Устройство для измерения напряжения прикосновения и шага Советский патент 1991 года по МПК G01R15/12 G01R27/20 

(Л

С

Изобретение относится к технике измерений и контроля параметров заземлителей при работе в электрических сетях. Цель изо- бретения-повышение точности измерении напряжения прикосновения и шага. Контро- литруемый объект присоединяется через клеммы 4, 5 и аттенюатор 6 к входам амплитудных вольтметров 7, 8, периодически обнуляемых с помощью кнопки 9. Блок 10 определения полярности с входами 10.1- 10.4 и выходамии 10.5-10.8с помощью электронных ключей 12, 13 и электронного переключателя 14 полярности осуществляет коммутацию показывающего прибора 15 к выходам амплитудных вольтметров 7, 8 и индикацию полярности полуволн входного напряжения. Кнопка 1t устанавливает блок 10 определения полярности в исходное состояние. 4 ил.

«HI

5Г

к

& ± VJ

VI

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройвтвам для измерения напряжения прикосновения и шага в производственных помещениях с электрооборудованием напряжением до 1 кВ, в частности, на животноводческих комплексах.

Цель изобретения - повышение точности измерений,

На фиг.1 изображена схема устройства; на фиг.2 - принципиальная схема блока определения полярности первой от начала замыкания полуволны-напряжения прикосновения и шага; на фиг.З и А показаны диаграммы распределения потенциалов на объекте контроля.

Устройство для измерения напряжения прикосновения и шага (фиг.1) содержит двухполупериодный коммутатор 1 с блоком управления и клеммами 2, 3 подключения, а также конструктивно отделенный от коммутатора импульсный вольтметр, содержащий входные клеммы 4, 5, аттенюатор 6 входного сигнала, амплитудные вольтметры положительной 7 и отрицательной 8 полярности, входы которых подсоедины к выходу аттенюатора 6, сдвоенную кнопку 9 сброса показаний амплитудных вольтметров 7 и 8, блок 10 определения полярности первой от начала замыкания полуволны напряжения прикосновения и шага, входы 10.1 и 10.2 которого подключены соответственно к выходам амплитудных вольтметров 7, 8, кнопку 11, подключенную к входам 10.3 и 10.4 блока 10 определения полярности для установки его в исходное состояние, управляемые от выходов 10.5 и 10.6 блока 10 электронные ключи 12, 13, сигнальные входы которых соединены с выходами амплитудных вольтметров 7, 8, а выходы объединены и подключены к входу электронного переключателя 14 полярности, на выход которого подключен показывающий прибор 15, соединенные с выходами 10.7 и 10.8 блока 10 определения полярности элементы 16, 17 индикации наличия или отсутствия металлосвязи между нулевым проводом сети и металлическими конструкциями производственного помещения (не показаны).

Блок 10 определения полярности (фиг. 2) содержит сумматор на операционном усилителе 18 и резисторах 19,20,21, дифференцирующую цепь положительной полярности, образованную конденсатором 22 и входнымм сопротивлением составного транзистора 23, 24, дифференциальную цепь отрицательной полярности, образованную конденсатором 25 и входным сопротивлением двухкаскадного усилителя на

транзисторах 26, 27, RS-триггер на логических элементах 28.1 и 28.2. RS-триггер на логических элементах 28.3 и 28.4 , транзисторные ключи 29,30,31,32, сдвоенную кнопку 11.1,11.2 для установки блока определения полярности в исходное состояние.

Сущность работы устройства основана на учете явления переворота фазы напряжения прикосновения и заключается в

следующем.

На современных животноводческих комплексах и фермах в соответствии с применяемой технологией дойки, поения, уборки помещения используются различные

металлоконструкции, проложенные в земле или связанные с ней (водопровод, металлические ограждения стойл, навозоуборочные транспортеры и др), которые по сути своей представляют протяженные горизонтальные заземлители. С целью повышения электробезопасности все металлоконструкции должны быть надежно соединены проводниками между собой и нулевым проводом сети. Такое соединение значительно снижает напряжение прикосновения и шага за счет уменьшения потенциала на металлоконструкциях и выравнивания потенциалов в производственных помещениях. Однако на практике металлосвязь между нулевым

проводом сети и металлоконструкциями производственных помещений часто отсутствует. В таких случаях возникает явление изменения полярности первой от начала замыкания полуволны напряжения прикосновения и шага (переворот фазы). Объясним причину явления переворота фазы на простейшем примере (см. фиг.З), когда в производственном помещении проложены два параллельных горизонтальных протяженных заэемлителя 33, 34, первый из которых металлически связан с нулевым проводом сети, а второй не связан с ним. При однофазном коротком замыкании с первого зазем- лителя происходит стекание тока, в поле

которого находится второй заземлитель, электрический потенциал которого равен потенциалу на поверхности земли, На фиг.З приведена картина распределения потенциалов для описываемого случая.

