СПОСОБ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ В СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
METHOD OF SHUTOFF PROTECTION IN AC MAINS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике защиты людей от электропоражений в сетях переменного тока с любым видом нейтрали, т.е. для сетей с заземленной нейтралью и сетей с изолированной нейтралью. Изобретение может быть использовано для снижения электротравматизма в быту населения, в учебных заведениях, в производственных условиях промышленных и сельскохозяйственных предприятий.
Известен способ и широко распространены устройства защиты человека от поражения электрическим током при прикосновении к одному проводу сети (однополюсное касание), при котором ток проходит по пути фаза-человек-земля, например [1]. Известны также способы защиты людей от электропоражений при прикосновении к двум проводам сети (двухполюсное касание), например [2, 3, 4]. Однако изделий, реализующих эти способы, нет. Этим известным способам присущи принципиальные недостатки: устройства по способу [1] не защищают людей от двухполюсных касаний и не предназначены для работы в сетях с изолированной нейтралью; способ [2] способен защитить только человека, на которого надеты датчики тока; способ [3] способен защитить только при работе в ограниченной зоне внутри распредустройства и не защищает человека, попавшего под напряжение за его пределами.
Наиболее близким заявляемому способу является способ [4], который принят нами за прототип. Способ-прототип имеет следующие недостатки:
- все квартирные розетки должны быть 3-полюсными и в них должны встраиваться конденсаторы;
- все вилки бытовых электроприборов должны быть 3-полюсными и в схему приборов должны вводиться диоды;
- внутренняя проводка помещений должна быть 3-проводной;
- не пригодны для использования в сетях с изолированной нейтралью;
- устройства по способу-прототипу будут ложно отключать устройство защиты при увеличении тока нагрузки без включения пускового выключателя электроприбора, например, при увеличении механической нагрузки на вал электродвигателя.
В связи с этим, практического применения способ-прототип не получил. Подробное изложение функционирования способа-прототипа приведено в описании а.с. №1012381.
Целью изобретения является обеспечение отключения участка сети с любым режимом нейтрали (заземленная и изолированная) при двухполюсном касании человека проводов сети без использования заземления и дополнительных элементов, встраиваемых в вилки и розетки.
Поставленная цель достигается тем, что формирование отключающего сигнала начинается с первого приращения тока нагрузки, величина которого находится в заданных пределах, и заканчивается через N периодов, например N=3, при повторяющихся без пропусков положительных приращениях тока нагрузки, а запрещающий сигнал формируют в этом же интервале времени по положительным приращениям напряжения сети и реактивной составляющей тока нагрузки и (или) приращению фазового угла тока нагрузки, если они превышают заданные значения.
В основу предлагаемого способа положена особенность тела человека как элемента электрической цепи, заключающаяся в том, что при увеличении длительности протекания тока через тело человека, величина тока растет (см. [5] стр.25, рис.7 и 8; [6] стр.28; [8] стр.41, рис.1). Известно также [5, 8], что при напряжении более 200 В сопротивление тела человека является практически активным, т.е. реактивная составляющая тока человека и фазовый угол равны нулю. На фиг.1 представлена типичная осциллограмма тока через человека и приложенного напряжения. Из осциллограммы видно, что амплитуда тока каждого последующего полупериода больше предыдущего. Такое нарастание тока длится примерно 5, … 6 периодов с момента включения человека под напряжение. Более подробно эти результаты описаны в [5, 8].
Кроме каких-либо специализированных электроприемников, все широкоиспользуемые электроприемники при включении под напряжение имеют убывающую во времени зависимость тока, т.е. каждый последующий полупериод меньше предыдущего. Это относится даже к лампам накаливания, у которых при нагреве нити происходит увеличение сопротивления и уменьшение тока. Исключение составляют электродвигательные нагрузки, у которых может наблюдаться нарастание тока во времени при увеличении механической нагрузки на валу. Но, в отличие от тока через человека, в этом случае будет наблюдаться изменение отношения реактивной составляющей к активной, т.е. изменение (приращение) фазового угла (фиг.2).
Изложенное позволяет констатировать, что есть комплекс признаков, которые позволяют отличить ток через человека от тока через нагрузку при подключении их к напряжению сети 220 В.
Для реализации предлагаемого способа необходимо при любом скачке тока нагрузки выделить его приращение за каждый полупериод в течение 2-х, … 5-ти периодов и, если эти приращения все положительны, сформировать отключающий сигнал. Для исключения ложных срабатываний от нагружаемых электродвигателей формируется сигнал запрета по приращению реактивной составляющей тока и (или) по изменению фазового угла, а также по положительному приращению напряжения сети.
На фиг.3 приведен упрощенный вариант функциональной блок-схемы устройства защитного отключения, реализующего данный способ. На фиг.4 приведена упрощенная функциональная блок-схема комбинированного устройства защитного отключения, осуществляющего защиту при двухполюсном касании с использованием данного способа и защиту по току утечки в землю при однополюсном касании.
При анализе известных технических решений в данной области, мы не выявили признаков заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критериям изобретения «новизна» и «существенные отличия».
Использование способа представляется наиболее эффективным для защиты людей при эксплуатации электрооборудования в условиях с нетокопроводящими полами (учебные лаборатории ВУЗов, школ, электро- и радиоремонтные мастерские и т.п.), а также на электроустановках, работающих в сетях с изолированной нейтралью, где защита по току утечки в землю в принципе не работоспособна.
Технико-экономический эффект является социальным и заключается в создании технических средств, обеспечивающих электробезопасность людей при эксплуатации электроприборов.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.с. №1359842.
2. А.с. №536559.
3. А.с. №681498.
4. А.с. №1012381.
5. Вильгельмайер Г., Микш И. К вопросу о влиянии кожи на импеданс тела человека (перевод с немецкого №Г-23969, М., 1981) Журнал «Elektrotechnik und Maschinenbaum», 1980, №9.
6. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М., Энергоатомиздат, 1984.
7. Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. Л., Энергоиздат, 1985.
8. Слободкин А.Х., Строганов А.М. Экспериментальное определение тока через тело человека при напряжении 220 В. Электричество, 1992, №2.
9. Александров Н.Н. Электрические машины и микромашины. М., Колос, 1983.