Устройство для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью

 

Устройство для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью относится к области электротехники и может найти применение в селективной системе защиты людей от поражения электрическим током в случае однофазного прикосновения к токоведущим частям электрооборудования или оказавшимся под напряжением нетоковедущим частям в результате повреждения изоляции токоведущих, а также защиты участка электрической сети от сверхтока в результате однофазного замыкания на заземленные (зануленные) элементы металлоконструкций электрооборудования. Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение потребляемой электрической энергии с повышением надежности и долговечности. В результате использования предлагаемого изобретения резко ограничивается влияние тока небаланса и помех, повышенная надежность и долговечность, а также снижается потребление электрической энергии. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что сокращено число активных элементов схемы усилителя А с перенесением функции формирования частотной характеристики на пассивные элементы (конденсаторы, резисторы), а также использованием отрицательного смещения на управляющий электрод тиристора. 3 с. п.ф-лы, 3 ил.

Устройство для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью относится к области электротехники и может найти применение в селективной системе защиты людей от поражения электрическим током в случае однофазного прикосновения к токоведущим частям электрооборудования или оказавшимся под напряжением нетоковедущим частям в результате повреждения изоляции токоведущих, а также защиты участка электрической сети от сверхтока в результате однофазного замыкания на заземленные (зануленные) элементы металлоконструкций электрооборудования.

Известно устройство для защитного отключения, содержащее дифференциальный трансформатор, промежуточный полупроводниковый усилитель с включенным на его выходе коммутационным аппаратом и источник питания (а.с. СССР N 1663679 МКИ⁶ H 02 H 3/16/БИ N 26 1991).

В этом устройстве в рабочем (дежурном) режиме практически все элементы схемы обтекаются током, что сокращает срок службы и увеличивает энергопотребление. Кроме того, обладая высоким входным сопротивлением (порядка 280 - 400 кОм) промежуточный усилитель имеет низкую помехозащищенность, резко ограничивающую область применения схемного решения.

Из известных устройств, где в значительно меньшей мере проявляются указанные недостатки, наиболее близким по техническом сущности к заявляемому устройству относится устройство для защитного отключения, содержащее трансформатор тока нулевой последовательности (дифференциальный трансформатор) с последовательно включенными на его выходе транзисторным трехкаскадным усилителем с непосредственной связью и расцепителем, в выходную цепь выходного транзистора усилителя включен частотно-избирательный контур, образованный последовательно соединенными катушкой расцепителя и резистором, которые шунтированы конденсатором, а диод положительной обратной связи подключен между базой промежуточного транзистора и коллектором выходного транзистора усилителя (а.с. СССР N 450270 МКИ⁶ H 02 H 3/16/БИ N 42 1974).

Коммутационный аппарат этого устройства в рабочем (дежурном) режиме не обтекается током, а промежуточный усилитель заперт и имеет несколько меньшее энергопотребление (в основном в виде потерь тепловых в параметрическом стабилизаторе напряжения).

Недостатками прототипа являются значительное потребление электрической энергией, ограниченный срок эксплуатации и весьма низкая надежность этого устройства.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение потребляемой электрической энергии с повышением надежности и долговечности.

В результате использования предлагаемого изобретения резко ограничивается влияние тока небаланса и помех, повышается надежность и долговечность, а также снижается потребление электрической энергии.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что сокращено число активных элементов схемы усилителя А с перенесением функции формирования частотной характеристики на пассивные элементы (конденсаторы, резисторы), а также использованием отрицательного смещения на управляющий электрод тиристора.

В устройстве для защитного отключения в электрической сети с заземленной нейтралью, содержащем дифференциальный трансформатор и катушку электромагнита отключения коммутационного аппарата, вторичная обмотка дифференциального трансформатора соединена первым выводом с первыми выводами второго конденсатора, второго и третьего резисторов, анодами первого диода, стабилитрона, и эмиттером транзистора, второй вывод дифференциального трансформатора через последовательно включенный первый резистор присоединен ко вторым выводам вторых конденсатора и резистора, катоду первого диода и базе транзистора, ко второму выводу третьего резистора подключены первые выводы четвертого конденсатора, седьмого, восьмого резисторов и анод тиристора, к катоду которого подключены второй вывод восьмого резистора и анод второго диода, к управляющему электроду тиристора присоединены первый вывод шестого резистора, первый вывод третьего конденсатора и коллектор транзистора, второй вывод шестого резистора присоединен к катоду второго диода, вторым выводам третьего конденсатора, четвертого резистора, катоду стабилитрона и первому выводу катушки электромагнита, вторым выводом присоединенной к минусовому выводу выпрямительного моста и второму выводу четвертого конденсатора, к плюсовому выводу моста подключен второй вывод седьмого резистора, а в одно из плеч питания моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор.

