Аппараты защиты от токов утечки предназначены для предупреждения поражения обслуживающего персонала электрическим током, а также исключения пожаров и снижения вероятности взрывов шахтной атмосферы токами утечек. Состоят аппараты из узла контроля изоляции фаз сети относительно земли, узла защитного отключения с помощью коммутационного аппарата в случае снижения сопротивления изоляции сети до значения уставки срабатывания аппарата И узда снижения кратковременного тока утечки, обусловленного действием обратной ЭДС после отключения сети от питающего трансформатора. Последний узел выполняется в виде устройств компенсации емкостных токов утечки в сетях напряжением до 660 В либо в виде устройства обнаружения и закорачивания на землю поврежденной фазы в сетях напряжением 1140 В [17; 66].
Аппараты защиты от токов утечки в электрических сетях напряжением 1140 В. Система защиты от токов утечки в электрических сетях напряжением 1140 В состоит из комплекса аппаратов, контролирующих сопротивление изоляции сети (блок БЗО), производящих защитное отключение сети в случае снижения этого сопротивления до опасного уровня (блок БЗО и автоматический выключатель) и снижающих кратковременный ток утечки до требуемой величины (блок БКЗ). В систему входит также высоковольтное комплектное распределительное устройство КРУВ (высоковольтная ячейка), которое отключает трансформаторную подстанцию при повреждении ее изоляции или отказе автоматического выключателя. Технические характеристики блоков (аппаратов) защиты БЗО и БКЗ приведены в табл. 26.
26. Аппараты защиты от токов утечки
* Длительный ток утечки при действии резервной защиты равен 0,025 А.
** Для АЗШ-2 — 400 К 275 X 250 мм; для АЗШ-3— 620 X 480 X 440 мм.
*** Для АЗШ-2 — 18 кг; для АЗШ-3— 70 мм.
В блоке (аппарате) защитного отключения БЗО собраны два, работающие независимо друг от друга устройства: контроля изоляции и защитного отключения (рис. 22). Одно из них, выполняющее функции основной защиты, собрано по схеме с последовательным включением измерительного релейного элемента К2 в оперативную цепь.
Трансформатор Тр2 присоединен после контактов автоматического выключателя А, поэтому до его включения основная защита выполняет функции БРУ, а после включения —общесетевой защиты от токов утечки. Второе устройство выполняет функции резервной защиты к собрано по схеме с параллельным относительно сопротивления изоляции Rиз и источника
оперативного напряжения Еон включением обмотки реле К1.
Искусственная нулевая точка, образованная соединенными в звезду обмотками трансформатора Тр1, соединена с источником оперативного напряжения через размыкающий контакт автоматического выключателя и резистор R2. При отключенном автоматическом выключателе это устройство осуществляет контроль изоляции элементов, расположенных в распределительном устройстве низкого напряжения трансформаторной подстанции, включенных перед силовыми контактами выключателя А. После включения последнего устройство контролирует всю сеть, на которую подано напряжение, а также осуществляет самоконтроль исправности элементов его схемы и отключает сеть при возникновении опасных токов утечки, отказе основной защиты или автоматического выключателя.
До подачи высокого напряжения на трансформаторную подстанцию Тр контакты 2А и 2К2 в цепи нулевого расцепителя НРД высоковольтной ячейки замкнуты и дают возможность взвести КРУВ.
Рис. 22. Упрощенная схема системы защиты от токов утечки в электрических сетях напряжением 1140 В.
Если подстанция исправна, то реле K1 срабатывает и замыкает контакты 1KI, 1К2 в цепях нулевых расцепителей автоматического выключателя НРА и НРЯ. При этом HPА срабатывает и дает возможность, включив выключатель А, подать напряжение на сеть. Если же сопротивление изоляции отходящего от подстанции присоединения мало, то реле К2 срабатывает и размыкает контакты 1К2 и 2К2 в цепях питания
НРА и HPЯ. При этом НРА отключается и блокирует от включения автоматический выключатель А. Реле K1 резервной защиты остается включенным, а его контакт 2К1 — замкнутым. Поэтому КРУВ не отключается и на трансформаторную подстанцию продолжает подаваться напряжение.
Поскольку значение уставки основной защиты выше, а время ее срабатывания ниже, чем те же параметры резервной защиты, при исправной аппаратуре и появлении опасных токов утечки всегда срабатывает автоматический выключатель. Устройство КРУВ отключается в случае повреждения изоляции элементов подстанции, включенных до силовых контактов автоматического выключателя, при отказе этого выключателя или основной защиты.
