Способ защитного отключения двухпроводной сети постоянного тока при прикосновении к ней человека Советский патент 1992 года по МПК H02H3/16 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к средствам электробезопасности, и предназначено для автоматического отключения электроустановок при однополюсном прикосновении человека или возникновения в электроустановке тока утечки, превышающего заданное значение.

Целью изобретения является сокращение числа необоснованных отключений.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ: на фиг. 2 - схема блока измерения активной составляющей оперативного переменного тока; на фиг, 3 - схема блока вычисления.

Устройство (см. фиг. 1) содержит два электролитических конденсатора 1, которые одними из полюсов подключаются к контролируемой сети 2 постоянного тока, а другими соединены в общую точку, заземленную через вход выпрямителя 3, блок 4 преобразования величины оперативного переменного тока в напряжение и источник 5 переменного тока промышленной частоты, предназначенного для наложения оперативного переменного тока на контролируемую сеть, блок 6 для измерения активной составляющей оперативного переменного тока, первый вход которого подключен на выход источника 5, а второй на выход блока

vl

Os

VI

Os

О

ГО

4 преобразования величины тока и состоящий (см. фиг. 2) из токоограничивающего резистора 7, резисторов 8 и 9, выполняющих функции делителя, оперативного усилителя 10, резистора 11, создающего отрицательную обратную связь для операционного усилителя, ключа 12, причем второй вход блока 6 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя через резистор 7, а к неинвертирующему входу через резистор 8, первый вход блока 6 совпадает с входом люча управления 12, выход которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя, резистор 9 подключен параллельно неинвертирующему входу операционного усилителя 10, а резистор 11 между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 10; первый элемент сравнения 13, величины напряжения обратно пропорционального общему сопротивлению изоляции полюсов сети относительно земли с напряжением, обратно пропорциональным сопротивлению Rc/2, вход которого подключен к выходу блока 6; блок 14 для измерения несимметрии сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли, состоящей из резистивного делителя 15, вход которого подключен к полюсам двухпроводной сети постоянного тока 2, низкочастотного фильтра и выпрямителя 16, пропускающего без ослабления постоянную составляющую и создающую однопо- лярный сигнал, вход которого подключен к полюсам двухпроводной сети 2 постоянного тока, низкочастотного фильтра и выпрямителя 16, пропускающего без ослабления постоянную составляющую и создающую однополярный сигнал, вход которого подключен между общей точкой делителя 15 и землей, и второго элемента сравнения 17, .степени несимметрии сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли с выбранным значением напряжения, вход которого подключен к выходу элемента 16, ключ управления 18, первый вход которого подключен на выход первого элемента сравнения 13, а второй через инвертор 19 - на выход второго элемента сравнения 17 и сигнал, на выходе которого появляется только при наличии сигнала на его персом входе и отсутствии сигнала на втором входе; логический орган ИЛИ 20, первый вход которого подключен на выход ключа управления 18, а выход на вход коммутационного аппарата 21,в качестве которого может быть использован контактор или автомат с максимальным расцепителем, четвертый элемент сравнения 22, предназначенный для сравнения напряжения, пропорциональному

максимальному значению тока через утечку ih(o) с напряжением, пропорциональным 1пдол., триггер 23., первый вход которого подключен к выходу четвертого элемента 5 сравнения 22, логический элемент сравнения И 24, первый вход которого подключен на выход триггера 23 - второй на выход второго элемента сравнения 17, а выход на второй вход логического органа 20; блок ре0 гистрации 25 значения ih(o), поступающего на его первый вход с выхода выпрямителя 3, la и la, поступающих на его второй вход с выхода блока 6 и состоящий из первого пикового детектора 26 для запоминания

5 lh(o), первый вход которого подключен к первому входу блока регистрации 25, а выход его является первым выходом блока регистрации 25, третьего элемента сравнения 27 напряжения, пропорционального

