RU2172050C1

RU2172050C1 - Power network off-operation protective gear

Info

Publication number: RU2172050C1
Application number: RU2000101435A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Васин; Михаил Александрович Нагорный; И.В. Белоусенко; М.С. Ершов; Д.И. Дубровский; С.И. Кавицкий; Александр Петрович Ковалев; Валентин Павлович Муха; Ольга Андреевна Шевченко
Original assignee: Александр Александрович Васин; Михаил Александрович Нагорный; Белоусенко Игорь Владимирович; Ершов Михаил Сергеевич; Дубровский Давид Изральевич; Кавицкий Сергей Игоревич; Александр Петрович Ковалев; Валентин Павлович Муха; Ольга Андреевна Шевченко
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-08-10

Abstract

FIELD: protection of load-carrying power networks and attending personnel; fire safety means. SUBSTANCE: protective gear has current transformer whose magnetic core is placed around power conductors of network under protection. Connected to transformer secondary winding is auxiliary current relay. High-frequency electromagnetic wave spectrum converter has current transformers whose magnetic cores are placed around each separate respective phase conductor of network under protection and associated relay responding to high- frequency current oscillations initiated by arcing of poor contacts or by electric arc through high contact resistance. Mentioned relay and auxiliary relay are coupled with automatic disconnection system through OR gate. Device lead-in is low-pass filter. EFFECT: improved reliability of protective gear. 6 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах защиты электрических сетей и обслуживающего персонала от поражения электрическим током и обеспечения пожаробезопасности в промышленных и бытовых электрических сетях. The invention relates to electrical engineering and can be used in devices for protecting electrical networks and maintenance personnel from electric shock and ensuring fire safety in industrial and domestic electrical networks.

Известны устройства защитного отключения в электрических сетях жилых помещений и зданий стационарного и передвижного типа [1, 2]. Защита от коротких замыканий и перегрузки таких электрических сетей, содержащих, как правило, рабочую нейтраль, осуществляется широко применяемыми плавкими предохранителями или автоматическими выключателями, выполняемыми в однофазном или трехфазном исполнении. Плавкие предохранители или автоматические выключатели используются для защиты проводов и приемников электрической энергии от теплового действия тока при перегрузках и коротких замыканиях. При перегрузках перегорает плавкая вставка, установленная внутри пробки. Преимущество плавкого предохранителя состоит в том, что смена пробки происходит без прикосновения к токоведущим частям. Недостаток заключается в том, что при срабатывании плавкого предохранителя необходимо плавкую вставку заменять на новую. Этих недостатков лишены автоматические выключатели, при срабатывании которых достаточно повторно их включить. Known protective shutdown devices in the electrical networks of residential premises and buildings of stationary and mobile type [1, 2]. Protection against short circuits and overload of such electrical networks, which usually contain a working neutral, is carried out by widely used fuses or circuit breakers, performed in single-phase or three-phase versions. Fuses or circuit breakers are used to protect wires and receivers of electrical energy from the thermal effects of current during overloads and short circuits. During overloads, the fuse installed inside the plug burns out. The advantage of a fuse is that the plug is replaced without touching live parts. The disadvantage is that when the fuse is triggered, the fuse must be replaced with a new one. These shortcomings are deprived of circuit breakers, when tripped, it is enough to turn them on again.

Общим же недостатком плавких предохранителей и автоматических выключателей является то, что они не предохраняют обслуживающий персонал от поражения электрическим током. Не сработают указанные устройства также при появлении утечки тока на землю, если величина этого тока не превышает уставки данного предохранителя или уставки автоматического выключателя. A common drawback of fuses and circuit breakers is that they do not protect service personnel from electric shock. The indicated devices will not work also if a current leakage to the ground occurs, if the value of this current does not exceed the settings of this fuse or the settings of the circuit breaker.

