Устройство для защиты человека от поражения электрическим током Советский патент 1988 года по МПК H02H5/12 

г/г /

Изобретение относится ,к области охраны труда в электроустановках,преназначено для защиты человека от поражения электрическим током при при- косновении его в зоне действия защиты к частям электроустановки, находящимся под напряжением и может быть применено в различных электроустановках, в том числе в подвижных с авто- номной сетью ограниченной мощности и в бытовых.

Цель изобретения - повьппение надежности работы защиты и надежности электроснабжения.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства для двухпроводной сети с короткозамыкателями,выпол ненными на тиристорах,и с датчиками состояния короткозамыкателей,на вы- полненными ограничителях амплитуды, подключенных между силовыми выводами короткозамыкателей и элемента сравнения; на фиг - 2 структурная схема ко- роткозамыкателя.включенного между дву мя разноименными фазами цепей питания и выполненного на тиристорах, с датчиками состояния тиристоров, выполненными с применением резисторов;на фиг. 3 - структурная схема коротко- замыкателей, включенных между разноименными фазами цепей питания и выполненных на тиристорах, с датчиками состояния тиристоров, выполненными на герконах.

Устройство для защиты человека от поражения электрическим током содержит датчик 1 аварийного сигнала, выполненный в виде дифференциального трансформатора тока, первичные об- мотки которого включены в силовые провода, питающие электроустановку, а вторичная обмотка соединена с входом порогового элемента 2.Выход по- рового элемента соединен с элементом 3 выдержки времени (ЭВВ) и с первым входом элемента И 4. Выход ЭВВ соединен с вторым входом элемента И.Выход элемента И соединен с входом формирователя 5 сигналов управления выходы которого подключены к управляющим входам 6 короткозамыкателей 7. К цепи короткозамыкателя подключен датчик 8 состояния короткозамыкателя, который может состоять из ограничителя 9 амплитуды,включенйо- го своим входом к силовым выводам короткозамыкателя 7 (тиристора), а выходом к элементу 10 сравнения,выход которого является выходом датчика 8. Также датчик 8 состояния корот козамыкателя может быть выполнен в виде датчика 11 тока на резисторе, подключенном к элементу 10 сравнения (фиг. 2), выходы датчиков 8 состояния короткозамыкателя через элемент ИЛИ 12 и усилитель 13 мощности соединены с быстродействующим коммутационным аппаратом 14.

Короткозамыкатель для двух разноименных фаз цепей питания (фиг. 2) содержит два одиночных быстродействующих короткозамыкателя, в качестве которых использованы тиристоры. В этом случае между каждыми двумя разноименными фазами цепей питания помещают по два тиристора, включенных встречно-параллельно.

В каждом конкретном случае при выборе количества короткозамыкателе фаз цепей питания необходимо учитывать как индивидуальные особенности электроустановки,так и задачи,возлагаемые на устройство защиты человека (УЗЧ).

Использование тиристора в качестве датчика тока позволяет упростить схему датчика состояния короткозамыкателя.

Если датчик тока выполнен в виде геркона 15 (фиг. 3), то он и будет являться датчиком состояния короткозамыкателя. При этом замыкающий контакт каждого геркона соединен с усилителем мощности,который воздействует на быстродействующий коммутационный аппарат. В случаях, когда быстродействующий коммутационный аппарат потребляет по цепи управления ток, не превышающий номинальный для контактов герконов они могут соединяться с ним напрямую. Использование геркона в качестве датчика тока позволяет обеспечить гальваническую развязку элементов УЗЧ от элементов короткозамыкателя.

Предположим,что человек прикоснулся к части,находящейся под напряжением, в цепи однофазной электроустановки 16 (фиг. 1). В процессе прикосновения человека к части электроустановки, находящейся под напряжением, устойчивый контакт между ней и телом человека образуется,как правило,не сразу. Минимально возможное время установления устойчивого контакта составляет 0,05 с. Среднее время установления устойчивого контакта составляет 0,1 + 0,05 с. При этом сопротивление между электроустановкой и телом человека изменяется за время установления контакта от бесконечности до конечной величины (сопротивление между телом человека и землей при этом можно считать постоянным). В процессе установления устойчивого контакта между телом человека и электроустановкой через тело человека протекают прерывистиые токи, не опасные для его жизни и здоровья, поэтому отключать питающую сеть в таком случае не надо, кроме того, контакт между телом человека и электроустановкой может и не установиться из- за достаточно быстрой непроизвольной реакции человека. По этой причине нормируется не только амплитуда, но и время протекания через тело человека предельно допустимых токов, не опасных для его жизни и здоровья.

