Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

УДК 622.621.316.1 
 
Борисов Владимир Николаевич – к.т.н., профессор (Алматы, АИЭС) 
 
ШУНТИРУЮЩАЯ ЗАЩИТА ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С 
ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ 
 
Для  защиты  от  поражения  человека    электрическим  током  в  электрических  сетях  с 
изолированной нейтралью необходимо обеспечение безопасных условий труда.  
  В соответствии с основными требованиями электробезопасности к шунтирующим 
устройствам аппарат должен содержать следующие основные блоки, узлы и элементы: 
1. ОПФ – определитель поврежденной фазы. 
2. УЗДК – З – узел защиты от двойных утечек на землю (касания двух фаз). 
3. СКСУИФ – система контроля симметричного уровня изоляции фаз. 
4. СККСУ – система контроля кратковременных самоустраняющихся утечек. 
5. БЛ – блок логических элементов и триггерных счетчиков. 
6. СЭЭШ – силовые элементы и генераторы пофазного управления энергетическим 
шунтированием. 
7. БО – блок   управления отключением сети. 
8.  ВСУЭ – вспомогательные  схемы  узлы  и  элементы  защитного  шунтирующего 
устройства (ЗШУ). 
На  рисунке 1 приведена  предлагаемая  структурная  схема  ЗШУ,  включающая 
названные  выше  блоки,  узлы  и  элементы  и  обеспечивающие  перечисленные  требования 
электробезопасности. 
БЛ
сээш1
БО
Г1
сээш2
сээш3
Г2
Г3
СКУИФ
ОПФ1,2,3
СККСУ
УЗДК-3
3
3
2
1
А
Тр 6/0,4 кВ
 
Рисунок 1 - Структурная схема защитного шунтирующего устройства  
 
В  исходном  (дежурном  состоянии)  силовые  элементы  энергетического 
шунтирования  СЭЭШ1;  СЭЭШ2;  СЭЭШ3 (симисторы)  закрыты,  т.к.  на  входах  из 

