Комбинированное устройство защиты от перенапряжений с регистрацией количества срабатываний и контролем параметров сети

Использование: в области электротехники для защиты от импульсных перенапряжений радиоэлектронной аппаратуры. Технический результат заключается в обеспечении отвода больших импульсных токов и ограничении импульсных перенапряжений. Устройство содержит: варистор, датчик тока, два датчика напряжения, микроконтроллер, регистр результата, конденсатор, резистор и элемент, поглощающий энергию импульса, а для расширения области применения в устройство введены: разрядник, полупроводниковое защитное устройство - ограничительный диод, три разъединителя, две индуктивности, два дополнительных датчика тока, три диода. Входы устройств защиты от перенапряжений присоединены к защищаемому объекту через коммутационные аппараты - разъединители, а выходы - к входу элемента, поглощающего энергию импульса, через датчики тока и диоды. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, электроники, может быть использовано для защиты электроустановок и сетей постоянного и переменного тока от импульсных перенапряжений.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для защиты от перенапряжений сетей постоянного тока (патент RU №2432655 от 2011 г., патент RU №2022437 от 1991 г.).

Устройство защиты от перенапряжений содержит полупроводниковый элемент - варистор, один из электродов которого соединен с защищаемым объектом, а второй подключен к одному из выводов первого конденсатора. Второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом элемента, поглощающего энергию импульса перенапряжения, второй вывод которого заземлен. В качестве элемента, поглощающего энергию перенапряжения, использован трансформатор с первичной и вторичной обмотками, нагрузкой которого является второй конденсатор. Параллельно первичной обмотке трансформатора включен первый резистор, а параллельно второму конденсатору на вторичную обмотку трансформатора подключен второй резистор, датчик тока, который регистрирует ток при срабатывании устройства и регистрирует токи утечки при неисправности его. Датчики напряжения контролируют величину перенапряжения при срабатывании защитного устройства, а также осуществляют контроль наличия напряжения сети. Контроль величин воздействующих на устройство перенапряжений и тока осуществляет микроконтроллер, который производит количественную оценку срабатываний данного устройства, однако оно имеет узкий диапазон работы и при отказе устройства защиты от перенапряжений - варистора - будет негативно влиять на качество электрической энергии, поступающей потребителю.

Целью изобретения является создание устройства защиты от перенапряжений, способного отводить большие импульсные токи и быстро ограничивать импульсные перенапряжения, близкие по значениям к рабочим напряжениям, для повышения надежности защиты радиоэлектронной аппаратуры, расширение области применения устройства защиты за счет введения в устройство разрядника, ограничительного диода, коммутационных аппаратов - разъединителей - и двух датчиков тока.

Технический результат заключается в том, что в предлагаемое устройство защиты от перенапряжений позволяет отводить большие импульсные токи и быстро ограничивать импульсные перенапряжения, близкие по значениям к рабочим напряжениям, при этом осуществляется контроль исправности устройства защиты и параметров сети, а также снижается влияние недостатков отдельных устройств защиты от перенапряжений.

С ухудшением технического состояния защитного устройства возрастает риск прохождения импульсов перенапряжения к потребителям электроэнергии, а также снижается качество электрической энергии, поступающей потребителю, что может привести к сбою в работе или отказу радиоэлектронной аппаратуры и аппаратуры управления. Для обеспечения надежной работы потребителей электроэнергии необходимо знать достоверную информацию о работоспособности защитного устройства, что позволит своевременно производить его отключение или замену.

Заявляемое решение отличается от прототипа наличием разрядника, ограничительного диода, разъединителей, индуктивностей, датчиков тока, диодов. Проведение оценки технического состояния устройства защиты со своими связями между собой, функции контроля срабатывания устройства и его технического состояния выполняет программа микроконтроллера путем сравнения напряжений или токов.

Следовательно, эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».

Поиск технических решений в смежных и других областях техники выявил уникальность отличительных признаков заявленного технического решения, что соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сравнение заявляемого решения с указанным устройством показывает, что совокупность устройств, блоков в указанном устройстве отсутствует и не связана между собой так, как в предложенном устройстве с введенными и исключенными элементами, что не позволяет в указанном устройстве достичь необходимый технический результат. Заявляемое устройство содержит в своем составе стандартные блоки вычислительной и измерительной техники. Следовательно, изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".

