Устройство для защиты человека от поражения электрическим током Советский патент 1979 года по МПК H02H5/12 H02H3/16 

Изобретение относится к устройствам защиты человека от поражения электрическим током и может быть испопьзовано в системах эпектроснабжения с изопированной нейтралью.

Известны серийные устройства защиты человека от поражения током в системах электроснабжения с изолированной нейтралью, состоящие из источника оперативного постоянного тока, фильтра присоединения к фазам и чувствительного первичного реле, которое срабатьгеает и отключает сеть, к которой коснулся человек, если величина оперативного тока превысит ток срабатывания реле, что имеется место при высокой суммарной проводимости изоляции фаз и человека относительно земли 11 и 21.

Указанные устройства имеют ряд существенных недостатков.

С целью усовершенствования защиты от поражения электрическим током было предложено устройство, состоящее из аппарата, автоматически заземляющего то-

ковед лцую часть, находящуюся под напр51жением при касании к ней человеке, и релейной автоматики, которая осуществляет выбсф поврежденной фазы сети, включает заземляющий аппарат и затем по истечений некоторого времени выкшочает его. 3 . В качестве заземляющего аппарата устанавливается масляный вьь ключатепь с пофазным управлением. Релейная автоматика представляет собой фильтр напряжения нулевой последовательности, включенный в сеть через трансформатор напряжения.

Фильтр используется для выбора поврежденной фазы. Возврат заземлякяцего

5 .маслянного выключателя в отключенное положение производится автоматически через определенное время, оговоренное в местной инструкции.

Однако независимо от того, освобоваился человек от действия тока при касании фазы или еще находится под током, через заданное автоматикой и оговоренное инструкцией время происходит возврат

Заземляющего масляного выключателя h отктаоченное состояние. В результате человек, не сумевший самостоятельно освободиться от токоведущего элемента, при отключении заземияющего аппарата снова попадает под напряжение, что увеличивает тяжесть электротравМы.

Известно также устройство, которое содержит блок заземления каждой фазы, определитель поврежденной фазы и откгаочающую катушку фидерного выключателя 4. Однако наличие в нем контактных групп в блоке заземления снижает надежность и быстродействие известного устройства, и кроме того, оно всегда отключает сеть, если появляется утечка тока, даже когда она кратковременна и самоустраняется. Целью изобретений является повышение надежности, быстродействия и сокращение перерьгоов электроснабжения из-за неоправданных отключений сети.

Цепь достигается тем, что в устройстве защиты человека от поражения электрическим током в сети с изолированной нейтрапью, содержащем блок заземления кажпой фазы, соединенный с определителем поврежденной фазы и автоматический выключатель, дополнительно введено реле времени, а блок. заземления фазы выполиен из двух встречно-параплельных тириc ropOB и последовательно соединенных с ними резистора и первичной обмотки трансформатора тока, соединенной с земпей, вторичная обмотка которого подключена к обмотке реле времени, размыкающий контакт которого включен в цепь питания отключающей автоматического выкшочателя, при этом управляющий электрод каждого тиристора через диод, разцепитепьный трансформатор и первый транзистор соединен с формирователем положительных импульсов и с вторичной обмоткой импульсного трансформатора с прямоугольной петлей гистерезиса, к первичной обмотке которого через второй транзистор и формирователь отрицательных импульсов подключен второй входной трансформатор, формирователь положительных импульсов состоит из последовательно соединенных стабилитрона, резистора и диода, включенных в обмотку первого входного трансформатора, формирователь отрицательных прямоугольных импульсов выполнен из соединенных последовательно стабилитрона и диода.

I-la фиг. 1 представлена общая схема устройства на примере одной фазы; на фиг. 2 - схема электрической , поясняющая принцип работы устройства; на

фиг. 3 - петля гистерезиса с течками (пояснения к работе устройства); на фиг. 4,5 - формы, величины и длительности сетевых напряжений фаза-земля, фаза-человек-земля, положительных

управляющих импульсов.

Предлагаемое устройство состоит из нормально закрытых тиристоров 1-6, замыкающих фазу с утечкой на землнэ через

ограничивающие сопротивления 7, 8, 9 (соответственно для фаз А, В, С), соединенных с первичными обмотками трансформатора тока 10, 11, 12. Вторичные обмотки этих трансформаторов

через диоды 13, 14, 15 подключены к реле времени 16 с замыкающим контактом 17 с замедлением на замыкание. Отключающая катушка 18 автоматического выключателя АО (фиг.2) соединена

с источником 19 оперативного тока через указанный выше контакт 17.

