SU1372450A1 - Устройство дл защиты человека от поражени электрическим током - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области электротехники и предназначено дл  защиты человека при прикосновении его к част м электроустановки, наход щимс  под напр жением. Цель изобретени  - повьпиение надежности работы защиты и надежности электроснабжени . При касании человека токоведущих частей электроустановки на выходе датчика 1 по вл етс  сигнал,который сравниваетс  с уставкой срабатывани  в пороговом элементе 2.В случае его превышени  уставки по амплитуде и уставки по времени протекани  срабатывают короткозамыкатели 7,шунтиру  место повреждени .После этого датчики состо ни  короткозамыкател  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

Description

г/г /

Изобретение относитс  ,к области охраны труда в электроустановках,преназначено дл  защиты человека от поражени  электрическим током при при- косновении его в зоне действи  защиты к част м электроустановки, наход щимс  под напр жением и может быть применено в различных электроустановках , в том числе в подвижных с авто- номной сетью ограниченной мощности и в бытовых.

Цель изобретени  - повьппение надежности работы защиты и надежности электроснабжени .

На фиг. 1 изображена структурна  схема устройства дл  двухпроводной сети с короткозамыкател ми,выпол ненными на тиристорах,и с датчиками состо ни  короткозамыкателей,на вы- полненными ограничител х амплитуды, подключенных между силовыми выводами короткозамыкателей и элемента сравнени ; на фиг - 2 структурна  схема ко- роткозамыкател .включенного между дву м  разноименными фазами цепей питани  и выполненного на тиристорах, с датчиками состо ни  тиристоров, выполненными с применением резисторов;на фиг. 3 - структурна  схема коротко- замыкателей, включенных между разноименными фазами цепей питани  и выполненных на тиристорах, с датчиками состо ни  тиристоров, выполненными на герконах.

Устройство дл  защиты человека от поражени  электрическим током содержит датчик 1 аварийного сигнала, выполненный в виде дифференциального трансформатора тока, первичные об- мотки которого включены в силовые провода, питающие электроустановку, а вторична  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 формировател  5 сигналов управлени  выходы которого подключены к управл ющим входам 6 короткозамыкателей 7. К цепи короткозамыкател  подключен датчик 8 состо ни  короткозамыкател , который может состо ть из ограничител  9 амплитуды,включенйо- го своим входом к силовым выводам короткозамыкател  7 (тиристора), а выходом к элементу 10 сравнени ,выход которого  вл етс  выходом датчика 8. Также датчик 8 состо ни  корот козамыкател  может быть выполнен в виде датчика 11 тока на резисторе, подключенном к элементу 10 сравнени  (фиг. 2), выходы датчиков 8 состо ни  короткозамыкател  через элемент ИЛИ 12 и усилитель 13 мощности соединены с быстродействующим коммутационным аппаратом 14.

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

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

Использование тиристора в качестве датчика тока позвол ет упростить схему датчика состо ни  короткозамыкател .

Если датчик тока выполнен в виде геркона 15 (фиг. 3), то он и будет  вл тьс  датчиком состо ни  короткозамыкател . При этом замыкающий контакт каждого геркона соединен с усилителем мощности,который воздействует на быстродействующий коммутационный аппарат. В случа х, когда быстродействующий коммутационный аппарат потребл ет по цепи управлени  ток, не превышающий номинальный дл  контактов герконов они могут соедин тьс  с ним напр мую. Использование геркона в качестве датчика тока позвол ет обеспечить гальваническую разв зку элементов УЗЧ от элементов короткозамыкател .

Предположим,что человек прикоснулс  к части,наход щейс  под напр жением , в цепи однофазной электроустановки 16 (фиг. 1). В процессе прикосновени  человека к части электроустановки , наход щейс  под напр жением, устойчивый контакт между ней и телом человека образуетс ,как правило,не сразу. Минимально возможное врем  установлени  устойчивого контакта составл ет 0,05 с. Среднее врем  установлени  устойчивого контакта составл ет 0,1 + 0,05 с. При этом сопротивление между электроустановкой и телом человека измен етс  за врем  установлени  контакта от бесконечности до конечной величины (сопротивление между телом человека и землей при этом можно считать посто нным). В процессе установлени  устойчивого контакта между телом человека и электроустановкой через тело человека протекают прерывистиые токи, не опасные дл  его жизни и здоровь , поэтому отключать питающую сеть в таком случае не надо, кроме того, контакт между телом человека и электроустановкой может и не установитьс  из- за достаточно быстрой непроизвольной реакции человека. По этой причине нормируетс  не только амплитуда, но и врем  протекани  через тело человека предельно допустимых токов, не опасных дл  его жизни и здоровь .