Для повышения надежности работы системы защиты реле К2 своим переключающим контактом 1К2 воздействует не только на нулевой, но и на независимый расцепители автоматического выключателя.
Снижение кратковременных токов утечки (токов через тело человека) обеспечивается блоком БКЗ, его принципиальная электрическая схема приведена на рис. 23. В отличие от упрощенной схемы (рис. 22), здесь реле К2 основной защиты включено через усилитель на транзисторах V1, V2. Этот усилитель представляет собой схему сравнения постоянных оперативного и эталонного токов.
Эмиттер-базовый переход транзистора V3 включен параллельно входу усиливающих транзисторов VI, VI. Поэтому оперативный ток, меньший эталонного, протекающего через эмиттер-базовый переход транзистора V3, замыкается, минуя вход усиливающих транзисторов. Когда же оперативный ток превышает эталонный, разностный ток течет через базовые переходы транзисторов VI, V2, которые откроются и реле К2 сработает.
Значение уставки срабатывания основной защиты регулируется резистором R17. Параллельно резистору R16 к зажимам 18, 19 блока БЗО присоединен замыкающий контакт реле напряжения К2, расположенного в блоке БКЗ. Это реле срабатывает после включения автоматического выключателя к, шунтируя резистор R16, уменьшает значение уставки основной защиты.
Взвод реле К1 резервной защиты при подаче напряжения на трансформаторную подстанцию Тр осуществляется с помощью реле К3, кратковременно срабатывающего за счет заряда конденсатора С6 и затем отключающегося. Если цепи Дз исправны, то конденсатор С2 заряжается до напряжения на стабилитроне V23 и затем разряжается через обмотку реле K1. Значение уставки резервной защиты регулируется резистором R5.
Рис. 23. Принципиальная электрическая схема блока БЗО защитного отключения на напряжение 1140 В.
При регулировке значений уставок должна соблюдаться следующая последовательность. Сначала регулируется значение уставки резервной защиты, затем — основной в режиме общесетевой защиты (при зашунтированных зажимах 18, 19) и в режиме БРУ.
Проверка работоспособности БЗО производится нажатием кнопки S. При установке переключателя на контакт 6 проверяется только основная защита, а на контакт 5—обе. Килоомметр и кнопка S устанавливаются на крышке трансформаторной подстанции и соединяются с БЗО монтажными проводами.
Блок БКЗ (рис. 24) состоит из статического компенсатора и устройства обнаружения и замыкания на землю фазы сети с поврежденной изоляцией. Компенсирующий дроссель L блока настроен с помощью изменения воздушного зазора в магнитопроводе на емкость сети, равную 0,5 мкФ на фазу. Устройство обнаружения и замыкания на землю фазы имеет три одинаковых узла А, В, С, каждый из которых контролирует напряжение между соответствующей фазой сети и землей, и релейный блок РБ.
Узлы А, В, С построены на принципе сравнения эталонного тока, пропорционального линейному напряжению сети, и тока, определяемого напряжением относительно земли той фазы, к которой присоединен блок. При снижении сопротивления изоляции между фазой сети и землей ток уменьшается, а когда становится меньше эталонного, транзисторы V2, V3 усилителя открываются, и реле К1 срабатывает. Своим контактом А-К1, В-К1 или С-К1, в зависимости от того, какой блок сработал, реле К1 включает цепь питания реле К4, К5 или К6, которые через резистор R4 соответствующего узла закорачивают фазу сети на землю.
Во избежание ложных срабатываний блока БКЗ его работой управляет блок БЗО. Замыкающий контакт реле К2 блока БЗО включен между зажимами 16, 17 релейного блока РБ, а входы усилителей узлов А, В, С зашунтированы контактами реле К3.
Обмотки исполнительных реле К4, К5, К6 в релейном блоке РБ включены так, что замыкание контактов реле К1 в цепи любого из них ведет к одновременному размыканию цепи питания обмоток двух других реле. Этим обеспечивается защита от короткого замыкания в случае сбоев в работе БКЗ и одновременного включения реле К1 в нескольких измерительных блоках.
