Возможность построения схем защитного отключения, отвечающих основным требованиям, в значительной мере определяется выбором типа входного сигнала. Входным сигналом может служить любой параметр электрической установки, изменение которого в аварийной ситуации можно зарегистрировать различными датчиками, являющимися основными элементами приборов защитного отключения и определяющими в основном их чувствительность и быстродействие. Рассмотрим возможные принципы построения схем приборов защитного отключения.
1. Схемы, реагирующие на потенциал корпуса относительно земли (рис. 5-1). Иногда датчик — обмотка максимального реле напряжения — включается также на разность потенциалов между корпусом и нулевым проводом (в рассечку нулевого провода). Несмотря на очевидную простоту, схемы, построенные по этому принципу, мало распространены, так как имеют следующие недостатки:
а) нестабильность уставки. Если обмотка реле включена на разность потенциалов между корпусом и землей, любые колебания величины сопротивления вспомогательного заземления вызывают изменения уставки. Включение же высокоомной обмотки реле в рассечку нулевого провода лишает электроустановку защиты занулением;
б) трудность обеспечения селективности, которая соблюдается только при отсутствии проводящих связей между корпусами и наличии отдельных заземлителей для каждого потребителя;
в) низкая надежность защиты, обусловленная отсутствием самоконтроля.
Отсутствие самоконтроля у приборов защитного отключения, построенных на данном принципе, позволяет использовать их только в качестве дополнительных средств защиты, а невозможность обеспечить селективность в условиях промышленного предприятия еще больше ограничивает их применение. Можно рекомендовать к использованию только в передвижных электроустановках с изолированной нейтралью в дополнение к заземлению, особенно если параметры заземления не удовлетворяют требованиям безопасности.
Рис. 5-2. Схема защитного отключения на токе замыкания на землю.
- Схемы, реагирующие на ток замыкания на землю, по построению, не отличаются от предыдущих схем, только вместо реле напряжения в рассечку заземляющего или зануляющего провода включается катушка токового реле. Для выполнения такой защиты чаще всего обмотка реле включается не непосредственно в разрыв цепи зануления или заземления, а через быстронасыщающиеся трансформаторы тока (рис. 5-2).
Схема не обладает самоконтролем, а в условиях промышленного предприятия и селективностью, поэтому может рекомендоваться только для защиты в передвижных электроустановках в дополнение к заземлению либо занулению.
- Схемы на постоянном оперативном токе. Входным сигналом в таких схемах служит постоянный ток, проходящий через сопротивление изоляции контролируемой электроустановки при приложении к ней постоянного оперативного напряжения. Оперативное напряжение получают либо от внешнего источника, либо от контролируемой сети посредством выпрямителей (так называемые вентильные схемы). Принцип работы такого рода схем и их устройство подробно описаны в гл. 2. Остановимся только на характеристике их с точки зрения возможности использования для защитного отключения.
Рис. 5-3. Схема защитного отключения на постоянном оперативном токе.
Из двух возможных способов получения оперативного напряжения для защитного отключения следует признать более целесообразным использование независимого источника, поскольку вентильные схемы не обеспечивают самоконтроль, подвержены влиянию коммутационных переходных процессов и колебаниям напряжения в контролируемой сети [Л. 13 и 39]. При включении обмотки реле по специальной схеме контроля (рис. 5-3) создается возможность обеспечить самоконтроль схемы защитного отключения. Для этого применяется в качестве датчика поляризованное реле РЗ, размыкающее контакты при уменьшении через его обмотку тока, принятого по направлению за «положительный», до значения, равного току возврата. Контакты реле остаются разомкнутыми в случае дальнейшего уменьшения тока через обмотку при токе, равном нулю, и при изменении направления тока. При включении обмотки реле по схеме на рис. 5-3 величина тока через нее определяется величиной эквивалентного сопротивления изоляции Rэ, так как на участке цепи 1—2 сила тока в параллельных ветвях схемы обратно пропорциональна их сопротивлениям. Если обмотку реле включить таким образом, что «положительный ток» будет уменьшаться при уменьшении эквивалентного сопротивления изоляции Rэ, схема будет обеспечивать самоконтроль. Действительно, в случае обрыва цепи питания катушки, обрыва сопротивления либо исчезновения оперативного напряжения реле РЗ сработает и вызовет отключение электроустановки, разомкнув свои размыкающие контакты в цепи питания обмотки аппарата отключения. Самоконтроль не осуществляется только в случае обрыва цепи дросселя Др и дополнительного трансформатора ТД, т. е. в цепи подключения прибора к контролируемой сети (такой обрыв эквивалентен возрастанию сопротивления изоляции до бесконечности).
