УСТРОЙСТВО ЗАЩИТНОГО ОТКЛОНЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H02H3/33 

Изобретение относится к УЗО (устройству защитного отключения) согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

УЗО предусмотрены для того, чтобы срабатывать и тем самым отсоединять часть электрической сети от сети энергоснабжения в случае появления тока утечки определенной величины. Различные процессы старения, такие как, например, изменение или ухудшение магнитных свойств суммирующего измерительного трансформатора, могут привести к тому, что со временем возрастает ток утечки, необходимый для срабатывания суммирующего измерительного трансформатора. Как правило, долгое время это остается незамеченным со стороны потребителя. Несмотря на то, что потребитель имеет возможность проверить функционирование УЗО с помощью испытательного устройства, однако с помощью такого испытательного устройства, как правило, или по меньшей мере в случае обычных УЗО, не зависящих от напряжения сети, создается моделируемый испытательный ток утечки, который заметно выше, чем расчетный ток утечки соответствующего УЗО. Следовательно, по успешному тесту УЗО не обязательно можно сделать вывод о правильном функционировании в аварийной ситуации. Кроме того, в случае испытательного устройства, типичного, в частности, для УЗО, не зависящих от напряжения сети, величина действительно возникающего испытательного тока утечки зависит от приложенного в данный момент времени напряжения сети, которое, естественно, подвержено определенным непредсказуемым колебаниям. Таким образом, «старые» УЗО представляют собой возможную опасность для живых существ и оборудования, причем в настоящее время потребитель не в состоянии определить, обеспечивает ли еще защиту определенное монтированное УЗО.

US 4833564 A описывает зависящее от напряжения сети УЗО с регулируемой чувствительностью срабатывания, причем контрольная цепь, кроме того, выполнена таким образом, чтобы соответствующий возникающий ток утечки был согласован с соответствующей установленной чувствительностью срабатывания.

Поэтому задачей изобретения является создание УЗО вышеупомянутого типа, в котором устранены указанные выше недостатки и у которого эксплуатационная надежность может быть проконтролирована точнее, чем до сих пор, в частности, независимо от напряжения сети.

Согласно изобретению это достигается с помощью признаков пункта 1 формулы изобретения.

Благодаря этому после успешного контроля УЗО посредством соответствующего испытательного устройства можно сделать вывод относительно действительной работоспособности или эксплуатационной надежности УЗО в аварийной ситуации. В результате независимо от соответствующего приложенного напряжения может генерироваться точно определенный испытательный ток утечки.

Тем самым можно обеспечить, чтобы в случае успешного контроля УЗО с помощью его испытательного устройства соответствующее УЗО срабатывало также в случае действительного появления тока утечки при его предусмотренной величине, а следовательно и в случае так называемого расчетного тока утечки.

Зависимые пункты формулы изобретения, являющиеся так же, как и пункт 1 формулы изобретения, частью раскрытия, относятся к другим предпочтительным вариантам выполнения изобретения.

Ниже изобретение более подробно описывается со ссылкой на приложенные чертежи, на которых в качестве примера изображен лишь один предпочтительный вариант выполнения. На чертежах показано:

фиг.1 - схематичное изображение УЗО согласно уровню техники, а

фиг.2 - схематичное изображение предпочтительного варианта выполнения УЗО согласно изобретению.

На фиг.2 изображено УЗО 1 с контрольной цепью 2 для генерирования испытательного тока утечки, контрольная цепь 2 которого содержит по меньшей мере один первый контрольный резистор 3, а также контрольный кнопочный переключатель 4, причем контрольная цепь 2 содержит цепь 5 регулирования, и при этом цепь 5 регулирования выполнена таким образом, чтобы испытательный ток утечки, возникающий в контрольной цепи 2, имел, по существу в не зависимости от приложенного напряжения электросети, предопределенную и по существу постоянную величину.

Благодаря этому по результатам успешного испытания УЗО 1 с помощью соответствующего испытательного устройства или контрольной цепи 2 можно сделать вывод относительно фактической работоспособности или эксплуатационной надежности УЗО 1 в аварийной ситуации. В результате точно определенный испытательный ток утечки можно генерировать независимо от соответствующего приложенного напряжения сети. Таким образом, можно обеспечить то, чтобы в случае успешного испытания УЗО 1 с его контрольной цепью 2 соответствующее УЗО 1 срабатывало также в случае действительного появления тока утечки при предусмотренной величине тока утечки, а следовательно, и в случае так называемого расчетного тока утечки.

