Устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОТ КОММУТАЦИОННЫХ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В НИЗКОВОЛЬТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(72) Авторы Шевчик Николай Евгеньевич Протосовицкий Дмитрий Иванович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(57) Устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети, содержащее группу ограничителей перенапряжения,каждый из которых входом подключен к одному из проводов линии защищаемого электрооборудования, а выходы их образуют между собой соединение типа звезда, общая точка которого связана с выводом заземления, при этом каждый ограничитель перенапряжения содержит полупроводниковый ограничительный диод, подключенный анодом к проводу линии защищаемого электрооборудования через предохранитель с токоограничением, общая точка звезды связана с выводом заземления через ограничитель перенапряжения нелинейный, причем ограничительные диоды выбраны в соответствии с выражением диодаОПНимп.,17696 1 2013.12.30 где диода - напряжение открытия ограничительных диодов, ОПН - напряжение открытия ограничителя перенапряжения нелинейного, имп. - импульсное напряжение сети, питающей защищаемое оборудование,имп.1,1 раб.,где раб. - рабочее напряжение сети, питающей защищаемое оборудование, а ток плавкой вставки предохранителя выбран равным максимальному импульсному току ограничения ограничительного диода. Устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети. Заявляемое изобретение предназначено для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений и может быть использовано в электроэнергетике, а именно в низковольтных электрических сетях. Известно устройство для защиты от коммутационных перенапряжений, содержащее подключенные между защищаемым объектом и землей последовательно соединенные высоконелинейные резисторы, параллельно части которых подключены пары последовательно включенных блоков искровых промежутков, параллельно одному из которых в каждой паре подключена цепочка из последовательно соединенных коммутатора и первого резистора, общая точка которых соединена через второй резистор с высоконелинейными резисторами, причем отношение сопротивлений высоконелинейных резисторов пропорционально отношению пробивных напряжений шунтирующих их искровых промежутков,которые параллельно коммутаторам подключены конденсаторы 1. Недостатками этого устройства являются недостаточно высокое быстродействие, низкая эффективность для защиты бытового и электронного оборудования и неэффективное использование нелинейных резисторов. Следует учитывать, что при кратковременных импульсах перенапряжений в линии защищаемое электронное оборудование может выйти из строя до того, как сработает данный вид защиты. Известен также ограничитель внутренних перенапряжений в трехфазных сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, содержащей первые три оксидноцинковых резистора, подключенные первыми выводами к соответствующим фазам сети, вторые выводы соединены в первую звезду. При этом в него введены вторые три оксидноцинковых резистора, первые выводы которых подключены к фазам сети, вторые выводы соединены во вторую звезду, нейтрали первой и второй звезд заземлены соответственно через третий и четвертый оксидпоцинковые резисторы, шесть диодов, причем второй вывод резистора фазыпервой звезды подключен к аноду первого диода, второй вывод резистора фазыпервой звезды подключен к катоду первого диода и аноду второго диода, второй вывод резистора фазыпервой звезды подключен к катоду второго диода и аноду третьего диода,катод которого подключен к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого заземлен, второй вывод фазывторой звезды подключен к катоду четвертого диода, второй вывод резистора фазывторой звезды подключен к аноду четвертого диода и катоду пятого диода, второй вывод резистора фазывторой звезды подключен к аноду пятого диода и катоду шестого диода, анод которого подключен к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого заземлен 2. Недостатками данного устройства являются недостаточно эффективное использование входящих в его состав нелинейных резисторов и относительная сложность монтажа схемы защитного устройства. Известно устройство для защиты от перенапряжений, содержащее подключенные между защищаемым объектом и землей, соединенные последовательно нелинейные резисторы, а также искровые промежутки, шунтирующие часть нелинейных резисторов, которые объединены в нечетное количество модулей, к каждым соединенным последовательно трем модулям подключены два искровых промежутка, при этом в каждой тройке модулей 2 17696 1 2013.12.30 первый искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно верхнему и среднему модулям, а второй искровой промежуток подключен параллельно соединенным последовательно среднему и нижнему модулям 3. Недостатками известной схемы являются достаточно высокий уровень ограничения напряжения и значительная величина остаточного напряжения, обусловленные количеством последовательно включенных резисторов, делающие данное устройство неэффективным для защиты элементов электропередачи и электрооборудования от коммутационных перенапряжений. Также нецелесообразно использование искровых промежутков для шунтирования нелинейных резисторов, т.