Устройство селективной защиты от однофазных и многофазных замыканий на землю электрической кабельной сети с изолированной нейтралью
Владельцы патента RU 2317623:
Военная академия ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого (RU)
Использование: в устройствах селективной защиты от однофазных и многофазных замыканий на землю электрической кабельной сети с изолированной нейтралью. Технический результат заключается в упрощении устройства, улучшении его метрологических характеристик и показателей надежности. Устройство содержит генератор сети, распределительное устройство групп кабельных линий, нагрузку, контрольный орган состояния изоляции, выполненный на основе фильтра напряжения нулевой последовательности, и конденсатор, подключенный в цепь между изолированной нейтралью генератора и землей и кратковременно включаемый на землю исполнительным органом при повреждениях сети. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах селективной защиты от однофазных и многофазных замыканий на землю электрической кабельной сети с изолированной нейтралью.
Известен принцип построения системы защитного отключающего устройства с использованием оперативного постоянного тока [1], принцип действия которого заключается в том, что искусственная нулевая точка по схеме «звезда» образуется с помощью дросселя-индикатора, последовательно с общей точкой которого включены дроссель, токовое реле и источник постоянного тока, один из выводов которого подключен к корпусу («земле»). При этом ток, протекающий по указанной выше цепи, является оперативным контролирующим током, величина которого зависит от сопротивления изоляции.
Недостатком такого устройства являются значительная масса и габариты из-за наличия дросселя-трансформатора, невозможность построения селективной защиты отдельных присоединений, а также пониженная чувствительность: при определенных соотношениях параметров устройства из-за отсутствия регулировок система защиты и контроля может оказаться неработоспособной.
Известно также устройство [2], содержащее устройство контроля и защиты сопротивления изоляции электрических машин и аппаратов, содержащее генератор сети с измерительной цепью, исполнительный элемент, подключенный к сети через выпрямитель, в которое введен исполнительный орган, включенный последовательно с нагрузкой, исполнительный элемент выполнен в виде последовательно соединенных тиристора и обмотки управления исполнительным органом, причем управляющий электрод тиристора подключен через контакт реле измерительной цепи к средней точке резистивного делителя напряжения, подключенного к силовым электродам тиристора, к которым параллельно подключена RC-цепь, точка соединения конденсатора RC-цепи, одного из силовых электродов тиристора и резистивного делителя подключена к одному из выводов упомянутого выпрямителя, второй выход которого подключен к свободному выводу обмотки управления исполнительным органом, измерительная цепь выполнена в виде последовательно соединенной обмотки реле измерительной цепи, шунтированной конденсатором, ограничительного резистора и варистора, причем второй вывод упомянутой обмотки подключен к выходу выпрямителя, второй вывод варистора - к корпусу («земле»), а к двум фазам сети между генератором и нагрузкой включена цепь из последовательно соединенных контакта реле измерительной цепи, ограничительного резистора и индикатора.
Недостатком этого устройства является то, что, с одной стороны, оно достаточно сложное (имеет отдельный выпрямитель, исполнительный элемент с тиристорной схемой), с другой, что в соответствии с новыми требованиями, особенно к передвижным электрическим объектам [3], нормируются новые параметры к устройствам защиты как объекта, так и человека от поражения электрическим током.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является дифференциальное устройство [4] контроля сопротивления изоляции и защиты электрических машин и аппаратов в однофазных сетях с изолированными от корпуса («земли») выводами и в трехфазных (многофазных) сетях с изолированной нейтралью, содержащее генератор сети, исполнительный орган, включенный последовательно с нагрузкой, измерительную цепь с реле тока, включенного в диагональ мостовой схемы выпрямления, подключенной к двум фазам сети, и варистора, включенного последовательно в измерительную цепь, индикатора, подключенного к сети, причем исполнительный орган выполнен в виде устройства защитного отключения или дифференциального автомата, включенного последовательно в цепь нагрузки таким образом, что выход четвертой контактной группы подключен ко входу второй, вход четвертой контактной группы подключен к одному из выводов ограничительного резистора, второй вывод которого подключен ко второму выходу переключателя режимов, вход которого подключен к одному из выводов симистора, другой вывод которого подключен к одной из фаз сети и входу резистивного делителя, выход которого подключен к другой фазе сети, причем средняя точка упомянутого делителя последовательно через контакт реле тока подключена к управляющему электроду упомянутого симистора, первый выход переключателя режимов подключен через индикатор к выходу резистивного делителя, а упомянутая измерительная цепь подключена к двум фазам сети через емкостной делитель, средняя точка которого подключена к одному из входов мостовой схемы выпрямления, второй вход которой через подстроечный резистор подключен к одному из выводов варистора, другой вывод которого подключен к корпусу («земле»).
