УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ОДНОФАЗНЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DEVICE FOR PROTECTION OF ELECTRICAL CONSUMERS FROM OVERVOLTAGE IN SINGLE-PHASE AC NETWORKS

Использование: в электротехнике для защиты оборудования от избыточного напряжения. Технический результат заключается в повышении надежности, долговечности электрических потребителей, появлении новых полезных свойств у серийно выпускаемых устройств защитного отключения (УЗО, выключатель дифференциальный, дифференциальный автомат) без вмешательства в их конструкцию и изменения их основных параметров.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области электротехники, преимущественно к схемам защиты электрических потребителей в сетях переменного тока 2-й и 3-й категории электроснабжения согласно ПУЭ [1].
Известны устройства защиты от импульсных перенапряжений, содержащие включенные параллельно защищаемым электрическим потребителям варисторы либо разрядники. Например, US 8717726 (дата публикации - 06.05.2014 г.; МПК - Н02Н 9/00), 8724283 (дата публикации - 13.05.2014 г.; МПК - Н02Н 3/22), 8514538 (дата публикации - 20.08.2013 г.; МПК - Н02Н 3/08, Н02Н 5/04), RU 2190116 (дата публикации - 10.10.2002 г.; МПК - Н02Н 9/06, Н02Н 9/04), 2459333 (дата публикации - 20.08.2012 г.; МПК - Н02Н 9/00). Их недостатком являются ограниченные функциональные возможности, в частности невозможность защитить электрические потребители от длительного перенапряжения, вызванного авариями в электрических сетях, ошибками обслуживающего персонала электрических подстанций или атмосферными явлениями, связанными с прямыми попаданиями молний в высоковольтные ЛЭП, питающие подстанции. Это связано с тем, что варисторы и разрядники способны кратковременно (единицы миллисекунд) поглотить большую электрическую мощность (десятки киловатт), но в среднем их предельная рассеиваемая мощность ограничивается единицами ватт [2].
Устройства, основанные на применении разрядников, хоть и обладают большим запасом прочности по сравнению с варисторами, но в отличие от них обладают меньшим быстродействием, при срабатывании замыкают сеть накоротко (что требует применения ограничителей тока удорожающих устройство и ухудшающих его КПД) и также неспособны без повреждения выдерживать длительные перенапряжения.
Принцип отключения защищаемого оборудования в момент перенапряжения при помощи электромеханического расцепителя (в роли которого может быть электромеханическое реле, пускатель, автомат защиты от коротких замыканий и сверхтоков и т.п.), срабатывающий в момент перенапряжения и отключающий от сети защищаемое оборудование, не нов и используется в широком классе защитных устройств. Подавляющее большинство из них содержит помимо электромеханического расцепителя электронную схему, следящую за напряжением сети и отключающей потребителей при перенапряжении путем подачи сигнала на управляющую обмотку расцепителя. Примеры подобных устройств отражены в патентах US 8587148 (дата публикации - 19.11.2013 г.; МПК - H02J 3/12), 5519368 (дата публикации - 21.05.1996 г.; МПК - H01H 73/00), 8411403 (дата публикации - 02.04.2013 г.; МПК - Н02Н 9/00). Основной недостаток подобных решений заключается в том, что используется сложная электронная схема вплоть до применения микропроцессоров, подверженная сбоям в условиях грозовых помех и требующих отдельного питания либо потребляющих энергию из защищаемой сети, содержат в своем составе дорогостоящий электромеханический расцепитель, который должен выбираться исходя из номинальных рабочих токов для каждого конкретного применения, кроме того, устройства, описанные в патентах US 8587148, 5519368, 8411403, не защищают электрических потребителей от синфазных перенапряжений относительно земли, что потенциально может вывести из строя защищаемое оборудования при грозовых разрядах, и не защищают при ошибочном подключении вместо нулевого фазного провода. Другим способом реализации подобной защиты является использование нелинейных элементов (варисторы, разрядники, тиристоры и т.