Устройство для защиты человека от поражения электрическим током в сети с изолированной и компенсированной нейтралью Советский патент 1984 года по МПК H02H5/12 

того, шестнадцатого и семнадцатого элементов И блока управления, выходьг которых соединены с входами трех триггеров, причем первые выходы триггеров блока управления подключены к управляющим электродам соответствую1цих

тиристоров, а вторые выходы - к восемнадцатому элементу И блока управления, выход которого соединен с третьим входом пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого элементов И этого же блока.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ И КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ, содержащее датчик сигналов, подключенный к трем фазам сети и к земле, три выхода которого подключены к трем входам порогового блока, а три выхода - к трем входам блока управления, включающий в себя три триггера и три элемента И, выходы блока управления подключены к управляющим электродам трех симметричных тиристоров, соединенных с фазами сети и с землей, о т л и ч а ющ е е с я тем, что с целью повьше- ния его помехозащищенности и быстродействия, в устройство введены блок определения запрещенной комбинации, состоящий из шести логических элементов И-НЕ и одного логического элемента И, блок определения наличия сигнала, состоящий из логического элемента И-НЕ, и блок определения полезного сигнала, -включающий в себя два элемента И, генератор и счетчик, причемтри выхода порогового блока подключены к входам первого, второго и третьего логических элементов И-НЕ блока определения запрещенной комбинации и к третьим входам четвертого, пятого и шестого логических элементов И-НЕ этого же блока, выход первого логического элемента И-НЕ соединен с первыми входами четвертого и пятого логических элементов И-НЕ, выход второго элемента И-НЕ - с вторым и первым входами четвертого и пятого элементов И-НЕ, а выход третьего логического элемента И-НЕ - с вторыми входами пятого и шестого элементов И-НЕ, выходы четвертого, пятого и шестого элементов И-НЕ подключены к входам элемента И, выход которого подклюКП чен к первому и второму входам девятого и десятого логических элементов И блока определения полезного сигнала, второй вход девятого логичес8 кого элемента И соединен с генератором, первый выход девятого логического элемента И соединен с С-входом счетчика, а выход десятого элемента логического И - с R -входом счетчика блока определения полезного сигнала, ND 4 выход которого соединен с вторыми входами пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого логических элементов И ч блока управления, выход блока определения наличия сигнала соединен с треi тьим и первым входами девятого и десятого логических элементов И блока определения полезного сигнала, а три входа блока определения наличия сигнала соединены с тремя выходами порогового блока, которые также подключены к трем входам логических элементов И-НЕ блока управления, выходы которых подключены к первым входам пятнадца

