UA135662U

UA135662U - METHOD OF PROTECTION AGAINST LEAK CURRENT IN THREE-PHASE ELECTRICAL NETWORK WITH INSULATED NEUTRAL

Info

Publication number: UA135662U
Application number: UAU201901244U
Authority: UA
Inventors: Святослав Володимирович Василець; Катерина Сергіївна Василець; Алла Ростиславівна Шабловська
Original assignee: Національний Університет Водного Господарства Та Природокористування
Priority date: 2019-02-07
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2019-07-10

Abstract

Спосіб захисту від струму витоку в трифазній електричній мережі з ізольованою нейтраллю полягає у відключенні живлення електричної мережі при перевищенні оперативним струмом, що накладається на вказану мережу еталонної величини. Накладають додатковий оперативний струм на кабель змінної частоти, яким двигун підключений до вихідних клем перетворювача частоти. Задають додаткову еталонну величину та вимірюють фактичну величину додаткового оперативного струму. Порівнюють фактичну величину додаткового оперативного струму з додатковою еталонною величиною. При перевищенні фактичною величиною додаткового оперативного струму додаткової еталонної величини здійснюють відключення живлення перетворювача частоти.The method of protection against leakage current in a three-phase electrical network with an isolated neutral is to turn off the power to the electrical network in excess of the operating current imposed on the specified network reference value. An additional operating current is applied to the AC cable by which the motor is connected to the output terminals of the frequency converter. Set an additional reference value and measure the actual value of the additional operating current. Compare the actual value of the additional operating current with the additional reference value. If the actual value of the additional operating current exceeds the additional reference value, the power supply of the frequency converter is switched off.

Description

Корисна модель належить до електротехніки та призначена для захисту від струмів витоку на землю низьковольтних електромереж з ізольованою нейтраллю трансформатора. Може бути використана переважно в електромережах дільниць вугільних шахт.The useful model belongs to electrical engineering and is intended for protection against earth leakage currents of low-voltage power networks with an isolated transformer neutral. It can be used mainly in power networks of coal mine sites.

Відомо спосіб виявлення замикання на землю за перевищенням сумою струмів фаз на виході перетворювача частоти еталонної величини, значення якої визначається при включенні перетворювача частоти (5 2009/0160453 АТ, МПК СО18 31/14, опубл. 25.06.2009). Недоліком такого способу є недостатній рівень електробезпеки мережі, оскільки значення еталонної величини, яке визначається при включенні перетворювача частоти, відповідає пусковому струму двигуна, тобто суттєво перевищує максимально допустимий струм замикання на землю для електромереж дільниць шахт. Це не дає змогу виявити струм витоку на землю через опір тіла людини або замикання на землю в низьковольтній електромережі з ізольованою нейтраллю трансформатора і, відповідно, не дозволяє виконати відключення живлення ушкодженої електромережі для знеструмлення місця аварії.There is a known method of detecting an earth fault by exceeding the sum of the phase currents at the output of the frequency converter of the reference value, the value of which is determined when the frequency converter is turned on (5 2009/0160453 AT, IPC СО18 31/14, publ. 06.25.2009). The disadvantage of this method is the insufficient level of electrical safety of the network, since the value of the reference value, which is determined when the frequency converter is turned on, corresponds to the starting current of the motor, that is, it significantly exceeds the maximum permissible ground fault current for the electrical networks of mine subdivisions. This does not allow detecting the leakage current to the ground due to the resistance of the human body or short-circuiting to the ground in a low-voltage electrical network with an isolated neutral of the transformer and, accordingly, does not allow to disconnect the power supply of the damaged electrical network to de-energize the accident site.