0 ih(o), с напряжением, пропорциональным ly, вход которого подключен к выходу пикового детектора 26, второго пикового детектора 28, предназначенного для запоминания 1а , выход которого совпадает со

5 вторым выходом блока регистрации 25, ключ управления 29, первый управляемый вход которого подключен к выходу блока 6, а второй управляемый вход к выходу третьего элемента сравнения 27, резистор 30,

0 вход которого подключен на выход ключа управления 29, а выход на первый вход второго пикового детектора 28, ключ управления 31, управляемый вход которого подключен к выходу элемента сравнения 27

5 и передающего сигнал с выхода блока 6 на четвертый выход блока регистрации 25, элемента выдержки времени 32, вход которого подключен на выход элемента сравнения 27, а выход на управляющий вход ключа 33

0 и 34, выходы которых подключены соответственно на вторые входы пиковых детекторов 26 и 28, и одновременно является пятым выходом блока регистрации 25, подключенного на выход логического элемента 20 и

5 второй вход триггера 23, ключа управления 35, управляемый вход которого подключен к выходу элемента сравнения 27, а выход является третьим выходом блока регистрации 25; блок вычисления 36, предназначенный

0 для вычисления установившегося значения тока через место утечки, первый, второй, третий и четвертый вход которрго подключен соответственно к первому, второму, третьему и четвертому выходам блока реги5 страции 25, содержащий (см. фиг. 3) первый полевой транзистор 37, затвор которого подсоединен к первому входу блока вычисления 36, а исток к четвертому входу; интегратор 38, инвертирующий вход которого

подключен к стоку полевого транзистора 37,

второй полевой транзистор 39, сток которого подключен на инвертирующий вход интегратора 38, а исток его на выход, компаратор 40, выполненный на базе операционного усилителя, на неинвертируемый вход которого подключен второй вход блока вычисления 36, а инвертируемый вход на выход интегратора, Р5-триггер41, R-вход которого подключен на выход компаратора 40, S-вход на третий выход блока регистрации 25, а выход на затвор полевого транзистора 39, преобразователь 42 длительности импульса в напряжение, вход которого подключен к выходу триггера 41, а выход является выходом блока вычисления 36; пятый элемент сравнения 43, предназначенный для сравнения сигнала, пропорционального предельно допустимому току через тело человека при продолжительности воздействия больше 1 с, определяемого ГОСТом 13.1.038-82, вход которого подключен к выходу блока вычисления 36, а выход на третий вход логического органа 20, блок измерения и контроля 44, подключенный между полюсами сети и землей и предназначенный для периодического контроля сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли и проверки исправности работы защиты путем искусственного замыкания на землю полюсов относительно земли.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

При отсутствии утечки и симметрии сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли конденсаторы 1 заряжены до половины напряжения сети. Между их общей точкой и землей протекает оперативный переменный ток, обратно пропорциональный полному сопротивлению изоляции сети относительно земли. Блок 6 измерения активной составляющей оперативного переменного тока выполнен в виде фазочувст- вительного выпрямителя, имеющего первый вход управляющий (коммутирующий) и второй вход сигнальный. На сигнальный вход подается переменное напряжение UBxi KoU/, снимаемое с выхода блока преобразования 4, а на управляющий - напряжение от источника переменного тока 5. Напряжение на выходе операционного усилителя 10 определяется соотношением

ивых a I KoU I cos p,

где а - постоянный коэффициент передачи выпрямителя; р- фазовый сдвиг между напряжением источника питания и током.

Если для схемы (фиг. 2) принять, что резисторы 7 и 8 имеют равные сопротивления R, а сопротивление резистора 11 Rp. а R и резистора 9 RR. у R, то условие равенства модулей коэффициента передачи при разных состояниях ключа 12 для этого выпрямителя имеет вид 1+2 /3/а 2 ft/y. Задаваясь значением у коэффициента передачи а выпрямителя можно найти коэффициенты а и /3 ка к

у (а+1);

Ј (у/2)(у+И-у /а) (у+1)

Значение коэффициента К0 определяется параметрами преобразователя 4, в качестве которого используется делитель.