Изобретение относится к технике электробезопасности и противопожарной технике в электрических сетях с изолированной или компенсированной нейтралью и может быть использовано в любой отрасли промьшшенности, сел ского хозяйстйа, транспорта, строительства и связи, применяющих сети с изолированной нейтралью или с ком пенсированной нейтралью источника. Известны устройства для обеспече ния злектро- и пожаробезопасности в электрических сетях с изолированн и компенсированной нейтралью работающие по принципу снижения тока од нофазного замыкания (о.я.) на землю сокращения времени действия тока о.з, на электрическую cиcтe ry или тока прикосновения человека и совместного действия обоих указанных факторов. К первым из указанных устройств относятся аппараты и системы компен сации активной и емкостной составляющих тока о.з. или прикосновения К недостаткам этой группы устройств относятся низкая точность устройств статической компенсации, сложность устройств автоматической компенсации, невозможность компенса .ции высших гармонических в составе тока О.З., ограниченность применения устройств автоматической компен сации радиальными сетями определенной длины, ухудшение качества напряж ния контролируемой системы от введения в нее устройств автоматической компенсации, а при определенных углах диэлектрических потерь - ухуцшение условий электробезопасности. Ко второй rpyntte устройств, сокр щающих время опасного воздействия т ка о.з. на систему или тока прикосн вения человека, относятся устройства защитного отключения (ЗОУ). Однако в сетях с изолированной нейтралью . ЗОУ работают неселективно, снижая надежность электроснабжения ответственных потребителей, а в сетях с компенсированной нейтралью ЗОУ еще не созданы. Третью группу устройств, обеспечивающих электро- и пожаробезопасность электрических сетей с изолированной и компенсированной нейтралью, представляют устройства искусственного металлического однофазного защкт юго замыкания фазы с ухудшенной изоляцией или фазы, к которой прикоснулся человек Такие устройства переносят точку замыкания в заранее подготовленное место сети и отсасывают на себя практически полный ток о 3,5 состояй1;ий из активной и емкостной составляющих основной и высшей гармонической частоты. Устройства однофазного защитного замыкания (УОЗЗ) не требуют при их создании обеспечения селективности их срабатывания я могут быть установлены в любом пожаробезопасном месте системы или могут быть выполнены в пожаробезопасном исполнении. Поэтому УОЗЗ исключают недостатки устройства компенсации нейтрали и ЗОУ. Известно устройство, которое состоит из датчика сигналов, выполненного в виде фильтра напряжений нулевой последовательности, подключенного к каждой из фаз сети и к земле, пороговые устройства, входы которых подключены к датчику сигналов, а выходы к управляющим электродам симметричяь5х тиристоров. При однбфазном прикосновении человека или ухудшении сопротивления изоляции одной из фаз ниже допустимого уровня напряжение между 31 поврежденной фазой и землей уменьшается, а на двух других увеличивает ся. Однако такое увеличение напряжения на двух других фазах может быт только до емкости, не превышающей .6,5 мкФ на фазу. При дальнейшем возрастании емкости напряжения отстающей от поврежденной и поврежденной фазы становятся почти одинаковыми. Снижение напряжения между фазой и землей приводит к срабатыванию порогового устройства, сигнал с которого поступает на управляюш;ий электрод симметричного тиристора. Симметричный тиристор открывается и пгунтирует поврежденную фазу на землю Ш. Недостатком данного устройства является возможность ложных срабатываний устройства из-за поступления на вход одного из пороговых устройст полезного сигнала, а на второй вход помехи, или появлении помехи, вызван ной отключением нагрузок, сразу по двум каналам, что приводит к ложному срабатыванию и открытию одновременно двух симметричных тиристоров и выход их из строя. Наиболее близким к изобретению яв ляется устройство, содержащее датчик сигналов, пороговые блоки, элементы логики 3 И 1 ИЛИ, одну линию задержки и три исполнительных органа.