Устройство заземления и защиты от перенапряжения

Изобретение относится к заземлению электронной схемы в приборе, принадлежащем к низковольтной системе с максимальным напряжением переменного тока 1000 В или максимальным напряжением постоянного тока 1500 В, в которой прибор находится под напряжением силовой сети или соединен с силовой сетью посредством высоко-импедансной связи, а также к защите от перенапряжения интерфейса между данной электронной схемой и цепью SELV (безопасное низковольтное напряжение). Нейтральная точка (СОМ) электронного прибора соединена с защитным заземлением (РЕ) через, по меньшей мере, один предохранитель от перенапряжения пробоя. Расчетное напряжение пробоя (Ub) предохранителя от перенапряжения выше, чем напряжение на нем в нормальном режиме работы, но ниже, чем минимальная электрическая прочность (Uc) компонентов, образующих интерфейс между электронным прибором и цепью SELV (безопасного низковольтного напряжения). Технический результат - повышение надежности защиты от перенапряжений. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к заземлению электронной схемы прибора низковольтной системы с максимальным напряжением переменного тока 1000 В или максимальным напряжением постоянного тока 1500 В, в которой прибор находится под действием напряжения силовой цепи или связан с ней посредством импедансного соединения, а также к защите от перенапряжения при согласовании данной электронной схемы и цепи SELV (безопасное низковольтное напряжение).

Типичными примерами таких электронных приборов являются измерители электрических величин, таких как напряжение, ток или частота. Изобретение дает возможность развязывать электронные приборы и цепи безопасного низковольтного напряжения (SELV) благодаря использованию элементов с более низким уровнем электрической прочности изоляции, чем в конструктивных требованиях.

Одним из предшествующих решений является использование трансформатора напряжения для уменьшения напряжения, которое необходимо измерить, до уровня безопасного низковольтного напряжения (SELV), а также осуществить развязку цепей друг от друга. Для измерения тока сигнал преобразуется, и развязка осуществляется за счет использования токового трансформатора. Но недостатками использования трансформатора следует считать его размеры и высокую стоимость. При наличии вибрации тяжелый трансформатор и его электрические соединения могут отрываться от схем печатных плат.

Когда электронная цепь имеет плавающий потенциал или изолирована от силовой цепи с помощью высокоимпедансного соединения, передача сигнала и связь с цепью безопасного низковольтного напряжения (SELV) может быть осуществлена за счет использования элементов с требуемой электрической прочностью. На практике использование резистивного деления напряжения распространено в трехфазных цепях с напряжением не более 400 В, поскольку потери мощности в делителях напряжения и требуемая электрическая прочность изоляции трансформаторов ведут к увеличению их габаритов.

При проектировании оборудования силовой распределительной системы необходимо соблюдать соответствие нормам «Категория перенапряжения III» или выше и в отношении окружающей среды «Степень загрязнения III». По этим требованиям сигнал и компоненты источника питания для согласования с цепью SELV (безопасного низковольтного оборудования) в традиционном исполнении дороги или вовсе непригодны.

Незаземленная электронная измерительная цепь может быть заземлена с помощью высокоимпедансного соединения, однако при этом необходимо убедиться, что количество параллельно включенных приборов не столь велико, чтобы сопротивление заземления электрической системы не оказалось ниже предела, заданного в инструкции.

Краткое описание изобретения

Цель изобретения - создание технического решения указанных выше проблем. Такое решение определено в независимом пункте 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты реализации изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

В одно- или двухфазных сетях плавающая нейтральная точка образуется за счет включения высокоомного сопротивления к нейтрали или к проводу под «фазой», в случае трехфазной сети искусственная нейтральная точка формируется, например, путем подключения сопротивления одним концом к каждой фазе и соединением других трех концов сопротивлений в звезду. Эта плавающая или искусственная нейтральная точка заземляется путем включения схемы защиты от пробоя при перенапряжении между нейтралью и защитным заземлением (РЕ). Предпочтительно, чтобы схема защиты от перенапряжения состояла бы из последовательности диодов, по меньшей мере, с одним полупроводниковым диодом, соединенных в прямом и обратном направлениях. Элементы выбираются таким образом, чтобы потенциал плавающей нейтральной точки, при котором схема становится электропроводной, была бы ниже, чем диэлектрическая прочность между плавающей или искусственной нейтральной точкой и цепью безопасного низковольтного напряжения.

