RU2124794C1

RU2124794C1 - Device for protective disconnection in ac circuit with grounded neutral

Info

Publication number: RU2124794C1
Application number: RU97103038A
Authority: RU
Inventors: А.Х. Слободкин; Е.А. Слободкин
Original assignee: Слободкин Адольф Ходосович; Слободкин Евгений Адольфович
Priority date: 1997-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1999-01-10

Abstract

FIELD: electrical engineering, in particular, automatic devices for protection of people against electric shock. SUBSTANCE: due to introduction of additional elements to the circuit of electronic devices of protective disconnection additional protective properties are attained, which provide in four-terminal networks TN-C-S the same electric safety as the best electromechanical devices for protective disconnection in five-terminal network TN-S or network TT. EFFECT: enhanced reliability. 2 cl, 3 dwg

Description

Устройство относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам защиты людей от поражения электрическим током. The device relates to electrical engineering, in particular to automatic devices for protecting people from electric shock.

Известны устройства защитного отключения УЗО, [1]. Названные и подобные им УЗО содержат коммутационный аппарат (выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя или пускатель магнитный), дифференциальный трансформатор тока, выполняющий функцию датчика тока утечки и питаемый от сети полупроводниковый пороговый элемент с контактным или бесконтактным выходом. Known protective shutdown devices RCD, [1]. The RCDs mentioned and similar to them contain a switching device (an automatic circuit breaker with an independent release coil or a magnetic starter), a differential current transformer that performs the function of a leakage current sensor and is supplied with a semiconductor threshold element with a contact or contactless output powered from the network.

УЗО20 представляет собой однофазное УЗО, у которого функцию коммутационного аппарата выполняет выключатель автоматический типа ВА60-26 с катушкой независимого расцепителя. При появлении разности токов в первичных обмотках дифференциального трансформатора тока в его вторичной обмотке индуктируется ЭДС, которая воздействует на полупроводниковый пороговый элемент. Выходом порогового элемента является тиристорный ключ, последовательно с которым включена катушка независимого расцепителя, питаемая через выпрямитель от напряжения фаза-ноль. При срабатывании порогового элемента тиристор открывается и пропускает через катушку независимого расцепителя ток, в результате чего выключатель срабатывает и размыкает свои контактны, чем и осуществляет отключение защищаемого участка электрической сети. UZO20 is a single-phase UZO, in which the function of the switching device is performed by an automatic switch type VA60-26 with an independent release coil. When a current difference appears in the primary windings of a differential current transformer, an EMF is induced in its secondary winding, which acts on the semiconductor threshold element. The output of the threshold element is a thyristor switch, in series with which an independent trip coil is connected, fed through the rectifier from phase-zero voltage. When the threshold element is triggered, the thyristor opens and passes current through the coil of the independent release, as a result of which the circuit breaker trips and opens its contacts, thereby disconnecting the protected section of the electric network.

М3011 в комплекте с автономным выключателем автоматическим представляет собой трехфазное УЗО, которое отличается от однофазного главным образом конструкцией дифференциального трансформатора тока, имеющего четыре первичных обмотки (3 фазных и одна в нейтральном проводе). Напряжение сети подается на катушку независимого расцепителя автоматического выключателя путем замыкания выходного контакта порогового элемента М3011. M3011 complete with an autonomous circuit breaker is an automatic three-phase RCD, which differs from a single-phase mainly in the design of a differential current transformer having four primary windings (3 phase and one in a neutral wire). The mains voltage is supplied to the coil of the shunt release of the circuit breaker by closing the output contact of the threshold element M3011.

В качестве прототипа выбираем М3011, который объединяет признаки однофазного и трехфазного вариантов УЗО. As a prototype, we select M3011, which combines the features of single-phase and three-phase RCD options.

