УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ НАЛИЧИЯ И КАЧЕСТВА ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, а именно, к схемам защиты электрического оборудования, и предназначено для обеспечения электробезопасности потребителя, для сигнализации о наличии или отсутствии заземления электрического оборудования или недостаточном его качестве.
Известно устройство контроля заземления горных машин, включающее блок контроля и систему сигнализации, подключенные через вспомогательную и заземляющую жилы питающего кабеля к диоду и заземлителю в приключательном пункте, содержащие трансформатор, к вторичной обмотке которого подключены исполнительное реле с контактом в системе сигнализации, схему проверки исправности с параллельно включенными проверочным резистором и кнопкой проверки, сигнальные лампы и звуковую сирену, при этом блок контроля и система сигнализации установлены на передвижной горной машине (патент на полезную модель №60275, дата публикации 10.01.2007, МПК H02H 3/16, «Устройство контроля заземления горных машин»).
Известное устройство требует наличия вспомогательной жилы для постоянного осуществления контроля наличия заземления. Это ограничивает возможности применения данного устройства только условиями горных работ.
Прототипом заявляемого устройства является устройство непрерывного контроля наличия заземления электроприборов, содержащее входной элемент из трех контактов, включающий два силовых контакта для соединения с фазным и нулевым проводами двухпроводной сети и контакт для соединения с заземляющим элементом электроприбора, анализирующую электрическую схему и исполнительный элемент, при этом в анализирующую электрическую схему введены двухвходовой симметрирующий элемент по напряжению, реле тока и сопротивление, причем силовые контакты входного элемента соединены с входами симметрирующего элемента, выход которого соединен с первым управляющим контактом реле тока, исполнительные контакты которого соединены с исполнительным элементом, а контакт для соединения с заземляющим элементом электроприбора соединен через сопротивление со вторым управляющим контактом реле тока, при этом величина сопротивления выбрана исходя из соотношения:
вх
без
вх
сраб
U/2I≤R+Ri≤U/2U,
где R - величина сопротивления, Ом;
Ri - величина сопротивления между управляющими контактами реле тока (внутреннее сопротивление реле тока), Ом;
вх
U - напряжение между силовыми контактами входного устройства, B;
без
I - ток безопасности, A;
сраб
I - ток срабатывания реле тока, А;
(патент на полезную модель №20413, дата публикации 27.10.2001, МПК H02H 3/10, H02H 3/14, «Устройство контроля наличия заземления электроприборов»).
Недостаток прототипа заключается в том, что данное устройство только сигнализирует о наличии ситуации обрыва заземления звуковым сигналом и не способно отключить электрооборудование от сети электрического питания. При этом само электрооборудование продолжает работать, а это опасно для людей и для самого оборудования, особенно в пожаро-взрывоопасных производствах. Кроме того, устройство предназначено для использования в бытовых устройствах, оно расположено в сетевом шнуре питания, и не применимо для подключения промышленного оборудования, которое подключается через электрощиты.
Известное устройство контролирует только обрыв провода «заземление» и не способно обнаружить даже значительное ухудшение качества заземления, т.е. малые токи могут протекать через заземление, но защитную функцию при «пробое» оно нести уже не может. Подобное может происходить при высыхании грунта, в котором находятся заземляющие элементы, или при высыхании бетона летом, если заземление произвели с нарушениями на арматуру фундамента здания.
Задача заявляемого технического решения заключается в повышении надежности и безопасности работы электрического оборудования, особенно в пожаро- и взрывоопасных производствах, путем непрерывного автоматического контроля наличия заземления электрического оборудования, постоянного мониторинга его качества, и в повышении электробезопасности пользователей оборудования путем автоматического отключения электрического оборудования при ухудшении или отсутствии заземления.
Поставленная задача решается благодаря тому, что устройство непрерывного контроля наличия и качества заземления электрического оборудования, содержащее входной блок, состоящий из двух силовых контактов для соединения с фазным и нулевым проводами двухпроводной сети и контакта для соединения с заземляющим контуром электрического оборудования, анализирующую электрическую схему, содержащую реле, а также выходной блок, в котором анализирующая электрическая схема содержит процессор, токовый трансформатор, балластный резистор и реле, при этом силовой контакт фазного провода соединен с входом токового трансформатора, выход которого соединен с входом балластного резистора, выход которого соединен с входом управляемого контакта реле нулевого провода и с входом управляемого контакта реле провода заземления, выходы которых соединены соответственно с силовым контактом для соединения с нулевым проводом и с контактом для соединения с проводом заземления, причем, два выхода трансформатора тока соединены с процессором, выходы которого связаны с управляющим контактом реле нулевого провода, с управляющим контактом реле провода заземления, с управляющим контактом реле отключения оборудования, с выходным блоком, содержащим силовые контакты для управления электрическим оборудованием, кроме того, признаком отсутствия заземления или недостаточного его качества является выполнение условия неравенства
З
O
I<A<I,
З
где I - ток, проходящий через заземление, A;
O
I - ток, проходящий через нулевой провод, A;
A - эмпирический коэффициент настройки соотношения токов,
а признаком оценки уровня качества заземления является выполнение условия неравенства
З
З
O
O
ΔI/ΔT≥B×(ΔI/ΔT),
З
З
где ΔI/ΔT - скорость нарастания тока, проходящего через провод заземления, A/C;
O
O
ΔΙ/ΔT - скорость нарастания тока, проходящего через нулевой провод, A/C;
B - эмпирический коэффициент настройки соотношения скорости нарастания токов.