Из других свойств схем на оперативном постоянном токе отмечается невозможность селективной работы, так как величина входного сигнала определяется эквивалентным сопротивлением изоляции всей электроустановки. Схемы не могут использоваться в сетях с глухим заземлением нейтрали, в которых сопротивление изоляции шунтируется сопротивлением заземления нейтрали. Приборы, построенные на таких схемах, осуществляют весь
комплекс защит, в том числе и защиту от поражения при прикосновении человека к фазному проводу. Их можно рекомендовать к использованию в передвижных электроустановках с изолированной нейтралью в качестве единственного и основного защитного мероприятия.
Рис. 5-4. Схема защитного отключения на переменном оперативном токе.
- Схемы на переменном оперативном токе. На электроустановку промышленной частоты можно накладывать переменное напряжение другой частоты и использовать в качестве входного сигнала величину тока через изоляцию электроустановки, вызванного оперативным напряжением.
В схеме Ленинградского политехнического института (рис. 5-4) в качестве источника оперативного напряжения используется посторонний генератор частотой 300 Гц. Напряжение, создаваемое генератором, накладывается на контролируемую сеть через трансформатор напряжения НОМ-6. На каждом ответвлении к потребителю электрической энергии устанавливается трансформатор тока типа ТНП, вторичная обмотка которого через фильтр LC и выпрямитель Д1—Д4 включена на обмотку реле либо катушку автоматического выключателя. При возникновении замыкания на землю в зоне защиты либо ухудшении изоляции ток через первичную обмотку ТНП возрастает и его составляющая частота 300 Гц пропускается фильтром на выпрямитель и обмотку реле.
Схема такого рода позволяет осуществлять автоматический контроль изоляции, защиту от замыканий и от прикосновения к фазным проводам в зоне защиты. Как и схемы предыдущего типа, эта схема может применяться только в сетях с изолированной нейтралью. Однако в том виде, как она представлена в настоящее время, вряд ли может найти широкое применение, поскольку в ней используются такие громоздкие элементы, как трансформатор НОМ-6 и дополнительный генератор. Кроме того, использование для контроля напряжения, частота которого в 6 раз превосходит частоту напряжения питания, делает схему неприемлемой для сетей с большой емкостной проводимостью изоляции. В таких сетях при высокой чувствительности защиты возможны ее ложные срабатывания, а при ее загрублении снижается эффективность (особенно при прикосновении к фазам).
- Схемы, реагирующие на небаланс фазных напряжений. В сетях с изолированной нейтралью любая несимметрия в производимоcти изоляции фаз вызывает появление разности потенциалов между нейтралью источника напряжения и землей ·
где g — проводимость в месте замыкания фазы на землю.
Напряжение смещения нейтрали вызывает искажение симметрии фазных напряжений, которое можно выделить посредством специальных фильтров и использовать в качестве входного сигнала прибора защитного отключения. В качестве фильтров U0 чаще всего используется схема из трех однофазных трансформаторов тока, вторичные обмотки которых включены в открытый треугольник (рис. 5-5, а).
В сетях с глухим заземлением нейтрали входным сигналом может служить напряжение нулевой последовательности, если обмотку реле включать в нейтраль источника (рис. 5-5, б).
Из выражений (5-4) — (5-7) следует, что величина входного сигнала зависит от степени несимметрии сопротивления изоляции, а при замыкании одной из фаз на землю — от отношения проводимости в месте замыкания к суммарной проводимости изоляции. Очевидно, что разница в величинах входного сигнала в этом случае настолько значительная, что практически исключается возможность использования такого рода схем для защиты одновременно и от замыканий на землю, и от ухудшений сопротивления изоляции (например, в результате прикосновения человека к фазному проводу).
Рис. 5-5. Схема защитного отключения на несимметрии фазных напряжений.
Схемы, реагирующие на несимметрию фазных напряжений, неселективны, так как степень несимметрии определяется проводимостями изоляции всей электроустановки. Их применение в сетях с глухозаземленной нейтралью невозможно, так как при наличии зануления схема не будет работать, а использование ее в качестве единственной меры защиты исключается отсутствием самоконтроля.
Наиболее вероятная область использования приборов, построенных на таких схемах, — неразветвленные сети с изолированной нейтралью, в которых предъявляются повышенные требования к безопасности в дополнение к заземлению. Ухудшения изоляции, вызвавшие срабатывание защитного отключения, в таких сетях обнаружить проще.
