Устройство для защиты человека от поражения электрическим током в сети с изолированной и компенсированной нейтралью

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ И КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ, содержащее датчик сигналов, подключенный к трем фазам сети и к земле, три выхода которого подключены к трем входам порогового блока, а три выхода - к трем входам блока управления, включающий в себя три триггера и три элемента И, выходы блока управления подключены к управляющим электродам трех симметричных тиристоров, соединенных с фазами сети и с землей, о т л и ч а ющ е е с я тем, что с целью повьшения его помехозащищенности и быстродействия , в устройство введены блок определения запрещенной комбинации, состоящий из шести логических элементов И-НЕ и одного логического элемента И, блок определения наличия сигнала , состоящий из логического элемента И-НЕ, и блок определения полезного сигнала, -включающий в себя два элемента И, генератор и счетчик, причемтри выхода порогового блока подключены к входам первого, второго и третьего логических элементов И-НЕ блока определения запрещенной комбинации и к третьим входам четвертого, пятого и шестого логических элементов И-НЕ этого же блока, выход первого логического элемента И-НЕ соединен с первыми входами четвертого и пятого логических элементов И-НЕ, выход второго элемента И-НЕ - с вторым и первым входами четвертого и пятого элементов И-НЕ, а выход третьего логического элемента И-НЕ - с вторыми входами пятого и шестого элементов И-НЕ, выходы четвертого, пятого и шестого элементов И-НЕ подключены к входам элемента И, выход которого подклюКП чен к первому и второму входам девятого и десятого логических элементов И блока определения полезного сигнала, второй вход девятого логичес8 кого элемента И соединен с генератором , первый выход девятого логического элемента И соединен с С-входом счетчика, а выход десятого элемента логического И - с R -входом счетчика блока определения полезного сигнала, ND 4 выход которого соединен с вторыми входами пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого логических элементов И ч блока управления, выход блока определения наличия сигнала соединен с треi тьим и первым входами девятого и десятого логических элементов И блока определения полезного сигнала, а три входа блока определения наличия сигнала соединены с тремя выходами порогового блока, которые также подключены к трем входам логических элементов И-НЕ блока управления, выходы которых подключены к первым входам пятнадца

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

О9 (! ,SU „

3(g) Н 02 Н 5/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИ ОТН ИЙ (21) 3615205/24-07 (22) 07.07.83 (46) 07.09.84. Бюл.№33 (72) Ю.A.Шестопалов, А.А.Медведев, А.П.Ксенофонтов и В.Я.Островский (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им. В.И.Ульянова (Ленина) (53) 621.3 16.925(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹9O5883, кл. С 01 g 31/02, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР

¹904075, кл. Н 02 Н 3/16, 1979. (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ И КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ, содержащее датчик сигналов, подключенный к трем фазам сети и к земле, три выхода которого подключены к трем входам порогового блока, а три выхода — к трем входам блока управления, включающий в себя три триггера и три элемента И, выходы блока управления подключены к управляющим электродам трех симметричных тиристоров, соединенных с фазами сети и с землей, о т л и ч а юm е е с я тем, что с целью повышения его помехозащищенности и быстродействия, в устройство введены блок определения запрещенной комбинации, состоящий из шести логических элементов И-НЕ и одного логического элемента И, блок определения наличия сигнала, состоящий из логического элемента

И-НЕ, и блок определения полезного сигнала, -включающий в себя два элемента И, генератор и счетчик, причем три выхода порогового блока подключены к входам первого, второго и третьего логических элементов И-НЕ блока определения запрещенной комбинации и к третьим входам четвертого, пятого и-шестого логических элементов И-HF. этого же блока, выход первого логического элемента И-НЕ соединен с первыми входами четвертого и пятого логических элементов И-НЕ, выход второго элемента И-НŠ— с вторым и первым входами четвертого и пятого элементов И-НЕ, а выход третьего логического элемента И-НŠ— с вторыми входами пятого и шестого элементов И-НЕ, выходы четвертого, пятого и шестого элементов И-НЕ подключены к входам элемента И, выход которого подключен к первому и второму входам девятого и десятого логических элементов И блока определения полезного сигнала, второй вход девятого логического элемента И соединен с генератоФ ром, первый выход девятого логического элемента И соединен с С-входом счетчика, а выход десятого элемента логического И вЂ” с R -входом счетчика блока определения полезного сигнала, выход которого соединен с вторыми входами пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого логических элементов И блока управления, выход блока определения наличия сигнала соединен с тре тьим и первым входами девятого и десятого логических элементов И блока определения полезного сигнала, а три входа блока определения наличия сигнала соединены с тремя выходами порогового блока, которые также подключены к трем входам логических элементов