Аппарат АЗПБ защиты от токов утечки с самоконтролем исправности элементов предназначен (см. табл. 26) для встройки в распределительные устройства низкого напряжения передвижных трансформаторных подстанций. Выпускается в виде блока, элементы которого закрыты стальным кожухом, обеспечивающим защиту от проникновения внутрь пыли и влаги, может воздействовать как на нулевой, так и на независимый расцепители выключателя А-3700, а также на оба расцепителя одновременно.
Выполняет аппарат следующие функции: предварительный контроль сопротивления изоляции отключенного от трансформатора присоединения низковольтной сети (магистрального кабеля и присоединенных к нему электроприемников); контроль изоляции фаз сети под рабочим напряжением и защитное отключение сети; автоматическую компенсацию емкостных токов утечки; самоконтроль исправности элементов схемы контроля изоляции и защитного отключения.
Аппарат АЗПБ состоит из устройства контроля изоляции и устройства автоматической компенсации емкостных токов утечки. Его принципиальная схема показана на рис. 25.
Принцип действия устройства контроля изоляции основан на методе сравнения постоянного оперативного тока с пульсирующим эталонным. Источником оперативного тока является выпрямитель, собранный на диоде V40, резисторе R39 и конденсаторе C18, сглаживающем пульсации выпрямленного напряжения. Выпрямитель питается через контакты К1. 4 реле К1 от обмоток W2, W4 трансформатора Тр4 при поданном на сеть напряжении и от одной обмотки W2 при отсутствии напряжения в сети. Первичная обмотка W1 трансформатора Тр4 связана с обмоткой 127 В трансформатора собственных нужд передвижной трансформаторной подстанции.
Эталонный ток от мостового выпрямителя V31, питающегося от обмотки трансформатора Тр4, протекает через резистор R29, блок регулировки уставок аппарата и диод V33, шунтирующий вход усилителя на транзисторах V35— V37. Трансформатор собственных нужд подстанции подключается до главных контактов автоматического выключателя, а первичные обмотки трансформатора Тр3 — после указанных контактов.
Поэтому при отключенном автоматическом выключателе, но поданном на подстанцию высоком напряжении и включенном разъединителе, на обмотках трансформатора Тр4 имеются соответствующие напряжения, Напряжение же на обмотках трансформатора Тр3 отсутствует и, следовательно, реле К1 отключено, его размыкающий контакт К1.4 в цепи питания источника оперативного тока замкнут, а замыкающий контакт К1.3 в блоке регулировки уставок разомкнут. Оперативный ток протекает через заземлитель з, землю, дополнительный заземлитель Дэ, резистор R26 и по цепи: земля, сопротивление изоляции отходящего от подстанции присоединения, фазы сети, первичные обмотки трансформатора Тр3. Далее оперативный ток течет через замкнутые размыкающие контакты К 1.2 реле К1, резисторы R24, R35, R36 и вход усилителя.
Эталонный ток течет черtз резисторы R29, R30 и далее через резисторы R31, R32 при напряжении сети 660 В или R34 при напряжении 380 В в зависимости от положения контактов переключателя S2.2. Ручка переключателя S2 (тумблера) выведена на лицевую панель блока и закрыта колпачком. Замыкается эталонный ток через диод V33.
Если сопротивление изоляции сети велико и оперативный ток меньше амплитуды эталонного тока, то в интервалы времени, когда эталонный ток превышает оперативный, через эмиттер-базовые переходы транзисторов V35, V36 ток не течет. Когда же эталонный ток становится меньшим оперативного, ток, равный нх разности, протекает через указанные переходы транзисторов V35 — Vi17, В результате усилитель периодически открывается и закрывается. Усилитель питается от выпрямителя, состоящего нз диода V34 и конденсатора С17 и соединенного с обмоткой W5 трансформатора Тр4. Если же транзисторы V35 — V37 открыты, то через стабилитрон V38 и конденсатор С19 протекает ток, заряжающий указанный конденсатор. Когда же транзисторы закрыты, конденсатор C19 разряжается через обмотку реле К2. Последнее включается и переключает свои контакторы К2.2 и К2.3 в цепях независимого и нулевого расцепителей автоматического выключателя.
В случае снижения сопротивления изоляции сети до значения уставки аппарата оперативный ток в течение всего периода изменения эталонного тока превышает амплитудное значение последнего. Усилитель при этом постоянно открыт, а конденсатор C19 прекращает периодически разряжаться через обмотку реле К2. Это реле отключается и своими контактами К.2.2, К2.3 препятствует включению автоматического выключателя, а значит, и подаче напряжения на сеть с поврежденной изоляцией.