Кроме того, выходной блок содержит световой элемент сигнализации «нормы», световой элемент сигнализации «отклонения от нормы» и звуковой элемент сигнализации «отклонения от нормы».
Использование в устройстве процессора, который управляет работой реле нулевого провода и реле провода заземления, обеспечивает непрерывность контроля наличия и качества заземления электрического оборудования, то есть позволяет не только обнаружить обрыв провода заземления, но и определить уровень качества заземления, что повышает надежность проверки заземления.
Применение реле отключения оборудования обеспечивает отключение оборудования от сети электропитания в случае отсутствия или недостаточного качества заземления, что значительно повышает безопасность работы защищаемого электрического оборудования и людей, его обслуживающих, что особенно актуально в пожаро- и взрывоопасных производствах.
Наличие в устройстве токового трансформатора и балластного сопротивления позволяет расширить область применения устройства, то есть позволяет использовать его не только для бытовых электрических устройств, но и для подключения к электросети промышленного оборудования.
Блок сигнализации обеспечивает оперативное информирование обслуживающего персонала о состояния заземления электрического оборудования, что повышает безопасность работы электрического оборудования и безопасность персонала.
Наличие отличительных признаков в заявляемом техническом решении позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности «новизна».
Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждена на примере конкретного осуществления.
Сущность технического решения поясняется техническими рисунками, где на фиг. 1 - изображена функциональная схема устройства.
Устройство непрерывного контроля наличия и качества заземления электрического оборудования содержит входной блок 1, анализирующую электрическую схему 2 и выходной блок 3.
Входной блок 1 состоит из силового контакта 4 для соединения с фазным проводом, силового контакта 5 для соединения с нулевым проводом двухпроводной однофазной сети и контакта 6 для соединения с проводником «заземление», связанным с заземляющим контуром, или с металлическим корпусом защищаемого оборудования при контроле защиты электрооборудования. Контакт 7 и контакт 8 служат для управления контролируемым оборудованием и относятся к выходному блоку 3.
Анализирующая электрическая схема 2 содержит процессор 9, токовый трансформатор 10, измеряющий величину тока в цепях, балластный резистор 11, служащий для ограничения величины тока в устройстве и реле разного назначения: реле 12 нулевого провода, реле 13 провода заземления и реле 14 отключения оборудования.
Силовой контакт 4 для соединения с фазным проводом соединен с входом токового трансформатора 10, выход которого соединен с входом балластного резистора 11, выход которого соединен с входом реле 12 нулевого провода и с входом реле 13 провода заземления, выходы которых соединены соответственно с силовым контактом 5 для соединения с нулевым проводом и с контактом 6 для соединения с заземляющим контуром или с металлическим корпусом защищаемого электрического оборудования.
Два выхода токового трансформатора 10 соединены с процессором 9, выходы которого связаны с управляемым контактом реле 12 нулевого провода, с управляемым контактом реле 13 провода заземления, с управляемым контактом реле 14 отключения оборудования, с выходным блоком 3.
Выходной блок 3 содержит световой элемент сигнализации «нормы» 15, световой элемент сигнализации «отклонения от нормы» 16 и звуковой элемент сигнализации 17 «отклонения от нормы».
Для начала работы устройство подключают в соответствии с фиг. 1. Устройство подключают к двухпроводной сети питания, силовой контакт 4 для соединения с фазным проводом подключают к фазе, силовой контакт 5 подключают к нулевому проводу, контакт 6 соединяют с проводником «заземление» при контроле непосредственно заземляющего контура.
Выходы реле 14 отключения оборудования связаны с контактами 7 и 8 для управления контролируемого электрооборудования.
Управляемые контакты реле 12 нулевого провода, реле 13 провода заземления и реле 14 отключения оборудования разомкнуты. В выходном блоке 3 элементы сигнализации 15, 16, 17 выключены.
Работа устройства производится по алгоритму проверки заземления, состоящей из двух шагов.
При первом шаге проводится проверка наличия заземления и предварительная оценка качества заземления.