И-НЕ блока управления, выходы которых подключены к первым входам пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого элементов И блока управления, выходы которых соединены с входами трех триггеров, причем первые выходы триггеров блока управления подключены к управляющим электродам соответствующих

2 . 71 тиристоров, а вторые выходы — к восемнадцатому элементу И блока управления, выход которого соединен с третьим входом пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого элементов И этого же блока.

Изобретение относится к технике электробезопасности и противопожарной технике в электрических сетях с изолированной или компенсированной нейтралью и может быть использовано 5 в любой отрасли промышленности, сельского хозяйства, транспорта, строительства и связи, применяющих сети с изолированной нейтралью или с компенсированной нейтралью источника.

Известны устройства для обеспечения электро- и пожаробезопасности в электрических сетях с изолированной и компенсированной нейтралью работающие по принципу снижения тока однофазного замыкания (о.з.) на землю, сокращения времени действия тока о.з ° на электрическую систему или тока прикосновения человека и сов— местного действия обоих указанных факторов.

К первым из указанных устройств относятся аппараты и системы компенсации активной и емкостной состав- 25 ляющих тока о.з. или прикосновения

К недостаткам этой группы устройств относятся — низкая точность устройств статической компенсации, сложность устройств автоматической Зп компенсации, невозможность компенса,ции высших гармонических в составе тока о.з., ограниченность применения устройств автоматической компенсации радиальными сетями определенной длины ухудшение качества напряжения контролируемой системы от введения в нее устройств автоматической компенсации, а при определенных углах диэлектрических потерь - ухудшение условий злектробезопасности.

Ко второй группе устройств, сокращающих время опасного воздействия тока о.з. иа систему или тока прикосновения человека, относятся устройства защитного отключения (ЗОУ).

Однако в сетях с изолированной нейтралью . ЗОУ работают неселективно, снижая надежность электроснабжения ответственных потребителей, а в сетях с компенсированной нейтралью

ЗОУ еще не созданы.

Третью группу устройств, обеспечивающих электро- и пожаробезопасность электрических сетей с изолированной и компенсированной нейтралЬю, представляют устройства искусственного металлического однофазного защит = îão замыкания фазы с ухудшенной изсляцией или фазы, к которой прикоснулся человек. Такие устройства переносят точку замыкания в заранее подготовленное место сети и отсасыва от на себя практически полный ток о.з., coñòîÿùèé из активной и емкостной составляющих основной и высшей гармонической частоты. Устройства однофазного защитного замыкания (УОЗЗ) не требуют при их создании обеспече.:ия селективности их срабатывания и: огут быть установлены в любом пожаробезопасном месте системы или могут быть выполнены в пожаробезопасном исполнении. Поэтому УОЗЗ ис лючают недостатки устройства компенсации ней=-рали и ЗОУ.

i::çHåñòío устройство, которое состоит из датчика сигналов, выполненпого в виде фильтра напряжений нулевой последовательности, подключенного к каждой из фаз сети и к земле, пороговые устройства, входы которых под-ключены к датчику сигналов, а выходы к управляющим электродам симметричных тиристоров. При однЬфазном прикосновении человека или ухудшении сопротивления изоляции одной из фаз ниже допустимого уровня напряжение между

3 1112471 4 поврежденной фазой и землей уменьшается, а на двух других увеличивается. Однако такое увеличение напряжения на двух других фазах может быть только до емкости не превышающей .6,5 мкФ на фазу. При дальнейшем возрастании емкости напряжения отстающей от поврежденной и поврежденной фазы становятся почти одинаковыми.

Снижение напряжения между фазой и землей приводит к срабатыванию порогового устройства, сигнал с которого поступает на управляющий электрод симметричного тиристора. Симметричный тиристор открывается и шунтирует поврежденную фазу на землю f1) .