После установлени  устойчивого контакта с электроустановкой сопротивление тела человека начинает уменьшатьс . Из-за этого ток через тело человека нарастает во времени с определенной скоростью, завис щей от его начальной величины в момент установлени  контакта. Длительность процесса нарастани  тока через тело человека составл ет не менее 0,4 с, т.е. ток через тело человека нарас- тает линейно, а не скачкообразно, . как при пробе изол ции.

Таким образом, в соответствии г изменением указанного сопротивлени  через тело человека будет проходить увеличивающийс  ток 1,.. Этот ток приводит к несимметрии фазных токов, вследствие чего на вторичной обмотке датчика аварийного сигнала по вл етс  напр жение,амплитуда которого определ етс  мгновенным значением величины тока утечки через тело человека . При достижении током через тело человека величины 2-3 мА напр жение на выходе датчика аварийного сигнала становитс  достаточным дл  устойчивой работы последующих элементов УЗЧ. Это напр жение сравниваетс  в пороговом элементе с заданной уставкой и при превышении напр жени- ем уровн  уставки на выходе порогового элемента по вл етс  сигнал,поступающий на первый вход элемента И и на вход элемента выдержки времени , который осуществл ет задержку сигнала.Врем  задержки задаетс  таким ,чтобы короткозамыкатели не срабатывали от прерывистых токов, не опасных дл  жизни человека.Так,например через тело человека допускаетс  протекание тока до 650 мА при продолжительности протекани  0,01 - 0,08 с.

Исход  из конкретных особенностей применени  УЗЧ в устройстве предусмотрена возможность измен ть 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 по витс  сигнал с выхода ЭВВ. Поэтому сигнал, пройд  через элемент И, поступит на формирователь , где будет преобразован в сигнал управлени  короткозамыкател - ми, что приведет к их срабатыванию. Если в качестве короткозамыкателей использованы тиристоры,то не более чем через 200 мкс после превьш1ени  током утечки через тело человека уровней обеих уставок открываетс  один из тиристоров, создава  режим короткого замыкани  в цепи электроустановки .Если прикосновение человека к части электроустановки,наход щейс  под напр жением,  вл етс  мгновенным и ток через тело человека идет в течение времени, не опасном дл  его жизни, то на выходе ЭВВ сигнал по витс  только после того ,как он исчезнет на выходе порогового элемента. Поэтому через эле- мент И сигнал на формирователь сигна лов управлени  не пройдет и короткозамыкатели останутс  в закрытом сос то нии.

Таким образом, нормальное функционирование УЗЧ обеспечиваетс  благодар  следующему алгоритму его работы: пока уровень сигнала на выходе датчика аварийного сигнала (т.е. ток утечки через тело человека) ниже заданного уровн  уставки амплитулы тока утечки, короткозамыкатель (КЗ) закры быстродействующий коммутационный аппарат находитс  во включенном состо нии , а напр жение питающей сети подаетс  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 протекани  тока утечки через тело человека, КЗ открываютс , а быстродействующий коммутационный аппарат отключает питающую сеть защищаемой электроустановки.

Сигнал о наличии тока короткого замыкани  в закорачивающих элементах КЗ (т.е. это сигнал о состо нии

(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 напр мую) поступит сигнал об открытом состо нии КЗ,вследствие чего сработает быстродействующий коммутационный аппарат , отключа  питающую сеть от за

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

етс  по-разному в зависимости от конструктивных особенностей примен- ных датчиков состо ни  КЗ. Основным элементом любой модификации этих датчиков  вл етс  датчик тока короткого замыкани , 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 напр жение на нем равно напр жении между фазами цепей питани . При открытом КЗ остаточное сопротивление между силовыми выводами закорачивающих элементов мало, и поэтому падение напр жени  на нем тоже мало ( . 5 В).

Напр жение между силовыми выводами КЗ преобразовываетс  датчиком состо ни  КЗ в сигнал, характеризующий состо ние КЗ, Этот сигнал поступает на быстродействующий коммутационный аппарат через усилитель мощности с релейной характеристикой, который срабатывает,отключа  питающую сеть от защищаемой электроустановки .

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

Падение напр жени  на резисторе преобразовываетс  датчиком состо ни  КЗ в сигнал, характеризующий состо ние КЗ. Этот сигнал поступает на быстродействующий коммутационный аппарат через усилитель мощности с релейной характеристикой.

Если датчик тока короткого замыкани  выполнен в виде геркона.

5

0

5

0

5

0

5

Одновременно с началом режима короткого замыкани  напр жение на электроустановке существенно снижаетс , так как остаточное напр жение на открытом КЗ 5 В, а энерги , накоплени  в элементах электроустановки разр жаетс  преимущественно через КЗ, а не через тело человека. Последнее обусловлено тем,что при самых неблагопри тных услови х сопротивление тела человека после установлени  устойчивого контакта уменьшаетс  до минимальной величины за врем  не менее 0,4 с, а сопротивление тиристора после достижени  током через тело человека величин обеих уставок уменьшаетс  до минимальной величины за врем  не более 200 мкс. Поэтому Сопротивление тела человека остаетс  почти на пор док больше сопротивлени  открытого тиристора. Благодар  этому максимально возможный ток через тело человека при самых неблагопри тных обсто тельствах ограничиваетс  величиной менее 50 мА,причем врем  протекани  максимального уровн  тока через тело человека определ етс  временем установлени  режима короткого замыкани  (200 мкс) и не зависит ни от энергии , накопленной в реактивных элементах установки, ни от времени срабатывани  быстродействующего коммутационного аппарата. Это выгодно отличает изобретение от известных.При этом существенным  вл етс  тот факт, что после отпирани  КЗ через тело человека будет протекать ток величиною не более 2-3 мА, определ емый падением напр жени  на открытом КЗ. Это соответствует предельно безопасным уровн м токов через тело человека дл  различных людей и удовлетвор в ет требовани м к предельно допусти

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

Таким образом, в устройстве, в случае его срабатывани , отключение питающей сети производитс  быстродействующим коммутационным аппарато только после отпирани  КЗ. Сделано это дл  повышени  надежности работы защиты путем защитного отключени  дл  случаев, когда может произойти пробой или сплавлени  силовых (закорачивающих ) цепей КЗ, а также дл  существенного сокращени  длительности провалов напр жени  в питающей сети из-за искусственного короткого замыкани . Дл  решени  этих задач быстродействие коммутационного аппа рата должно выбиратьс  одного пор дка с быстродействием КЗ.Благодар  этому длительность режима короткого замыкани  получаетс  минимальной - около половины периода питающей сети после начала режима искусственного короткого замыкани . Это обсто тельство существенно дл  любых сетей , но особенно оно важно дл  автономных сетей, с ограниченной мощностью источника.

Во всех сет х при коротких замыкани х наблюдаютс  провалы напр жени  из-за того,что штатна  защита электроустановок от коротких замыканий срабатывает всегда с некоторо выдержкой времени, завис щей как от конкретных особенностей протекани  режима короткого замыкани , так и о выбранных параметров и конструкции штатного устройства защиты электроустановки от коротких замыканий.

