SU1767602A1 - Способ защитного отключени двухпроводной сети посто нного тока при прикосновении к ней человека - Google Patents

Abstract

Использование: сети посто нного тока. Сущность изобретени : дл  сокращени  числа необоснованных отключений оперативный ток промышленной частоты от источника через емкостный фильтр накладывают на сеть, выдел ют с помощью блока в активную составл ющую этого тока и при превышении им уставки, соответствующей минимально допустимому значению сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли, формируют на выходе блока сравнени  управл ющий сигнал, который воздействует на исполнительный орган в случае отсутстви  напр жени  несимметрии сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли, измер емое блоком. Момент возникновени  утечки фиксируетс  от измеренного блоком регистрации максимальному значению тока переходного процесса. Этот ток сравниваетс  в блоках сравнени  с уставками, соответствующими различному уровню и длительности воздействи  на человека, и при превышении последних формируют через логический блок ИЛИ сигналы на исполнительный орган. 3 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к средствам электробезопасности , и предназначено дл  автоматического отключени  электроустановок при однополюсном прикосновении человека или возникновени  в электроустановке тока утечки, превышающего заданное значение.

Целью изобретени   вл етс  сокращение числа необоснованных отключений.

На фиг. 1 приведена структурна  схема устройства, реализующего предлагаемый способ: на фиг. 2 - схема блока измерени  активной составл ющей оперативного переменного тока; на фиг, 3 - схема блока вычислени .

Устройство (см. фиг. 1) содержит два электролитических конденсатора 1, которые одними из полюсов подключаютс  к контролируемой сети 2 посто нного тока, а другими соединены в общую точку, заземленную через вход выпр мител  3, блок 4 преобразовани  величины оперативного переменного тока в напр жение и источник 5 переменного тока промышленной частоты, предназначенного дл  наложени  оперативного переменного тока на контролируемую сеть, блок 6 дл  измерени  активной составл ющей оперативного переменного тока, первый вход которого подключен на выход источника 5, а второй на выход блока

vl

Os

VI

Os

О

ГО

4 преобразовани  величины тока и состо щий (см. фиг. 2) из токоограничивающего резистора 7, резисторов 8 и 9, выполн ющих функции делител , оперативного усилител  10, резистора 11, создающего отрицательную обратную св зь дл  операционного усилител , ключа 12, причем второй вход блока 6 подключен к инвертирующему входу операционного усилител  через резистор 7, а к неинвертирующему входу через резистор 8, первый вход блока 6 совпадает с входом люча управлени  12, выход которого подключен к инвертирующему входу операционного усилител , резистор 9 подключен параллельно неинвертирующему входу операционного усилител  10, а резистор 11 между инвертирующим входом и выходом операционного усилител  10; первый элемент сравнени  13, величины напр жени  обратно пропорционального общему сопротивлению изол ции полюсов сети относительно земли с напр жением, обратно пропорциональным сопротивлению Rc/2, вход которого подключен к выходу блока 6; блок 14 дл  измерени  несимметрии сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли , состо щей из резистивного делител  15, вход которого подключен к полюсам двухпроводной сети посто нного тока 2, низкочастотного фильтра и выпр мител  16, пропускающего без ослаблени  посто нную составл ющую и создающую однопо- л рный сигнал, вход которого подключен к полюсам двухпроводной сети 2 посто нного тока, низкочастотного фильтра и выпр мител  16, пропускающего без ослаблени  посто нную составл ющую и создающую однопол рный сигнал, вход которого подключен между общей точкой делител  15 и землей, и второго элемента сравнени  17, .степени несимметрии сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли с выбранным значением напр жени , вход которого подключен к выходу элемента 16, ключ управлени  18, первый вход которого подключен на выход первого элемента сравнени  13, а второй через инвертор 19 - на выход второго элемента сравнени  17 и сигнал , на выходе которого по вл етс  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 управлени  18, а выход на вход коммутационного аппарата 21,в качестве которого может быть использован контактор или автомат с максимальным расцепителем, четвертый элемент сравнени  22, предназначенный дл  сравнени  напр жени , пропорциональному

максимальному значению тока через утечку ih(o) с напр жением, пропорциональным 1пдол., триггер 23., первый вход которого подключен к выходу четвертого элемента 5 сравнени  22, логический элемент сравнени  И 24, первый вход которого подключен на выход триггера 23 - второй на выход второго элемента сравнени  17, а выход на второй вход логического органа 20; блок ре0 гистрации 25 значени  ih(o), поступающего на его первый вход с выхода выпр мител  3, la и la, поступающих на его второй вход с выхода блока 6 и состо щий из первого пикового детектора 26 дл  запоминани 