Недостатками прототипа являются:
а) потери работоспособности при обрыве нулевого рабочего и защитного провода PEN и вынос потенциала по этому проводу на все зануленные корпуса электроприемников;
b) отсутствие чувствительности к напряжению на нулевом рабочем проводе, если это напряжение превышает допустимые значения (не более 42В);
c) отсутствие чувствительности к потере напряжения любой из трех фаз в трехфазном исполнении УЗО.The disadvantages of the prototype are:
a) loss of performance when the zero working and protective PEN wires are cut off and the potential is carried through this wire to all the zeroed cases of power receivers;
b) the lack of sensitivity to voltage on the neutral working wire, if this voltage exceeds the permissible values (not more than 42V);
c) lack of sensitivity to voltage loss of any of the three phases in a three-phase RCD design.

Рассмотрим эти недостатки. Consider these shortcomings.

А) На фиг. 1 приведены схемы подсоединения однофазной электроустановки ЭУ1 и трехфазной электроустановки ЭУ2 к четырехпроводной электрической сети по схеме TN-C-S (2). Предположим, что в точке 0 (отмечена крестиком) произошел обрыв провода PEN. В этом случае в электроустановку ЭУ1 с провода фазы А потечет в землю ток I_a. Этот ток проходит по первичным проводникам дифференциального трансформатора тока и стекает через заземлитель в землю, при этом напряжение на заземленном корпусе электроприемника ЭУ1 может достигать почти 220В. Так как токи через обмотки дифференциального трансформатора равны между собой, т.е. ΔI = 0, то УЗО не сработает и не отключит электроприемник ЭУ1. Очевидно, что потенциал корпуса электроприемника ЭУ1 по проводу PEN будет вынесен и на корпус электроприемника ЭУ2 и др., что создаст опасность электропоражения на всех электроприемниках, корпуса которых присоединены к нулевому проводу. Следует подчеркнуть, что, во-первых, этот недостаток присущ не только прототипу, а любым УЗО, а во-вторых, что заземление корпусов электроприемников существенного снижения опасности электропоражения не дает.A) In FIG. Figure 1 shows the connection diagrams of a single-phase electrical installation EU1 and a three-phase electrical installation EU2 to a four-wire electrical network according to the TN-CS scheme (2). Assume that at point 0 (marked with a cross), a PEN wire breakage has occurred. In this case, a current I _a will flow into the ground from the phase A wire into the electrical installation of EU1. This current passes through the primary conductors of the differential current transformer and flows through the ground electrode to the ground, while the voltage on the grounded housing of the EA1 electric receiver can reach almost 220V. Since the currents through the windings of the differential transformer are equal to each other, i.e. ΔI = 0, then the RCD will not work and will not disconnect the electric receiver EU1. It is obvious that the potential of the casing of the electric receiver ЭУ1 through the PEN wire will also be transferred to the case of the electric receiver ЭУ2 and others, which will create a danger of electric shock on all electric receivers, the cases of which are connected to the zero wire. It should be emphasized that, firstly, this drawback is inherent not only to the prototype, but to any RCD, and secondly, that the grounding of the cases of power receivers does not significantly reduce the risk of electric shock.

в) Предположим, что при целостности провода PEN произошло короткое замыкание (КЗ) одной из фаз на нейтраль N. В этом случае потенциал в точке КЗ будет в интервале 110-157В, в зависимости от сечения провода PEN. Следовательно, потенциалы корпусов электроприемников, присоединенных к нулевому рабочему проводу PEN будут иметь такие же значения, что значительно превышает допустимые по ГОСТу [3] 42В. Напряжение на нейтрали N, а следовательно и на корпусах электроприемников, может появиться и при неравномерной нагрузке 3-х фазной сети из-за значительного тока по проводу PEN. c) Suppose that, with the integrity of the PEN wire, a short circuit (SC) of one of the phases to the neutral N occurred. In this case, the potential at the SC point will be in the range 110-157V, depending on the cross section of the PEN wire. Consequently, the potentials of the housings of power receivers connected to the zero PEN working wire will have the same values, which significantly exceeds the permissible values in accordance with GOST [3] 42V. The voltage on the neutral N, and therefore on the housings of the electrical receivers, can also appear with an uneven load of a 3-phase network due to the significant current through the PEN wire.

