RU2619777C2

RU2619777C2 - Device for protection of electrical consumers from overvoltage in single-phase ac networks

Info

Publication number: RU2619777C2
Application number: RU2015120481A
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Николаевич Панов
Original assignee: Вячеслав Николаевич Панов
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2015-05-29
Publication date: 2017-05-18
Also published as: RU2015120481A

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and is intended for equipment protection against excessive voltage. Core of invention is that elements limiting overvoltage (varistors) are used together with the RCD and are connected in such a way that currents occurring through them in case of overvoltage are differential for the RCD and result in its triggering (switch-off) if the limitation current exceeds a threshold for the selected RCD and the exposure lasts longer than the RCD triggering time. So, typical time of operation of an electromechanical RCD of AC type is within the range of 25–40 msec, most frequently for people protection against electric shock and for protection against fires RCDs are used with the differential current of triggering of 10 and 30 mA, herewith from the moment of overvoltage start till the RCD switch-off the peak dissipated by the varistor power is within allowable limits for most varistors structurally made as a disc with the diameter of 20 mm, and the average power dissipation is of fractional Watt.

EFFECT: technical result is improvement of reliability, durability of electric consumers, new useful properties in mass-produced residual current devices (RCDs) without interference into their structure and change of their main parameters.

1 cl, 2 dwg

Description

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.Usage: in electrical engineering to protect equipment from excessive voltage. The technical result consists in increasing the reliability and durability of electrical consumers, the emergence of new useful properties of commercially available residual current circuit breakers (RCDs, differential switches, differential machines) without interfering with their design and changing their basic parameters.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDESCRIPTION OF THE INVENTION

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].The invention relates to the field of electrical engineering, mainly to schemes for protecting electrical consumers in alternating current networks of the 2nd and 3rd category of power supply according to the PUE [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].Known surge protection devices containing varistors or arresters connected in parallel with protected electrical consumers. For example, US 8717726 (publication date - 05/06/2014; IPC - Н02Н 9/00), 8724283 (publication date - 05/13/2014; IPC - Н02Н 3/22), 8514538 (publication date - 08/20/2013 .; IPC - Н02Н 3/08, Н02Н 5/04), RU 2190116 (publication date - 10/10/2002; IPC - Н02Н 9/06, Н02Н 9/04), 2459333 (publication date - 08/20/2012. ; IPC - Н02Н 9/00). Their disadvantage is limited functionality, in particular, the inability to protect electrical consumers from prolonged overvoltage caused by accidents in electrical networks, errors of maintenance personnel of electrical substations or atmospheric phenomena associated with direct lightning strikes in high voltage power lines supplying substations. This is due to the fact that varistors and arresters are able to absorb large electric power (tens of kilowatts) for a short time (units of milliseconds), but on average their maximum power dissipation is limited to units of watts [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.Devices based on the use of arresters, although they have a large margin of safety in comparison with varistors, but in contrast to them have lower speed, when activated, they close the network shortly (which requires the use of current limiters that increase the cost of the device and worsen its efficiency) and are also incapable without damage withstand prolonged overvoltage.