Это означает, что при обычном режиме работы электрический потенциал электроизмерительного прибора свободно перемещается, поскольку ток утечки через диоды составляет обычно порядка 5 мA. Если скачок напряжения или напряжение другого типа ложного сигнала другого типа вызывает возрастание потенциала плавающей нейтральной точки (СОМ) относительно защитного заземления (РЕ), напряжение обратного пробоя диода превышено, и лавинообразный пробой вызовет протекание тока. Напряжение не сможет подняться до уровня, который превысил бы электрическую прочность элементов между электроизмерительной аппаратурой и цепью безопасного низковольтного напряжения (SELV).

Вместо соединенных последовательно диодов обратного направления могут применяться другие типы элементов с соответствующим напряжением пробоя; к ним относятся двунаправленный прибор защиты на основе лавинообразного процесса, описанный в патенте FR 2566582, защитные устройства от перенапряжения на базе электроразрядника, такого как электроразрядная трубка, или металлооксидные варисторы. Однако стоимость и размеры таких заменяющих элементов часто менее выгодны по сравнению с применением диодов.

Краткое описание рисунков

В дальнейшем изобретение будет более подробно описано на примере вариантов его реализации и со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

фиг.1 представляет устройство заземления с плавающей нейтральной точкой для измерения тока в однофазной цепи;

фиг.2 представляет устройство заземления для измерения напряжения в одно- или двухфазной цепи;

фиг.3 представляет устройство заземления на принципиальной схеме аналоговой части прибора измерения трехфазного напряжения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 в соответствии с данным изобретением представлено устройство заземления в схеме измерения тока в однофазной цепи. Схема включает в себя низкоомное (обычно 1…100 мОм) сопротивление (R4), при этом ток (I 1) в цепи определяется по закону Ома путем измерения падения напряжения на сопротивлении. На входе цепи электронного измерителя включены высокоомные сопротивления (R1, R2), обычно равные 10 МОм. Искусственная нейтральная точка (СОМ) электронного измерителя, выделенного на рисунке штриховой линией, соединена с силовым проводом через одно из сопротивлений (R1). Источник питания для электронного измерителя предпочтительно использовать от электронной схемы (X1) безопасного низковольтного напряжения (SELV), применяя DC/DC (DC-постоянный ток) преобразователь (N1) с достаточной электрической прочностью, например 4 кВ. Результат измерения передается или в аналоговой форме через оптрон (К1) на электронную схему безопасного низковольтного напряжения SELV, или аналоговый сигнал преобразуется в цифровой, предпочтительно в форме последовательности, которая позволяет использовать недорогой и устойчивый тип оптрона. Искусственная нейтральная точка (СОМ) электронной измерительной аппаратуры соединена с защитным заземлением (РЕ), при этом используется заземление с защитой от перенапряжения, основанного на пробое. Защиту от перенапряжения предпочтительно осуществлять при помощи последовательного включения хотя бы одного диода (V1) в прямом направлении и хотя бы одного диода (V2) в обратном направлении. Тип диода необходимо выбирать таким образом, чтобы его напряжение обратного пробоя Ub было бы выше пикового значения синусоидального фазового напряжения Uv в цепи при измерении, другими словами,

U>1,42*Uv. С другой стороны, напряжение пробоя должно быть ниже, чем электрическая прочность элементов между искусственной нейтральной точкой (СОМ) и схемой SELV безопасного низковольтного напряжения (X1). На практике элементы подбираются так, чтобы приблизить напряжение пробоя к верхнему пределу электрической прочности элемента (К1, N1), который минимизирует потери мощности в высокоомных резисторах (R1, R2). Два или более диодов могут быть включены последовательно в одном и том же направлении, чтобы установить напряжение пробоя устройства. Когда мгновенное значение потенциала нейтральной точки электронной измерительной аппаратуры относительно защитного заземления (РЕ) возрастает так, что напряжение обратного пробоя диода превышено, это вызывает так называемый лавинный пробой, в результате которого возрастает ток, что препятствует увеличению напряжения и выходу из строя элементов (К1, N1) согласования со схемой безопасного низковольтного напряжения SELV. Остаточное напряжение на диоде, включенном в прямом направлении, обычно меньше 1 В и фактически не оказывает влияния на практические расчеты. Набор сопротивлений (R3) может быть последовательно соединен с диодами, но при этом следует обратить внимание на тот факт, что остаточное напряжение на сопротивлении не увеличивает общее напряжение устройства до уровня выше, чем максимальное напряжение элементов согласования (К1, N1) со схемой безопасного низковольтного напряжения SELV при повреждениях. Если величина сопротивления резистора (R1, R2) составляет порядка 10 МОм, то набор сопротивлений (R3) в 100 кОм увеличит напряжение устройства до 100 В в импульсном режиме. Когда используется одна цепь защиты (F1), устройство может быть соединено напрямую с защитным заземлением (РЕ) без подключения набора сопротивлений (R3).