5 lh(o), первый вход которого подключен к первому входу блока регистрации 25, а выход его  вл етс  первым выходом блока регистрации 25, третьего элемента сравнени  27 напр жени , пропорционального

0 ih(o), с напр жением, пропорциональным ly, вход которого подключен к выходу пикового детектора 26, второго пикового детектора 28, предназначенного дл  запоминани  1а , выход которого совпадает со

5 вторым выходом блока регистрации 25, ключ управлени  29, первый управл емый вход которого подключен к выходу блока 6, а второй управл емый вход к выходу третьего элемента сравнени  27, резистор 30,

0 вход которого подключен на выход ключа управлени  29, а выход на первый вход второго пикового детектора 28, ключ управлени  31, управл емый вход которого подключен к выходу элемента сравнени  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 сравнени  27, а выход на управл ющий вход ключа 33

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

5 второй вход триггера 23, ключа управлени  35, управл емый вход которого подключен к выходу элемента сравнени  27, а выход  вл етс  третьим выходом блока регистрации 25; блок вычислени  36, предназначенный

0 дл  вычислени  установившегос  значени  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 вычислени  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 усилител , на неинвертируемый вход которого подключен второй вход блока вычислени  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 напр жение, вход которого подключен к выходу триггера 41, а выход  вл етс  выходом блока вычислени  36; п тый элемент сравнени  43, предназначенный дл  сравнени  сигнала, пропорционального предельно допустимому току через тело человека при продолжительности воздействи  больше 1 с, определ емого ГОСТом 13.1.038-82, вход которого подключен к выходу блока вычислени  36, а выход на третий вход логического органа 20, блок измерени  и контрол  44, подключенный между полюсами сети и землей и предназначенный дл  периодического контрол  сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли и проверки исправности работы защиты путем искусственного замыкани  на землю полюсов относительно земли.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

При отсутствии утечки и симметрии сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли конденсаторы 1 зар жены до половины напр жени  сети. Между их общей точкой и землей протекает оперативный переменный ток, обратно пропорциональный полному сопротивлению изол ции сети относительно земли. Блок 6 измерени  активной составл ющей оперативного переменного тока выполнен в виде фазочувст- вительного выпр мител , имеющего первый вход управл ющий (коммутирующий ) и второй вход сигнальный. На сигнальный вход подаетс  переменное напр жение UBxi KoU/, снимаемое с выхода блока преобразовани  4, а на управл ющий - напр жение от источника переменного тока 5. Напр жение на выходе операционного усилител  10 определ етс  соотношением

ивых a I KoU I cos p,

где а - посто нный коэффициент передачи выпр мител ; р- фазовый сдвиг между напр жением источника питани  и током.

Если дл  схемы (фиг. 2) прин ть, что резисторы 7 и 8 имеют равные сопротивлени  R, а сопротивление резистора 11 Rp. а R и резистора 9 RR. у R, то условие равенства модулей коэффициента передачи при разных состо ни х ключа 12 дл  этого выпр мител  имеет вид 1+2 /3/а 2 ft/y. Задава сь значением у коэффициента передачи а выпр мител  можно найти коэффициенты а и /3 ка к

у (а+1);

Ј (у/2)(у+И-у /а) (у+1)

Значение коэффициента К0 определ етс  параметрами преобразовател  4, в качестве которого используетс  делитель.

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

который обратно пропорционален общему активному сопротивлению полюсов сети относительно земли Rc/2. На выходе выпр мител  3 сигнал пропорционален общему сопротивлению изол ции 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 сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли активна  составл юща  переменного тока возрастает, и при превышении его значени  первой эталонной величины на выходе блока 13 по вл етс  первый

управл ющий сигнал, который поступает на первый вход ключа управлени  18. Поскольку на выходе блока 14 второй управл ющий сигнал отсутствует, то на выходе ключа управлени  18 по вл етс  сигнал

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

Происходит отключение источника посто нного тока от контролируемой сети. Одновременно с этим с выхода логического органа 20 подаетс  импульс на управл емый вход ключей управлени  33 и 34. Ключи управлени  33 и 34 открываютс  и происходит очищение пам ти пиковых детекторов

26 и 28. Схема возвращаетс  в исходное состо ние. Уровень напр жени  источника переменного тока выбираетс  на пор док ниже, чем напр жение 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 перезар д конденсаторов 2 и на выходе

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

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

Поскольку цепи линейные, то, пользу сь методами наложени , определили сначала переходный ток от источника посто нного тока в цепи между общей точкой конденсаторов 2 и землей.

