УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2000 года по МПК H02H3/16 G01R27/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах защиты электротехнических установок и человека в трехфазных (многофазных) сетях с изолированной нейтралью.

Известны устройства контроля и защиты электротехнической системы [1], содержащие датчик контроля сопротивления изоляции, выполненный в виде емкостного датчика нулевой последовательности, подключенного к каждой из фаз, выход которого подключен к исполнительному элементу контроля, соединенному с исполнительным органом контроля, устройство индикации и источник питания, обеспечивающий электропитанием электронные узлы системы контроля и защиты.

Основным недостатком такого устройства является отсутствие реакции на симметричное снижение изоляции в цепи с изолированной нейтралью.

Известен принцип построения системы защитного отключающего устройства (УЗО) с использованием оперативного постоянного тока [2, 3] . Принцип действия [2] заключается в том, что искусственная нулевая точка по схеме "звезда" образуется с помощью дросселя-трансформатора, последовательно с общей точкой которого включены дроссель, токовое реле и источник постоянного тока, один из выводов которого подключен к корпусу ("земле"). При этом ток, протекающий по указанной выше цепи, и является оперативным контролирующим током, величина которого зависит от сопротивления изоляции.

Недостатком такого устройства является пониженная чувствительность: при определенных соотношениях из-за отсутствия регулировок система защиты и контроля может оказаться неработоспособной.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [4], выполненное по принципу [2]. Оно содержит генератор сети, датчик, в качестве которого используются три индуктивных сопротивления, подключенные одними выводами к фазам сети, другими - объединенными в общую точку, к которой подключена одним выводом измерительная цепь, содержащая источник напряжения постоянного тока и измерительный элемент, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу ("земле"). Индуктивные сопротивления представляют собой трансформатор-дроссель, источник питания образован с помощью вторичной обмотки одной из фаз трансформатора-дросселя.

Недостатком прототипа является сравнительно низкая чувствительность, определяемая в основном индуктивным сопротивлением дросселя, и значительные массо-габаритные характеристики, обусловленные наличием трансформаторов дросселей в трехфазовых цепях.

Диапазон контролируемых сопротивлений изоляции сети очень мал (10,5 кОм, стр. 274 [4]). Кроме того, подключение данного устройства защиты к генератору сети снижает сопротивление изоляции контролируемой сети до 50 кОм.

Целью изобретения является упрощение устройства, повышение его надежности, повышение чувствительности, улучшение массо-габаритных характеристик.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор сети с подключенной измерительной цепью источник напряжения постоянного тока и исполнительный элемент, к каждой из фаз сети подключены анодами диоды, катоды которых соединены в общую точку, диоды образуют трехфазовый выпрямитель, источник напряжения постоянного тока выполнен в виде параметрического стабилизатора, подключенного одним выходом к любой из фаз сети, другим - к точке соединения катодов упомянутых диодов, измерительная цепь выполнена в виде последовательного соединения светоизлучателя оптопары, шунтированного помехоподавляющим конденсатором, регулировочного и ограничительного резисторов, причем один выход упомянутого светоизлучателя оптопары подключен к общей точке соединения катодов упомянутых диодов, второй вывод ограничительного резистора подключен к корпусу, фотоприемник упомянутой оптопары подключен последовательно с исполнительным элементом к выходу параметрического стабилизатора, а контакт исполнительного элемента, коммутирующий цепь отключения генератора сети и/или индикации неисправности подключен к сетевому напряжению.

Кроме того, к каждой из фаз сети подключены одним выводом конденсаторы, вторые выводы которых соединены между собой и подключены к точке соединения регулировочного и ограничительного резисторов.

Устройство отличается также тем, что в источник напряжения постоянного тока включен двухполупериодной выпрямитель, выход которого подключен ко входу параметрического стабилизатора. Фотоприемник оптопары может быть выполнен в виде фототиристора или фототранзистора.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг. 2 - варианты выполнения.