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.The principle of disconnecting protected equipment at the time of overvoltage using an electromechanical release (which may include an electromechanical relay, a starter, a circuit breaker against short circuits and overcurrents, etc.), triggering at the time of overvoltage and disconnecting the protected equipment from the network, is not new and used in a wide class of protective devices. The vast majority of them contain, in addition to the electromechanical release, an electronic circuit that monitors the voltage of the network and disconnects consumers during overvoltage by supplying a signal to the control winding of the release. Examples of such devices are reflected in patents US 8587148 (publication date - 11/19/2013; IPC - H02J 3/12), 5519368 (publication date - 05/21/1996; IPC - H01H 73/00), 8411403 (publication date - 04/02/2013; IPC - Н02Н 9/00). The main disadvantage of such solutions is that a complex electronic circuit is used up to the use of microprocessors, prone to malfunctions in conditions of lightning noise and requiring separate power supply or consuming energy from the protected network, contain an expensive electromechanical trip unit, which must be selected based on rated operational currents for each specific application, in addition, the devices described in patents US 8587148, 5519368, 8411403, do not protect electrical consumers from si phase surge relative to the ground, which could potentially damage the protected equipment during lightning discharges, and not to protect under the mistaken connection instead of a zero phase conductor. Another way to implement such protection is to use non-linear elements (varistors, arresters, thyristors, etc.) in conjunction with devices for protection against overcurrents and short circuits by switching on such non-linear elements at the output of such a device. At the time of overvoltage, the nonlinear element goes into a conducting state, which leads to the flow of a large limiting current through the nonlinear element, which exceeds the disconnection rating of the overcurrent protection device and leads to its disconnection. Examples of such implementation are reflected in US 5321574 (publication date - 06/14/1994; IPC - Н02Н 9/04) and 4168514 (publication date - 09/18/1979; IPC - Н02Н 3/22, Н02Н 9/04, Н02Н 3 / 10, Н01С 7/12, Н01Н 83/10, Н02Н 7/00). In them, as a nonlinear device, varistors are used, which become conductive during overvoltage and limit the voltage on consumers in combination with an overcurrent protection device that disconnects electric consumers from the network during prolonged overvoltages due to the development of overcurrent through varistors. The disadvantage of this solution is that the disconnection from the network occurs only after the current through the varistors exceeds the rated breaking current of the circuit breaker. At the same time, increased thermal power is dissipated on the varistor, which can lead to its overheating and failure. In addition, at voltages above the characteristic, the varistor resistance never drops to zero [2], and therefore, with increasing current through the varistor, the voltage on it also increases, and when the current reaches the threshold for switching off the circuit breaker, the output voltage can reach 1.4-1.6x from the characteristic . So, with a characteristic varistor voltage of 430 V (most often used for protection in 220 V AC networks), the overvoltage before shutdown can be 430-1.6 = 688 volts, which can potentially damage the protected equipment. This disadvantage was overcome by the author of the patent US 8547673 (publication date - 01.10.2013; IPC - Н02Н 3/00) due to the use of a thyristor (22) as a nonlinear element, the threshold of which is set by circuit 24 (elements 54, 56, 58, 52). Among the drawbacks of this solution, in addition to the need to use a powerful and expensive thyristor that can withstand high short-circuit currents, it should also be noted that the thyristors are sensitive to impulse noise [3], which can lead to its false response. In addition, a common insurmountable drawback of such implementations is that they create large limiting currents at the time of overvoltage, which, coupled with the currently increased mains voltage, can potentially lead to the appearance of an electric arc between the contacts of the release at the time of its disconnection and damage as the release itself, and non-linear elements limiting the overvoltage. Also, a similar class of devices cannot be used together with sources having a low output power and increased internal resistance (for example, with household gas generators), since they may not develop a short circuit current sufficient for the circuit breaker to operate and, in addition, they themselves could potentially be disabled by the operation of such devices. In addition, the devices US 5321574, 4168514 and 8547673 do not protect electrical consumers from common-mode overvoltages relative to the ground and do not protect against incorrect connection instead of the zero phase wire. As an electromagnetic release in such protective devices, a residual current device (RCD, differential circuit breaker, etc.) could be used, due to its properties (a relatively small differential current needed to trip, not exceeding 100 mA), eliminating such shortcomings, and even examples of the joint use of RCDs and varistors (US 5293522 (publication date 03/08/1994; IPC - H01H 73/00) elements RV, RV1), but they are included in such a way that they do not lead to the occurrence of differential currents through U About at the time of overvoltage, and therefore the device described in US Pat. No. 5,293,522 will disconnect consumers from the network during prolonged overvoltage only upon the development of overcurrent through the RV varistor, with all the disadvantages of the devices described in US Pat. Nos. 5,321,574 and 4,168,514. In addition , the device described in US Pat. No. 5,293,522 does not protect electrical consumers from common-mode overvoltages relative to earth and does not protect against erroneous connection instead of a zero phase wire.

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.An object of the invention is the creation of an effective device for surge protection and the expansion of the arsenal of surge protection devices, free from the above disadvantages and providing protection to electrical consumers by using a minimum number of low cost components.

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.The technical result, which provides a solution to the problem, is to increase the reliability and durability of the protected equipment by disconnecting it from the network when long-term (more than 25 milliseconds) overvoltages occur and absorbing short-term surge voltages without disconnecting the equipment from the mains.

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.The technical result is achieved in that the device for electrical protection of the equipment against overvoltage comprises a phase input and output and a zero-circuit input and output, a residual current device (RCD) and an overvoltage protection device (SPD) with varistors, and the SPD contains three varistors, the first of which connected to the phase input and the input of the zero circuit through a fuse, the second to the input of the zero circuit and the input of the ground circuit, the third to the input of the phase circuit and an additional input of the phase circuit.

