УДК 621.316.925.014.6

 В.И.Задорожний, Ф.А.Айдаров

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ АППАРАТОВ ЗАЩИТЫ ОТ ТОКОВ УТЕЧКИ ТИПА АЗУР

Результаты дефектирования аппаратов защиты от утечек тока АЗУР-1 на специализированном стенде. Случаи стопорения схемы после переключения в режим АЗУР-3. Узлы схемы, влияющие на стопорение, их функционирование и компоненты, потенциальные причины явления. Рекомендация по его преодолению.
К л ю ч е в ы е  с л о в а: защита от утечек тока на землю, дефектирование, стопорение схемы, компоненты схемы

    Постановка проблемы. Горнодобывающая промышленность относится к числу отраслей, характеризуемых высоким уровнем электротравматизма в силу стеснённости рабочего пространства и тяжёлых условий эксплуатации электрооборудования. Важным элементом схемы электроснабжения шахты является аппарат защиты от токов утечки на землю, обеспечивающий отключение сети при прикосновении человека к одной из фаз сети и, тем самым, значительно снижающий электротравматизм. Одной из разновидностей таких наиболее широко распространенных в эксплуатации аппаратов защиты является аппарат типа АЗУР-1, встраиваемый в РУНН взрывозащищённых комплектных трансформаторных подстанций и имеющий переключатель перевода схемы в режим АЗУР-3 для установки аппарата в отдельном корпусе.

Испытания АЗУР-1 на специализированном стенде УкрНИИВЭ показали, что при переключении схемы в режим АЗУР-3 посредством тумблера SА.1 аппараты зачастую не взводятся, создавая ложное подозрение о наличии неисправности или утечки. При этом выходное двухобмоточное реле с открытыми контактами типа РКН, обозначенное согласно Руководству по эксплуатации 0.06.466.058 как К3.1, становится на самоподхват и через независимый расцепитель даёт команду на отключение автоматического выключателя.

Анализ исследований и публикаций. Наиболее близкой по теме публикацией является работа [1]. Но в ней изложены результаты дефектирования аппаратов в лабораторных условиях УкрНИИВЭ за период с 2003 по 2005 гг. Более поздние данные, в том числе и о новых аппаратах защиты, отсутствуют. Работа [2] посвящена описанию новой разработки таких аппаратов, которые в ремонт поступить ещё не успели и ремонтопригодность которых не оценивалась и не анализировалась. В публикациях [3, 4] рассматриваются вопросы уставок и других характеристик аппаратов, но отнюдь не их дефектирования. Случаи ложных отказов исправных АЗУРов, собранных без отступления от схемы на исправных элементах, обнаруженные позже 2005 года, в работах [2-4] вообще не нашли отражения.

Цель статьи. Диагностирование состояния аппаратов защиты от токов утечки в электрических сетях напряжением до 1200 В и поиск причин ложных отказов схемы АЗУР-3.  

Результаты исследований. Исследования и испытания 1529 аппаратов за период с 2006 по 2010 гг. показали (таблица 1), что 162 из них находились в рабочем состоянии (10,5 %), 267 (17,5%) требовали капитального ремонта (КР), а остальные 72% – среднего (СР).

Количество аппаратов, требующих КР, в сравнении с предыдущим периодом, значительно увеличилось. Вызвано это ухудшением изоляции монтажных проводов и намоточных узлов трансформаторов и реле, старением элементов электроники, износом контактной системы реле К2 и К3 (особенно в блоках БЗП-1), разукомплектованием в эксплуатации электронных плат из-за путаницы в модификациях схемного решения. Поэтому даже после качественного ремонта надёжность аппаратов остаётся достаточно низкой. Увеличилось количество фальсифицированных аппаратов  АЗУР, у которых в корпусе с ложной датой изготовления после 2000 года обнаруживались устаревшие комплектующие изделия.

Важным элементом аппаратов защиты является автоматический компенсатор емкостных токов, ограничивающий силу кратковременного тока утечки до нормируемого значения 0,1 А. Анализ показал, что этот узел в 80 % случаев находился в неработоспособном состоянии: основные повреждения сосредоточены в электронной схеме, обнаружение и устранение которых в подземных условиях эксплуатации и даже в отдельных помещениях, в т.ч. на поверхности, затруднено. Поэтому его ремонт должен осуществляться квалифицированным персоналом, прошедшим подготовку в специализированных научно-исследовательских организациях, оснащенных соответствующим технологическим и диагностическим оборудованием.

