Способ защиты трехфазной сети с нулевым проводом от несимметричных режимов и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для защиты электрических сетей с нулевым проводом от несимметричных режимов. Технический результат заключается в повышении чувствительности защиты, упрощении, сокращении габаритов устройства и уменьшении потери напряжения на нагревателе устройства. Способ заключается в том, что биметаллические пластины фазных узлов тепловой защиты нагревают с помощью основных нагревателей, включенных в цепи фазных проводов и дополнительных нагревателей, включенных в цепь нулевого провода. Нагреватели выполнены из проволоки, бифилярно намотанной на изоляционные каркасы биметаллических пластин. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для защиты электрических сетей с нулевым проводом от несимметричных режимов.

Известен способ защиты от несимметричных режимов, реализованный в устройстве [1] , основанный на неравномерном изгибе биметаллических пластин в несимметричном режиме.

Однако устройство [1] не реагирует на изменение коэффициента мощности. Этот недостаток устройства проиллюстрирован фиг. A, B.

На фиг. A показаны векторные диаграммы фазных напряжений U_A, U_B U_C разных токов I_A, I_B, I_C и тока в нулевом проводe I_N при условии равенства модулей U_A=U_B=U_C, I_A=I_B=I_C=I_H и углов между векторами фазных напряжений и токов, то есть Φ_A = Φ_B = Φ_C и I_N=0, что соответствует симметричному режиму, причем модули токов равны номинальному току I_H.

На фиг. B представлены векторные диаграммы тех же параметров при равенстве модулей напряжений и токов, но при увеличенном угле Φ_A, то есть при фазовой несимметрии: Φ_A ≠ Φ_B = Φ_C и при I_N ≠ C, причем Режим сети, векторная диаграмма которого изображена на фиг. B, характеризуется большой несимметрией, однако выделение тепла в нагревателях каждой из трех фаз будет совершенно одинаково, что приведет к равномерному изгибу всех трех биметаллических пластин, и устройство [1] не будет реагировать на такого рода несимметрию.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, реализованный в устройстве [2] защиты четырехпроводной электрической сети от несимметричных режимов с помощью установки нагревателей с биметаллическими пластинами во всех проводах четырехпроводной сети, включая и нулевой провод.

Однако способ не обеспечивает необходимую чувствительность защиты, установленной в цепи фазного провода при появлении небольшой несимметрии, сопровождающейся незначительным увеличением тока в фазном проводе.

Его реализация в устройстве [2] термобиметаллической защиты приводит к увеличению габаритов устройства за счет наличия дополнительного (4-го) узла, состоящего из нагревателя и биметаллической пластины в цепи нулевого провода.

Технической задачей изобретения является повышение чувствительности защиты, упрощение, удешевление устройства, сокращение его габаритов, уменьшение потери напряжения на нагревателе устройства.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что токи фазных проводов пропускают через основные нагреватели, установленные в электрических цепях этих проводов, а биметаллическую пластину узла защиты каждой из трех фаз дополнительно подогревают с помощью дополнительных нагревателей, включенных в цепь нулевого провода.

Для реализации способа предлагается устройство защиты устройство защиты трехфазной электрической сети с нулевым проводом от несимметричных режимов, содержащее три биметаллические пластины, три основных нагревателя, каждый из которых состоит из проволоки, намотанной на электроизоляционный каркас биметаллической пластины, и включен в цепь фазного провода, отличающееся тем, что на минимальном расстоянии от основных нагревателей, обеспечивающем электрическую изоляцию от них, размещены дополнительные нагреватели, каждый из которых состоит из проволоки намотанной на электроизоляционный каркас, и включенные в цепь нулевого провода, а проволоки основных и дополнительных нагревателей намотаны на электроизоляционные каркасы биметаллических пластинок бифилярно.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема включения узла защиты в 3-фазную четырехпроводную электрическую сеть; на фиг. 2, 3 - его конструкция, для одной фазы A; на фиг. 4 - способ намотки проволоки на каркас.

Для пояснения сущности изобретения рассмотрим два варианта нагрева биметаллической пластины.

1-й вариант - раздельный нагрев [2] каждой из четырех биметаллических пластин (3-фазных, установленных в фазных узлах защиты, и одной нулевой, установленной в узле защиты нулевого провода) автономным нагревателем.