На фиг.1 представлена структурная схема комбинированного устройства защиты от перенапряжений с регистрацией количества срабатываний и контролем параметров сети с фиксацией его работы, где обозначено:

1 - разрядник;

2 - датчик тока;

3 - полупроводниковое защитное устройство - варистор;

4 - датчик тока;

5 - конденсатор;

6 - элемент, поглощающий энергию импульса перенапряжения;

7 - трансформатор;

8 - первичная обмотка трансформатора;

9 - вторичная обмотка трансформатора;

10 - конденсатор;

11 - резистор;

12 - резистор;

13 - датчик напряжения;

14 - ограничительный диод;

15 - датчик тока;

16 - датчик напряжения;

17 - микроконтроллер;

18 - регистр результата;

QS1-QS3 - коммутационный аппарат - разъединитель;

L1, L2 - индуктивность;

VD1-VD2 - диод.

Элементы комбинированного устройства защиты от перенапряжений с регистрацией количества срабатываний и контролем параметров сети связаны следующим образом. Разъединитель QS1 входом подключен к защищаемому объекту и первому выводу индуктивности L1, а выходом к разряднику 1, разрядник 1 выходом подключен к одному из выводов датчика тока 2. Второй вывод датчика тока 2 подключен к входу диода VD1, а выходом диод VD1 подключен к выводу первого конденсатора 5 и выводу первого датчика напряжения 13, а информационный канал датчика тока 2 подключен к входу микроконтроллера 17. Индуктивность L1 одним выводом подключена к входу разъединителя QS1, а другим к входу разъединителя QS2, индуктивность L2 одним выводом подключена к входу разъединителя QS2, а другим к входу разъединителя QS3 и выводу второго датчика напряжения 16, который подключен к защищаемому объекту. Разъединитель QS2 входом подключен к второму выводу индуктивности L1 и первому выводу индуктивности L2, а выходом к варистору 3, варистор 3 выходом подключен к одному из выводов датчика тока 4. Второй вывод датчика тока 4 подключен к входу диода VD2, а выходом диод VD2 подключен к выводу первого конденсатора 5 и выводу первого датчика напряжения 13, а информационный канал датчика тока 4 подключен к входу микроконтроллера 17. Разъединитель QS3 входом подключен к второму выводу индуктивности L2 и выводу второго датчика напряжения 16, который подключен к защищаемому объекту, а выходом к ограничительному диоду 14, ограничительный диод 14 выходом подключен к одному из выводов датчика тока 15. Второй вывод датчика тока 15 подключен к входу диода VD3, а выходом диод VD3 подключен к выводу первого конденсатора 5 и выводу первого датчика напряжения 13, а информационный канал датчика тока 15 подключен к входу микроконтроллера 17. Второй вывод первого конденсатора 5 соединен с первым выводом элемента, поглощающего энергию импульса перенапряжения 6, второй вывод которого заземлен. Второй вывод первого датчика напряжения 13 соединен со вторым выводом элемента, поглощающего энергию импульса перенапряжения 6, а информационный канал первого датчика напряжения 13 подключен к входу микроконтроллера 17. В качестве элемента, поглощающего энергию перенапряжения 6, использован трансформатор 7 с первичной 8 и вторичной 9 обмотками, нагрузкой которого является второй конденсатор 10. Параллельно первичной обмотке 8 трансформатора включен первый резистор 12, а параллельно второму конденсатору 10 на вторичную обмотку трансформатора подключен второй резистор 11. Второй датчик напряжения 16 подключен к защищаемому объекту, а информационный канал датчика напряжения подключен к входу микроконтроллера 17. Выход микроконтроллера 17 соединен с регистром результатов 18.

Комбинированное устройство защиты от перенапряжений снижает влияние недостатков отдельных устройств защиты и позволяет использовать их полезные свойства. Учитывая, что устройства защиты от перенапряжений - разрядник, варистор и ограничительный диод - имеют определенное число срабатываний, то для контроля технического состояния и регистрации срабатывания устройства используются микроконтроллер с собственным источником питания, датчики тока, датчики напряжения, регистр результата. При выходе из строя любого из устройств защиты его можно заменить без отключения потребителя за счет введения коммутационных аппаратов - разъединителей QS1, QS2, QS3.