Недостатком этого устройства, принятого нами за прототип, является то, что, с одной стороны, оно является достаточно сложным (имеет мостовую схему выпрямления, варистор, симистор), а с другой, не учитываются новые требования к электроустановкам с системой IT, в которой нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление [3].
Целью изобретения является упрощение устройства и повышение надежности.
Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее генератор сети, контрольный орган состояния изоляции, исполнительные органы, включенные последовательно с нагрузками, отличающееся тем, что исполнительные органы, выполненные в виде дифференциальных автоматических выключателей, включаемых по штатной схеме, предусмотрены для каждой отходящей от генератора кабельной линии, а контрольный орган состояния изоляции подключается к выходу генератора параллельно контролируемой сети, выполняется на основе трансформатора напряжения со схемой соединения обмоток «звезда-разомкнутый треугольник»; между нейтралью генератора и землей введен конденсатор, кратковременно (при повреждениях сети) включаемый на землю контактами реле напряжения, подключенного к обмотке «разомкнутый треугольник» трансформатора напряжения; контакты этого реле включены между нейтральной точкой генератора сети и конденсатором, соединенным с землей.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства. Оно содержит генератор сети 1 (вторичную обмотку силового трансформатора), включенный на шины 11 распределительного устройства 0,4 кВ, от которых отходит группа параллельных кабельных линий 4, имеющих сопротивление изоляции Zиз относительно земли. К трем фазам сети, между генератором сети 1, шинами 11 и исполнительными устройствами 2 подключен контрольный орган состояния изоляции 5. Последний выполнен на основе фильтра напряжения нулевой последовательности, состоящего из трансформатора напряжения 8 со схемой соединения «звезда-разомкнутый треугольник», первичная обмотка которого включена в контролируемую сеть, а вторичная обмотка подключена к катушке реле напряжения 9. Исполнительные устройства 2 включены входом к шинам 11, выходом - к нагрузке 3, которая представляется комплексным сопротивлением, имеющим как активную, так и реактивную составляющие. Контакты реле напряжения 7 образуют единую последовательную цепь: конденсатор 6, «земля» 10 и нейтральная точка генератора сети 1.
На фиг.2 представлена работа устройства следующим образом.
В нормальном режиме работы исполнительные устройства 2 включены. Нагрузки 3 питаются от генератора сети 1. По сопротивлениям схемы замещения кабельных линий 4 протекают токи утечки, величина которых относительно невелика (при напряжении 0,4 кВ и нормируемом сопротивлении изоляции 0,5 МОм ток утечки не превышает 0,44 мА). На контактах катушки реле напряжения 9 напряжение мало и недостаточно для его срабатывания. Контакты реле напряжения 7 разомкнуты, конденсатор 6 отключен от нейтральной точки генератора сети 1. По кабельным линиям 4 протекают рабочие токи потребителей 3. По цепи исполнительных устройств 2 текут токи, суммарное значение которых в соответствии с первым законом Кирхгофа равно сумме токов утечки по сопротивлениям изоляции. Исполнительное устройство 2 выбирается таким образом, чтобы при протекании через него незначительных токов утечки оно не срабатывало.
При снижении уровня изоляции проводников кабеля по отношению к «земле» ниже установленного нормами предела по любым причинам, включая однофазное замыкание на землю любой фазы в какой-либо точке сети, происходит искажение фазных напряжений на входе трансформатора напряжения 8, и, как следствие, на выходной обмотке появляется напряжение нулевой последовательности, вызывающее срабатывание реле 9. Контакты 7 реле напряжения 9 включают конденсатор 6 между «землей» и нейтральной точкой генератора сети 1. При этом образуется цепь протекания нормированного тока утечки по контуру, включающему поврежденную кабельную линию, исполнительное устройство 2 соответствующей линии, генератор сети 1 и конденсатор 6. Величина тока утечки, протекающего по такому контуру, ограничивается сопротивлением конденсатора 6 и должна быть достаточной для срабатывания исполнительного устройства 2.