п.) совместно с устройствами защиты от сверхтоков и коротких замыканий путем включения подобных нелинейных элементов на выходе такого устройства. В момент перенапряжения нелинейный элемент переходит в проводящее состояние, что приводит к протеканию через нелинейный элемент большого ограничивающего тока, превышающего номинал отключения устройства защиты от сверхтоков и приводящего к его отключению. Примеры подобной реализации отражены в US 5321574 (дата публикации - 14.06.1994 г.; МПК - Н02Н 9/04) и 4168514 (дата публикации - 18.09.1979 г.; МПК - Н02Н 3/22, Н02Н 9/04, Н02Н 3/10, Н01С 7/12, Н01Н 83/10, Н02Н 7/00). В них в качестве нелинейного устройства применены варисторы, переходящие в проводящее состояние при перенапряжениях и ограничивающие напряжение на потребителях в сочетании с устройством защиты от сверхтоков, которое отключает электрических потребителей от сети при длительных перенапряжениях за счет развития сверхтока через варисторы. Недостаток такого решения заключается в том, что отключение от сети происходит только после превышения током через варисторы номинального тока отключения защитного автомата. При этом на варисторе рассеивается повышенная тепловая мощность, способная привести к его перегреву и выходу из строя. Кроме этого при напряжениях выше характеристического сопротивление варистора никогда не падает до нуля [2], а следовательно, с ростом тока через варистор растет и напряжение на нем, и при достижении током порога отключения защитного автомата напряжение на выходе может достигнуть 1.4-1.6х от характеристического. Так, при характеристическом напряжении варистора 430 В (наиболее часто применяемые при защите в сетях 220 В переменного тока) величина перенапряжения до отключения может составить 430⋅1.6=688 вольт, что потенциально способно повредить защищаемое оборудование. Данный недостаток преодолен автором патента US 8547673 (дата публикации - 01.10.2013 г.; МПК - Н02Н 3/00) за счет применения в качестве нелинейного элемента тиристора (22), порог срабатывания которого задается цепью 24 (элементы 54, 56, 58, 52). Из недостатков такого решения кроме необходимости применения мощного и дорогостоящего тиристора, способного выдержать большие токи короткого замыкания, следует также отметить чувствительность тиристоров к импульсным помехам [3], способным привести к его ложному срабатыванию. Кроме того, общий непреодолимый недостаток подобных реализаций заключается в том, что они создают большие ограничивающие токи в момент перенапряжений, что вкупе с повышенным в данный момент напряжением сети потенциально может привести к возникновению электрической дуги между контактами расцепителя в момент его отключения и привести к повреждению как самого расцепителя, так и ограничивающих перенапряжение нелинейных элементов. Также подобный класс устройств нельзя применять совместно с источниками, имеющими малую выходную мощность и повышенное внутреннее сопротивление (например, с бытовыми бензиновыми генераторами), так как они могут не развить достаточный для срабатывания защитного автомата ток короткого замыкания и, кроме того, сами потенциально могут быть выведены из строя работой подобных устройств. Кроме этого устройства US 5321574, 4168514 и 8547673 не защищают электрических потребителей от синфазных перенапряжений относительно земли и не защищают при ошибочном подключении вместо нулевого фазного провода. В качестве электромагнитного расцепителя в подобных защитных устройствах могло бы использоваться устройство защитного отключения (УЗО, автомат дифференциальный и т.п.), благодаря своим свойствам (относительно небольшой дифференциальный ток необходимый для отключения, не превышающий 100 мА) нивелирующее подобные недостатки, и даже есть примеры совместного использования УЗО и варисторов (US 5293522 (дата публикации - 08.03.1994 г.; МПК - H01H 73/00) элементы RV, RV1), но они включены таким образом, что не приводят к возникновению дифференциальных токов через УЗО в момент перенапряжений, и поэтому устройство, описанное в патенте US 5293522, будет отключать потребителей от сети при длительном перенапряжении только по факту развития сверхтока через варистор RV, со всеми присутствующими при этом недостатками устройств, описанных в патентах US 5321574 и 4168514. Кроме того, устройство, описанное в патенте US 5293522, не защищает электрических потребителей от синфазных перенапряжений относительно земли и не защищает при ошибочном подключении вместо нулевого фазного провода.