с) Известно, что эксплуатация 3-х фазных электроприемников в 2-х фазном режиме приводит к ускоренному отказу их, в частности к перегреву проводов сверх допустимых значений, снижению сопротивления изоляции, а также к напряжению на зануленных корпусах электроприемников из-за перекоса фазных напряжений. c) It is known that operation of 3-phase power receivers in a 2-phase mode leads to their accelerated failure, in particular, to overheating of the wires above the permissible values, a decrease in insulation resistance, and also to voltage on the zeroed cases of power receivers due to phase voltage imbalance .

Целью изобретения является расширение защитных функций УЗО, а именно, защитное отключение при обрыве нулевого рабочего провода, при появлении опасного напряжения на нулевом рабочем проводе и соединенных с ним корпусах электроприемников, а также при исчезновении или значительном снижении напряжения любой фазы питающей сети. The aim of the invention is to expand the protective functions of the RCD, namely, the protective shutdown when the zero working wire breaks, when dangerous voltage appears on the zero working wire and the cases of electrical receivers connected to it, as well as when the voltage of any phase of the supply network disappears or decreases significantly.

В п. 1 формулы изобретения указанная цель достигается тем, что в дифференциальный трансформатор тока введена дополнительная обмотка, один вывод которой соединен с заземлением, а другой вывод с нулевым проводом сети через вновь введенные последовательно включенные двуханодный стабилитрон и резистор, кроме того, незаземленный вывод дополнительной обмотки присоединен через выходной ключ, катушку независимого расцепителя и выпрямитель к фазному проводу сети. В п.2 формулы изобретения, цель достигается тем, что дополнительно введены три одинаковых резистора, каждый из которых одним выводом соединен с одним фазным проводом питающей сети, а другие выводы резисторов присоединены к незаземленному выводу дополнительной обмотки дифференциального трансформатора тока. In paragraph 1 of the claims, this goal is achieved by the fact that an additional winding is introduced into the differential current transformer, one terminal of which is connected to ground, and the other terminal with a neutral wire through the newly introduced two-wire zener diode and resistor, in addition, an ungrounded terminal of an additional windings are connected through an output key, an independent release coil and a rectifier to the phase conductor of the network. In claim 2, the goal is achieved by the fact that three identical resistors are additionally introduced, each of which is connected with one terminal to one phase wire of the supply network, and the other terminals of the resistors are connected to the ungrounded terminal of the additional winding of the differential current transformer.

На фиг. 2 приведена схема электрическая принципиальная заявляемого устройства по п. 1 формулы изобретения, на которой изображено однофазное (двухпроводное) исполнение УЗО. In FIG. 2 shows an electrical circuit diagram of the claimed device according to claim 1, which depicts a single-phase (two-wire) RCD design.

На фиг. 3 приведена схема электрическая принципиальная заявляемого устройства для трехфазного (четырепроводного) исполнения УЗО. In FIG. 3 shows an electrical schematic diagram of the claimed device for a three-phase (four-wire) RCD design.

Заявляемое устройство содержит: выключатель автоматический - 1 с катушкой независимого расцепителя -1,1; дифференциальный трансформатор тока - 2 с числом первичных проводников соответствующим числу питающих проводов сети и двумя вторичными обмотками 2.1 и 2.2; питаемый от сети пороговый элемент 3, состоящий из узла питания 3.1 и собственно порогового элемента 3.2 с контактным или бесконтактным ключом 3.3: токоограничивающий резистор 4; двуханодный стабилитрон 5; выпрямитель 6: три одинаковых резистора 7, 8 и 9. The inventive device comprises: an automatic circuit breaker - 1 with a shunt coil -1.1; differential current transformer - 2 with the number of primary conductors corresponding to the number of supply wires of the network and two secondary windings 2.1 and 2.2; a threshold element 3 powered from the network, consisting of a power node 3.1 and a threshold element 3.2 proper with a contact or proximity key 3.3: current-limiting resistor 4; two-anode zener diode 5; rectifier 6: three identical resistors 7, 8 and 9.

