрических линий, цепей, машин и приборов промышленного, бытового и аналогичного назначения. Известно также, что реле максимального и минимального напряжения эффективно используются для дистанционного или непосредственного управления устройствами дифференциального тока [RU 198896 U1, 05.05.2020], [RU 198910 U1, 27.05.2020], [RU 2737951 C1, 03.06.2020], что обеспечивает электробезопасность, предотвращение аварий и пожаров электроустановок.
Как правило, для решения задач управления реле напряжения должно иметь пороговый элемент (детектор), модуль временной задержки (таймер), обычно встроенный в пороговый элемент, а также замыкающиеся и размыкающиеся контакты, приводной механизм которых является частью таймера. Перечисленные компоненты конструкции предусмотрены в следующих аналогах: [RU 55218 U1, 26.09.2005], [RU 2457596 C2, 13.02.2007], [RU 2478238 C1, 20.07.2011], в том числе в составе «Устройства защиты от перенапряжения» [US 2020/0321777 A1, Okt. 8, 2020], которое выбрано в качестве ближайшего аналога. В данном устройстве замыкающиеся и размыкающиеся контакты соединены между собой в последовательную цепь, содержащую вспомогательную нагрузку (например, резистор), а пороговый элемент соединен с контактами приводным механизмом так, что в зависимости от контролируемого напряжения обеспечивает одновременное замыкание или размыкание соответствующих контактов.
Эксплуатация подобных реле напряжения совместно с устройствами дифференциального тока выявила недостаток, который связан с начальным состоянием при включении питания (самого реле и электроприемника). Даже в том случае, когда напряжение питания находится в допустимых пределах, устройство дифференциального тока получает от реле напряжения сигнал на отключение, поскольку возникает замыкание на землю. В результате происходит ложное (ошибочное) срабатывание защиты. Фактически включение приходится выполнять вручную, например, путем отключения линии управления до момента, когда контакты занимают рабочее положение.
Предлагаемая полезная модель позволяет преодолеть техническую проблему, связанную с передачей ошибочных сигналов на отключение за счет автоматического предотвращения замыканий на землю.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство снабжено дополнительным таймером с приводным механизмом замыкающихся контактов, причем дополнительный таймер соединен с выводами фазного и нулевого проводников, а разные стороны цепи вспомогательной нагрузки, размыкающихся и замыкающихся контактов соединены с выводами фазного и защитного проводников.
Дополнительно устройство может быть снабжено индикаторной лампой зеленого света, присоединенной между выводами фазного и нулевого проводников, и индикаторной лампой красного света, присоединенной через ограничитель тока между выводами нулевого и защитного проводников, а вспомогательная нагрузка может состоять из резистора и конденсатора, соединенных последовательно. В другом варианте цепь вспомогательной нагрузки и размыкающихся контактов будет продублирована, причем дублирующая цепь будет соединена с разных сторон с замыкающимися контактами и выводом нулевого проводника. Еще один вариант предусматривает снабжение устройства температурным датчиком с замыкающимися контактами, которые с одной стороны соединены с фазным проводником, а с другой стороны с соединением вспомогательной нагрузки и размыкающихся контактов. Также для многофазной сети предлагается дополнение выводами для соединения порогового устройства с датчиками тока и разветвлением цепи замыкающихся контактов на одинаковые цепи с вспомогательными нагрузками и размыкающимися контактами для каждой фазы.
Предлагаемая конструкция устройства и принцип его действия соответствуют схемам на фиг. 1-7. В том числе на фиг. 1 представлена схема и состояние до подачи напряжения, на фиг. 2, 3 - в момент подачи напряжения и в рабочем состоянии соответственно, на фиг. 4 - состояние при аварии, на фиг. 5-7 - дополнительные варианты выполнения устройства.