Причем нагреватели фазных пластин установлены в цепях фазных проводов, а нагреватель нулевой пластины включен в цепь нулевого провода.

2-й вариант - совмещенный нагрев предлагаемым способом каждой из трех биметаллических пластин, установленных в фазных узлах защиты бифилярным совмещенным нагревателем, состоящим из основного нагревателя, включенного в цепь фазного провода, и дополнительного нагревателя, включенного в цепь нулевого провода.

Применительно к этим двум вариантам рассмотрим два случая несимметрии.

1-й случай: фазовая несимметрия, то есть модули всех 3-фазных токов одинаковы и равны номинальному току I_H, то есть I_A=I_B=I_C=I_H, а сдвиг фаз между векторами напряжения и тока в фазе A больше сдвига фаз в фазах B и C, Φ_A>Φ_B, Φ_B = Φ_C. 2-й случай: модульная несимметрия, то есть модуль тока фазы A составляет 110% номинального тока, а модули токов двух остальных фаз B и C равны номинальному току I_H, сдвиги фаз во всех фазах A, B, C - одинаковы: I_A=I_H, I_B= I_C=I_H, Φ_A = Φ_B = Φ_C, и ток в нулевом проводе I_N ≈ 0,1I_H.

Векторные диаграммы при модульной несимметрии представлены на фиг. 5.

1-й вариант. Раздельный нагрев [2].

1-й случай. Фазовая несимметрия.

Количество тепла, выделяемое в фазном интервале в единицу времени (тепловой поток), определяется формулой q_A = q_B = q_C = k•R•I²_H, (2) где k - коэффициент пропорциональности, связывающий тепловые величины и электрические; R - электрическое сопротивление нагревателя фазного узла защиты.

2-й случай. Модульная несимметрия.

Тепловые потоки, выделяемые в фазных нагревателях q_A = k•R•(1,1IH)² = 1,21k•R•I²_H, (3) q_B = q_C = k•R•I²_H. (4) Тепловой поток, выделяемый в нагревателе, установленном в цепи нулевого провода, вычисляется по формуле
q_N = k[R_N • (0,1I_H)²] = k•0,01R_N •I²_H, (5)
где R_N - электрическое сопротивление нагревателя, включенного в цепь нулевого провода.

2-й вариант. Совмещенный нагрев.

На схеме, изображенной на фиг. 1, представлена четырехпроводная электрическая сеть, состоящая из трех фазных проводов A, B, C и одного нулевого провода N, подключенных к источнику трехфазного переменного напряжения.

К фазным проводам A, B, C подключены последовательно три основных нагревателя HO, а к нулевому проводу подключены последовательно соединенные три дополнительных нагревателя НД, трех фазных узлов защиты.

Причем основные нагреватели имеют клеммы:
в фазе A - a1, a2,
в фазе B - b1, b2,
в фазе C - c1, c2,
а дополнительные нагреватели имеют клеммы:
в фазе A - an1, an2,
в фазе B - bn1, bn2,
в фазе C - cn1, cn2.

Провода, подключенные к клеммам a2, b2, c2, n, соединены с нагрузкой.

1-й случай. Фазовая несимметрия.

Суммарный тепловой поток, нагревающий биметаллическую пластину, вычисляют согласно формуле
q_A = k(RI²_H + R_NI²_N) = q_B=q_C. (6)
2-й случай. Модульная несимметрия.

Суммарные тепловые потоки, нагревающие биметаллические пластины, могут быть определены формулами
q_A = k[R(1,1I_H)² + R_N(0,1I_N)²] = k(1,2IRI²_H + 0,01R_NI²_N), (7)
q_B = q_C = k[RI²_H + R_N(0,1I_N)²] = k(RI²_H + 0,01R_NI²_N. (8)
Из сопоставления формул (2-6), (3-7), (4-8) вытекает вывод: при одних и тех же условиях несимметрии суммарный тепловой поток, нагревающий биметаллическую пластину, при совмещенном нагреве предлагаемым способом больше, чем при раздельном нагреве [1, 2].

Следовательно, чувствительность защиты по предлагаемому способу больше, чем чувствительность существующих способов биметаллической тепловой защиты электрической сети от несимметричных режимов.