Электросетью обозначается, в частности, электрическая сеть энергоснабжения по меньшей мере с одним нейтральным проводом и одной токоведущей фазой или соответственно внешним проводом.

В случае УЗО 1 речь может идти о любом виде УЗО 1, которое может иметь, в частности, другие функции и узлы, нежели чем описанные в настоящем изобретении. Как показано на фиг.1, УЗО 1 согласно изобретению предусмотрены, в частности, для использования в электросети с двумя проводами N, L1. Однако могут быть предусмотрены варианты выполнения с любым заданным числом проводников или соответственно проводов электрической сети энергоснабжения или сети распределения энергии, например, с тремя или четырьмя. УЗО 1 предназначено для защиты живых существ и/или оборудования, а также электросети от последствий возникновения тока утечки. УЗО 1 согласно изобретению содержит устройство для обнаружения тока утечки, причем, предпочтительно, предусмотрено, чтобы это устройство было выполнено в качестве суммирующего измерительного трансформатора 18, как это показано на фиг.2. Согласно изображенному особенно предпочтительному варианту выполнения УЗО 1 содержит по меньшей мере один суммирующий измерительный трансформатор 18, через который проведены по меньшей мере один первый провод N и один второй провод L1 защищаемой электросети, причем на суммирующем измерительном трансформаторе 18 размещена по меньшей мере одна вторичная обмотка 22, причем вторичная обмотка 22 в коммутационном отношении соединена с расцепителем 20.

Суммирующий измерительный трансформатор 18 имеет сердечник измерительного трансформатора, содержащий магнитный материал, через который в качестве первичной обмотки проведены по меньшей мере один первый N и один второй провод L1. При этом обозначение «проведен через суммирующий измерительный трансформатор» относится к обычному исполнению суммирующего измерительного трансформатора 18 с кольцевым сердечником измерительного трансформатора, имеющим отверстие, через которое проводят соответствующие провода. Кроме того, эти провода, предпочтительно, по меньшей мере один раз обведены или намотаны вокруг поперечного сечения этого «кольца».

Кроме того, на суммирующем измерительном трансформаторе 18 для обнаружения тока утечки размещена вторичная обмотка 22, предпочтительно, образованная проводом, например, из тонкой проволоки, несколько раз обмотанной вокруг поперечного сечения «кольца». Вторичная обмотка 22 в коммутационном отношении по меньшей мере опосредованно соединена с расцепителем 20, выполненным, предпочтительно, в виде магнитного расцепителя с постоянным магнитом, за счет чего возможно обеспечить надежное и быстрое срабатывание УЗО 1. Посредством фиксатора 21 расцепитель 20 механически воздействует на размыкающие контакты 23. При появлении опасного тока утечки во вторичной обмотке 22 генерируется соответствующий сигнал тока утечки и расцепитель 20 воздействует на размыкающие контакты 23, которые размыкаются и разъединяют первый N и второй провода L1, а при известных условиях третий и четвертый провода. Предусмотрены могут быть также модифицированные варианты выполнения расцепителя 20, например, расцепитель, зависящий от напряжения сети.

Кроме того, УЗО 1 согласно изобретению содержит контрольную цепь 2, выполненную и предусмотренную для создания моделируемого испытательного тока утечки. При этом контрольная цепь 2 соединяет первый провод N со вторым проводом L1, причем эта соединительная линия проведена не через суммирующий измерительный трансформатор 18, а «снаружи» в обход него. Контрольная цепь 2 в нормальном режиме работы УЗО 1 не замкнута, поэтому ток в этой контрольной цепи 2 не протекает. Для замыкания контрольной цепи 2 она содержит контрольный кнопочный переключатель 4. Кроме того, контрольная цепь 2 содержит по меньшей мере один первый контрольный резистор 3. Контрольным резистором 3 согласно настоящему изобретению называется резистор, функционирующий по существу как чисто омический резистор или функционирующий как чисто омический резистор по меньшей мере при частоте защищаемой сети.