Устройство (фиг. 1) содержит генератор сети 1 (может быть расположен вне устройства), выпрямитель 2 (три диода, аноды которых подключены к каждой из фаз сети, катоды объединены в общую точку), представляющий собой трехфазовый выпрямитель, источник напряжения постоянного тока 3, подключенный одним выводом к любой из фаз сети, другим - к общей точке соединения выпрямителя 2, к которой подключен светоизлучатель 4 оптопары 5, фотоприемник которой 6 последовательно с исполнительным элементом 7 подключен к выходу источника напряжения постоянного тока 3, последовательно со светоизлучателем 4 включены регулировочный резистор 8 и ограничительный резистор 9, подключенный свободным выводом к корпусу ("земле") 10. Контакт исполнительного элемента 11, подключенный, например, к одной или нескольким фазам сети, выполняет функции управления исполнительным органом (не показан) и индикации аварийного состояния.

Источник напряжения постоянного тока 3 может быть выполнен, например, в виде параметрического стабилизатора на стабилитроне 12 и гасящем резисторе 13 со сглаживающим выходным фильтром 14. Сопротивление изоляции (реальное) каждой фазы 15 имеет связь с корпусом ("землей") 10. Светоизлучатель 4 зашунтирован помехоподавляющим конденсатором 16.

Источник напряжения постоянного тока 3 может быть подключен (фиг. 2) непосредственно к фазам сети через выпрямитель 17, выполненный, например, по схеме Греца. В качестве фотоприемника может быть использован фототиристор 6 (фиг. 1) или фототранзистор (фиг. 2). В этом случае один из выводов фототранзистора - коллектор подключен к одному из выводов исполнительного элемента 7, другой вывод которого подключен к одному из выходов параметрического стабилизатора на стабилитроне 12, эмиттер фототранзистора 6 через второй ограничительный резистор 18 подключен ко второму выходу параметрического стабилизатора, к которому через базовый резистор 19 подключена база упомянутого фототранзистора 6. К каждой из фаз сети подключены одними выводами конденсаторы 20, другие выводы которых соединены между собой. Конденсаторы 20 и ограничительный резистор 9 образуют фильтр напряжения нулевой последовательности. В измерительную цепь входят последовательно соединенные светоизлучатель 4 оптопары 5, шунтированный помехоподавляющим конденсатором 16, регулировочный резистор 8 и ограничитель на резистор 9.

Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом. В нормальном режиме работы, т.е. при наличии сопротивления изоляции в пределах установленных норм, ток I_o, протекающий через светоизлучатель 4 оптопары 5, недостаточен для включения фотоприемника 6, исполнительный элемент 7 находится в отключенном состоянии, контакт исполнительного элемента 11 разомкнут, генератор сети 1 включен, включена и (при необходимости) индикация нормальной работы. Оперативный ток (например, для фазы "A") протекает по цепи: "A" - диод 2 фазы "A" - светоизлучатель 4 - регулировочный резистор 8 - ограничительный резистор 9 - r_из (элемент 15) фаз "B" и "C", r_из - сопротивление изоляции фазы сети по отношению к корпусу ("земле").

В аварийных режимах возможен как несимметричный (т.е. изменение сопротивления изоляции каждой из фаз является разным), так и симметричный режим (изменение сопротивления всех фаз одинаково). В отличие от известных устройств, измерительная цепь, состоящая из элементов 2, 4, 16, 8, 9, обладает весьма большим сопротивлением (сотни кОм), в связи с чем ее подключение незначительно влияет на сопротивление изоляции контролируемой сети. Поэтому при уменьшении любого из сопротивлений изоляции r_из 15, как симметричных, так и несимметричных, происходит срабатывание устройства, чувствительность которого определяется весьма малым входным током срабатывания светоизлучателя 4 оптопары 5.

Для фиг. 2 работа устройства определяется следующими соотношениями (при несимметричном изменении изоляции 5): I₀ = U₀/r₀, где
U₀ = U_фgзм/(g_зм + g₀ + 3g_из) - напряжение нулевой последовательности, g_зм - проводимость цепи замыкания (фаза - "земля"), r₀ - сопротивление, а g₀ = 1/r₀, - проводимость фильтра напряжения нулевой последовательности (конденсаторов 20 и ограничительного резистора 9), U_ф - напряжение фазы (в данном случае между фазой и "землей"), g_из - проводимость цепи изоляции (элементы 15), g_из = 1/r_из. На фиг. 1, 2 позиционный номер 15 указан пунктиром. Таким образом, I₀ = U₀g₀.