Распределение потенциала у на поверхности земли вокруг протяженного горизонтального заземлителя круглого сечения вдоль оси у описывается известным выражением

h

1к.3.-р, - „, ш2у

п

где р- удельное сопротивление грунта: I - длина заземлителя;

1к.з. ток короткого замыкания, стекающий с заземлителя.

В общем случае напряжение прикосновения равно разности потенциалов металлоконструкции, к которой прикасается человек или животное, и пластины, имитирующей ступни человека или копыто животного (пластина располагается на расстоянии 0.8 м от металлоконструкции). Как видно на фиг.З, при измерении напряжения прикосновения между заземлителем 33 ( )и любой точкой поверхности земли, в которой расположена пластина 35 (рз}, напряжение прикосновения

Unp1-3 р - {Ъ 0 .

В этом случае полярность первой от начала короткого замыкания полуволны напряжения прикосновения всегда положительно, так как (р уяз .

При измерении напряжения прикосновения между заземлителем 34 (pi) и точкой

36 (р з)

Unp2-3 pl 0

Следовательно, полярность первой от начала замыкания полуволны напряжения прикосновения также положительна, так

как (pi рз

Однако при измерении напряжения между заземлителем 34 и точкой 35

U пр2-3 Р2 - рЗ О

и, следовательно, полярность первой от начала замыкания полуволны напряжения прикосновения отрицательной, так как pi 0 . т.е. наблюдается переворот (опрокидывание) фазы напряжения прикосновения.

Рассмотрим картину распределения потенциалов на поверхности земли около двух протяженных горизонтальных за- землигелей. металлически связанных друг с другом. Как видно из фиг.4, полярность первой от начала замыкания полуволны напряжения прикосновения всегда положительна, так как

р рз , pi рз . р рз , pi рз . Следовательно, в этом случае переворота (опро- кидывзния) фазы напряжения прикосновения не возникает. Таким образом , первая от начала замыкания полуволна напряжения прикосновения имеет отрицательную полярность только в том случае, когда металлоконструкции не имеют между собой металлической связи. Следовательно, короткое замыкание следует производить двухполупвриодным коммутатором, а напряжение прикосновения и шага измерять во втором полупериоде

независимо от .их величин и знака, что реализовано в устройстве.

Устройство работает следующим образом.

После подключения двухполупериодного коммутатора 1 с блоком управления через клеммы и 3 соответственно к фазе Ф и нулевому проводу сети 0 происходит искусственное короткое замыкание длительно0 стью два полупериода сетевого напряжения, при этом на клеммы 4 и 5, подключенные соответственно к пластине, имитирующей ступню человека или копыта животного, и металлоконструкциям произ5 водственного помещения, подается напряжение прикосновения или шага. Далее чгрез аттенюатор 6 напряжение прикосновения или шага поступает на входы амплитудных вольтметров 7, 8, показания которых

0 до начала измерений сбрасываются кнопкой 9 сброса показаний. При наличии метал- лосвязи между нулевым проводом сети и металлическими конструкциями производственного помещения первая от начала эа5 мыкания полуволна наряжения прикосновения и шага имеет положительную полярность в соответствии с принятой настройкой блока управления тиристорного коммутатора и запоминается амплитудным

0 вольтметром 7 положительной полярности. Когда металлосвязь отсутствует, первая от начала замыкания полуволна напряжения прикосновения имеет отрицательную полярность и запоминается амплитудным

5 вольтметром 8 отрицательной полярности.

С выхода амплитудного вольтметра 7

или 3 напряжение поступает на вход 10.1

или 10.2 блока 10 определения полярности

первой от начала замыкания полуволны на0 пряжения прикосновения и шага. До начала измерений блок 10 приводится в исходное состояние кнопкой 11.1, 11.2, при этом элементы 16, 17 индикации наличия или отсутствия металлосвязи, подключенные

5 соответственно к выходам 10.7, 10.8 блока 10, погашены, а электронные ключи 12 и 13 закрыты. В момент появления на выходе одного из вольтметров 7 или 8 напряжения соответственно положительной или отрица0 тельной полярности (определяется наличием или отсутствием металлосвязи) на выходе блока 10 определения полярности формируется сигнал управления электронным ключом 12 или 13 в зависимости от

5 полярности первой от начала замыкания полуволны напряжения прикосновения и шага. Одновременно зажигается элемент 16 или 17 индикации, указывающий на полярность первой от начала замыкания полуволны напряжения прикосновения и шага, а

следовательно, на наличие или отсутствие металлосвязи между нулевым проводом сети и металлическими конструкциями, к которым возможно прикосновение людей или животных. Через электронный ключ 12 или 13, открытый сигналом управления от блока 10 определения полярности и электронный переключатель 14 полярности вторая полуволна напряжения прикосновения поступает на показывающий прибор 15. Этим обеспечивается измерение напряжения прикосновения и напряжения шага во втором полупериоде независимо от их величин и знака. Тем самым исключаются погрешности измерения напряжения прикосновения и шага как от свободных (апериодических) их составляющих, так и от намагниченности стальных элементов цепи фаза - нуль, вследствие чего общая погрешность измерения не превышает 5%.