Управляющий электрод каждого ти- ристора 1-6 (фиг. 1) А, В, С через

диод 2О, разделительный трансформатор 21, резистор 22 и транзистор 23, а также через резисторы 24, 25 соединен как с формирователем положительных импульсов из стабилитрона 26, диода 27,

резистора 28 и обмотки с,d .трансформатора 29, так и с вторичной обмоткой импульсного трансформатора 30. Первичная обмотка импульсного трансформатора подключена через транзистор 31,формирователь отрицательных импульсов, состоящий из диода 32 и стабилитрона 33, к обмотке . CL, Ь входного трансформатора 34. Трансформаторы 35 и 36 являются входными для фаз В, С. Для питания цепей устройства служат источники 37. Устройство подключается к фазай А, В, С сети с изолированной нейтралью со стороны низкого напряжения (НН) (см. фиг.2). Сетьпитается от трансформатора подстанции ТП через автоматический выключатель АВ с отключающей катушкой 18.

На фиг. 2 даны следующие обозначения:

f - сопротивление изоляции фазы относительно земли; Рц - сопротивление тела человека; К - ключ; ШЦ - шунтируюшая цепочка. Устройство работает следующим образом. Еспи человек не касается фаз, поступающих на аход устройства, например на зажимь Ct, трансформатора 34 (фаза Л синусоидадьное напряжение порядка Ю В поспе диода 32 формируется в копокопообразные импульсы. Напряжение базаэмиттер транзистора 31 за счет включения стабилитрона 33 имеет форму отрицательных прямоугольных импульсов, причем напряжение запирания этого стабилитрона является уставкой срабатывания устройства; Обмотка № 1 импульсного трансформатора 30, являясь нагрузкой транзистора 31, при поступлении отрицательных импульсов размагничивает сердечник трансформатора, причем вепичина размагничивающего тока подбирается такой, чтобы точка А (см, фиг.З) лежала в крайней нижней зоне ветви размагничивания петли гистерезиса. По окон чании каждого отрицательного импульса сердечник трансформатора будет находить ся в состоянии, характеризуемом точкой кой Е . В промежутках между размагничивак щими импульсами в o6MOTKyW2 трансформатора ЗО посыпаются формирователями 26, 27, 28 положительные намагничиваю щие импупьсы трапецеидальной формь4 открьтающие тиристоры, например 1 или 2 фазы А. Амплитуда напряжения этих импульсов подбирается резистором 25 такой, чтобы Б отсутствии касания человеком фазы, намагничивание сердечника трансформатора ЗО шло от точки Е до точки С близкой к .Б насьпцения сердечника. В точке С мапнитная проницаемость сердечника . Аи «глн И индуктивность где: дБ - элементарное изменение.индукци

ДН - изменение напряженности; W число витков обмотки; S - сечение сердечника; 2 - длина силовой магнитной линии/ достаточно велики, а поэтому сопротивление обмотки Х также велико и напряжение управления тиристором, снимаемые с резистора 24 через транзистор 23, резистор 22 и трансформатор 21, недостаточно для его отпирания. После окончания каждого из намагничивакшшх импульсов состояние сердечника трансформатора ЗО будет характеризоваться точкой С . Таким образом, в

цеппью приведения сети в норматтьное эксплуатационное состояние производится автоматически без перерьта электроснаб-

