УСТРОЙСТВО ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ КОМБИНИРОВАННОЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК H02H3/20 H02H3/24 H02H3/26 

Устройство защитного отключения комбинированное (далее УЗОК) относится к электротехнике, в частности, к автоматическим устройствам защиты людей от поражения электрическим током и защитного отключения электроустановок при отклонениях от нормальных электрических рабочих параметров питающей сети.

Известен модуль защитного отключения серии МЗО11 (ТУ 16-90 ИГРФ. 648229.001 ТУ), который в комплекте с автономным выключателем автоматическим представляет собой трехфазное устройство защитного отключения (УЗО) и объединяет признаки однофазного и трехфазного вариантов УЗО. Указанное устройство содержит выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя, пороговый элемент, выпрямитель и дифференциальный трансформатор.

Однако известное устройство недостаточно надежно и ограничены его защитные функции.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и принятым нами за прототип, является устройство для защитного отключения в электрической сети переменного тока с заземленной нейтралью (патент РФ N 2124794, МПК H 02 H 3/16, опубл. в бюл. N 1/99), содержащее выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя, пороговый элемент, узел питания, выводы питания которого подключены к одному из фазных проводов и к нулевому проводу сети соответственно, выпрямитель (для однофазного варианта УЗО) и три резистора, каждый из которых соединен одним выводом с соответствующим фазным проводом сети, а их другие выводы соединены между собой (для трехфазного варианта УЗО).

Недостатками известного устройства являются:
1. Потеря работоспособности при отсутствии одной из фаз, от которой питается УЗО (на фиг.2).

2. Отсутствие защиты от повышенного и пониженного напряжений (на фиг. 1).

3. Отсутствие возможности построения системы с селективной защитой по времени срабатывания (на фиг. 1 и 2).

4. Отсутствие защиты от ложных срабатываний (помехозащищенность) (на фиг. 1 и 2).

Рассмотрим эти недостатки.

1. При включении выключателя 1 в сеть, где отсутствует фаза A1 (на фиг. 2), от которой питается пороговый элемент 3, устройство теряет работоспособность по той причине, что нет возможности воздействия на ключ 3.3. В этом случае при любых авариях невозможно образование замкнутой цепи: фаза A1 - 6 - 1.1 - 3.3 - 2.2- заземленный провод для протекания тока.

2. Так как на обмотке 2.1 дифференциального трансформатора (фиг. 1) наводится ЭДС только при возникновении дифференциального тока, то ни при повышении, ни при понижении напряжения сети на обмотке 2.1 не наводится ЭДС. Значит, данная схема не будет реагировать на повышенное или пониженное напряжения.

3. В связи с тем, что устройства защитного отключения на фиг.1 и фиг.2 мгновенного действия, то возникновение аварийной ситуации (пояснение см. фиг. 7, случай когда Tcp1=Tcp2=0) у одного из потребителей электроэнергии может привести к срабатыванию как УЗО первого уровня, где возникла авария, так и УЗО второго уровня. Это приведет к обесточиванию других потребителей.

4. Так как устройства защитного отключения на фиг. 1 и фиг. 2 мгновенного действия, то возникновение сигнала помехи вызовет ложное срабатывание системы.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы и расширение защитных функций УЗОК, а именно, обеспечение нормальной работы схемы при отсутствии одной или двух фаз, отключение системы при повышенном или пониженном напряжениях сети, возможность построения системы селективной защиты по времени срабатывания, помехозащищенность.