При определении полярности первой от начала замыкания полуволны напряжения прикосновения блок 10 (фиг.2) работает следующим образом.

В случае, если первая от начала замыкания полуволна напряжения прикосновения имеет положительную полярность (при наличии металлосвязи), то напряжение подается на вход 10.1 сумматора на операционном усилителе 18, с выхода которого проинвентированное напряжение подается на дифференцирующую цепь положительной полярности, при этом транзисторы 23, 24 открываются и RS-триггер на элементах 28.1 и 28.2 переходит во второе устойчивое состояние, на выходе элемента 28.2 появляется сигнал логической 1, который открывает транзисторные ключи 30, 31. При открывании транзисторного ключа 31 зажигается элемент 16 индикации наличия металлосвязи (фиг. 1), подключенный к выходу 10.7. Открытый транзистор 30 блокирует вход двухкаскадного усилителя на транзисторах 26, 27, при этом вторая отрицательная полуволна напряжения прикосновения не изменяет первого (исходного) состояния RS-триггера на элементах 28.3 и 28.4. На выходе элемента 28.4 присутствует сигнал логического О, следовательно, транзисторный ключ 32 закрыт, а элемент 17 индикации отсутствия металлосвязи, подключенный к выходу 10.8, погашен. На выходе 10.5 элемента 28.1 присутствует сигнал логического О, а на выходе 10.6 элемента 28.3 - сигнал логической 1, при этом электронный ключ 12, управляющий вход которого подключен к выходу 10,5, открыт, а электронный ключ 13, управляющий вход которого подключен к выходу 10.6, закрыт.

Если первая от начала замыкания полуволна напряжения прикосновения имеет отрицательную полярность (отсутствие металлосвязи), то напряжение подается на

вход 10.2 сумматора на операционном усилителе 18, с выхода которого проинвертиро- ванное напряжение поступает на дифференцирующую цепь отрицательной полярности конденсатора 25, при этом

транзисторы 26, 27 открываются и RS-триггер на элементах 28.3, 28.4 переходит во второе устойчивое состояние, на выходе элемента 28.4 появляется сигнал логической 1, который открывает транзисторные

ключи 29 и 32. При открывании ключа 32 зажигается элемент 17 индикации отсутствия металлосвязи, подключенный к выходу 10,8. Открытый транзистор 29 блокирует вход составного транзистора 23, 24, при

этом вторая отрицательная полуволна напряжения прикосновения не изменяет первого (исходного) состояния RS-триггера на логических элементах 28.1 и 28.2. На выходе элемента 28.2 присутствует сигнал логического О, следовательно, транзисторный ключ 31 закрыт и элемент 17 индикации наличия металлосвязи погашен. На выходе 10.5 элемента 28.1 присутствует сигнал логической 1, а на выходе 10.6 элемента 28.3 сигнал логического О, при этом электронный ключ 12, управляющий вход которого подключен к выходу 10.5, закрыт, а электронный ключ 13, управляющий вход которого подключен к выходу 10.6, открыт.

Наличие у прибора возможности обнаружения отсутствия металлосвязи между нулевым проводом сети и металлическими конструкциями производственного помещения позволяет установить одну из главных причин

снижения электробезопасности, обусловленного нарушением норм и правил электромонтажных работ, что приводит к увеличению напряжения прикосновения в 5-10 раз.

45

Формула изобретения

Устройство для измерения напряжения прикосновения и шага, содержащее двухпо- лупериодный коммутатор с блоком управления и клеммами для подключения к объекту контроля, импульсный вольтметр с клеммами для подключения к объекту контроля и показывающий прибор,отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены аттенюатор, блок определения полярности, два элемента индикации, два электронных ключа, электронный переключатель полярности, сдвоенная кнопка сброса, сдвоенная кнопка, а импульсный вольтметр содержит амплитудный вольтметр положительной полярности и амплитудный вольтметр отриицательной полярности, первые входы которых соединены с выходом аттенюатора, вход которого соединен с клеммами для подключения объекта контроля, входы сброса амплитудных вольтметров отрицательной и положительной полярности через сдвоенную кнопку сброса соединены с общим проводом, а их выходы соединены с первыми входами блока определения полярности и входами элек20

Ш 19

0

тронных ключей, входы управления которых подключены к первым выхрдам блока определения полярности, вторые выходы которого соединены с входами соответствующего элемента индикации, вторые входы блока определения полярности соединены через сдвоенную кнопку с общим проводом, выходы электронных ключей объединены и через электронный переключатель полярности соединены с входом показывающего прибора

Фиг. 2

31

Фиг.З

ФигЛ