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 введения в устройство дополнительных элементов оно приобретает способность отключать защищаемые электроприемники при несинусоидальности питающего напряжения, которая характеризуется превышением установленных ГОСТ 32144-2013 предельных значений коэффициентов пятой и седьмой гармоник, т.е. соответственно шести и пяти процентов от значения основной гармоники.

Известны электронные устройства защитного отключения (УЗО), содержащие усилитель сигнала датчика тока утечки, источник питания и стабилизатор напряжения [1, 2]. Их недостатками являются влияние напряжения сети на порог срабатывания по току утечки и 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 отсутствие способности отключения защищаемых электроприемников при недопустимо высокой несинусоидальности питающего напряжения.

Искажение формы питающего напряжения является результатом подключения с сети мощных нелинейных нагрузок, к которым относятся широко распространенные вентильные преобразователи различного назначения, например, управляемые выпрямители и преобразователи частоты электроприводов, устройства питания сварочных аппаратов и др. Несинусоидальность питающего напряжения приводит к увеличению уровня вихревых токов в сердечниках всех электромагнитных устройств, их перегреву, снижению к.п.д. и выходу из строя, а также отрицательно влияет на работу большинства электронных устройств. Для питания электрических сетей 0,4 кВ с глухозаземленной нейтралью применяются трехфазные трансформаторы 10(6)/0,4 кВ, первичные обмотки которых соединены по схеме «треугольник». В случае подключения к таким трансформаторам нелинейных нагрузок к потребителям поступает напряжение несинусоидальной формы, содержащее кроме основной гармоники с частотой 50 Гц нечетные и некратные трем высшие гармоники. Основной вклад в искажение формы напряжения вносят высшие гармоники с наибольшими амплитудами: пятая с частотой 250 Гц, и седьмая с частотой 350 Гц. ГОСТ 32144-2013 устанавливает предельно допустимые значения коэффициентов пятой и седьмой гармоник на уровне, соответственно, шести и пяти процентов (от значения основной гармоники).

Целью изобретения является расширение защитных функций УЗО, а именно, придание дополнительной функции отключения защищаемых электроприемников при недопустимой несинусоидальности питающего напряжения.

Указанная цель достигается тем, что дополнительно введены избирательные фильтры пятой и седьмой гармоник, входы которых присоединены к входным проводам сети, а также обмотки пятой и седьмой гармоник, размещенные на сердечнике датчика тока утечки и присоединенные к выходам избирательных фильтров соответствующих гармоник.

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства. Приняты следующие обозначения: 1 - датчик тока утечки, 2 - пиковый выпрямитель-усилитель, 3 - инерционная RC-цепь с времязадающими резистором и конденсатором, 4 - пороговый элемент, 5 - исполнительный орган, 6 - источник питания, 7 - стабилитрон, 8 - компаратор, 9 - элемент логического ИЛИ, 10 - второй времязадающий резистор, 11 - регулируемый делитель, 12 - резистор, 13 - избирательный фильтр пятой гармоники, 14 - избирательный фильтр седьмой гармоники, 15 и 16 обмотки, размещенные на сердечнике датчика тока утечки, 17 - входные провода сети, 18 - нагрузка.

Устройство защитного отключения комбинированное содержит датчик тока утечки 1, пиковый выпрямитель-усилитель 2, инерционную RC-цепь с первым времязадающими резистором и конденсатором 3, пороговый элемент 4 с исполнительным органом 5, источник питания 6, стабилитрон 7, компаратор 8, элемент логического ИЛИ 9, второй времязадающий резистор 10, регулируемый делитель 11, резистор 12, избирательный фильтр пятой гармоники 13, избирательный фильтр седьмой гармоники 14, обмотки 15 и 16, соединенные так, что выход датчика тока утечки 1 присоединен ко входу пикового выпрямителя-усилителя 2, выход которого соединен с первым времязадающим резистором инерционной RC-цепи 3, а времязадающий конденсатор инерционной RC-цепи 3 соединен со входом порогового элемента 4 с исполнительным органом 5, при этом резистор 12 одним выводом присоединен к аноду стабилитрона 7 и неинвертирующему входу компаратора 8, другой вывод резистора 12 присоединен к минусу источника питания 6 и первому выводу регулируемого делителя 11, второй вывод которого присоединен к катоду стабилитрона 7, третий вывод регулируемого делителя 11 подключен к инвертирующему входу компаратора 8, выходы пикового выпрямителя-усилителя 2 и компаратора 8 через первый и второй времязадающие резисторы присоединены ко входам элемента логического ИЛИ 9, а его выход подключен к времязадающему конденсатору инерционной RC-цепи 3, входы избирательных фильтров пятой и седьмой гармоник 13 и 14 присоединены к входным проводам сети 17, а к выходам избирательных фильтров подключены обмотки пятой и седьмой гармоник 15 и 16, размещенные на сердечнике датчика тока утечки 1.

Устройство работает следующим образом. Функционирование устройства по каналам формирования отключающих сигналов при превышении током утечки и напряжением питающей сети предельно допустимых значений (уставок) не отличается от работы прототипа. На фиг. 2 представлен датчик тока утечки с нанесенными на его сердечник обмоткой пятой гармоники 15 и обмоткой седьмой гармоники 16. При отсутствии тока утечки I₀ токи I₁ и I₂ в проводах, к которым подключена нагрузка 18, равны. Магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, вызванные этими токами, компенсируют друг друга, т.к. равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 180°. Если напряжение в сети синусоидально, то выходные напряжения избирательных фильтров 13 и 14 и токи в подключенных к их выходам обмотках 15 и 16 отсутствуют. Магнитные потоки Ф₃ и Ф₄ равны нулю. В этом случае отсутствует и выходной сигнал U_вых датчика тока утечки 1, устройство остается во включенном состоянии. При появлении тока утечки устройство, работая аналогично прототипу, производит отключение. В результате расширения защитных функций заявляемого устройства по сравнению с прототипом в случае появления несинусоидальности напряжения сети, при котором происходит превышение установленных ГОСТ 32144-2013 предельно допустимых значений коэффициентов пятой и седьмой гармоник, выходные напряжения избирательных фильтров 13 и 14 создают в обмотках 15 и 17 токи, значения которых достаточны для того, чтобы вызванные ими магнитные потоки Ф₅ и Ф₇ навели выходной сигнал U_вых датчика тока утечки 1, вызывающий срабатывание устройства.

При испытании опытного образца УЗО были проведены прямые измерения с многократными (n=75) наблюдениями коэффициентов пятой и седьмой гармоник, вызывающих срабатывание устройства. Статистическая обработка результатов измерений показала, что при доверительной вероятности 95% доверительные границы отклонения значений коэффициентов пятой и седьмой гармоник, вызывающих срабатывание УЗО, от значений, определенных ГОСТ, лежат в диапазоне ±0,2%.

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. 2002.07.27.