Частично эти недостатки устранены в известном устройстве защитного отключения электрической сети [3], принятом нами за прототип. Partially, these shortcomings are eliminated in the known device of the protective shutdown of the electric network [3], adopted by us as a prototype.

Устройство защитного отключения содержит трансформатор тока, магнитопровод которого охватывает проводники питания защищаемой электрической сети, к вторичной обмотке которого подключено промежуточное токовое реле, связанное с системой защитного отключения. The residual current device contains a current transformer, the magnetic circuit of which covers the power conductors of the protected electrical network, to the secondary winding of which an intermediate current relay connected to the residual current system is connected.

Это устройство обеспечивает отключение нагрузки при появлении утечки тока фазы на контур заземления порядка 10 мА. This device provides load shedding when a phase current leakage to the ground loop occurs on the order of 10 mA.

При совместном применении плавких предохранителей, автоматического выключателя и устройства защитного отключения электрической сети возможна защита электрической сети от коротких замыканий и утечек тока на контур заземления. Однако устройство защитного отключения, принятое нами за прототип, при применении его без дополнительных автоматического выключателя и плавких предохранителей при появлении тока между фазным и рабочим нулевым проводниками вплоть до величины тока короткого замыкания не сработает, так как сумма токов в окне магнитопровода трансформатора тока равна нулю. Если в защищаемой электрической сети возникает дуговое замыкание через большое переходное сопротивление, при котором ток дуги меньше тока плавкой вставки или уставки автоматического выключателя, устройство автоматического отключения в этом случае не сработает. Устройство защитного отключения также не сработает при продолжительном интенсивном искрении и нагреве в ослабленных контактных соединениях защищаемой электрической сети, питающей электроприемник. With the combined use of fuses, a circuit breaker and a residual current circuit breaker, it is possible to protect the electrical network from short circuits and current leaks to the ground loop. However, the residual current circuit breaker, adopted by us as a prototype, when used without an additional circuit breaker and fuses, when the current appears between the phase and working neutral conductors, up to the short circuit current does not work, since the sum of the currents in the window of the magnetic circuit of the current transformer is zero. If an arcing fault occurs in the protected electric network through a large transition resistance, at which the arc current is less than the fuse current or the circuit breaker set point, the circuit breaker will not work in this case. The residual current circuit breaker also will not work during prolonged intense sparking and heating in the weakened contact joints of the protected electrical network supplying the power receiver.

Между тем известно, что контактное соединение (контакт) в электрической сети, питающей электропотребители, является одним из наиболее важных ее элементов, при нарушении (ослаблении или окислении) которого могут возникнуть аварийные ситуации, сопровождающиеся повреждением электропотребителя, приводящие к пожарам, а при наличии в помещении взрывоопасной среды достаточной концентрации возникновение искры между контактами может привести к взрыву. Meanwhile, it is known that the contact connection (contact) in the electrical network supplying electrical consumers is one of its most important elements, in case of violation (weakening or oxidation) of which emergency situations can occur, accompanied by damage to the electrical consumer, leading to fires, and if in an explosive atmosphere of sufficient concentration, the occurrence of a spark between the contacts can lead to an explosion.

Состояние контакта зависит от сопротивления в переходном слое между контактными поверхностями, сжатыми друг с другом. Общая площадь надежного соприкосновения зависит от силы нажатия и сопротивления смятию материала контактов. В процессе же эксплуатации контакты могут подвергаться окислению от воздействия атмосферы, что приводит к возрастанию переходного сопротивления, от длительного пользования электрических приборов состояние контактов может ухудшаться по мере их механического срабатывания, ослабления из-за вибраций и в результате приводит к нагреванию, а в конечном итоге может вызвать замыкание в месте соприкосновения контактов и, следовательно, к выходу из строя питаемых аппаратов, устройств, а также к возгоранию изоляции проводов, а в случае благоприятных условий для горения - к пожару, значительному экономическому ущербу и человеческим жертвам. The state of contact depends on the resistance in the transition layer between contact surfaces compressed with each other. The total area of reliable contact depends on the pressure and resistance to collapse of the contact material. In the process of operation, the contacts may undergo oxidation from the atmosphere, which leads to an increase in the transition resistance, from prolonged use of electrical devices, the state of the contacts may deteriorate as they are mechanically actuated, weakened by vibration and, as a result, lead to heating, and ultimately lead to heating may cause a short circuit at the point of contact of the contacts and, consequently, to failure of the powered devices, devices, as well as to a fire in the insulation of the wires, and in the case of good offices GOVERNMENTAL combustion conditions - a fire, a considerable economic damage and loss of human life.