Некоторого повышения качества такого рода схем можно добиться, если использовать в схеме в качестве датчика не одно, а три реле, обмотки которых включаются на фазные напряжения (рис. 5-6). Такая схема осуществляет самоконтроль, так как при снижении напряжения на катушке любого реле, в том числе и при обрыве цепи питания, срабатывает защитное отключение. Схема может применяться в качестве единственной защиты в передвижных электроустановках, так как использование на промпредприятиях ограничивается отсутствием селективности защиты.
Рис. 5-6. Схема защитного отключения на напряжении фаз относительно земли.
Рис. 5-7. Схема защитного отключения на несимметрии фазных токов.
6. Схемы, реагирующие на небаланс фазных токов (схемы на токе нулевой последовательности). Любое замыкание на землю или корпус электрооборудования в трехфазных сетях сопровождается нарушением симметрии фазных токов и напряжений. Произведем оценку этого изменения на примере схемы рис. 5-7. При появлении несимметрии в проводимостях изоляции фаз возникает напряжение смещения нейтрали U0, нарушающее симметрию фазных напряжений (в сетях с глухозаземленной нейтралью — напряжение нулевой последовательности) :
В сетях с изолированной нейтралью ток нулевой последовательности равен нулю, так как нет пути для его прохождения.
Если в качестве датчика входного сигнала использовать трансформатор тока нулевой последовательности, то в сети с глухозаземленной нейтралью такой датчик, включенный по схеме рис. 5-7, будет выделять утроенное значение тока нулевой последовательности. Величина этого тока по (5-14) практически составляет весь ток замыкания по (5-13), поскольку даже при не очень высоком качестве изоляции
. Поэтому датчик будет выделять практически одинаковую величину входного сигнала независимо от места его установки в сети: у источника напряжения или у потребителя. Схема не обладает селективностью.
При глухом замыкании фазы на землю схема также не будет защищать от прикосновения к фазным проводам, так как токи нулевой последовательности, вызванные несимметрией нагрузки, составляют значительную величину и придется загрублять чувствительность схемы во избежание ложных срабатываний.
Значительно большей эффективности схем на токе нулевой последовательности можно добиться при их использовании в сочетании с занулением. В этом случае можно применять значительные по величине уставки защитного отключения, позволяющие отстроить защиту от ложных срабатываний. Безопасность обеспечивается малым временем срабатывания защиты и снижением напряжения прикосновения посредством зануления. Такая комбинированная система защиты особенно эффективна, так как позволяет устранить два основных недостатка зануления: большое время срабатывания защиты, особенно при неполных замыканиях на корпус; возможность поражения в результате ошибочной замены местами фазного и нулевого проводов. Однако даже в таком сочетании схему можно рекомендовать для применения только в условиях особой опасности либо при невысоких требованиях к обеспечению селективности. Следует заметить, что при условии решения вопроса о селективности такого рода схем они являются наиболее перспективными для сетей с глухозаземленной нейтралью.
В сети с изолированной нейтралью датчик ТНП выделяет разность токов утечки через проводимость изоляции в зоне защиты и вне ее. На основании (5-12) эта разность равна:
Основные качества схем защитного отключения, построенных на различных принципах
Величина проводимости сети определяется при прочих равных условиях ее протяженностью, поэтому условие (5-16) соблюдается только при установке датчика (трансформатора ТНП) у потребителя ближе к месту замыкания. В этом случае проводимость изоляции в зоне защиты можно принять равной нулю (при глухом замыкании) и защита будет реагировать на полный ток замыкания. Если же ТНП установлен у источника напряжения, защита работать не будет.
Рассмотренная схема, регистрирующая небаланс фазных токов, позволяет добиться селективности защиты в некотором диапазоне, определяемом техническими данными ТНП и длиной защищаемых участков сети (селективность обеспечивается изменением соотношения между ΣΥе и ΣΥi в результате изменения длины защищаемого участка сети). При установке ТНП у потребителя можно принимать высокую чувствительность схемы, обеспечивающую защиту от прикосновений к фазным проводам.
Таким образом, схемы на небалансе фазных токов весьма перспективны для создания приборов защитного отключения, применимых в промышленных электрических сетях.
Основные качества схем защитного отключения, построенных на различных принципах, сведены в табл. 5-1. Как видно из табл. 5-1, ни один из известных принципов контроля не позволяет построить защиту, удовлетворяющую всем требованиям. Решение может быть найдено, по-видимому, только при сочетании различных принципов контроля в одной схеме прибора защитного отключения.