УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ И КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2002 года по МПК H02H3/16 G01R31/08 

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

Известен принцип построения системы защитного отключающего устройства (УЗО) с использованием оперативного постоянного тока [1, 2] . Принцип действия (1) 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 [3], выполненное по принципу [1]. Оно содержит генератор сети, датчик, в качестве которого используются три индуктивных сопротивления, подключенные одними выводами к фазам сети, другими - объединенные 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 массогабаритные характеристики, обусловленные наличием трансформаторов-дросселей в трехфазных цепях.

Диапазон контролируемых сопротивлений изоляции сети очень мал (10,5 кОм, стр. 274 [3]). Кроме того, подключение данного устройства защиты к генератору сети снижает сопротивление изоляции контролируемой сети до 50 кОм.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, упрощение его, повышение чувствительности.

В настоящее время один из самых распространенных способов защиты электротехнических аппаратов и электротехнических установок с глухозаземленной нейтралью является использование автоматов максимальной защиты по току. Кроме того, нормативными документами различных стран (в частности [4]) предусмотрено в таких случаях обязательное использование защитного зануляющего проводника. Подобные автоматы рассчитаны на рабочий ток электрического аппарата, пусковые токи и токи переходных процессов и отключают аппарат от сети при коротких замыканиях и токах определенной кратности. Расширение функциональных возможностей предполагает также использование существующих автоматов защиты как при пробое изоляции на корпус, так и утечках, т.е. уменьшении сопротивления изоляции ниже установленных пределов.

Указанная цель достигается тем, что устройство защиты и контроля сопротивления изоляции электрических аппаратов, питающихся от сети с глухозаземленной нейтралью, причем нейтральный провод подключен к его металлическому корпусу, содержащее измерительную цепь и исполнительный элемент, отличается тем, что измерительная цепь выполнена в виде индуктивного датчика, включенного последовательно в цепь нейтрального провода, и двух компараторов, один из выводов индуктивного датчика включен последовательно с переменным резистором, к точке соединения подвижного контакта и свободного вывода переменного резистора одним выводом подключен нагрузочный резистор, другой вывод которого подключен ко второму выводу индуктивного датчика, параллельно нагрузочному резистору подключен конденсатор, первый вывод которого подключен к первому входу первого компаратора и второму входу второго компаратора, а второй вывод - ко второму входу первого компаратора и первому входу второго компаратора, выходы первого и второго компараторов подключены к узлу задержки, выход которого подключен ко входу исполнительного элемента, выполненного в виде ключевого усилителя, в коллекторной цепи которого установлен светоизлучающий элемент оптопары, в виде которой выполнена гальваническая развязка, светоприемник которой подключен к диагонали мостового выпрямителя, вторая диагональ которого включена последовательно в цепь обмотки исполнительного элемента, управляющего исполнительным органом.

В устройство может быть введена индикация нормального и аварийного состояний, содержащая индикатор в виде светодиода или лампы накаливания, подключенных к фазному напряжению сети через дополнительный контакт исполнительного элемента.

На фиг.1 изображена структурно-принципиальная схема устройства; на фиг.2 - вариант практической реализации.

Устройство (фиг. 1) питается от сети с глухозаземленной нейтралью (фазы А, В, С и нейтраль 0 для, например, трехфазной сети), индуктивный датчик 1 (например, трансформатор тока), включенный последовательно в нейтральный провод, один из выводов датчика подключен к переменному резистору 2, второй вывод которого совместно с подвижным контактом подключен к нагрузочному резистору 3, второй вывод которого подключен ко второму выводу индуктивного датчика 1, параллельно нагрузочному резистору 3 включен конденсатор 4, выводы которого подключены: первый - к первому входу первого компаратора 5 и второму входу компаратора 6, второй - ко второму входу компаратора 5 и первому входу компаратора 6, выходы которых подключены к узлу задержки 7, выход которого подключен к ключевому усилителю 8, в коллекторной цепи которого включен гальванически развязанный элемент - электронный контакт 9, включенный последовательно в цепь обмотки исполнительного элемента, коммутирующего исполнительный орган 11, включенный последовательно в цепь питания нагрузки - электрического аппарата 12, причем нейтральный провод 0 подключен к его металлическому корпусу. Дополнительный контакт исполнительного элемента 13 включен последовательно в цепь индикатора 14, включенного в цепь, например, фазного напряжения сети. 15 - источник напряжения, подключенный к фазному напряжению сети (может быть выполнен в зависимости от выполнения узлов фиг.1 в виде выпрямителя, стабилизатора и др.).

