CC BY
20
УДК 622:621.316.1
К РАЗРАБОТКЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ И АППАРАТА ШУНТИРУЮЩЕЙ ЗАЩИТЫ ДЛЯ СЕТЕЙ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
В.Н. Борисов, Г.Х. Хожин, B.C. Сидельковский
Алматинский институт энергетики и связи Ю.А. Пеньков
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Окршауланган бейтарапты тораптардагы шунттайтын коргау аппараттарына усынылатын Heci&i пгалаптар талкыланган жене олардыц эрекет ету тшмдтгЫ арттыруга арналган нуск,аулар бермген
Рассмотрены основные требования, предъявляемые к аппаратам шунтирующей защиты в сетях с изолированной нейтралью и даны рекомендации по повышению их эффективности действия
The main reguirements presented to apparatus of the by-passing protection in net-works with insulate neutral are examined and the recommendations for increase of their effective action are given here.
Известны способы зашиты шунтированием, а также разработки устройств, реализирующих этот метод, например, предложенные Стронгиным П. Я., коллективом авторов ИГД России (Микрюков В. И.,Ягудаев Б. М.и др.). ВОСТНИИРоссии (Щур Н. А., Жидков В. О.) и рядом других авторов.
Наиболее ответственными и сложными задачами при создании защитных шунтирующих устройств
(ЗШУ) являются: 1) разработка определителя поврежденной фазы (ОПФ); 2) разработка принципа и схемы дешунтирования (снятие защитного шунта по завершении акта защиты). Необходимость дешунтирования обусловливается как преобладанием самоустраняющихся кратковременных утечек над длительными утечками, так и реальными фактами самоосвобождения человека.
коснувшегося фазы при своевременной постановке закоротки "фаза -земля", шунтирующей его тело. Де-шунтирование необходимо и для сокращения или предотвращения перерывов электроснабжения при совершении актов защитных отключений сетей при утечках тока не землю. Рассмотренные публикации [1.2,3] и патентная литература [4, 5,6] показывают, что проблема эта (до сих пор) до конца не решена.
Рассмотрим ряд предложений, посвященных разработке проблемы дешунтирования. Первым этой проблемы коснулся Стронгин П. Я., при разработке шунтирующего устройства для сетей с изолированной нейтралью напряжением 35 кВ [1].
Особенностью защиты П. Я. Стронгина является то, что корпуса электрооборудования заземлены постоянно, а токоведущая часть, которая находится под напряжением, автоматически заземляется при прикосновении к ней человека. В качестве заземляющего аппарата используется выключатель с по - фазным управлением. Чувствительная часть устройства (реле) осуществляет выбор поврежденной фазы и включает аппарат в действие. Возврат шунта в отключенное состояние происходит автоматически через определенное время, оговоренное местной инструкцией. Основным недостатком способа является возможность повторного попадания человека под действие опасного для его жизни
напряжения в случаях, когда он за время срабатывания защиты не сумел освободиться от действия тока. т.к. шунтирующая цепочка отключается через некоторый, субъективно выбранный промежуток времени.
Аппаратура АЭБК - 1, разработанная ВОСТНИИ России [4], авторы Щур Н. А.. Жидков В. О., и др., наряду с защитным шунтированием человека. коснувшегося фазы, защищает от поломок электропривод экскаватора при внезапном снятии движения в связи с защитным отключением. При самоустраняющихся утечках шунтирование выполняется с временем до 5 с без перерыва электроснабжения до гашения инерции движущихся масс привода и экскаватора и затем шунт снимается. Однако за указанный период не исключено возникновение утечки (касание человека) к другой фазе, т.е. возникновение двухфазного замыкания на землю или эквивалентного, но тяжелого по последствиям соприкосновения человека с двумя линейными проводами. Совмещение защиты человека и механизмов машины недопустимо и в этом существенный недостаток рассматриваемого аппарата.
Более эффективное решение проблемы снятия шунта предложено в A.C. (СССР) № 657514, [5], в котором осуществлено автоматическое снятие защитного шунта. Это достигается тем, что для включения - отключения аппарата заземления фазы, последний выполнен из двух встречно -парал-
лельных тиристоров, последовательно соединенных с ними резистора и первичной обмотки трансформатора тока, вторичная обмотка которого подключена к реле времени. Управляющий электрод каждого тиристора через диод, разделительный трансформатор и тиристор соединен с формирователем положительных импульсов и одновременно с вторичной обмоткой импульсного трансформатора с прямоугольной петлей гистерезиса. К первичной обмотке последнего через тиристор и формирователь отрицательных импульсов подключен входной трансформатор - датчик ОПФ напряжения "фаза-земля". Формирователь отрицательных прямоугольных импульсов выполнен из соединенных последовательно стабилитрона и диода, включенных в обмотку входного трансформатора напряжения "фаза -земля" через переход тиристора эмиттер - база. Для запуска реле времени используется сигнал, поступающий от вторичных обмоток трансформатора гока, возникающий при касании человека к любой из фаз сети.