Принцип работы данного устройства заключается в определении повьш1ения напря жения на опережающей фазе и замыкани поврежденной. Данное устройство при прикосновении человека к фазе в сетя в которых емкости превьш1ают 6,5 мкФ на фазу, а также в сетях со значительной несимметрией фазных напряжений, работает достаточно кацежно Однако известное устройство обла- дает следующими недостатками. При возникновении помех на одной из фаз, вызванной включением или отключением отдельных потребителей (длительность токов помехи может составлять 110 мкс), соответствующий датчик фазных напряжений вырабатывает сигнал 1 длительностью 1-10 мкс, который поступает на 5 -вход триггера, что является достаточным для его переработки в состояние 1 на прямом выходе и запоминании этого сигнала. За время it Т по другим фазам помехи может и не быть, поэтому только один из триггеров изменит свое состояние, что аналогично сос714тоянию триггеров при получении информации о превьш1ении напряжения на опережающей фазе, которое возникает при прикосновении человека. Следе вательно, на землю (корпус) замкнется фаза, отстающая по отношению к фазе, по которой прошла помеха, т.е. произойдет ложное срабатывание, что недопустимо, особенно учитывая что такие помехи наблюдаются достаточно часто (практически при каждом включении-отключении потребителей). Кроме того, устройство обладает сравнительно низким быстродействием. Время срабатывания устройства определяется временем прохождения .трех полупериодов фаз. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и быстро- , действия. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты человека от поражения электрическим током в сети с изолированной и компенсированной .нейтралью, содержащее датчик сигналов, подключенный к трем фазам сети и к земли, три входа которого подключены к трем входам порогового блока, а три выхода - к трем входам блока управления, включающими в себя три триггера и три элемента И, выходы блока управления подключены к управляющим электродам трех симметричных тиристоров, соединенных с фазами сети и с землей, введены блок определения запрещенной комбинации,.состояпщй из шести логических элементов И-НЕ и одного логического элемента И, блок определения наличия сигнала, состоящий из логического элемента И-НЕ, и блок определения полезного сигнала, включаюш 1й в себя два элемента И, генератор и счетчик, причем три выхода порогового блока подключены к входам первого, второго и третьего логических элементов И-НЕ блока определения запрещенной комбинации и к третьим входам четвертого, пятого и шестого логических элементов И-НЕ этого же блока, выход пер-вого логического элемента И-НЕ соединен . с первыми входами четвертого и пятого логических элементов И-НЕ, выход второго элемента И-НЕ - с вторым и первым входами четвертого и пятого элементов И-НЕ, а выход третьего логического элемента И-НЕ,- с вторыми входами пятого и шестого элементов И-НЕ, выходы четвертого, пятого и шестого элементов И-НЕ подключены к входам элемента И, выход которого подключен к первому и второму входа девятого и десятого логических элементов И блока определения полезного сигнала, второй вход девятог-о логического элемента И соединен с генератором, первьй выход девятого логического элемента И соединен с С-входом счетчика, а выход десятого логического элемента И соединен с К-БХОДОМ счетчика блока определения полезного сигнала, выход которого соединен с вторыми вкодаг-та пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатог логических элементов И блока управления, выход блока определения наличия сигнала соединен с третьим и пер вым входами девятого и десятого ло- гических элементов И блока определе;ния полезного сигнала, а три входа блока определения наличия сигнала соединены с тремя выходами пороговог блока, которые также подключены к трем входам логических элементов И-Н блока управления, выходы которых под ключены к первьм входам пятнадцатого шестнадцатого и семнадцатого элемент И блока управления, выходы которых соединены с вxoдa ш трех триггеров, причем первые выходы триггеров блока управления подключены к управляющим электродам соответствующих cи iмerpич ных тиристоров, а вторые выходы к восемнадцатому элементу И блока уп равления, выход которого соединен с третьими входами пятнадцатого, шес надцатого и семнадцатого элементов И этого же блока. На фиг,1 представлена схема предлагаеГЮго устройства; на фиг 2 диаграммы выходных сигналов, поясНЯЮ1ЦИХ принцип работы схемы. Устройство содержит датчик 1 сиг налов, служанщй для гальванической развязки от сети и согласования его выхода с входом порогового блока 2, к оторьй служит для определения крит ческого сигнала, блок 3 управления тиристорами, служащий для обработки сигналов, поступающих с пороговых блоков 2 и для формирования сигналов управления сим 1етричньгми тиристорами блок 4 определения запрещенной комб