Недостатком данного устройства является возможность ложных срабатываний устройства из-за поступления на вход одного из пороговых устройств щ полезного сигнала, а на второй вход помехи, или появлении помехи, вызванной отключением нагрузок, сразу по двум каналам, что приводит к ложному срабатыванию и открытию одновременно двух симметричных тиристоров и выходу их из строя.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее датчик сигналов, пороговые блоки, элементы логики 3 И 1 ИЛИ, одну линию задержки и три исполнительных органа. Принцип работы данного устройства заключается в определении повышения напряжения на опережающей фазе и замыкании поврежденной. Данное устройство при

35 прикосновении человека к фазе в сетях, в которых емкости превышают 6,5 мкФ на фазу, а также в сетях со значительной несимметрией фазных напря40 жений, работает достаточно надежно f 2) Однако известное устройство обла - дает следующими недостатками. При возникновении помех на одной из фаз

У вызванной включением или отключением 45 отдельных потребителей (длительность токов помехи может составлять 110 мкс), соответствующий датчик фазных напряжений вырабатывает сигнал

"1" длительностью 1-10 мкс, который поступает на Я -вход триггера, что является достаточным для его переработки в состояние "1" на прямом выходе и запоминании этого сигнала.

За время 64 r Т по другим фазам 55 помехи может и не быть, поэтому только один из триггеров изменит свое состояние, что аналогично состоянию триггеров при получении информации о превышении напряжения на опережающей фазе, которое возникает при прикосновении человека. Следо— вательно, на землю (корпус) замкнется фаза, отстающая по отношению к фазе, по которой прошла помеха, т.е. произойдет ложное срабатывание, что недопустимо, особенно учитывая что такие помехи наблюдаются достаточно часто (практически при каждом включении-отключении потребителей).

Кроме того, устройство обладает сравнительно низким быстродействием.

Время срабатывания устройства определяется временем прохождения, трех полупериодов фаз.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и быстродействия.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты человека от поражения электрическим током в сети с изолированной и компенсированной .нейтралью, содержащее датчик сигналов, подключенный к трем фазам сети и к земли, три входа которого подключены к трем входам порогового блока, а три выхода — к трем входам блока управления, включающий в себя три триггера и три элемента И, выходы блока управления подключены к управляющим электродам трех симметричных тиристоров, соединенных с фазами сети и с землей, введены блок определения запрещенной комбинации сос1 тоящий из шести логических элементов И-НЕ и одного логического элемента И, блок определения наличия сигнала, состоящий из логического элемента И-НЕ, и блок определения полезного сигнала, включающий в себя два элемента И, генератор и счетчик, при" чем три выхода порогового блока подключены к входам первого, второго и третьего логических элементов И-НЕ блока определения запрещенной комбинации и к третьим входам четвертого, пятого и шестого логических элементов

И-НЕ этого же блока, выход первого . логического элемента И-НЕ соединен с первыми входами четвертого и пятого логических элементов И-НЕ, выход второго элемента И-НŠ— с вторым и первым входами четвертого и пятого элементов И-НЕ, а выход третьего логического элемента И-HE с вторыми входами пятого.и шестого элементов

1112471

И-НЕ, выходы четвертого, пятого и шестого элементов И-НЕ подключены к входам элемента И, выход которого подключен к первому и второму входам девятого и десятого логических элементов И блока определения полезного сигнала, второй вход девятого логического элемента И соединен с генератором, первый выход девятого логического элемента И с.оединен с

С-входом счетчика, а выход десятого логического элемента И соединен с

1 -входом счетчика блока определения полезного сигнала, выход которого соединен с вторыми входами пятнадцатогс, шестнадцатого и семнадцатого логических элементов И блока управления, выход блока определения наличия сигнала соединен с третьим и первым входами девятого и десятого логических элементов И блока определе ния полезного сигнала, а три входа блока определения наличия сигнала соединены с тремя выходами порогового блока, которые также подключены к трем входам логических элементов И-НЕ блока управления, выхоцы которых подключены к первым входам пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого элементов

И блока управления, выходы которых ЗО соединены с входами трех триггеров, причем первые выходы триггеров блока управления подключены к управляющим электродам соответствующих симметричных тиристоров, а вторые выходы— к восемнадцатому элементу И блока управления, выход которого соединен с третьими входами пятнадцатого, шестнадцатого и семнадцатого элементов

И этого же блока. 40

На фиг.1 представл на схема предлагаемого устройства, на фиг.2 диаграммы в.входных сигналов, поясняющих принцип работы схемы.

