Компенсатор тока утечки

 

Изобретение относится к устройствам защиты от повреждений и устранению последствий дефектов монтажа в электрической цепи переменного тока. Технический результат заключается в создании недорогого и эффективного компенсатора тока утечки, а также в расширении арсенала компенсаторов тока утечки. Для этого компенсатор тока утечки в электрической цепи питания, по меньшей мере, одной электроустановки содержит полый сердечник из ферромагнитного материала, выполненный с толщиной стенки, составляющей 0,025÷0,075 его длины, по внутренней поверхности которого одновременно ориентированы все проводники кабеля питания соответствующей электроустановки, имеющего, по меньшей мере, один фазный и нулевой рабочий проводники, с образованием индуктивной связи, в которой током первичной обмотки является ток утечки, равный дисбалансу токов кабеля питания, а в несанкционированной цепи утечки с нулевого рабочего проводника на стороннюю проводящую часть формируется ток, направленный противоположно току утечки. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к устройствам защиты от повреждений и устранению последствий дефектов монтажа в электрической цепи переменного тока, в частности для компенсации или подавления тока утечки на стороннюю проводящую часть, которая находится под потенциалом земли.

Известен компенсатор тока утечки в электрической цепи питания, по меньшей мере, одной электроустановки через несанкционированную цепь с нулевого рабочего проводника на стороннюю проводящую часть [1].

Недостатками данного компенсатора являются низкая эффективность компенсации и сложность конструкции.

Известен компенсатор тока утечки в электрической цепи питания, по меньшей мере, одной электроустановки через несанкционированную цепь с нулевого рабочего проводника на стороннюю проводящую часть, содержащий полый сердечник из ферромагнитного материала и взаимодействующие с ним проводники, ориентированные, по меньшей мере, на одном участке по внутренней поверхности сердечника [2].

Недостатками этого компенсатора являются большие габариты и масса, необходимость выполнения дополнительных электрических соединений, отсутствие возможности оперативного монтажа в электрической цепи при выявлении признаков наличия тока утечки.

Технической задачей изобретения является создание недорогого и эффективного компенсатора тока утечки, а также расширение арсенала компенсаторов тока утечки.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в упрощении конструкции, сокращении габаритов и массы, обеспечении высокой транспортабельности, упрощении процесса монтажа и оперативного ввода в действие на любом участке электрической цепи.

Сущность изобретения состоит в том, что компенсатор тока утечки в электрической цепи питания, по меньшей мере, одной электроустановки через несанкционированную цепь с нулевого рабочего проводника на стороннюю проводящую часть содержит полый сердечник из ферромагнитного материала, выполненный с толщиной стенки, составляющей 0,025÷0,075 его длины, по внутренней поверхности которого одновременно ориентированы все проводники кабеля питания соответствующей электроустановки, имеющего, по меньшей мере, один фазный и нулевой рабочий проводники, с образованием индуктивной связи, в которой током первичной обмотки является ток утечки, равный дисбалансу токов кабеля, а в несанкционированной цепи утечки с нулевого рабочего проводника на стороннюю проводящую часть формируется ток, направленный противоположно току утечки.

Предпочтительно сердечник выполнен с длиной, выбираемой из соотношения: L = K•I, где К = 4÷20 (см/А) - коэффициент компенсации; I - компенсируемый ток утечки (А).

При этом сердечник может быть выполнен в виде толстостенного полого цилиндра, а взаимодействующие с ним проводники ориентированы путем намотки витков кабеля на его стенку, или сердечник может быть выполнен в виде толстостенного полого цилиндра, длина которого больше его наружного диаметра, а взаимодействующие с ним проводники ориентированы путем прокладывания участка кабеля внутри сердечника, в последнем случае сердечник предпочтительно выполнен в виде составного полого цилиндра.

На фиг. 1 изображен участок электрической цепи с компенсатором, выполненным в виде составного цилиндра; на фиг.2 - электрическая цепь с компенсатором тока утечки с витками кабеля, намотанными на стенку полого сердечника; на фиг.3 - расчетная схема цепи с компенсатором; на фиг.4 - расчетная схема цепи без компенсатора; на фиг.5-7 - графики тока утечки при отсутствии и наличии компенсатора для трех вариантов геометрических параметров сердечника.

Компенсатор тока утечки в электрической цепи содержит полый сердечник 1 из ферромагнитного материала и взаимодействующие с ним фазный и нулевой рабочий проводники 2, 3 соответственно кабеля 4 питания соответствующей электроустановки 5, одновременно ориентированные на одном участке по внутренней поверхности сердечника 1. Количество фазных проводников может быть большим одного, т.е. должно соответствовать количеству фаз электроустановки.

