Analiza i badanie wpływu wybranych wyższych harmonicznych na działanie wyłączników różnicowoprądowych typu AC i A

Dla skuteczności ochrony przeciwporażeniowej, szczególnie ochrony uzupełniającej, znaczenie ma najmniejsza wartość prądu, powodująca niezawodne zadziałanie wyłącznika różnicowoprądowego. W ostatnich latach coraz częściej stosuje się pośrednie przemienniki częstotliwości i inne przekształtniki. Prądy przy zwarciach doziemnych w ich obwodach mogą być silnie odkształcone. Na rysunku 1. przedstawiono przebieg napięcia względem ziemi na wyjściu przemiennika częstotliwości. Widać, że jest on silnie odkształcony. Jeżeli odkształcone jest napięcie względem ziemi, to prąd różnicowy również będzie odkształcony.

Wyższe harmoniczne w prądzie różnicowym mogą naruszać poprawne działanie wyłączników różnicowoprądowych. W artykule przedstawiono analizę działania i wyniki badań wyłączników różnicowoprądowych przy prądach zawierających wybrane wyższe harmoniczne.

działanie wyłącznika różnicowoprądowego przy prądzie różnicowym nieodkształconym

Dla prawidłowego działania wyłącznika różnicowoprądowego wszystkie przewody czynne obwodu powinny przechodzić przez przekładnik prądowy Ferrantiego TR. Rysunek 2. przedstawia układ połączeń wyłącznika różnicowoprądowego. Jeżeli w obwodzie nie ma zwarć doziemnych lub błędów w połączeniach, to suma prądów w przewodach czynnych jest równa zeru, tzn. nie występuje prąd różnicowy I_Δ, w rdzeniu przekładnika TR nie powstaje strumień i wyłącznik pozostaje zamknięty.

Jeżeli w obwodzie pojawi się prąd różnicowy I_Δ, np. w wyniku uszkodzenia izolacji, to suma prądów w przewodach czynnych nie jest już równa zeru. Pojawi się strumień magnetyczny w rdzeniu przekładnika TR, który spowoduje przepływ w obwodzie wtórnym prądu I_s. W rozpowszechnionych obecnie konstrukcjach wyłączników różnicowoprądowych prąd ten oddziałuje na wyzwalacz spolaryzowany WS w ten sposób, że w jednym półokresie osłabia, a w drugim wzmacnia strumień magnetyczny wytworzony przez magnes trwały podtrzymujący zworę.

Jeżeli wartość prądu różnicowego jest dostatecznie duża i pochodząca od niego siła będzie większa od siły trzymającej zworę, to odpadnie ona i otworzą się zestyki główne wyłącznika. Przebiegi strumieni magnetycznych w zworze i sił działających na zworę wyzwalacza, pochodzących od poszczególnych jego elementów, oraz przebieg siły wypadkowej, wraz z zaznaczeniem punktu, w którym następuje odpadnięcie zwory, przedstawiono na rysunku 3. Wyłączniki typu AC powinny wyzwalać przy prądach sinusoidalnie zmiennych, natomiast typu A również przy prądach jednokierunkowych o dużym tętnieniu (tab. 1.).

Rozwiązania konstrukcyjne wyłączników różnicowoprądowych zależą od wymaganej czułości na wartość i kształt prądu różnicowego. Najprostsze wyłączniki niskoczułe nie zawierają żadnych elementów pomiędzy wyjściem przekładnika różnicowego a wyzwalaczem spolaryzowanym, bądź zawierają kondensator lub diodę. Wyłączniki wysokoczułe, mające wyzwalać przy małych wartościach prądu różnicowego, np. I_Δn=30 mA bądź selektywne lub takie, które powinny wykrywać prądy jednokierunkowe, mogą zawierać dodatkowe elementy elektroniczne, w tym dedykowane układy scalone ASICs (Application Specific Integrated Circuits). Rozwiązanie obwodu wtórnego, brak lub obecność dodatkowych elementów, wpływa na prawidłowe działanie wyłącznika różnicowoprądowego przy prądzie różnicowym odkształconym.

działanie wyłącznika różnicowoprądowego przy prądzie różnicowym odkształconym

Pojawienie się w przebiegu prądu różnicowego wyższych harmonicznych może wpływać na czułość wyłącznika różnicowoprądowego [2, 3]. W analizie założono, że w prądzie różnicowym oprócz 1. harmonicznej może pojawić się jedna z nieparzystych harmonicznych.

Na rysunku 4. przedstawiono przykładowe przebiegi napięcia indukowanego e_s(t) po stronie wtórnej przekładnika w przypadku, gdy prąd pierwotny i_p(t) jest odkształcony. Fazy tych przebiegów są przesunięte, a w napięciu e_s(t) zauważa się mniejsze odkształcenia, co jest zjawiskiem korzystnym. Należy tu zaznaczyć, że badany przekładnik zastosowano w wyłączniku selektywnym, który zawiera w obwodzie wtórnym elektroniczny układ dopasowujący E. Napięcie e_s(t) mierzono na zaciskach wyjściowych uzwojenia wtórnego przekładnika, które zarazem są zaciskami wejściowymi elektronicznego układu dopasowującego E, co w tym przypadku wpływało na zmniejszenie odkształcenia napięcia indukowanego w stosunku do warunków, kiedy z obwodu wtórnego usunięto układ E.