Защита электрооборудования при работе от однофазной и трёхфазной сети

Проблема защиты различного электрооборудования от «неправильного» напряжения питания существует, практически, на любом предприятии, особенно когда речь идет о дорогостоящих аппаратах. Эта проблема чем-то схожа с выбором страхования, но рано или поздно она может пригодиться.

На территории России определены такие параметры качества электроэнергии сети: напряжение 220В±10% *, частота 50Гц±1 Гц (2%), коэффициент КНИ <8% (длительно) и <12% (кратковременно).

 Основные неполадки в электросети: полное исчезновение напряжения, длительные и кратковременные «просадки» и всплески напряжения, высоковольтные импульсные помехи, высокочастотные гармоники (шум), уход частоты.

При работе оборудования от однофазной сети 220В, 50Гц основные неполадки сводятся к понижению или превышению напряжения за допустимые значения, а также, наличие различных импульсных помех. Последний фактор мы не рассматриваем в этой статье.

Выход напряжения питания за пределы допустимого может оказаться опасным для работы оборудования – оно просто выйдет из строя. Для защиты оборудования в этих случаях рекомендуется применять реле контроля напряжения, например РКН-1-1-15 АС220В. Это реле позволяет отключить дорогостоящее оборудование при выходе напряжения за допустимые пределы.

Гораздо сложнее обстоит дело при работе оборудования от трёхфазного напряжения. Кроме понижения или повышения напряжения на фазах, существенную роль играет т.н. «перекос фаз» - случай, когда напряжения на фазах имеют разную величину. Большой «перекос фаз» приводит к перегреву обмоток двигателей или трансформаторов и выходу их из строя.

Один из наиболее частых случаев, - это обрыв одной фазы. 
Некоторые типы трёхфазных электродвигателей в случае обрыва одной из фаз переходит в генераторный (тормозной) режим и генерируют на эту фазу т.н. напряжение рекуперации, близкое по фазе и амплитуде сетевому линейному напряжению. В этом режиме через обмотки электродвигателя будут протекать несимметричные токи опасных значений. Напряжение рекуперации может достигать 97% номинального значения. Если реле контроля фаз воспринимают это напряжение как «нормальную» фазу и не отключают питание двигателя, то электродвигатель выходит из строя.

Во многих случаях для нормальной работы оборудования требуется строго определённый порядок чередования фаз питающего напряжения. Иногда, в результате аварии в цепи питания, может возникнуть ситуация, когда все три фазы имеют напряжение 220В относительно «земли», но при этом две из них замкнуты между собой (т.н. «слипание» фаз). Работа оборудования при таком напряжении приведёт к выходу его из строя.

Для защиты оборудования от «неправильного» напряжения питания в мире выпускается большое количество различных реле контроля напряжения (реле контроля фаз). Например: TPW400VSN4X, TPF400S4X (ф. TeleControl), EFN PBN (ф. Entrelec) и др.

Стоимость таких реле составляет 70…250 USD, что часто, является препятствием для их применения. Большая часть этих реле требует для нормальной работы отдельного напряжения питания (т.н. напряжения «оперативного» питания) для питания самого реле, что усложняет схему их подключения. Некоторые типы реле питаются от фазного напряжения и нулевого провода или от двух фаз. При этом при аварии этих фаз нарушается диаграмма работы реле. 

Среди серийно выпускаемых отечественных разработок можно выделить три наиболее популярных модели реле контроля трёхфазного напряжения: ЕЛ-11, ЕЛ-12 и ЕЛ-13 разработки КБ «Ритм» Киевского «НПО реле и автоматики». Цены на эти реле лежат в пределах 18…22 USD. К достоинствам этих реле можно отнести питание от измеряемого напряжения, причём одновременно от всех трёх фаз, без нуля. Не требуется напряжения оперативного питания. При аварии на любой из фаз диаграмма работы реле не нарушается.

Реле предназначены для контроля снижения напряжения, наличия и порядка чередования фаз в системах трёхфазного напряжения и могут использоваться в схемах автоматического управления и защиты от недопустимой асимметрии фазных напряжений и работы на двух фазах.

