Способ защиты от поражения электрическим током в индукционных установках высокой частоты

 

Изобретение относится к способам защиты от поражения электрическим током в высокочастотной электротермии и может быть использовано в установках индукционного нагрева токами высокой частоты для защиты человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении его к работающему индуктору или при косвенном прикосновении, например при прикосновении к нагреваемой заготовке, которая случайно могла контактировать с индуктором. Сущность изобретения заключается в использовании токоподводящих шин индуктора для регистрации дифференциального тока утечки, и при превышении допустимой его величины при аварийной ситуации в цепи индуктора происходит снятие напряжения с индуктора, причем допустимая величина дифференциального тока утечки выбирается из соображений электробезопасности человека и зависит от частоты источника питания. Изобретение повышает электробезопасность работы при уменьшении времени срабатывания защиты.

Настоящее изобретение относится к электротермии и может быть использовано в установках индукционного нагрева токами средней и высокой частоты для защиты человека от поражения электрическим током при прямом или косвенном прикосновении к работающему индуктору.

Известны механические способы защиты от поражения электрическим током при прямом или косвенном прикосновении к работающему индуктору [1, 2], заключающиеся в использовании экрана, заграждения, рукавиц, резиновых коврика, фартука и тому подобных средств защиты, а также способы электроизоляции самого индуктора [3] путем нанесения на его поверхность, например, лака, стеклоэмали, стеклоленты, эпоксидного компаунда и так далее. Недостатком известных механических способов защиты является то, что при их повреждении или пробое изоляции индуктора возникает опасность поражения человека электрическим током, но при этом не происходит индикации аварийного режима работы индуктора. Отключение высокочастотного тока индуктора производится ручным отключением питания индукционной установки.

Известен способ основной защиты от поражения электрическим током при прикосновении к токоведущим частям электроустановок [4], включающий применение защитных проводников в системах заземления. Следует отметить, что не все типы индукторов можно заземлить. Сложность заземления индуктора связана с тем, что схемы преобразования переменного тока 50 Гц в высокочастотный ток достаточно критичны к соединению индуктора с землей. С другой стороны, опасность возрастает, если заземление выполняется для одного вывода индуктора, а человек прикасается ко второму выводу. Недостатком известного способа защиты является то, что при прикосновении к заземленному индуктору не происходит индикации аварийного режима индуктора и снятия напряжения с индуктора и обслуживающий персонал подвергается опасности поражения электрическим током, даже если он касается противоположной стороны индуктора, которая заземлена.

Известен способ обеспечения безопасной эксплуатации электроприборов, реализуемый в устройствах защитного отключения [5]. Способ включает в себя автоматическое отключение питания индукционной установки, при этом минимизируется продолжительность протекания тока через тело человека. Так, в установках индукционного нагрева с ламповыми генераторами [6] предусмотрено защитное отключение питания установки при межвитковом пробое индуктора, который характеризуется протеканием воды в месте пробоя, падением напряжения на индукторе и увеличением тока генератора. В установках индукционного нагрева с транзисторными и тиристорными генераторами в качестве источников питания [7, 8] предусмотрено защитное автоматическое отключение питания при возникновении токов перегрузки, при внутреннем коротком замыкании, при касании токоведущих частей корпуса установки, на который произошло замыкание провода питания (фазного провода промышленной сети 50 Гц). Недостатком известного способа защитного отключения является то, что высокочастотные установки не имеют индикации аварийного режима работы индуктора при прямом или косвенном прикосновении человека к работающему индуктору и не позволяют произвести автоматическое отключение индуктора, не отключая установку в целом.

