Способ защиты человека от поражения электрическим током

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты людей и животных от поражения электрическим током в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, а также в других схемах питания. Техническим результатом изобретения является повышение надежности защиты от поражения электрическим током в процессе работы в опасной зоне. Способ основан на отключении питающей сети от нагрузки при появлении на исполнительном устройстве сигнала, формирующегося за счет наведения ЭДС в теле человека электромагнитным полем, создаваемым в опасной зоне. Возможность свободного присутствия человека в опасной зоне достигается подачей сигнала путем замыкания ЭДС на исполнительное устройство через токоведущие линии нагрузки и линии питания нагрузки в момент соприкосновения человека с токоведущими линиями нагрузки, находящимися под опасным напряжением. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике защиты человека от поражения электрическим током, и может быть использовано в сетях с изолированной нейтралью, а также в других схемах питания.

Известны способы защиты человека от поражения электрическим током (1, 2), основанные на отключении питающей сети при появлении на исполнительном устройстве сигнала, вырабатываемого размещенными на теле человека датчиками, регистрирующими протекающий через тело человека ток.

Недостатком таких способов является неудобство, связанное с необходимостью размещения датчиков на теле человека для реализации защиты.

Наиболее близким к изобретению является способ защиты (3), основанный на отклонении питающей сети при появлении на исполнительном устройстве сигнала, вырабатываемого за счет наведения ЭДС в теле человека электромагнитным полем, создаваемым в опасной зоне.

Устройство для осуществления этого способа содержит передатчик с антенной, находящейся в опасной зоне, приемник с подставкой, на которой должен находиться человек, и исполнительное устройство.

Согласно такому способу передатчик создает вокруг антенны переменное электромагнитное поле таким образом, что большая часть электромагнитной энергии поля концентрируется в опасной зоне, при попадании в которую части тела человека в его теле наводится ЭДС, передаваемая через подставку и коаксиальный кабель на приемник, вырабатывающий сигнал на отключение сети в опасной зоне исполнительным устройством.

Недостатком такого способа является недопустимость его применения при необходимости проведения работы в опасной зоне.

Техническая задача изобретения - осуществление защиты человека от поражения электрическим током в процессе работы в опасной зоне.

Поставленная задача решается использованием для подачи сформированного сигнала отключения на исполнительное устройство в момент соприкосновения человека с токоведущими частями нагрузки, находящимися под опасным напряжением, линий питания нагрузки.

На фиг. 1 дана общая схема осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - функциональная электрическая схема исполнительного устройства независимо от формы питающего напряжения и количества линий питания нагрузки.

Согласно предлагаемому способу (фиг. 1) исполнительное устройство 3, подключенное к источнику электропитания 1 через сеть питания 2, создает концентрированное в опасной зоне переменное электромагнитное поле. При попадании человека 6 в опасную зону на него наводится ЭДС, которая замыкается на устройстве 3 через нагрузку 5 и линии питания нагрузки 4 в момент соприкосновения человека 6 с токоведущими линиями нагрузки 5, находящимися под опасным напряжением. При этом уровень электромагнитного сигнала в линиях питания 4, наводимого электромагнитным полем на нагрузке 5 и линиях 4, в момент соприкосновения увеличивается таким образом, что приращение уровня сигнала в одной из линий превышает приращения сигнала в других линиях за счет несимметричности возможного соприкосновения человека 6 с токоведущими частями нагрузки 5 по отношению ко всем линиям питания нагрузки 4. Разница между приращениями позволяет устройству 3 сработать и отключить нагрузку 5 от источника электропитания 1.

Исполнительное устройство 3 (фиг. 2) содержит барьерное устройство 7 заграждения верхних частот (фильтр нижних частот, разделительный трансформатор, детектор и т.д.), выключатель 8 нагрузки, устройство 9 блокирования воздействия остаточной энергии нагрузки, преобразователь 10 напряжения, генератор 11 верхних частот, излучатель 12 электромагнитных волн, фильтры 13 верхних частот, избирательные усилители 14, детекторы 15 и схему 16 сравнения.

Устройство работает следующим образом. Подключенный к сети питания через барьерное устройство 7 и выключатель 8 преобразователь 10 обеспечивает питанием избирательные усилители 14, схему 16 и генератор 11, к выходу которого подключен излучатель 12, создающий переменное электромагнитное поле в опасной зоне. Барьерное устройство 7 заграждает поступление помех верхних частот из сети питания в линии питания нагрузки и наводок электромагнитного поля из линий в сеть. Сигналы верхних частот, наводимые в нагрузке и линиях питания, отфильтровываются фильтрами 13, усиливаются избирательными усилителями 14 и преобразуются детекторами 15 в постоянные напряжения, соответствующие уровням этих сигналов, которые поступают на входы схемы 16, которая срабатывает в случае возникновения на одном из входов в некоторый промежуток времени t приращения напряжения U по отношению к напряжениям на других входах, превышающее пороговое напряжение срабатывания схемы 16 U_пор, возможного при соприкосновении человека с токоведущими частями нагрузки. В этом случае человек представляет собой дополнительный источник ЭДС верхних частот, включаемый несимметрично по отношению ко всем линиям питания и создающий приращения уровней сигналов в линиях, различающиеся между собой в зависимости от комплексных сопротивлений для частоты электромагнитного поля f между точкой соприкосновения и точками подключения соответствующих линий к нагрузке. Разница между напряжениями на входах схемы 16 действует в течение времени, определяемого комплексной взаимосвязью между линиями питания нагрузки. После срабатывания схема 16 приводит в действие выключатель 8, отключающий нагрузку от сети, и устройство 9, блокирующее возможность воздействия на человека остаточной энергии нагрузки.