В основу изобретения поставлена задача создать устройство защитного отключения, которое позволило бы обеспечить защиту электрической сети, питающей нагрузку, при возникновении искрения в ослабленных ее контактных соединениях или дугового замыкания через большие переходные сопротивления. The basis of the invention is the task of creating a residual current circuit breaker that would protect the electrical network supplying the load if arcing occurs in its weakened contact joints or an arcing fault through large transition resistance.

Решение поставленной задачи достигнуто тем, что устройство защитного отключения электрической сети, содержащее трансформатор тока, магнитопровод которого охватывает проводники питания защищаемой электрической сети, к вторичной обмотке которого подключено промежуточное токовое реле, связанное с системой автоматического отключения, снабжено устройством преобразования спектра высокочастотных электромагнитных колебаний, включающим трансформаторы тока, магнитопроводы которых охватывают каждый в отдельности фазные силовые проводники защищаемой электрической сети, и связанное с ними реле, реагирующее на высокочастотные колебания тока, инициированные искрением ненадежных контактов или электрической дугой через большое переходное сопротивление, причем упомянутые промежуточное токовое реле и реле, реагирующее на высокочастотные электромагнитные колебания тока, связаны с системой автоматического отключения через введенный логический элемент ИЛИ, а ввод устройства представляет собой фильтр низкочастотных колебаний. The solution to this problem was achieved in that a protective circuit breaker of the electric network containing a current transformer, the magnetic circuit of which covers the power conductors of the protected electric network, to the secondary winding of which an intermediate current relay connected to the automatic shutdown system is connected, is equipped with a device for converting the spectrum of high-frequency electromagnetic waves, including current transformers, the magnetic circuits of which cover individually phase power conductors and a protected electrical network, and a relay associated therewith, responsive to high frequency current fluctuations initiated by arcing of unreliable contacts or an electric arc through a large transition resistance, said intermediate current relay and a relay responding to high frequency electromagnetic current fluctuations being connected to an automatic shutdown system via the logical element OR is entered, and the input of the device is a low-frequency oscillation filter.

Предложенное устройство может иметь однофазное или многофазное (например, трехфазное) исполнение. The proposed device may have a single-phase or multiphase (for example, three-phase) design.

В трехфазной электрической сети источник информации появления в силовых проводниках определенного спектра высокочастотных колебаний содержит трансформаторы тока, магнитопроводы которых охватывают каждый в отдельности фазные силовые проводники, а вторичные их обмотки соединены с реле, реагирующим на инициированный искрой спектр высокочастотных электромагнитных колебаний. In a three-phase electric network, the information source for the appearance in the power conductors of a certain spectrum of high-frequency oscillations contains current transformers, the magnetic circuits of which individually cover the phase power conductors, and their secondary windings are connected to a relay that responds to a spark-initiated spectrum of high-frequency electromagnetic oscillations.

Указанные существенные признаки достигнуты во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны. These essential features have been achieved in all cases to which the scope of legal protection applies.