При определении величины емкости конденсатора 6 исходят из следующих условий:
суммарный ток утечки сети в нормальном режиме работы не должен превосходить 1/3 номинального тока дифференциального автоматического выключателя [3];
ток срабатывания дифференциального автоматического выключателя должен превышать 2/3 Iном.
Количественное значение емкости конденсатора определяют по выражению:
;
где:
- ток утечки аварийного режима, равный номинальному току срабатывания дифференциального автоматического выключателя, А;
U - фазное напряжение генератора сети, В;
f - частота сети, Гц.
Отличительной особенностью такого устройства является селективное (избирательное) отключение поврежденной кабельной линии. После отключения поврежденного участка устройством 2 происходит восстановление симметрии фазных напряжений, отключаются обмотка реле 9 и его контакты 7, вызывая отключение конденсатора 6 из цепи, соединяющей нейтральную точку генератора сети с «землей», после чего сеть приходит в исходное состояние.
При двухфазных и трехфазных коротких замыканиях в какой-либо точке сети происходит селективное срабатывание исполнительного устройства 2 под действием электромагнитного расцепителя дифференциального автоматического выключателя с минимальной выдержкой времени.
При перегрузке кабельных линий осуществляется также селективное срабатывание исполнительного устройства 2 под действием теплового расцепителя дифференциального автоматического выключателя с выдержкой времени, обратно пропорциональной величине тока.
Авторами испытано устройство с генератором 230/400 В, 50 Гц, мощностью 2 кВт с изолированной нейтралью, где в качестве элемента 6 использован конденсатор емкостью 0,3 мкФ, в качестве элемента 2 - дифференциальные автоматические выключатели 16 А, 30 мА (Legrand), сопротивление изоляции исправного кабеля 1 МОм. Дифференциальный ток при повреждении изоляции составил 20 мА, что обеспечило отключение поврежденного участка дифференциальным автоматическим выключателем.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает селективную защиту от перегрузок, однофазных и многофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью в широком диапазоне нагрузок, а также отвечает современным требованиям по электробезопасности.
Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.
Источники информации
1. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М.: Энергия, 1979, с.274.
2. Патен РФ по заявке 2002130234, кл. Н02Н 3/16, G01R 27/18, G01R 31/08 с решением о выдаче от 18.06.2004.
3. Правила устройства электроустановок. Изд. 7-е, 2002, пп.1.7.151, 1.7.159, табл. 1.7.10.
4. Патент РФ №2271059, кл. Н02Н 3/16, G01R 27/18, G01R 31/08, опубл. 2006.02.27.
1. Устройство селективной защиты от однофазных и многофазных замыканий на землю электрической кабельной сети с изолированной нейтралью, содержащее генератор сети с изолированной нейтралью, к выходу которого подключены контрольный орган состояния изоляции и через распределительное устройство и группу кабельных линий - нагрузка, контрольный орган состояния изоляции селективно формирует дифференциальный ток отключения участка сети с пониженным сопротивлением изоляции, а его выход подключен к исполнительному органу, отличающееся тем, что контрольный орган состояния изоляции выполнен на основе фильтра напряжения нулевой последовательности, состоящего из трансформатора напряжения со схемой соединения «звезда-разомкнутый треугольник», первичная обмотка которого включена в контролируемую сеть, а его вторичная обмотка подключена к катушке реле напряжения, между нейтралью генератора и землей введен конденсатор, кратковременно включаемый на землю контактами реле непряжения фильтра нулевой последовательности по импульсу напряжения при повреждениях сети.
2. Устройство селективной защиты от однофазных и многофазных замыканий на землю по п.1, отличающееся тем, что емкость конденсатора должна быть равна или больше значения
где 
- ток утечки аварийного режима, равный номинальному току
срабатывания дифференциального автоматического выключателя, А;
U - фазное напряжение сети, В;
f - частота сети, Гц.
3. Устройство селективной защиты от однофазных и многофазных замыканий на землю по п.1, отличающееся тем, что суммарный ток утечки сети в нормальном режиме не должен превосходить 1/3 номинального тока дифференциального автоматического выключателя Iном, а ток срабатывания дифференциального автоматического выключателя должен превышать 2/3 Iном.