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.The technical result is also achieved by the fact that the device for electrical protection of the equipment from overvoltages has an alternating current source voltage of 220 volts, the characteristic voltage for the first varistor 10 is selected in the range of 330-360 volts, for the second varistor 13 in the range of 180-220 volts, for the third varistor 7 in the range of 27-47 volts, the fuse 12 is selected in the range of 5-10 amperes.

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.The device for electrical protection of equipment against overvoltage consists of three varistors used in conjunction with a residual current device (RCD, differential switch, differential circuit breaker), turned on in such a way that when an overvoltage occurs, the current flowing through the varistors is differential for the RCD and leads to its shutdown.

Устройство, в котором варисторы используются совместно с устройством защитного отключения (УЗО, выключатель дифференциальный, дифференциальный автомат), что расширяет их сферу применения и увеличивает надежность.A device in which varistors are used in conjunction with a residual current device (RCD, differential switch, differential circuit breaker), which expands their scope and increases reliability.

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.The device, without changing the principle of operation of the residual current device (RCD, differential switch, differential circuit breaker), without interfering with its operation and without changing its characteristics, leads to the appearance of an additional useful property that increases the reliability of electrical consumers connected to the output of the RCD, and providing protection against damage in case of overvoltage.

Устройство обеспечивает многократную защиту как от импульсных (длящихся менее 25 миллисекунд), так и от длительных (от 25 миллисекунд и до бесконечности) перенапряжений.The device provides multiple protection against both surge (lasting less than 25 milliseconds) and long-term (from 25 milliseconds to infinity) overvoltages.

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.The device does not require separate display devices or measuring instruments, focusing on the readings of which before connecting the equipment to the network or by switching on the RCD after the protection is activated, the user must make sure that the voltage of the mains is normal.

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].The essence of the invention lies in the fact that overvoltage limiting elements (varistors) are used in conjunction with a residual current device (RCD, differential switch, differential circuit breaker) and are switched on in such a way that the currents arising through them when overvoltages occur are differential for RCDs and lead to its operation (shutdown) if the limiting current exceeds the threshold for the selected RCD and the exposure lasts longer than the trip time of the RCD. So, the typical response time of an electromechanical RCD type AC is in the range of 25-40 milliseconds, most often RCDs with a differential response current of 10 and 30 milliamperes are used to protect people from electric shock and fires, and from the moment the overvoltage starts to disconnect the RCD The peak power dissipated by the varistor is within acceptable limits for most varistors structurally designed as a disk with a diameter of 20 millimeters, and the average power dissipation is a fraction of watts and [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.In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device for limiting overvoltages using varistors as surge suppressors for use in a single-phase AC network with an additional varistor 7 for stepwise adjustment of the threshold, in FIG. Figure 2 shows an example of its inclusion in conjunction with a 2-pole RCD to protect electrical consumers in a single-phase AC network.

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.A device for electrical protection of equipment against overvoltage, containing a residual current device (RCD) having an input and output of a phase and zero circuit, and an overvoltage protection device (SPD) with varistors, and there are three varistors in the SPD, varistor 10 is connected to input 8 and input 11 of the USP through the fuse 12, the varistor 13 is connected to the input 11 and the input 14 of the USP, the varistor 7 is connected to the input 8 and the input 9 of the USP. The input of the phase network 1 of the UZO is connected to the input 8 of the UZP, the output of the neutral circuit 4 of the UZO is connected to the input 11 of the UZP, the input 14 of the UZP is connected to protective ground 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.The surge protection device (UPR), designed for use in a single-phase AC network (Fig. 1), contains three varistors 7, 10, 13 and a fuse 12. The characteristic voltage for varistor 10 is selected in the range of 330-360 volts , for varistor 13 in the range of 180-220 volts, for varistor 7 in the range of 27-47 volts, the fuse 12 is selected in the range of 5-10 amperes.

