CC BY
62
УДК 629.7.064.52
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО
ОТКЛЮЧЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Р. И. Куницын, А. О. Казарин, Н. В. Штабель Научный руководитель - Е. А. Мизрах
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: madantoxa@pochta.ru
Исследовано быстродействие макетного образца устройства защитного отключения сетей постоянного тока, произведена проверка компьютерной модели цифровой обработки сигналов.
Ключевые слова: устройство защитного отключения, постоянный ток, быстродействие, цифровая обработка сигналов, токи утечки, ток нагрузки.
EXPERIMENTAL STUDY OF PROTECTIVE DEVICE FOR DIRECT
CURRENT NETWORKS
R. I. Kunitsyn, A. O. Kazarin, N. V. Shtabel Scientific supervisor - E. A. Mizrah
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: madantoxa@pochta.ru
Authors investigated the performance of protective device for direct current networks, made a computer model of digital signal processing.
Keywords: residual current device, direct current, speed, digital signal processing, and leakage current, load current.
В настоящее время в электротехнике применяются устройства защитного отключения (УЗО), использующиеся для защиты электрооборудования, а также человека от поражения электрическим током при снижении сопротивления изоляции путем отключения подачи энергии.
В Российской промышленности и быту широко применяются УЗО для сетей переменного тока, однако для сетей постоянного тока такие устройства встречаются гораздо реже. В сетях постоянного тока при снижении сопротивления изоляции или при контакте человека с токоведущими шинами также возможно появление токов утечки, что требует применения УЗО для защиты электрооборудования и людей, это особенно актуально при испытаниях электрооборудования спутников, в системах солнечной энергетики и т. д.
В УЗО сетей переменного тока для измерения токов утечки используется дифференциальный трансформатор тока [2; 3], однако он неспособен измерять постоянные токи утечки, что делает его применение невозможным в сетях постоянного тока. Поэтому в предложенном УЗО для измерения токов утечки предлагается использовать датчики малых токов на основе эффекта Холла. В отличие от большинства существующих УЗО и устройств измерения токов утечки, использование датчика на основе эффекта Холла позволяет исключить гальваническую связь УЗО с защищаемой сетью, что исключает любые воздействия на защищаемую сеть.
Авторами был разработан и изготовлен макетный образец УЗО сетей постоянного тока, быстродействие которого исследуется в данной работе.
Структурная схема УЗО постоянного тока показана на рис. 1.
На структурной схеме УЗО показаны: ключ размыкания цепи К, дополнительные резисторы R1 и R2 с ключами К1 и К2, микроконтроллер МК (семейство STM32), устройство ввода ВВ, устройство
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
индикации ИНД, датчик токов утечки ДТУ (модель SLD-1), датчик тока нагрузки ДТ (модель LEM LA200-P), сопротивления изоляции Яда! и Яиз2, блок питания БП.
Рис. 1. Структурная схема УЗО
В процессе работы УЗО шина заземления с помощью ключей К1 и К2 попеременно подключается к плюсовой и минусовой шинам сети питания через резисторы Я1 и При этом образуется цепь протекания токов утечки через заземляющую шину, сопротивления Яиз2 и Яиз1 соответственно, что позволяет произвести измерение величины токов утечки. Устройство ввода совместно с устройством индикации позволяет задавать пороги срабатывания на ток утечки и ток нагрузки. Дополнительно с помощью датчика ДТ, выполненного также на основе эффекта Холла, обеспечивается защита по току нагрузки.
В данном УЗО в качестве устройства управления и обработки сигналов используется микроконтроллер со встроенным АЦП, который позволяет производить преобразование сигналов с ДТ и ДТУ в цифровой вид, и затем, осуществляя сравнение полученных значений с заданными уставками, принять решение о размыкании цепи.
Исходя из требований по безопасности электроустановок [1] были определены следующие требования по времени срабатывания УЗО для защиты человека: 30 мс. при токах нагрузки менее 16 А, 150 мс. при токах нагрузки свыше 16 А.
Значения дифференциальных токов срабатывания УЗО: 6-30 мА при величине тока нагрузки 1н менее 16 А, до 500 мА при величине тока нагрузки свыше 16А. Указанные требования достаточны при напряжении питающей сети до 100 В.
-► [гн1
ь- 1 ь- <ч 1 ь ч 1 ь- г- 1 -► Г 1 -
10э+1 1
Ток СигнагДТУ Обработка сигнала Усрвднение и Сигнал на
на АЦ П (б месте цифр се зе ср-ав нен № кг ю-
С выборкой; 21 LB 10U5
-► 1—1
1 ч I ь- ч 1 ь- 1 г 1
5.5*{10^5)5+1 1
Ток Сигнал ДТ ОбрАшв огепа Усреднение и Сигнал на
на АЦП 1 {вместе- цифровое сравнение 1 кло-. с выборкой; 211В 10 ш
Рис. 2. Схема моделирования цифровой цепи обработки сигналов в БтиНпк
Было произведено снятие характеристик с реального устройства и сравнение полученных показателей быстродействия с компьютерной моделью цепи обработки сигналов УЗО. Моделирование УЗО производилось в программном пакете Simu1ink. Схема моделирования цифровой цепи обработки сигналов в УЗО показана на рис. 2. Результаты исследования приведены на рис. 3-4.
В ходе тестирования устройства получены следующие значения: время срабатывания по току нагрузки устройства - 140 мкс (рис. 4, б), по току утечки - 396 мс (рис. 3б). При моделировании получены следующие значения - время срабатывания ДТ нагрузки устройства - 130 мкс (рис. 3а), ДТУ устройства - 383 мс (рис. 4, а). Таким образом, результаты, полученные при тестировании устройства и моделировании практически одинаковые, что говорит о соответствии устройства программной модели. Также следует отметить, что время срабатывания устройства соответствует требованию по безопасности электроустановок, а ток утечки удовлетворяет требуемым значениям дифференциальных токов срабатывания УЗО.
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0082). Уникальный идентификатор КРМБР157714Х0082.
Рис. 3. Сигнал с ДТУ модели (а) и устройства (б)
а б
Рис. 4. Сигнал с ДТ модели (а) и устройства (б)
Библиографические ссылки
1. О безопасности электроустановок : технический регламент. 2008.
2. ГОСТ Р 50807-95 (МЭК 755-83). Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током. Общие требования и методы испытаний. М. : Стандартинформ, 2003.
3. Полезная модель 31688 Российская Федерация. Устройство защитного отключения / Г. К. Шварц, Г. И. Грунский // Заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Концерн Энергомера», заявл. 2003107196/20, 19.03.2003; зарегистр. 20.08.2003.
© Куницын Р. И., Казарин А. О., Штабель Н. В., 2015
б
а