Устройство содержит датчик 1 сигналов, служащий для гальванической развязки от сети и согласования его выхода с входом порогового блока 2, который служит для определения критического сигнала, блок 3 управления

50 тиристорами, слжащий для обработки сигналов, поступающих с пороговых блоков 2 и для формирования сигналов управления симметричными тиристорами блок 4 определения запрещенной комби- наций сигналов (запрещенной комбинацией является наличие более одного сигнала на выходе блока 2)., блок

5 определения наличия сигнала, служащий для определения наличия сигналов на выходе блока 2, блок 6 определения полезного сигнала, необходимый для анализа сигналов поступающих с блока 4 и блока 5, определения наличия помехи в сети и формирования разрешающего импульса на блок 3.

Блок 3 состоит из логических эле-. ментов И-НЕ 7-9, элементов И 10-13 и триггеров 14-16. В исходном положении прямые выходы триггеров, являющиеся выходами блока 3, находятся в состоянии 0", инверсный соответственно в "1" вследствие чего на входы элементов И 10-12 с элемента И 13 поступает "1". При поступлении полезного сигнала с блока 2 через инвертирующие элементы 7-9 и стробирующего сигнала с блока 6 на все входы одного из логических элементов 10-12 поступают "1", вследствие чего его выход перейдет из состояния "0" в "1", при этом триггер соответствующего канала изменит свое состояние из

"0" в "1". При изменении состояния одного из триггеров выход 13 изменяется в состояние "0", тем самым блокируя входы элементов И t0-12, т.е. любое новое изменение состояния сети не может поступить в блок 3. Каналы а, в и с являются информационными (показывают наличие повьппения напряжения на определяющей фазе). Выходы блока

3 подключаются к соответствующим симметричным тиристорам, которые при наличии сигнала с блока 3 замыкают поврежденную фазу на корпус, тем самь1м шунтируя человека.

Блок 4 служит для определения наличия запрещенных комбинаций, которыми являются наличие сигналов одновременно по любым из двух каналов (а,в,в,с,а,с), и собран на логических элементах И и И-НЕ 17-23, выход которых при наличии запрещенной комбинации переходит из состояния

" 1" в "0" (элементы 17-19 служат для инверсии сигналов по каналам а, в,с). При отсутствии или наличии сигналов по одному из указанных каналов на входах элементов 20-22 присутствует хотя бы один "0", вследствии чего на выходе элемента 23 все

" 1" и на выходе его соответственно

При наличии сигнала по любым из двух каналов на входах одного из элементов 20-22 присутстсвуют три "1", 1112471 вследствие чего его выход (этого элемента ) переходит в состояние

"0" и выход элемента 23 также переходит в "0, что и говорит о наличии запрещенной комбинации. Длительность вьмодного сигнала блока 4 (состояние

"0") определяется более коротким из этих двух сигналов (сигналом помехи).

Блок 5 собран на элементе 24, который меняет свое состояние из "0" 10 в "1" при наличии хотя бы одного сигнала по каналам а,в,с. При наличии двух сигналов длительность определяется максимальным из них (полезным сигналом) . 1S

Блок 6 состоит нз генератора прямоугольных импульсов, логических элементов И 25 и 26 и счетчика 27. Элемент И 25 служит для управления поступления сигналов с генератора на 20 вход счетчика 27, а элемент И 26 для его обнуления в различньм режимах.

Работа блока 6 основана на следующих временных соотношениях: пол c r H. пою, и "зал,. > ом. 25 где tä и,„- время полезного сигнала, приблизительно 1-4 мс, ол1 — время помехи до 100 мкс, t ад, — время задержки счетчика (переход сигнала из состояния "0" в "1"). 33

При отсутствии сигналов с блока 2 на вход элементов И 25 и 26 с блока

4 поступает " 1" . с выхода блока 5—

"0", который блокирует эти элементы, .вследствие чего сигналы с генератора на вход счетчика не поступают и на выходе элемента И 26 вырабатывается сигнал "1", который и обнуляет счетчик 27. При поступлении полезного сигнала блок 4 своего состояние не меняет, блок 5 разблокирует элемент

И 25 и сигнал с генератора поступает ..на вход счетчика 27, выход элемента И 26 переходит в состояние "0" (снимая обнуление), так как 1вол,сигн, 4> а Через время 1 а на выходе 27

4 ° (счетчика) вырабатывается стробирующий управляющий сигнал, поступающий на блок 3.