запускающих генераторов Г1;  Г2;  Г3 стоят запреты (нули с выхода логической системы 
блока  логики  БЛ,  что  в  свою  очередь  обуславливается  логическими  нулями  с  выхода 
определителей поврежденной фазы ОПФ1, 2, 3). 
При  однофазном  касании  человека,  например,  к  фазе 1 на  выходе  ОПФ 2, 3 
появятся  логические  единицы,  которые  через  блок  логики  БЛ  подадут  сигнал  на  вход 
генератора  Г1,  СЭЭШ1  и  симистор  этой  фазы  откроется,  соединив  фазу  один  с  землей. 
Одновременно  БЛ  выдает  запрет  на  запуск  генераторов  Г2,  Г3  коротящих  элементов  
СЭЭШ2; СЭЭШ3 в фазах 2, 3. 
Если  человек  освободился  за  время 1,28 с,  то  с  узла  СЭЭШ1  и  систем  контроля 
СКСУИФ  и  СККСУ  через  блок  логики  будет  подан  сигнал  на  прекращение  работы 
генератора  Г1,  симистор  этой  фазы      закроется,  напряжение  поврежденной  фазы  
восстановится  до  нормы  и,  таким  образом,  акт  защиты  будет  проведен  без  отключения 
сети  от  подстанции.  Если  утечка  несамоустранилась  за 1,28 с,  то  блок  логики  БЛ  через 
свой счетчик выдаст по истечении указанного времени сигнал на отключение сети блоком 
БЛ.  
При двухфазном касании ОПФ «здоровой» фазы посредством узла УСДК-З и блока 
БЛ  выдаст  сигнал  блоку  отключения  БО  и  сеть  будет  отключена  автоматом  А  без 
выдержки времени.  
При  равномерном  симметричном  снижении  уровня  изоляции  до  критического 
значения, например до 10,5 кОм на фазу (для напряжения сети 
B
U
н
380
=
) блок СКСУИФ 
через 2,56 с даст блоку БО сигнал на отключение сети. Устранить указанные в [статья 6.1] 
недостатки  известных  схем  ЗШУ,  повысить  их  функциональные  возможности, 
чувствительность,  надежность,  расширить  защитную  зону  можно  только  применением 
современной  электронной  базы  и  вводом  в  схему  ЗШУ  блока  ОПФ  на  оптронах  и 
компараторах, блока логики триггерных счетчиков и другой микроэлектронной базы. При 
этом является обязательным укомплектование ЗШУ блоками и узлами СКСУИФ, СККСУ, 
УЗДК-З,  симисторными  короткозамыкателями  с  надежными  генераторами  управления, 
стабилизированным блоком питания и другими бесконтактными схемными элементами. 
В  результате  конструкторских  проработок  была  создана  схема  аппарата, 
изготовленного  и  испытанного  в  лабораторных  и  производственных  условиях  рудников 
Казахстана ЗШУ – 380. Основные блоки и узлы схемы ЗШУ: 
1.  Блок  ОПФ  на  оптронах  «светодиод-фотодиод»  типа  АОД 101 Б  и  компакторах 
(операционных носителях) К 140 УД с входными и выходными значениями напряжения и 
тока  достаточными  для  формирования  логических  единиц  и  нулей,  посылаемых  на  блок 
логики. 
2. Узел защиты от двойных утечек на землю (касание двух фаз)  УЗДК-З, действие 
этой защиты основано на взаимодействии с блоком логики и статическим компенсатором 
емкостных токов утечки. 
3.  Узел  системы  контроля  симметричного  уровня  активного  сопротивления 
изоляции фаз СКСУИФ с улучшенными в сравнении с известными характеристиками за 
счет  применения  оптрона  и  компаратора,  а  также  входные – выходные  величины 
напряжения  и  токов  для  формирования  логической  единицы  и  нуля,  расчет  числа 
ступеней  деления  частоты  триггерных  счетчиков  для  создания  выдержки  времени 
срабатывания  узла  СКСУИФ  на  отключение  сети;  взаимодействие  сигналов  с  логикой 
ЗШУ для основных случаев нарушения нормального состояния изоляции фаз сети. 
4. Узел системы контроля кратковременных самоустраняющихся утечек СККСУ с 
выходом  на  логику  и  расчетом  параметров  элементов,  напряжений  и  токов,  входящих  в 
цепи узла СККСУ с подбором стандартных оптрона и компаратора. 
5. Блок логики БЛ из девяти логических элементов серии К155 ( три элемента 2И-
НЕ,  два  элемента    3И-НЕ,  четыре  счетчика  К 155ИЕ-5)  и  операционных  усилителей 
К140УД1Б. 

6.  Блокинг  генераторы  управления  Г1,  Г2,  Г3  силовыми  элементами 
энергетического шунтирования СЭЭШ, (шунтирующими симисторами). 
Оценку  предлагаемой  схемы  аппарата  и  известных  схем [2-7]  произведем  с 
использованием комплексного показателя эффективности «Э» [7]:  
 
,
∑
⋅
=
m
i
i
i
X
Э
μ
 
где      Э – комплексный  показатель  эффективности  схемы  ЗШУ; 
i
μ
 - весовой  показатель 
эффективности; 
i
X - коэффициент соответствия метода, схемы и технических показателей 
показателям 
i
μ
. 
 
Ниже приводится расшифровка и значения весовых показателей эффективности
i
μ
, 
полученных при испытаниях ЗШУ в производственных и лабораторных условиях:  
1.  Ограничение тока 
мА
I
чел
10
=
 
;
05
,
0
1
=
μ
 
2.  Сокращение перерывов электроснабжения 
;
1
,
0
2
=
μ
 
3.  Отключение сети с длительными утечками недопустимой величины 
;
05
,
0
3
=
μ
 
4.  Значительное снижение количества электричества через тело человека при 
защите 
мАс
t
I
Q
чел
,
⋅
=
 