Заявляемое устройство работает следующим образом. При ручном включении выключателя 1 его контакты замыкаются и осуществляют подачу электроэнергии на защищаемую электроустановку и одновременно на пороговый элемент 3. Потребляемый элементом 3 ток протекает по пути: фазный провод L1(A1) - вход питания элемента 3 - выход питания элемента 3 - нулевой (нейтральный) провод N1. Если вся система исправна в ней нет аварийных напряжений, то падение напряжения между зажимом N1 и заземлением ( фиг. 1) может составлять единицы вольт. Если это напряжение меньше напряжения стабилизации двуханодного стабилитрона 5, то ответвления тока питания в ветвь 4-5 не будет и все УЗО работает так же, как и прототип. The inventive device operates as follows. When the switch 1 is manually turned on, its contacts close and supply electricity to the protected electrical installation and at the same time to threshold element 3. The current consumed by element 3 flows along the path: phase wire L1 (A1) - element 3 power input - element 3 power output - zero (neutral) ) wire N1. If the whole system is in good condition, there are no emergency voltages, then the voltage drop between terminal N1 and ground (Fig. 1) can be units of volts. If this voltage is less than the stabilization voltage of the two-anode zener diode 5, then there will be no branching of the supply current to the branch 4-5 and all RCDs work in the same way as the prototype.

Теперь рассмотрим, как в заявляемом устройстве устраняются указанные недостатки прототипа. Now consider how the claimed device eliminates these disadvantages of the prototype.

1. Пусть произошел обрыв нулевого провода. В этом случае электропитание порогового элемента 3 будет осуществляться по цепи: фазный провод L1 (A1) - вход питания элемента 3 - выход питания элемента 3 - резистор 4 - двуханодный стабилитрон 5 - обмотка 2.2 - земля. Из приведенного видно, что при обрыве нейтрального рабочего провода через обмотку 2.2 протекает потребляемый элементом 3 ток, который наводит в обмотке 2.1 ЭДС и вызывает срабатывание всего устройства. Таким образом, заявляемое устройство при обрыве нейтрали осуществляет защитное отключение электроустановки и, благодаря размыканию контактов, предотвращает вынос потенциала фазы через нагрузку на нулевой провод. 1. Let the neutral wire break. In this case, the power supply of the threshold element 3 will be carried out along the circuit: phase wire L1 (A1) - power input of the element 3 - power supply of the element 3 - resistor 4 - two-anode zener diode 5 - winding 2.2 - earth. It can be seen from the above that when a neutral working wire breaks through the 2.2 winding, the current consumed by element 3 flows, which induces an EMF in the winding 2.1 and causes the entire device to trip. Thus, the inventive device, when the neutral breaks, carries out a protective shutdown of the electrical installation and, thanks to the opening of the contacts, prevents the phase potential through the load to the neutral wire.

2. Пусть на рабочем нулевом проводе из-за нештатного режима появилось опасное напряжение, приложенное к зажиму N1 и заземлению нейтрали трансформаторной подстанции. Очевидно, что если это напряжение превысит пороговое напряжение стабилитрона 5, то по цепи: N1 -4 - 5 - 2.2 - заземление потечет ток, который наведет ЭДС в обмотке 2.1 и приведет к срабатыванию порогового элемента 3 и далее всего устройства. Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает срабатывание защиты при появлении опасного напряжения на нулевом рабочем проводе и присоединенных к нему корпусов электроустановок. 2. Let a dangerous voltage appear on the working neutral wire due to the emergency mode, applied to terminal N1 and the neutral ground of the transformer substation. It is obvious that if this voltage exceeds the threshold voltage of the Zener diode 5, then the circuit: N1 -4 - 5 - 2.2 - the ground will flow current, which will induce the EMF in the winding 2.1 and lead to the triggering of the threshold element 3 and then the whole device. Thus, the inventive device provides a protection in the event of a dangerous voltage on the zero working wire and the enclosures of electrical installations connected to it.