Для фиг. 2 при симметричном снижении изоляции U₀ = 0, т.е. работа полностью эквивалентна устройству, схема которого описана по фиг. 1. При несимметричном изменении изоляции 15 появляется U₀, зависимость для которого показана выше. В этом случае ток через ограничительный резистор 9 протекает по двум цепям: с одной стороны по нему протекает оперативный ток (см. цепь для фиг. 2), с другой - появляется I₀ = U₀g₉, где g₉ - проводимость ограничительного резистора 9. Т.е. результирующий ток через светоизлучатель увеличивается, что увеличивает чувствительность данного варианта построения устройства контроля и защиты. Таким образом, фильтр напряжения нулевой последовательности из конденсаторов 20 и ограничительного резистора 9 повышает чувствительность, т. к. появляется дополнительная переменная оставляющая тока. Конденсатор 16 улучшает помехоустойчивость устройства.

В зависимости от напряжения сети в качестве оптопары могут быть использованы как тиристорные (например, 3ОУ103Г), так транзисторные (например, АОТ110А). В последнем случае для работы в широком диапазоне температур возможно управление не только световым потоком, но и электрическими средствами (второй ограничительный резистор 18 и базовый резистор 19).

Авторами испытан макет предлагаемого устройства при напряжении сети 220 В с r₀ (ограничительный резистор 9) до 180 кОм, сопротивление изоляции имитировалось в пределах 100-150 кОм, в качестве диодов 2, 17 использованы КД226В, оптопары - АОТ110А, стабилитрона - 12 КС527А1, исполнительного элемента реле - РЭС-10, конденсаторов 20-К73-17-630В-0,1 мкФ, конденсатора 14-К50-38-100В-22 мкФ.

Таким образом, предложенное устройство обладает большей чувствительностью по сравнению с прототипом, контролирует значительно больший (в прототипе до 10,5 кОм) диапазон изменения сопротивления изоляции и надежно защищает как генератор сети, так и человека при несимметричном и симметричном уменьшении сопротивлении изоляции.

Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Источники информации
1. Патент РФ 2115986 кл. H 02 H 3/20, 7/08. Опубл. 1998 г. Бюллетень N 20.

2. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М.: Энергия, 1979, рис. 7.13, с. 274.

3. Найфельд М.Р. Защитные заземления в электротехнических установках. - М. - Л.: ГЭИ, 1959, рис. 62, с. 194.

4. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М: Энергия, 1979, рис. 7 - 14, с. 274.

Изобретение может быть использовано для контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнических установок. Технический результат заключается в упрощении устройства, улучшении его надежности и чувствительности. Устройство содержит генератор сети, измерительную цепь, состоящую из последовательно соединенных светоизлучателя оптопары, регулировочного и ограничительного резисторов, источник напряжения выполнен в виде параметрического стабилизатора. К каждой из фаз сети подключены диоды, образующие трехфазный выпрямитель, катоды которых объединены в общую точку, к которой одним выводом подключена измерительная цепь, другой вывод которой подключен к корпусу. Фотоприемник оптопары подключен последовательно с исполнительным элементом к выходу источника напряжения постоянного тока. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнической установки, содержащее генератор сети с подключенной измерительной цепью, источник напряжения постоянного тока и исполнительный элемент, отличающееся тем, что в каждой из фаз сети подключены анодами диоды, катоды которых соединены в общую точку, диоды образуют трехфазный выпрямитель, источник напряжения постоянного тока выполнен в виде параметрического стабилизатора, подключенного одним выходом к любой из фаз сети, другим - к точке соединения катодов упомянутых диодов, измерительная цепь выполнена в виде последовательного соединения светоизлучателя оптопары, шунтированного помехоподавляющим конденсатором, регулировочного и ограничительного резисторов, причем один вывод упомянутого светоизлучателя оптопары подключен к общей точке упомянутых диодов, второй вывод ограничительного резистора подключен к корпусу, фотоприемник упомянутой оптопары подключен последовательно с исполнительным элементом к выходу параметрического стабилизатора, а контакт исполнительного элемента, коммутирующий цепь отключения генератора сети и/или индикации неисправности, подключен к сетевому напряжению. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к каждой из фаз сети подключены одним выводом конденсаторы, вторые выводы которых соединены между собой и подключены к точке соединения регулировочного и ограничительного резисторов. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в источник напряжения постоянного тока включен двухполупериодный выпрямитель, выход которого подключен ко входу параметрического стабилизатора. 4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что фотоприемник оптопары выполнен в виде фототиристора или фототранзистора.