Також відомо спосіб виявлення замикання на землю та захисту в регульованому електроприводі змінного струму, який передбачає: живлення двигуна змінного струму від джерела через перетворювач, що включає декілька напівпровідникових ключів; вимірювання струму хоча б у першій та другій фазах трифазного виходу перетворювача; вимірювання напруги ланки постійного струму перетворювача; вимірювання напруги на ключах перетворювача, що відносяться до третьої фази трифазного виходу; порівняння струмів, виміряних у першій та другій фазах, з першою еталонною величиною; порівняння виміряної напруги ланки постійного струму з другою еталонною величиною; порівняння напруги на ключах перетворювача, що відносяться до третьої фази, з третьою еталонною величиною; визначення наявності замикання на землю в першій, другій або третій фазі трифазного виходу на основі порівняння струмів першої та другої фаз, напруги ланки постійного струму, напруги на ключах перетворювача, що відносяться до третьої фази, з першою, другою та третьою еталонними величинами (05 2013/0293988 А1ї, МПКНО2Н 77/08, опубл. 07.11.2013). Такий спосіб характеризується недостатнім рівнем електробезпеки, оскільки в електромережі дільниці шахти з ізольованою нейтраллю трансформатора струми витоку або замикання на землю, порівняно з робочими струмами фаз електромережі, є несуттєвими. Тому вказані аварійні режими не будутьThere is also a known method of ground fault detection and protection in a regulated AC drive, which involves: powering the AC motor from a source through a converter that includes several semiconductor switches; current measurement at least in the first and second phases of the three-phase output of the converter; measuring the voltage of the direct current link of the converter; measuring the voltage on the converter keys related to the third phase of the three-phase output; comparison of the currents measured in the first and second phases with the first reference value; comparison of the measured voltage of the direct current link with the second reference value; comparing the voltage on the converter keys related to the third phase with the third reference value; determining the presence of an earth fault in the first, second or third phase of a three-phase output based on the comparison of the currents of the first and second phases, the voltage of the direct current link, the voltage on the switches of the converter related to the third phase, with the first, second and third reference values (05 2013 /0293988 A1, MPKNO2N 77/08, published November 7, 2013). This method is characterized by an insufficient level of electrical safety, because in the electrical network of the mine site with an isolated transformer neutral, leakage currents or short-circuits to the ground, compared to the operating currents of the phases of the electrical network, are insignificant. Therefore, there will be no specified emergency modes

Зо виявлені за збільшенням струмів фаз або напруг на ключах перетворювача і, відповідно, місце ушкодження ізоляції не буде знеструмлене.They are detected by an increase in phase currents or voltages on the converter keys and, accordingly, the place of insulation damage will not be de-energized.

Найбільш близьким аналогом за технічною суттю до запропонованої корисної моделі є спосіб захисту від струму витоку в трифазній електричній мережі з ізольованою нейтраллю (5 1305810, МПК НО2Н 5/12, 3/16, опубл. 23.04.1987, бюл. Мо 15), який полягає у відключенніThe closest technical analogue to the proposed useful model is the method of protection against leakage current in a three-phase electrical network with an isolated neutral (5 1305810, МПК НО2Н 5/12, 3/16, publ. 04/23/1987, Bull. Mo 15), which is to disconnect

З5 живлення електричної мережі при перевищенні оперативним струмом, що накладається на вказану мережу, еталонної величини. При застосуванні такого способу забезпечується контроль стану ізоляції частини мережі від підстанції до вхідних клем перетворювачів частоти. Однак найближчий аналог не передбачає можливості виявлення струмів витоку на землю в кабелі змінної частоти, яким двигун підключається до вихідних клем перетворювача частоти. Це не забезпечує можливості знеструмлення місця виникнення струму витоку в електромережі та не дозволяє підтримувати достатній рівень електробезпеки.C5 powering the electrical network when the operating current imposed on the specified network exceeds the reference value. When using this method, control of the insulation state of a part of the network from the substation to the input terminals of the frequency converters is ensured. However, the closest analogue does not provide for the possibility of detecting earth leakage currents in the variable frequency cable that connects the motor to the output terminals of the frequency converter. This does not ensure the possibility of de-energizing the place of leakage current in the electrical network and does not allow maintaining a sufficient level of electrical safety.

В основу корисної моделі поставлена задача забезпечення знеструмлення місця виникнення струму витоку в електромережі з ізольованою нейтраллю, в якому за рахунок відключення живлення перетворювача частоти в момент зниження активного опору ізоляції кабелю змінної частоти, яким двигун підключений до вихідних клем вказаного перетворювача частоти, нижче заданого рівня досягається підвищення електробезпеки.The useful model is based on the task of de-energizing the place of origin of the leakage current in the power network with an isolated neutral, in which, due to the disconnection of the power supply of the frequency converter at the moment of reduction of the active resistance of the insulation of the variable frequency cable, which the motor is connected to the output terminals of the indicated frequency converter, below the specified level is reached improvement of electrical safety.