Согласно стандарту МЭК 479 кривая зависимости допустимых токов соприкосновения в зависимости от времени соприкосновения I_соп (t_соп) в логарифмическом масштабе имеет линейный характер и проходит через точки 10 мА (2 с) и 200 мА (10 мс). Минимальное сопротивление человека в нормальных условиях для частоты 50 Гц можно принять равным 1 кОм. Тогда максимально-допустимое время воздействия сетевого напряжения 1000 В на человека можно определить как t_{соп.мин} = 0,75 мс.

Время срабатывания устройства определяется общей задержкой в цепи обратной связи между моментом соприкосновения и моментом отключения линий от сети t_ср = t_лин + t_фвч+ t_иу + t_д + t_сс + t_откл + t_блок, где t_лин - время задержки распространения сигналов в линиях питания и в нагрузке; t_фвч - время задержки сигналов в фильтрах 13 верхних частот; t_иу - время задержки сигналов в избирательных усилителях 14; t_д - время задержки преобразования сигналов в детекторах 15; t_сс - время задержки срабатывания схемы 16 сравнения; t_откл - время отключения линий питания нагрузки от источника электропитания; t_блок - время блокирования остаточной энергии нагрузки.

Время задержки распространения сигналов в линиях питания и в нагрузке t_лин = l_лин / с,
здесь l_лин - длина токоведущих линий нагрузки и линий питания;
c - скорость света (300 000 000 м/с).

Фильтры 13 и избирательные усилители 14 представляют собой инвариантные во времени устройства, которые независимо от способа реализации можно представить как n включенных последовательно четырехполюсников с общей передаточной характеристикой

здесь H_i(р) = Re(H_i) + Im(H_i) - передаточная характеристика i-го четырехполюсника, равная сумме действительной Re(H_i) и мнимой I_m(H_i) составляющих.

Общая фазочастотная характеристика

Таким образом
t_фвч + t_иу < n/4f
Время задержки выпрямления сигнала в детекторе 8 можно определить как
t_д = 10 T_зар
здесь T_зар << T_раз - постоянная времени зарядки емкости детектора, где
T_раз >> 1/f - постоянная времени разрядки емкости детектора.

Примем T_раз = 1/f, а t_д = 10/f.

Время задержки срабатывания схемы 9, например, для компаратора 597СА1
t_сс = 6,5 нс.

Время отключения нагрузки от сети выключателем 2, например, для вентильного выключателя, построенного на оптотиристорах ТО 125-12,5(-7)
t_откл = t_{выкл.тир},
здесь t_{выкл.тир} = 10 мкс - время выключения оптотиристора.

Время блокирования остаточной энергии нагрузки, например, для варианта короткозамкнутого шунтирования нагрузки через оптотиристор ТО 125-12,5(-7)
t_блок = t_{вкл.тир},
здесь t_{вкл.тир} = 1 мкс - время включения оптотиристора.

Таким образом при l_лин = 30 м и f = 1 МГц
t_ср = t_откл = 10_мкс << t_{соп.мин} = 750 мкс,
следовательно предлагаемый способ можно использовать для защиты человека от поражения электрическим током в сетях с изолированной нейтралью с напряжением до 1000 В. При этом обеспечивается возможность свободной работы человека в опасной зоне за счет примененного принципа работы соответствующего способу устройства.

Предлагаемый способ обеспечивает надежную защиту человека или животного от попадания под напряжение и может быть использован для создания эффективных, простых и удобных устройств, систем и схем защиты живых объектов от поражения электрическим током в сетях с изолированной нейтралью с напряжением до 1000 В, а также в других схемах электропитания.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 553707, МКИ H 02 H 5/12, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР N 681498, МКИ H 02 H 5/12, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР N 540325, МКИ H 02 H 5/12, 1973.

Формула изобретения

Способ защиты человека от поражения электрическим током путем создания электромагнитного поля в опасной зоне, наведения в теле человека ЭДС при попадании части его тела в указанную зону и подачи сигнала на исполнительное устройство, отличающийся тем, что подачу сигнала осуществляют путем замыкания ЭДС на исполнительное устройство через токоведущие линии нагрузки и линии питания нагрузки в момент соприкосновения человека с токоведущими линиями нагрузки, находящимися под опасным напряжением.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2