;
1
,
0
4
=
μ
 
5.  Защита при касании двух фаз одновременно 
;
05
,
0
5
=
μ
 
6.  Работоспособность аппарата в подземных условиях 
;
05
,
0
6
=
μ
 
7.  Исключение 2-х и 3-х фазных КЗ в шунтах аппарата 
;
15
,
0
7
=
μ
 
8.  Обеспечение защиты двигателей и других трехфазных потребителей от 
неполнофазного режима работы 
;
05
,
0
8
=
μ
 
9.  Бесконтактное исполнение и минимум моточных деталей 
;
25
,
0
9
=
μ
 
10.  Обеспечение зоны защиты в пределах, определенных правилами безопасности 
(ПБ): 
кОм
r
изол
10
=
 на фазу; 
кОм
r
ут
5
,
7
=
 
.
15
,
0
10
=
μ
 
 
Коэффициенты  соответствия 
i
X   определены  расчетами  по  перечисленным  выше 
достоинствам,  недостаткам  и  техническим  характеристикам  рассмотренных  в [2-7]  и 
предложенной ЗШУ во время их испытаний. 
 
Результаты расчета показателя «Э» для 5 конструкций ЗШУ, приведены в таблице 1. 
 
Таблица 1 - Показатели  эффективности  схем  ЗШУ  для  электроустановок  и  сетей 
напряжением 380 В 
 
Метод и 
схемы ЗШУ 
Весовые коэффициенты показателей 
i
μ
 
Пока-
затель 
Э 
 
1
μ  
2
μ  
3
μ
 
4
μ  
5
μ
 
6
μ
 
7
μ
 
8
μ
 
9
μ
 
10
μ
 
 
 
Коэффициенты 
i
X  соответствия схем защиты показателям 
i
μ
 
 
Метод 
П.Я.Строн-
гина 
1,0  1,0 0,0 0,3 0,0 0,5 0,5 0,5 0,0 1,0 0,455 
АЭБК-1 
ВОСТНИИ 
1,0  1,0 1,0 0,5 0,8 1,0 1,0 0,8 0,0 0,8 0,650 
ЗШУ по А.С. 
№657514 
1,0  1,0 1,0 0,8 0,0 0,8 0,5 0,7 0,0 0,7 0,535 
ЗШУ по А.С. 1,0  1,0 1,0 1,0 0,8 0,8 0,5 0,3 0,3 0,7 0,650 

№843086 
ЗШУ-Суиф 
на оптронах 
1,0  1,0 1,0 1,0 1,0 0,8 0,8 0,9 1,0 0,9 0,940 
 
 
Выводы
  
 
По  весовым  показателям 
7
μ
  (исключение 2-х  фазных  КЗ)  и 
2
μ   (сокращение 
перерывов    электроснабжения)  лидирует  ЗШУ  ВОСТНИИ  России.  По  показателям 
2
μ ,  
4
μ , 
7
μ
  и 
9
m  - схема  по  А.С.№843086.  Предлагаемое  ЗШУ  на  оптронах  имеет 
преимущества  по  показателям 
2
μ ,  
4
μ , 
7
μ
, 
9
μ
,  
10
μ
  и  в  целом  с  разрывом 1,44 раза  по 
комплексному  показателю  эффективности  опережает  остальные  схемы.  Данные 
преимущества  обусловлены  в  основном  благодаря  применению  ОПФ  на  оптронах  и 
компараторах, ТТЛ-логики, более широкой зоне защиты и узла защит при одновременном 
касании человека к двум фазам. 
    
