Устройство защиты и контроля сопротивления изоляции

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты и контроля сопротивления изоляции электротехнических систем и установок. Технический результат заключается в упрощении устройства, увеличении его чувствительности путем изменения измерительной цепи. Для этого в устройство защиты и контроля сопротивления изоляции, содержащее три резистора, соединенные одними выводами и подключенные к фазам сети другими, последовательно с упомянутыми резисторами включен источник постоянного напряжения и измерительная цепь, соединенная с корпусом, источник выполнен стабилизированным, а измерительная цепь выполнена в виде резистивного делителя, подключенного к инверсному входу операционного усилителя, выход которого подключен ко входу компаратора, выход которого подключен ко входам (через диодную развязку) двух транзисторных ключевых усилителей. При уменьшении сопротивления изоляции ниже допустимого значения включается ключ, индицирующий аварийное состояние и(или) отключающий электротехническую систему от сети. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах защиты электротехнических установок в трехфазных (многофазных) сетях с изолированной нейтралью напряжением, в основном, до 1 кВ.

Известны устройства контроля и защиты электротехнической системы [1], содержащие, в частности, датчик контроля сопротивления изоляции, выполненный в виде емкостного датчика нулевой последовательности, подключенного к каждой из фаз, выход которого подключен к исполнительному элементу контроля, соединенному с исполнительным органном контроля, устройство индикации и стабилизатор напряжения (источник питания), обеспечивающий электропитанием электронные узлы системы контроля и защиты.

Основным недостатком такого устройства является отсутствие реакции на симметричное снижение изоляции в цепи с изолированной нейтралью.

Известен принцип построения системы защитного отключающего устройства (УЗО) с использованием оперативного постоянного тока [2]. Принцип действия его заключается в том, что с помощью трансформатора- дросселя (ДТ) по схеме "звезда" образуется искусственная нулевая точка, последовательно с общей точкой ДТ подключен дроссель (Д), токовое реле (РТ) и источник постоянного тока, один из выводов которого подключен к корпусу ("земле"), ток, протекающий по цепи, и является аварийным током.

Общим недостатком последовательного включения Д, ДТ и РТ является пониженная чувствительность устройства и электробезопасность, т.е. при определенных условиях система может оказаться неработоспособной. Кроме того, отсутствие регулировок снижает область ее применения.

Известно также устройство [3], выполненные по принципу [2], являющееся наиболее близким к предлагаемому принятому за прототип. Оно содержит трансформатор-дроссель ДТ, включенный "звездой" последовательно с дросселем Д; источник питания реле образован с помощью вторичной обмотки одной из фаз ТД, в качестве датчика включены три резистора, подключенные одними выводами к фазам сети, другими, объединенными в общую точку, к которой последовательно подключена одним выводом измерительная цепь, содержащая источник постоянного тока и исполнительный элемент, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу ("земле").

Недостатками прототипа являются: - наличие трансформаторов и дросселей в трехфазных цепях что усложняет устройство; - дискретность регулировки, определяемой только током срабатывания реле; сравнительно низкая чувствительность, определяемая индуктивным сопротивлением дросселя и током срабатывания реле.

Целью изобретения является упрощение устройства, увеличение чувствительности. Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем три резистора, подключенные одними выводами к фазам сети, другие объединены в общую точку, к которой одним выводом подключена измерительная цепь, содержащая источник постоянного напряжения и исполнительный элемент, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу, источник постоянного напряжения выполнен стабилизированным, между корпусом и общей точкой соединения резисторов установлен конденсатор, измерительная цепь выполнена в виде двух последовательно включенных резисторов, включенных между одним из полюсов стабилизированного источника постоянного напряжения, другой полюс которого подключен к общей точке соединения трех резисторов и корпусом, средняя точка последовательно включенных резисторов подключена к инверсному входу операционного усилителя, прямой вход которого подключен к средней точке введенного двухполярного источника, выход операционного усилителя подключен к инверсному входу компаратора, прямой вход которого подключен к переменному выводу резистивного делителя, подключенного к средней точке двухполярного источника и его отрицательному выводу, выход компаратора через диодную развязку подключен к базовым цепям двух ключевых транзисторных усилителей, в коллекторные цепи которых включены индикаторы и (или) исполнительные элементы нормального и аварийного состояний.

