Лабораторная работа №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЕ УТЕЧКИ
Цель работы - изучить принцип действия и исследовать защитные характеристики устройства автоматического контроля изоляции УАКИ-380.
1.1. Общие сведения
Назначение реле.
Реле утечки предназначено для защиты от поражения электрическим током путем автоматического отключения трехфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью при снижении общего сопротивления изоляции до опасного значения.
Применение реле утечки типа /УАКИ/ устройства автоматического контроля изоляции в шахтных участковых сетях позволяет создать постоянный контроль за состоянием изоляции электрической сети и предупредить развитие ее повреждения; снизить вероятность воспламенения рудничного газа в угольной пыли от токов утечки и предотвратить прожог или опасный нагрев оболочек электрооборудования под действием электрической дуги.
Принципы контроля сопротивления изоляции.
Контроль сопротивления изоляции в аппаратах УАКИ осуществляется по силе оперативного тока через сопротивление утечки. Сила тока утечки в трехфазной сети с изолированной нейтралью зависит от сопротивления сети r относительно земли, а также сопротивления случайных локальных утечек rут, вызванных повреждением, либо сопротивления тела человека Rч , прикоснувше-гося к одной из фаз.
Согласно требованиям, реле утечки должно отключать сеть при возникновении предельного длительно безопасного тока утечки. Сила того тока составляет ничтожную долю /до 30 мА/ по отношению к токам нагрузки.
Для того чтобы обнаружить и определить силу тока утечки и, следовательно, сопротивление утачки /изоляции/, в реле УАКИ используется схема защиты с наложенным оперативным
напряжением. Оперативное /вспомогательное/ напряжение обеспечивается с помощью трехфазного выпрямителя /ЭВ/, питающегося непосредственно от защищаемой сети либо через делитель.
Схема ЗВ /рис.1.1,а/ в реле УАКИ-380 создает так называемую каноническую характеристику защиты от утечек, в соответствии с которой критическое сопротивление изоляции, т.е. наименьшее его значение, при котором допускается работа сети при отсутствии утечек: . Каноническая характеристика реле УАКИ при сопротивлении изоляции, отличном от нуля:
- отключающее сопротивление /уставка защиты/ однофазной утечки;
- сопротивление изоляции фазы по отношению к земле, Ом;
- оперативное напряжение, В;
- сила тока срабатывания защиты, А;
- сопротивление схемы, Ом;
- сопротивление уставки отключающего активного сопротивления утечки при , Ом.
Для реле о каноническими характеристиками характерно соотношение . При этом выбор одного из значений отключенного сопротивления при одно-, двух-, трехфазной утечке определяет остальные величины.
Для повышения чувствительности реле УАКИ при однофазных утечках характеристику, создаваемую схемой ЗВ, приходится деформировать, что достигается выполнением условия rкр < U/Iдб. Особая необходимость в этом возникает на участках сети с относительно низким сопротивлением изоляции в результате повышенной влажности. Деформация в реле УАКИ осуществляется благодаря применению в дополнение к схеме ЗВ схемы защиты напряжением нулевой последовательности /ЗННП/ /рис.1.1,б/, создающей характеристику, определяемую выражением
где -сопротивление фильтра нулевой последовательнос-ти и обмоток реле K(Rp ),Ом; U- фазное напряжение сети, В; Ucp -напряжение уставки срабатывания реле, В.
Результирующая деформированная характеристика /рис.1.1,в/ получается в результате суммирования характеристик рис.1.1,а и 1.1,б.
Схема аппаратов защиты от утечек типа УАКИ построена на базе схем ЗВ и ЗННП и является универсальной, т.е. способной создавать как канонические, так и деформированные характеристики с разной степенью деформации
где р - коэффициент деформации характеристики, Р = I...6; R'с - cо-противление уставки отключающего активного сопротивления однофазной утечки при , кОм; rкр,- критическое /отключающее/ сопротивление изоляции при , кОм.
Устройство реле.
Реле утечки УАКИ-380 /рис.1.2/ включает в себя делитель напряжения, образованный резисторами R1 и R2, трехфазный однополупериодный выпрямитель VД1....VДЗ, двухобмоточное реле К и добавочные резисторы R3 и R4, предназначенные для регулирования уставки отключающего сопротивления при наладке реле, и включенного в цепь обмотки П исполнительного реле К .
Кроме того, в состав реле утечки входит дроссель L, предназначенный для компенсации емкости сети до 0,5 мкФ на одну фазу /отпайка 3/ и до I мкФ на одну фазу /отпайка 2/. Дроссель подключается к сети через заградительный для выпрямленного оперативного тока фильтр, образованный конденсаторами С2 емкостью 1 мкФ.
В схеме реле утечки установлен килоомметр PR для визуального контроля сопротивления изоляции.
Для проверки исправности реле утечки предусмотрена кнопка "Проверка", замыкающая цепь проверочного резистора R5 /5,1 кОм/, включенного между сетью и дополнительным заземлителем /ДЗ/, который предназначен для контроля соединения аппарата с землей и располагается для этого на расстоянии не менее 5 м от местного заземления "3".
Рис.1.1. Отдельные элементы схемы реле УАКИ-380
Характерные режимы работы реле утечки УАКИ-330.
Случай 1. Исходное состояние: Сопротивление изоляции () , утечки отсутствуют ().
Через реле К протекает ток под действием выпрямленного напряжения /сопротивлением аппарата пренебрегаем/ по двум параллельным цепям:
При этом выпрямленный ток проходит только по внутренним элементам схемы.
Обмотка I реле К основная, по ней при срабатывании защиты проходит кроме внутреннего , оперативный /измерительный/ ток, определяемый сопротивлением изоляции сети. По обмотке II проходит только часть выпрямленного тока - тормозной ток , который не зависит от сопротивления изоляции. Остальной ток протекает через диод VД4 и обмотку / реле К.
Обмотки реле К включены встречно, а параметры их подобраны так, что в исходном состоянии создаваемый ими результирующий магнитный поток равен нулю и реле находится в нейтральном состоянии. Такая дифференциальная схема включения обмоток реле повышает чувствительность схемы, так как реле реагирует на результирующий магнитный поток, равный разности потоков в обмотках реле К. По обмотке / реле К кроме внутреннего выпрямленного тока при снижении сопротивления изоляции / или / протекает также оперативный /измерительный/ ток , а через обмотку II во всех случаях только тормозной ток .
Случай 2. Сопротивление изоляции , . При этом в реле, кроме внутреннего , возникает оперативный ток
где - внутреннее сопротивление схемы аппарата.
Оперативный ток проходит по цепи "сеть - сопротивление изоляции r - земля - заземление "3" УАКИ – килоомметр PR - обмотка / -
точка O1 - диоды VД1...VДЗ выпрямителя оперативного тока - резисторы R1 - сеть". При этом заряжается конденсатор C1, подключенный параллельно обмотке / и килоомметру PR.
При снижении сопротивления изоляции до критического значения rкр, равного сопротивлению уставки срабатывания защиты, реле срабатывает и контактом K1 замыкает цепь отключающей катушки КМ независимого расцепителя автоматического выключателя QF, который отключает сеть.
Контакт К2 реле К шунтирует свою обмотку II тормозную/, вслед-
ствие чего реле самоблокируется. После отключения автомата реле К тоже отключается.
Случай 3. Сопротивление изоляции сети , однофазная утечка .
В этом случае, кроме тока , существующего независимо от величин r, rут и оперативного тока ,определяемого оперативным напряжением, возникает также переменный ток нулевой последовательности , вызванный возникшей асимметрией сопротивления фаз сети относительно земли.
При этом направление и сила тока в положительный и отрицательный полупериоды изменяется.
В положительный полупериод /см.рис.1.2/ ток протекает по цепи "сеть - однофазная утечка -земля - заземление "3" УАКИ-килоомметр PR - обмотка / - точка O1 - диоды VД1 - VДЗ - резисторы R1 - сеть". Поскольку токи и при этом совпадают по направлению, сила суммарного тока, проходящего через обмотку / увеличивается а чув-ствительность аппарата возрастает.
В отрицательный полупериод цепь тока следующая: "сеть -резисторы R1-R2 - точка 02 - диод VД4 - килоомметр - заземление "3" УАКИ - земля - утечка - сеть". Следовательно, в отрицательный полупериод ток через реле не проходит.
Таким образом, сила тока в положительный полупериод больше, и в итоге при наличии в сети однофазной утечки, увеличение силы тока через рабочую обмотку до суммы + приводит к увеличению чувствительности реле.
Другими словами, отключающее сопротивление , однофазной утечки возрастает, так как характеристика реле УАКИ под действием тока нулевой последовательности деформируется. Наибольшая степень деформации будет при емкости сети С1 = 0. Наличие в схема конденсатора C1, шунтирующего реле К уменьшает значение выпрямляемого тока, проходящего через реле, и, следовательно, степень деформации характеристики реле УАКИ.
Таким образом, изменяя величину C1, можно регулировать отключающее сопротивление однофазной утечки при прежнем значении уставки критического сопротивления rкр при котором сила тока утечки не превышает длительно безопасный Iдб.
Случай 4. Общий случай, когда ,.
Если в сети, кроме однофазной утечки, имеется некоторое сопротивление изоляции то этим увеличивается сила оперативного выпрямленного тока .Но симметричное снижение r уменьшат напряжение нулевой последовательности и, следовательно, силу тока . Тем не менее снижение r увеличивает в большей степени, чем снижается .Поэтому отключающее сопротивление однофазной утечки при снижении сопротивления изоляции возрастает. Аналогичные результаты будут получены при условии .двухфазной утечки .