наций сигналов (запрещенной комбинацией является наличие более одного сигнала на выходе блока 2), блок

При наличии сигнала по любьм из двух каналов на вхойах одного из элементов 20-22 присутстсвуют три 1, 71 5 определения наличия сигнала, служащий для определения наличия сигналов на выходе блока 2, блок 6 определения полезного сигнала, необходимый для анализа сигналов поступающих с блока 4 и блока 5, определения наличия помехи в сети и формирования разрешающего импульса на блок 3. Блок 3 состоит из логическ гх элементов И-НЕ 7-9, элементов И 10-13 и триггеров 14-16. В исходном положении прямые выходы триггеров, являющи:еся выходами блока 3, находятся в состоянии О, инверсный соответственно в 1, вследствие чего на входы элементов И 10-12 с элемента И 13 поступает 1. При поступлении полезного сигнала с блока 2 через инвертирующие элементы 7-9 и стробируюшего сигнала с блока 6 на все входы одного из логических элементов 10-12 поступают 1, вследствие чего его выход перейдет из состояния О в 1, при этом триггер соответствующего канала изменит свое состояние из О в 1. При изменении состояния одного из триггеров выход 13 изменяется в состояние О, тем самым блокируя входы элементов И 10-12, т.е. любое новое изменение состояния сети не может поступить в блок 3. Каналы а, вис являются информационными (показывают наличие повышения напряжения на определяющей фазе). Выходы блока 3 подключаются к соответствующим симметричным тиристорам, которые при наличии сигнала с блока 3 замыкают поврежденную фазу на корпус, тем самым шунтируя человека. Блок 4 служит для определения наличия запрещенных комбинаций, которыми являются наличие сигналов одновременно по любым из двух каналов (а,в,в,с,а,с), и собран на логических элементах И и И-НЕ 17-23, выход которых при наличии запрещенной комбинации переходит из состояния 1 в О (элементы 17-19 служат для инверсии сигналов по каналам а, в,с). При отсутствии или наличии сигналов по одному из указанных каналов на входах элементов 20-22 присутствует хотя бы один О, вследствии чего на выходе элемента 23 все 1 и на выходе его соответственно вследствие чего его вьтход (этого элемента ) переходит в состояние О и выход элемента 23 также переходит в О, что и говорит о наличии запрещенной комбинации. Длительность выходного сигнала блока 4 (состояние О) определяется более коротким из этих двух сигналов (сигналом помехи) Блок 5 собран на элементе 24, который меняет свое состояние из О в 1 при наличии хотя бы одного сигнала по каналам а,в,с. При наличи двух сигналов длительность определяе ся максимальным из них (полезным сиг лом) . Блок 6 состоит из генератора прям угольных импульсов, логических элементов И 25 и 26 и счетчика 27. Элемент И 25 служит для управления поступления сигналов с генератора на вход счетчика 27, а элемент И 26 для его обнуления в различных режимах. Работа блока 6 основана на следую щих временных соотношениях: t 06,. . -ПОЛ. си Г Н. -ПОМ, где tt, время полезного сигнала приблизительно 1-4 мс, t (JQ. - время помехи до 100 мкс j t .- время задержки счетчика (переход сигнала из состояния О в 1). При отсутствии сигналов с блока 2 на вход элементов И 25 и 26 с блока 4 поступает 1. с выхода блока 5 , который блокирует эти элементы, вследствие чего сигналы с генератора на вход счетчика не поступают и на выходе элемента И 26 вырабатьгоается сигнал 1, которьй и обнуляет счетчик 27. При поступлении полезного сигнала блок 4 своего состояние не меняет, блок 5 разблокирует элемент И 25 и сигнал с генератора поступает : .на вход счетчика 27, выход элемента и 26 переходит в состояние О (снимая обнуление), так как .сигн, Через время ,ад,, на выходе 27 (счетчика) вырабатывается стробирующий управляющий сигнал, поступающий на блок 3. Если при наличии полезного сигнала сигнал помехи приходит через время i « t ад счетчик не успевает вьщать стробирующий импульс, сигнал с блока 4 меняет свое состояние на О, тем самым блокируя элемент И 25 и обнуляя счетчик 27 (выход элемента И 26 переходит в 1 - сигнал обнуления) . 1S Через время, равное длительности помехи, сигнал с элемента 23 переходит в состояние 1, вновь запускается счетчик 27 и схема продолжает работать аналогично описанному. При приходе полезного сигнала через время, больше t-.,а счетчик 27 выдает стробирующий сигнал на блок 3, после которого устройство не . воспринимает новые сигналы изменения состояния сети. Устройство работает следующим образом. Напряжение сети через датчик 1 сигналов поступает на вход порогового блока 2, где сравнивается с пороговым сигналом. При нормальной работе сети сигналы с блока 1 датчиков по уровню меньше порогового сигнала и устройство находится в исходном состоянии. в случае прикосновения человека к фазе или понижении сояротивления изоляции одной из фаз ниже допустимого уровня, или глухом замыкании фазы на землю напряжение одной из фаз повышается (опережающей поврежденную) , что является полезным сигналом. Сигнал с датчика 1 по одному из трех каналов превьшает пороговый уровень, при этом один из трех выходов порогового блока 2 формирует информативный сигнал. Включение отключение потребителей электроэнергии вызьшает по одной, двум фазам сети помехи, соизмерИ Ф1е с полезным сигналом, вследствии чего на выходе порогового блока 2 (при наличии полезного сигнала) появляется более одного информативного сигнала. Сигналы с блока 2 поступают на входы блоков 3-5. При наличии на входе блока 4 сигнала только по одному каналу блок 4 сигнала не формирует. В случае поступления более одного сигнала (помехи по двум фазам или полезного сигнала и помехи) блок 4 формирует сигнал, который поступает на узел сравнения блока 6. Блок 5 формирует сигнал при появлении информатирного сигнала хотя бы по одному из ка налов, поступающий на узел сравнения блока 6. Блок 6 анализирует сигналы, поступающие с блоков 4 и 5. Наличие сигналов с блока 4 возможно только при наличии помехи (помеха и полезный сигнал или одни помехи). Блок 6 формирует управляющий сигнал при поступ9лении сигнала только с блока 5 и отсутствии сигнала с блока 4. Длительность управляющих импульсов с блока 6 определяется длительностью входных сигналов. Длительность полезного сигнала значительно превьппает длительность помехи. Блок 6 вырабатывае управляющий (разрешаюпщй) импульс на блок 3 управления симметричными тиристорами с задержкой по времени (определяемой длительностью помехи) Если сигнал оказывается меньше врем ни задержки, управляющего импульса с блока 6 на блок 3 управления симметричными тиристорами не вьщается и блок 3 остается заблокированным. При длительности управляющего сигнала, поступающего с блока 6 больше времени задержки вырабатьюается управлянщий импульс, информация поступает на блок 3 управления сим110метричными тиристорами, где она обрабатывается и разрешается формирование управляющего сигнала на управляющий электрод симметричного тиристора. Предлагаемое устройство защищено от ложных срабатываний, защищая тем самь1м сеть от аварийных режимов ложного замыкания фазы на землю, двухфазного короткого замыкания через землю ( в случае ложного вызванного наличием помех, замыкания двух фаз на землю через симметричные тиристоры). Таким образом, предлагаемое устройство не только обеспечивает безопасность обслуживания сетей с изолированной и компенсированной нейтралью, но и повышает надежность работы как самого устройства, так и всей сети в целом.

«о

t« s

Кана/9„а

Kffw/t S

l//ft/,.C

jffff. (,

ff0M

.&f.4

.ff/f.S

дш. 2S

4«

т

в

ff.

B6iJf.&i.6

86i.6/f.J без /Tfffiex Фиг, 2 /7ofie a /7a/fe3f/. ci/s/f. atfa/fe още Ojrej ffgff /ЯЙ/ЙРЛ Т e /s//ff a