Технической задачей изобретения является создание эффективного устройства защиты от перенапряжений и расширение арсенала устройств защиты от перенапряжений, свободного от перечисленных выше недостатков и обеспечивающее защиту электрических потребителей применением минимального количества компонентов малой стоимости.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в повышении надежности и долговечности защищаемого оборудования благодаря отключению его от сети при возникновении длительных (более 25 миллисекунд) перенапряжений и поглощению кратковременных импульсных перенапряжений без отключения оборудования от питающей сети.
Технический результат достигается тем, что устройство электрической защиты оборудования от перенапряжений содержит вход и выход фазной и вход и выход нулевой цепи, устройство защитного отключения (УЗО) и устройство защиты от перенапряжений (УЗП) с варисторами, причем УЗП содержит три варистора, первый из которых соединен с входом фазной и входом нулевой цепи через предохранитель, второй - со входом нулевой цепи и входом заземляющей цепи, третий - со входом фазной цепи и дополнительным входом фазной цепи.
Технический результат достигается также тем, что устройство электрической защиты оборудования от перенапряжений имеет при напряжении источника переменного тока 220 вольт, характеристическое напряжение для первого варистора 10 выбирается в диапазоне 330-360 вольт, для второго варистора 13 в диапазоне 180-220 вольт, для третьего варистора 7 в диапазоне 27-47 вольт, номинал предохранителя 12 выбирается в диапазоне 5-10 ампер.
Устройство электрической защиты оборудования от перенапряжений состоит из трех варисторов, используемых совместно с устройством защитного отключения (УЗО, выключатель дифференциальный, дифференциальный автомат), включенных таким образом, что при возникновении перенапряжения протекающий через варисторы ток является дифференциальным для УЗО и приводит к его отключению.
Устройство, в котором варисторы используются совместно с устройством защитного отключения (УЗО, выключатель дифференциальный, дифференциальный автомат), что расширяет их сферу применения и увеличивает надежность.
Устройство, не изменяя принципа функционирования устройства защитного отключения (УЗО, выключатель дифференциальный, дифференциальный автомат), не вмешиваясь в его работу и не меняя его характеристик, приводит к появлению у него дополнительного полезного свойства, повышающего надежность работы электрических потребителей, подключенных к выходу УЗО, и обеспечивающего защиту их от повреждения в случае перенапряжений.
Устройство обеспечивает многократную защиту как от импульсных (длящихся менее 25 миллисекунд), так и от длительных (от 25 миллисекунд и до бесконечности) перенапряжений.
Устройство не требует отдельных устройств индикации либо измерительных приборов, ориентируясь на показания которых перед подключением оборудования к сети либо осуществляя повторное включение УЗО после срабатывания защиты, пользователь должен убедиться в том, что напряжение питающей сети находится в норме.
Сущность изобретения состоит в том, что ограничивающие перенапряжения элементы (варисторы) используются совместно с устройством защитного отключения (УЗО, выключатель дифференциальный, дифференциальный автомат) и включены таким образом, что возникающие через них токи при возникновении перенапряжений являются дифференциальными для УЗО и приводят к его срабатыванию (отключению), если ток ограничения превысит пороговый для выбранного УЗО и воздействие длится более времени срабатывания УЗО. Так, типичное время срабатывания электромеханического УЗО типа АС лежит в интервале 25-40 миллисекунд, наиболее часто для защиты людей от поражения электрическим током и защиты от возгораний используются УЗО с дифференциальным током срабатывания 10 и 30 миллиампер, при этом от момента начала перенапряжения до отключения УЗО пиковая рассеиваемая варистором мощность находится в допустимых пределах для большинства варисторов конструктивно выполненных в виде диска диаметром 20 миллиметров, а средняя рассеиваемая мощность составляет доли ватта [2].
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для ограничения перенапряжений с использованием в качестве ограничителей перенапряжения варисторов для применения в однофазной сети переменного тока с дополнительным варистором 7 для ступенчатой регулировки порога срабатывания, на фиг. 2 показан пример его включения совместно с 2-полюсным УЗО для защиты электрических потребителей в однофазной сети переменного тока.