При провалах напр жени  длительностью более периода питающей сети в сет х с ограниченной мощностью источника , особенно в автономных часто наблюдаютс  сбои в работе различных систем автоматики. В известном устройстве сеть отключаетс  только благодар  срабатыванию автоматического выключател , в котором срабатывание от токов короткого замыкани  может быть выбрано равным 14- кратному значению номинальной величины . Из-за этого наблюдаютс  глубокие провалы напр жени  в питающей сети и, кроме того, повьш1аетс  веро тность выхода из стро  силовых цепей короткозамыкателей из-за их об

5

0

0

5

0

5

0

5

рыва или сплавлени . Поэтому в известном устройстве в случае обрыва силовых цепей КЗ травма или поражение человека, наход щегос  в устойчивом контакте с токоведущей частью электроустановки,неизбежны.Наличие в предлагаемом устройстве быстродействующего коммутационного аппарата исключает такую ситуацию.В известном устройстве в случае сплавлени  силовых цепей КЗ возможно срабатывание групповой защиты от перегрузок и коротких замыканий, что ведет к необоснованному с точки зрени  электробезопасности человека отключению группы электроустановок с соответствующими просто ми технологического оборудовани  и материальным ущербом. В предлагаемом устройстве быстродействующий коммутационный аппарат исключает и эту неблагопри тную ситуацию .

Следовательно,выбранный алгоритм функционировани  УЗЧ и реализаци  его с применением быстродействующего коммутационного аппарата обеспечивают селективность действи  УЗЧ,повышают надежность защитного отключени  и существенно уменьшают веро тность выхода из стро  силовых цепей КЗ.

Аналогично можно построить устройство дл  защиты человека от поражени  электрическим током при любом числе фаз в сет х переменного тока, а также в сет х посто нного тока.При этом обеспечиваетс  защита человека от поражени  при прикосновении его к любой фазе сети.

Положительный эффект от использовани  предлагаемого устройства получаетс  за счет того,что устройство при превышении током утечки, протека- Ю111ИМ через тело человека, величин обеих уставок (по амплитуде и по времени протекани ) сначала создает искусственное короткое замыкание в це-- п х питающей сети между источником энергии и местом прикосновени  человека , а затем за врем  не более,чем полпериода питающей сети с момента начала искусственного короткого замыкани  отключает питающую сеть.Благодар  указанному алгоритму устройство обеспечивает через открытый КЗ снижение напр жени  в месте прикосновени  человека за врем  менее, чем половина периода питающей сети

до величины менее 5 В и разр д (выделение ) энергии, накопленной в реактивных элементах установки.Благодар  этому исключаютс  травма нлооажАг с ние человека.

Claims (3)

1. Формула изобретени 

   1,Устройство дл  защиты человека от поражени  электрическим током, Ю содержащее датчик аварийного сигнала, выход которого соединен с входом порогового элемента, выход которого функционально св зан с входом формировател  сигналов управлени ,выход 15 которого подключен к управл ющим входам короткозамыкателей с силовыми выводами дл  подключени  между питаю- 1ЦИМИ проводами электрической сети, отличающеес  тем,что, с 20 целью повышени  надежности работы защиты и надежности электроснабжени , в него введены датчики состо ни  ко- роткозамыкател ,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 состо ни  короткозамыкателей.
2. 2,Устройство по п. 1, о т л и - чающеес  тем,что каждый из датчиков состо ни  короткозамыкателей выполнен в виде включенного последовательно с силовой цепью кЬротко- замыкател  датчика тока, выход которого через элемент сравнени  соединен с выходом датчика состо ни  ко- роткозамыкател .
3. 3.Устройство по п. 1, отличающеес  тем,что каждый из датчиков состо ни  короткозамыкател  выполнен в виде ограничител  амплитутель мощности, быстродействующий ком-25ды, вход которого подключен к сило- мутационный аппарат, элемент вьщерж-вым выводам короткозамыкател , а ки времени и элемент И, при этомвыход через элемент сравнени  соеди- вход формировател  сигналов управле-иен с выходом датчика состо ни  ко- ни  подключен к выходу элемента И,роткозамыкател .

   От дзормицобо/ггелл 5 сигналов л.

   уггроб/гена °

   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 состо ни  короткозамыкателей.

   2,Устройство по п. 1, о т л и - чающеес  тем,что каждый из датчиков состо ни  короткозамыкателей выполнен в виде включенного последовательно с силовой цепью кЬротко- замыкател  датчика тока, выход которого через элемент сравнени  соединен с выходом датчика состо ни  ко- роткозамыкател .

   3.Устройство по п. 1, отличающеес  тем,что каждый из датчиков состо ни  короткозамыкател  выполнен в виде ограничител  амплитуК (розе ffumowu4ei

   - 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/