Кроме того, контрольная цепь 2 согласно вариантам выполнения, изображенным на фиг.1 и 2, содержит так называемый размыкающий контакт 31 контрольной цепи, механически соединенный с фиксатором 21 или с другими размыкающими контактами 23, а также размыкающийся при размыкании размыкающих контактов 23. Тем самым при приведении в действие контрольного кнопочного переключателя 4 и при уже произошедшем срабатывании УЗО 1 может быть предотвращено дальнейшее протекание тока через контрольную цепь 2 и через первый контрольный резистор 3. Такое продолжение протекания тока привело бы к существенным потерям мощности в первом контрольном резисторе 3, которые могли бы вызвать термическое разрушение контрольного резистора или контрольных резисторов 3. Этого можно избежать благодаря размыкающему контакту 31 контрольной цепи, причем первый контрольный резистор 3 или первый управляемый резистор 6 могут быть выбраны небольшими с точки зрения допустимой мощности потерь.

На фиг.1 в виде схематичного изображения функциональных узлов показан вариант выполнения УЗО 1 согласно уровню техники, предназначенного для срабатывания при появлении тока утечки, не зависящего от напряжения сети. Такое УЗО 1 предусмотрено для защиты оборудования и людей, причем в случае появления опасного тока утечки потребители или нагрузка 19, подсоединенные к УЗО 1, отсоединяются от сети энергоснабжения, содержащей первый провод N и второй провод L1. УЗО 1 содержит соединительные зажимы, в частности винтовые соединительные зажимы, для подсоединения по меньшей мере одного первого провода N и одного второго провода L1 электрической сети энергоснабжения. Коммутационная схема, показанная на фиг.1, изображает вариант выполнения только с одним первым N и одним вторым проводом L1. В первом проводе N и во втором проводе L1 установлены размыкающие соответственно коммутационные контакты 23, которые предусмотрены или выполнены для разъединения или прерывания первого N и второго провода L1, а также для их последующего замыкания. Описанные конструктивные элементы или узлы, изображенные на фиг.1, размещены вместе в корпусе из изоляционного материала, причем корпус содержит отверстия по меньшей мере для соединительных зажимов и приводимый в действие вручную рычаг переключения для размыкания или замыкания размыкающих контактов 23 вручную. Кроме того, может быть предусмотрено, чтобы УЗО 1 содержало другие не изображенные или не описанные конструктивные узлы или элементы, например индикатор коммутационного положения, индикатор срабатывания и подобное. Кроме того, на фиг.1 в качестве примера изображена нагрузка 19 в качестве потребителя электроэнергии.

УЗО 1 согласно изобретению, предпочтительно, выполнены в качестве УЗО 1, не зависящих от напряжения сети. Узлы, установленные в таком УЗО 1 для обнаружения тока утечки и для срабатывания УЗО 1, а соответственно и для разъединения размыкающих контактов 23, полностью получают свою энергию, необходимую для срабатывания, за счет тока утечки или пропорционального ему сигнала тока утечки во вторичной обмотке 22.

Контрольная цепь 2 соединена с первым проводом N и подходит к уже упоминавшемуся размыкающему контакту 31 контрольной цепи, соединенному проводящим образом с контрольным кнопочным переключателем 4. Кроме того, контрольный кнопочный переключатель 4 соединен проводящим образом с первым контрольным резистором 3, второй вывод которого соединен проводящим образом со вторым проводом L1.

Согласно изобретению предусмотрено, чтобы контрольная цепь 2 содержала цепь 5 регулирования и чтобы цепь 5 регулирования была выполнена таким образом, чтобы испытательный ток утечки, возникающий в контрольной цепи 2, - по существу независимо от приложенного напряжения защищаемой электросети - имел предопределенную и по существу постоянную величину. Понятие величина означает в этой связи, в частности, величину силы тока. Поскольку под сетью, как правило, понимается сеть переменного тока, то само собой разумеется, что и испытательный ток утечки является переменным током и, следовательно, изменяется во времени. Поэтому величина означает, в частности, действующее значение переменного тока. Испытательный ток утечки постоянной величины может обозначаться также как постоянный испытательный ток утечки.