Таким образом, на выходе блока 6 сигнал пропорционален величине активной составляющей тока промышленной частоты,

который обратно пропорционален общему активному сопротивлению полюсов сети относительно земли Rc/2. На выходе выпрямителя 3 сигнал пропорционален общему сопротивлению изоляции сети относительно земли и поступает на вход элементов 22 и 26. Одновременно с этим сигнал от источника переменного тока поступает на вход блока 14. Ключи 31, 33, 34 и 35 закрыты, а 29 - открыт. При симметричном снижении сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли активная составляющая переменного тока возрастает, и при превышении его значения первой эталонной величины на выходе блока 13 появляется первый

управляющий сигнал, который поступает на первый вход ключа управления 18. Поскольку на выходе блока 14 второй управляющий сигнал отсутствует, то на выходе ключа управления 18 появляется сигнал

первого отключающего воздействия, который проходит через логический орган 20 на вход коммутационного аппарата 21.

Происходит отключение источника постоянного тока от контролируемой сети. Одновременно с этим с выхода логического органа 20 подается импульс на управляемый вход ключей управления 33 и 34. Ключи управления 33 и 34 открываются и происходит очищение памяти пиковых детекторов

26 и 28. Схема возвращается в исходное состояние. Уровень напряжения источника переменного тока выбирается на порядок ниже, чем напряжение контролируемой сети, поэтому на выходах элементов 22, 26 и

14 сигналы от источника переменного тока будут отсутствовать.

При прикосновении человека, например, к первому полюсу сети происходит перезаряд конденсаторов 2 и на выходе

элементов 3 и 4 протекает сумма токов переходного процесса от источника постоянного i0(t) и переменного Цг) токов

i Iio(t)+U(t)l.

Поскольку цепи линейные, то, пользуясь методами наложения, определили сначала переходный ток от источника постоянного тока в цепи между общей точкой конденсаторов 2 и землей.

Для простоты анализа пренебрегли внутренним сопротивлением выпрямителя 3, блока преобразования 4 и источника переменного тока 5, по сравнению с сопротивлением изоляций полюса сети, а также выбрали такое значение емкости конденсаторов 2, чтобы они намного превышали емкость полюсов сети относительно земли С, т.е. С Ci, тогда

полевого транзистора 37 подается напряжение Us, то напряжение на выходе интегратора 38 может быть определено

1RCo

t4.

/ ,

где Со - емкость обратной связи интегратора

При равенстве U и Ua компаратор 40

переходит в положительное насыщение, формируя сигнал сброса для триггера, длительность которого может быть определена из уравнения U/j U2 после подстановки их значений

ц

i-/ KaU1,

ТГСТ

Использование: сети постоянного тока. Сущность изобретения: для сокращения числа необоснованных отключений оперативный ток промышленной частоты от источника через емкостный фильтр накладывают на сеть, выделяют с помощью блока в активную составляющую этого тока и при превышении им уставки, соответствующей минимально допустимому значению сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли, формируют на выходе блока сравнения управляющий сигнал, который воздействует на исполнительный орган в случае отсутствия напряжения несимметрии сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли, измеряемое блоком. Момент возникновения утечки фиксируется от измеренного блоком регистрации максимальному значению тока переходного процесса. Этот ток сравнивается в блоках сравнения с уставками, соответствующими различному уровню и длительности воздействия на человека, и при превышении последних формируют через логический блок ИЛИ сигналы на исполнительный орган. 3 ил. (Л С

loW

UoRi(Ri +йд)

Rh(2Ri Rj + Rfl(Ri +Rz))