Для этого процессор 9 включает управляемый контакт реле 12 нулевого провода на время T1, обеспечивая прохождение тока по цепи «Фаза -Нулевой проводник»: силовой контакт 4 для соединения с фазным проводом - токовый трансформатор 10 - балластный резистор 11 - реле 12 нулевого провода - силовой контакт 5 для соединения с нулевым проводом. С помощью токового трансформатора 10 измеряют величину тока, проходящего через его первичную обмотку. Спустя время Т1, после замера тока нулевого провода, процессор 9 выключает реле 12 нулевого провода.
Затем процессор 9 включает управляемый контакт реле 13 провода заземления на время Т2, обеспечивая прохождение тока по цепи «Фаза - Заземление»: силовой контакт 4 соединения с фазным проводом - токовый трансформатор 10 - балластный резистор 11 - реле 13 провода заземления - силовой контакт 6 соединения с проводом заземления. С помощью токового трансформатора 10 измеряют величину тока, проходящего через его первичную обмотку.
Далее процессор 9 сравнивает показатели тока цепи «Фаза - Нулевой проводник» и «Фаза - Заземление» по неравенству:
З
где I - ток, проходящий через проводник «заземление», A;
O
I - ток, проходящий через нулевой провод, А;
B - эмпирический коэффициент настройки соотношения токов, B=1…3. Величина коэффициента В обусловлена испытаниями устройства в реальных условиях эксплуатации при различных параметрах качества заземления. B=3 - соответствует наиболее строгим требованиям, например для пожаро- и взрывоопасных производств.
Если неравенство [1] выполняется, то в этом случае заземление отсутствует или оно ненадлежащего качества.
При этом процессор 9 вырабатывает сигналы для выходного блока 3, для включения светового 16 и звукового 17 элементов сигнализации и выключает реле 14 отключения оборудования, одновременно выключая силовые контакты 7 и 8, предназначенные для управления контролируемым электрооборудованием.
Если неравенство [1] не выполняется, то есть если ток, проходящий через проводник «заземление», больше тока, проходящего через нулевой провод, умноженного на эмгшрический коэффициент B, то процессор 9 переходит на второй шаг алгоритма проверки.
На втором шаге алгоритма проверки заземления производится углубленная оценка качества заземления, заключающаяся в сравнении скорости нарастания тока во время замыкания управляющих контактов реле 12 нулевого провода и реле 13 провода заземления.
Процессор 9 сравнивает скорость нарастания тока в цепи «Фаза - Нулевой проводник» со скоростью нарастания тока в цепи «Фаза - Заземление».
Признаком оценки уровня качества заземления является выполнение условия неравенства:
З
З
где ΔI/ΔI - скорость нарастания тока, проходящего через провод заземления, A/C;
O
O
ΔI/ΔT - скорость нарастания тока, проходящего через нулевой провод, A/C;
D - эмпирический коэффициент настройки соотношения скорости нарастания токов, D=1…100. Величина коэффициента Б обусловлена испытаниями устройства в реальных условиях эксплуатации при различных параметрах качества заземления. Устанавливается для различных категорий чувствительности и строгости требований к заземлению. D=100 - значение коэффициента, соответствующего наиболее строгим требованиям, например для пожаро- и взрывоопасных производств.
Если неравенство [2] выполняется, то качество заземления соответствует состоянию «Норма заземления». При этом процессор 9 выдает сигнал в выходной блок 3 для включения светового элемента сигнализации 15 «Норма заземления».
Если неравенство [2] не выполняется, то процессор 9 выдает сигнал в выходной блок 3 о включении светового 16 и звукового 17 элемента сжнализации состояния «Отклонение от нормы заземления», одновременно включая силовые контакты 7 и 8, предназначенные для управления контролируемым электрооборудованием.
Устройство непрерывно производит проверку наличия заземления и его качества. Для этого производится тестирование по указанному алгоритму с частотой измерения от 5 до 500 раз в секунду. Частота измерения качества заземления обусловлена следующими факторами. Минимальная частота 5 раз в секунду предназначена для обеспечения должного быстродействия устройства и отключения контролируемого оборудования при повреждении заземления. При меньшей частоте возможна ситуация, при которой возможно наступление негативных последствий для защищаемого оборудования и обслуживающего персонала. Максимальная частота 500 раз в секунду ограничена быстродействием используемого процессора 9 и величиной времени T1 и T2, при которых производится тестирование цепей «Фаза - Нулевой проводник» и «Фаза - Заземление».
Таким образом, наличие в устройстве анализирующей электрической схемы, содержащей процессор, управляющий работой реле нулевого провода и реле провода заземления, а также реле отключения оборудования, обеспечивает непрерывный автоматический контроль наличия заземления и оценку его качества, что позволяет повысить надежность и безопасность работы электрического оборудования, повысить электробезопасность пользователей оборудования путем автоматического отключения электрического оборудования при ухудшении или отсутствии заземления.