Такая цепь 5 регулирования для вызова или осуществления соответствующего воздействия может иметь разнообразные исполнения. В частности, соответствующая работоспособность может достигаться с помощью электронной цепи регулирования или посредством технического решения с использованием комбинации аппаратного и программного обеспечения.

Согласно предпочтительному варианту выполнения настоящего изобретения предусмотрено, чтобы цепь 5 регулирования в коммутационном отношении соединялась с проводами N, L1 электросети лишь при замкнутой контрольной цепи. Благодаря тому, что цепь 5 регулирования снабжается током лишь в период испытания УЗО 1, мощность потерь на конструктивных элементах, в частности, на различных полупроводниковых элементах цепи 5 регулирования может оставаться на весьма низком уровне и ограничиваться весьма короткими промежутками времени. В результате тепловая нагрузка конструктивных элементов может удерживаться на низком уровне, благодаря чему могут использоваться небольшие конструктивные элементы. Кроме того, за счет этого достигается большой срок службы конструктивных элементов. При этом показание замыкания контрольной цепи означает, в частности, состояние, при котором контрольный кнопочный переключатель 4, а также предусмотренный при известных условиях размыкающий контакт 31 контрольной цепи замкнуты.

Для достижения точного контроля появления тока утечки при обычном режиме эксплуатации УЗО 1 в сети с синусоидальными переменными токами, в частности, предусмотрено, чтобы цепь 5 регулирования была выполнена таким образом, чтобы испытательный ток утечки, генерируемый в контрольной цепи 2, был в фазе с током защищаемой электросети.

В частности, предусмотрено, чтобы контрольная цепь 2 содержала управляемый резистор 6 для согласования испытательного тока утечки. Благодаря такому управляемому резистору 6 действительно возникающий или вызываемый контрольной цепью 2 испытательный ток утечки может легко сохранять предопределенную величину. Благодаря регулированию величины управляемого резистора 6 ток, фактически протекающий в контрольной цепи 2, может легко ограничиваться или регулироваться.

Согласно варианту выполнения, показанному на фиг.2, предусмотрено, чтобы управляемый резистор 6 в коммутационном отношении по меньшей мере опосредованно был установлен последовательно с первым контрольным резистором 3, благодаря чему возможно особенно простое регулирование общего активного контрольного резистора, состоящего из первого контрольного резистора 3 и управляемого резистора 6.

Управляемый резистор 6 может быть выполнен в виде любого электрического конструктивного элемента, содержащего сопротивление с омической составляющей, величина которого может управляться или подвергаться воздействию заданным образом. Предпочтительно, например, предусмотрено, чтобы управляемый резистор 6 был выполнен в виде транзистора, в частности полевого транзистора 7. В частности, благодаря выполнению управляемого резистора в виде полевого транзистора 7 управление величиной сопротивления возможно при незначительной электропроводности. Тем самым обеспечивается независящая от напряжения сети компоновка цепи 5 регулирования.

Кроме того, в предпочтительном варианте выполнения управляемого резистора 6 в виде полевого транзистора 7 предусмотрено, чтобы контрольная цепь 2 содержала двухполупериодный выпрямитель 10 и чтобы управляемый резистор 6, выполненный как полевой транзистор 7, в коммутационном отношении был соединен с выводами 16 постоянного тока двухполупериодного выпрямителя 10. Благодаря этому возможно использование выполненного таким образом УЗО 1 в обычных сетях переменного тока, поскольку предпочтительные полевые транзисторы 7 пригодны лишь для работы на постоянном токе.

Поэтому цепь 5 регулирования, кроме того, содержит соответствующие средства для управления управляемым резистором 6, а соответственно и для задаваемого и целенаправленного изменения величины сопротивления управляемого резистора 6. При этом согласно изображенному предпочтительному варианту выполнения, в частности, предусмотрено, чтобы контрольная цепь 2 содержала для управления управляемым резистором 6 усилитель 8 постоянного напряжения, в частности операционный усилитель 9.