2 R h Ri R2 + R h RI Рд + RI R2 Кд + RI Ra Ид (1) 2RhRiR2RflC0

RA Co

и переходный ток через тело человека от источника постоянного тока при прикосновении его к положительному полюсу сети

. . , , Up Rl (R2 +Rfl)

l 2 R h RI R2 + Кд R h ( RI + R2 ) + RI Ra Rfl X

R Ra Rfl

Rh(2 RI R2 +Rfl(Ri +R2))

(2)

R h (2 RI R2 +Ri Яд.+ Я2 Rfl) + Ri R2 Яд , x2 RI RaR hRflCJ

Из выражений (1) и (2) очевидно, что при t 0, i0(o) ih(o), т.е. максимальное значение тока через тело человека совпадает с максимальным значением тока через входы элементов 3 и 4. Если г1Доп ih(o) 1ЬДОп, то появляется управляющий сигнал на выходе третьего элемента сравнения 27, при этом закрывается ключ управления 29 и открывается ключ управления 31 и 35. Происходит запоминание ih(o) в пиковом детекторе 26, 1а в пиковом детекторе 28 и пуск блока вычисления 36. Так как триггер 41 (фиг. 3) переходит на второе устойчивое состояние от третьего управляющего сигнала передаваемого через ключ управления 35, то запирается транзистор 39 положительным сигналом с выхода триггера 41, который подается на его затвор. Из блока регистрации 25 на первый вход блока вычисления 36 поступает напряжение Ui, пропорциональное ih(o), т.е. LH Kiih(o) на второй вход поступает напряжение Ua, пропорциональное а, т.е. U2 Kala , на четвертый вход напряжение Us . При этом полевой транзистор 37 (фиг. 3) выполняет функцию резистора с сопротивлением R неинвертирующем входе интегратора 38, R Kiih(o). Так как на исток

или

25

Кз

Ki ih(o)C0

K2la ,

откуда

30

t4

К2 Ki Co I h ( О ) la

-КА lh(°) a - v. I

-М|ТГМ ly ,

35

где

К4

Ki К2 Со Кз

Таким образом, на выходе триггера 41 появляется сигнал, длительность которого пропорциональна величине тока через возникшую утечку 1У. Этот сигнал поступает на вход преобразователя 42 длительности импульса в напряжение Us Ks К4 ly, которое является выходом блока вычисления 36.

С блока вычисления сигнал поступает на вход пятого элемента сравнения 43. Если величина установившегося значения тока 1У 1пДоп, то появляется сигнал на выходе элемента 43, который поступает на вход логического органа 20, и происходит подача второго отключающего воздействия на вход привода коммутационного аппарата 21.

В случае, когда ly 1НДОп, на выходе элемента 43 сигнал будет отсутствовать. Через заданный промежуток времени от момента появления сигнала на выходе третьего элемента сравнения 27, определяемый элементом выдержки времени 32, на

его выходе появляется четвертый управляющий сигнал, который переключает триггер 23 и открывает ключ управления 33 и 34, стирается память пиковых детекторов 26 и 28 величин, пропорциональных ih(o) и U1. После исчезновения третьего управляющего сигнала с выхода элемента сравнения 27 ключ управления 29 открывается, а 31 и 25 закрывается, переключается триггер 41 и схема возвращается в исходное положение.

В случае ih(o) ihAOn появляется сигнал не только на выходе третьего элемента сравнения 27, но и на выходе четвертого элемента сравнения 22. Пятый управляющий сигнал с выхода элемента сравнения 22 запоминается с помощью триггера 23 и подается на первый вход логического элемента И 24. Напряжение несимметрии нарастает значительно медленнее, чем ih(t). Когда его величина превысит эталонное значение второго элемента сравнения 17, то на его выходе появится второй управляющий сигнал, который подается на второй вход элементов 18 и 24. При наличии второго и пятого управляющих сигналов на выходе элемента 24 появляется сигнал, который подается на вход логического органа 20, формирующего третье отключающее воздействие на коммутационный аппарат 21.

