УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРЕВА ШТЕПСЕЛЬНЫХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Устройство защиты от перегрева штепсельных соединителей электрических сетей решает проблему перегрева штепсельных соединителей в электрических сетях, имеющих в своем составе устройство защитного отключения (УЗО), фазный проводник (L), нулевой проводник (N), защитный проводник (РЕ). 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
ГОСТ iec/tr60755-2017
Устройства защитные, управляемые дифференциальным
(остаточным током)
Общие требования
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=UМ⋅I.
Из предшествующего известно "Устройство защиты контактов штепсельного соединения от перегрева" (патент) RU 174735, 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 В на резисторе выделяется энергия равная 7,3 Вт/с. Резисторы рассчитанные на мощность 7,3 Вт 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 Устройства защиты от перегрева штепсельных соединителей электрических сетей, в дальнейшем Устройство, является использование нулевого проводника (N) и защитного проводника (РЕ) для создания тока утечки, превышающего номинальный отключающий дифференциальный ток УЗО.
Для описания работы Устройства, в качестве примера, рассмотрим электрическую сеть Фиг. 1, со вводным распределительным устройством (ВРУ) 8, фазным (L) 9, нулевым (N)10, защитным (РЕ) 11 проводниками, УЗО 7 с номинальным отключающим дифференциальным током IΔn=30 мА, штепсельным соединителем 15, к которому через контакты 23 подключена нагрузка с сопротивлением (Rr) 16. 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 24. Сопротивление фазного проводника от ВРУ до штепсельного соединителя (Rl) 14; сопротивление нулевого проводника от ВРУ до штепсельного соединителя (Rn) 13; сопротивление защитного проводника от ВРУ до штепсельного соединителя (Rpe) 12. 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) 10 и защитный проводник (РЕ) 11. ВРУ имеет локальное заземление 6.
Ток утечки создается термоэлементом 17, в состав которого входит нормально разомкнутое термореле 20, с сопротивлением в замкнутом состоянии Rt 19, с последовательно подключенным самовосстанавливающимся предохранителем 18, в дальнейшем предохранитель 18, с сопротивлением Rp 24. Ток через термореле (It) равен току утечки при положении контактов 22 термореле 20. Предохранитель 18 ограничивает ток через термореле, указанный в параметрах термореле, при не срабатывании УЗО по какой либо причине. Время отключения УЗО при дифференциальных токах в несколько ампер, не превышает 40 мс и меньше времени срабатывания предохранителя 18. Напряжение между защитным и нулевым проводниками Upn в месте установки штепсельного соединителя 15 при отсутствии тока в защитном проводнике 11, 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 меньше Upn. Небольшое значение напряжения на термореле позволяет ему выдерживать токи переключения в несколько десятков ампер.
Для расстояния от ВРУ 8 до штепсельного соединителя 15 равного 1 метр, напряжения в сети U=220 В, Rt=30 мОм, Rp=30 мОм, Rn=Rl=Rpe=0,0068 Ом, при наличии только одного штепсельного соединителя 15, для определения минимальной нагрузки при которой ток утечки будет равен It=IΔn=30 мА, произведем несложный расчет и получим значение сопротивления нагрузки 16 Rr=678 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 Рn=71 Вт. Это означает, что при наличии нагрузки мощностью более 71 Вт, подключенной к штепсельному соединителю 15, установленному на расстоянии 1 м от ВРУ 8, при превышении температурой порога срабатывания термореле 20, определяемого параметрами термореле, Устройство отключит УЗО 7. Контакты УЗО 7 переключатся из положения 3 в положение 5. При увеличении расстояния (более 1 метра) от места установки штепсельного соединителя 15 до ВРУ 8, мощность нагрузки, необходимая для создания тока утечки It=IΔn=30 мА, будет уменьшаться.
Если в качестве штепсельного соединителя рассматривать штепсельную розетку, целесообразно устанавливать Устройство на внутреннюю поверхность корпуса рядом с отверстиями для контактов штепсельного соединения.
Рассмотренный вариант использования Устройства защиты от перегрева штепсельных соединителей электрических сетей, не исчерпывает все возможные варианты его использования и технического исполнения.