Кроме того, для работы усилителя постоянного напряжения, предпочтительно, предусмотрено, чтобы контрольная цепь 2 имела регулируемый источник напряжения, соединенный в коммутационном отношении с выводами 16 постоянного тока двухполупериодного выпрямителя 10, а также с усилителем 8 постоянного напряжения. Путем регулирования этого источника напряжения посредством усилителя 8 постоянного напряжения могут задаваться максимально возможные диапазоны регулирования.

Активное регулирование испытательного тока утечки требует отвода соответствующего приложенного в данный момент времени напряжения сети. Для этого, предпочтительно, предусмотрено, чтобы первый контрольный резистор 3 и управляемый резистор 6 в коммутационном отношении были шунтированы делителем 12 напряжения. Кроме того, предпочтительно, предусмотрено, чтобы отвод 13 делителя 12 напряжения в коммутационном отношении был соединен с первым входом 14 усилителя 8 постоянного напряжения и чтобы испытательный ток утечки подавался на второй вход 15 усилителя 8 постоянного напряжения. Благодаря этому величина управляемого резистора 6 может согласовываться с соответствующим доминирующим напряжением сети.

Ниже более подробно со ссылкой на фиг.2 описывается особенно предпочтительный вариант выполнения УЗО 1 согласно изобретению.

На фиг.2 изображен только особенно предпочтительный вариант выполнения УЗО 1 утечки согласно изобретению, причем базовая конструкция УЗО 1 до известной степени идентична УЗО 1 на фиг.1, а различия по существу ограничиваются исполнением контрольной цепи 2 согласно изобретению.

Контрольная цепь 2 соединена с первым проводом N и ведет к первому контрольному резистору 3, второй вывод которого соединен как с первым выводом переменного тока мостового выпрямителя, так и со вторым входом 15 усилителя 8 постоянного напряжения, выполненного в виде операционного усилителя 9, обозначаемого также как (OpAmp). Второй вход операционного усилителя (OpAmp) 9 выполнен в качестве инвертирующего входа. Второй вывод переменного тока мостового выпрямителя соединен с контрольным кнопочным переключателем 4, который, в свою очередь, соединен с размыкающим контактом 31 контрольной цепи, соединенным в коммутационном отношении со вторым проводом L1. Первый контрольный резистор 3 и мостовой выпрямитель шунтированы посредством делителя 12 напряжения, причем делитель 12 напряжения содержит первый и второй резисторы 28, 29 делителя напряжения, а также контактную точку между обоими резисторами 28, 29 делителя напряжения, обозначаемую отводом 13 делителя 12 напряжения. Отвод 13 в коммутационном отношении соединен с первым не инвертирующим входом 14 операционного усилителя (OpAmp) 9. Выход операционного усилителя (OpAmp) 9 в коммутационном отношении соединен с затвором полевого транзистора 7, выполненного в виде нормально-закрытого МОП-транзистора n-типа (n-Mosfet). Затвор и исток соответствующего полевого транзистора 7 соединены с выводами 16 постоянного тока мостового выпрямителя.

Кроме того, соответствующая цепь 5 регулирования содержит регулируемый источник напряжения для питания операционного усилителя (OpAmp) 9. Источник напряжения содержит диод 27 и дополнительный резистор 30, соединенные с положительным выводом 16 постоянного тока мостового выпрямителя. Один вывод дополнительного резистора 30 соединен с положительным входом питания операционного усилителя (OpAmp 9), а также с конденсатором 25 для стабилизации и сглаживания напряжения питания, а, кроме того, также с полупроводниковым стабилитроном (диодом Зенера) для регулирования напряжения питания. Другие имеющиеся соответствующие выводы конденсатора 25, а также полупроводникового стабилитрона (диода Зенера) 26 соединены так же, как и отрицательный вход напряжения питания операционного усилителя (OpAmp) 9, с отрицательным выводом 16 постоянного тока мостового выпрямителя.

Выполненное таким образом УЗО 1, несмотря на наличие активных конструктивных элементов, является УЗО 1, полностью не зависящим от напряжения сети. Активные конструктивные элементы снабжаются током только в случае приведенного в действие контрольного кнопочного переключателя 4. При этом для функционирования цепи 5 регулирования необходимо напряжение сети, составляющее лишь несколько вольт.