Устройство электрической защиты оборудования от перенапряжений, содержащее имеющее вход и выход фазной и нулевой цепи устройство защитного отключения УЗО, и устройство защиты от перенапряжений (УЗП) с варисторами, причем в УЗП имеется три варистора, варистор 10 соединен с входом 8 и входом 11 УЗП через предохранитель 12, варистор 13 соединен с входом 11 и входом 14 УЗП, варистор 7 соединен с входом 8 и входом 9 УЗП. Вход фазной сети 1 УЗО соединен с входом 8 УЗП, выход нулевой цепи 4 УЗО соединен с входом 11 УЗП, вход 14 УЗП соединен с защитным заземлением 15.
Устройство защиты оборудования от перенапряжений (УЗП), предназначенное для применения в однофазной сети переменного тока (фиг. 1), содержит в своем составе три варистора 7, 10, 13 и предохранитель 12. Характеристическое напряжение для варистора 10 выбирается в диапазоне 330-360 вольт, для варистора 13 в диапазоне 180-220 вольт, для варистора 7 в диапазоне 27-47 вольт, номинал предохранителя 12 выбирается в диапазоне 5-10 ампер.
Устройство для ограничения перенапряжений (фиг. 1) работает следующим образом. При возникновении дифференциального перенапряжения с амплитудой выше характеристического напряжения для варистора 10 его сопротивление резко падает и он начинает проводить ток, путь протекания которого проходит между входами 8 и 11 устройства. Так как вход 8 подключен к входу 1 УЗО, а вход 11 к выходу 4 УЗО (фиг. 2), то возникающий при ограничении перенапряжения ток проходит только через одну группу контактов УЗО (3-4) и при превышении его амплитуды порога срабатывания УЗО и длительности более заявленного производителем УЗО быстродействия (типично 25-40 мс) происходит срабатывание УЗО и потребители отключаются от питающей сети. Также при этом размыкается цепь, по которой протекает ток через варистор 10, что предотвращает его повреждение в случае длительных перенапряжений. От момента начала перенапряжения до отключения потребителей от сети напряжение на безопасном уровне удерживается за счет свойств самого варистора 10, и, если перенапряжение длится меньше времени, необходимого УЗО для срабатывания (кратковременные импульсные перенапряжения), УЗО не срабатывает и отключения от сети не происходит. То есть для кратковременных импульсных перенапряжений работа устройства полностью аналогична работе классических устройств защиты от перенапряжений, использующих варисторы без включения совместно с УЗО, но в отличие от них устройство гарантированно защищает электрических потребителей от длительных (более 25 мс) перенапряжений без повреждения самого устройства и защищаемых электрических потребителей. От момента начала перенапряжения до срабатывания УЗО ток через варистор 10 может составить единицы и даже десятки ампер (при мощных импульсных перенапряжениях, а также при длительных перенапряжениях, превышающих номинальное напряжение сети в 1.5-2 раза), а поглощаемая мощность составить единицы или даже десятки киловатт. Но так как время срабатывания УЗО при этом редко превышает 25-30 мс, средняя рассеиваемая варистором 10 мощность составляет доли ватта и оказывается в допустимых пределах для широко распространенных дисковых варисторов диаметром 20 мм, имеющих низкую стоимость. При ошибочном подключении вместо нулевого фазного провода (на питающей подстанции вследствие ошибок обслуживающего персонала либо непосредственно при подключении ввода к питающей ЛЭП) варистор 13 переходит в проводящее состояние и начинает ограничивать напряжение на ошибочно подключенном фазном