Устройство работает следующим образом. При появлении импульса перенапряжения первым срабатывает ограничительный диод 14 и в цепи, состоящей из последовательно включенных первого конденсатора 5 и элемента 6, поглощающего энергию перенапряжения, возникает ток, который фиксирует датчик тока 15. Ток вызывает падение напряжения на индуктивности L1 $$\Delta U_{L1}=-L1\frac{d{i}_1}{dt}$$ , что приводит к срабатыванию варистора 3. К варистору 3 будет приложено напряжение U₃=U₁₄+ΔU_L1. Под действием напряжения $$\Delta U_{L2}=-L2\frac{di2}{dt}$$ разрядник 1 пробивается, если приложенное напряжение к разряднику 1 U₁=U₃+ΔU_L2 достигает напряжения пробоя разрядника 1, он срабатывает и отводит дополнительный ток. Возникающий потенциал напряжения фиксирует датчик напряжения 13. Данные с датчиков тока 2, 4, 15 и датчика напряжения 13 поступают на микроконтроллер 17, который обрабатывает их и выдает на регистр результатов 18 величину воздействующего тока и напряжения при срабатывании устройств защиты 1, 3, 14. Микроконтроллер 17 считает количество срабатываний устройств защиты 1, 3, 14 путем сравнения напряжений, а также осуществляет контроль их исправности, контролируя ток утечки. В случае выхода из строя устройств защиты 1, 3, 14 или ухудшения их характеристик датчики тока 2, 4, 15 фиксируют увеличение токов утечки и выдают их величину на микроконтроллер 17, а тот в свою очередь на регистр результатов 18. Путем сравнения величин токов утечки микроконтроллер 17 выдает заключение о исправности устройств защиты. С помощью датчика напряжения 16 осуществляется контроль наличия напряжения в сети питания потребителей, а также величины отклонения напряжения от номинального значения, величина данных значений поступает на микроконтроллер 17. Микроконтроллер 17 фиксирует величину отклонения напряжения, его значение в цифровом коде передается на регистр результатов 18 для визуального отображения и сохранения.

Таким образом, осуществляется постоянный контроль исправности устройств защиты 1, 3, 14 и наличия напряжения в сети питания защищаемого объекта, а импульс перенапряжения (10 кВ) ступенчато ограничивается до напряжения 35 В.

Относительно малая длительность импульса требует небольшого значения разделительных индуктивностей L1, L2 (7-15 мкГн), поэтому их роль выполняют провода цепей электропитания.

Датчики тока и напряжения зафиксируют соответствующие импульсы, программа микроконтроллера зафиксирует срабатывание устройств защиты от перенапряжений, обеспечивая комбинированному устройству защиты от перенапряжений более высокую надежность и информативность.

Комбинированное устройство защиты от перенапряжений с регистрацией количества срабатываний и контролем параметров сети, содержащее варистор, датчик тока, два датчика напряжения, микроконтроллер, регистр результата, конденсатор, резистор и элемент, поглощающий энергию импульса, отличающееся тем, что в него дополнительно введены разрядник, первый, второй и третий разъединители, два дополнительных датчика тока, ограничительный диод, две индуктивности и три диода, при этом первый разъединитель входом подключен к защищаемому объекту и первому выводу первой индуктивности, а выходом - к разряднику, выход которого подключен к одному из выводов первого датчика тока, второй вывод которого подключен к входу первого диода, выход которого подключен к выводу конденсатора и выводу первого датчика напряжения, первая индуктивность вторым выводом подключена к входу второго разъединителя, вторая индуктивность одним выводом подключена к входу второго разъединителя, а другим к входу третьего разъединителя и выводу второго датчика напряжения, который подключен к защищаемому объекту, второй разъединитель выводом подключен к варистору, который выходом подключен к одному из выводов второго датчика тока, второй вывод которого подключен к входу второго диода, выход которого подключен к выводу конденсатора и выводу первого датчика напряжения, третий разъединитель входом подключен к выводу второго датчика напряжения, а выходом к ограничительному диоду, выход которого подключен к одному из выводов третьего датчика тока, второй вывод которого подключен к входу третьего диода, выход третьего диода подключен к выводу конденсатора и выводу первого датчика напряжения, информационные каналы первого, второго и третьего датчиков тока подключены к входу микроконтроллера, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу элемента, поглощающего энергию импульса перенапряжения, второй вывод которого заземлен, второй вывод первого датчика напряжения соединен со вторым выводом элемента, поглощающего энергию импульса перенапряжения, информационные каналы первого и второго датчиков напряжения подключены к входу микроконтроллера, выход микроконтроллера соединен с регистром результатов.