В устройство для защитного отключения в электрической сети с заземленной нейтралью введены первый конденсатор и пятый резистор, при этом первый конденсатор включен параллельно вторичной обмотке дифференциального трансформатора, а пятый резистор включен между соединенными коллектором транзистора и первым выводом третьего конденсатора и соединенными управляющим электродом тиристора и первым выводом шестого резистора.

В устройство для защитного отключения в электрической сети с заземленной нейтралью, содержащее дифференциальный трансформатор и катушку электромагнита отключения коммутационного аппарата, введены первый конденсатор, подключенный параллельно ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора и соединенный первым выводом с первыми выводами вторых конденсатора и резистора, катодом первого диода и управляющим электродом тиристора, ко второму выводу первого конденсатора через последовательно включенный первый резистор присоединен второй вывод второго конденсатора, анод первого диода, второй вывод восьмого резистора, анод второго диода и катод тиристора, к аноду которого присоединены первые выводы седьмого, восьмого резисторов и четвертого конденсатора, вторым выводом соединенного со вторым выводом катушки электромагнита и с минусовым выводом выпрямительного моста, к плюсовому выводу которого присоединен второй вывод седьмого резистора, катод второго диода соединен со вторым выводом второго резистора и первым выводом катушки электромагнита, а в одно из плеч питания моста от электрической сети включен последовательно последний резистор.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3.

На фиг. 1 представлена общая схема устройств для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью, базовый вариант А (п.2 формулы).

На фиг. 2 представлена схема устройства для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью, типовой (массовый) вариант Б (п. 1 формулы).

На фиг. 3 представлена схема устройства для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью, упрощенный вариант В (п.3 формулы).

Устройство для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью содержит дифференциальный трансформатор тока ДТ с первичными I и вторичной обмоткой II, первый конденсатор 1 (1), первый резистор 2(1), второй конденсатор 3 (2), первый диод 4(1), второй резистор 5(2), третий резистор 6 (3), четвертый резистор 7 (4), стабилитрон 8, транзистор 9, третий конденсатор 10 (3), пятый резистор 11 (5), шестой резистор 12 (6), тиристор 13, второй диод 14 (2), седьмой резистор 15 (7), восьмой резистор 16 (8), четвертый конденсатор 17 (4), девятый резистор 18 (9), варистор 19, выпрямительный мост 20, катушку электромагнита 21, десятый резистор 22 (10) с кнопкой "Тест" в цепи контроля исправности.

На фиг. 1 к вторичной обмотке дифференциального трансформатора ДТ параллельно подключен первый конденсатор усилителя 1(1), который соединен первым выводом с первыми выводами второго конденсатора 3(2), второго 5 (2) и третьего 6 (3) резисторов, анодами первого диода 4 (1), стабилитрона 8 и эмиттером транзистора 9. Ко второму выводу первого конденсатора 1 (1) через последовательно включенный первый резистор 2 (1) присоединены вторые выводы вторых конденсатора 3 (2) и резистора 5 (2), катод первого диода 4 (1) и база транзистора 9. Ко второму выводу третьего резистора подключены первые выводы четвертого конденсатора 17 (4), седьмого 15 (7), восьмого 16 (8) резисторов и анод тиристора 13, к катоду которого подключены второй вывод восьмого резистора 16 (8) и анод второго диода 14 (2). К управляющему электроду тиристора 13 присоединены первые выводы пятого 11 (5), шестого 12 (6) резисторов. Второй вывод пятого резистора 11 (5) присоединен к первому выводу третьего конденсатора 10 (3) и коллектору транзистора 9, второй вывод шестого резистора 12 (6) присоединен к катоду второго диода 14 (2), вторым выводам третьего конденсатора 10 (3), четвертого резистора 7 (4), катоду стабилитрона 8 и первому выводу катушки электромагнита 21, вторым выводом присоединенный к минусовому выводу выпрямительного моста 20 и второму выводу четвертого конденсатора 17 (4). К плюсовому выводу моста 20 подключен второй вывод седьмого резистора 15 (7), а в одно из плеч питания моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор 18 (9).

На фиг. 2 к управляющему электроду тиристора 13 присоединены первые выводы шестого резистора 12 (6), третьего конденсатора 10 (30) и коллектор транзистора 9, а первый конденсатор отсутствует.