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.A device for limiting overvoltage (Fig. 1) works as follows. When a differential overvoltage occurs with an amplitude above the characteristic voltage for varistor 10, its resistance drops sharply and it begins to conduct current, the flow path of which passes between the inputs 8 and 11 of the device. Since the input 8 is connected to the input 1 of the RCD, and the input 11 to the output 4 of the RCD (Fig. 2), the current arising when the overvoltage is limited passes only through one group of contacts of the RCD (3-4) and when its amplitude exceeds the threshold for the operation of the RCD and Durations of more than the speed declared by the manufacturer of the RCD (typically 25-40 ms) are triggered by the RCD and the consumers are disconnected from the mains. Also, the circuit is opened, through which current flows through the varistor 10, which prevents its damage in case of prolonged overvoltage. From the moment the overvoltage begins to disconnect consumers from the network, the voltage is kept at a safe level due to the properties of the varistor 10 itself, and if the overvoltage lasts less than the time required for the RCD to operate (short-time surge surges), the RCD does not work and the disconnection from the network does not occur. That is, for short-term surge surges, the device’s operation is completely analogous to that of classical surge protection devices using varistors without switching on together with RCD, but in contrast to them, the device guarantees protection of electrical consumers from long-term (more than 25 ms) overvoltages without damaging the device itself and the protected electrical consumers. From the moment of the beginning of the overvoltage to the operation of the RCD, the current through the varistor 10 can amount to units or even tens of amperes (for powerful pulse overvoltages, as well as for long overvoltages exceeding the rated voltage by 1.5-2 times), and the absorbed power can be units or even tens of kilowatts . But since the response time of the RCD in this case rarely exceeds 25-30 ms, the average power dissipated by varistor 10 is fractions of a watt and is within acceptable limits for widespread disk varistors with a diameter of 20 mm, which have a low cost. In case of an erroneous connection instead of the zero phase wire (at the power substation due to errors of the maintenance personnel or directly when the input is connected to the power transmission line), the varistor 13 switches to the conductive state and begins to limit the voltage on the erroneously connected phase wire, since its characteristic voltage is selected less than the nominal amplitude mains voltage. In this case, the emerging current passes through one group of RCD contacts (3-4), inputs 11 and 14 of the RCD and protective earth 15. Since this current is differential for RCD, it trips and disconnects consumers from the network. When overvoltages caused by atmospheric phenomena occur, in most cases the effect is in-phase in nature, that is, the overvoltage pulse is applied to both the phase and zero wires relative to the ground. Such effects are also potentially dangerous for electrical consumers, as they can cause damage due to breakdown of insulation on the case or damage electronic circuits due to the flow of current caused by an overvoltage pulse through the stray electrical capacitance of the protected device relative to the ground, which is never equal to zero. The device protects against this kind of overvoltage due to the transition to the conducting state of the varistor 13, limiting the amplitude of the overvoltage pulse in the neutral wire relative to the ground at the level of 250-300 volts. Since the limiting current flows in this case through one group of RCD contacts (3-4), then, with powerful atmospheric discharges and high energy of the overvoltage, the RCD trips and consumers are disconnected from the supply network. Thus, with any type of overvoltage, there is either a restriction at a safe level (short-term impulse effects) or a restriction with subsequent disconnection of consumers from the network. At the same time, the device itself does not interfere in any way with the standard operation of the RCD, does not affect its parameters or reliability. Initially, the RCD was intended to protect people from electric shock and to protect against fires during malfunctions in the electrical wiring and does not have the function of protecting electrical consumers from overvoltage. However, all manufactured RCDs contain a test circuit designed to test its operability. This circuit is a two-terminal circuit from a series-connected test button with normally open contacts and a current-limiting resistor. This two-terminal device inside each commercially available RCD is connected at one end to the input 1 of the RCD, and the second to its output 4 (or to input 3 and output 2, which does not change the principle of the test circuit), that is, completely similar to how the varistor 10 is connected in the device . When you press the test button, a current occurs through one group of RCD contacts and a current-limiting resistor, which leads to the disconnection of the RCD. Thus, the overvoltage protection device can be considered as an external “test circuit” in which the varistor 10 plays the role of a “button” that triggers when an overvoltage occurs and the current-limiting resistor. The fuse 12 in the device has an auxiliary function and serves to protect against fire in case of RCD malfunctions or incorrect connection of the device during installation. Therefore, this device leads to the appearance of RCDs in addition to the existing useful surge protection function, which he did not have before, with just four parts, which have low cost and small dimensions, high reliability and do not require separate power supply. Thanks to this, the device can be used as a separate one, installed in conjunction with a conventional RCD, or as part of an RCD together with a test circuit.