Прототипом предлагаемого изобретения следует считать способ защиты от поражения электрическим током при прямом или косвенном прикосновении, основанный на регистрации дифференциального тока в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке, и реализованный в устройстве защитного отключения [9]. Устройство по прототипу устанавливается на входе электрозащищаемой установки на промышленной частоте 50 Гц. Устройство позволяет регистрировать дифференциальный ток, измерить его, сравнить его величину с допустимой величиной тока отключения и отключить защищаемую электроустановку при превышении допустимой величины дифференциального тока. Сущность способа состоит в том, что при отсутствии дифференциального тока - тока утечки токи в прямом и обратном проводниках, образующих встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока, равны по модулю и наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но векторно встречно направленные магнитные потоки, в результате чего ток во вторичной обмотке равен нулю и не вызывает срабатывания порогового элемента блока управления. При возникновении дифференциального тока утечки происходит срабатывание порогового элемента, воздействующего на исполнительный механизм, который и обесточивает цепь. Указанный способ защиты представляет собой надежный быстродействующий защитный выключатель. Недостатком способа, реализованного в устройстве по прототипу, является то, что он не позволяет регистрировать высокочастотный дифференциальный ток утечки индуктора на землю в схеме так называемого тройного рода тока, когда имеется гальваническая связь между цепями с преобразуемым напряжением 50 Гц в постоянный ток и далее в высокочастотный ток, а транзисторы и тиристоры обладают достаточно хорошими свойствами - не пропускать обратный ток или ток утечки обратно в сеть или в выпрямленную часть электрической схемы.

В связи с указанным недостатком существует задача применения способа защитного отключения, управляемого дифференциальным током промышленной частоты, для работающего высокочастотного индуктора в установках индукционного нагрева с целью повышения электробезопасности персонала путем минимизации времени протекания электрического тока через тело человека.

Поставленная задача решается авторами следующим образом.

В известном способе защиты от поражения электрическим током, включающем использование устройства защитного отключения для регистрации дифференциального тока в проводниках, подводящих энергию к защищаемой электроустановке, сравнения величины дифференциального тока с его допустимой величиной и для отключения защищаемой электроустановки при превышении допустимой величины дифференциального тока, устройство защитного отключения устанавливают в индукционной установке высокой частоты на стороне промышленной частоты 50 Гц, соединяют устройство защитного отключения с защищаемой электроустановкой, которой является высокочастотный индуктор, с помощью датчика промышленной частоты устройства защитного отключения, согласующих устройств и датчика высокочастотного дифференциального тока, который устанавливают на токоподводящие шины индуктора; с помощью датчика высокочастотного дифференциального тока производят регистрацию высокочастотного дифференциального тока утечки индуктора, возникающего при прохождении тока в прямом и обратном направлении через токоподводящие шины работающего индуктора, и при превышении допустимой величины высокочастотного дифференциального тока утечки через согласующие устройства подают аварийный сигнал на вход датчика дифференциального тока промышленной частоты устройства защитного отключения, и в результате срабатывания порогового элемента устройства защитного отключения производят отключение высокочастотного тока в токоподводящих шинах индуктора и снятие напряжения с индуктора, причем допустимую величину высокочастотного дифференциального тока утечки выбирают из соображений безопасности человека и в зависимости от частоты тока.

Технический результат от применения предлагаемого способа состоит в том, что при прямом или косвенном прикосновении человека к работающему индуктору происходит отключение высокочастотного тока в индукторе и снятие напряжения с индуктора, обеспечивая безопасную работу персонала, без отключения индукционной установки от сети. Это происходит потому, что при прикосновении человека к индуктору через тело человека на землю и через проводимости токоподводящих шин на землю течет ток утечки, при этом в токоподводящих шинах индуктора возникает разностный высокочастотный ток, наличие которого дает сигнал на отключение и обесточивание индуктора. Таким образом, автоматически минимизируется время прохождения высокочастотного тока через тело человека.