Технический результат в п.1 изобретения достигается тем, что в известное устройство, содержащее выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя, первый пороговый элемент, узел питания, выводы которого подключены к одному из фазных проводов и к нулевому проводу сети соответственно, выпрямитель, введены оптопара, излучающий диод которого соединен с выходом узла питания, а первый ключ соединен с выходом выпрямителя и катушкой независимого расцепителя автоматического выключателя, датчик дифференциального тока, соединенный одним выводом с входом первого порогового элемента, а другим - с общим проводом схемы, третий пороговый элемент, связанный одним выводом с заземленным проводом, а другим - с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого подсоединен к общему проводу схемы, четвертый пороговый элемент, вход которого соединен с первым выводом второго резистора, второй ключ, соединенный параллельно с излучающим диодом оптопары, а управляющий вывод - с выходом второго порогового элемента, элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами первого и четвертого пороговых элементов, а выход соединен через первый одновибратор, инерционное звено со вторым пороговым элементом, два диода, плюсовые выводы которых соединены между собой и катушкой независимого расцепителя автоматического выключателя, а минусовые выводы соединены соответственно с нейтральным и заземленным проводами. В п.2 формулы изобретения технический результат достигается тем, что дополнительно введены третий резистор, первый вывод которого соединен с выходом выпрямителя, а второй вывод - с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с общим проводом схемы, пятый пороговый элемент, вход которого соединен с первым выводом четвертого резистора, а выход - с входом второго одновибратора, выход которого соединен с входом инвертора, выход которого соединен с входом элемента ИЛИ, шестой пороговый элемент, вход которого соединен с первым выводом пятого резистора, а выход - с входом элемента ИЛИ. В п. 3 формулы изобретения технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя, первый пороговый элемент, узел питания, выводы питания которого подключены к одному из фазных проводов и к нейтральному проводу сети соответственно, выпрямитель, три резистора, каждый из которых соединен одним выводом с соответствующим фазным проводом сети, а их другие выводы соединены между собой, введены оптопара, излучающий диод которого соединен с выходом узла питания, а первый ключ соединен с выходом выпрямителя и катушкой независимого расцепителя автоматического выключателя, датчик дифференциального тока, соединенный одним выводом с входом первого порогового элемента, а другим - с общим проводом схемы, третий пороговый элемент, связанный одним выводом с заземленным проводом, а другим - с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общим проводом схемы, четвертый пороговый элемент, вход которого соединен с первым выводом второго резистора, второй ключ, соединенный параллельно с излучающим диодом оптопары, а управляющий вывод - с выходом второго порогового элемента, шестой резистор, первый вывод которого соединен с общим выводом упомянутых резисторов и входом пятого порогового элемента, а второй вывод - с общим проводом схемы, элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами первого, четвертого и пятого пороговых элементов, а выход соединен через одновибратор, инерционное звено со вторым пороговым элементом, два диода, плюсовые выводы которых соединены между собой и катушкой независимого расцепителя автоматического выключателя, а минусовые выводы соединены соответственно с нейтральным и заземленным проводами.

На фиг. 3 и 4 приведены функциональные схемы заявляемого устройства по пп.1 и 2 формулы изобретения, на которых изображено однофазное (двухпроводное) исполнение УЗОК, на фиг. 5 - для трехфазного (четырехпроводного) исполнения УЗОК по п. 3 формулы, на фиг. 6 приведены временные диаграммы реализации функции задержки времени срабатывания, на фиг. 7 - блок-схема двухуровневой системы селективной защиты, на фиг. 8 - временные диаграммы отработки импульса помехи.

Заявляемое устройство на фиг. 3 и 4 содержит выключатель автоматический 1 с катушкой независимого расцепителя 1.1, первый пороговый элемент 2, узел питания 3, выпрямитель 4, оптопара 5 с первым ключом 5.1 и излучающим диодом 5.2, датчик дифференциального тока 6, второй ключ 7, третий пороговый элемент 8, первый резистор 9, второй резистор 10, четвертый пороговый элемент 11, элемент ИЛИ 12, первый одновибратор 13, инерционное звено 14, второй пороговый элемент 15, первый диод 16, второй диод 17, третий резистор 18, четвертый резистор 19, пятый резистор 20, пятый пороговый элемент 21, шестой пороговый элемент 22, второй одновибратор 23, инвертор 24.

Заявляемое устройство на фиг. 5 содержит выключатель автоматический 1 с катушкой независимого расцепителя 1.1, первый пороговый элемент 2, узел питания 3, выпрямитель 4, оптопара 5 с первым ключом 5.1 и излучающим диодом 5.2, датчик дифференциального тока 6, второй ключ 7, третий пороговый элемент 8, первый резистор 9, второй резистор 10, четвертый пороговый элемент 11, элемент ИЛИ 12, первый одновибратор 13, инерционное звено 14, второй пороговый 15, первый диод 16, второй диод 17, третий резистор 18, четвертый резистор 19, пятый резистор 20, шестой резистор 21, пятый пороговый элемент 22.

Заявляемое устройство работает следующим образом. При ручном включении выключателя 1 его контакты замыкаются и осуществляют подачу электроэнергии на защищаемую электроустановку и одновременно на схему. При этом на выходе узла питания 3 присутствует напряжение, которое воздействует на излучающий диод 5.2 и размыкает первый ключ 5.1. Если вся система исправна и в ней нет аварийных ситуаций, то на входах элемента ИЛИ 12 напряжения равны нулю. При этом на выходе этого элемента напряжение равно нулю. Одновибратор 13 в состоянии ожидания входного сигнала, значит на его выходе сигнал равен нулю. Соответственно на выходе инерционного звена 14 сигнал меньше напряжения Ucp3. При этом на выходе второго порогового элемента 15 сигнал отсутствует, значит второй ключ 7 и первый ключ 5.1 разомкнуты, а значит выключатель 1 остается включенным.