3. В заявляемом трехфазном устройстве (фиг. 3) одинаковые резисторы в точке их соединения образуют искусственный нулевой потенциал относительно заземленной нейтрали трансформатора. Поэтому, при близких значениях напряжений в фазах A, B, C, ток через обмотку 2.2. пренебрежимо мал, соответственно, малой будет ЭДС в обмотке 2.1 и поэтому срабатывания порогового элемента 3 не происходит. Однако при обрыве любого фазного провода или при появлении значительной асимметрии фазных напряжений, к которым подключены резисторы 7, 8, 9, через обмотку 2.2 в землю начинает течь ток. Этот ток наводит в обмотке 2.1 ЭДС, которая и вызывает срабатывание всего устройства. Таким образом, заявляемое устройство осуществляет защитное отключение при полном или значительном частичном снижении напряжения любой фазы. 3. In the inventive three-phase device (Fig. 3), the same resistors at the point of their connection form an artificial zero potential relative to the grounded neutral of the transformer. Therefore, at close values of the voltages in phases A, B, C, the current through the winding 2.2. is negligible, respectively, the EMF in the winding 2.1 will be small and therefore the triggering of the threshold element 3 does not occur. However, when any phase wire breaks or when a significant asymmetry of phase voltages appears, to which resistors 7, 8, 9 are connected, current starts flowing through the winding 2.2. This current induces in the winding 2.1 EMF, which causes the operation of the entire device. Thus, the claimed device performs a protective shutdown with a complete or significant partial decrease in voltage of any phase.

Технико-экономическая эффективность заявляемого устройства выражается в более широком наборе защитных функций, выполняемых одним устройством. Благодаря этому появляется возможность обеспечить в четырехпроводных TN-C-S сетях такую же электробезопасность, как и в пятипроводных TN-S сетях [4]. Экономическая эффективность этого очевидна, так как отпадает необходимость в добавлении 5-го провода в широко распространенные в России четырехпроводные сети. The technical and economic effectiveness of the claimed device is expressed in a wider range of protective functions performed by one device. This makes it possible to provide the same electrical safety in four-wire TN-C-S networks as in five-wire TN-S networks [4]. The economic efficiency of this is obvious, since there is no need to add the 5th wire to the four-wire networks widespread in Russia.

Лабораторные испытания подтвердили правильную реакцию заявляемого устройства во всех описанных аварийных режимах. Laboratory tests confirmed the correct reaction of the claimed device in all described emergency conditions.

Источники информации. Sources of information.

1. ГОСТ Р50807-95 "Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током. Общие требования и методы испытаний". 1. GOST R50807-95 "Protective devices controlled by differential (residual) current. General requirements and test methods."

2. В Главгосэнергонадзоре России. О применении УЗО. Информационное письмо N 42-6/34-ЭТ от 23.10.95 "Промышленная энергетика", N 3, 1996. 2. In Glavgosenergonadzor of Russia. On the use of RCDs. Information letter N 42-6 / 34-ET of 10.23.95 "Industrial energy", N 3, 1996.

3. ГОСТ 12.2.007.0-75 СБТ. Изделия электротехнические. Общие требования безопасности". 3. GOST 12.2.007.0-75 SBT. Electrotechnical products. General safety requirements. "

4. Слободкин А. Х. Анализ влияния УЗО на электробезопасность в сетях 380/220В с заземленной нейтралью. "Промышленная энергетика", N 5, 1997(в печати). 4. Slobodkin A. Kh. Analysis of the effect of RCDs on electrical safety in 380 / 220V networks with a grounded neutral. "Industrial Energy", N 5, 1997 (in press).

Claims

1. A residual current circuit breaker for an electrical network with a grounded neutral, comprising an automatic circuit breaker with an independent release coil, a differential current transformer with primary windings by the number of supply wires of the electric network and one secondary winding, and a threshold element with an output key and a power unit, the power leads of which are connected to one of the phase wires and to the neutral wire of the network, respectively, while the terminals of the secondary winding of the differential current transformer are connected to the house of the threshold element, as well as a rectifier, characterized in that a two-anode zener diode, a resistor are introduced, an additional winding is introduced into the differential current transformer, one terminal of which is connected to ground, and the other terminal is connected through a series-connected two-anode zener diode and a resistor with a zero wire and through serially connected output key, shunt coil and rectifier with phase conductor of the network.

2. The device according to claim 1, characterized in that three identical resistors are introduced, each of which is connected by one terminal to the corresponding phase wire of the network, and their other terminals are connected to the ungrounded terminal of the additional winding of the differential transformer.