Работа устройства в режиме общеcетевой защиты аналогична описанной. При этом реле К1 и его замыкающие контакты включены, размыкающие — отключены, а оперативный ток протекает через обмотки W1, W2, компенсирующего дросселя L4, выпрямитель V30 и замыкающий контакт KL2 реле.
Такое построение схемы обеспечивает отключение реле К2 не только при снижении сопротивления изоляции сети, но и в случае повреждения элементов схемы или заземлителей. При срабатывании устройства загорается лампа Н2.
Сопротивление изоляции сети может быть определено по прибору PR, шкала которого отградуирована в килоомах. Подсветка шкалы, а также сигнализация о подаче напряжения на аппарат производятся лампой. Проверяется аппарат соединением через его замыкающий контакт и резисторы R27, R28 фазы сети с заземлителем Дз. При исправных аппарате и цепях его соединения с фазами сети и заземлителями, допустимом сопротивлении заземлителей аппарат срабатывает в случае нажатия кнопки S.
Цепь из стабилитрона V32 и резистора R33 частично стабилизирует оперативный ток и позволяет обеспечить изменение значений уставок аппарата, соответствующее изменению напряжения сети.
Устройство автоматической компенсации состоит из компенсирующего дросселя L4, генератора на транзисторе V1, измерительного усилителя на транзисторах V3—V5 и усилителя мощности на транзисторах V13, V15, V16, нагрузкой которого является обмотка управления Wy. Отличительной особенностью
усилителя является стабилизация коэффициента усиления с помощью резисторов R6, R7 и R20, R21, R22 делителя тока и регулирующих транзисторов V3, V13, включенных параллельно входу усилителя. Коэффициент усиления такого усилителя может быть определен по формуле Ку = (1 + R6/R7)а, где а — коэффициент усиления регулирующего транзистора, включенного по схеме с общей базой, т. е. фактически определяется соотношением сопротивлений делителя тока, так как а колеблется в пределах 0,95—0,98.
Начальный ток измерительного усилителя при емкости сети, равной нулю, срезается транзистором V8, база-коллекторный переход которого присоединен параллельно входу усилителя мощности, а эмиттер-базовый переход через резисторы R11—R14 — к источнику постоянного напряжения. Этот источник состоит из выпрямительного моста на диодах V17—V19, V26—V28, резисторов R17, R19, стабилитронов V10, V14 и конденсатора С11. Питается указанный выпрямитель от вторичных обмоток трансформатора Тр3 через конденсаторы С12—С14, осуществляющие гальваническую развязку с источником напряжения на диодах V20— V25. От этого источника питаются цепи генератора и усилителей, а также обмотка реле. Для обеспечения искробезопасности выходных цепей аппарата в режиме БРУ обмотки W1, W2 компенсирующего дросселя L4 зашунтированы контактом К 1.2 реле K1, а в цепь разряда разделительного конденсатора C15 включен резистор R24.
Осуществление аппаратом функций самоконтроля исправности его элементов и цепей заземления з и Дз может вызвать затруднения в определении причины срабатывания аппарата. Для проверки аппарата необходимо рассоединить штепсельный разъем на напряжение 660 В (с контактами 1'—7') и, повернув его на 180° в плоскости разъема, поставить на прежнее место. При этом аппарат окажется отсоединенным от контролируемой сети и цепи проверки. Если сигнальная лампа Н2 погаснет, т. е. реле К2 взведется, то это будет свидетельствовать об исправности аппарата и наличии повреждения изоляции сети для цепи заземления аппарата. Если же лампа Н2 будет продолжать гореть, то можно сделать вывод о неисправности аппарата. Погасание лампы H1 свидетельствует о нарушении в цепи питания аппарата напряжением 127 В.
Если при нажатии кнопки S «Проверка» стрелка килоомметра отклоняется, но аппарат не срабатывает, это означает, что сопротивление заземлителей з или Дз выше нормы, но недостаточно для срабатывания аппарата. При дальнейшем увеличении сопротивления должен сработать аппарат и загореться сигнальная лампа Н2. В этом случае для проверки следует замкнуть зажимы з и Дз. Если работоспособность аппарата восстановится, необходимо проверить исправность заземлителей.