ЛИТЕРАТУРА 
 
 1. 
К  разработке  электрической  схемы  и  аппарата  шунтирующей  защиты  для  сетей  с 
изолированной нейтралью /В.Н.Борисов, Г.Х.Хожин, В.С.Сидельковский, Ю.А.Леньков. Алматы,  
Наука и техника Казахстана, 2002, №3, 35-39.. 
 2. 
Стронгин  П.Я.  Защита  от  поражения  электрическим  током  в  сетях  с  изолированной 
нейтралью.  Труды  Северо-Кавказского  горнометаллургического  института  выпуск 20, 
«Энергетика», Орджоникидзе (Владикавказ), 1966, с. 65-70. 
 3. 
Микрюков  В.И.,  Ягудаев  Б.М.  Быстродействующее  защитное  закорачивание  на  землю 
фазы сети 3-10 кВ. Безопасность труда в промышленности, 1973, №5, с. 35-37. 
 4.Шуцкий  В.И.,  Жидков  В.О.,  Ильин  Ю.Н.  Защитное  шунтирование  однофазных 
повреждений электроустановок. М.,  Энергоатомиздат, 1986, 152 с. 
 5. 
Жидков В.О., Ильин Ю.Н., Щур Н.А. и др. Устройство для выбора поврежденной фазы в 
3-х фазной сети с изолированной нейтралью А.С. 838866 (СССР).  Опубл. В БИ, 1982, №22. 
 6. 
Ефремов  И.М.,  Кругликов  А.П  Устройство  для  защиты  человека  от  поражения 
электрическим током. А.С. 657514 (СССР) с приоритетом от 01.08.1976. 
 7. 
Ефремов И.М., Шишкин А.Г. Устройство для  защиты от поражения электрическим током 
в сети с изолированной нейтралью. А.С. 843086 (СССР) с приоритетом от 17.08.1979. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

УДК 622.621.316.1 
 
Борисов Владимир Николаевич – к.т.н., профессор (Алматы, АИЭС) 
 
ЩАДЯЩИЕ ЗАЩИТНЫЕ ШУНТИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА 
 
Предельные  значения  токовременных  параметров  по  обеспечению  безопасности 
людей,  попавших  под  действие  электрического  тока,  трактуются  рядом  исследователей 
не однозначно. 
По  данным  Дальзиеля [1] отрыв  от  проводника  при  токе  промышленной  частоты 
величиной 16 мА  возможен  только  у 50% подвергшихся  действию  этого  тока  людей, 
откуда  следует  вывод,  что  для  обеспечения  безопасности  требуется  отключение 
электросети,  хотя  этот  ток  еще  не  приводит  к  необратимым  изменениям  в  организме  в 
течении нескольких секунд. 
При увеличении тока 
чел
I  до 100 мА у 0,5% попавших под действие тока в течение 
3-4с  людей,  возможна  фибрилляция  сердца,  вследствие  чего  делается  вывод  о 
необходимости  не  только  отключения  сети,  но  и  строгом  соблюдении  времени 
отключения  для  того,  чтобы  выдержалась  зависимость 
27
,
0
2
=
⋅ t
I
чел
      (при  вероятности 
0,5%), т.е. при токе  
А
I
чел
1
,
0
=
 время воздействия тока на человека в период отключения 
сети,  а  также  ЭДС  отключенных,  но  вращающихся  по  инерции  двигателей  и  разрядного 
тока емкости отключенной сети относительно земли не превысило 2,7 секунды. 
В  СНГ  по  временным  нормам  электробезопасности  и  временным  техническим 
требованиям  к  аппаратам  защиты  от  утечек  допустимое  количество  электричества  через 
тело  человека  составляет  примерно 50-60 мАс [1, 2] (милликулон),  по  американским 
нормам 100-270 мАс, (см. рисунок 1). 
 
 
 
 
Рисунок 1 – Схема защитно-шунтирующего устройства 
 
Дальнейшее  снижение  вероятности  поражения  обслуживающего  персонала 
электрическим  током,  обеспечение  щадящего  режима  защиты  (в  сравнении  с  указанным 
выше  нормативом 50-60 мАс)  возможно  на  основе  разработки  схем  аппарата  защиты  с 
использованием 
метода 
создания 
при 
защите 
искусственной 
несимметрии 

