Пристрій захисту електрообладнання

1. Пристрій захисту електрообладнання, що містить блок керування і силовий блок, що являє собою паралельне з'єднання гілок, кожна з яких складається з послідовно з'єднаних апаратів захисту й симістора, причому кожний апарат захисту відповідає умові IH ³ KПІР , де ІН - номінальний струм апарата захисту, ІР - розрахунковий струм електрообладнання, КП = 105 ¸ 2,0 - коефіцієнт запасу, , а співвідношення номінальних струмів апаратів захисту кратне Кі, тобто І2Н=І1Н/К 2, І3Н=І2Н/К 3 і до І nН=І(n-1)Н/Кn , де Ki = 2 ¸ 7 - коефіцієнт пропорційності, І1Н, І2Н, І 3Н ... І nН- номінальний струм апарата захисту відповідно до першої, другої, третьої й n-ї гілок, блок керування містить джерело живлення, вхід якого підключений до нейтрального проводу і фази електрообладнання на вході силового блока, вимірювальний орган, що включає в себе генератори імпульсів і трансформатор струму, який є C2 2 (19) 1 3 83580 біжника) в залежності від виду виконуваних функцій, умов експлуатації та інших особливостей захисного електрообладнання змінюється в межах від 1,05 до 2. Недоліком такого пристрою захисту є його низька надійність та неефективність для захисту електрообладнання змінної потужності. Особливо це наочно виявляється в разі захисту одним автоматичним вимикачем групи навантажень, кожне з яких комутується своїм комутаційним пристроєм, який не має функції захисту, наприклад магнітним пускачем. Тому через автоматичний вимикач протікає "плаваючий" струм від нуля до Ір. Прикладом захисту такого роду навантажень може служити захист освітлювальних установок, побутови х електропечей, електродвигунів, стр ум через який визначається потужністю навантаження на валу і яке може мінятися від нуля (режим холостого ходу) до максимуму (режим короткого замикання - загальмований ротор). Крім того, при комутації таких навантажень виникають технологічні "кидки" струму, діапазон яких коливається від 3 до 20ІР. Такі "кидки" струму прискорюють руйнування ізоляції як електрообладнання так і підводячих проводів. Це веде до підвищення пожежонебезпечної ситуації. Необхідно відзначити, що 80% пожеж відбувається через несправну електропроводку. "Кидки" струму при комутації знижують також термін служби електрообладнання, що захищає. Найбільш близьким до пристрою, який заявлено, є пристрій захисту електрообладнання, що містить блок керування й силовий блок, що являє собою паралельне з'єднання віток, кожна з яких складається з послідовно з'єднаних апаратів захисту та симістора, причому кожен апарат захисту відповідає умові ІH³КПІр, де ІН - номінальний струм апарата захисту, ІР - розрахунковий струм електрообладнання, КП=1,05¸2,0 - коефіцієнт запасу, крім того співвідношення номінальних струмів апаратів захисту кратне Кі, тобто І2Н=І1Н /К2, І3Н=І2Н/К 3 і т.д., де Кі=2¸7 - коефіцієнт пропорційності, І 1Н, І 2Н, І3Н і т.д. - номінальний струм апарата захисту відповідно до першої, другий, третьої й n-ї віток. Блок керування містить джерело живлення, вхід якого підключений до нейтрального проводу й фази електрообладнання на вході силового блоку, вимірювальний орган, що включає в себе генератори імпульсів і трансформатор струму, що є входом багатоканального компаратора, виконаного на операційних підсилювачах, неінвертувальний вхід одного з яких та інвертувальний вхід решти під'єднані до дільника опорної напруги, а інший вхід кожного операційного підсилювача - до виходу трансформатора струму, вихід кожного генератора імпульсів з'єднаний з ланцюгом керування свого симістора, причому кількість операційних підсилювачів, генераторів імпульсів і каналів компаратора дорівнює числу апаратів захисту в силовому блоці [Патент РФ №2120166. Устройство защиты электрооборудования /В.Η. Терешин, А.Ф. Белоусов, К.К. Намитоков, В.Г. Брезинский, Ю.А. Фролов, В.А. Чернов, СП. Обидин/ МПК6Н02Н 3/08, 1998]. Недоліком такого пристрою захисту є те, що при комутації, наприклад ламп розжарювання в освітлювальній установці виникають "кидки" стру 4 му, що досягають 5¸20ІР залежно від потужності лампи й фази напруги при комутації. Це веде до старіння ізоляції електропроводки і є причиною зниження терміну служби електрообладнання, що у свою чергу може привести до виникнення пожежонебезпечної ситуації. Крім того, при комутації ламп розжарювання за певних умов у лампі виникають дугові розряди між електродами. В одному випадку дуговий розряд може викликати вибух колби, в іншому - проплавлення її частками нікелю, що утворяться в результаті розплавлювання дугою електродів. В обох випадках аварійний режим супроводжується утворенням і викидом джерел запалювання (частки нікелю, розпеченої