Аппарат защиты АЗШ от токов утечки выпускается (см. табл. 26) в трех
исполнениях: АЗШ-1, АЗШ-2 в пылебрызгозащищенном исполнении со степенью защиты от внешних воздействий не ниже, чем у 1Р54 и АЗШ-З во взрыво- защищенном исполнении. Аппарат АЗШ-1 предназначен для встройки в трансформаторные подстанции серии ТСВП, АЗШ-2 — для встройки в еще эксплуатирующиеся на шахтах подстанции серии ТКШВП взамен блоков БЗП-1Л, а АЗШ-3 — для работы совместно с автоматическими выключателями серий АВ и АФВ.
На рис. 26 приведена принципиальная электрическая схема аппарата АЗШ. Принцип действия схемы аналогичен принципу действия схемы аппарата АЗПБ.
Устройство контроля изоляции работает по принципу сравнения постоянного измерительного тока, протекающего через сопротивление изоляции сети от источника постоянного напряжения, состоящего из диода УД16 и конденсаторов С9, C10, и эталонного тока, протекающего через диод УД12, резисторы R8, R12 (или резистор R13) и транзистор VT2. Цепь эталонного тока питается от источника тока через диод УД1 и конденсатор С2. На вход транзистора VT2 через резистор R4 подается ток, выпрямленный мостом УД2—УД5. Параметры схемы выбраны такими, чтобы транзистор VT2 работал в режиме насыщения. При этом в цепи эталонного тока протекают импульсы, имеющие форму, близкую к прямоугольной, что повышает точность работы устройства [17].
Для снижения потребляемой усилителем мощности параллельно резистору R11 в цепь разряда конденсатора С7 через обмотку реле К2.1 включен сдвоенный транзистор УТ3, VT7. Когда усилитель на транзисторах VT4, VT5 открыт, ток заряда конденсатора С7 протекает через диоды УД13, УД14. Транзисторы VT3, VT7 в этом режиме заперты напряжением на диоде УД13. Во второй части периода, когда усилитель закрыт, конденсатор С7 разряжается через обмотку реле Κ2.1, резистор R1I ч входы транзисторов VT3-7 открывая последние.
В результате основная часть тока разряда конденсатора протекает через открытые транзисторы УТ3, VT7 и обмотку реле Κ2.1.
Размыкающий контакт К2.4 реле К2.1 включен в цепь питания катушки выходного реле К3.1. Напряжение питания на это реле подается от источника, состоящего из диода УД8, резистора R6 и конденсатора С5. Параметры схемы выбираются такими, чтобы время заряда конденсатора С5 через резистор R6 до напряжения срабатывания реле К3.1 было большим, чем время включения реле K2.1 при подаче напряжения на аппарат.
Рис. 26. Принципиальная электрическая схема аппарата АЗШ защиты от токов утечки.
В этом случае реле Κ3.1 остается выключением и срабатывает лишь при отключении пеле Κ2.1, вызванном снижением сопротивления изоляции сети. Контакты К2.2 и К3.2 выведены на штепсельный разъем и предназначены для включения в цепи расцепителей автоматических выключателей.
Устройство автоматической компенсации аппарата АЗШ отличается от устройства, применяемого в АЗПБ, тем, что сигнал, пропорциональный емкости сети, снимается с помощью трансформатора TV3, первичная обмотка которого включена в цепь измерительного колебательного контура, т. е. управляющий сигнал пропорционален току в колебательном контуре, а не напряжению на нем. Это Дает возможность исключить из схемы амплитудный селектор. Питание измерительного генератора, собранного на транзисторах VT12, VT13, производится от электронного стабилизатора напряжения, состоящего из транзистора VT18, стабилитронов VD26, VD27 и резисторов R30, R31.
В аппарате АЗШ-2 предусмотрено устройство тепловой защиты подстанции, элементы устройства на схеме показаны штриховой линией. Работает устройство по принципу сравнения постоянных токов [17], протекающих через резисторы R1, R3 и терморезистор, установленный в трансформаторной подстанции, В нормальном режиме ток в цепи терморезистора меньше тока цепи резисторов R1, R3, поэтому усилитель на транзисторе VT1 закрыт, а реле K11 отключено.
При нагреве обмотки трансформатора выше нормы сопротивление терморезистора снижается настолько, что ток, протекающий через него, становится больше тока, протекающего через резисторы R1-3. Ток, равный разности между указанными токами, потечет через вход усилителя и откроет его. В результате реле сработает и замкнет цепь питания катушки реле K3.1, оно также сработает и вызовет отключение нагрузки подстанции.