Между совокупностью существенных признаков изобретения и достигнутым техническим результатом - отключением электрической сети, питающей нагрузку, при возникновении искрения в ослабленных ее контактных соединениях или дугового замыкания через большие переходные сопротивления - существует причинно-следственная связь, заключающаяся в том, что при введении источника информации и преобразования спектра высокочастотных электромагнитных колебаний, включающего трансформаторы тока, магнитопроводы которых охватывают каждый в отдельности фазные силовые проводники защищаемой электрической сети, и связанного с ним реле, реагирующего на инициированные электрической искрой или дугой с большим переходным сопротивлением высокочастотных колебаний, связанного с системой автоматического отключения, и вводом устройства, представляющего собой фильтр низкочастотных колебаний, обеспечивается защита электрической сети, питающей нагрузку, при возникновении искрения в ее ослабленных контактных соединениях или электрической дуги через большие переходные сопротивления. Between the totality of the essential features of the invention and the achieved technical result - disconnection of the electric network supplying the load, when sparking occurs in its weakened contact joints or an arcing fault through large transient resistances, there is a causal relationship consisting in the fact that when introducing a source of information and conversion spectrum of high-frequency electromagnetic waves, including current transformers, the magnetic circuits of which cover each individually phase power conductors of the protected electrical network, and the associated relay, which responds to high-frequency oscillations initiated by an electric spark or arc with a high transition resistance associated with an automatic shutdown system, and the input of a device that is a low-frequency oscillation filter provides protection for the electrical network supplying the load , when sparking occurs in its weakened contact joints or electric arc through large transition resistance.

Изобретение отвечает требованию изобретательского уровня, так как существенные признаки защитного устройства отключения, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, в известных устройствах не обнаружены, что позволяет сделать вывод о наличии существенных отличий в предложенном техническом решении. The invention meets the requirement of an inventive step, since the essential features of a protective shutdown device that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not found in the known devices, which allows us to conclude that there are significant differences in the proposed technical solution.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема защитного устройства отключения однофазной электрической сети с рабочим нулевым проводом; на фиг. 2 и 3 представлены схемы устройства, предназначенного для использования в сетях с глухозаземленной и изолированной нейтралью соответственно; на фиг. 4, 5 и 6 показаны примеры включения устройства в однофазную и трехфазные сети с глухозаземленной и изолированной нейтралью соответственно. The essence of the proposed technical solution is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a schematic diagram of a protective device for disconnecting a single-phase electric network with a working neutral wire; in FIG. 2 and 3 are diagrams of a device intended for use in networks with a grounded and isolated neutral, respectively; in FIG. 4, 5 and 6 show examples of connecting the device to single-phase and three-phase networks with a grounded and isolated neutral, respectively.

Защитное устройство отключения электрической сети содержит трансформатор тока, магнитопровод которого 1 (фиг. 1, 2 и 3) охватывает фазные проводники питания 2 электрической сети. К вторичным обмоткам 3 трансформатора тока подключено промежуточное токовое реле 4. The protective device for disconnecting the electric network contains a current transformer, the magnetic circuit of which 1 (Fig. 1, 2 and 3) covers the phase conductors of the power supply 2 of the electric network. An intermediate current relay 4 is connected to the secondary windings 3 of the current transformer.

Устройство преобразования спектра высокочастотных электромагнитных колебаний представляет собой трансформаторы тока, магнитопроводы 5 которых охватывают фазные проводники 2, обмотки 6 которых связаны с реле 7, реагирующим на высокочастотные колебания тока, инициированные электрической искрой или дугой с большим переходным сопротивлением. Вторичные обмотки 3 трансформатора, магнитопровод которого 1 охватывает фазный 2 проводники электрической сети и реле 7, реагирующее на ВЧ колебания тока, инициированные электрической искрой или дугой с большим переходным сопротивлением с системой автоматического отключения 8 (фиг. 4, 5 и 6) связаны через логический элемент ИЛИ 9. На вводе устройства установлен фильтр низкочастотных колебаний 10, обеспечивающий селективность действия защитного отключения, препятствуя проникновению высокочастотных помех из сети со стороны источника питания. The device for converting the spectrum of high-frequency electromagnetic oscillations is a current transformer, the magnetic circuits 5 of which cover phase conductors 2, the windings of 6 of which are connected to a relay 7 that responds to high-frequency current oscillations initiated by an electric spark or arc with a large transition resistance. The secondary windings 3 of the transformer, the magnetic circuit of which 1 encompasses the phase 2 conductors of the electric network and relay 7, which responds to high-frequency current oscillations initiated by an electric spark or arc with a large transition resistance with an automatic shutdown system 8 (Figs. 4, 5 and 6) are connected through a logical OR element 9. At the input of the device, a low-frequency oscillation filter 10 is installed, which ensures the selectivity of the protective shutdown, preventing the penetration of high-frequency interference from the network from the power source.