На чертеже изображена структурно-принципиальная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор сети 1 (может быть расположен вне устройства), резисторы 2, подключенные одними из выводов к каждой фазе сети, другими, образующими общую точку, к одному из выводов полюсов стабилизированного источника постоянного напряжения, образованного, например, из вспомогательного трансформатора 3, первичная обмотка которого подключена к двум фазам сети, одна из вторичных - к мостовому выпрямителю 4, к выходу которого подключен емкостный фильтр 5 и параметрический стабилизатор, содержащий ограничительный резистор 6 и стабилитрон 7; другой вывод (полюс) стабилизированного источника постоянного напряжения подключен к цепи, содержащей два последовательно включенных резистора 8 и 9 (для регулировочных операций резистор 9 может быть переменным); сопротивление изоляции может быть представлено в виде трех резисторов 10, каждый из которых имеет связь с корпусом, т. е. один вывод связан с каждой фазой, в другой - с корпусом ("землей"), между общей точкой соединения резисторов 2 и корпусом ("землей") установлен конденсатор 11, двухполярный источник может быть выполнен, например, в виде вторичных обмоток трансформатора 3, двух выпрямителей, сглаживающих фильтров, стабилизаторов напряжения разных полярностей (например, KP142EH8B и KP142EH15A), включенных последовательно таким образом, что образуется средняя точка 12, положительный вывод 13 и отрицательный вывод 14, средняя точка двухполярного источника подключена к точке соединения одного из полюсов стабилизированного источника постоянного напряжения и резистора 8; точка 15 является корпусом земли, средняя точка соединения резисторов 8 и 9 подключена к инверсному входу операционного усилителя 16. Элементами обратной связи являются последовательно соединенные резисторы 17 и 18 (18 может быть, например, переменным); через ограничительный резистор 19 выход операционного усилителя 16 подключен к инверсному входу компаратора 20, прямой вход которого подключен к переменному выводу (подвижному контакту) делителя из резисторов 21 и 22, подключенных к средней точке и отрицательному выводу двухполярного источника, причем свободный вывод резистора 21 подключен к средней точке, а 22 - к отрицательному выводу, выход компаратора 20 подключен к диодной развязке ключевых транзисторных усилителей на транзисторах 23 и 24, причем катод диода 25 соединен с анодом диода 26 и подключен к выходу компаратора 20, последовательно с диодом 25 включен базовый резистор 27, а с диодом 26 - базовый резистор 28, ограничительными резисторами являются резисторы 29 и 30, включенные одними выводами к точкам соединения базы транзистора 23 и резистора 27 и базы транзистора 24 и резистора 28, другими - к эмиттерам транзисторов 23 и 24, подключенных к средней точке 12 двухполярного источника; в коллекторные цепи транзисторов 23 и 24 последовательно включены в каждый коллекторный резистор 31 и индикатор 32 и коллекторный резистор 33 и индикатор 34, причем свободные выводы индикаторов подключены соответственно к отрицательному выводу 14 двухполярного источника (для транзистора p-n-p 23) и положительному выводу 13 упомянутого двухполярного источника (для транзистора n-p-n 24).

В качестве индикаторов могут быть использованы, например, светодиоды, лампа накаливания и др. Кроме того, последовательно в цепь коллекторов (не показаны) транзисторов 23 и 24 могут быть включены датчики исполнительных элементов или исполнительные элементы, воздействующие на исполнительные органы для отключения устройства в аварийных ситуациях (т.е. когда сопротивление ниже установленных норм) и включения при нормальном режиме работы. Питание операционного усилителя 16, выполненного, например, на ИМС 140УД17Б, осуществляется от упомянутого двухполярного источника, при этом возможно подключение дополнительных цепей коррекции и регулировок, предусмотренных той или иной схемой ИМС. Аналогично от двухполярного источника осуществляется питание компаратора 20, выполненного, например, на ИМС 521СА, при этом для создания смещения и дополнительных регулировок может использоваться вторая часть ИМС и имеющийся двухполярный источник.

Устройство, изображенное на чертеже, работает следующим образом.