жения следующим образом. При работе первого полуканала (фиг. 1) положительные импульсы Uy (фиг,4), открьгеающие тиристор 1, формируются элементами 26, 27, 28 из синусоидального напряженияи , d обмотки с, d трансформатора 29. Форма этих импульсов трапецеидальная, ближе к прямоугольной. Степень приближения трапецеидальной формы импульса к прямоугольной определяет время i. 146 отсутствии касания человека к фазе размагничивание сердечника начинается каждый раз с точки С и заканчивается на точке Е , При касании человека с сопротивлением (см. фиг.2), например к фазе А сети с сопротивлением изоляции , напряжение ее -по отношению к земле снижается, поэтому стабилитрон 33 и транзистор 31 будут закрыты и размагничивающие импульсы не будут поступать в обмотку W трансформатора ЗО. А так как ро обмотке W,, перед этим прошел .положительный намагничивающий импульс, то состояние сердечника транс сформатора будет характеризоваться точкой С . Последуктоий положительный импульс от формирователя 26, 27, 28 приведет сердечник в состояние, характеризуемое точкой Б , т.е. в зону насы, X, достащения, гае параметры Л1 , L точно велики, что привегют к отпиранию тиристора 1 и замыканию фазы, например А, на земпю через ограничивающий резистор 7:Напр$акёние фаза-Земпя еще раз снизится, а поэтому раэмагничивак щая обмотка будет бездействовать. Положительные импульсы будут по-прежнему поступать в обмотку Wj и тиристор 1 в эти полупериоды будет открыт. Однако в перерьгаак между положитепьными импульсами этот тиристор закрьгеается, а поэтому цяя устранения протекания через человека тока недопустимой величины в эти отрезки времени в схеме предусматривается еще одни (идентичныгй рас-г смотренному) попуканал. с тиристором 2, открывающийся синхронно с запиранием первого тиристора, В этом полуканале питание формирователей:импульсов снимается с зажимов «а, 5, ct dc трансформаторов 34 и 29. Снятие закорачивания фаза-земля поспе самостоятельного освобождения человека от токоведущего элемента с

запаадьтания открывания тиристора 1 при подаче на его управляющий электрод попожитепьного импупъса. Существование времени tj нежепатепьно для первого попуканапа, так как в этот интервал времени t. человек подвергаетсях кратковременному действию тока (см. фиг. 4, пик А напряжения , з ) ..Сокращение интервала времени 1 , а следовательно и пика А, достигается выбором напряжения обмоткис, трансформатора 29, превышающего напряжение стабилизации стабилитрона 26.

Если человек освободился за время прохождения положительной полуволны, то напряжение отрицательной полуволны возрастет до нормальной , что приведет к стиранию стабилитрона 33 и : ранзистора 31, и будет сформирован отрицательный импупьс, который перемагнитит сердечник трансформатора 30 до состо5шия , А{фиг.З). Идущий за ним слеиукнций единичный попожитепьный импупьс может перевести сердечник только в состояние С , недостаточное для открывания тиристора 1. Далее снова придет отрицательный импульс и сердечник приобретет состо5шие. А и т.д., и тиристор 1 будет все время закрыт, а схема будет нахош ться s состоянии ожидания нового касания. Таким образом возрастание амплитуды напряжения отрицательной попувопны до величины большей напр5якения открьюания стабилитрона 33 при освобождении человека происходит автоматически, а следовательно при одном тиристоре схема возвращается в исходное состояние без перерьгаа электроснабжения.

Однако чеповек может и не освободиться за первую полуволну и тогда при одном тиристоре на фазу в схеме защиты он может попасть под действие напр5вкения отрицательной.полуволны (фйг.4), напряжение ф-мел-з устранения этой опасности в схеме установпен тиристор 2 (фиг, 1), на который подаются положительные импульсы с обмотки с, , трансформатора 29 и от рицательньге - с обмотки а , & трансформатора 34(дня рассматриваемой фазы А па аналогичной схеме). Импульсы от обмоток с , сГ, и а , сдвинуты по отношению к импульсам от обмотокc,d и и Ь на 180 . Работа этого полуканала в основном аналогична рассмотренному рыше, но с цепью приведения схемы защиты в исходное состо шие после осво-

бождения человека без перерьша электроснабжения, амплитуда напряжения обмотки с , d взята иижб, чем обмот9 ис,и . Вследствие этого образуются импульсы по форме, стоящие ближе к трапецеидальным, чем к прямоугольным (фиг.5), а время 1 запаздывания открьгаания тиристора 2 больше времени ti для тиристора 1. Наличие времени t позволяет получить кратковременно величину отрицательного пика А напряжения Уф. при освободившемся человеке, Дфиг.5) достаточную для открьтания стабилитрона 33 и транзистора 31, питаемых от обмотки 1, о первого полуканала. Если человек не освободился то пик напряжения равен пику Б. Импульса пика А при освобождении человека достаточно для перевода сердечника импульсного трансформатора 30 первого полуканала состояние А (фиг.З). Идущий вслед за отрицательным положительный импульс при единичном воздействии может перевести сердечник трансформатора ЗО только в состояние СИ тиристор 1 будет закрыт, а затем при подходе синусоиды сетевого напряжения к нулюзакроется и тиристор 2. Возрастание сетевого напряжения в положительную полуволну будет идти до нормальной величины, так как человек освободился, а тиристор 2 в эту полуволну будет продолжать оставаться закрытым, так как формирователь от обмотки с, d не выдает управляющего импульса, а формирователь от обмотки а Ъ размагнитит сердечник импульсного трансформатора этого полуканала. Таким образом, схема обеспечивает защиту от поражения током при автоматическом возврате в исходное состояние при освобождении человека без перерыва электроснабжения.