Компараторы 5 и 6 могут быть выполнены, например, в виде стандартных ИМС - компараторов, содержащих кроме операционных усилителей и источник опорного напряжения, усилитель входного сигнала. Узел задержки 7 может быть выполнен в виде С- или RC-цепей, соединенных параллельно - последовательно (Г- и П-образные звенья), узел 8 может быть выполнен в виде ключевого усилителя по схеме с общим эмиттером, в котором сигнал с узла задержки 7 поступает на базовую цепь, в коллектор транзистора включается гальванически развязанный элемент, например оптопара светодиод - фототиристор, светодиод - фототранзистор, фотоприемник оптопары включен в диагональ мостового выпрямителя 9', вторая диагональ которого включена последовательно в цепь обмотки исполнительного элемента 10, управляющего исполнительным органом 11 (например, контактора, имеющего защиту от максимальных токов).

Элементы 1-7 образуют измерительную цепь. Предложенное устройство может быть выполнено, например, как показано на фиг.2 для ряда узлов. Компараторы 5, 6 и части узла задержки 7 выполнены совместно с элементами узла 15, т.е. источника напряжения в виде единой ИМС, например, 1182СА, в составе которой находятся элементы сопряжения, позволяющие одним информационным выводом Uвых₂ ИМС осуществить непосредственное подключение к базе транзистора ключевого усилителя 8, содержащего транзистор 16 по схеме с общим эмиттером, делитель напряжения из резисторов 17 и 18. В цепи коллектора упомянутого транзистора 16 включен светоизлучатель 19 тиристорной оптопары 20, фотоприемник 21 подключен к диагонали мостового выпрямителя 9'.

В коллекторной цепи транзистора 16 последовательно со светоизлучателем 19 включен резистор 22, а в эмиттерную цепь - ограничитель потенциала - стабилитрон 23; к точкам соединения резисторов 22 и 17 и резистора 18 и стабилитрона 23 подключен конденсатор 24, являющийся составной частью Г-образного RC-фильтра совместно с резистором 25. В свою очередь, упомянутый фильтр, подключенный к выводам Uвых₁ и Uвых₂ ИМС является частью источника напряжения 15, куда дополнительно входят элемент 26 (например, ТСН1), подключенный к фазному напряжению, и емкостной усилитель из конденсаторов 27, 28, включенных последовательно в фазный (или нулевой) провод. К средней точке упомянутого усилителя подключен Uвх₃ вывод ИМС, а свободный вывод конденсатора 28 совместно с нулевым (фазным) проводом подключен к выводу Цвх₄ ИМС. Упомянутая ИМС 1182СА в соответствии с техническими условиями на нее питается от переменного фазного напряжения 220 В, остальные элементы узла 15 формируются непосредственно в ИМС. Информационный вывод Uвых₂ ИМС подключен к средней точке соединения делителя из резисторов 18, 19 и базе транзистора 16. Узел задержки формируется с помощью конденсаторов 29, 30, подключенных к Uвых₄, Uвых₁ и Uвых₅, Uвых₁ выводам ИМС, причем выводы Uвых₅ и Uвых₄ соединены между собой; через индикатор 14 выводы конденсатора 4 подключены к выводам Uвх₂ Uвх₄ ИМС. В качестве элемента гальванической развязки может быть использовано электромеханическое реле, например, РП21, контакт которого выполняет функцию узла 9. В качестве элемента 20 может быть использован, например, оптотиристор Т125-10-110.

Устройство, изображенное на фиг.1, 2, работает следующим образом.

В нормальном режиме работы, т.е. при наличии изоляции электрического аппарата в пределах установленных норм, сигнал, наводимый на индуктивном датчике 1, недостаточен для срабатывания одного из компараторов 5 или 6, ключевой усилитель 8 находится в отключенном состоянии, энергии светоизлучателя 19 оптопары 20 недостаточно для включения фотоприемника 21. Электронный ключ 9 (элемент 21 мостовой и выпрямитель 9') разомкнут, исполнительный элемент с его обмоткой 10 включен и электрический аппарат 12 выполняет свои основные функции при включенном исполнительном органе 11.