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.Special attention should be paid to the choice of varistors according to their main parameter - the characteristic voltage at which the varistor goes into a conducting state [2]. For varistor 10, it must be obviously higher than the amplitude voltage of the network under normal conditions and 10-15% less than the maximum permissible amplitude voltage for the protected equipment. It is known from electrical engineering that in alternating current networks that have a sinusoidal shape, the amplitude and effective voltages are related by the formula Ua = 1.41⋅Ud, where Ua is the amplitude voltage, Ud is the effective voltage, 1.41 is the result of rounding off the square root of 2. So, for 220 V AC mains, the amplitude of the network according to the formula should be 220-1.41 = 310 volts. Given the permissible deviations of the network, the characteristic voltage of the varistor 10 must be at least 360 volts in order to avoid false alarms. However, due to the fact that in the electric networks of the Russian Federation a large number of consumers dominate without power factor correctors that consume current only at amplitude voltage values, the shape of the supply voltage in most electric networks differs from the sinusoidal one and in most cases the real coefficient is not 1.41, but 1.2 and even 1.15. Since for some types of electric consumers (for example, asynchronous electric motors, low-frequency network transformers, etc.), it is primarily the excess of the rating by the current rather than the amplitude voltage that matters, in practice it is optimal in most cases to choose a varistor 10 with a characteristic voltage of 330 volt. In addition, additionally varistor 7 is connected in series with varistor 10 with a characteristic voltage of 27-47 volts (which is selected within 10-15% of the characteristic voltage of varistor 10), which allows you to stepwise adjust the threshold of the device by connecting a phase wire or to input 8, or to the input 9 of the device (shown by the dashed line in Fig. 2), which allows you to take into account the features and condition of a particular supply network. The characteristic voltage of varistor 13 should be selected in the range of 50-75% of the nominal amplitude voltage of the network, which for a 220 V AC system is 150-230 volts, the most optimal in this case are commercially available varistors with a characteristic voltage of 180 and 220 volts.

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.The advantages of the proposed device surge protection (SPD) is high reliability and performance, a small number of parts and their low cost, protection of electrical consumers from most of the possible types of overvoltages that could potentially lead to damage. The device does not require a separate power source for its operation and does not consume energy from the mains. In addition, the device does not require the use of additional devices or an indication of the status of the supply network, allowing the user to verify that the voltage in the network is normal when connecting electrical consumers or when the RCD is switched on again after it has been tripped, since if the network voltage retains a value that is dangerous for consumers, an attempt to turn on the RCD will lead to its immediate operation and dangerous voltage will not be supplied to the protected equipment. The disadvantage (determined by the design and principle of operation of the RCD) is that when an overvoltage occurs, the device automatically disconnects the protected equipment from the network, and re-enablement must be carried out manually by maintenance personnel or the user. Therefore, it should not be used where a prolonged shutdown of unattended equipment can lead to its damage or disruption of any technological processes, or to combine the use of the device with warning systems for maintenance personnel about the operation of protection and disconnecting the equipment from the mains. The device also cannot be used to protect equipment in networks of the 1st category of power supply (according to the EMP), where even a short-term shutdown of the equipment can lead to an accident, or human casualties, or a disruption of the technological process associated with the equipment failure. The device is best suited for use in networks of the 3rd category of power supply to protect equipment and household appliances for end consumers in urban and rural areas, where the state of electric networks contains high risks of overvoltage, which can damage all connected equipment in a short period of time . Also, this device is highly effective for use as a part of autonomous electric generators, since during their illiterate operation, associated with short-term peak overloads above the rated power of the generator, after stopping such overload due to the inertia of the regulators of such generators, a sharp voltage surge of 1.5-2 times always follows above nominal, inevitably incapacitating equipment connected to the generator. The proposed protection device will avoid this by disconnecting electrical consumers from the output of the generator in the event of such surges or an increase in the output voltage above the maximum allowable level associated with its malfunction. Also, this device can potentially be used not only in AC networks of 50-60 Hz, but also at higher frequencies, for example in 400 Hz networks or even in DC networks, provided that it is used in conjunction with an RCD designed to operate in such networks , and the choice of varistors based on the recommended percentages.

Claims

1. A device for electrical protection of equipment against overvoltage, comprising a residual current device (RCD) having an input and output phase and input and output of a zero circuit and a surge protection device (SPD) with varistors, characterized in that the SPD contains three varistors, the first of which connected to the phase input and the input of the zero circuit through a fuse, the second to the input of the zero circuit and the input of the ground circuit, the third to the input of the phase circuit and an additional input of the phase circuit.

2. The device according to claim 1, characterized in that when the voltage of the AC source is 220 volts, the characteristic voltage for the first varistor 10 is selected in the range of 330-360 volts, for the second varistor 13 in the range of 180-220 volts, for the third varistor 7 in the range 27-47 volts, fuse rating 12 is selected in the range of 5-10 amperes.