Технический результат достигается использованием токоподводящих шин индуктора в качестве проводников, на которых устанавливается датчик высокочастотного дифференциального тока. Это возможно благодаря особенностям конструкции индуктора для индукционного нагрева токами высокой частоты, который состоит из индуктирующего провода и двух токоподводящих шин, расположенных как можно ближе друг к другу, на расстоянии нескольких миллиметров, с тем, чтобы индуктивность была минимальной [1]. Токи, протекающие в шинах, равны по величине и противоположны по направлению. Токоподводящие шины имеют жесткую фиксированную конструкцию, что позволяет установить на них датчик высокочастотного дифференциального тока.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Для того чтобы защитить персонал от поражения электрическим током при прямом или косвенном прикосновении к работающему высокочастотному индуктору, высокочастотный ток в котором достигает величины нескольких тысяч ампер, используется устройство защитного отключения, управляемое дифференциальным током [3] . Указанное устройство содержит в своем составе пороговый элемент для отключения защищаемой электроустановки и датчик дифференциального тока промышленной частоты. На высокочастотной стороне индукционной установки на токоподводящие шины индуктора устанавливается датчик высокочастотного дифференциального тока. Оба датчика соединяются между собой согласующими устройствами таким образом, что сигнал о наличии тока утечки в индукторе мгновенно поступает в устройство защитного отключения. При работе индуктора ток высокой частоты поступает в первую токоподводящую шину, затем в индуктирующий провод (собственно индуктор) и идет обратно через вторую токоподводящую шину. При нормальном режиме работы индуктора токи в токоподводящих шинах равны по величине и противоположны по направлению и величина высокочастотного дифференциального тока, регистрируемого датчиком высокочастотного дифференциального тока, равна нулю. При прямом или косвенном прикосновении человека к индуктору через заготовку или металлическую загрузку, например шихту, которые случайно касаются какой-либо части индуктора, возникает утечка высокочастотного тока через тело человека на землю. Датчик высокочастотного дифференциального тока регистрирует величину высокочастотного тока утечки и сравнивает его с допустимой величиной тока утечки. При превышении допустимой величины высокочастотного тока утечки информация об аварийной ситуации через согласующее устройство передается на датчик дифференциального тока промышленной частоты 50 Гц защитного устройства отключения. При этом происходит срабатывание порогового элемента устройства защитного отключения, которое приводит к отключению высокочастотного тока в индукторе и снятию с него напряжения, не отключая индукционную установку от сети питания. Таким образом, предлагаемый способ позволяет автоматически минимизировать время прохождения электрического тока через тело человека, не отключая установку. Кроме того, при аварийных ситуациях на самом индукторе, например при пробое индуктора или при резком уменьшении величины изоляции относительно земли, баланс токов в токоподводящих шинах нарушается и датчик высокочастотного дифференциального тока также регистрирует наличие высокочастотного тока утечки. Современные устройства защитного отключения, а также датчики и согласующие элементы включают в себя быстродействующие электронные компоненты и имеют надежные механизмы привода, что обеспечивает надежную безопасность человека при его работе на установках индукционного нагрева токами высокой и повышенной частоты.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ Для эксперимента использовали высокочастотную транзисторную индукционную установку частотой 66 кГц для пайки резцов, разработанную в НПФ "ФРЕАЛ и К^o". Конструкцию индуктора выбирали в зависимости от геометрических параметров резца. Для эксперимента выбрали резцы длиной от 10 см до 20 см и сечением 10•10 мм. Для пайки использовали плоский одновитковый индуктор, выполненный из меди.

1. Защиту от поражения электрическим током осуществляли при помощи экрана. При питании от трехфазной сети 50 Гц с изолированной нейтралью использовали заземление корпуса транзисторного генератора для уменьшения напряжения прикосновения при пробое одной фазы питающей сети 50 Гц на корпус. В процессе отработки технологии пайки и при замене резцов приходилось убирать экран, и при этом случались аварийные ситуации при неосторожном прямом касании индуктора руками или резцом, что приводило к ожогам и поражению электрическим током, но при этом отсутствовала индикация аварийного режима на панели генератора и степень поражения электрическим током зависела от поведения человека - как быстро он смог убрать руку или как быстро была выключена установка. Следует отметить, что при работе использовали защитные рукавицы и убедились, что они не являются достаточной электрической изоляцией, чтобы избежать поражения от токов утечки.