Работа предложенного устройства защитного отключения электрической сети основана на срабатывании реле, реагирующего на высокочастотные колебания в токе, инициированные электрической искрой в ослабленных силовых контактах или дуговыми замыканиями через большие переходные сопротивления. The operation of the proposed protective circuit breaker of the electric network is based on the operation of the relay, which responds to high-frequency fluctuations in the current, initiated by an electric spark in the weakened power contacts or arc faults through large transition resistance.

С целью эффективной отстройки реле 7 от воздействия рабочего тока нагрузки промышленной частоты 50 (60) Гц, трансформаторы тока 5 выполняются с воздушным зазором магнитопровода (на чертежах не показано), что, как известно, позволяет получить вторичное напряжение, пропорциональное скорости изменения первичного тока - производной тока. In order to effectively detune the relay 7 from the influence of the operating load current of an industrial frequency of 50 (60) Hz, current transformers 5 are made with an air gap of the magnetic circuit (not shown in the drawings), which, as you know, allows to obtain a secondary voltage proportional to the rate of change of the primary current - derivative of current.

Указанное свойство трансформаторов тока с воздушным зазором в магнитопроводе значительно повышает чувствительность реле 7 к высокочастотным компонентам первичного тока и обеспечивает эффективную отстройку от тока нагрузки промышленной частоты. Следовательно, трансформатор тока с воздушным зазором в магнитопроводе одновременно выполняет функцию преобразователя спектра тока. The indicated property of current transformers with an air gap in the magnetic circuit significantly increases the sensitivity of relay 7 to high-frequency components of the primary current and provides effective detuning from the load current of industrial frequency. Therefore, a current transformer with an air gap in the magnetic circuit simultaneously performs the function of a current spectrum converter.

На фиг. 4, 5 и 6 изображены схемы присоединения устройств защитного отключения в сетях с однофазной и трехфазной электрической нагрузкой 11. In FIG. 4, 5 and 6 show the connection diagrams of residual current circuit breakers in networks with single-phase and three-phase electrical loads 11.

При возникновении электрической искры, например, между контактами n и m (фиг. 3) или дугового замыкания через большое переходное сопротивление (например, по влажной или загрязненной изоляции) в токе питающей электрической сети возникают высокочастотные колебания. При появлении в кривой тока нагрузки высокочастотных компонентов, во вторичной обмотке трансформатора 5 наводится электродвижущая сила, пропорциональная производной тока. Таким образом, на вход реле 7 будет подано напряжение, пропорциональное высокочастотным колебаниям первичного тока, появление которых связано с электрическим искрением либо с возникновением в сети электрической дуги. When an electric spark occurs, for example, between the contacts n and m (Fig. 3) or an arc short circuit through a large transition resistance (for example, through wet or contaminated insulation), high-frequency oscillations occur in the current of the power supply network. When a load of high-frequency components appears in the load current curve, an electromotive force proportional to the derivative of the current is induced in the secondary winding of the transformer 5. Thus, a voltage proportional to the high-frequency fluctuations of the primary current, the appearance of which is associated with electric sparking or the appearance of an electric arc in the network, will be supplied to the input of relay 7.