Дл  простоты анализа пренебрегли внутренним сопротивлением выпр мител  3, блока преобразовани  4 и источника переменного тока 5, по сравнению с сопротивлением изол ций 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 подаетс  напр жение Us, то напр жение на выходе интегратора 38 может быть определено

1 RCo

t4.

/ ,

где Со - емкость обратной св зи интегратора

При равенстве U и Ua компаратор 40

переходит в положительное насыщение, формиру  сигнал сброса дл  триггера, длительность которого может быть определена из уравнени  U/j U2 после подстановки их значений

ц

i-/ KaU1,

ТГСТ

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 посто нного 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 по вл етс  управл ющий сигнал на выходе третьего элемента сравнени  27, при этом закрываетс  ключ управлени  29 и открываетс  ключ управлени  31 и 35. Происходит запоминание ih(o) в пиковом детекторе 26, 1а в пиковом детекторе 28 и пуск блока вычислени  36. Так как триггер 41 (фиг. 3) переходит на второе устойчивое состо ние от третьего управл ющего сигнала передаваемого через ключ управлени  35, то запираетс  транзистор 39 положительным сигналом с выхода триггера 41, который подаетс  на его затвор. Из блока регистрации 25 на первый вход блока вычислени  36 поступает напр жение Ui, пропорциональное ih(o), т.е. LH Kiih(o) на второй вход поступает напр жение Ua, пропорциональное а, т.е. U2 Kala , на четвертый вход напр жение Us . При этом полевой транзистор 37 (фиг. 3) выполн ет 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 по вл етс  сигнал, длительность которого пропорциональна величине тока через возникшую утечку 1У. Этот сигнал поступает на вход преобразовател  42 длительности импульса в напр жение Us Ks К4 ly, которое  вл етс  выходом блока вычислени  36.

С блока вычислени  сигнал поступает на вход п того элемента сравнени  43. Если величина установившегос  значени  тока 1У 1пДоп, то по вл етс  сигнал на выходе элемента 43, который поступает на вход логического органа 20, и происходит подача второго отключающего воздействи  на вход привода коммутационного аппарата 21.

В случае, когда ly 1НДОп, на выходе элемента 43 сигнал будет отсутствовать. Через заданный промежуток времени от момента по влени  сигнала на выходе третьего элемента сравнени  27, определ емый элементом выдержки времени 32, на

его выходе по вл етс  четвертый управл ющий сигнал, который переключает триггер 23 и открывает ключ управлени  33 и 34, стираетс  пам ть пиковых детекторов 26 и 28 величин, пропорциональных ih(o) и U1. После исчезновени  третьего управл ющего сигнала с выхода элемента сравнени  27 ключ управлени  29 открываетс , а 31 и 25 закрываетс , переключаетс  триггер 41 и схема возвращаетс  в исходное положение .

В случае ih(o) ihAOn по вл етс  сигнал не только на выходе третьего элемента сравнени  27, но и на выходе четвертого элемента сравнени  22. П тый управл ющий сигнал с выхода элемента сравнени  22 запоминаетс  с помощью триггера 23 и подаетс  на первый вход логического элемента И 24. Напр жение несимметрии нарастает значительно медленнее, чем ih(t). Когда его величина превысит эталонное значение второго элемента сравнени  17, то на его выходе по витс  второй управл ющий сигнал, который подаетс  на второй вход элементов 18 и 24. При наличии второго и п того управл ющих сигналов на выходе элемента 24 по вл етс  сигнал, который подаетс  на вход логического органа 20, формирующего третье отключающее воздействие на коммутационный аппарат 21.

Подачей сигнала на второй управл ющий вход ключа 18 исключаетс  ложное срабатывание устройства, так как этот канал передачи сигнала предназначен дл  отключени  контролируемой сети только при симметричном снижении сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли .

Возврат схемы в исходное положение после отключени  контролируемой сети осуществл етс  подачей сигнала с выхода логического элемента ИЛИ 20 на второй вход триггера 23 и управл ющие входы ключей управлени  33 и 34. При этом схема работает так же, как и в случае по влени  сигнала на выходе элемента выдержки времени 32. Одновременно эти сигналы возникнуть не могут, а поступают последовательно , чем достигаетс  надежный возврат схемы в исходное положение. Резистор 30 предназначен дл  обеспечени  стабильности уровн  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 возникновени  утечки к моменту переключени  ключей 31 и 34. Выдержка времени, создаваема  элементом 32, должна превышать врем  нарастани  напр жени  несимметрии.