На фиг. 3 первый конденсатор 1(1) усилителя подключен параллельно ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора ДТ и соединен первым выводом с первыми выводами вторых конденсатора 3(2) и резистора 5(2), анодом первого диода 4(1) и управляющим электродом тиристора 13 ко второму выводу первого конденсатора 1(1) через последовательно включенный первый резистор 2(1) присоединены вторые выводы вторых конденсатора 3(2) и резистора 5(2), катод первого диода 4(1), второй вывод восьмого резистора 16(8), анод второго диода 14(2) и катод тиристора 13, к аноду которого присоединены первые выводы седьмого 15(7), восьмого 16(8) резисторов и четвертого конденсатора 17(4), вторым выводом соединенного со вторым выводом катушки электромагнита 21 и с минусовым выводом выпрямительного моста 20, к плюсовому выводу которого присоединен второй вывод седьмого резистора 15(7). Катод второго диода 14(2) соединен со вторым выводом второго резистора 5(2) и первым выводом катушки электромагнита 21, а в одно из плеч питания моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор 18(9).

Предлагаемое устройство для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью работает следующим образом.

При замыкании нормально разомкнутых контактов коммутационного аппарата К (выключателя) переменный ток подается одновременно через силовые обмотки I дифференциального трансформатора ДТ в нагрузку и на соответствующие выводы выпрямительного моста 20. Сглаживающий конденсатор 17 (4) заряжается через резистор 15(7), ограничивающий скорость dU/dt нарастание напряжения на аноде тиристора 13. Одновременно выпрямленное напряжение через резистор 16 (8) подается на катод тиристора 13. Диод 14 (2) выполняет роль параметрического стабилизатора с малыми потерями и с его анода стабилизированное напряжение смещения в -0,7 - 0,8 В через резистор 12 (6) (в варианте В - регулируемый) подается на управляющий электрод тиристора, предохраняя его от случайного открытия и определяя рабочую точку.

При появлении дифференциального тока (утечки) на землю в обмотке II трансформатора ДТ индуктируется напряжение, примерно пропорциональное этому току (через коэффициент передачи трансформатора ДТ). Отрицательная полуволна напряжения обмотки II через П-образный RC фильтр, состоящий из конденсаторов 1 (1) и 3 (2) резистора 2 (1) (входной контур) прикладывается к базе транзистора 9, имеющего свой сверхмаломощный стабилизированный параметрический источник питания (0,0025 Вт), состоящий из стабилитрона 8 и резисторов 6 (3) и 15 (7). Транзистор 9 работает в линейном усилительном режиме с низким входным сопротивлением в широком диапазоне температур окружающей среды, что позволяет обойтись без принятия специальных мер по термокомпенсации изменения его рабочего режима.

Конденсатор 10 (3), подключенный к коллектору транзистора 9, заряжается положительно. Как только напряжение на нем превысит (с учетом напряжения смещения) порог открытия тиристора 13, с небольшой задержкой, определяемой величиной резистора 11 (5), происходит разряд конденсатора 10 через управляющую цепь тиристора 13 (управляющий электрод-катод) и анод-катод диода 14 (2). Тиристор 13 открывается, замыкая цепь питания катушки 21, в свою очередь сдергивающей защелку механизма отключения коммутационного аппарата К.

Регулировка чувствительности (уставки) срабатывания усилителя осуществляется шунтированием (снижением входного сопротивления транзистора 9) регулируемым (или подбираемым) резистором 5 (2). Резистор 7(4) создает небольшое отрицательное смещение на базу транзистора 9, в нормальном режиме шунтируемое низким сопротивлением входного контура, но при обрыве в цепи этого контура и резком повышении входного сопротивления, указанное смещение вызывает автоматическое отключение устройства для защитного отключения (самоконтроль исправности).

Конденсаторы 1 (1), 3(2) и резистор 2 (1) формируют частотную передаточную характеристику входного контура, включающего в себя обмотку II трансформатора ДТ; диод 4 (1) шунтирует положительную полуволну сигнала входного контура, резистор 5 (2) - нагрузка входного контура и определяет рабочую точку транзистора 9, резисторы 6 (3), 15 (7) и стабилитрон 8 - параметрический сверхмаломощный стабилизатор напряжения питания транзистора 9, резистор 7 (4) обеспечивает отрицательное смещение на базу транзистора 9 при обрыве цепи входного контура, вызывая отключение устройства для защитного отключения.

Конденсатор 10 (3) и резисторы 11 (5) и 12 (6) формируют постоянную времени срабатывания устройства, резисторы 15 (7), 16 (8) и диод 14 (2) формируют отрицательное (запирающее) смещение на управляющем электроде тиристора 13, резистор 15 (7) и конденсатор 17 (4) ограничивают скорость нарастания и пульсации выпрямленного напряжения на аноде тиристора 13 (исключая самопроизвольное его открытие) при подключении устройства к электрической сети и амплитудных всплесках в ней, резисторы 15 (7) и 18 ограничивают ток в катушке 21 электромагнита при открытии тиристора 13, резистор 18 и варистор 19 снимают импульсы перенапряжения, приходящие из электрической сети (например, при грозовых разрядах), повышая устойчивость усилителя А, резистор 22 (10) с кнопкой "Тест" - общепринятая цепь проверки функционирования устройства для защитного отключения.