Нулевой потенциал (GND) электронной схемы безопасного низковольтного напряжения SELV обычно напрямую соединяется с защитным заземлением (РЕ).

На фиг.2 представлено подобное заземление и устройство защиты от перенапряжения для измерения напряжения в одно- или двухфазной сети. Электронная измерительная аппаратура подсоединяется к первому фазному проводу (L1) через высокоомное сопротивление (R11) и ко второму фазному проводу (L2), или к нейтральному проводу (N) через сопротивление (R12). Делитель напряжения (R14) включен последовательно между упомянутыми выше сопротивлениями (R11, R12). Нейтральная точка (СОМ) соединена через высокоомное сопротивление (R11) со второй фазой, или нейтралью, а также в соответствии с данным изобретением через заземление и устройство защиты от перенапряжения (V1, V2, R3) с защитным заземлением (РЕ).

Принципиальная схема, изображенная на фиг.3, представляет аналоговую часть цепи измерения напряжения трехфазной сети. Для измерения каждой фазы предусмотрен один усилитель и преобразователь уровня; на схеме это показано только для одной фазы (L2).

Резисторы делителя напряжения (R101, R102, R103) одним концом соединены через разъемы (Х41, Х42, Х43) с соответствующими силовыми цепями (LI, L2, L3), а другими соединены в звезду, тем самым формируя искусственную нейтральную точку, служащую в качестве нулевого потенциала для электронной измерительной аппаратуры. Искусственная нейтральная точка заземлена в соответствии с данным изобретением. Тип защиты от перенапряжения выбирается таким образом, чтобы напряжение пробоя Ub устройства было выше, чем величина амплитуды синусоидального фазного напряжения в цепи при измерении, то есть Ub>√2/√3*U, после округления Ub>0,82*U, поскольку сопротивление заземления не уменьшается в случае однофазного замыкания на землю. С другой стороны, напряжение пробоя должно быть ниже, чем электрическая прочность элементов между искусственной нейтральной точкой и схемой SELV безопасного низковольтного напряжения. Диодная цепь имеет по два соединенных последовательно диода в каждом направлении (V102, V108, V109, V111). Диоды могут, например, быть типа Fairchild RS1M; по нормативам изготовителя максимальное постоянное расчетное напряжение в обратном направлении составляет 1000 В, но при температуре 250°С напряжение пробоя составляет примерно 120% от расчетной величины, при этом имеется в виду, что лавинный пробой имеет место, когда напряжение на паре диодов, соединенных последовательно в одном направлении, превышает 2400 В. Сопротивление 300 кОм (R150) соединено с защитным заземлением (РЕ) и последовательно с диодной цепочкой; в целях повышения надежности аналогичная цепочка (V114, V113, V112, V110, R149) включена параллельно вышеупомянутой. Сопротивления (R150, R149) включены в цепи, поскольку величины напряжения пробоя диодов не являются тождественными, и при соединении диодных цепочек в параллель только цепочка с более низким напряжением пробоя будет проводить ток; благодаря включению сопротивлений в обе цепочки ток пробоя может быть разделен по обеим цепям. Если допуск на величину напряжения пробоя диода предположительно составляет 10%, то расчетное напряжение пробоя цепи Ub=0,9*Uc, где Uc - наименьшее значение электрической прочности элементов согласования (К1, N1) схемы безопасного низковольтного напряжения SELV. Если пиковое значение скачка перенапряжения обозначить Usmax и сопротивление резистора, соединенного с фазным проводом, обозначить Re, то величину Rd резисторов (R150, R149) можно вычислить на основании законов Ома и Кирхгофа Rd=0,1*Uc*Re/(Usmax-Uc). При измерении в трехфазной сети измерение перенапряжения проводится на выводах фаз, соединенных друг с другом, так, в примере сопротивление резистора Re=50 МОм/3=16/7 МОм.