После установления устойчивого контакта с электроустановкой сопротивление тела человека начинает уменьшаться. Из-за этого ток через тело человека нарастает во времени с определенной скоростью, зависящей от его начальной величины в момент установления контакта. Длительность процесса нарастания тока через тело человека составляет не менее 0,4 с, т.е. ток через тело человека нарас- тает линейно, а не скачкообразно, . как при пробе изоляции.

Таким образом, в соответствии г изменением указанного сопротивления через тело человека будет проходить увеличивающийся ток 1,.. Этот ток приводит к несимметрии фазных токов, вследствие чего на вторичной обмотке датчика аварийного сигнала появляется напряжение,амплитуда которого определяется мгновенным значением величины тока утечки через тело человека. При достижении током через тело человека величины 2-3 мА напряжение на выходе датчика аварийного сигнала становится достаточным для устойчивой работы последующих элементов УЗЧ. Это напряжение сравнивается в пороговом элементе с заданной уставкой и при превышении напряжени- ем уровня уставки на выходе порогового элемента появляется сигнал,поступающий на первый вход элемента И и на вход элемента выдержки времени, который осуществляет задержку сигнала.Время задержки задается таким,чтобы короткозамыкатели не срабатывали от прерывистых токов, не опасных для жизни человека.Так,например через тело человека допускается протекание тока до 650 мА при продолжительности протекания 0,01 - 0,08 с.

Исходя из конкретных особенностей применения УЗЧ в устройстве предусмотрена возможность изменять уставку времени задержки (т.е. времени, в течение которого ток протекает через тело человека). Если ток через тело человека будет протекать дольше установленной задержки, то на втором входе элемента И появится сигнал с выхода ЭВВ. Поэтому сигнал, пройдя через элемент И, поступит на формирователь, где будет преобразован в сигнал управления короткозамыкателя- ми, что приведет к их срабатыванию. Если в качестве короткозамыкателей использованы тиристоры,то не более чем через 200 мкс после превьш1ения током утечки через тело человека уровней обеих уставок открывается один из тиристоров, создавая режим короткого замыкания в цепи электроустановки.Если прикосновение человека к части электроустановки,находящейся под напряжением, является мгновенным и ток через тело человека идет в течение времени, не опасном для его жизни, то на выходе ЭВВ сигнал появится только после того,как он исчезнет на выходе порогового элемента. Поэтому через эле- мент И сигнал на формирователь сигна лов управления не пройдет и короткозамыкатели останутся в закрытом сос тоянии.

Таким образом, нормальное функционирование УЗЧ обеспечивается благодаря следующему алгоритму его работы: пока уровень сигнала на выходе датчика аварийного сигнала (т.е. ток утечки через тело человека) ниже заданного уровня уставки амплитулы тока утечки, короткозамыкатель (КЗ) закры быстродействующий коммутационный аппарат находится во включенном состоянии, а напряжение питающей сети подается на защищаемую электроустановку как только уровень аварийного сигнала (т.е. уровень тока утечки через тело человека) превысит заданный

уровень уставки амплитуды тока утечки, а интервал времени, в течение которого аварийный сигнал превышает уставку амплитуды тока утечки,станет больше интервала времени, заданного уставкой времени протекания тока утечки через тело человека, КЗ открываются, а быстродействующий коммутационный аппарат отключает питающую сеть защищаемой электроустановки.

Сигнал о наличии тока короткого замыкания в закорачивающих элементах КЗ (т.е. это сигнал о состоянии

(фиг. 3), то при закрытом КЗ ток в обмотке электромагнита практически отсутствует и контакты геркона разомкнуты, а при открытом КЗ в обмотке электромагнита протекает максимальный ток, поэтому контакты геркона будут замкнуты и на быстродействующий коммутационный аппарат (через усилитель мощности или напрямую) поступит сигнал об открытом состоянии КЗ,вследствие чего сработает быстродействующий коммутационный аппарат, отключая питающую сеть от за

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для защиты человека при прикосновении его к частям электроустановки, находящимся под напряжением. Цель изобретения - повьпиение надежности работы защиты и надежности электроснабжения. При касании человека токоведущих частей электроустановки на выходе датчика 1 появляется сигнал,который сравнивается с уставкой срабатывания в пороговом элементе 2.В случае его превышения уставки по амплитуде и уставки по времени протекания срабатывают короткозамыкатели 7,шунтируя место повреждения.После этого датчики состояния короткозамыкателя через усилитель 13 мощности воздействуют на быстродействующий коммутационный аппарат 14, который отключает питание с электроустановки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил. f6 i (Л

КЗ - открыт он или закрыт) вырабатьта з щищаемой электроустановки.