Данное изобретение используется в подготавливаемом к производству фирмой Тронлинекс автомате дифференциальном серии АД 12...УЛХЧ (21 модификация).

Формула изобретения

1. Устройство для защитного отключения в электрической сети с заземленной нейтралью, содержащее дифференциальный трансформатор и катушку электромагнита отключения коммутационного аппарата при замыкании замыкающих контактов которого ток от электрической сети через силовые обмотки дифференциального трансформатора подается в нагрузку и на соответствующие выводы выпрямительного моста, отличающееся тем, что вторичная обмотка дифференциального трансформатора соединена первым выводом с первыми выводами второго конденсатора, второго и третьего резисторов, катодами первого диода, стабилитрона, и эмиттером транзистора, второй вывод дифференциального трансформатора через последовательно включенный первый резистор присоединен ко вторым выводам вторых конденсатора и резистора, аноду первого диода и базе транзистора, ко второму выводу третьего резистора подключены первые выводы четвертого конденсатора, седьмого, восьмого резисторов и анод тиристора, к катоду которого подключены второй вывод восьмого резистора и анод второго диода, к управляющему электроду тиристора присоединены первый вывод шестого резистора, первый вывод третьего конденсатора и коллектор транзистора, второй вывод шестого резистора присоединен к катоду второго диода, вторым выводам третьего конденсатора, четвертого резистора, аноду стабилитрона и первому выводу катушки электромагнита, вторым выводом присоединенной к минусовому выводу выпрямительного моста и второму выводу четвертого конденсатора, к плюсовому выводу выпрямительного моста подключен второй вывод седьмого резистора, а в одно из плеч питания выпрямительного моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор.

2. Устройство для защитного отключения в электрической сети с заземленной нейтралью, содержащее дифференциальный трансформатор и катушку электромагнита отключения коммутационного аппарата, при замыкании замыкающих контактов которого ток от электрической сети через силовые обмотки дифференциального трансформатора подается в нагрузку и на соответствующие выводы выпрямительного моста, отличающееся тем, что содержит первый конденсатор, подключенный параллельно к вторичной обмотке дифференциального трансформатора и соединенный первым выводом с первыми выводами второго конденсатора, второго и третьего резисторов, катодами первого диода и стабилитрона, и эмиттером транзистора, ко второму выводу первого конденсатора через последовательно включенный первый резистор присоединены вторые выводы вторых конденсатора и резистора, анод первого диода и база транзистора, ко второму выводу третьего резистора подключены первые выводы четвертого конденсатора, седьмого, восьмого резисторов и анод тиристора, к катоду которого подключены второй вывод восьмого резистора и анод второго диода, к управляющему электроду тиристора присоединены первые выводы пятого, шестого резисторов, второй вывод пятого резистора присоединен к первому выводу третьего конденсатора и коллектору транзистора, второй вывод шестого резистора присоединен к катоду второго диода, вторым выводам третьего конденсатора, четвертого резистора, аноду стабилитрона и первому выводу катушки электромагнита, вторым выводом присоединенной к минусовому выводу выпрямительного моста и второму выводу четвертого конденсатора, к плюсовому выводу выпрямительного моста подключен второй вывод седьмого резистора, а в одно из плеч питания выпрямительного моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор.

3. Устройство для защитного отключения в электрической сети с заземленной нейтралью, содержащее дифференциальный трансформатор и катушку электромагнита отключения коммутационного аппарата, при замыкании замыкающих контактов которого ток от электрической сети через силовые обмотки дифференциального трансформатора подается в нагрузку и на соответствующие выводы выпрямительного моста, отличающееся тем, что введены первый конденсатор, подключенный параллельно ко вторичной обмотке дифференциального трансформатора и соединенный первым выводом с первыми выводами вторых конденсатора и резистора, катодом первого диода и управляющим электродом тиристора, ко второму выводу первого конденсатора через последовательно включенный первый резистор присоединен второй вывод второго конденсатора, анод первого диода, второй вывод восьмого резистора, анод второго диода и катод тиристора, к аноду которого присоединены первые выводы седьмого, восьмого резисторов и четвертого конденсатора, вторым выводом соединенного со вторым выводом катушки электромагнита и с минусовым выводом выпрямительного моста, к плюсовому выводу которого присоединен второй вывод седьмого резистора, катод второго диода соединен со вторым выводом второго резистора и первым выводом катушки электромагнита, а в одно из плеч питания выпрямительного моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3