Резисторы делителя напряжения (R101, R102, R103) имеют высокое значение сопротивления; полное сопротивление между выводами 1 и 3 предпочтительно иметь 50 МОм и сопротивление между выводами 2 и 3 определяется отношением 1:1000 от полного сопротивления.

Так как напряжение переменного тока на среднем выводе резисторов делителя напряжения биполярно, то есть симметрично относительно потенциала искусственной нейтральной точки, то уровень сигнала преобразуется в последовательность величин положительного напряжения 0…+5 В, что позволяет использовать недорогой однополярный аналого-цифровой преобразователь.

Выходное напряжение на выводе 2 резистора (R102) делителя напряжения, которое является напряжением переменного тока и составляет менее 1 В, ограничено с целью предупреждения возможного скачка перенапряжения при соединении к среднему электроду двойного диода (V103). Двойной диод, например типа Philips BAV 99W, состоит из двух быстродействующих диодов, заключенных в одном корпусе и соединенных последовательно в одном направлении. Также возможно соединить дискретный диод прямого включения с положительным полюсом электронного источника напряжения и соответственно диод обратного включения к отрицательному полюсу.

Резистор (R107) и емкость (С142) формируют низкочастотный фильтр для высокочастотных помех, которые присутствуют в измеряемом сигнале (например, превышающие 15 кГц).

Операционный усилитель (А102-А) вместе с резистором (R109, R110) формируют неинвертированный каскад, включающий в себя емкость (С105) для ослабления любых помех, присутствующих в сигнале. Сопротивление (R 110) рассчитывается в зависимости от измеряемого напряжения практически в соответствии с величинами других элементов принципиальной схемы R110=10 кОм … 100 кОм. Операционный усилитель (А102-В) совместно с резисторами (R117, R120, R119, R118) и емкостями (С107, С106) формируют дифференциальный усилитель. Сигнал переменного тока, который симметричен относительно потенциала плавающей нейтральной точки, полностью преобразуется в положительный за счет подачи измеряемого сигнала после его усиления на первой стадии, на положительный вход дифференциального усилителя, а на отрицательный вход подается опорное напряжение от источника электропитания (не показан), предпочтительная величина которого составляет половину отрицательного напряжения питания схем усилителя.

Сигнал, соответствующий измеренному фазному напряжению, подается через сопротивление (R121) на многоканальный однополярный аналого-цифровой преобразователь (не показан), например типа Texas Instruments ADS7841.

Со стороны схемы SELV безопасного низковольтного напряжения выходной сигнал с аналого-цифрового преобразователя проходит через оптрон (не показан), такой как Fairchild HCPL-0601, например, на шину SPI для дальнейшей передачи на контрольно-измерительную аппаратуру. Основной смысл описанной выше схемы - устройства заземления и защиты от перенапряжения, которые позволяют достичь значительной электрической прочности. В соответствии со стандартом IEC 60947 Международной электротехнической Комиссии повышенная защитная изоляция между сетью переменного тока, исчисляемая в 1000 В, и цепями SELV безопасного низковольтного напряжения требует уровня перенапряжения 14,8кВ (1,2/50 мс) в импульсном режиме. С другой стороны, незаземленные IT сети требуют значительно более высокого полного сопротивления между плавающей нейтральной точкой цепи измерения и защитным заземлением, т.е. малого тока утечки. Эти требования могут быть выполнены, если устройства заземления и защиты от перенапряжения начнут пропускать ток утечки, когда напряжение превышает 820 В в трехфазной сети с силовым напряжением 1000 В, но останется ниже электрической прочности выбранного ДС/ ДС (ДС - постоянный ток) источника питания коммутационного типа и оптрона, величина которой может составлять, например, 3 кВ.

Т.к. резисторы (R101, R102, R103) делителя напряжения имеют очень высокое значение сопротивления, ток утечки устройств заземления и защиты от перенапряжения остается ниже 1 мА в импульсном режиме; это означает, что можно использовать недорогие, но достаточно надежные и быстродействующие диодные выпрямители с расчетным напряжением обратного пробоя от 800 до 1000 В.