Реле имеют разные области применения:
ЕЛ-11 - контроль выходного напряжения преобразователей или контроль напряжения питания различного электрооборудования.
ЕЛ-12 – контроль перекоса фаз напряжения питания мощных асинхронных электродвигателей, работающих в нереверсивном режиме, реле допускают значительное (до 0,5U_Ф.НОМ.) синфазное снижение напряжения на время разгона двигателя.
ЕЛ-13 – то же самое, но для двигателей, работающих в реверсивном режиме (не реагируют на изменение порядка чередования фаз).

На сегодняшний день реле этих типов (иногда под другими названиями) выпускают, как минимум, четыре предприятия на территории бывшего СССР:

1. «НПО реле и автоматика» (г. Киев, Украина)
2. ЗАО «Завод СТС» (г. Санкт-Петербург, Россия)
3. ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары, Россия).
4. ООО «Меандр» (г. Санкт-Петербург, Россия)

Реле производства первых трех предприятий практически полностью идентичны по схемотехнике со всеми их достоинствами и недостатками. Реле производства ОАО «ВНИИР», вдобавок, отличаются от ЕЛ-11, ЕЛ-12 и ЕЛ-13 типом корпусов и названиями - РСН25-27, РСН25М-27М и РОФ11-13. 

Реле производства ООО «Меандр» разработаны на базе современного микроконтроллера и являются полными функциональными аналогами киевских реле, но в них добавлен ряд дополнительных функций контроля, а также устранены некоторые недостатки прототипов. Благодаря аналого-цифровой обработке сигналов, почти на порядок повысилась точность и стабильность порогов срабатывания реле во всем диапазоне напряжений.

Добавлены новые функции:

• защита от перенапряжения - реле выключается при напряжении на любой фазе более 30%. 
  функция измерения изоляции обмотки электродвигателя ( РКФ-М08-2-15). При использовании реле для защиты электродвигателя дополнительная клемма Y1 подключается непосредственно к любому выводу обмотки и
• при наличии сопротивления утечки на «землю» менее 500кОм реле не разрешит включить электродвигатель.
• введена дополнительная светодиодная индикация: зелёный светодиод – питание включено и жёлтый – всё в норме, реле включено.

У реле Киевского производства по паспорту точность срабатывания реле нормируется на уровне 0,7±0,05U_Ф.НОМ. (для ЕЛ-12) и 0,6±0,05 U_Ф.НОМ. (для ЕЛ-11 и ЕЛ-13) при нормальном напряжении на двух других фазах UФ = U_Ф.НОМ.

При незначительном изменении напряжения на 2-х других фазах в ту или другую сторону, порог срабатывания реле меняется в значительных пределах (до 50 В). У реле производства ООО «Меандр» порог срабатывания во всем допустимом диапазоне напряжений меняется не более чем на 5В.

Значительно снижена потребляемая мощность (до 2.5ВА против 6ВА) - соответственно снизилось тепловыделение реле, что привело к повышению надёжности работы реле при повышенных рабочих температурах.

В 2007г. ООО «Меандр» приступило к выпуску новых модификаций реле серии : РКФ-М06-12-15 а также, специализированное реле РКН-1-2-15, предназначенное для защиты компрессорного оборудования от неполадок в сети с задержкой повторного пуска до 6 минут.
Отличие реле РКФ-М06-11-15 от реле ЕЛ-11М других модификаций заключается в наличии дополнительной регулировки порога срабатывания реле по снижению напряжения от 0.8 до 1.1 Uном от номинального значения.

Отличие реле РКФ-М06-12-15 и РКФ-М06-13-15 от реле ЕЛ-12М и ЕЛ-13М заключается в наличии дополнительной регулировки порога срабатывания реле при разбалансе фаз от +5 до –25 % от номинального значения.

* - ГОСТ 29322-92 "Стандартные напряжения"

"Номинальные напряжения уже существующих сетей напряжением 220/380 и 240/415 В должны быть приведены к рекомендуемому значению 230/400 В".