(шунтирования),  позволяющего  также  сократить  число  и  длительность  перерывов 
электроснабжения участков электросетей при защитных отключениях. 
В  работах [3, 4] показано,  что  постановка  шунта  величиной,  например, 100 Ом 
между  фазой  с  коснувшимся  человеком  (
кОм
R
чел
1
=
)  и  землей  при  сопротивлении 
изоляции 10 кОм на фазу в сети напряжением  380 В снижает ток через тело человека в 10 
раз  при  увеличении  общего  тока  замыкании  на  землю  на 25%. В  этих  же  работах  даны 
теоретические  обоснования  по  расчету  величины  шунтирующего  сопротивления, 
перепада  напряжения  «фаза-земля»  при  самоустраняющихся  утечках    или 
самоосвобождении  человека  от  действия  тока  и  ряду  других  вопросов,  связанных  с 
созданием  защитных  шунтирующих  устройств  (ЗШУ).  Вопросом  теории  и  практики 
защитных  шунтирующих  устройств  (ЗШУ)  посвящен  ряд  предыдущих  и  последующих 
исследований [3, 4, 5]. 
Защитные  шунтирующие  устройства,  безусловно,  создают  щадящий  режим 
защиты,  а  в  ряде  случаев  и  сокращают  число  перерывов  электроснабжения  из-за 
защитных  отключений.  Однако  на  практике  они  почти  не  используются,  в  основном,  за 
счет недостатков в принципе действия и недоработок в схемных решениях. Реакция ЗШУ 
на  однофазной  утечке  однозначна – аппарат  замыкает  поврежденную  фазу,  обеспечивая 
щадящий режим защиты. Однако большинство предложенных схем либо не реагируют на 
двух  фазные утечки,  либо  закорачивают  эти  фазы  на  землю,  создавая  двухфазный  КЗ  с 
выходом аппарата из строя. В первом случае в роли двухфазной утечки может оказаться 
человек,  случайно  коснувшийся  двух  фаз.  В  предлагаемой  нами  схеме  этот  недостаток 
исключен  применением  логических  элементов,  благодаря  чему  появление      двухфазного 
короткого  замыкания  в  аппарате  защиты  исключается,  кроме  того  ЗШУ  в  этом  случае 
отключает сеть без выдержки времени.  
Еще  более редкий  случай  может быть  когда  при утечки  на  землю  в  одной  из  фаз 
шунтирующий  блок  замкнул  ее  на  землю.  Осуществляя  защитное  шунтирование,  но  в 
этой  же  сети  произошло  случайное  касание  человеком  другой  фазы.  Человек  в  этом 
случае  также  попадает  под  линейное  напряжение,  поэтому  и  здесь  необходимо 
отключение  сети  без  выдержки,  либо  с  небольшой  выдержкой,  гарантирующей  не 
превышение  указанного  выше  норматива 50-60 мАс.  Отсюда  вытекает  требование  к 
ограничению  времени  защитного  замыкания  фазы  на  землю:  время  действия  защитного 
шунтирования  должно  быть  ограничено  в  пределах 0,5-1,25 с,  после  чего  сеть  должна 
быть отключена. 
Для  уяснения  щадящего  эффекта  шунтирования  рассмотрим  основные  слагаемые 
суммарного  времени воздействия тока на человека при работе ЗШУ.  
Задержка  в  постановке  шунта  за  счет  инертности    входных  схемных  элементов, 
например,  до  входа  компараторов – определителей    поврежденной  фазы 
,
05
,
0
10
10
05
,
0
6
6
c
R
C
=
⋅
⋅
=
⋅
−
  что  составляет  два  с  половиной  периода  синусоиды  при 
значениях 
кОм
R
мкФ
C
C
вх
вх
1000
;
05
,
0
=
=
=
 
плюс 
задержка 
в 
срабатывании 
шунтирующего органа (0,0075 с), всего 
c
t
0575
.
0
1
=
 (2,87 периода синусоиды).  
Задержка времени в срабатывании отключающего элемента и автомата подстанции 
при  необходимости  защитного  отключения  сети  равна 
с
t
0175
,
0
01
,
0
075
,
0
2
=
+
=
или 
(0,875  периода  синусоиды).  Время  нахождения  шунта  в  снятом  состоянии  при 
определении  вида  утечки  (кратковременная  самоустраняющаяся  или  длительная) 
составляет  
c
t
04
,
0
3
=
 (два периода синусоиды). 
Время  запаздывания  постановки  шунтов  для  защиты  от  ЭДС  отключенных,  но 
вращающихся  по  инерции    двигателей  и  разряда  емкости  сети,  равное  времени 
срабатывания шунтирующих элементов 
)
375
,
0
(
0075
,
0
4
с
t
=
 периода синусоиды.  