Основными достоинствами ЗШУ по А.С.№ 657514 являются:
- устройство позволяет устранить отключение сети с изолированной нейтралью при кратковременных самоустраняющихся утечках с одновременным выполнением требований электробезопасности для обслуживающего персонала (устраняются случаи поражения человека неотпускающим и
фибрилляционным токами);
- применение бесконтактной аппаратуры повышает надежность защиты, сводит к минимуму возможность случайного или умышленного загруб-ления уставки защитного устройства;
- устройство имеет возможность значительного снижения тока и времени воздействия на человека при предложенном виде шунта, позволяет смягчить требования к сопротивлению изоляции по факту электробезопасности, что позволяет применять сети электроснабжения с большей разветвленно-стью, количеством потребителей и коммутационных аппаратов, т.е. избежать дробления сетей и подстанций;
- способно к автоматическому самовозврат)' сети, оснащенной предложенным ЗШУ, к нормальному эксплуатационному режиму по завершению акта защиты без перерыва электроснабжения объекта, что дает преимущество и с экономической точки зрения.
Однако это устройство имеет и ряд недостатков:
- не удовлетворяет одному из основных пунктов требований к ЗШУ. согласно которому при касании человеком одновременно двух фаз в них не должны ставиться шунты, так как ЗШУ в этом случае выходит из строя из - за двухфазного КЗ;
- большое количество моточных деталей (66 обмоток в большинстве выполненных тонким проводом диаметром 0,05 мм), и нестабильность
кольцевых ленточных сердечников импульсных трансформаторов, выполненных из пермаллоя с большим разбросом параметров. Это создает большие сложности в наладке и настройке устройства и приводит к непредсказуемым отказам при эксплуатации.
Разновидностью рассмотренного ЗШУ, но оснашенного контактным шунтом, является схема по A.C. СССР № 843086 [6].
Основные достоинства этой схемы:
- применение пятистержневого трансформатора напряжения повышает устойчивость защиты от ложных срабатываний при переходных процессах в сети, позволяет получать фазные, линейные напряжения и утроенные напряжения нулевой последовательности, используемые в цепях защиты, сократить расход стали и меди, в сравнении с тремя однофазными трансформаторами;
- использование контактного шунта полностью устраняет утечки на землю через шунтирующую часть схемы устройства при нормальном эксплуатационном режиме сети, а при акте защиты устраняет протекание тока через человека;
- также как и схема по A.C. № 657514 контактный шунт выполняет автоматическое дешунтирование цепи "фаза-земля", осуществляя самовозврат сети к нормальному эксплуатационному режиму по завершении акта
защиты без перерыва электроснабжения;
- применение блокировочной контактной системы устраняет двухфазные и трехфазные замыкания в цепях схемы защиты при переходных процессах, связанных с включением и отключением потребителей.
Недостатками схемы являются:
- большое количество реле и контактов (21 контактная пара). Выход из строя любого реле или контакта ведет к отказу защиты или к аварии с аппаратом;
- требуется почти ювелирная точность регулирования контактов, особенно в цепях предотвращающих двухфазные или трехфазные КЗ при переходных процессах или при выдаче ОПФ сигнала при двухфазных утечках на землю;
- не удовлетворяется требование к ЗШУ при касании человека одновременно к двум фазам.
Рассмотрение достоинств и недостатков, разработанных выше устройств A.C. № 657514 и A.C. № 843086, позволяет отметить главное: обе схемы прогрессивны, удовлетворяют большинству требований к ЗШУ, но не лишены существенных недостатков, подтвержденных проверкой в лабораторных условиях на физической модели шахтной сети с изолированной нейтралью напряжением 380 В.
С учетом указанных выше недостатков схем рассмотренных ЗШУ были уточнены и сформулированы
обязательные требования к ним [3].
1. Ограничение тока через человека, коснувшегося токоведущего элемента, находящего под рабочим напряжением, отпускающей величиной, например 6-10 мА [7, 8].
2. Сокращение защитных отключений сети при кратковременных самоустраняющихся утечках и кратковременном касании человеком токове-дущей части электроустановки.
3. Отключение сети с недопустимыми длительными утечками на землю.
4. Обеспечение нормального эксплуатационного режима сети после завершения акта защиты.
5. Иметь быстрое действие, достаточное для создания щадящего режима защиты и для предупреждения возникновения двухфазных замыканий на землю.
6. Осуществлять непрерывный контроль сопротивления изоляции сети, а также сигнализацию с указанием фазы с поврежденной изоляцией.
7. Обеспечивать работоспособность аппаратуры в подземных условиях рудников.
По пункту 5 требования к ЗШУ нами предлагается дополнение: при касании человека одновременно к двум фазам ЗШУ должно отключать сеть без выдержки времени. Понятно, что для распознавания и для реализации действий, соответствующих этим требованиям, ЗШУ должно оснащаться логическим блоком или микропроцессором, а силовые элементы выпол-
няться бесконтактными.