Теперь рассмотрим, как в заявляемом устройстве устраняются указанные недостатки прототипа.

1. Пусть при ручном включении выключателя 1 отсутствует фаза A (см. фиг. 5). При этом на выходе узла питания 3 отсутствует напряжение питания схемы, значит излучающий диод 5.2 не воздействует на первый ключ 5.1 ион остается замкнутым. При этом замкнутая цепь: фаза B (C) - 4 - 5.1 - 1.1 - либо диод 16, либо диод 17 - соответственно нейтральный, либо заземленный провод, вызывает срабатывание всего устройства. Таким образом, при отсутствии фазы, от которой питается схема, обеспечивается аварийное отключение всего устройства.

2.1 Пусть повышается напряжение на выходе выпрямителя 4 (см. фиг. 4), что ведет к повышению падения напряжения на пятом резисторе 20. Это напряжение сравнивается с напряжением Ucp4, и если оно становится больше, чем Ucp4, то появляется напряжение на выходе шестого порогового элемента 22 и подается на вход элемента ИЛИ 12. Это напряжение проходит через цепь: элемент ИЛИ 12-13-14-15-7. Второй ключ 7 замыкается, при этом напряжение на излучающем диоде 5.2 падает до нуля, первый ключ 5.1 замыкается и вызывает срабатывание всего устройства.

2.2 Пусть понизилось напряжение сети. Тогда понижается напряжение на выходе выпрямителя 4, что ведет к понижению падения напряжения на четвертом и пятом резисторах 19 и 20. Это напряжение сравнивается с напряжением Ucp5, и если оно становится меньше, чем Ucp5, то на выходе пятого порогового элемента 21 пропадают прямоугольные импульсы. Это приводит к тому, что второй одновибратор 23 перестает запускаться и на его выходе устанавливается нулевое напряжение, которое подается на вход инвертора 24, на выходе которого устанавливается напряжение высокого уровня, который подается на вход элемента ИЛИ 12. Это напряжение проходит через цепь: элемент ИЛИ 12-13-14-15-7. Второй ключ 7 замыкается, при этом напряжение на излучающем диоде 5.2 падает до нуля, первый ключ 5.1 замыкается и вызывает срабатывание всего устройства. Таким образом, при повышении или понижении напряжения сети, заявляемое устройство обеспечивает срабатывание всей системы.

3. В заявляемых устройствах реализована функция задержки времени срабатывания следующим образом (см. фиг. 6). При возникновении какой либо аварийной ситуации на вход (входы) элемента ИЛИ 12, соответственно и на вход первого одновибратора 13 поступают прямоугольные импульсы U₁. Если период следования импульсов на вход одновибратора 13 меньше, чем длительность одиночного импульса одновибратора T_и (см. фиг. 8), то на выходе одновибратора устанавливается постоянное напряжение U₂, которое поступает на вход инерционного звена 14. На выходе инерционного звена 14 появляется линейно-изменяющееся напряжение U₃. Как только U₃ становится больше, чем Ucp3, то срабатывает второй пороговый элемент 15 и появляется постоянное напряжение U₄ на его выходе, которое воздействуя на второй ключ 7 вызывает срабатывание всего устройства. Таким образом, заявляемое устройство реализует функцию задержки времени срабатывания.

Реализация этой функции позволяет строить многоуровневую систему селективной защиты, приведенной на фиг. 7. При возникновении аварии у потребителя 1 за время Tcp1 срабатывает устройство УЗОК2, а устройство УЗОК1 не успеет сработать, так как время срабатывания УЗОК1 больше, чем УЗОК2 (Tcp2 > Tcpl). Это позволяет каждому потребителю электроэнергии работать независимо от состояния аварийности других потребителей в системе.