Время  действия  на  человека  остаточной  (половинной)  ЭДС  при  самоотключении 
ЗШУ  от  отключенной  сети  из-за потери  питания,  когда  защитные  шунты  автоматически 
снимаются 
.
35
,
0
5
с
t
=
  
Суммарное  время  нахождения  человека  под  действием  электрического  тока  от 
момента  касания  до  момента  самоосвобождения  от  фазы  при  постоянном  шунте 
c
t
t
0575
,
0
1
=
=
∑
 (2,87  периода синусоиды). 
Количество  электричества,  проходящее  через  тело  человека  в  момент  постановки 
шунта  (т.е.  за  время 
1
t
)  при  сопротивлении  тела  человека 
кОм
R
чел
1
=
и  критическом 
сопротивлении  изоляции 
кОм
r
из
5
,
10
=
  на  фазу  (нескомпенсированной  емкостью 
изоляции 0,1 мкФ на фазу для этого случая пренебрегаем, поскольку проводимость ее на 
порядок  ниже  проводимости  тела  человека  и  в 3 раза  ниже  активной  проводимости 
изоляции) равно: 
 
,
8
.
2
5
.
10
1
3
0575
.
0
220
3
0575
.
0
3
3
1
мАс
r
R
U
t
I
из
чел
ф
чел
=
+
⋅
⋅
⋅
=
⋅
+
⋅
⋅
=
⋅
 
 
что в 18 раз ниже токовременного норматива 50-60 мАс. 
Таким  образом,  щадящий  режим  защиты  человека,  коснувшегося  фазы, 
обеспечивает постановка шунта между этой фазы и землей.  
Суммарное  время  нахождения  под  действием  тока  человека,  не  сумевшего,  по 
каким-либо причинам (захват проводника, потеря сознания и т.п.) освободиться от фазы 
при  поставленном  шунте,  от  момента  касания  до  момента  прекращения    действия  ЭДС 
равно  
 
.
4725
.
0
35
.
0
0075
.
0
04
.
0
0175
.
0
0575
.
0
5
4
3
2
1
c
t
t
t
t
t
t
=
+
+
+
+
=
+
+
+
+
=
′′
∑
 
 
Количество электричества, проходящее через человека за время 
 
c
t
t
t
t
t
1225
.
0
4
3
2
1
=
+
+
+
=
∑
 равно 
,
6
5
.
10
1
3
1225
.
0
220
3
мАс
t
I
=
+
⋅
⋅
⋅
=
⋅
∑
 
 
а  количество  электричества,  проходящее  за  время 
5
t определяется  в  функции  от 
остаточной (половиной) величины ЭДС (около 110 В) 
 
.
6
.
8
5
.
10
1
3
35
.
0
110
3
5
мАс
t
I
чел
=
+
⋅
⋅
⋅
=
⋅
 
 
Суммарное значение количества электричества 
 
,
60
50
6
.
14
6
.
8
6
мАс
мАс
t
I
чел
÷
=
+
=
⋅
p
 
 
т.е. удовлетворяет временным нормативам электробезопасности. 
 Для  сравнения  эффектности  ЗШУ  с  аппаратами  типа  УАКИ,  АЗАК,  АЗШ 
рассчитаем  параметр 
t
I
чел
  при  защите  человека  этими  аппаратами  при 
кОм
R
чел
1
=
и 
кОм
r
чел
5
.
10
=
на фазу.  
Время  срабатывания  первичного  реле  в  схеме  УАКИ  (АЗАК)  составляет 0,008-
0,009  с  сетевого  автомата – 0,01с,  время  воздействия  ЭДС  и  разряда  емкости  после 

отключения сети 1,0-1,5 с, суммарное время нахождения человека под воздействием тока 
1,27с. 
Тогда 
.
1
.
62
27
.
1
5
.
10
1
3
220
3
мАс
t
I
чел
=
⋅
+
⋅
⋅
=
⋅
 
 

жүктеу/скачать 5,71 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: