УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ОТ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ТРЕМЯ ФАЗНЫМИ ПРОВОДАМИ И НУЛЕВЫМ ПРОВОДОМ Российский патент 1994 года по МПК H02H3/16 H02H5/10 

Изобретение относится к устройствам защиты людей от поражения электрическим током, предназначено для электроустановок, которые получают электроэнергию по четырехпроводной сети переменного тока, используются в производственных помещениях и на транспортных средствах.

Известно устройство [1] , позволяющее обеспечить защитное отключение электроустановки, корпус которой заземлен и имеет электрическое соединение через стабилитрон с вспомогательным электродом (протектором), который находится в земле. Применительно к электроустановкам напольного транспорта практически трудно осуществлять электрическое соединение с вспомогательным электродом, что связано с усложнением электроустановки и ее удорожанием.

Известно устройство [2], которое может быть использовано в электроустановках напольного транспорта, но оно имеет сложную схему с большим количеством элементов.

Прототип [3] не имеет недостатков, которые присущи аналогам, и включает в себя магнитный пускатель с кнопками управления, трансформатор тока нулевой последовательности, усилитель напряжения, реле, асимметрирующий и симметрирующий блоки, которые соединены по схеме асимметра. Недостатком известного устройства является его критичность к асимметрии напряжения питающей сети. При асимметричном питающем напряжении нарушаются равенства величин (амплитуд) фазных напряжений и углов, на которые сдвинуты во времени эти напряжения относительно друг друга. В случае такого питающего напряжения при одинаковых емкостях и равных сопротивлениях конденсаторов асимметрирующего и симметрирующего блоков (симметричной нагрузке) нарушается симметрия токов первичных обмоток трансформатора тока нулевой последовательности и на вторичной обмотке этого трансформатора появляется напряжение. Это приводит к ложным срабатываниям устройства защитного отключения, которые отрицательно влияют на надежность работы электроустановки.

Наряду с этим при несимметричном питающем напряжении имеет место понижение уровня электробезопасности. Это вызвано тем, что если при несимметричном напряжении человек касается фазы, напряжение которой из-за несимметрии понижено, то для срабатывания защиты и снятия напряжения с электроустановки и с человека требуется, чтобы через его тело прошел большой ток по сравнению с аналогичной ситуацией при симметричном питающем напряжении. Увеличение проходящего через тело человека тока, который обеспечивает срабатывание защиты, вызвано следующими обстоятельствами. По мере роста этого тока сначала уменьшаются несимметрия токов первичных обмоток трансформатора и соответственно геометрическая сумма этих токов. Если результирующий ток тела человека и конденсатора фазы, к которой он коснулся, достигает тока других фаз с повышенным вследствие несимметрии напряжением и продолжает расти, то после этого несимметрия и геометрическая сумма токов растут. Когда эта сумма достигает величины, равной установке защиты, она срабатывает и снимает напряжение. Такой характер изменения геометрической суммы токов первичных обмоток трансформатора является причиной срабатывания защиты при большем токе, проходящем по телу человека. Более того, вполне возможна такая ситуация, когда протекает в теле человека такой ток, при котором геометрическая сумма токов уменьшилась и не увеличивается. В этом случае защита не срабатывает и напряжение не снимается.

Техническим результатом является повышение надежности работы защищаемой электроустановки и обеспечение более высокого уровня электробезопасности обслуживающего ее персонала.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство дополняют вторыми асимметром, трансформатором тока нулевой последовательности и усилителем напряжения. Эти дополнительные элементы между собой и подключают к питающей сети переменного тока таким образом, что выходное напряжение второго усилителя зависит от уровня асимметрии напряжения питающей сети и не реагируют на аварийные режимы защищаемой электроустановки. Использование этих элементов в совокупности с асимметром, трансформатором и усилителем, имеющим выходное напряжение, которое реагирует на асимметрию и на аварийные режимы, позволяет исключить ложные срабатывания защитного устройства и не допустить увеличение необходимого для его срабатывания тока, который протекает через тело человека. Это обеспечивает указанный технический результат.

На чертеже показана принципиальная электрическая схема устройства защитного отключения.

Защищаемая электроустановка получает электроэнергию по питающей четырехпроводной сети 1 трехфазного переменного тока, образованной нулевым проводом 1, 1, который заземлен у источника электроэнергии (не показан), и фазными проводами 1.2, 1.3, 1.4. По трем фазным проводам сети 1 поступает электроэнергия, необходимая для работы электроустановки. Четвертый нулевой провод сети 1 обеспечивает защитное заземление корпуса электроустановки.

Устройство защитного отключения состоит из кнопок 2 ("Пуск") и 3 ("Стоп 1"), реализующих операции пуск и стоп, магнитного пускателя 4 с силовыми 4.1 и блокировочным 4.2 контактами и катушкой 4.3, реле 5 с катушкой 5.1 и размыкающим контактом 5.2, первого 6 и второго 7 усилителей напряжения, первого 8 и второго 9 трансформаторов тока нулевой последовательности, второго асимметра 10 с конденсаторами 10.1, 10.2 и 10.3, клемм 11. К клеммам 11 подключен асимметрирующий блок 12 с конденсаторами 12.1 и 12.2 и гибкий кабель 13. Электроустановка 14 имеет клеммы 15, к которым подключены фазные провода кабеля 13, не показанные на схеме электроприемники (асинхронные двигатели, двигатели постоянного тока с преобразователем) и симметрирующий блок 16, который имеет конденсатор 16.1 и кнопку 16.2 ("Стоп 2") с размыкающим контактом, реализующую операцию стоп. Корпус 17 электроустановки 14 соединен с нулевым проводом 1.1 сети 1.

Конденсаторы 10.1, 10.2 и 10.3 асимметра 10 имеют одинаковую емкость и образуют для сети 1 трехфазную симметричную нагрузку. Конденсаторы 12.1, 12.2 и 16.1 блоков 12 и 16 имеют одинаковую емкость и образуют первый асимметр. Выходы усилителей 6, 7 и катушка 5.1 реле 5 соединены между собой по схеме сравнения напряжений. Размыкающий контакт 5.2 реле 5 включен в цепь питания катушки 4.2 магнитного пускателя 4.

Работа устройства защитного отключения характеризуется следующими режимами.

В исходном состоянии силовые контакты 4.1 магнитного пускателя 4 разомкнуты и на электроустановку 14 напряжение не подается.

Для оперативной подачи напряжения на электроустановку 14 кратковременно нажимают кнопку "Пуск". При этом ее контакт замыкается и переменное напряжение сети 1 поступает через замкнутые контакт кнопки "Стоп 1" и контакт 6.2 реле 5 на катушку 4.3 магнитного пускателя 4, он замыкает свои силовые 4.1 и блокировочные 4.2 контакты. Замкнувшийся контакт 4.2 создает цепь, обеспечивающую включенное положение магнитного пускателя при отпущенной кнопке "Пуск" и разомкнутом ее контакте. Через замкнувшиеся контакты 4.1 магнитного пускателя трехфазное переменное напряжение сети 1 подается на электроустановку 14, а асимметр 10 и в блок 12.

Так как конденсаторы асимметра 10 имеют одинаковую емкость, то при симметричном питающем напряжении токи этих конденсаторов имеют равную величину и одинаковый фазовый сдвиг. Поэтому отсутствует ток в первичной обмотке трансформатора 9, равный геометрической суме токов этих конденсаторов, напряжение вторичной обмотки трансформатора 9 и напряжение на выходе усилителя 7 равны нулю. В аналогичном режиме работают асимметр, образованный из блоков 12 и 16, трансформатор 8 и усилитель 6. При отсутствии напряжений на выходах усилителей 6 и 7 отсутствует напряжение на катушке 5.1 реле 5, которое не возбуждено, и его контакт 5.2 замкнут.

Если напряжение сети 1 имеет несимметрию, то при равных емкостях конденсаторов второго асимметра 10 их токи тоже имеют асимметрию. Поэтому ток первичной обмотки трансформатора 9, равный геометрической сумме токов конденсаторов асимметра 10, неравен нулю, на вторичной обмотке трансформатора 9 присутствует напряжение, которое увеличивается усилителем 7. На его выходе присутствует постоянное напряжение, которое имеет показанную на схеме полярность и величину, пропорциональную напряжению обмотки трансформатора 9 и току его первичной обмотки.

В таком же режиме работают первый асимметр, образованный из блоков 12 и 16, трансформатор 8 и усилитель 6. На его выходе присутствует напряжение (его полярность показана на схеме), величина которого пропорциональна напряжению вторичной обмотки трансформатора 8 и геометрической сумме токов его первичных обмоток. Так как к конденсаторам обоих асимметров прикладывается напряжение с одинаковой несимметрией, то выходные напряжения усилителей 6 и 7 имеют одинаковую величину. При этом выходные напряжения усилителей 6 и 7 имеют такую полярность (показана на схеме), при которой к катушке 5.1 реле 5 прикладывается разность этих напряжений. Поэтому напряжение на катушке 5.1 реле 5 отсутствует и его контакт 5.2 замкнут.

По первичным обмоткам трансформатора 8 кроме токов конденсаторов блоков 12 и 16 протекают токи электроприемников электроустановки 14, которые подключены к ее клеммам 15 и не имеют электрического соединения с нулевым проводом 1.1 сети 1. При отсутствии такого соединения геометрическая сумма токов электроприемников равна нулю в любых рабочих режимах электроустановки (разная величина сопротивления электроприемников, подключенных к фазам питающей сети, наличие в ее напряжениях несимметрии). Поэтому рабочие токи электроустановки не влияют на работу устройства защитного отключения.

Оперативное снятие напряжения с электроустановки 14 осуществляется нажатием кнопок "Стоп 1" и "Стоп 2". При нажатии кнопки "Стоп 1" ее контакт размыкается, снимается напряжение с катушки 4.3 магнитного пускателя и он размыкает свои силовые 4.1 и блокировочный 4.2 контакты. После размыкания контактов 4.1 снимается напряжение с электроустановки. Разомкнувшийся контакт 4.2 магнитного пускателя препятствует его включению после того, когда нажатие на кнопку "Стоп 1" прекратилось и ее контакт замкнулся.

При нажатии кнопки "Стоп 2" в блоке 16 конденсатор 16.1 отключается от корпуса 17 электроустановки 14 и от провода 1.1 сети 1 и прекращается ток в цепи этого конденсатора. После этого в первом асимметре, который образован из блоков 12 и 16, нарушается равенство (симметрия) сопротивлений, включенных между фазными проводами питающей сети 1 и ее нулевым проводом. После отключения конденсатора 16.1 и симметричном (несимметричном) напряжении сети 1 результирующий ток первичных обмоток трансформатора 8, равный геометрической сумме токов конденсаторов блоков 12 и 16, не равен нулю (меняют свою величину) и на вторичной обмотке трансформатора 8 и на выходе усилителя 6 напряжение появляется (меняет величину). Так как размыкание контакта кнопки 16.2 на сопровождается изменениями токов конденсаторов второго асимметра 10, то при симметричном (несимметричном) напряжении сети 1 выходное напряжение усилителя 7 равно нулю (выходному напряжению усилителя 6, которое соответствует замкнутому контакту кнопки 16.2). Поэтому после размыкания контакта кнопки 16.2, которое сопровождается изменением выходного напряжения только усилителя 6, появляется разность выходных напряжений усилителей 6 и 7. Эта разность прикладывается к катушке 5.1 реле 5, которое срабатывает и размыкает свой контакт 5.2. Далее устройство работает в такой же последовательности, как и после нажатия кнопки "Стоп 1", и снимает с электроустановки 14 напряжение.

Устройство обеспечивает защитное отключение электроустановки 14 от сети 1 при обрыве нулевого провода, при касании человеком токоведущих частей электроустановки, при пробое ее изоляции. Разрыв цепи нулевого провода в кабеле 13 сопровождается прекращением тока в цепи конденсатора 16.1 блока 16. В дальнейшем устройство работает в такой же последовательности, как и при нажатии кнопки "Стоп 2", и отключает электроустановку 14 от сети 1. Когда человек, находящийся под потенциалом корпуса 17 (земли) электроустановки 14, касается ее токоведущих частей, имеющих потенциал фаз сети 1, то сопротивление тела человека шунтирует соответствующий конденсатор блока 12 или 16. После этого нарушается симметрия сопротивлений в первом асимметре, который образован блоками 12 и 16. Последующий порядок работы устройства защитного отключения не отличается от ранее описанного его отключения от кнопки "Стоп 2". После отключения устройства снимается напряжение с электроустановки 14 и с человека, который коснулся ее токоведущих частей. При появлении короткозамкнутой цепи между фазой сети и корпусом электроустановки и при нарушении изоляции между ее корпусом и фазами сети 1 последовательность работы устройства аналогична предыдущему случаю его защитного отключения.

После каждого из описанных оперативных и защитных отключений от сети 1 электроустановки 14 ее включение осуществляется нажатием кнопки "Пуск". Порядок работы устройства при включении электроустановки описан раньше.

Из описания работы устройства следует, что при несимметричном напряжении питающей сети оно работоспособно, не имеет ложных срабатываний и не увеличивается ток, который обеспечивает защитное отключение этого устройства при касании человеком находящихся под напряжением частей защищаемой электроустановки.

Использование: в технических средствах защиты от поражения электрическим током обслуживающего персонала электроустановок, подключенных к четырехпроводной сети переменного тока. Технический результат - повышение надежности и уровня электробезопасности. Сущность изобретения: имеются магнитный пускатель с кнопками "Пуск" и "Стоп 1", трансформатор тока нулевой последовательности, усилитель напряжения, реле, асимметр, который состоит из асимметрирующего и симметрирующего с кнопкой "Стоп 2" блоков. Новизна изобретения достигается тем, что оно дополнено вторыми асимметром, трансформатором тока нулевой последовательности и усилителем напряжения. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ОТ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ТРЕМЯ ФАЗНЫМИ ПРОВОДАМИ И НУЛЕВЫМ ПРОВОДОМ, содержащее первый асимметр, который подключен к фазным проводам и нулевому проводу сети, первый трансформатор тока нулевой последовательности, с вторичной обмоткой которого через первый усилитель соединена катушка реле с размыкающим контактом в цепи питания катушки магнитного пускателя, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вторыми асимметром, трансформатором тока нулевой последовательности и усилителем, причем второй асимметр подключен к фазным проводам сети так, что его токи не протекают по первичным обмоткам первого трансформатора тока нулевой последовательности, нулевая точка второго асимметра соединена с нулевым проводом сети через первичную обмотку второго трансформатора тока нулевой последовательности, а вторичная обмотка этого трансформатора тока подключена к входу второго усилителя, выход которого соединен с выходом первого усилителя и катушкой реле по схеме сравнения напряжений.