Как отмечалось [1, с. 112], время срабатывания последних модификаций аппаратов АЗУР, выпускаемых ОАО «Углеприбор» (Луганск), в 30 % случаев превышает нормированное согласно ГОСТ 22929-78 значение 0,1 с. В схему этих аппаратов были внесены изменения [3], позволяющие снизить энергопотребление до уровня, близкого к режиму работы исполнительного реле на постоянном токе. Для этого вместо одного металлокерамического конденсатора ёмкостью 1 мкФ были установлены два электролитических ёмкостью 2,2 мкФ каждый с более совершенной трассировкой передачи тока в обмотку исполнительного реле путём поочерёдного заряда и разряда в течение одного полупериода. Увеличение количества и общей ёмкости электролитических конденсаторов, отличающихся, как известно, более низкой в сравнении с металлокерамическими надёжностью, и увеличение силы тока в обмотке реле приводят к задержке его отпадания при возникновении утечки, т.е. к увеличению времени подачи команды на отключение автоматического выключателя.

«Стопорение» аппарата в режиме АЗУР-3, обнаруженное при сдаче заказчику полностью протестированного и испытанного изделия, вызвало предположение о неисправности в схеме, либо о возникновении утечки, которые в действительности оказались ложными. Как утечки, так и неисправности, как показало обследование, отсутствовали и в стенде, который имеет обособленное питание с гальванической изоляцией от всех токоприёмников, и в самом АЗУРе.

Для выявления причины этого ложного отказа вся схема АЗУРа за исключением автоматического компенсатора емкостных токов утечки была разделена на функциональные фрагменты, каждый из которых отделялся от остальных, имел самостоятельный источник питания без связи с остальными и нагружался аналогом смежного фрагмента. В результате установлено, что причина «стопорения» заключается в ряде случаев в преждевременном взводе двухобмоточного реле К1 с открытыми контактами, которое по алгоритму, Руководству по эксплуатации 0.06.466.058, собственным техническим данным и за счёт RС-цепи (резистор R8 и электролитический конденсатор C4) не должно взводиться ранее другого реле К2 в пылебрызгозащищённом исполнении. Как показала практика, такие меры по замедлению реле К1 оказываются достаточными далеко не всегда. Анализ и расчёты показали, что взвод реле К1 может ускориться из-за отклонения фактических параметров питания его катушки К1.1 и упомянутого конденсатора C4 (как крайний случай в одном образце) в меньшую сторону относительно номинальных. Скорость увеличения силы тока в обмотке двухобмоточного реле К1.1, помимо ёмкости шунтирующего обмотку конденсатора С4 и паспортного времени его срабатывания, измеряемого по стандартным методикам, зависит и от сопротивления добавочного резистора
R8. Для схемы, изображённой на рисунке 1а, время увеличения силы тока в обмотке двухобмоточного реле К1.1 при снятой перемычке Х1 ориентировочно равно:

τ =R8*Rk*C4/(R8+Rk),  (1)

где    τ – постоянная времени изменения силы тока в обмотке реле;
                 Rk – активное сопротивление обмотки;
                 C4 – ёмкость конденсатора, шунтирующего 

Рисунок – 1 Фрагменты схемы АЗУР-3:
а) взвода двухобмоточного реле К1 с открытыми контактами
и прерывателя; б) импульсно-транзисторного питателя пылебрызго-
защищённого реле К2 типа РЭС-32

Из анализа (1) следует, что неизбежное отклонение параметров этих элементов в меньшую, в пределах допуска, сторону приводит к ускорению роста силы тока в реле К1 при подаче напряжения, причем отношение τмин при номинальных параметрах к τном этой же цепи при их отклонении в меньшую сторону составляет:

τмин = 0,71⋅τ ном .

    Отсюда можно считать, что при фактических параметрах катушки реле К1.1, добавочного резистора R8 и не утратившего ёмкость конденсатора С4, отличающихся от номинальных в крайнюю меньшую сторону на 10 % и, соответственно, на 20 %, сила тока в его обмотке увеличивается быстрее на 29 %, что ускоряет взвод. Приняв во внимание возможность потери ёмкости электролитических конденсаторов сверх допустимой нормы при неправильном и длительном хранении АЗУР на складе, преждевременный взвод К1 становится более вероятным.
    Другая потенциальная причина кроется в запаздывании взвода другого пылевлагозащищённого реле К2, которое по алгоритму и собственному быстродействию (tcp=15 мc) должно взводиться раньше К1. Взводом К2 управляет транзисторный прерыватель тока, электрическая схема которого изображена на рисунке 1а правее перемычки Х1. В основу работы прерывателя положена идея классического непрерывного генерирования напряжения низкой частоты транзисторным усилителем с некоторыми отличиями. Запуск прерывателя основан на первоначальном после подачи напряжения открывании транзистора VТ2 током смещения базы через резистор R5. После заряда конденсатора C6 током коллектора и при последующем разряде его через первичную обмотку трансформатора ТV2, индуктированный во вторичную обмотку ток разряда, направленный встречно току смещения базы, замыкаясь через встречно-направленный диод VD5, запирает вход транзистора VТ2 и прекращает протекание тока коллектора. Спустя доли миллисекунды индуктированный импульс силы вторичного тока трансформатора ТV2 уменьшается до уровня, при котором сила тока смещения базы оказывается преобладающей, транзистор VТ2 вновь открывается, коллекторный ток заряжает конденсатор C6 колебательного контура и процесс автоматически повторяется.
    Отсюда, для работы транзистора VТ2 в прерывистом режиме необходима скорость увеличения силы тока коллектора в транзисторе VТ2, достаточная для обеспечения, – за счёт коэффициента передачи трансформатора ТV2, – требуемой силы вторичного тока. Экспериментальные исследования показали, что соблюдение этого условия обеспечивается достаточно просто при подаче на прерыватель напряжения с крутым фронтом, если запуск прерывателя производится, например, через полсекунды после подачи напряжения на первичную обмотку W3 трансформатора ТV1 кнопкой, установленной вместо перемычки Х2 между сглаживающими конденсаторами и прерывателем, как это показано на рисунке 1а.
    В схеме аппарата АЗУР-3: указанная кнопка установлена в первичную цепь понижающего трансформатора ТV3, вследствие чего напряжение на прерыватель поступает с плавным повышением по экспоненте за счёт больших емкостей сглаживающих конденсаторов С4 и С5 и сопротивлений резисторов R4 и R8 (включая индуктивность рассеяния обмоток силового трансформатора ТV1, питающего помимо прерывателя весь аппарат). Закономерность изменения напряжения прерывателя описывается выражением:

где  Uс – напряжение сети, В;
        Z – сопротивление первичной W1 и вторичной W2 обмоток трансфор-
матора с учётом их индуктивности рассеяния, приведенное ко вторичной
стороне трансформатора;
        Cэ –эквивалентная ёмкость сглаживающих конденсаторов С4 и С5.

    В связи с тем, что фактическая крутизна фронта подаваемого на прерыватель напряжения отличается от прямоугольной, прерыватель запускается не сразу, а только после пробоя его эмиттер-базового перехода по цепи: С5, R4, R5, и R6. И чем больше пробивное напряжение Uэ−б входа транзистора VТ2, тем дольше прерыватель не запускается и наоборот. При этом заменить последний равноценным германиевым, напряжение пробоя эмиттер-базового перехода которого почти в два раза меньше, и тем самым ускорить запуск прерывателя не представляется возможным, потому что выпуск германиевых транзисторов с n-p-n переходами прекращён: необходим поиск других технических решений.
    С учётом обмоточных данных трансформатора ТV1 время нарастания напряжения составляет 20…30 мс. Отсюда следует, что запаздывание запуска прерывателя хотя и имеет место, но не настолько, чтобы произошло стопорение схемы только лишь по этой причине.
 И, наконец, третьим потенциальным узлом причин нарушения времени взвода является импульсно-транзисторный питатель обмотки пылебрызгозащищённого реле РЭС-32 (К2 по схеме рисунка 1б). Расчёт и анализ 10 % отклонения сопротивления резисторов R1 и R2 в большую сторону относительно номинала, а также одновременное 20 % отклонение в меньшую сторону ёмкости накопительно-разрядного конденсатора С2 снижает силу тока в обмотке этого реле в 1,5 раза. С учётом того, что собственное быстродействие РЭС-32 при условии подачи на обмотку постоянного (без гармоник) напряжения, превышающего порог срабатывания в 1,5 раза, составляет 15 мс, становится очевидным, что столь значительное количество элементов схемы в этом узле при совпадении в одном образце неблагоприятных отклонений параметров от номинала в большую сторону приводит к затягиванию процесса взвода реле К2. Особенно очевидным это становится, если одновременно количество витков первичной W1 и вторичной W2 обмоток отличается от номинального, в результате чего сила тока оказывается настолько близкой к порогу срабатывания, что время взвода К2 становится гораздо больше 15 мс и «стопорение» неизбежно. Следовательно, причина запаздывания взвода реле К2 – в совпадении в одном образце аппарата комплектующих элементов с отклонениями фактических параметров относительно номинальных в неблагоприятную сторону.
    Но наиболее ощутимое влияние на преждевременный взвод реле К1 и запаздывание взвода реле К2 оказывает отклонение количества витков вторичных обмоток трансформатора ТV1 между собой, причём в разные стороны и в пределах номинала. Если в нижней обмотке количество витков W3 отклонилось в большую сторону, а в верхней W2 – в меньшую, то напряжение обмоток равно

где Uн и Uв – вторичное напряжение в нижней и в верхней обмотках;
       Uс – напряжение в сети;
       W1 – количество первичных витков;
       ΔWн , ΔWв –допустимое отклонение количества вторичных витков в
обмотке (рисунок 1) по отношению к номиналу;
       Wв , Wн – количество вторичных витков в верхней и нижней обмотках
трансформатора.

При 10 % отклонении количества витков от номинала напряжение в нижней обмотке относительно верхней возрастает на 22 %, из-за чего ускоряется время взвода реле К1, замедляется время взвода К2 и тем очевиднее проявляется несоответствие быстродействия взвода рассматриваемых элементов схемы.

Выводы:
    1. На базе дефектирования более полутора тысяч аппаратов защиты от утечек для низковольтных сетей угольных шахт Украины в течение 2005-2010гг. установлено возросшее количество аппаратов АЗУР, требующих КР, большее количество фальсифицированных аппаратов с устаревшими элементами и поддельной датой изготовления и около 80 % случаев неработоспособного состояния автоматических компенсаторов емкостных токов утечек из-за повреждений в электронной схеме.
    2. «Стопорение» схемы в режиме АЗУР-3 при подаче напряжения иногда происходит из-за опережения взвода двухобмоточного реле К1 с открытыми контактами по сравнению со взводом пылебрызгозащищённого реле К2.
      3. Запаздывание взвода реле К2 типа РЭС-32 обусловлено:
     – запаздыванием запуска транзисторного прерывателя из-за совпадения в одном образце аппарата отклонений ёмкости сглаживающих конденсаторов С1 в большую сторону относительно номинала;
    – отклонением вторичного напряжения из-за превышения в пределах допуска количества витков первичной обмотки трансформатора TV1 относительно вторичной при сниженном в пределах допуска количестве витков последней;
     – отклонением в пределах допуска ёмкости накопительно-пускового конденсатора С2 относительно номинала в меньшую сторону, а коллекторного R12 и ограничительного R13 резисторов – в большую;
   – отклонением в меньшую сторону количества витков во вторичной обмотке импульсно-транзисторного питателя и в большую в пределах допуска количества витков во вторичной обмотке питания прерывателя.
   4. Методически при обнаружении «стопорения» схемы следует прежде всего протестировать без извлечения из печатной платы электролитические конденсаторы С4 и C5.
      5. Для предотвращения «стопорения» схемы можно рекомендовать параллельное включение базового и коллекторного резисторов составного транзистора VT1 двумя последовательными RC-цепями с диодными развязками в каждой.

Список литературы

    1. Задорожний В.И. Анализ надёжности аппаратов защиты от токов утечки в электрических сетях угольных шахт напряжением до 1000 В /В.И. Задорожний // Взрывозащищённое электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО ««Юго-Восток, Лтд», 2006. – С. 110 – 112.
    2. Савицкий В.Н. Защита от тока утечки сетей с изолированной нейтралью напряжением 127 и 220 В / В.Н.Савицкий, А.И.Белошистов, А.В. Савицкий // Взрывозащищённое электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО «АИР», 2009. – С. 104 – 109.
    3. Дзюбан В.С. Математические модели устройств защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях / В.С.Дзюбан, Е.А.Вареник // Взрывозащищённое электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2004. – С. 70 – 77.
    4. Дзюбан В.С. Переходные процессы в измерительных цепях аппаратов защиты от токов утечек на напряжение 3 кВ / В.С.Дзюбан, А.В.Горохов // Взрывозащищённое электрооборудование: сб. науч.тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО «АИР», 2010. – С. 45 – 49.