Если человек самостоятельно освободиться от Действия тока не сумел или произошло падение или замыкание фазного провода на землю (длительная утечка), то питающая сеть будет отклк чена посредством реле времени 16 с выдержкой, так как в обмотке трансформатора 10 (для фазы А) появится напряжение. Отключение сети автоматом А В (фиг.2) происходит посредством замыкания контакта 17 реле времени 16 в цепи отключакнцей катушки 18.

Предлагаемое устройство защиты позволит устранить отключение сети с изолированной нейтралью при кратковременных самоустраняющихся утечках с одновременным упучшением условия эпектр безопасностн апя обслуживающего персонала (устраняются случаи поражения человека неотпускающим и фибрилпяцион- ным токами). Применение бесконтактной быстродействующей аппаратуры повысит надежность защиты, сведет к минимуму возможность случайного или умышленного загрубления уставки защитных устройств , Возможность значительного сни жения величины тока и времени его воздействия н& человека при использовании данного устройства позволит смягчить требования к сопротивлению изоляции в сетях изолированной нейтралью по фактору электробезопасности, что позволит применять сети электроснабжения с боль шим количеством элементов, которые, как правило, для рассматриваемого типа сетей, более экономичны, чем раздробленные. Способность самовозврата питающей сети с описанным устройством защиты к нормальному эксплуатационному режиму после завершения акта защиты без перерьта электроснабжения объекта дает основание считать полезным устройство и с экономической точки зрения. Формула изобретения Устройство для защиты человека от поражения электрическим током, содержащее определитель поврежденной фазы сети, соединенный с блоком заземления каждой фазы и автоматический выключатель, отличающееся тем, что с целью повышения надежности и сокращения перерьгаов электроснабжения сети, в него дополнительно введено реле времени, аблок заземления каждой фазы выполнен на двух встречно-параллельных тиристорах и последовательно соединенных с ними резистора и первичной обмот ки трансформатора тока, соединенной с землей, вторичная обмотка которого подключена к обмотке реле времени, размыкающий контакт которого включен в цепь питания отключающей катушки автоматического выключателя, а определитель поврежденной фазы выполнен на разделительном трансформаторе, первичная обмотка которого через диод соединена с управляющим электродом и катодом соот- ветствукщего тиристора блока заземления, а вторичная обмотка через первый транзистор и формирователь положительных импульсЬв с вторичной обмоткой первого входного трансформатора и со . вторичной обмоткой импульсного трансформатора с прямоугольной петлей гистерезиса, первичная обмотка которого подключена через второй транзистор к вторичной обмотке второго входного трансформатора, первичная обмотка которого вкпк чена между фазой и землей, 2,Устройство по п. 1, о т л и ч а ющ е 0 с я тем, что форктрователь положительных импульсов состоит из последовательно соединенных стабилитрона, резистора и диода. 3,Устройство по л. 1, о т п и ч а ющ е е с я тем, что формирователь отрицательных импульсов состоит из соединенных последовательно стабилитрона и диода. Источники информации, принятые во вни лaниe при мсспертзе 1.Шуцкий В. И. и др. Опыт применения защитных устройств в электросистемах напряжением до 1ООО в, М. , иНИЭИ, 197О, с, 21г-24. с. 34-35. 2.Стронгина П, Я. Сб. Труды Северо-Кавказского горно-металлургического института, вып. 2О, Орджоникидзе, 1966. 3.Авторское свидетегаьство СССР N9 469182, Н О2 Н 3/16, 1972.

L.

touJ LxJ

r

Сеть

KDJ

ШЦ

//Sfy/- y / : f

..2