СИСТЕМА КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ И ЗАЩИТА ИХ И ОПЕРАТОРА Российский патент 2007 года по МПК H02H3/16 H02H7/09 

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

Известны устройства контроля и защиты электротехнических систем, в частности известен принцип построения системы защитного отключающего устройства с использованием оперативного постоянного тока [1], принцип действия которого заключается в том, что искусственная нулевая точка по схеме «звезда» образуется с помощью дросселя-индикатора, 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 являются значительная масса и габариты из-за наличия дросселя-трансформатора, а также пониженная чувствительность: при определенных соотношениях из-за отсутствия регулировок система защиты и контроля может оказаться неработоспособной.

Наиболее близким к предлагаемому устройству, принятому за прототип, известно также устройство [2], содержащее генератор сети с подключенной измерительной цепью, выпрямитель измерительной цепи, источник напряжения постоянного тока и исполнительный элемент, выпрямитель измерительной цепи, источник напряжения постоянного тока выполнен в виде параметрического стабилизатора, измерительная цепь выполнена в виде последовательного соединения светоизлучителя оптопары шунтированного помехоподавляющим конденсатором, регулировочного и ограничительного резисторов, один из выводов ограничительного резистора подключен к корпусу, устройство коммутации, подключенное к фазам сети последовательно, с которым включен замыкающий контакт исполнительного элемента, параллельно резистору, включенному последовательно с основной обмоткой возбуждения генератора, причем другие выводы упомянутого резистора и обмотки возбуждения подключены к напряжению возбуждения.

Недостатками этого устройства являются наличие оптоэлектронных элементов, имеющих значительные технологические разбросы, чувствительные к ионизационному излучению; кроме того, в нем использовано реле напряжения, являющееся менее точным, чем реле тока и требующее для увеличения точности порога срабатывания, как правило, стабилизатора напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству, принятому за прототип, является [3] устройство контроля и защиты сопротивления изоляции электрических машин и аппаратов, содержащее генератор сети с измерительной цепью, исполнительный элемент, подключенный к сети через выпрямитель, в которое введен исполнительный орган, включенный последовательно с нагрузкой, исполнительный элемент выполнен в виде последовательно соединенных тиристора и обмотки управления исполнительным органом, причем управляющий электрод тиристора подключен через контакт реле измерительной цепи к средней точке резистивного делителя напряжения, подключенного к силовым электродам тиристора, к которым параллельно подключена RC-цепь, точка соединения конденсатора RC-цепи, одного из силовых электродов тиристора и резистивного делителя подключена к одному из выводов упомянутого выпрямителя, второй выход которого подключен к свободному выводу обмотки управления исполнительным органом, а измерительная цепь выполнена в виде мостовой схемы, один из входов которой через два ограничительных резистора подключена к двум фазам сети, другой - через варистор - к корпусу («земле»), а обмотка реле измерительной цепи, шунтированная конденсатором, подключена к выходу упомянутой мостовой схемы.

Недостатком этого устройства является с одной стороны сложность трехконтактного исполнительного органа, представляющего собой автомат с независимым электромагнитным зацепителем, являющимся элементом работы устройства, относительно малая помехоустойчивость в связи с наличием тиристора в исполнительном элементе, а также отсутствие ряда функций, например тестового контроля и узла индикации, работающего в программном режиме.

Целью изобретения является упрощение устройства, расширение его функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что в систему контроля сопротивления изоляции электротехнических устройств и защиты их и оператора, содержащую трехполюсный автомат, подключенный к источнику питания с изолированной нейтралью между источником и нагрузкой, и измерительной цепью, введен дополнительный однополюсный автомат с узлом одновременного срабатывания электромагнитных расцепителей, механическим соединением корпусов и рукояток включения, к каждой из фаз сети после контактов трехполюсного основного автомата через ограничительные резисторы включены диоды, общая точка соединения катодов упомянутых диодов подключена к одному из выводов обмотки реле измерительной цепи, второй вывод которой подключен к корпусу устройства («Земле»), параллельно выводам обмотки реле подключен помехозащитный конденсатор, замыкающий контакт однополюсного дополнительного автомата одним выводом соединен с фазой сети после замыкающего контакта трехполюсного основного автомата, другим - к замыкающему контакту реле измерительной цепи, второй вывод которого через четвертый ограничительный резистор подключен к любой из двух оставшихся фаз после замыкающих контактов трехполюсного основного автомата, между корпусом («Землей») и любой из фаз после упомянутых замыкающих контактов включена цепь контроля, содержащая последовательно соединенные тестовый резистор и кнопку «Тест».

Кроме того, в него введен переключатель режимов, основной вывод которого подключен после контакта реле измерительной цепи, первый вывод подключен к введенной цепи индикации, содержащий индикатор с устройством управления, одним выводом, вторым - к второму выводу четвертого ограничительного резистора, второй вывод упомянутого переключателя зажимов подключен первому выводу четвертого ограничительного резистора.