проводе, так как его характеристическое напряжение выбирается меньше номинального амплитудного сетевого напряжения. При этом возникающий ток проходит через одну группу контактов УЗО (3-4), входы 11 и 14 УЗП и защитное заземление 15. Так как этот ток является для УЗО дифференциальным, происходит его срабатывание и отключение потребителей от сети. При возникновении перенапряжений, вызванных атмосферными явлениями, в большинстве случаев воздействие имеет синфазный характер, то есть импульс перенапряжения прикладывается как к фазному, так и к нулевому проводу относительно земли. Такого рода воздействия также потенциально опасны для электрических потребителей, так как могут вызвать их повреждение за счет пробоя изоляции на корпус либо привести к повреждению электронных схем за счет протекания тока, вызванного импульсом перенапряжения через паразитную электрическую емкость защищаемого устройства относительно земли, которая никогда не бывает равна нулю. Устройство защищает от такого рода перенапряжений за счет перехода в проводящее состояние варистора 13, ограничивая амплитуду импульса перенапряжения в нулевом проводе относительно земли на уровне 250-300 вольт. Так как ограничивающий ток протекает при этом через одну группу контактов УЗО (3-4), то при мощных атмосферных разрядах и большой энергии воздействующего перенапряжения происходит срабатывание УЗО и отключение потребителей от питающей сети. Таким образом, при любых видах перенапряжений происходит либо их ограничение на безопасном уровне (кратковременные импульсные воздействия), либо ограничение с последующим отключением потребителей от сети. При этом само устройство никаким образом не вмешивается в штатную работу УЗО, не влияет на его параметры или надежность. Изначально УЗО предназначалось для защиты людей от поражения электрическим током и защиты от возникновения пожаров при неисправностях в электрической проводке и не обладает функцией защиты электрических потребителей от перенапряжений. Однако все производимые УЗО содержат тестовую цепь, предназначенную для проверки его работоспособности. Эта цепь представляет собой двухполюсник из последовательно включенных тестовой кнопки с нормально разомкнутыми контактами и ограничивающего ток резистора. Этот двухполюсник внутри каждого серийно выпускаемого УЗО включается одним концом к входу 1 УЗО, а вторым к его выходу 4 (либо к входу 3 и выходу 2, что не меняет принципа работы тестовой цепи), то есть полностью аналогично тому как подключен варистор 10 в устройстве. При нажатии на тестовую кнопку возникает ток через одну группу контактов УЗО и токоограничивающий резистор, что приводит к отключению УЗО. Таким образом, устройство защиты от перенапряжений можно рассматривать как внешнюю "тестовую цепь", в которой роль "кнопки", срабатывающей при возникновении перенапряжения, и токоограничивающего резистора играет варистор 10. Предохранитель 12 в устройстве имеет вспомогательную функцию и служит для защиты от возгорания в случае неисправности УЗО либо ошибочном подключении устройства при монтаже. Следовательно, данное устройство приводит к появлению у УЗО дополнительно к имеющимся полезной функции защиты от перенапряжений, которой не было у него ранее, при помощи всего четырех деталей, имеющих низкую стоимость и малые габариты, высокую надежность и не требующих отдельного питания. Благодаря этому устройство может использоваться как отдельное, устанавливаемое совместно с обычным УЗО, так и в составе УЗО совместно с тестовой цепью.
