Устройство защиты электрооборудования от перенапряжений

Изобретение относится к области электротехники. Устройство защиты электрооборудования от перенапряжений содержит несколько универсальных модулей защиты, в каждом из которых имеются съемный и несъемный блоки, причем съемный блок вставлен в несъемный. Съемный блок содержит последовательно соединенные плавкий предохранитель и полупроводниковый ограничитель напряжения (ПОН), а несъемный блок содержит сигнальные средства, которые информируют о повреждении модуля зашиты и необходимости его замены. В зависимости от схемы подключения защищаемого электрооборудования к устройству защиты в случае его отказа могут быть реализованы два варианта исполнения устройства: с отключением защищаемого электрооборудования от сети электропитания и выдачи информации о необходимости замены сменного блока; выдачи информации о необходимости замены сменного блока без отключения защищаемого электрооборудования от сети электропитания. Техническим результатом является повышение надежности и долговечности благодаря более полному использованию защитных характеристик ПОН и применению унифицированных модулей защиты с эффективной схемой контроля работы устройства. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а более точно к устройствам для защиты электрооборудования (ЭО) от избыточного напряжения.

Известно устройство защиты от импульсных перенапряжений, содержащее включенный последовательно в защищаемую цепь отключающий элемент в виде предохранителя и подключенный параллельно нагрузке ограничивающий элемент в виде последовательно соединенных полупроводникового ограничителя напряжения (ПОН) и датчика тока. Параллельно нагрузке также подключена шунтирующая цепь из последовательно соединенных резистора и ключа, причем ключ управляется от устройства контроля напряжения и тока, проходящего через ПОН (Научно-технический журнал "Электропитание", 2009 г., №1, стр.53, рис 1).

Его недостатками являются: ограниченные функциональные возможности применения из-за недоиспользования рабочего ресурса ПОН, а также низкая надежность из-за невозможности резервирования ПОН, входящих в состав ограничителя напряжения.

Известно устройство защиты от импульсных перенапряжений (Научно-технический журнал "Электропитание", 2009 г., №1, стр.54, рис.4 - прототип). Оно содержит включенный последовательно с нагрузкой в защищаемую цепь отключающий элемент в виде нормально замкнутых контактов реле. Параллельно нагрузке подключены несколько цепочек из последовательно соединенных плавких предохранителей и ПОН. Входы и выходы всех предохранителей подключены к устройству контроля, которое подсоединено к управляющему входу отключающего элемента (к обмотке реле). Кроме того, между проводником N и проводником РЕ питающей электросети подключен дополнительный ПОН. При этом сигнал на размыкание контактов отключающего устройства поступает на обмотку реле от устройства контроля при перегорании предохранителей в цепях, включенных параллельно защищаемому оборудованию резервированных ПОН. Конструктивно известное устройство может быть выполнен из отдельных съемных элементов (блоков), содержащих последовательно соединенные ПОН и предохранитель. При повреждении ПОН смена съемного блока может быть произведена при соблюдении необходимых мер по электробезопасности без отключения электропитания ЭО.

Недостатки прототипа состоят в следующем. В известной схеме отсутствует сигнализация о повреждении ПОН, установленных между проводниками электросети N и РЕ, а также отсутствует сигнализация при нарушении контакта между съемным и несъемным блоками устройства защиты или в случае, когда не установлены съемные блоки. Это снижает надежность работы устройства защиты. Отключение нагрузки от сети при повреждении ПОН осуществляется с помощью контактов реле и специальной схемы управления, что усложняет схему и также снижает надежность работы устройства защиты. Кроме этого, в известной схеме применены разнотипные модули, имеющие общую несъемную часть и ограниченное количество съемных блоков, что снижает эффективность практического применения и реализации устройства при серийном производстве.

Технической задачей изобретения является повышение надежности устройства защиты от перенапряжений и повышение его функциональных возможностей.

Технический результат заключается в повышении надежности, долговечности и в расширении функциональных возможностей.

Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в повышении надежности и долговечности благодаря введению сигнализации повреждения ПОН, установленных между проводниками сети N и РЕ, и сигнализации нарушения контакта между съемным и несъемным блоками. С целью повышения унификации при серийном производстве в устройстве применены унифицированные модули защиты с тремя выводами, что позволяет в зависимости от требований к бесперебойности электропитания и надежности работы обеспечить отключение поврежденных ПОН без отключения или с отключением ЭО от сети электропитания.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство защиты электрооборудования от перенапряжений содержит средство контроля и сигнализации и несколько включенных параллельно цепочек ограничителей напряжения, причем каждая из указанных цепочек содержит предохранитель, соединенный последовательно с полупроводниковым ограничителем напряжения (далее следуют отличительные признаки), указанное устройство защиты содержит несколько унифицированных модулей защиты, разбитых на две группы, причем первая группа унифицированных модулей защиты подключена между фазным (линейным) и защитным проводниками сети электропитания переменного (постоянного) тока, а вторая группа унифицированных модулей защиты подсоединена параллельно защищаемому электрооборудованию,

каждый из унифицированных модулей защиты имеет первый, второй и третий выводы для соединения с сетью электропитания и защищаемым электрооборудованием и состоит из несъемного и съемного блоков,

в состав съемного блока входит цепочка из последовательно соединенных предохранителя и полупроводникового ограничителя напряжения, причем выводы указанной цепочки соединены, соответственно, от предохранителя с первым и от полупроводникового ограничителя напряжения со вторым выводами указанного унифицированного модуля защиты, а точка соединения предохранителя и полупроводникового ограничителя напряжения соединена с третьим выводом указанного унифицированного модуля защиты,

в состав несъемного блока входит указанное средство сигнализации и контроля, содержащее включенное параллельно предохранителю сигнальное средство и включенный параллельно полупроводниковому ограничителю напряжения резистор,

первый, второй и третий выводы защищаемого электрооборудования подключены, соответственно, к фазному (линейному), нулевому рабочему (заземленному линейному) и защитному проводникам системы электропитания переменного (постоянного) тока,

первый и второй выводы унифицированных модулей защиты первой группы подключены, соответственно, к первому и третьему выводам защищаемого электрооборудования, а первый и второй выводы унифицированных модулей защиты второй группы подключены, соответственно, к первому и второму выводам защищаемого электрооборудования.

Сущность изобретения заключается также в том, что (далее следуют отличительные признаки) указанное сигнальное средство представляет собой неоновую лампочку.

Сущность изобретения заключается также в том, что (далее следуют отличительные признаки) при подключении указанного устройства защиты к сети электропитания переменного тока, указанные полупроводниковые ограничители напряжения являются симметричными полупроводниковыми ограничителями напряжения.

Сущность изобретения заключается также в том, что (далее следуют отличительные признаки) при подключении устройства защиты электрооборудования к сети электропитания постоянного тока и подсоединении отрицательного полюса указанного источника постоянного тока к заземленному линейному проводнику, указанные полупроводниковые ограничители напряжения являются несимметричными полупроводниковыми ограничителями напряжения, аноды которых соединены с заземленным линейным проводником.

Сущность изобретения заключается также в том, что (далее следуют отличительные признаки) при подключении устройства защиты электрооборудования к сети электропитания постоянного тока и подсоединении положительного полюса указанного источника постоянного тока к заземленному линейному проводнику, указанные полупроводниковые ограничители напряжения являются несимметричными полупроводниковыми ограничителями напряжения, катоды которых соединены с заземленным линейным проводником.

Сущность изобретения заключается также в том, что устройство защиты электрооборудования от перенапряжений содержит средство контроля и сигнализации и несколько включенных параллельно цепочек ограничителей напряжения, причем каждая из указанных цепочек содержит предохранитель, соединенный последовательно с полупроводниковым ограничителем напряжения (далее следуют отличительные признаки), указанное устройство защиты также содержит несколько унифицированных модулей защиты, разбитых на две группы, причем первая группа унифицированных модулей защиты подключена между фазным (линейным) и защитным проводниками сети электропитания переменного (постоянного) тока, а вторая группа унифицированных модулей защиты подсоединена между фазным (линейным) и нулевым рабочим (заземленным линейным) проводниками сети электропитания переменного (постоянного) тока,

каждый из унифицированных модулей защиты имеет первый, второй и третий выводы для соединения с сетью электропитания и защищаемым электрооборудованием и состоит из несъемного и съемного блоков,

в состав съемного блока входит цепочка из последовательно соединенных предохранителя и полупроводникового ограничителя напряжения, причем выводы указанной цепочки соединены, соответственно, от предохранителя с первым и от полупроводникового ограничителя напряжения со вторым выводами указанного унифицированного модуля защиты, а точка соединения предохранителя и полупроводникового ограничителя напряжения соединена с третьим выводом указанного унифицированного модуля защиты,

в состав несъемного блока входит указанное средство сигнализации и контроля, содержащее включенное параллельно предохранителю сигнальное средство и включенный параллельно полупроводниковому ограничителю напряжения резистор,