1
2
3
1
3
2
1
2
1
2
1
2
3
H
min
max
0
0
2
1
1
2
T
На всех указанных схемах приняты следующие обозначения: 1 - корпус, 2 - пороговый элемент, который имеет таймер с приводным механизмом размыкающихся контактов, 3 - дополнительный таймер с приводным механизмом замыкающихся контактов, 4 - электроприемник, 5 - электрощит, L (L, L, L), N, Pe - соответственно фазные, нулевой и защитный проводники, а также выводы этих проводников, QFD - устройство дифференциального тока, например, автоматический выключатель дифференциального тока с встроенной защитой от сверхтока, K - выключатель электроприемника, К, К - размыкающиеся контакты, К- замыкающиеся контакты, R, R - резисторы вспомогательной нагрузки, C, C - конденсаторы вспомогательной нагрузки, t°C - температурный датчик с замыкающимися контактами; I, I, I - выводы для соединения с датчиками тока, R - условное сопротивление электроприемника; U, U, U - соответственно напряжение между фазным и нулевым проводниками, его допустимое минимальное и максимальное значения, T - текущее время, T - момент подачи напряжения, ΔТ - выдержка времени до замыкания контактов К при подаче напряжения, T - момент начала аварии, ΔТ - выдержка времени до размыкания контактов Кпри отключении напряжения, I- ток замыкания на землю.
2
1
1
1
2
1
1
2
Детали реле напряжения и управления устройствами дифференциального тока (фиг. 1) размещаются в корпусе 1, который имеет выводы фазного (L), нулевого (N) и защитного (Pe) проводников. В корпусе 1 размещены пороговый элемент 2, соединенный с выводами фазного (L) и нулевого (N) проводников, а также замыкающиеся контакты К, соединенные последовательно в цепь с вспомогательной нагрузкой R и размыкающимися контактами К, причем пороговый элемент 2 имеет собственный таймер порогового элемента с приводным механизмом размыкающихся контактов К. Конструкция в корпусе 1 также снабжена дополнительным таймером 3 с приводным механизмом замыкающихся контактов К, дополнительный таймер 3 соединен с выводами фазного (L) и нулевого (N) проводников, причем разные стороны цепи вспомогательной нагрузки R, размыкающихся K и замыкающихся K контактов соединены с выводами фазного (L) и защитного (Pe) проводников.
min
max
0
2
0
0
0
0
1
2
2
0
0
1
2
1
T
В нормальных условиях, когда напряжение U находится в заданных пределах [U, U], устройство действует следующим образом. В начальный момент времени Т (фиг. 2) после включения устройства дифференциального тока QFD и выключателя К напряжение подается по линии электропитания электроприемника 4. Тогда, согласно схеме, питание одновременно поступает на пороговый элемент 2 и дополнительный таймер 3. Дополнительный таймер настраивают так, что сигнал на замыкание контактов К передается после выдержки ΔТ, которая больше времени выдержки таймера порогового устройства. Поэтому в течение времени T [T<T<T+ΔT] контакты К размыкаются, а контакты К остаются разомкнутыми. Замыкание контактов Квыполняется в момент времени T+ΔT (фиг. 3). Это соответствует рабочему состоянию, следовательно контакты К и К обеспечивают непрерывность разрыва цепи вспомогательной нагрузки R, замыкания на землю не возникает, ток замыкания равен нулю (I=0), устройство дифференциального тока QFD остается в замкнутом положении, а предлагаемое устройство в дальнейшем контролирует состояние питания электроприемника 4.
Выключение электроприемника с помощью выключателя К возвращает предлагаемое устройство в исходное положение (фиг. 1), при этом отсутствие напряжения на выводе (L) исключает появление тока замыкания на землю и устройство QFD остается в замкнутом положении.