При приведении в действие контрольного кнопочного переключателя ток протекает через первый контрольный резистор 3. Потенциал вслед за первым контрольным резистором 3 приложен ко второму входу 15 операционного усилителя (OpAmp) 9. Кроме того, потенциал, снимаемый с делителя 12 напряжения, приложен к первому входу 14 операционного усилителя (OpAmp) 9. По разности этих потенциалов определяется регулируемая величина и управляется не зависящий от напряжения сети резистор 6, который - через двухполупериодный выпрямитель 10 - включен последовательно с первым контрольным резистором 3 и увеличивает величину его сопротивления, вследствие чего активно регулируется испытательный ток утечки.

Другие варианты выполнения согласно изобретению содержат лишь часть описанных признаков, причем каждая комбинация признаков, в частности, может быть предусмотрена также в различных описанных выше вариантах выполнения.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение эксплуатационной надежности. В УЗО (1) с контрольной цепью (2) для создания испытательного тока утечки контрольная цепь (2) содержит по меньшей мере один первый контрольный резистор (3), а также контрольный кнопочный переключатель (4). Для точного, в частности, независимого от напряжения сети контроля эксплуатационной надежности предлагается, чтобы контрольная цепь (2) содержала цепь (5) регулирования, и чтобы цепь (5) регулирования была выполнена таким образом, чтобы испытательный ток утечки, возникающий в контрольной цепи (2), имел, по существу независимо от приложенного напряжения электросети, предопределенную и, по существу, постоянную величину. Цепь (5) регулирования соединяется с проводами (N, L1) электросети лишь в случае замкнутой контрольной цепи. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство (1) защитного отключения (УЗО) с контрольной цепью (2) для создания испытательного тока утечки, где контрольная цепь (2) содержит по меньшей мере один первый контрольный резистор (3), а также контрольный кнопочный переключатель (4), причем УЗО (1) выполнено в качестве УЗО (1), не зависящего от напряжения сети, отличающееся тем, что контрольная цепь (2) содержит цепь (5) регулирования, при этом цепь (5) регулирования выполнена таким образом, чтобы испытательный ток утечки, возникающий в контрольной цепи (2), имел, по существу независимо от приложенного напряжения электросети, предопределенную и, по существу, постоянную величину, причем цепь (5) регулирования в коммутационном отношении соединяется с проводами (N, L1) электросети лишь в случае замкнутой контрольной цепи.

2. Устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что цепь (5) регулирования выполнена таким образом, чтобы испытательный ток утечки, возникающий в контрольной цепи (2), был в фазе с током защищаемой электросети.

3. Устройство (1) по п.1, отличающееся тем, что контрольная цепь (2) содержит управляемый резистор (6) для согласования испытательного тока утечки.

4. Устройство (1) по п.3, отличающееся тем, что управляемый резистор (6) в коммутационном отношении расположен последовательно с первым контрольным резистором (3).

5. Устройство (1) по п.3 или 4, отличающееся тем, что управляемый резистор (6) выполнен в виде транзистора, в частности полевого транзистора (7).

6. Устройство (1) по п.3, отличающееся тем, что контрольная цепь (2) содержит усилитель (8) постоянного напряжения для управления управляемым резистором (6), в частности операционный усилитель (9).

7. Устройство (1) по п.3, отличающееся тем, что контрольная цепь (2) содержит двухполупериодный выпрямитель (10), и при этом управляемый резистор (6), выполненный в виде полевого транзистора (7), в коммутационном отношении соединен с выводами (16) постоянного тока двухполупериодного выпрямителя.

8. Устройство (1) по п.7, отличающееся тем, что контрольная цепь (2) содержит регулируемый источник напряжения, в коммутационном отношении соединенный с выводами (16) постоянного тока двухполупериодного выпрямителя (10), а также с усилителем (8) постоянного напряжения.

9. Устройство (1) по п.4, отличающееся тем, что первый контрольный резистор (3) и управляемый резистор (6) в коммутационном отношении шунтированы делителем (12) напряжения.

10. Устройство (1) по п.9, отличающееся тем, что отвод (13) делителя (12) напряжения в коммутационном отношении соединен с первым входом (14) усилителя (8) постоянного напряжения, и при этом испытательный ток утечки подается на второй вход (15) усилителя (8) постоянного напряжения.