Поставлена задача вирішується тим, що спосіб захисту від струму витоку в трифазній електричній мережі з ізольованою нейтраллю, полягає у відключенні живлення електричної мережі при перевищенні оперативним струмом, що накладається на вказану мережу, еталонної величини, згідно з корисною моделлю, накладають додатковий оперативний струм на кабель змінної частоти, яким двигун підключений до вихідних клем перетворювача частоти, задають додаткову еталонну величину, вимірюють фактичну величину додаткового оперативного струму, порівнюють фактичну величину додаткового оперативного струму з додатковою еталонною величиною і при перевищенні фактичною величиною додаткового оперативного струму додаткової еталонної величини здійснюють відключення живлення перетворювача частоти.The problem is solved by the fact that the method of protection against leakage current in a three-phase electric network with an isolated neutral consists in turning off the power supply of the electric network when the operational current imposed on the specified network exceeds the reference value, according to a useful model, additional operational current is imposed on the cable of variable frequency with which the motor is connected to the output terminals of the frequency converter, set an additional reference value, measure the actual value of the additional operational current, compare the actual value of the additional operational current with the additional reference value, and if the actual value of the additional operational current exceeds the additional reference value, disconnect the power supply of the frequency converter .

Причинно-наслідковий зв'язок суттєвих ознак корисної моделі з технічним результатом.Causal relationship between essential features of a useful model and a technical result.

Характерною ознакою струму витоку на землю в кабелі змінної частоти, яким двигун підключений до вихідних клем перетворювача частоти, є зниження активного опору ізоляції бо вказаного кабелю. Вказане зниження активного опору ізоляції призводить до збільшення величини додаткового оперативного струму, який накладається на вказаний кабель додатковим апаратом захисту, що дозволяє, шляхом зіставлення фактичної величини додаткового оперативного струму із додатковою еталонною величиною, виявити момент виникнення струму витоку на землю та здійснити відключення живлення відповідного перетворювача частоти, чим досягається знеструмлення місця виникнення струму витоку, що підвищує електробезпеку.A characteristic feature of the leakage current to the ground in the variable frequency cable, by which the motor is connected to the output terminals of the frequency converter, is a decrease in the active insulation resistance of the specified cable. The specified decrease in the active resistance of the insulation leads to an increase in the value of the additional operating current that is imposed on the specified cable by the additional protection device, which allows, by comparing the actual value of the additional operating current with the additional reference value, to detect the moment of the occurrence of the leakage current to the ground and to disconnect the power supply of the corresponding converter frequency, which achieves de-energization of the place of origin of the leakage current, which increases electrical safety.

На кресленні наведена принципова електрична схема трифазної електричної мережі дільниці шахти з ізольованою нейтраллю та пристроями реалізації запропонованого способу.The drawing shows the basic electrical diagram of the three-phase electrical network of the mine site with an isolated neutral and devices for implementing the proposed method.

Електрична мережа складається з трансформаторної підстанції 1, яка містить силовий трансформатор 2, автоматичний вимикач 3 та апарат 4 захисту від струму витоку на землю, який накладає на електромережу оперативний струм 5, комутаційні апарати 6, які через кабелі 7 з активними опорами 8 та ємностями 9 ізоляції фаз відносно землі подають живлення на двигуни 10, комутаційні апарати 11, виходи яких підключені до вхідних клем 12 перетворювачів частоти 13. До вихідних клем 14 кожного з вказаних перетворювачів частоти підключені кабелі змінної частоти з активними опорами 16 та ємностями 17 ізоляції фаз відносно землі, які 15 подають живлення на двигуни 18. Крім того, до вихідних клем 14 кожного з перетворювачів частоти 13 підключено додатковий апарат 19 захисту від струму витоку на землю, який накладає на кабель 15 додатковий оперативний струм 20 та подає сигнал на відключення комутаційних апаратів 11. Розглядається випадок виникнення струму витоку на землю через опір тіла людини 21.The electrical network consists of a transformer substation 1, which contains a power transformer 2, a circuit breaker 3 and an earth leakage current protection device 4, which imposes an operational current 5 on the power network, switching devices 6, which through cables 7 with active resistances 8 and capacitors 9 phase isolation relative to the ground supplies power to the motors 10, switching devices 11, the outputs of which are connected to the input terminals 12 of the frequency converters 13. Variable frequency cables with active resistances 16 and capacitors 17 of the phase isolation relative to the ground are connected to the output terminals 14 of each of the specified frequency converters, which 15 supply power to the motors 18. In addition, an additional earth leakage current protection device 19 is connected to the output terminals 14 of each of the frequency converters 13, which imposes an additional operational current 20 on the cable 15 and gives a signal to turn off the switching devices 11. Considered the case of leakage current to the ground due to the resistance of the human body 21.

