Устойчивость устройств защитного отключения к импульсному току утечки в цепях привода с переменной скоростью

Аннотация

Эта статья касается надежности питания в цепях с регулируемой скоростью, где установлены устройства защитного отключения. При нормальной работе этих цепей высокое значение тока утечки вызывает нежелательное отключение устройств защитного отключения. Следует оценить устойчивость УЗО к току утечки. А также представлена система тестирования устройств защитного отключения и результаты теста.

Ключевые слова:

Силовые установки, надежность питания, устройства защитного отключения, приводы с переменной скоростью.

I ВВЕДЕНИЕ

Устройства защитного отключения (УЗО) обеспечивают автоматическое отключение питания в низковольтных системах, особенно если полное сопротивление ограничивает ток до значения, которое ниже порога максимальной токовой защиты. В особых случаях, например, для районов с низким сопротивлением при контакте людей с заземлением, требуется дополнительная защита.[1], [2] Тогда целесообразным является использование устройств защитного отключения с номинальным остаточным рабочим током, не превышающим 30 мА. Такие устройства предотвращают серьезную травму в случае прямого контакта.[3]

Устройства защитного отключения могут классифицироваться по их способности обнаруживать определенную форму сигнала тока и работе с задержкой по времени.

УЗО делятся по способности обнаруживать определенную форму волны тока на такие типы [4], [5]:

• AC – для остаточных синусоидальных переменных токов (50/60 Гц),
• А – для остаточных синусоидальных переменных токов (50/60 Гц) и пульсирующего прямого тока нулевой последовательности,
• B – для остаточных синусоидальных переменных токов до 1000 Гц, пульсирующего прямого тока нулевой последовательности и прямого тока нулевой последовательности.

При работе с задержкой по времени существуют три типа устройств защитного отключения:

• УЗО общего назначения без преднамеренной задержки времени, без специального символа,
• кратковременное УЗО (G-тип) с минимальным временем задержки 10 мс,
• УЗО с выдержкой времени (С-типа), с минимальной задержкой времени 40 мс, чтобы обеспечить селективность нижестоящему УЗО типа G.

В цепях привода с переменной скоростью также может протекать переходный и установившийся ток утечки. Этот ток имеет импульсный спектр [6], [7] с частотой, которая зависит от импульса ширины модуляции (ШИМ). А пиковое значение постоянного тока может достигать нескольких ампер. Ток утечки не должен вызывать нежелательного отключения УЗО. Ток утечки в цепи приводами с переменной скорости зависит от емкостей к земле (рисунок 1).

В цепи привода с переменной скоростью различают следующие емкости: [8], [9]:

• С_T – емкость между источником питания и землей (короткозамкнутая если нейтральная точка заземлена),
• С_Y – конденсаторы подавления помех на входе привода,
• С_C – емкость элементов IGBT между проводниками и корпусом, подключенным к земле,
• С_S – емкость между выходными проводниками и землей (в зависимости от длины кабелей и их типа – экранированная, неэкранированная),
• С_M – емкость между обмотками двигателя и землей (в зависимости от конструкции и номинальной мощности двигателя).

В заземленной низковольтной системе наибольшее значение тока утечки (I₁, I₂) протекает по емкостям, как на рисунке 2.

В такой схеме важно выбрать правильное УЗО, чтобы избежать его нежелательного отключения во время отсутствия замыкания на землю или прямого контакта.

II ТОК УТЕЧКИ В ЦЕПЯХ С РЕГУЛИРУЕМОЙ СКОРОСТЬЮ ПРИВОДА

В выбранных цепях приводов с переменной скоростью проводилось измерение тока утечки с использованием цифрового осциллографа. Измерение проводили в соответствии со структурой, представленной на рисунке 3.

Ток в защитном проводнике i_PE(t) измеряли первый (рисунок 4). А в приводе 12 кВт, ток в защитном проводнике i_PE(t) и общий ток утечки измерялись одновременно (рисунок 5).

Пиковое значение тока в защитном проводнике i_PE(t) привода 120 кВт (рисунок 4б) достигает нескольких ампер. Такое значение тока утечки может вызвать ложное срабатывание защитных устройств. Очень важным является вывод, который может быть сделан из сигналов, представленных на рисунке 5. Анализ этих двух сигналов показывает, что общий ток утечки в два раза выше, чем ток в защитном проводнике i_PE(t).

Общий ток утечки представляет собой общий ток, а не ток в защитном проводнике, который измеряется на практике. Общий ток утечки следует учитывать при выборе устройств с остаточным током.

Представленные выше токи утечки являются основой для разработки лабораторной системы для генерирования тока утечки.

III ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД И ТЕСТ

Очень важно для надежности питания выбирать устройство защитного отключения, которое невосприимчиво к естественному току утечки в цепи. Для оценки реальной устойчивости устройств защитного отключения был проведен лабораторный тест. Были протестированы УЗО самых популярных общие типов: AC и A 30 мА. Целью теста было найти пиковое значение тока утечки, которое вызывает отключение упомянутых устройств защитного отключения.

Для проведения лабораторных испытаний был подготовлен лабораторный стенд, содержащий программируемый источник питания, компьютер ПК и осциллограф.[10] Источник питания был запрограммирован с использованием среды LabVIEW. На рисунке 6 (a) представлена передняя панель лабораторного прибора, а на рисунке 6 (б) представлена форма сигнала испытательного импульсного тока. В реальных цепях ток утечки несимметричен, поэтому во время испытания импульсный ток также несимметричен.