Если при наличии полезного сигна- 50 ла сигнал помехи приходит через время ол счетчик не успевает

7 выдать стробирующий импульс, сигнал с. блока 4 меняет свое состояние на

"0", тем самым блокируя элемент И 25 Я и обнуляя счетчик 27 (выход элемента И 26 переходит в "1" — сигнал обнуления).

Через время, равное длительности помехи, сигнал с элемента 23 переходит в состояние "1", вновь запускается счетчик 27 и схема продолжает работать аналогично описанному.

При приходе полезного сигнала через время, больше sag счетчик

27 выдает стробирующий сигнал на блок 3, после которого устройство не воспринимает новые сигналы изменения состояния сети.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение сети через датчик 1 сигналов поступает на вход порсгового блока 2, где сравнивается с пороговым сигналом. При нормальной работе сети сигналы с блока 1 датчиков по уровню меньше порогового сигнала и устройство находится в исходном состоянии.

В случае прикосновения человека к фазе или понижении сопротивления изоляции одной из фаз ниже допустимого уровня, или глухом замыкании фазы на землю напряжение одной из фаз повышается (опережающей поврежденную), что является полезным сигналом. Сигнал с датчика 1 по одному из трех каналов превышает пороговый уровень, при этом один из трех выходов порогового блока 2 формирует информативный сигнал. Включение— отключение потребителей электроэнергии вызывает по одной, двум фазам сети помехи, соизмеримые с полезным сигналом, вследствии чего на выходе порогового блока 2 (при наличии полезного сигнала) появляется более одного информативного сигнала. Сигналы с блока 2 поступают на входы блоков

3-5. При наличии на входе блока 4 сиг- нала только по одному каналу блок

4 сигнала не формирует.

В случае поступления более одного сигнала (помехи по двум фазам или полезного сигнала и помехи) блок 4 формирует сигнал, который поступает на узел сравнения блока 6. Блок 5 формирует сигнал при появлении информативного сигнала хотя бы по одному иэ ка» налов, поступающий на узел сравнения блока 6. Блок 6 анализирует сигналы, поступающие с блоков 4 и 5. Наличие сигналов с блока 4 возможно только при наличии помехи (помеха и полезный сигнал или одни помехи). Блок 6 фор-" мирует управляющий сигнал при поступ9 11124 ленин сигнала только с блока 5 и отсутствии сигнала с блока 4. Длительность управляющих импульсов с блока

6 определяется длительностью входных сигналов. Длительность полезного сигнала значительно превышает длительность помехи. Блок 6 вырабатывает управляющий (разрешающий) импульс на блок 3 управления симметричными тиристорами с задержкой по времени 10 (определяемой длительностью помехи) .

Если сигнал оказывается меньше времени задержки, управляющего импульса с блока 6 на блок 3 управления симметричными тиристорами не выдается и блок 3 остается заблокированным.

При длительности управляющего сигнала, поступающего с блока 6 больше времени задержки вырабатывается управляющий импульс, информация 20 поступает на блок 3 управления сим71 10 метричными тиристорами, где она обрабатывается и разрешается формирование управляющего сигнала на управляющий электрод симметричного тиристора.

Предлагаемое устройство защищено от ложных срабатываний, защищая тем самым сеть от аварийных режимов ложного замыкания фазы на землю, двухфазного короткого замыкания через землю (в случае ложного вызванного наличием помех, замыкания двух фаз на землю через симметричные тиристоры). Таким образом, предлагаемое устройство не только обеспечивает безопасность обслуживания сетей с изолированной и компенсированной нейтралью, но и повышает надежность работы как самого устройства, так и всей сети в целом.

1 112471

Составитель Л. Васькова

Редактор Н. Данкулич Твхред А.Бабинец Корректор М. Максюаппинец

Заказ 6465/39 Тираж 613 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР о делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4