Устройство защиты трехфазной электрической сети с нулевым проводом от несимметричных режимов содержит три биметаллических пластины 1, на каждую из которыx надет электроизоляционный каркас, состоящий из двух пластин 2, 3 с прорезями 4,5 и концевыми выступами 6, 7, и двух прокладок 8, 9, каждая из которых имеет по четыре концевых выступа 10, три основных нагревателя НО, каждый из которых выполнен из проволоки, состоящей из двух половин: прямой 11 и обратной 12, три дополнительных нагревателя НД, каждый из которых выполнен из проволоки, состоящей из двух половин: прямой 13 и обратной 14.

На каждом каркасе бифилярно намотана проволока основного НО и дополнительного НД нагревателей.

Бифилярная намотка проволоки осуществляется следующим образом. Проволока основного нагревателя складывается пополам в виде петли (фиг. 4), состоящей из двух половин: прямой 11 и обратной 12, надевается на выступ 6 пластины 2, наматывается одновременно двумя половинами 11 и 12 на прорези 4,5 пластин 2,3 каркаса. Концы проволоки основного нагревателя НО подключаются к зажимам а1, а2.

Проволока дополнительного нагревателя НД также складывается пополам в виде петли, состоящей из двух половин: прямой 13 и обратной 14, надевается на выступ 7 пластины 3, наматывается одновременно двумя половинами 13 и 14 на прорези 4, 5 пластин 2, 3 каркаса. Концы проволоки дополнительного нагревателя НД подключаются к зажимам an1, an2.

Проволоки 11, 12 основного нагревателя НО и дополнительного нагревателя НД 13, 14 размещены на электроизоляционном каркасе на минимальном расстоянии друг от друга (фиг. 2, 3), обеспечивающем электрическую изоляцию, так как между основным НО и дополнительным НД нагревателями существует разность потенциалов.

Выступы 6, 7 пластин 2, 3 служат для надежного закрепления петель проволоки основного НО и дополнительного НД нагревателей.

Устройство работает следующим образом.

Электроснабжение потребителя осуществляется в симметричном режиме по трем фазным проводам. При этом ток в нулевом проводе отсутствует. В основных нагревателях выделяется небольшие тепловые потоки, приводящие к небольшому допустимому изгибу биметаллической пластины, обеспечивающему нормальное электроснабжение.

При возникновении несимметрии появляется ток в нулевом проводе, в дополнительных нагревателях появляются дополнительные тепловое потоки, нагрев биметаллических пластин усиливается, их изгиб увеличивается, он приводит к ускоренному срабатыванию контактной группы или к отключению коммутационного аппарата.

Бифилярная намотка нагревателей уменьшает потерю напряжения на нагревателях за счет уменьшения их индуктивного сопротивления.

Источники информации
1. SU авторское свидетельство 494797, кл. H 01 H 61/04.

2. MEMOTECH ELECTROTECHNIQUE, 5^e edition Rene Bourgeois, Denis Cogniel, Editions CASTEILLA, 25, rue Monge - 75005, Paris - 1996.

Формула изобретения

1. Способ защиты трехфазной электрической сети с нулевым проводом от несимметричных режимов, заключающийся в том, что биметаллические пластины фазных узлов тепловой защиты нагревают с помощью основных нагревателей, включенных в цепи фазных проводов и намотанных на электроизоляционные каркасы биметаллических пластин, отличающийся тем, что биметаллические пластины фазных узлов тепловой защиты дополнительно подогревают с помощью дополнительных нагревателей, включенных в цепь нулевого провода.

2. Устройство защиты трехфазной электрической сети с нулевым проводом от несимметричных режимов, содержащее три биметаллические пластины, три основных нагревателя, каждый из которых состоит из проволоки, намотанной на электроизоляционный каркас биметаллической пластины, и включен в цепь фазного провода, отличающееся тем, что на минимальном расстоянии от основных нагревателей, обеспечивающем электрическую изоляцию от них, размещены дополнительные нагреватели, каждый из которых состоит из проволоки, намотанной на электроизоляционный каркас, и включен в цепь нулевого провода.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что проволоки основных и дополнительных нагревателей намотаны на электроизоляционные каркасы биметаллических пластин бифилярно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6