к. в случае отсутствия пробоя искровых промежутков через каждый последовательно соединенный резистор будет протекать значительный импульсный ток при коммутационных или грозовых перенапряжениях, что негативным образом сказывается не только на нелинейных резисторах, но и на изоляции защищаемого электрооборудования. Прототипом заявляемого устройства для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети является устройство защиты оборудования от перенапряжений, содержащее группу токоограничивающих элементов,каждый из которых последовательно включен в один из проводов линий защищаемого оборудования, группу ограничителей перенапряжений, каждый из которых соединен входом с одним из проводов линий защищаемого оборудования, причем выходами ограничители перенапряжений соединены между собой звездой, общая точка которой связана с выводом заземления, отличающееся тем, что общая точка звезды связана с выводом заземления через конденсатор, емкость которого выбирается из условия постоянная времени цепи заряда конденсатора через токоограничивающие элементы должна быть больше минимальной длительности перенапряжений, причем параллельно конденсатору включен дополнительный ограничитель перенапряжения, причем напряжение срабатывания дополнительного ограничителя перенапряжений выбирается большим напряжения измерительного прибора, используемого для измерения сопротивления изоляции, или прибора контроля наличия замыкания, а напряжение срабатывания остальных ограничителей перенапряжения выбирается меньшим напряжения указанного измерительного прибора,причем оно содержит токоограничивающие элементы из состава резистор, катушка индуктивности, их комбинация, причем оно содержит ограничители перенапряжения из состава разрядники, варисторы, комбинация разрядников и варисторов, полупроводниковые ограничители перенапряжений, причем дополнительный ограничитель перенапряжения выполнен в виде разрядника 4. Недостатки прототипа состоят в следующем. В известном устройстве в качестве токоограничивающих элементов используются резистор, катушка индуктивности, их комбинация, каждый из которых последовательно включается в один из проводов линий защищаемого оборудования. Это предполагает включение дополнительных элементов в силовую цепь, что не всегда допустимо с точки зрения эксплуатации. При этом включение в цепь реактивных элементов, таких как катушки индуктивности, может негативно сказаться на электромагнитной совместимости защищаемого оборудования. Подключение к устройству заземления через конденсатор за исключением случаев,связанных с необходимостью в периодическом (или постоянном) измерении сопротивления изоляции измерительными приборами с высоким значением измерительного напряжения, не является обоснованным в связи с тем, что при перенапряжениях больших амплитуд и скорости нарастания фронта импульса конденсатор вследствие пробоя обкладок выйдет из строя, что, в свою очередь, скажется на надежности работы устройства и уровне ограничения перенапряжения. Кроме того, включение в качестве дополнительного ограничителя разрядника предполагает увеличение остаточного напряжения, снижение скорости срабатывания и эффек 3 17696 1 2013.12.30 тивности защиты устройства при значительных амплитудах перенапряжения в связи с тем,что быстродействие разрядников может быть значительно меньше фронтов нарастания импульса напряжения, а также то, что вследствие рабочих свойств разрядника данный параметр нестабилен. В результате из-за значительного времени их срабатывания не решается проблема защиты электрооборудования на базе микроэлектронной, микропроцессорной и силовой полупроводниковой техники, имеющей повышенную чувствительность к импульсным перенапряжениям, в результате чего вероятность и частота возникновения аварийных ситуаций резко возрастают. Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности и эффективности устройства защиты от коммутационных перенапряжений, а также расширение арсенала устройств защиты от перенапряжения. Поставленная задача достигается устройством для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети, содержанием группы ограничителей перенапряжения, каждый из которых входом подключен к одному из проводов линии защищаемого электрооборудования, а выходы их образуют между собой соединение типа звезда, общая точка которого связана с выводом заземления, при этом каждый ограничитель перенапряжения содержит полупроводниковый ограничительный диод, подключенный анодом к проводу линии защищаемого электрооборудования через предохранитель с токоограничением, общая точка звезды связана с выводом заземления через ограничитель перенапряжения нелинейный, причем ограничительные диоды выбраны в соответствии с выражением диодаОПНимп.,где диода - напряжение открытия ограничительных диодов, ОПН - напряжение открытия ограничителя перенапряжения нелинейного, имп. - импульсное напряжение сети, питающей защищаемое оборудование,имп.1,1 раб.,где раб. - рабочее напряжение сети, питающей защищаемое оборудование, а ток плавкой вставки предохранителя выбран равным максимальному импульсному току ограничения ограничительного диода. В результате благодаря использованию неинертных элементов для ограничения напряжения с малым временем срабатывания, таких как полупроводниковые ограничительные диоды и ограничитель перенапряжения нелинейный (ОПН), при возникновении импульса перенапряжения вне зависимости от скорости его нарастания и амплитуды происходит срабатывания устройства, что позволяет сократить время срабатывания до нескольких десятков наносекунд. Применение предохранителей с токоограничением позволяет ограничить величину тока, протекающего от линии через полупроводниковые ограничительные диоды и ОПН, по достижению им максимально допустимого для полупроводниковых ограничительных диодов значения. Напряжение срабатывания полупроводниковых