Наиболее существенными и взаимосвязанными геометрическими параметрами сердечника являются длина и толщина стенки сердечника, последняя выбирается в пределах 0,025÷0,075 его длины, определяемой в сантиметрах (см), из соотношения: L = K•I, где К = 4÷20 (см/А) - коэффициент компенсации; I - компенсируемый ток утечки в амперах (А).

Данные соотношения выявлены эмпирически на основании экспериментальных данных, подтверждающих образование индуктивной связи, в которой током первичной обмотки является ток утечки, равный дисбалансу токов кабеля 4, а ток условной вторичной обмотки (отсутствующей фактически на сердечнике 1) формируется в несанкционированной цепи утечки с нулевого рабочего проводника 3 на стороннюю проводящую часть или РЕ проводник (на фиг.1, 2 изображено пунктиром), имеет величину, сравнимую с первоначальным током утечки (до введения компенсатора), и направлен противоположно току утечки на стороннюю проводящую часть, которая не является частью электроустановки. В частности, сторонняя проводящая часть - это металлоконструкция здания, металлические газовые сети, водопровод, трубы отопления и т.п. неэлектрические аппараты, электрически присоединенные к ним (радиаторы, неэлектрические плиты, раковины и т. п. ), полы и стены из неизоляционного материала. К данным конструкциям присоединен защитный проводник (РЕ).

Конкретное значение коэффициента компенсации К в пределах от 4 до 20 выбирается для каждого сооружения индивидуально, в основном из конструктивных соображений, исходя из условий размещения компенсатора относительно окружающего оборудования, имеющегося в наличии материала сердечника 1, количества намотанных витков (зависит от жесткости кабеля 4), условий эксплуатации (температура, влажность...), характеристик электрической сети сооружения и т.д, а также с учетом целесообразности полной (максимально возможной) компенсации тока утечки или допустимости частичной компенсации, когда компенсируемый ток утечки не равен полному току утечки. С учетом всех указанных факторов зависимость величины компенсируемого тока утечки от каждого из геометрических параметров является нелинейной.

Экспериментально подтверждено, что снижение соотношения толщины "S" и длины "L" сердечника ниже минимального предела, а также снижение коэффициента К ниже 4 ведет к удорожанию компенсатора без существенного повышения эффективности его применения и ухудшению условий компоновки в сооружении, а превышение соотношения толщины и длины сердечника выше максимального предела, а также повышение коэффициента К выше 20 приводит к снижению эффективности использования компенсатора.

При этом сердечник 1 может быть выполнен в виде толстостенного полого цилиндра, а взаимодействующие с ним проводники 3, 4 ориентированы путем продольной намотки витков, чаще всего от десяти до двадцати, кабеля 4 на его стенку (на фиг.2 изображено сокращенное число витков, чтобы не загромождать чертеж). В других случаях сердечник 1 может быть выполнен в виде толстостенного полого цилиндра, длина которого больше его наружного диаметра (фиг. 1), а взаимодействующие с ним проводники 2, 3 ориентированы путем прокладывания участка кабеля 4 внутри сердечника 1, в последнем случае сердечник 1 предпочтительно выполнен в виде составного (разрезного) полого цилиндра, а участок кабеля 4, проложенный внутри сердечника 1, играет роль вырожденного витка обмотки. Толстостенным считается цилиндр, толщина стенок которого имеет один порядок с его внутренним диаметром.

На схеме фиг.3 сопротивление проводников 2, 3 обозначено как R1, R5, сопротивление электроустановки (потребителя) - R2, сопротивление цепи утечки - R7. Взаимная индуктивность в проводниках 2, 3 обозначена как L1 и L2 соответственно, источник напряжения - V1.

На схеме фиг. 4 сопротивление проводников 2, 3 обозначено как R3, R6, сопротивление электроустановки (потребителя) - R4, сопротивление цепи утечки - R9, источник напряжения - V2.

На фиг.5-7 по вертикальной оси отложены значения тока утечки в амперах, по горизонтальной оси - время в миллисекундах.

Компенсатор тока утечки в электрической цепи работает следующим образом.

При отсутствии тока утечки в кабеле 4, т.е. при отсутствии дисбаланса токов в проводниках 2, 3, наличие или отсутствие компенсатора не влияет на работу электрической цепи и электроустановки.