1
1
1
2
1
1
2
1
T
T
min
1
max
Авария в момент времени T, при которой напряжение выходит за установленные пределы (фиг. 4), приводит к срабатыванию порогового устройства 2 и к замыканию контактов К. Дополнительный таймер для этого случая настраивают так, чтобы выдержка времени ΔTдо размыкания контактов К была больше времени замыкания контактов К. Поэтому с момента замыкания контактов К до момента размыкания контактов К в цепи вспомогательной нагрузки R возникает ток замыкания на землю I. Величина этого тока ограничена сопротивлением вспомогательной нагрузки, которое выбирается так, чтобы ток Iбыл больше значения номинального отключающего дифференциального тока устройства QFD. Таким образом, срабатывание устройства дифференциального тока обеспечивается при разных причинах. Например, при обрыве нулевого проводника, показанного на фиг. 4, напряжение U окажется меньше минимального значения U и, может быть, даже равно нулю, но предлагаемое устройство за время ΔT передает сигнал на отключение, и электроприемник 4 окажется в безопасности. Аналогично защита сработает при появлении значительных переходных сопротивлений (U<Umin), а также при перенапряжении (U>U).
1
1
1
1
1
2
3
2
2
2
Подключение предлагаемого устройства к линии питания электроприемника возможно в любом месте, в том числе через обычную розетку с заземляющим контактом, однако правильная работа для первого варианта схемы обеспечивается при соблюдении порядка соединения выводов. В связи с этим вариант на фиг.5 дополнен индикаторными лампами C2 и С5. При правильном соединении выводов свет С5 буде зеленым, а индикатор C2 не включится. При ошибке подключения из-за подключения вывода L к нулевому проводнику, а вывода N к фазному проводнику загорится красный свет - C2. Кроме того, вспомогательная нагрузка на случай ошибочной коммутации выбрана состоящей из резистора R и конденсатора С. Указанные дополнения упрощают эксплуатацию устройства 1. Ту же задачу решает следующий вариант (фиг. 6). Благодаря симметрии относительно вывода защитного проводника Pe цепи К-С-R-К и К-С-R-Кзаменяют друг друга при любом подключении выводов L и N, и независимо от этого полностью сохраняется конструкция защиты от ошибочных сигналов на отключение.
Использование предлагаемого устройства в многофазных (трехфазных) электроустановках (фиг.7) достигается за счет разветвления цепи замыкающихся контактов на одинаковые цепи с вспомогательными нагрузками и размыкающимися контактами для каждой фазы. Кроме того, добавление выводов для соединения порогового устройства с датчиками тока позволит расширить перечень контролируемых электрических показателей, а снабжение устройства температурным датчиком с замыкающимися контактами (t°C) также позволит контролировать неэлектрические показатели. При этом неизменным остается конструктивное решение, предотвращающее передачу ошибочных сигналов на отключение.
1
1
1
1
1
1
1
0
1
Проверка работоспособности предлагаемого устройства выполнена в однофазных и трехфазных электроустановках (230 и 400 В, 50 Гц), где для защиты от замыкания на землю использовались устройства дифференциального тока, имеющие значения номинального отключающего дифференциального тока 30 мА и 100 мА, а параметры вспомогательной нагрузки выбирались из значений для 30 мА: R=130 Ом, 3.9 кОм, (R=27 Ом, С1=1 мкФ); и для 100 мА: R=130 Ом, 1,5 кОм, (R=27 Ом, С=3,3 мкФ). Таймер порогового устройства 2 имел уставки выдержки времени размыкания контактов K - 2 сек при нормальном напряжении, замыкания контактов К - 0,1 сек при перенапряжении и 2 сек при падении напряжения. Дополнительный тайм 3 настраивали так, что уставка выдержки времени замыкания контактов К2 составляла 3 сек (ΔT), и уставка выдержки времени размыкания контактов К2 также была равна 3 сек (ΔТ).
Испытания проводили при моделировании нарушений питания электроприемника путем изменения напряжения U, добавления в цепь нулевого и фазного проводников условного переходного сопротивления 10 Ом, обрыва нулевого проводника, а также зажигания дуги в месте обрыва проводников с помощью свечи Яблочкова. Проверка защиты от нагрева выполнена с датчиком температуры на 60°С.
Во всех перечисленных аварийных ситуациях подтверждено срабатывание устройства дифференциального тока. Напротив, в нормальных (неаварийных) условиях показано отсутствие ложных сигналов на отключение в форме замыканий на землю при включении питания устройства или электроприемников.