вольфрамової спіралі й конструкційних елементів, нагрітих до високих температур). Найбільш пожежонебезпечні частки нікелю. Крім того, необхідно відзначити, що на потреби освітлення в нашій країні витрачається до 20% від всієї вироблюваної електроенергії, у той час як у за хідних країнах на це витрачається 7% електроенергії, хоча рівень загальної освітленості там вище. В основу винаходу поставлене завдання створення пристрою захисту, який містить силовий блок і блок керування, у якому завдяки введенню додаткового органа-фіксатора нуля напруги, ввімкнення навантаження здійснюється тільки в момент переходу напруги через нуль, що дозволяє значно знизити пускові струми й тим самим знизити можливість виникнення пожежонебезпечної ситуації, підвищити термін служби захисного обладнання, і зменшити обсяг електроенергії, затрачуваний на потреби освітлення. Поставлене завдання вирішується наступним чином. Пристрій захисту електрообладнання містить блок керування й силовий блок, що представляє собою паралельне з'єднання віток, кожна з яких складається з послідовно з'єднаних апаратів захисту й симістора, причому кожен апарат захисту відповідає умові ІH³КПІР, де ІН – номінальний струм апарата захисту, ІР - розрахунковий струм електрообладнання, КП= 1,05¸2,0 - коефіцієнт запасу, крім того співвідношення номінальних струмів апаратів захисту кратне Кі, тобто І2Н=І1Н /К2, І3Н=І2Н/К 3 і т.д., де Кі=2¸7 - коефіцієнт пропорційності, І 1Н, І 2Н, І3Н і т.д. - номінальний струм апарата захисту відповідно до першої, другий, третьої й n-ϊ віток. Блок керування містить джерело живлення, вхід якого підключений до нейтрального проводу й фази електрообладнання на вході силового блоку, вимірювальний орган, що включає в себе генератори імпульсів і трансформатор струму, що є входом багатоканального компаратора, виконаного на операційних підсилювачах, неінвертувальний вхід одного з яких та інвертувальний вхід решти під'єднані до дільника опорної напруги, а інший вхід кожного операційного підсилювача - до виходу трансформатора струму, вихід кожного генератора імпульсів з'єднаний з ланцюгом керування свого симістора, причому кількість операційних підсилювачів, генераторів імпульсів і каналів компаратора дорівнює числу апаратів захисту в силовому блоці. 5 83580 Відповідно до винаходу блок керування додатково забезпечен фіксатором нуля напруги, який складається з компаратора й транзисторного ключа, і органом часового збігу, який складається з логічних елементів типу "И" по одному на кожен канал компаратора вимірювального органа, причому один вхід кожного логічного елемента з'єднаний з виходом транзисторного ключа, інший вхід цих елементів з'єднаний з виходами компаратора вимірювального органа, а вихід кожного логічного елемента з'єднаний із входами генераторів імпульсів. Фіксатор нуля напруги містить компаратор на операційному підсилювачі й транзисторний ключ, вхід якого з'єднаний з виходом операційного підсилювача, а вхід операційного підсилювача з'єднаний з виходом випрямляча, вхід якого з'єднаний з однієї із вторинних обмоток трансформатора напруги джерела живлення. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю істотних ознак винаходу й досягненням технічного результату полягає в наступному. Відомо, наприклад, що при включенні лампи розжарювання (ЛР) залежність t(t), де t - температура нитки розжарювання, (t - час, який описується вираженням ì T ï t + 0,5at 2 = 0,5 A í t 4p ï î ЛР; ü é æ 4 pt ùï ö + 2y u ÷ - sin 2yu ú ý , êsinç è T ø ë ûï þ (1) де ψ u - початкова фаза напруги при включенні A= 2U 2 ; cgl2 r0 U - діюче значення напруги мережі живлення a - температурний коефіцієнт матеріалу нитки розжарювання ЛР; Τ - період прикладеної напруги; g - щільність матеріалу нитки розжарення ЛР; l - довжина нитки розжарення; r 0 - питомий електричний опір матеріалу нитки розжарення ЛР при кімнатній температурі; с - питома теплоємність матеріалу нитки розжарення. З (1) видно, що початковий "кидок" струму залежить від фази напруги y u. p Найбільший "кидок" струму буде при y u = , 2 UMS при цьому lM = , де S - площа поперечного r0l переріза проводу нитки розжарення ЛР, UM - амплітудне значення напруги. У порівнянні зі сталою U S амплітудою стр уму l( y ) = M величина "кидка" M r 0l струму становить r к /r 0 (r к - питомий електричний опір матеріалу нитки розжарення при сталій температурі нитки розжарення ЛР). Наприклад, для ЛР потужністю 150Вт r к /r 0=15. Якщо y u¹90°, то "кидок" струму буде менше зазначеного граничного. Наприклад, при y u=0 "кидок" струму відсутній. Струм у цьому випадку спадає до сталого значення по синусоїді із частотою прикладеної напруги. 