Подачей сигнала на второй управляющий вход ключа 18 исключается ложное срабатывание устройства, так как этот канал передачи сигнала предназначен для отключения контролируемой сети только при симметричном снижении сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли.

Возврат схемы в исходное положение после отключения контролируемой сети осуществляется подачей сигнала с выхода логического элемента ИЛИ 20 на второй вход триггера 23 и управляющие входы ключей управления 33 и 34. При этом схема работает так же, как и в случае появления сигнала на выходе элемента выдержки времени 32. Одновременно эти сигналы возникнуть не могут, а поступают последовательно, чем достигается надежный возврат схемы в исходное положение. Резистор 30 предназначен для обеспечения стабильности уровня сигнала на входе пикового детектора 28 при возникновении утечки тока. Совместно с емкостью пикового детектора 28 резистор 30 поддерживает уровень сигнала, который был зарегистрирован до возникновения утечки к моменту переключения ключей 31 и 34. Выдержка времени, создаваемая элементом 32, должна превышать время нарастания напряжения несимметрии.

Таким образом, предлагаемый способ защитного отключения сети постоянного тока, по сравнению с известными способами, позволяет снизить число необоснованных отключений, обеспечивает сокращение простоев технологического оборудования и повышает безопасность при эксплуатации.

0 Ф о р м у л а и з о б р ете н и я

Способ защитного отключения двухпроводной сети постоянного тока при прикосновении к ней человека, основанный на наложении оперативного тока промышлен5 ной частоты через емкостный фильтр между полюсами сети и землей, измерении его активной составляющей, преобразовании его в напряжение и сравнении его значения с первой эталонной величиной, соответству0 ющей минимально допустимому значению сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли, при этом в случае его превышения вырабатывают первый управляющий сигнал, а также формируют сигнал

5 на отключение сети, отличающийся тем, что, с целью сокращения числа необоснованных отключений, дополнительно измеряют напряжение несимметрии сопротивления изоляции полюсов сети относи0 тельно земли, выделяют его постоянную составляющую и создают однополярный сигнал, сравнивают его значение с второй эталонной величиной, составляющей 20% от номинального напряжения контролируе5 мой сети, и в случае его превышения вырабатывают второй управляющий сигнал, при наличии первого управляющего сигнала и отсутствии второго вырабатывают сигнал на отключение сети, момент возникновения

0 утечки фиксируют путем измерения максимального значения тока ih(o) переходного процесса от источника постоянного тока через место возникновения утечки и сравнивают его значение с третьей и четвертой

5 эталонными величинами, при этом третью эталонную величину выбирают на 20% больше предельной допустимого значения тока через тело человека при длйҐельности воздействия более 1 с, четвертую эталонную

0 величину выбирают соответствующей предельно допустимому току через тело человека при продолжительности воздействия меньше 1 с, при превышении им только третьей эталонной величины вырабатывают

5 третий и четвертый управляющие сигналы, с помощью третьего управляющего сигнала запоминают значение активной составляющей тока 1а в момент возникновения утечки максимальное значение тока ih(o), активную составляющую тока после момента возникновения утечки а и вычисляют установившееся значение тока через

I 1

утечку ly ih(o) -рт

которое сравнивают с

пятой эталонной величиной, равной предельно допустимому току через тело человека при продолжительности воздействия более 1 с, и в случае его превышения формируют сигнал на отключение сети, в случае же непревышения четвертым управляющим сигналом с выдержкой времени, превышаю0

щей время отключения контролируемой сети, стирают в памяти зарегистрированные величины ih(o), la , la, при превышении максимальным значением тока lh(o) четвертой эталонной величины вырабатывают пятый управляющий сигнал и формируют сигнал на отключение сети при наличии второго и пятого управляющих сигналов, после прохождения любого сигнала на отключение стирают в памяти все зарегистрированные величины.

Ыг I

I

Фиг. .3