В трехфазную сеть с изолированной нейтралью включен трехполюсный основной автомат 1 с замыкающими контактами 1.1, 1.2, 1.3 для подключения нагрузки и защиты сети от токов перегрузки и коротких замыканий. В одну из фаз сети (например, в фазу А) включен однополюсный дополнительный автомат 2.

Номинальные токи автоматов 1 и 2 должны отличаться в несколько раз (могут отличаться более, чем на порядок. Например, автомат 1 имеет номинальный ток 25 А, а автомат 2-2 А). К каждой из фаз сети через ограничительные резисторы 3, 4, 5 подключены диоды 6, 7, 8 общая точка соединения катодов которых подключена к одному из выводов обмотки реле измерительной цепи 9, второй вывод которой подключен к корпусу устройства («Земле»). Параллельно выводам обмотки реле измерительной цепи 9 подключен помехозащитный конденсатор 10. Элементы 3-10 образуют упомянутую выше измерительную цепь.

Замыкающий контакт 9.1 реле измерительной цепи 9 включен одним выводом последовательно в цепь однополюсного дополнительного автомата 2, другим или через технологические соединения подключен непосредственно к одному из выводов четвертого ограничительного резистора, второй вывод которого подключен к фазе В или С после контактов основного автомата 1 (основной режим), или к общей точке 12.0 переключателя режимов 12. В этом случае контакт 12.2 переключателя зажимов 12 подключен к первому выводу четвертого ограничительного резистора 11. Контакт 12.1 упомянутого переключателя режимов 12 подключен к индикатору 13, управляемому устройством управления 14, второй вывод индикатора 13 подключен ко второму выводу четвертого ограничительного резистора 11.

Замыкающий контакт 2.1 однополюсного дополнительного автомата 2 одним выводом соединен с фазой сети (например, фазой А) после замыкающего контакта 1.1 трехполюсного основного автомата 1, другим - к контакту 9.1, второй вывод которого подключен или к первому выводу четвертого ограничительного резистора 11, или к контакту 12.0 переключателя режимов 12. Тестовый резистор 15 одним выводом подключен к корпусу устройства («Земле»), другим - через кнопку «Тест» 16 - к любой из фаз после основного автомата 1 (например, к фазе С, как показано на фиг.1). Индексом 17 условно обозначено сопротивление сети и нагрузки относительно корпуса («Земле»).

Элемент 1 с контактами 1.1-1.3, а также 2.1, 9.1 эквивалентны одному автомату с независимым расцепителем и его контакту. На фиг.2 представлен блок автоматических выключателей 18, содержащий трехполюсный основной автомат 1 и однополюсный дополнительный автомат 2, внутри упомянутых автоматов расположен узел одновременного срабатывания электромагнитных расцепителей автоматов 19, выполненных, например, в виде двух металлических пластин, размещенных в пазах механизма расцепителей автоматов (дополнительных доработок корпусов автоматов не требуется, конструктивно имеется возможность его установки, т.к. узлы автоматов набираются из отдельных соответственно количеству фаз сети). Корпусы автоматов 1 и 2 скреплены между собой винтами 20 и представляют единый блок 18. Рукоятки автоматов 21 и 22 скреплены между собой скобой 23 для единого включения и отключения.

Устройство (фиг 1, 2) работает следующим образом: при включении блока автоматических выключателей 18 электропитание подается на нагрузку (на чертеже не показана). Одновременно подается питание на схему контроля изоляции. Если сопротивление изоляции в пределах установленных норм, то - через обмотку реле измерительной цепи недостаточен для его срабатывания.

Если сопротивление в любой точке сети, включая нагрузку станет ниже нормы, например, между фазой А и «Землей», то протекает постоянный (выпрямленный) ток по следующей цепи: фаза А, контакт 1.1., резистор изоляции 17.1, корпус («Земля»), обмотка измерительной цепи 9 и через диоды 6 и 7, резисторы 3 и 4, контакты 1.3 и 1.2 и фазам В и С. Реле 9 срабатывает и замыкает свой контакт 9.1, вызывая прохождение тока по цепи фаза А, контакт 1.1, контакт 2.1, контакт 9.1, четвертый ограничительный резистор 11, контакт 1.3, фаза С. При наличии переключателя режимов 12 ток протекает по цепи: фаза А, контакт 1.1, контакт 2.1, контакт 9.1, контакт 12.2, четвертый ограничительный резистор 11, контакт 1.3, фаза С. Конденсатор 10 является элементом помехозащиты устройства.

Сопротивление резистора 11 рассчитано таким образом, что протекающий ток соответствует току срабатывания электромагнитного расцепителя однополюсного дополнительного автомата 2. Он срабатывает, вызывая отключение блока автоматических выключателей 18, т.е. нагрузки от сети. Т.е. таким образом защищается не только элемент сети и нагрузки, но и операторы от поражения электрическим током.

Вместе с тем, так как используются стандартные автоматы система имеет эффективную защиту от перегрузок и коротких замыканий в нагрузке.

Аналогично работает система контроля и защиты при нахождении переключателя режимов 12 в замкнутом положении контакта 12.2.