6 Постійна часу перехідного процесу визначається тепловою інерцією нитки розжарення. Тому додаткове введення в блок керування пристрою захисту електрообладнання фіксатора нуля напруги й органа часового збігу дозволить включати в мережу ЛР у момент переходу напруги через нуль, тобто при ψ υ=0, що практично усуває "кидки" струму при комутації ЛР. Це веде до збільшення терміну служби ЛР і процесу старіння ізоляції освітлювальних проводів, що, у свою чергу, приводить до зниження можливості виникнення пожежонебезпечної ситуації, тобто підвищується надійність захисту освітлювальних установок із ЛР, а разом з тим і взагалі електрообладнання змінної потужності. На Фіг.1 як приклад представлена функціональна схема пристрою захисту із триступінчастої автоматично регульованої уставкою струму спрацьовування для освітлювальної установки (надалі тексті ОУ) із ЛР. На Фіг.2 наведена принципова схема силового блоку. На Фіг.3 принципова схема триканального компаратора. На Фіг.4 наведена принципова схема фіксатора нуля напруги. На Фіг.5 наведені епюри напруг на вході "~8" фіксатора нуля напруги (фі г.5,а), вході "є" (Фіг.5,6) і виході "0" (Фіг.5,в) транзисторного ключа фіксатора нуля напруги. На Фіг.6 наведена принципова схема органа часового збігу. На Фіг.7 принципова схема джерела живлення. Пристрій захисту містить силовий блок 1, включений у фазовий провід "Ф" захисного електрообладнання (освітлювальної установки) 2 і блок керування 3, що включає в себе джерело живлення 4. Вхід джерела живлення 4 з'єднаний з нейтральним "0" і фазним "Ф" проводами на вході силового блоку 1. Крім того, блок керування 3 містить вимірювальний орган 5, що складається з генераторів імпульсів 6,7,8 (по числу уставок струму спрацьовування пристрою захисту), триканального компаратора 9, фіксатора нуля напруги 10 й органа часового збігу 11. Входом компаратора 9 є трансформатор струму ТТ1, первинна обмотка якого включена у фазовий провід "Ф" освітлювальної установки 2. Вихід трансформатора струму ТТ1 з'єднаний із входом операційних підсилювачів 12,13,14 (вхід "К" операційних підсилювачів 13 й 14, і вхід "И" підсилювача 12). Вхід, що залишився, операційних підсилювачів (вхід "И" підсилювачів 13 й 14, і вхід "К" підсилювача 12) з'єднаний з дільником опорної напруги 15. Вихід "е" кожного операційного підсилювача 12,13,14 з'єднаний з виходом органа часового збігу 11. Орган часового збігу 11 містить логічні елементи типу "И". Один із двох ввідних виводів кожного логічного елемента з'єднані в загальну точку "0", що з'єднана з виходом фіксатора нуля напруги 10. Ввідні виводи, що залишилися, логічних елементів є входом органа часового збігу 11. Вихід логічних елементів органа часового збігу з'єднаний із входом свого генератора імпульсів, відповідно 6,7,8. Вихід 7 83580 кожного генератора імпульсів 6,7,8 (відповідно а, б, с) з'єднаний з ланцюгом керування відповідного симістора S1¸S3 силового блока 1. Силовий ланцюг кожного із симісторів S1¸S3 з'єднай послідовно зі своїм автоматичним вимикачем, відповідно А1, А2, A3. Контакти Κ1, Κ2, К3 автоматичних вимикачів Α1, Α2, A3 у випадку аварійних ситуацій розривають ланцюг навантаження 2. К4¸К7 - вимикачі, що не володіють функціями захисту, якими вручн у змінюють потужність навантаження захисного електрообладнання 2. Фіксатор нуля напруги 10 містить компаратор 16 на операційному підсилювачі 7, ви хід якого з'єднаний із входом транзисторного ключа 17, а його вхід з'єднаний з виходом мостікового випрямляча 18. Вхід мостікового випрямляча з'єднаний з однієї із вторинних обмоток трансформатора напруги блоку живлення 4 через опір R1. Вихід мостікового випрямляча 18 з'єднаний також через опори R2 й R3 з виводами "+12" й "-12"В джерела живлення 4. Пристрій захисту електрообладнання працює таким чином. У вихідному положенні автоматичні вимикачі Α1, Α2, A3 зведені, тобто їхні контакти Κ1, Κ2, К3 замкнуті. Однак струм у силовому ланцюзі з'явиться тільки тоді, коли будуть виконані наступні дві умови: 1) буде включений хоча б один з вимикачів К4, К5, К6, К7, які не мають функції захисту; 2) напруга на одній із вторинних обмоток трансформатора напруги джерела живлення 4 "~8"В буде відповідати умові çuвхç³Uоп. Тільки при спільному виконанні цих дво х умов у силовому ланцюзі з'явиться струм. Дійсно при відсутності вхідного сигналу напруга на вході операційного підсилювача 16 фіксатора нуля напруги 10 визначається спаданням напруги на діодах VD3 й VD4 й, отже, напруга на виході "e" операційного підсилювача 16 буде максимально можливим і рівним приблизно "-12"В (Фіг.5, а та б). При позитивному значенні вхідної напруги uвх "~8" (Фіг.5, а), при виконанні умови uBX