ется по-разному в зависимости от конструктивных особенностей примен- ных датчиков состояния КЗ. Основным элементом любой модификации этих датчиков является датчик тока короткого замыкания, включенный последовательно с силовой цепью КЗ.

Если датчики тока выполнены в виде ограничителей амплитуды, подключенных к силовым выводам закорачивающих элементов,то при закрытом КЗ его остаточное сопротивление велико и напряжение на нем равно напряжении между фазами цепей питания. При открытом КЗ остаточное сопротивление между силовыми выводами закорачивающих элементов мало, и поэтому падение напряжения на нем тоже мало ( . 5 В).

Напряжение между силовыми выводами КЗ преобразовывается датчиком состояния КЗ в сигнал, характеризующий состояние КЗ, Этот сигнал поступает на быстродействующий коммутационный аппарат через усилитель мощности с релейной характеристикой, который срабатывает,отключая питающую сеть от защищаемой электроустановки.

Если да1чик тока короткого замыкания вьтолнен в виде резистора (фиг. то при закрытом КЗ падение напряжения на оезистоое практически близко к нулю,а при открытом оно максимально.

Падение напряжения на резисторе преобразовывается датчиком состояния КЗ в сигнал, характеризующий состояние КЗ. Этот сигнал поступает на быстродействующий коммутационный аппарат через усилитель мощности с релейной характеристикой.

Если датчик тока короткого замыкания выполнен в виде геркона.

5

0

5

0

5

0

5

Одновременно с началом режима короткого замыкания напряжение на электроустановке существенно снижается, так как остаточное напряжение на открытом КЗ 5 В, а энергия, накопления в элементах электроустановки разряжается преимущественно через КЗ, а не через тело человека. Последнее обусловлено тем,что при самых неблагоприятных условиях сопротивление тела человека после установления устойчивого контакта уменьшается до минимальной величины за время не менее 0,4 с, а сопротивление тиристора после достижения током через тело человека величин обеих уставок уменьшается до минимальной величины за время не более 200 мкс. Поэтому Сопротивление тела человека остается почти на порядок больше сопротивления открытого тиристора. Благодаря этому максимально возможный ток через тело человека при самых неблагоприятных обстоятельствах ограничивается величиной менее 50 мА,причем время протекания максимального уровня тока через тело человека определяется временем установления режима короткого замыкания (200 мкс) и не зависит ни от энергии, накопленной в реактивных элементах установки, ни от времени срабатывания быстродействующего коммутационного аппарата. Это выгодно отличает изобретение от известных.При этом существенным является тот факт, что после отпирания КЗ через тело человека будет протекать ток величиною не более 2-3 мА, определяемый падением напряжения на открытом КЗ. Это соответствует предельно безопасным уровням токов через тело человека для различных людей и удовлетворяв ет требованиям к предельно допусти

мым токам через тело человека при аварийном режиме в бытовых электроустановках напряжением до 1000 В и частотой 50 Гц.

Таким образом, в устройстве, в случае его срабатывания, отключение питающей сети производится быстродействующим коммутационным аппарато только после отпирания КЗ. Сделано это для повышения надежности работы защиты путем защитного отключения для случаев, когда может произойти пробой или сплавления силовых (закорачивающих) цепей КЗ, а также для существенного сокращения длительности провалов напряжения в питающей сети из-за искусственного короткого замыкания. Для решения этих задач быстродействие коммутационного аппа рата должно выбираться одного порядка с быстродействием КЗ.Благодаря этому длительность режима короткого замыкания получается минимальной - около половины периода питающей сети после начала режима искусственного короткого замыкания. Это обстоятельство существенно для любых сетей, но особенно оно важно для автономных сетей, с ограниченной мощностью источника.

Во всех сетях при коротких замыканиях наблюдаются провалы напряжения из-за того,что штатная защита электроустановок от коротких замыканий срабатывает всегда с некоторо выдержкой времени, зависящей как от конкретных особенностей протекания режима короткого замыкания, так и о выбранных параметров и конструкции штатного устройства защиты электроустановки от коротких замыканий.