второй и третий выводы защищаемого электрооборудования подключены, соответственно, к нулевому рабочему (заземленному линейному) и защитному проводникам системы электропитания переменного (постоянного) тока,

первый и второй выводы всех унифицированных модулей защиты первой группы подключены, соответственно, к фазному (линейному) и защитному проводникам системы электропитания переменного (постоянного) тока,

первый и второй выводы всех унифицированных модулей защиты второй группы подключены, соответственно, к фазному (линейному) и нулевому рабочему (заземленному линейному) проводникам системы электропитания переменного (постоянного) тока,

у одного унифицированного модуля защиты второй группы третий вывод подключен к первому выводу защищаемого электрооборудования, причем в этом унифицированном модуле защиты полупроводниковый ограничитель напряжения имеет более высокое напряжение пробоя по сравнению с ограничителями напряжения в остальных унифицированных модулях защиты.

Состав и работа устройства защиты (УЗ) электрооборудования от перенапряжений будут понятны из нижеследующего описания, которое иллюстрируется фиг.1 и фиг.2.

На фиг.1 изображен первый вариант выполнения УЗ, при котором замена съемных блоков с поврежденными ПОН производится без отключения ЭО от сети электропитания, а на фиг.2 показан второй вариант выполнения УЗ, при котором, в случае повреждения всех ПОН в унифицированных модулях защиты второй группы (см. ниже), обеспечивается автоматическое отключение ЭО от сети электропитания.

На чертежах использованы следующие обозначения:

1 - унифицированный модуль защиты (УМЗ);

2 - первый вывод УМЗ, подсоединенный к фазному (линейному) проводнику сети электропитания переменного (постоянного) тока;

3 - второй вывод УМЗ, подсоединенный к нулевому рабочему (заземленному линейному) или защитному проводникам сети электропитания переменного (постоянного) тока;

4 - третий вывод УМЗ, подсоединенный к ЭО во втором варианте выполнения УЗ (фиг.2);

5 - несъемный блок УМЗ;

6 - съемный блок УМЗ;

7 - плавкий предохранитель;

8 - ПОН;

9 - сигнальное средство;

10 - резистор;

11 - первый вывод ЭО для подключения УМЗ;

12 - второй вывод ЭО для подключения УМЗ;

13 - третий вывод ЭО для подключения УМЗ;

14 - электрооборудование;

15 - фазный (линейный) проводник сети электропитания переменного (постоянного) тока;

16 - нулевой рабочий (заземленный линейный) проводник сети электропитания переменного (постоянного) тока;

17 - защитный проводник сети электропитания.

УЗ содержит несколько УМЗ 1, разделенных на две группы. Первая группа содержит УМЗ 1, которые подключены между проводниками сети 15 и 17. На фиг.1 и фиг.2 они показаны в виде трех УМЗ 1 с левой стороны. Вторая группа содержит УМЗ 1, которые подключены между проводниками сети 15 и 16. Эти три УМЗ 1 показаны с правой стороны. В варианте УЗ на фиг.1 все УМЗ 1 идентичны. В варианте УЗ на фиг.2 все УМЗ 1 идентичны, кроме одного УМЗ 1 (показанного более подробно), в котором ПОН 8 имеет пробивное напряжение несколько выше, чем ПОН 8 в других УМЗ 1.

Первые выводы 2 УМЗ 1 первой и второй групп подключены к проводнику 15 электросети. Вторые выводы 3 УМЗ 1 первой группы подсоединены к проводнику 17 электросети, а вторые выводы 3 УМЗ 1 второй группы подсоединены к проводнику 16 электросети.

Третий вывод 4 УМЗ 1 подключен к первому выводу 11 электрооборудования 14 только в одном УМЗ 1 второй группы, а именно в том, в котором ПОН 8 имеет повышенное пробивное напряжение по сравнению со всеми другими ПОН 8 других УМЗ 1 (на фиг.2, первый УМЗ 1 с правой стороны).

Каждый УМЗ 1 имеет два блока: несъемный блок 5 и съемный блок 6.

Несъемный блок 5 содержит цепочку из последовательно включенных сигнального средства 9 и резистора 10. Съемный блок 6 содержит цепочку из последовательно соединенных плавкого предохранителя 7 и ПОН 8. Свободные выводы этих цепочек подключены к выводам 2 и 3 УМЗ 1. Точка соединения плавкого предохранителя 7 и ПОН 8, а также точка соединения сигнального средства 9 и резистора 10 подсоединены к выводу 4 УМЗ 1.

В варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.1, вывод 11 электрооборудования 14 подсоединен к проводнику 15 электросети. Во втором варианте выполнения изобретения вывод 11 электрооборудования 14 подсоединен к выводу 4 УМЗ 1 второй группы, который имеет ПОН 8 с повышенным пробивным напряжением. Вывод 12 электрооборудования 14 подсоединен к проводнику 16 электросети. Проводник 17 электросети подключен к соединенному с корпусом выводу 13 электрооборудования 14.

Сигнальное средство 9 в простейшем случае представляет собой неоновую лампочку. В качестве ПОН могут быть установлены как симметричные ПОН, так и несимметричные ПОН, в зависимости от используемой электросети, соответственно, переменного или постоянного тока.

В первом варианте изобретения (фиг.1) УЗ работает следующим образом. Когда по сети электропитания на выводы электропитания 15-16 или 16-17 поступает нормированный (ожидаемый) импульс перенапряжения, напряжение на защищаемом электрооборудовании 14 ограничивается на заданном уровне с помощью ПОН 8 УМЗ 1.

При появлении на входе УЗ импульса перенапряжения с амплитудой, незначительно превышающей нормированные значения, ПОН 8 работают в режиме ограничения и напряжение на оборудовании 14, хотя и повышается, но остается в допустимых пределах. При значительном повышении импульса перенапряжения возможно повреждение ПОН 8 в съемном блоке одного из УМЗ 1, при этом происходит замыкание цепи с поврежденным ПОН 8, плавкий предохранитель 7 сгорает, при этом размыкается шунтирующая неоновую лампочку 9 цепь, лампочка загорается и сигнализирует о необходимости замены неисправного съемного блока 6 устройства защиты, однако, при наличии в каждой из групп УМЗ хотя бы одного исправного блока 6 устройство защиты будет выполнять свои функции. При повреждении всех блоков 6 в какой-либо из групп, устройство защиты не сможет выполнять свои функции и в этом случае оператором должны быть приняты меры по замене неисправных блоков 6 или отключению ручным способом электрооборудования 14 от сети электропитания. После замены неисправных блоков 6 устройство защиты снова готово к работе.

Во втором варианте изобретения (фиг.2) при подключении вывода 11 электрооборудования 14 к выводу 4 одного УМЗ 1 второй группы происходит следующее. В блоке 6 этого модуля применен ПОН 8 с более высоким, по сравнению с остальными ПОН в блоках 6, пробивным напряжением, поэтому при повреждении (последним) этого ПОН 8 перегорает последний из оставшихся в рабочем состоянии предохранитель, установленный в этом блоке. При этом происходит автоматическое отключение оборудования 14 от сети электропитания, так как в данном случае электропитание в штатном режиме производится через этот предохранитель.

Схема сигнализации с резистором 10, как показано на фиг.1 и 2, работает следующим образом. При установленном съемном блоке 6 с исправными предохранителем 7 и ПОН 8 и при наличии контактного соединения между съемным 6 и несъемным 5 блоками неоновая лампочка 9 шунтирована предохранителем 7 и не горит, сигнал «аварии» отсутствует, что свидетельствует об исправности устройства защиты. При нарушении контактного соединения между блоками 5 и 6 или в случае, когда не установлен съемный блок 6, через неоновую лампочку 9 и резистор 10 протекает ток, лампочка 9 загорается и выдается сигнал «аварии».

Устройство с использованием в качестве ограничителей напряжения несимметричных ПОН работает аналогичным образом с тем отличием, что, в зависимости от полярности напряжения сети постоянного тока, изменяется полярность подключения ПОН, причем анод или катод полупроводникового ограничителя напряжения подключается к заземленному линейному проводнику в зависимости от того, какой полюс источника постоянного напряжения, соответственно, отрицательный или положительный, подсоединен к заземленному линейному проводнику.

Предлагаемое устройство защиты электрооборудования от перенапряжений может быть реализовано, так как все необходимые элементы и технологии известны и доступны.