Если переключатель режимов 12 находится в положении 12.1, то происходит включение индикатора при снижении сопротивления изоляции ниже допустимого значения. При этом ток, протекающий через индикатор, недостаточен для срабатывания автомата 2. Устройство управления индикатором 14 может представлять как обычный элемент задержки на RC-цепи, так и программное устройство, постоянно опробующее величину сопротивления изоляции и в случае, например, трехкратного (для исключения случайных процессов) повторения аварийного состояния подавать сигнал на отключение реле измерительной цепи 9.

В соответствии с требованиями нормативной документации [4] в систему введен тестовый контроль исправности сети и нагрузки по критерию «сопротивление изоляции» на элементах 15 и 16 для проверки работоспособности устройства защиты.

При нажатии кнопки «Тест» имитируется аварийное состояние. Сопротивление тестового резистора 15 рассчитывается исходя из условий надежного срабатывания системы.

Авторами испытано устройство со следующими параметрами и элементами. Сеть трехфазная 220/380, мощность нагрузки 4 кВА трехполюсный автомат ВМ40, 25 А однополюсный автомат ВМ40, 2А реле 24 В, постоянного тока, сопротивления катушки 3 кОм, ток срабатывания составил 5 мА, что значительно ниже допустимого по п.1.7.15 [4], составляющий 30 мА.

Таким образом, предложенная система обеспечивает надежный контроль и защиту электротехнических устройств как от уменьшения сопротивления изоляции входящих в нее элементов сети и нагрузки, так и операторов от поражения электрическим током, а также защиту нагрузки от перегрузок по току и коротких замыканий.

Источники информации

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

2. Патент РФ №2189603, кл. G01R 27/00, Н02 H3/16, опубл. 2002, Бюл. №26.

3. Патент РФ №2242829, кл. Н02 H 3/16, G01R 27/00, опубл. 2004, Бюл. №35.

4. Правила устройства электроустановок. Седьмое издание. Энергосервис. - М.: 2003, п.1.7.165, с.91.

Использование: в устройствах защиты электрических аппаратов и установок в трехфазных (многофазных) сетях с изолированной нейтралью. Технический результат заключается в упрощении устройства и расширении его функциональных возможностей. Система контроля содержит трехполюсный автомат, подключенный к источнику питания с изолированной нейтралью между источником и нагрузкой, и измерительную цепь. В систему введен дополнительный однополюсный автомат с узлом одновременного срабатывания электромагнитных расцепителей, механическим соединением корпусов и рукояток включения, к каждой из фаз сети после контактов трехполюсного основного автомата через ограничительные резисторы включены диоды, общая точка соединения катодов упомянутых диодов подключена к одному из выводов обмотки реле измерительной цепи, второй вывод которой подключен к корпусу устройства ("Земле"), параллельно выводам обмотки реле подключен помехозащитный конденсатор, замыкающий контакт однополюсного дополнительного автомата одним выводом соединен с фазой сети после замыкающего контакта трехполюсного основного автомата, другим - к замыкающему контакту реле измерительной цепи, второй вывод которого через четвертый ограничительный резистор подключен к любой из двух оставшихся фаз после замыкающих контактов трехполюсного основного автомата, между корпусом ("Землей") и любой из фаз после упомянутых замыкающих контактов включена цепь контроля, содержащая последовательно соединенные тестовый резистор и кнопку "Тест". 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система контроля сопротивления изоляции электротехнических устройств и защиты их и оператора, содержащая трехполюсный автомат, подключенный к источнику питания с изолированной нейтралью между источником и нагрузкой, и измерительной цепью, отличающаяся тем, что в нее введен дополнительный однополюсный автомат с узлом одновременного срабатывания электромагнитных расцепителей, механическим соединением корпусов и рукояток включения, к каждой из фаз сети после контактов трехполюсного основного автомата через ограничительные резисторы включены диоды, общая точка соединения катодов упомянутых диодов подключена к одному из выводов обмотки реле измерительной цепи, второй вывод которой подключен к корпусу устройства ("Земле"), параллельно выводам обмотки реле подключен помехозащитный конденсатор, замыкающий контакт однополюсного дополнительного автомата одним выводом соединен с фазой сети после замыкающего контакта трехполюсного основного автомата, другим - к замыкающему контакту реле измерительной цепи, второй вывод которого через четвертый ограничительный резистор подключен к любой из двух оставшихся фаз после замыкающих контактов трехполюсного основного автомата, между корпусом ("Землей") и любой из фаз после упомянутых замыкающих контактов включена цепь контроля, содержащая последовательно соединенные тестовый резистор и кнопку "Тест".2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в него введен переключатель зажимов, основной вывод которого подключен после контакта реле измерительной цепи, первый вывод подключен к введенной цепи индикации, содержащий индикатор с устройством управления, одним выводом, вторым - к второму выводу четвертого ограничительного резистора, второй вывод упомянутого переключателя зажимов подключен первому выводу четвертого ограничительного резистора.