При провалах напряжения длительностью более периода питающей сети в сетях с ограниченной мощностью источника, особенно в автономных часто наблюдаются сбои в работе различных систем автоматики. В известном устройстве сеть отключается только благодаря срабатыванию автоматического выключателя, в котором срабатывание от токов короткого замыкания может быть выбрано равным 14- кратному значению номинальной величины. Из-за этого наблюдаются глубокие провалы напряжения в питающей сети и, кроме того, повьш1ается вероятность выхода из строя силовых цепей короткозамыкателей из-за их об

5

0

0

5

0

5

0

5

рыва или сплавления. Поэтому в известном устройстве в случае обрыва силовых цепей КЗ травма или поражение человека, находящегося в устойчивом контакте с токоведущей частью электроустановки,неизбежны.Наличие в предлагаемом устройстве быстродействующего коммутационного аппарата исключает такую ситуацию.В известном устройстве в случае сплавления силовых цепей КЗ возможно срабатывание групповой защиты от перегрузок и коротких замыканий, что ведет к необоснованному с точки зрения электробезопасности человека отключению группы электроустановок с соответствующими простоями технологического оборудования и материальным ущербом. В предлагаемом устройстве быстродействующий коммутационный аппарат исключает и эту неблагоприятную ситуацию.

Следовательно,выбранный алгоритм функционирования УЗЧ и реализация его с применением быстродействующего коммутационного аппарата обеспечивают селективность действия УЗЧ,повышают надежность защитного отключения и существенно уменьшают вероятность выхода из строя силовых цепей КЗ.

Аналогично можно построить устройство для защиты человека от поражения электрическим током при любом числе фаз в сетях переменного тока, а также в сетях постоянного тока.При этом обеспечивается защита человека от поражения при прикосновении его к любой фазе сети.

Положительный эффект от использования предлагаемого устройства получается за счет того,что устройство при превышении током утечки, протека- Ю111ИМ через тело человека, величин обеих уставок (по амплитуде и по времени протекания) сначала создает искусственное короткое замыкание в це-- пях питающей сети между источником энергии и местом прикосновения человека, а затем за время не более,чем полпериода питающей сети с момента начала искусственного короткого замыкания отключает питающую сеть.Благодаря указанному алгоритму устройство обеспечивает через открытый КЗ снижение напряжения в месте прикосновения человека за время менее, чем половина периода питающей сети

до величины менее 5 В и разряд (выделение) энергии, накопленной в реактивных элементах установки.Благодаря этому исключаются травма нлооажАг с ние человека.

Формула изобретения

1,Устройство для защиты человека от поражения электрическим током, Ю содержащее датчик аварийного сигнала, выход которого соединен с входом порогового элемента, выход которого функционально связан с входом формирователя сигналов управления,выход 15 которого подключен к управляющим входам короткозамыкателей с силовыми выводами для подключения между питаю- 1ЦИМИ проводами электрической сети, отличающееся тем,что, с 20 целью повышения надежности работы защиты и надежности электроснабжения, в него введены датчики состояния ко- роткозамыкателя,элемент ИЛИ, усилипервый вход которого непосредственно, а второй через элемент выдержки времени подключены к выходу порогового элемента, а к входу быстродействующего коммутационного аппарата подключены последовательно соединенные усилитель мощности и элемент ИЛИ, входы которого подключны к датчикам состояния короткозамыкателей.

2,Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем,что каждый из датчиков состояния короткозамыкателей выполнен в виде включенного последовательно с силовой цепью кЬротко- замыкателя датчика тока, выход которого через элемент сравнения соединен с выходом датчика состояния ко- роткозамыкателя.

От дзормицобо/ггелл 5 сигналов л.

уггроб/геная°

первый вход которого непосредственно, а второй через элемент выдержки времени подключены к выходу порогового элемента, а к входу быстродействующего коммутационного аппарата подключены последовательно соединенные усилитель мощности и элемент ИЛИ, входы которого подключны к датчикам состояния короткозамыкателей.

2,Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем,что каждый из датчиков состояния короткозамыкателей выполнен в виде включенного последовательно с силовой цепью кЬротко- замыкателя датчика тока, выход которого через элемент сравнения соединен с выходом датчика состояния ко- роткозамыкателя.

- Off (Dopftf/po fffffeyf 5 тЖ сигналовупро /генил

Н другой фазе питающей се/77(/

Ц}иг.2

/i cpo3e//7afrx7fcH фазе 2 /(/ 7аюи4ей се/771/

фозе (fj-1}

фигЗ

пи/7го/ощее/ ce/77t/