5. При поступлении единичного импульса помехи U₁ (см. фиг.8) на вход (входы) элемента ИЛИ 12, соответственно и на его выходе появляется одиночный импульс, который запускает первый одновибратор 13. При этом на его выходе появляется импульс U₂ длительностью T_и. Этот импульс поступает на вход инерционного звена 14. За время присутствия единичного импульса на выходе инерционного звена 14 линейно увеличивается напряжение U₃ до значения U₅. А так как через время T_и на вход первого одновибратора 13 не поступает импульс, он не запускается и на выходе устанавливается сигнал нулевого значения U₄. Начиная с этого времени на выходе инерционного звена 14 напряжение U₃ падает до нуля. Так как U₅ меньше Ucp3, то второй пороговый элемент 15 не срабатывает и соответственно второй ключ 7 и первый ключ 5.1 остаются разомкнутым, значит выключатель 1 остается включенным. Таким образом, заявляемое устройство при поступлении сигнала помехи ложно не срабатывает, т.е. помехоустойчиво.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам защиты людей от поражения электрическим током и защитного отключения электроустановок при отклонениях от нормальных электрических рабочих параметров питающей сети. Предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность работы и расширить защитные функции, что является техническим результатом. Для этого в известное устройство, содержащее выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя, пороговый элемент, узел питания, выводы питания которого подключены к одному из фазных проводов и к нулевому проводу сети соответственно, выпрямитель (для пп. 1, 2 формулы), а также три резистора, каждый из которых соединен одним выводом с соответствующим фазным проводом, а их другие выводы соединены между собой (для п. 3 формулы), дополнительно введены оптопара, датчик дифференциального тока, два ключа, пять пороговых элементов, пять резисторов, элемент ИЛИ, два одновибратора, инерционное звено, два диода и соединены между собой определенным образом. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство защитного отключения комбинированное, содержащее выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя, первый пороговый элемент, узел питания, выводы питания которого подключены к одному из фазных проводов и к нейтральному проводу сети соответственно, выпрямитель, отличающееся тем, что введены оптопара с первым ключом и излучающим диодом, излучающий диод которой соединен с выходом узла питания, а первый ключ соединен с выходом выпрямителя и катушкой независимого расцепителя автоматического выключателя, датчик дифференциального тока, соединенный одним выводом с входом первого порогового элемента, а другим - с общим проводом схемы, третий пороговый элемент, связанный одним выводом с заземленным проводом, а другим - с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого подсоединен к общему проводу схемы, четвертый пороговый элемент, вход которого соединен с первым выводом второго резистора, второй ключ, соединенный параллельно с излучающим диодом оптопары, а управляющий вывод - с выходом второго порогового элемента, элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами первого и четвертого пороговых элементов, а выход соединен через первый одновибратор, инерционное звено со вторым пороговым элементом, два диода, плюсовые выводы которых соединены между собой и катушкой независимого расцепителя автоматического выключателя, а минусовые выводы соединены соответственно с нейтральным и заземленными проводами, при этом при замкнутом первом ключе образуется замкнутая цепь: один из фазных проводов - выпрямитель - первый ключ - катушка независимого расцепителя - один из диодов - нейтральный или заземленный провод, обеспечивающая срабатывание устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введены третий резистор, первый вывод которого соединен с выходом выпрямителя, а второй вывод - с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом пятого резистора, второй вывод которого соединен с общим проводом схемы, пятый пороговый элемент, вход которого соединен с первым выводом четвертого резистора, а выход - с входом второго одновибратора, выход которого соединен с входом инвертора, выход которого соединен с входом элемента ИЛИ, шестой пороговый элемент, вход которого соединен с первым выводом пятого резистора, а выход - с входом элемента ИЛИ. 3. Устройство защитного отключения комбинированное, содержащее выключатель автоматический с катушкой независимого расцепителя, первый пороговый элемент, узел питания, выводы питания которого подключены к одному из фазных проводов и к нейтральному проводу сети соответственно, выпрямитель, три резистора, каждый из которых соединен одним выводом с соответствующим фазным проводом сети, а их другие выводы соединены между собой, отличающееся тем, что введены оптопара с первым ключом и излучающим диодом, излучающий диод которой соединен с выходом узла питания, а первый ключ соединен с выходом выпрямителя и катушкой независимого расцепителя автоматического выключателя, датчик дифференциального тока, соединенный одним выводом с входом первого порогового элемента, а другим - с общим проводом схемы, третий пороговый элемент, связанный одним выводом с заземленным проводом, а другим - с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с общим проводом схемы, четвертый пороговый элемент, вход которого соединен с первым выводом второго резистора, второй ключ, соединенный параллельно с излучающим диодом оптопары, а управляющий вывод - с выходом второго порогового элемента, шестой резистор, первый вывод которого соединен с общим выводом упомянутых резисторов и входом пятого порогового элемента, а второй вывод - с общим проводом схемы, элемент ИЛИ, входы которого соединены с выходами первого, четвертого и пятого пороговых элементов, а выход соединен через одновибратор, инерционное звено со вторым пороговым элементом, два диода, плюсовые выводы которых соединены между собой и катушкой независимого расцепителя автоматического выключателя, а минусовые выводы соединены соответственно с нейтральным и заземленным проводами, при этом при замкнутом первом ключе образуется замкнутая цепь: один из фазных проводов - выпрямитель - первый ключ - катушка независимого расцепителя - один из диодов - нейтральный или заземленный провод.