По сравнению с использованием разделительных трансформаторов устройство в соответствии с данным изобретением имеет следующие преимущества: малые габариты, малый вес входящих элементов; невысокая стоимость и хорошая электрическая прочность. Высокоомные резисторы делителя напряжения способны выдерживать жесткие условия перенапряжения сети без разрушения; а для трансформаторов напряжения необходимы предохранители и защитный варистор. Преимущества изобретения по сравнению с традиционным заземлением нейтральной точки с высоким сопротивлением заключается в том, что количество приборов, соединенных параллельно, не требует ограничения.

Измерительное устройство для измерения электрических величин в сети, в котором результаты измерения в аналоговой форме, преобразуемые в цифровые сигналы, отличаются точностью, что повышает устойчивость системы. При использовании данного изобретения в различных электронных схемах при расчете следует обращать внимание на тот факт, что электронная схема должна функционировать без гальванической связи с землей. Изобретение широко применяется, например, при измерении тока в однофазной сети.

Количество последовательно соединенных диодов и количество параллельных ветвей может изменяться (регулироваться).

К преимуществам данного изобретения следует отнести тот факт, что оно отвечает высоким требованиям в отношении уровня напряжения, категории перенапряжения, степени загрязнения.

В большинстве случаев промышленное напряжение равно 690 В вместо традиционного 400 В. Использование стандарта Международной электротехнической комиссии 60947-1 при разработке оборудования вместо стандарта Международной электротехнической комиссии 6/131-2 также подчеркивает преимущество изобретения.

Несмотря на то, что подробное описание изобретения произведено на примере определенного варианта реализации изобретения, понятно, что квалифицированный персонал в этой области будет в состоянии использовать изобретение в различных формах в пределах, определенных формулой изобретения, например для сети постоянного тока.

1. Устройство заземления и защиты от перенапряжения электронного прибора, например прибора для измерения электрических величин силовой распределительной сети, имеющего нейтральную точку (СОМ), соединенную с силовой распределительной сетью (L1, L2, L3, N) посредством высокоимпедансной связи через, по меньшей мере, один резистор (R1, R11, R101, R102, R103), а также имеющего согласование с цепью SELV (безопасного низковольтного напряжения) через, по меньшей мере, один электронный элемент, характеризующееся тем, что нейтральная точка (СОМ) прибора соединена с защитным заземлением (РЕ) через, по меньшей мере, один предохранитель от перенапряжения пробоя (F1, F101, F102), а также тем, что расчетное напряжение пробоя (Ub) предохранителя (F1, F101, F102) выше чем разность потенциалов на нем в нормальном режиме работы (Uv, U), но ниже чем минимальное пробивное напряжение (Uc) компонентов (N1, К1) согласования между электронным прибором и цепью SELV (безопасного низковольтного напряжения).

2. Устройство заземления и защиты от перенапряжения по п.1, характеризующееся тем, что предохранитель от перенапряжения (F1, F101, F102) состоит из, по меньшей мере, двух последовательно соединенных в обратном направлении полупроводниковых p-n-переходов.

3. Устройство заземления и защиты от перенапряжения по п.2, характеризующееся тем, что предохранитель от перенапряжения (F1, F101, F102) состоит, по меньшей мере, из двух последовательно соединенных в обратном направлении диодов (V1, V2, V102, V108, V109, V111, V110, V112, V113, V114).

4. Устройство заземления и защиты от перенапряжения по п.3, характеризующееся тем, что диоды (V1, V2, V102, V108, V109, V111, V110, V112, V113, V114) являются быстродействующими.

5. Устройство заземления и защиты от перенапряжения по п.1, характеризующееся тем, что предохранителем от перенапряжения (F1, F101, F102) служит варистор.

6. Устройство заземления и защиты от перенапряжения по п.1, характеризующееся тем, что предохранителем от перенапряжения (F1, F101, F102) служит искроразрядный предохранитель.

7. Устройство заземления и защиты от перенапряжения по любому из пп.1-6, характеризующееся тем, что резистор (R3, R150, R149) соединен последовательно с предохранителем от перенапряжения (F1, F101, F102).

8. Устройство заземления и защиты от перенапряжения по любому из пп.1-6, характеризующееся тем, что при измерении напряжения в силовой распределительной сети, имеющей, по меньшей мере, три фазы, один конец каждого резистора делителя напряжения (R101, R102, R103) соединен с соответствующей фазой (L1, L2, L3), а другой конец соединен в звезду, образуя искусственную нейтральную точку (СОМ), являющуюся нейтралью электронного прибора.