1. Устройство защиты электрооборудования от перенапряжений, содержащее средство контроля и сигнализации и несколько включенных параллельно цепочек ограничителей напряжения, причем каждая из указанных цепочек содержит предохранитель, соединенный последовательно с полупроводниковым ограничителем напряжения, и отличающееся тем, что указанное устройство защиты содержит несколько унифицированных модулей защиты, разбитых на две группы, причем первая группа унифицированных модулей защиты подключена между фазным (линейным) и защитным проводниками сети электропитания переменного (постоянного) тока, а вторая группа унифицированных модулей защиты подсоединена параллельно защищаемому электрооборудованию, каждый из унифицированных модулей защиты имеет первый, второй и третий выводы для соединения с сетью электропитания и защищаемым электрооборудованием и состоит из несъемного и съемного блоков, в состав съемного блока входит цепочка из последовательно соединенных предохранителя и полупроводникового ограничителя напряжения, причем выводы указанной цепочки соединены соответственно от предохранителя с первым и от полупроводникового ограничителя напряжения со вторым выводами указанного унифицированного модуля защиты, а точка соединения предохранителя и полупроводникового ограничителя напряжения соединена с третьим выводом указанного унифицированного модуля защиты, в состав несъемного блока входит указанное средство сигнализации и контроля, содержащее включенное параллельно предохранителю сигнальное средство и включенный параллельно полупроводниковому ограничителю напряжения резистор, первый, второй и третий выводы защищаемого электрооборудования подключены соответственно к фазному (линейному), нулевому рабочему (заземленному линейному) и защитному проводникам системы электропитания переменного (постоянного) тока, первый и второй выводы унифицированных модулей защиты первой группы подключены соответственно к первому и третьему выводам защищаемого электрооборудования, а первый и второй выводы унифицированных модулей защиты второй группы подключены соответственно к первому и второму выводам защищаемого электрооборудования.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанное сигнальное средство представляет собой неоновую лампочку.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при подключении устройства защиты электрооборудования к сети электропитания переменного тока указанные полупроводниковые ограничители напряжения являются симметричными полупроводниковыми ограничителями напряжения.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при подключении устройства защиты электрооборудования к сети электропитания постоянного тока и подсоединении отрицательного полюса указанного источника постоянного тока к заземленному линейному проводнику указанные полупроводниковые ограничители напряжения являются несимметричными полупроводниковыми ограничителями напряжения, аноды которых соединены с заземленным линейным проводником.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что при подключении устройства защиты электрооборудования к сети электропитания постоянного тока и подсоединении положительного полюса указанного источника постоянного тока к заземленному линейному проводнику указанные полупроводниковые ограничители напряжения являются несимметричными полупроводниковыми ограничителями напряжения, катоды которых соединены с заземленным линейным проводником.

6. Устройство защиты электрооборудования от перенапряжений, содержащее средство контроля и сигнализации и несколько включенных параллельно цепочек ограничителей напряжения, причем каждая из указанных цепочек содержит предохранитель, соединенный последовательно с полупроводниковым ограничителем напряжения, и отличающееся тем, что указанное устройство защиты также содержит несколько унифицированных модулей защиты, разбитых на две группы, причем первая группа унифицированных модулей защиты подключена между фазным (линейным) и защитным проводниками сети электропитания переменного (постоянного) тока, а вторая группа унифицированных модулей защиты подсоединена между фазным (линейным) и нулевым рабочим (заземленным линейным) проводниками сети электропитания переменного (постоянного) тока, каждый из унифицированных модулей защиты имеет первый, второй и третий выводы для соединения с сетью электропитания и защищаемым электрооборудованием и состоит из несъемного и съемного блоков, в состав съемного блока входит цепочка из последовательно соединенных предохранителя и полупроводникового ограничителя напряжения, причем выводы указанной цепочки соединены соответственно от предохранителя с первым и от полупроводникового ограничителя напряжения со вторым выводами указанного унифицированного модуля защиты, а точка соединения предохранителя и полупроводникового ограничителя напряжения соединена с третьим выводом указанного унифицированного модуля защиты, в состав несъемного блока входит указанное средство сигнализации и контроля, содержащее включенное параллельно предохранителю сигнальное средство и включенный параллельно полупроводниковому ограничителю напряжения резистор, второй и третий выводы защищаемого электрооборудования подключены соответственно к нулевому рабочему (заземленному линейному) и защитному проводникам системы электропитания переменного (постоянного) тока, первый и второй выводы всех унифицированных модулей защиты первой группы подключены соответственно к фазному (линейному) и защитному проводникам системы электропитания переменного (постоянного) тока, первый и второй выводы всех унифицированных модулей защиты второй группы подключены соответственно к фазному (линейному) и нулевому рабочему (заземленному линейному) проводникам системы электропитания переменного (постоянного) тока, у одного унифицированного модуля защиты второй группы третий вывод подключен к первому выводу защищаемого электрооборудования, причем в этом унифицированном модуле защиты полупроводниковый ограничитель напряжения имеет более высокое напряжение пробоя по сравнению с ограничителями напряжения в остальных унифицированных модулях защиты.