Цифровое устройство защитного отключения комбинированное

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам для защиты людей от поражения электрическим током при снижении сопротивления изоляции и появлении тока утечки в землю, а также для отключения электропотребителей при превышении действующим значением фазного напряжения питающей сети предельно допустимого уровня 242 В, установленного ГОСТ 32144-2013. За счет использования в качестве источника информации дискретных сигналов, соответствующих скачкообразным процессам перемагничивания сердечника датчика токов утечки, и введения в устройство дополнительных элементов для цифровой обработки этих сигналов устраняется влияние высших гармоник напряжения сети на порог срабатывания по действующим значениям тока утечки и напряжения сети.

Известны электронные устройства защитного отключения (УЗО), содержащие усилитель сигнала датчика тока утечки, источник питания и стабилизатор напряжения [1, 2]. Их недостатком является отсутствие способности отключения защищаемых электроприемников при недопустимом повышении напряжения сети.

Известно устройства защитного отключения комбинированное, содержащее датчик тока утечки, пиковый выпрямитель-усилитель, инерционную RC-цепь с времязадающими резистором и конденсатором, пороговый элемент с исполнительным органом и стабилизатор напряжения питания на стабилитроне, соединенные так, что выход датчика тока утечки присоединен ко входу пикового выпрямителя-усилителя, выход которого соединен с времязадающим резистором, а времязадающий конденсатор соединен с входом порогового элемента с исполнительным органом, компаратор, элемент логического ИЛИ, второй времязадающий резистор, регулируемый делитель и резистор, при этом резистор одним выводом присоединен к аноду стабилитрона и неинвертирующему входу компаратора, другой вывод резистора присоединен к минусу источника питания и первому выводу регулируемого делителя, второй вывод которого присоединен к катоду стабилитрона, а третий к инвертирующему входу компаратора, выходы пикового выпрямителя-усилителя и компаратора через первый и второй времязадающие резисторы присоединены ко входам элемента логического ИЛИ, а его выход присоединен к времязадающему конденсатору [3]. Недостатком этого устройства является наличие влияния высших гармоник напряжения сети на порог срабатывания по действующим значениям тока утечки и напряжения сети, обусловленные аналоговым видом выходного сигнала датчика тока утечки и аналоговым способом обработки сигнала напряжения сети. Наличие высших гармоник сетевого напряжения является результатом подключения с сети нелинейных нагрузок, к которым относятся широко распространенные вентильные преобразователи различного назначения, например, управляемые выпрямители и преобразователи частоты электроприводов, устройства питания сварочных аппаратов, драйверы светодиодных светильников и др.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости УЗО к влиянию высших гармоник напряжения сети. Указанная цель достигается тем, что в УЗО введены узел синхронизации, счетчик импульсов, цифровое сравнивающее устройство и блок уставок, а выходная обмотка датчика тока утечки выполнена двухсекционной, причем секции обмотки имеют одинаковое число витков и соединены последовательно-встречно.

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства. Приняты следующие обозначения: 1 - датчик тока утечки, 2 - пиковый выпрямитель-усилитель, 3 - резистор, 4 - узел синхронизации, 5 - счетчик импульсов, 6 - цифровое сравнивающее устройство, 7 - исполнительный орган, 8 - контактная система УЗО, 9 и 10 - первый и второй входные провода сети, 11 и 12 - первый и второй выходные провода сети, 13 - нагрузка, блок уставок 14. Цифровое устройство защитного отключения комбинированное содержит соединенные последовательно датчик тока утечки 1 и пиковый выпрямитель-усилитель 2, выход которого подключен к суммирующему S-входу счетчика импульсов 5, причем обнуляющий R-вход счетчика импульсов 5 соединен с выходом узла синхронизации 4, вход которого подключен к выходным проводам сети 11 и 12, а резистор 3 подключен между первым входным проводом сети 9 и вторым выходным проводом сети 12, причем параллельный цифровой выход счетчика импульсов 5 присоединен к первому параллельному входу цифрового сравнивающего устройства 6, к выходу которого подключен исполнительный орган 7, механически связанный с контактной системой УЗО 8, а второй параллельный вход цифрового сравнивающего устройства 6 присоединен к выходу блока уставок 14.

Устройство работает следующим образом. В случае, если действующее значение фазного напряжения питающей сети не превышает предельно допустимого уровня 242 В, установленного ГОСТ 32144-2013, а ток утечки I₀ (через поврежденную изоляцию или в результате прикосновения человека к токоведущим элементам нагрузки) отсутствует, разность токов I₁ и I₂ в проводах, к которым подключена нагрузка 18, равна току I₃ (фиг. 2). Сопротивление резистора 3 подобрано таким образом, что магнитный поток в сердечнике датчика тока утечки 1, вызванный неравенством токов I₁ и I₂, перемагничивает сердечник в пределах области начальной магнитной проницаемости, т.е. в той области, где скачкообразные изменения намагниченности (скачки Баркгаузена) отсутствуют. В этом случае гармонические э.д.с. первой и высших гармоник, наводимые в секциях обмотки датчика тока утечки 1, равны между собой, а выходной сигнал U_вых датчика отсутствует независимо от уровня несинусоидальности напряжения сети, т.к. секции обмотки имеют одинаковое число витков и соединены последовательно-встречно. В результате УЗО остается во включенном состоянии.

При появлении тока утечки I₀ или при превышении действующим значением фазного напряжения питающей сети предельно допустимого уровня 242 В, установленного ГОСТ 32144-2013, разность токов I₁ и I₂ становится достаточной для перемагничивания сердечника датчика тока утечки 1 в области необратимых скачкообразных изменений намагниченности. В этом случае в секциях выходной обмотки датчика кроме гармонических составляющих э.д.с. первой и высших гармоник наводятся случайные импульсные сигналы, вызванные скачками Баркгаузена. При встречном соединении секций выходной обмотки гармонические составляющие взаимно компенсируются независимо от уровня высших гармоник напряжения сети, а случайные импульсные сигналы складываются и поступают на вход пикового выпрямителя-усилителя 2, который формирует из них прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды. Эти импульсы поступают на суммирующий вход счетчика 5, который обнуляется с периодом 10 мс (половина периода сетевого напряжения) импульсом, поступающим на вход R (reset) и формируемым узлом синхронизации 4 при переходе сетевого напряжения через нулевой уровень. Таким образом, содержимое счетчика импульсов каждые 10 мс сначала нарастает до максимального значения, соответствующего числу скачков Баркгаузена в сердечнике датчика тока утечки 1, а затем сбрасывается на ноль. Текущее значение содержимого счетчика импульсов 5 в двоичном параллельном коде подается на первый параллельный цифровой вход цифрового сравнивающего устройства 6. Если максимальное значение содержимого счетчика импульсов превышает уставку УЗО, представленную в виде двоичного числа в параллельном коде, и поступающую на второй параллельный цифровой вход сравнивающего устройства 6 с выхода блока уставок 14, то на выходе последнего формируется импульсный сигнал, поступающий на исполнительный орган 7 и вызывающий срабатывание УЗО путем воздействия на контактную систему 8.

Испытания опытного образца цифрового УЗО были проведены при несинусоидальности сетевого напряжения, соответствующей предельно допустимым по ГОСТ 32144-2013 значениям коэффициентов пятой и седьмой гармоник, т.е., соответственно, шести и пяти процентам от действующего значения основной гармоники. При испытании УЗО были проведены прямые измерения с многократными (n=75) наблюдениями токов утечки и напряжения сети, при которых УЗО фактически срабатывало для уставок 30 мА и 242 В, соответственно. Статистическая обработка результатов измерений показала, что при доверительной вероятности 95% доверительные границы отклонения действующих значений тока утечки, при достижении которых УЗО срабатывало, от значений уставки 30 мА составили ±1,8%, а доверительные границы отклонения действующих значений напряжения сети, при достижении которых УЗО срабатывало, от значений уставки 242 В составили ±1,5%. Таким образом, результаты испытаний свидетельствуют о более высокой помехоустойчивости цифрового УЗО к влиянию несинусоидальности сетевого напряжения по сравнения с аналогами и прототипами, для которых в тех же условиях названные доверительные границы составляют, соответственно, 10 и 4%.

Источники информации

1. Монаков В.К. УЗО. Теория и практика. М.: Энергосервис. 2007. - 368 с. Режим доступа: http://dl.lux.booksee.org/genesis/215000/46efdb15c97bfb33676b1dd0117ca554/_as/[Monakov_V._K.]_UZO._Teoriya_i_praktika(BookSee.org).pdf.

2. Устройство защитного отключения сети переменного тока. Патент РФ на изобретение №2124795, МПК Н02Н 3/00, опубл. 1999.01.10.

3. Устройство защитного отключения комбинированное. Патент РФ на изобретение №2214664, МПК Н02Н 3/32, опубл. 2002.07.