При уменьшении сопротивления изоляции ниже установленной нормы, т.е. увеличении тока утечки в защитном зануляющем проводнике напряжение на входе одного из компараторов 5 (6) становится достаточным для включения ключевого усилителя 8, включаются элементы 19 и 20, срабатывает электронный контакт 9, отключаются исполнительный элемент с обмоткой 10 и исполнительный орган 11.

При восстановлении сопротивления изоляции включается компаратор 6 (5), напряжение входного сигнала ключевого усилителя 8 уменьшается, отключается электронный контакт 9, и цепь питания исполнительного элемента восстанавливается.

Узел задержки 7 выполняет функции повышения помехоустойчивости при включении и при переходных процессах как в компараторах 5, 6, так и электрическом аппарате 12. Возможно осуществление контроля нормальной (или аварийной) работы устройства, для чего используется индикатор 14, включаемый (выключаемый) дополнительным контактом 13 исполнительного элемента с обмоткой 10. Питание цепи контроля осуществляется фазным напряжением.

Авторами испытаны макет и опытный образец устройства при напряжении сети 380/220 В с глухозаземленной нейтралью. Результаты испытаний - положительные.

Таким образом, предложенное устройство эффективно контролирует сопротивление изоляции и защищает электрические аппараты при питании от сетей переменного тока с глухозаземленной нейтралью. Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

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

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

3. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М.: Энергия, 1979, рис.7.14, с. 274.

4. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). - М.: Энергоатомиздат, изд. 6-е, 1987. п.1.7.73, с. 81; п.1.7.79, с. 83.

Использование: в электротехнических установках трехфазных сетей с глухозаземленной нейтралью. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и упрощении устройства. Устройство содержит генератор сети с подключенной измерительной цепью. Измерительная цепь выполнена в виде индуктивного датчика, включенного последовательно в цепи защитного зануляющего проводника и двух компараторов. Один из его выводов включен последовательно с переменным резистором. К точке соединения подвижного контакта и свободного вывода переменного резистора одним выводом подключен нагрузочный резистор. Его другой вывод подключен ко второму выводу индуктивного датчика. Параллельно нагрузочному резистору подключен конденсатор, его выводы подключены к первому входу первого компаратора и второму входу второго компаратора, второму входу первого компаратора и первому входу второго компаратора, выходы компараторов подключены к узлу задержки, его выход подключен ко входу исполнительного элемента, выполненного в виде ключевого усилителя, в коллекторной цепи которого установлена гальваническая развязка, ее выход подключен к электронному контакту, воздействующему на исполнительный орган. При уменьшении сопротивления изоляции происходит отключение электрического аппарата от сети переменного тока с индикацией нормальной и аварийной работы. 1 з.п ф-лы, 2 ил.

1. Устройство защиты и контроля сопротивления изоляции электрических аппаратов, питающихся от сети с глухозаземленной нейтралью, причем, нейтральный провод подключен к его металлическому корпусу, содержащее измерительную цепь и исполнительный элемент, отличающееся тем, что измерительная цепь выполнена в виде индуктивного датчика, включенного последовательно в цепь нейтрального провода, и двух компараторов, один из выводов индуктивного датчика включен последовательно с переменным резистором, к точке соединения подвижного контакта и свободного вывода переменного резистора одним выводом подключен нагрузочный резистор, другой вывод которого подключен ко второму выводу индуктивного датчика, параллельно нагрузочному резистору подключен конденсатор, первый вывод которого подключен к первому входу первого компаратора и второму входу второго компаратора, а второй вывод - ко второму входу первого компаратора и первому входу второго компаратора, выходы первого и второго компараторов подключены к узлу задержки, выход которого подключен ко входу исполнительного элемента, выполненного в виде ключевого усилителя, в коллекторной цепи которого установлен светоизлучающий элемент оптопары, в виде которой выполнена гальваническая развязка, светоприемник которой подключен к диагонали мостового выпрямителя, вторая диагональ которого включена последовательно в цепь обмотки исполнительного элемента, управляющего исполнительным органом. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введена индикация нормального и аварийного состояний, содержащая индикатор в виде светодиода или лампы накаливания, подключенных к фазному напряжению сети через дополнительный контакт исполнительного элемента.