В нормальном режиме работы, т.е. при наличии изоляции в пределах установленных норм, на первичную обмотку трансформатора 3 поступает питание от двух фаз сети, указанное напряжение трансформируется, выпрямляется схемой выпрямления 4, фильтруется конденсатором 5 и стабилизируется параметрическим стабилизатором на элементах 6 и 7; выпрямленный и стабилизированный ток замыкается по следующей цепи: параллельно включенные резисторы 2, сеть, параллельно включенные сопротивления сети 10, корпус ("земля"), резисторы 9 и 8. То есть происходит контроль сопротивления изоляции в любой точке сети и устройства. С точки соединения резисторов 8 и 9 снимается сигнал на инверсный вход операционного усилителя 16, где элементом обратной связи является последовательно соединенные на инверсный вход и выход резисторы 17 и 18. В нормальном режиме работы этот сигнал таков, что компаратор 20 находится в состоянии, когда ключ на транзисторе 23 открыт и сигнал нормальной работы поступает оператору (или включается исполнительный орган нормальной работы). Ключ на транзисторе 24 закрыт, и аварийный сигнал отсутствует. При уменьшении сопротивления изоляции в любой точке сети и устройства (как симметричного, так и несимметричного) ток в цепи резистора 8, 9 увеличивается, закрывается в конечном итоге ключ на транзисторе 23 и включается ключ на транзисторе 24, протекает ток через элементы 33 и 34, свидетельствуя о режиме аварии (т. е. уменьшения сопротивления изоляции ниже установленных норм) и включается исполнительный орган или (и) аварийная индикация.

Конденсатор 11 выполняет ряд функций: служит для замыкания переменной составляющей при несимметричных режимах напряжения сети и сопротивления изоляции; при резком изменении сопротивления изоляции в любой из фаз, например при касании человеком токоведущих частей, на конденсаторе 11 выделяется напряжение нулевой последовательности, подключенное к части измерительной цепи, т.е. при этом увеличивается чувствительность в аварийных зажимах.

Авторами испытан макет предлагаемого устройства при напряжении сети 380/220 В, с элементами 2-80 кОм. 8-1 МОм, 9-10 кОм. Ток срабатывания составил 0,1 mA, а сопротивление изоляции имитировалось от 22 кОм до 300 кОм, т. е. при условии минимально допустимого сопротивления безопасности для человека в данной системе (20 кОм) обеспечивалось четкое срабатывание и необходимая чувствительность. При более высоких величинах сопротивления изоляции чувствительность только увеличивается, так как соотношение сопротивления изоляции и сопротивления измерительной цепи изменяется более существенно.

Таким образом, предложенное устройство имеет более простой и экономичный измерительный элемент, обладает большей чувствительностью по сравнению с прототипом и контролирует значительно больший (в прототипе до 50 кОм) диапазон изменения сопротивления изоляции надежно защищает от прикосновения к токоведущим частям. Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Источники информации 1. Патент RU 2115986, кл. H 02 H 3/20, 1998.

2. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М.: Энергия, 1979, рис. 7 - 13, с. 274.

3. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М.: Энергия, 1979, рис. 7 - 14, с. 274.

Формула изобретения

Устройство защиты и контроля сопротивления изоляции, содержащее три резистора, подключенные одними выводами к фазам сети, другие объединены в общую точку, к которой одним выводом подключена измерительная цепь, содержащая источник постоянного напряжения и исполнительный элемент, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу, отличающееся тем, что источник постоянного напряжения выполнен стабилизированным, между корпусом и общей точкой соединения резисторов установлен конденсатор, измерительная цепь выполнена в виде двух последовательно включенных резисторов, включенных между одним из полюсов стабилизированного источника постоянного напряжения, другой полюс которого подключен к общей точке соединения трех резисторов, и корпусом, средняя точка последовательно включенных резисторов подключена к инверсному входу операционного усилителя, прямой вход которого подключен к средней точке введенного двухполярного источника, выход операционного усилителя подключен к инверсному входу компаратора, прямой вход которого подключен к переменному выводу резистивного делителя, подключенного к средней точке двухполярного источника и его отрицательному выводу, выход компаратора через диодную развязку подключен к базовым цепям двух ключевых транзисторных усилителей, в коллекторные цепи которых включены индикаторы и/или исполнительные элементы нормального и аварийного состояний.

РИСУНКИ

Рисунок 1