Таким образом, предлагаемый способ защитного отключени  сети посто нного тока , по сравнению с известными способами, позвол ет снизить число необоснованных отключений, обеспечивает сокращение простоев технологического оборудовани  и повышает безопасность при эксплуатации.

0 Ф о р м у л а и з о б р ете н и  

Способ защитного отключени  двухпроводной сети посто нного 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 составл ющей, преобразовании его в напр жение и сравнении его значени  с первой эталонной величиной, соответству0 ющей минимально допустимому значению сопротивлени  изол ции полюсов сети относительно земли, при этом в случае его превышени  вырабатывают первый управл ющий сигнал, а также формируют сигнал

5 на отключение сети, отличающийс  тем, что, с целью сокращени  числа необоснованных отключений, дополнительно измер ют напр жение несимметрии сопротивлени  изол ции полюсов сети относи0 тельно земли, выдел ют его посто нную составл ющую и создают однопол рный сигнал, сравнивают его значение с второй эталонной величиной, составл ющей 20% от номинального напр жени  контролируе5 мой сети, и в случае его превышени  вырабатывают второй управл ющий сигнал, при наличии первого управл ющего сигнала и отсутствии второго вырабатывают сигнал на отключение сети, момент возникновени 

0 утечки фиксируют путем измерени  максимального значени  тока ih(o) переходного процесса от источника посто нного тока через место возникновени  утечки и сравнивают его значение с третьей и четвертой

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

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

5 третий и четвертый управл ющие сигналы, с помощью третьего управл ющего сигнала запоминают значение активной составл ющей тока 1а в момент возникновени  утечки максимальное значение тока ih(o), активную составл ющую тока после момента возникновени  утечки а и вычисл ют установившеес  значение тока через

I 1

утечку ly ih(o) -рт

которое сравнивают с

п той эталонной величиной, равной предельно допустимому току через тело человека при продолжительности воздействи  более 1 с, и в случае его превышени  формируют сигнал на отключение сети, в случае же непревышени  четвертым управл ющим сигналом с выдержкой времени, превышаю0

щей врем  отключени  контролируемой сети , стирают в пам ти зарегистрированные величины ih(o), la , la, при превышении максимальным значением тока lh(o) четвертой эталонной величины вырабатывают п тый управл ющий сигнал и формируют сигнал на отключение сети при наличии второго и п того управл ющих сигналов, после прохождени  любого сигнала на отключение стирают в пам ти все зарегистрированные величины.

Ыг I

I

Фиг. .3

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Способ защитного отключения двухпроводной сети постоянного тока при прикоснрвении к ней человека, основанный на наложении оперативного тока промышленной 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, соответствующей минимально допустимому значению сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли, при этом в случае его превышения вырабатывают первый управляющий сигнал, а также формируют сигнал на отключение сети, отличающийся тем, что, с целью сокращения числа необоснованных отключений, дополнительно измеряют напряжение несимметрии сопротивления изоляции полюсов сети относительно земли, выделяют его постоянную составляющую и создают однополярный сигнал, сравнивают его значение с второй эталонной величиной, составляющей 20% от номинального напряжения контролируемой 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 утечки фиксируют путем измерения максимального значения тока ih(o) переходного процесса от источника постоянного тока через место возникновения утёчкй и сравнивают его значение с третьей и четвертой эталонными величинами, при этом третью Эталонную величину выбирают на 20% больше предельной допустимого значения тока через тело человека при длительности воздействия более 1 с, четвертую эталонную величину выбирают соответствующей предельно допустимому току через тело человека при продолжительности воздействия меньше 1 с, при превышении им только третьей эталонной величины вырабатывают третий и четвертый управляющие сигналы, с помощью третьего управляющего сигнала запоминают значение активной составляющей тока la’ в момент возникновения утечки, максимальное значение тока ih(o), активную составляющую тока после мо мента возникновения утечки 1_а” и вычисляют установившееся значение тока через утечку ly = ih(o) -А- которое сравнивают с »а пятой эталонной величиной, равной пре- 5 дельно 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 10 сигналом с выдержкой времени, превышаю 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.

   Фиг. 3