Испытание проводилось для пяти значений частоты импульсов: 100 Гц, 200 Гц, 300 Гц, 500 Гц и 1000 Гц. Пиковая величина испытательного тока была установлена для 0,1 А; 0,5 А; 1 и 3 А соответственно. Было зафиксировано отключение или отсутствие отключения тестируемых УЗО для конкретной частоты и пикового значения тока. Структура лабораторного стенда для испытаний УЗО представлена на рисунке 7.

Ниже приведены результаты теста для выбранных устройств общего назначения (без временных интервалов) УЗО1, УЗО2, УЗО3 и УЗО4 (рисунок 8 – 11). Столбцы в соответствующем месте на рисунке 8 – 11 означают, что тестируемое УЗО вышло из строя.

УЗО1 отключилось для всех вынужденных частот, при пиковом значении испытательного тока – 1А или 3 А (рисунок 8 (а)). Для испытательного тока 0,5 А отключение УЗО1 регистрировали только для следующих частот: 100 Гц, 300 Гц и 500 Гц. При испытательном токе в 0,1 А, не было реакции УЗО1 во всем диапазоне частот.

Представленные выше результаты измерений означают, что велика вероятность невосприимчивости УЗО1 к импульсному току утечки в цепях приводов с переменной скоростью.

Чуть более высокая устойчивость к тестируемому току представляет собой УЗО2 (рисунок 9 (а)). Чем выше частота импульсного тока, тем выше значение пикового тока необходимо для срабатывания УЗО2.

Отключение УЗО3 является нерегулярным (рисунок 10). Как правило, он срабатывал при относительно низкой частоте импульсов (100 Гц и 200 Гц), но иногда при 1000 Гц и высоком значении пикового тока (1 А и 3 А).

Совершенно неожиданное поведение было зарегистрировано в случае теста УЗО4 (рисунок 11 (а)). Реакция УЗО4 на весь диапазон испытательного тока (как частота, так и пиковое значение тока) не наблюдалась. Такое УЗО может быть защищено относительно высоким значением тока утечки импульсов в реальных цепях привода с переменной скоростью.

На практике при выборе УЗО для цепей привода с переменной скоростью трудно оценить, какое УЗО обладает достаточным иммунитетом к току утечки импульсов. Тогда может оказаться полезной характеристика срабатывания конкретного УЗО как функции частоты остаточного тока (синусоида).

Сравнение рисунка 8 (б), рисунка 9 (б), рисунка 10 (б) и рисунка 11 (б) позволяет сделать вывод, что УЗО, которое немного восприимчиво к частоте синусоидального тока (рисунок 8 (б)) невосприимчиво к току утечки. А УЗО, сильно восприимчивое к синусоидальной частоте тока, имеет высокую устойчивость к току утечки (рисунок 11 (а)).

Чтобы сделать правильный выбор УЗО в цепях привода с переменной скоростью, должна быть представлена характеристика отключения УЗО в зависимости от частоты остаточного тока. Это также важно с точки зрения чувствительности УЗО к току замыкания на землю.

IV ВЫВОДЫ

В современных электроустановках предпочтительны устройства защитного отключения с высокой устойчивостью к току утечки. На практике обычно используются УЗО общего назначения. Как показали лабораторные испытания, этот тип УЗО имеет различную невосприимчивость к токам утечки. Трудно оценить его свойства в процессе выбора. Только дополнительные лабораторные испытания могут предоставить соответствующую информацию. Необходимо подчеркнуть, что УЗО, подходящее с точки зрения невосприимчивости к току утечки, может быть непригодным с точки зрения чувствительности к току замыкания на землю. Полезной может быть характеристика тока отключения частоты – такая характеристика должна быть представлена производителем.

Список источников

1. Low voltage electrical installations – Part 4-41: Protection for safety – Protection against electric shock, HD 60364-4-41:2007.
2. Low voltage electrical installations. Requirements for special installation or locations, HD 60364-7-7xx.
3. General requirements for residual current operated protective devices, IEC 60755:2008.
4. S. Czapp, The impact of higher-order harmonics on tripping of residual current devices, in Proc. 13th Int. Power Electronics and Motion Control Conf. (EPE-PEMC 2008), Poznan, Poland, Sept. 2008, pp. 2082–2088. [Online]. Available: http://dx.doi.org/ 10.1109/EPEPEMC.2008.4635569
5. S. Czapp, The effect of earth fault current harmonics on tripping of residual current devices, Przeglad Elektrotechniczny, no. 1, pp. 196–201, 2009.
6. J. Guzinski, Electric drives with induction motors and inverters output filters. Selected problems. Monograph, Gdansk University of Technology, Gdansk, no. 115, 2011. (in polish).
7. N. Bagdanavicius, A. Drabatiukas, S. Kilius, Lightning discharge parameters in building lightning protection calculations, Elektronika ir Elektrotechnika (Electronics and Electrical Engineering), no. 3, pp. 103–106, 2009.
8. J. Schoneck, Y. Nebon, LV protection devices and variable speed drives. Cahier technique no. 204. Schneider Electric, 2002.
9. J. Luszcz, Motor cable effect on the converter-fed AC motor common mode current, Przeglad Elektrotechniczny, no. 1b, pp. 177–181, 2012.
10. S. Czapp, D. Swisulski, The laboratory stand for testing of residual current devices The Scientific Papers of Faculty of Electrical and Control Engineering, Gdansk University of Technology, Gdansk, vol. 27, pp. 29–32, 2008. (in polish).