Принцип шунтирующей защиты и ее логические действия базируются на общеизвестных требованиях к ЗШУ. приведенных выше применительно к возможным основным нарушениям нормального функционирования сети и ее электроустановок с точки зрения электробезопасности, и состоят в следующем:
1. Если защищаемая сеть не имеет утечек и удовлетворяет требованиям ПБ (сопротивление изоляции относительно земли, например для нелинейного напряжения 380 В более 10,5 кОм на фазу), то все определители повреждения фаз (ОПФ) выдают на вход блока логики, на запускающие генераторы шунтирующих симисторов и блок отключения сети от подстанции, логические нули - сеть нормально функционирует, все блоки защиты бездействуют, точнее находятся в режиме слежения.
2. Появление в защищаемой сети однофазной утечки на землю (замыкание фазы на землю) или однофазное касание человека, например к фазе 1. Напряжение в сетях с изолированной нейтралью этой фазы относительно земли заметно снижается, а на двух неповрежденных фазах увеличивается. На выходах ОПФ "здоровых" фаз (фазы 2, 3) появятся логические единицы, а на выходе ОПФ поврежденной фазы 1 останется логический нуль. Через систему логики логические единицы с ОПФ фаз 2, 3 дадут сигнал на
наложение резисторно - емкостного шунта симистору - коротителю поврежденной фазы 1 с одновременным запретом на постановку шунтов в здоровых фазах 2, 3, а также запрет блоку отключения сети от подстанции т.е. защита начнет осуществляться без отключения сети. Однако, с точки зрения электробезопасности, логика одновременно запустит элемент счета времени с уставкой 1.28 с на возможное отклю-чение сети от подстанции блоком отключения. Если при поставленном шунте человек за указанный промежуток времени не освободится от фазы, то через 1.28 с блок отключения отключит сеть.
3. Если утечка при наложенном шунте самоустранилась за время 1,28 с, то оперативный ток в системе контроля кратковременных самоустраняющихся утечек (СККСУ) и системе контроля симметричного уровня сопротивления изоляции фаз (СКСУИФ) создает перепад напряжения в цепи: "поврежденная фаза - шунт - земля", который через элементы логики даст запрет работе генератора управляющего шунтирующим симистором поврежденной фазы, симистор этой фазы закроется. шунт будет снят и электроснабжение во время акта защиты не будет прервано.
4. При касании человеком двух фаз напряжения этих фаз относительно земли несколько снизятся, а напряжение "здоровой" фазы заметно воз-
растет и станет выше фазного. На выходе ОПФ "здоровой" фазы появится логическая единица, а на выходах поврежденных фаз останутся нули, поэтому эти фазы не будут зашунтиро-ваны, зато логической единицей, выданной ОПФ "здоровой" фазы, будет запущен блок отключения сети без выдержки времени, т.е. произойдет защитное отключение (30).
5. Если однофазное касание человека при наложенном шунте длилось более 1,28 с по причине, например, механической травмы. ОПФ будет выдавать сигналы, аналогичные описанным в пункте 2, но счетчик времени через 2,56 с выдаст логическую единицу блоку отключения и сеть будет обесточена, причем отключение сети осуществится при наложенном шунте, благодаря чему произойдет гашение ЭДС выбега двигателей и разряда емкости сети, в чем также проявляется щадящее действие шунтирующей защиты.
6. Если при эксплуатации сети произошло постепенное симметричное снижение сопротивления изоляции фаз относительно земли, то это явление при достижении изоляцией критического значения (г = 10,5 кОм на фазу, согласно ПБ дня и = 380 В) воздействует на систему СКСУИФ в составе ЗШУ и она выдаст сигнал в виде логической единицы на блок отключения сети (БО).
Все 6 рассмотренных выше действий ЗШУ соответствуют основным требованиям электробезопасности к
№3, 2002г.
135
шунтирующим устройствам и в ком- ствия и логику работы защитного плексе составляют принцип дей- аппарата.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стронгин П.Я. Защита от поражения электрическим током в сетях с изолированной нейтралью. Труды Северо - Кавказского горнометаллургического института выпуск 20. "Энергетика", г. Орджоникидзе (Владикавказ), 1966, С.65-70
2. Микрюков В.И.,ЯгудаевБ.М. Быстродействующее защитное закорачивание на землю фазы сети 3-10 кВ. //Безопасность труда в промышленности, 1973, №5, С. 35-37.
3. Шуцкий В.И.. Жидков В.О., Ильин Ю.Н. Защитное шунтирование однофазных повреждений электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1986, 152 с.
4. A.C. 838866 (СССР) Устройство для выбора поврежденной фазы в 3-х фазной сети с изолированной нейтра-
лью/Жидков В.О., Ильин Ю.Н.. Щур H.A. и др. Опубл. в БИЛ 982, №22.
5. A.C. 657514 (СССР)Устройство для защиты человека от поражения электрическим током. Ефремов И.М., Кругл и ков А.П. с приоритетом от 01.08.1976.
6. A.C. 843086 (СССР) Устройство для защиты от поражения электрическим током в сети с изолированной нейтралью. Ефремов И.М., Шишкин А.Г. с приоритетом от 17.08.1979
7. Решение комиссии ЦЕНТОЭП по установлению критериев безопасности электрического тока.//Электричество, 1967, №10 ,С. 85-86.
8. Киселев А.П. Власов С.П. О критериях электробезопасности. // Промышленная энергетика, 1971, №4. С. 39-41.