2. Провели эксперимент по использованию предлагаемого способа защиты. На стороне 50 Гц индукционной установки установили устройство защитного отключения для регистрации дифференциального тока. Оно являлось основным и использовалось для отключения преобразователя частоты при замыкании фазы на землю, поскольку при контакте человека с корпусом ток промышленной частоты, протекающий через тело человека, достигает 220 мА. Время срабатывания устройства защитного отключения составляло не более 0,2 секунды. Дифференциальный ток по частоте 50 Гц устройства защитного отключения составлял 10 мА. Датчик дифференциального тока высокой частоты, установленный на токоподводящих шинах индуктора, подключали к датчику устройства защитного отключения через усилитель. Для исключения наводок использовали "витую пару". Шины имели длину 20 мм, диаметр 10 мм. Расстояние между шинами составляло 2 мм. Пороговое значение дифференциального тока высокой частоты выбирали равным 23,1 мА из условия 0,35f мА, где f - частота тока в килогерцах, но не выше 0,4f мА, и не более 40 мА при частоте тока большей или равной 100 кГц. Провели эксперимент по созданию аварийной ситуации на индукторе, при котором искусственно смоделировали ситуацию утечки тока индуктора на землю. В качестве сопротивления тела человека использовали резистор 1000 Ом. Ток утечки через резистор измеряли миллиамперметром, и он составил 50 мА. В результате зафиксировали отключение установки от сети питания через 0,1 секунды. В связи с явными достоинствами опробованного способа защиты приняли решение использовать указанный способ защиты в установках индукционного нагрева токами высокой частоты.

Источники информации 1. Инструкция по применению индукционного нагрева токами высокой частоты на заводах министерства. Министерство автомобильной и тракторной промышленности СССР. В.П. Вологдин. 1952, 40 с.

2. А.П. Лазарев, И.Л. Щербакова, Л.А. Яковлев. Устройства защиты электротермических установок с машинными преобразователями частоты. Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИ ТВЧ. Выпуск 14. Ленинград, "Машиностроение", Ленинградское отделение, 1974, с. 191.

3. Применение токов высокой частоты в электротермии. /Под ред. А.Е. Слухоцкого. Л., "Машиностроение", 1973, с. 187.

4. ГОСТ Р 50571.3-93. П.412.

5. Патент Германии DRP 552678 от 08.04.1928.

6. Правила технической эксплуатации и безопасности обслуживания электроустановок промышленных предприятий. М. - Л., Госэнергоиздат, 1962. 268 с.

7. Свидетельство РФ на полезную модель 12756.

8. Свидетельство РФ на полезную модель 14479.

9. ГОСТ Р50807-95 (МЭК 755-83) "Устройства защитные, управляемые дифференциальным (остаточным) током".

Формула изобретения

Способ защиты от поражения электрическим током в индукционных установках высокой частоты, включающий использование устройства защитного отключения для регистрации дифференциального тока в проводниках, подводящих энергию к защищаемой электроустановке, сравнения величины дифференциального тока с его допустимой величиной и для отключения защищаемой электроустановки при превышении допустимой величины дифференциального тока, отличающийся тем, что устройство защитного отключения устанавливают на стороне промышленной частоты 50 Гц индукционной установки высокой частоты, соединяют устройство защитного отключения с защищаемой электроустановкой, которой является высокочастотный индуктор, с помощью датчика промышленной частоты устройства защитного отключения, согласующих устройств и датчика высокочастотного дифференциального тока, который устанавливают на токоподводящие шины индуктора, с помощью датчика высокочастотного дифференциального тока производят регистрацию высокочастотного дифференциального тока утечки индуктора, возникающего при прохождении тока в прямом и обратном направлении через токоподводящие шины работающего индуктора, и при превышении допустимой величины высокочастотного дифференциального тока утечки через согласующие устройства подают аварийный сигнал на вход датчика дифференциального тока промышленной частоты устройства защитного отключения, и в результате срабатывания порогового элемента устройства защитного отключения производят отключение высокочастотного тока в токоподводящих шинах индуктора и снятие напряжения с индуктора, причем допустимую величину высокочастотного дифференциального тока утечки выбирают из соображений безопасности человека и в зависимости от частоты тока.