ограничительных диодов и ОПН выбирается из условия диодаОПНимп. (имп.1,1 раб.). Что позволяет обеспечить напряжение ограничения импульсов коммутационных напряжений на уровне напряжения питания. Благодаря конструктивным особенностям устройства ОПН может иметь максимально длительное допустимое напряжение меньше, чем напряжение сети, так как в нормальном режиме работы практически все рабочее напряжение сети приложено к полупроводниковым ограничительным диодам. Также в результате того, что в нормальном режиме ОПН не включен под напряжение сети, вследствие чего не происходит его деградации и ухудшения его защитных характеристик, что повышает надежность устройства. В момент ограничения импульса перенапряжения величина тока, протекающая от линии через полупроводниковые ограничительные диоды и ОПН, при превышении максимально допустимого для полупроводниковых диодов значения будет ограничена предохранителями (с токоограничением). Ток плавкой вставки предохранителя выбирается равным 4 17696 1 2013.12.30 максимальному импульсному току ограничения полупроводникового ограничительного диода , принимаемым из паспортных данных. При достижении импульсным током значений, недопустимых для ограничительных диодов, плавкая вставка перегорает, разрывая цепь до достижения тока , тем самым защищая ограничительные диоды от разрушения и вывода устройства для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети из строя. Подобная защита полупроводниковых ограничительных диодов оправдана, т.к. замена предохранителей технически и экономически целесообразней замены ограничительных диодов, которые при высокой стоимости являются достаточно чувствительными элементами. В случае перегорания предохранителей возможна их оперативная замена и повторное включение устройства в работу в кратчайшие сроки. Тем самым в результате снижения риска выхода устройства из строя гарантируются надежность и долговечность защитного устройства. Предложенное устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами ограничение импульсов коммутационных перенапряжений на уровне напряжения сети высокая аппаратная надежность, обусловленная простотой исполнения (сокращение количества отказов и выхода устройства из строя по сравнению с прототипом до 5-10 ) сокращение времени срабатывания по сравнению с прототипом с нескольких микросекунд до десятков наносекунд. На фигуре приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства. Устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети содержит включенные параллельно защищаемому электрооборудованию полупроводниковые ограничительные диоды 2, 3, 4, имеющие одинаковые характеристики, одним выводом соединены между собой в звезду, а другим через предохранители с токоограничением 5, 6, 7 анодами подключены в фазу сети 8, питающей защищаемое оборудование 9. Общая точка звезды связана с выводом заземления через ОПН 1. В соответствии с предложенной схемой устройство работает следующим образом в установившемся режиме (при отсутствии импульсного напряжения, постоянных значениях напряжения питания и тока нагрузки защищаемого электрооборудования 9) напряжение в фазах сети 8 равно номинальному, ОПН 1 и диоды 2, 3, 4 заперты, ток через цепь защитного устройства не протекает, так как к диодам и ОПН не приложено достаточного для их открытия напряжения. Когда из сети электропитания 8 защищаемого электрооборудования 9 на вход устройства защиты поступает по любой из фаз сети импульс перенапряжения выше нормированных значений относительно земли, полупроводниковые ограничительные диоды 2, 3, 4,соответствующих фаз и ОПН 1 открываются и через них и предохранители с токоограничением 5, 6, 7 импульсный ток от источника перенапряжений протекает на землю. После снижения напряжения до номинального значения ток через ограничительные диоды 2, 3, 4 и ОПН 1 вследствие их нелинейных характеристик протекать не будет. В случае достижения импульсным током, протекающим по защитному устройству,значений, недопустимых для ограничительных диодов 2, 3, 4, плавкая вставка предохранителей 5, 6, 7 перегорает, разрывая цепь до достижения тока , что предохраняет ограничительные диоды от разрушения и вывода устройства для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети из строя в целом. Таким образом, создано эффективное устройство для защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений в низковольтной электрической сети и расширен арсенал устройств защиты от перенапряжения. При этом повышены надежность и долговечность благодаря исключению выхода из строя устройства защиты, расширены функциональные и эксплуатационные возможности 5 17696 1 2013.12.30 за счет сокращения скорости срабатывания, а также выполнения схемы устройства удобной для монтажа и обслуживания. Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении надежности и эффективности защиты электрооборудования от коммутационных перенапряжений за счет снижения возможности выхода защитного устройства из строя путем применения защитных токоограничивающих аппаратов, ограничения импульсов коммутационных перенапряжений на уровне напряжения сети и сокращения времени срабатывания устройства благодаря применению устройств с устойчивой вольт-амперной характеристикой, не зависящей от окружающей среды и скорости нарастания импульса напряжения. Источники информации 1. Патент 2009596 1, МПК 02 9/06,02 4/00, 1994. 2. Патент 2085002 1, МПК 02 9/06,02 9/04, 1997. 3. Патент 2292617 1, МПК 02 9/06,02 4/00, 2007. 4. Патент 2337449 1, МПК 02 9/06, 2008 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6