Отдельное внимание следует уделить выбору варисторов по их основному параметру - характеристическому напряжению, при котором варистор переходит в проводящее состояние [2]. Для варистора 10 оно должно быть заведомо выше амплитудного напряжения сети при нормальных условиях и на 10-15% меньше предельно допустимого амплитудного напряжения для защищаемого оборудования. Из электротехники известно, что в сетях переменного тока, имеющего синусоидальную форму, амплитудное и действующее напряжения связаны формулой Ua=1.41⋅Uд, где Ua - амплитудное напряжение, Uд - действующее напряжение, 1.41 - результат округления извлечения квадратного корня из 2. Так, для сети 220 В переменного тока амплитудное напряжение сети согласно формуле должно быть 220⋅1.41=310 вольт. С учетом допустимых отклонений сети характеристическое напряжение варистора 10 должно быть не менее 360 вольт во избежание ложных срабатываний. Однако, благодаря тому что в электрических сетях Российской Федерации преобладает большое количество потребителей без корректоров коэффициента мощности, потребляющих ток только при амплитудных значениях напряжения, форма питающего напряжения в большинстве электрических сетей отличается от синусоидальной и реальный коэффициент в большинстве случаев не 1.41, а 1.2 и даже 1.15. Поскольку для некоторых типов электрических потребителей (например, асинхронные электрические двигатели, низкочастотные сетевые трансформаторы и т.п.) в первую очередь имеет значение превышение номинала действующим, а не амплитудным напряжением, на практике оптимальным для большинства случаев является выбор варистора 10 с характеристическим напряжением 330 вольт. Кроме того, последовательно с варистором 10 включен дополнительно варистор 7 с характеристическим напряжением 27-47 вольт (которое выбирается в пределах 10-15% от характеристического напряжения варистора 10), что позволяет ступенчато регулировать порог срабатывания устройства путем подключения фазного провода либо к входу 8, либо к входу 9 устройства (показано пунктирной линией на фиг. 2), что позволяет учитывать особенности и состояние конкретной питающей сети. Характеристическое напряжение варистора 13 должно выбираться в диапазоне 50-75% от номинального амплитудного напряжения сети, что для сети 220 В АС составляет 150-230 вольт, наиболее оптимальными в данном случае являются серийно выпускаемые варисторы с характеристическим напряжением 180 и 220 вольт.
Достоинствами предложенного устройства защиты от перенапряжений (УЗП) является высокая надежность и быстродействие, малое количество деталей и их низкая стоимость, защита электрических потребителей от большинства возможных видов перенапряжений, потенциально способных привести к их повреждению. Устройство не требует для своего функционирования отдельного источника питания и не потребляет энергию от питающей сети. Кроме этого устройство не требует применения дополнительных приборов либо индикации состояния питающей сети, позволяющих пользователю убедиться, что напряжение в сети в норме при подключении электрических потребителей либо при повторном включении УЗО после его срабатывания, так как если напряжение сети сохраняет опасное для потребителей значение попытка включения УЗО будет приводить к его немедленному срабатыванию и опасное напряжение не будет подано к защищаемому оборудованию. Недостаток (определяется конструкцией и принципом функционирования УЗО) заключается в том, что при возникновении перенапряжений устройство автоматически отключает защищаемое оборудование от сети, а повторное включение должно осуществляться вручную обслуживающим персоналом или пользователем. Поэтому его не следует применять там, где длительное отключение работающего без присмотра оборудования может привести к его порче или нарушению каких либо технологических процессов, либо сочетать использование устройства с системами оповещения обслуживающего персонала о срабатывании защиты и отключении оборудования от питающей сети. Устройство также не может использоваться для защиты оборудования в сетях 1-й категории электроснабжения (согласно ПУЭ), где даже кратковременное отключение оборудования может повлечь за собой аварию, либо человеческие жертвы, либо нарушение технологического процесса, сопряженного с выходом оборудования из строя. Устройство лучше всего подходит для применения в сетях 3-й категории электроснабжения для защиты оборудования и бытовых приборов конечных потребителей в городской и сельской местности, где состояние электрических сетей содержит высокие риски возникновения перенапряжений, способных за короткий промежуток времени вывести из строя все подключенное к сети оборудование. Также данное устройство высокоэффективно для использования в составе автономных электрических генераторов, так как при их неграмотной эксплуатации, связанной с кратковременными пиковыми перегрузками свыше номинальной мощности генератора, после прекращения такой перегрузки из-за инерционности регуляторов таких генераторов всегда следует резкий скачок напряжения в 1.5-2 раза выше номинального, неизбежно выводящий из строя подключенное к генератору оборудование. Предлагаемое устройство защиты позволит избежать этого, отключая электрических потребителей от выхода генератора в случае таких скачков либо повышения напряжения на выходе выше максимально допустимого, связанного с его неисправностью. Также потенциально данное устройство может быть использовано не только в сетях переменного тока 50-60 Гц, но и на более высоких частотах, например в сетях 400 Гц или даже в сетях постоянного тока, при условии применения совместно с УЗО, рассчитанного на работу в таких сетях, и выбора варисторов исходя из рекомендуемых процентных соотношений.