При отсутствии компенсатора в случае возникновения тока утечки по кабелю 4 через несанкционированную цепь с нулевого рабочего проводника на стороннюю проводящую часть происходит электромагнитное загрязнение в здании, вызванное магнитными полями промышленной частоты. Вследствие этого становится невозможной нормальная работа электронного оборудования (сбои и "зависания" компьютерных сетей, "дрожание" изображения мониторов компьютеров и т.д.), магнитное поле оказывает резко негативное влияние на состояние здоровья людей. Также протекание токов по трубопроводам систем водоснабжения и отопления является одной из причин интенсивной точечной коррозии последних.

Благодаря наличию компенсатора, выполненного по фиг.1 или по фиг.2, имеет место образование индуктивной связи, в которой током первичной обмотки является ток утечки, равный дисбалансу токов кабеля 4, а ток вторичной обмотки формируется в несанкционированной цепи утечки с нулевого рабочего проводника 3 на стороннюю проводящую часть и направлен противоположно току утечки на стороннюю проводящую часть. Таким образом, в цепи утечки происходит алгебраическое сложение протекающих токов и результирующее значение тока становится существенно меньше, что эквивалентно увеличению сопротивления цепи утечки.

Графики на фиг.5-7, полученные экспериментально, показывают на трех примерах эффективность данного компенсатора.

Испытания проведены при трех вариантах выполнения цилиндрического сердечника компенсатора, на стенку которого намотаны витки кабеля в соответствии с фиг. 2. Значения компенсируемого тока (разница первоначального и оставшегося после установки компенсатора значений тока утечки) выбирались равными 20%, 80% и 95% (1,26 А, 5,2 А, 6,2 А соответственно) от указанного значения первоначального тока утечки. Конкретные значения геометрических соотношений для каждого компенсатора выбирались в указанных выше пределах из конструктивных соображений.

Таким образом, сокращается или при соответствующем подборе параметров сердечника 1 практически полностью исчезает ток утечки кабеля 4, что позволяет продолжать эксплуатацию электроустановки без немедленного проведения поиска места утечки и проведения ремонтных работ, которые могут быть перенесены на удобные сроки, например совмещены с плановыми перерывами в работе электроустановки. Поскольку компенсатор может быть оперативно установлен на любом подходящем участке кабеля 4, его применение наиболее целесообразно на действующих электрических кабелях, в которых обнаружен ток утечки. Если толщина кабеля 4 позволяет произвести его намотку, целесообразно выполнение компенсатора согласно фиг.2, если намотка не может быть произведена, например, в связи с большой жесткостью кабеля 4, компенсатор может быть выполнен согласно фиг.1.

В результате данного технического решения создан недорогой и эффективный компенсатор тока утечки и расширен арсенал компенсаторов тока утечки.

Экспериментальная проверка включала определение тока утечки и подбор конкретного исполнения компенсатора.

При этом упрощена конструкция, сокращены габариты и масса, обеспечена высокая транспортабельность, упрощен процесс монтажа и оперативного ввода в действие на любом участке электрической цепи.

Источники информации 1. US 4695917.

2. SU 498681 (прототип).

Формула изобретения

1. Компенсатор тока утечки в электрической цепи питания, по меньшей мере, одной электроустановки через несанкционированную цепь с нулевого рабочего проводника на стороннюю проводящую часть, содержащий полый сердечник из ферромагнитного материала, выполненный с толщиной стенки, составляющей 0,025÷0,075 его длины, по внутренней поверхности которого одновременно ориентированы все проводники кабеля питания соответствующей электроустановки, имеющего, по меньшей мере, один фазный и нулевой рабочий проводники, с образованием индуктивной связи, в которой током первичной обмотки является ток утечки, равный дисбалансу токов кабеля питания, а в несанкционированной цепи утечки с нулевого рабочего проводника на стороннюю проводящую часть формируется ток, направленный противоположно току утечки.

2. Компенсатор по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен с длиной, выбираемой из соотношения L=K•I, где К=4÷20 (см/А) - коэффициент компенсации; I - компенсируемый ток утечки (А).

3. Компенсатор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде толстостенного полого цилиндра, а взаимодействующие с ним проводники ориентированы путем намотки витков кабеля питания на его стенку.

4. Компенсатор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде толстостенного полого цилиндра, длина которого больше его наружного диаметра, а взаимодействующие с ним проводники ориентированы путем прокладывания участка кабеля питания внутри сердечника.

5. Компенсатор по п.4, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде составного толстостенного полого цилиндра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7