Пристрій реалізації запропонованого способу, містить автоматичний вимикач 3, апарат 4 захисту від струму витоку на землю, який, за допомогою оперативного струму 5, контролює стан ізоляції частини мережі від підстанції 1 до вхідних клем перетворювачів частоти 13, додатковий апарат 19 захисту від струму витоку на землю, що накладає на кабель 15 змінної частоти додатковий оперативний струм 20, і комутаційний апарат 11, що відключається за сигналом апарату 19, чим відключається живлення вказаного перетворювача частоти.The device for implementing the proposed method includes an automatic switch 3, an earth leakage current protection device 4, which, with the help of operational current 5, monitors the state of insulation of a part of the network from substation 1 to the input terminals of frequency converters 13, an additional earth leakage current protection device 19 the ground, which imposes on the variable frequency cable 15 an additional operating current 20, and the switching device 11, which is turned off according to the signal of the device 19, which turns off the power supply of the indicated frequency converter.

Реалізація способу захисту від струму витоку в трифазній електричній мережі з ізольованою нейтраллю пояснюється наступним. Виникнення струму витоку на землю в частині мережі від підстанції 1 до вхідних клем 12 перетворювачів частоти 13 призводить до зниження активного опору ізоляції вказаної частини мережі, збільшення оперативного струму 5, перевищенняThe implementation of the leakage current protection method in a three-phase electrical network with an isolated neutral is explained as follows. The occurrence of a leakage current to the ground in the part of the network from substation 1 to the input terminals 12 of the frequency converters 13 leads to a decrease in the active resistance of the insulation of the specified part of the network, an increase in the operational current 5, an excess

Зо вказаним струмом еталонної величини, що виявляється апаратом 4, який подає сигнал на відключення живлення електричної мережі автоматичним вимикачем 3. В разі виникнення струму витоку на землю через опір тіла людини 21 або неприпустимого зниження активного опору 16 ізоляції кабелю 15 змінної частоти оперативний струм 5, спотворюючись напівпровідниковими ключами перетворювача частоти 13, не перевищить еталонної величини і апарат 4 не подасть сигнал на відключення автоматичного вимикача 3. В той же час додатковий оперативний струм 20 перевищує додаткову еталонну величину, що виявляється відповідним додатковим апаратом 19 захисту від струму витоку на землю, який подає команду на відключення живлення відповідного перетворювача частоти 13 шляхом відключення відповідного комутаційного апарату 11. Це забезпечує зниження до нуля струму витоку на землю через опір тіла людини 21 або знижений активний опір ізоляції 16, чим підвищується електробезпека мережі.With the indicated current of the reference value, which is detected by the device 4, which gives a signal to turn off the power supply of the electrical network by the automatic circuit breaker 3. In the event of a leakage current to the ground due to the resistance of the human body 21 or an unacceptable decrease in the active resistance 16 of the insulation of the cable 15 of variable frequency, the operational current 5, being distorted by the semiconductor keys of the frequency converter 13, will not exceed the reference value and the device 4 will not send a signal to turn off the automatic circuit breaker 3. At the same time, the additional operating current 20 exceeds the additional reference value, which is detected by the corresponding additional device 19 for protection against earth leakage current, which sends a command to turn off the power supply of the corresponding frequency converter 13 by turning off the corresponding switching device 11. This ensures a reduction to zero of the leakage current to the ground due to the resistance of the human body 21 or a reduced active resistance of the insulation 16, which increases the electrical safety of the network.

Запропонований спосіб забезпечує підвищення електробезпеки мережі за рахунок відключення живлення перетворювача частоти при виникненні струму витоку на землю в кабелі змінної частоти, що подає живлення від вказаного перетворювача частоти до двигуна. Також спосіб забезпечує захист людини від ураження електричним струмом, захист від виникнення вибухів метано-повітряної суміші та екзогенних пожеж.The proposed method provides an increase in electrical safety of the network due to disconnection of the power supply of the frequency converter in case of leakage current to the ground in the variable frequency cable supplying power from the specified frequency converter to the motor. Also, the method provides human protection against electric shock, protection against explosions of methane-air mixture and exogenous fires.

Claims

USEFUL MODEL FORMULA

The method of protection against leakage current in a three-phase electrical network with an isolated neutral consists in disconnecting the power supply of the electrical network when the operational current imposed on the specified network exceeds the reference value, which differs in that additional operational current is imposed on the variable frequency cable with which the motor is connected to the output terminals of the frequency converter, set an additional reference value, measure the actual value of the additional operational current, compare the actual value of the additional operational current with the additional reference value, and if the actual value of the additional operational current exceeds the additional reference value, disconnect the power supply of the frequency converter.