Реле 7 преобразовывает поступающие на его вход колебания в единичный дискретный логический сигнал, поступающий на элемент ИЛИ 9, а через него сигнал поступает на систему автоматического отключения 8, что приводит к отключению защищаемой сети. При питании трехфазной нагрузки (фиг. 5, 6) устройство работает аналогичным образом, контролируя его состояние во всех трех фазах a, b и с. Благодаря элементу 9 ИЛИ защитные свойства, присущие аналогу, взятому нами за прототип, также сохраняются. Высокочастотные помехи, поступающие в защищаемую электрическую сеть приемника электроэнергии 11 подавляются при помощи фильтра 10 низкочастотных колебаний. Relay 7 converts the oscillations arriving at its input into a single discrete logic signal supplied to the OR element 9, and through it the signal enters the automatic shutdown system 8, which leads to the disconnection of the protected network. When feeding a three-phase load (Fig. 5, 6), the device works in a similar way, controlling its state in all three phases a, b and c. Thanks to element 9 OR, the protective properties inherent in the analogue we have taken as a prototype are also preserved. High-frequency interference entering the protected electric network of the power receiver 11 is suppressed by the low-frequency oscillation filter 10.

Предложенное защитное устройство отключения электрической сети позволяет обеспечить защиту при возникновении в электрической сети электрических искр между контактами, дуговых замыканий через большие переходные сопротивления и, при правильной эксплуатации устройства, практически исключить возникновение аварий и их последствий. The proposed protective device for disconnecting the electric network allows you to provide protection in the event of electric sparks between the contacts in the electric network, arc faults through large transient resistances and, if the device is used correctly, to practically eliminate the occurrence of accidents and their consequences.

Защитное устройство отключения может выполняться как автономно без автоматического выключателя, так и совместно с ним в виде единого блока. Изготовление его не требует высокой квалификации и может выполняться на сравнительно небольших площадях. Применение его в электрических сетях жилых помещений, а также в промышленных установках в сетях с рабочим нулевым проводом и в сетях с изолированной нейтралью позволяет существенно повысить надежность эксплуатации электрооборудования. The tripping protective device can be performed autonomously without a circuit breaker, or together with it in the form of a single unit. Its manufacture does not require high qualifications and can be performed on relatively small areas. Its use in electrical networks of residential premises, as well as in industrial installations in networks with a working neutral wire and in networks with insulated neutral, can significantly improve the reliability of operation of electrical equipment.

Источники информации
1. Основы теории электрических аппаратов. И.С. Таев и др. - М.: Высшая школа, 1987. - 352 с.Sources of information
1. Fundamentals of the theory of electrical apparatus. I.S. Taev et al. - M.: Higher School, 1987. - 352 p.

2. Чунихин А.А. Электрические аппараты. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 720 с. 2. Chunikhin A.A. Electrical apparatus. M .: Energoatomizdat, 1988 .-- 720 p.

3. Цапенко Е. Ф. К вопросу о применении устройств защитного отключения при эксплуатации электроустановок. Промышленная энергетика, N 11, 1997 г. 3. Tsapenko E. F. On the issue of the use of residual current circuit breakers in the operation of electrical installations. Industrial Energy, N 11, 1997

Claims

A device for protective disconnection of the electric network, containing a current transformer, the magnetic circuit of which covers the power conductors of the protected electric network, to the secondary winding of which is connected an intermediate current relay connected to the automatic shutdown system, characterized in that it is equipped with a device for converting the spectrum of high-frequency electromagnetic waves to a voltage proportional to high-frequency oscillations of the primary current, followed by its conversion into a single logical di a latent signal, including current transformers, the magnetic circuits of which individually cover the phase power conductors of the protected electrical network, and a relay connected with it, responding to high-frequency current fluctuations initiated by arcing of unreliable contacts or an electric arc through a large transition resistance, the intermediate current relay and a relay that responds to high-frequency current fluctuations is connected to the automatic shutdown system through the OR logic element entered, and the input stroystva is a filter of low-frequency oscillations.