УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ УТЕЧКИ ТОКА ПРИ ЗАТОПЛЕНИИ
DEVICE FOR PROTECTING CURRENT LEAKAGE AT FLOODING

Область техники
Изобретение относится к устройству защиты от короткого замыкания или утечки тока для предупреждения поражения электрическим током путем уменьшения тока короткого замыкания между неизолированными контактами электротехнических устройств при затоплении и для обеспечения исправной работы электроустановок.
Известный уровень техники
Публикация заявки на патент Республики Корея 10-2005-0037986 (отражающий предшествующий уровень техники) раскрывает устройство защиты от утечки тока или поражения электрическим током путем поглощения тока утечки с оголенного участка, находящегося под нагрузкой при затоплении электрооборудования или устройства. Приведено два примера реализации подобных устройств защиты от утечки тока, общим признаком которых является установка плоской металлической пластины достаточно большой площади, покрывающей все другие устройства, такие как прерыватель цепи и балластное сопротивление, включая клеммную панель, содержащую оголенные контактные клеммы (однофазную клемму Р, нейтральную клемму N, клемму заземления Е), при этом плоская металлическая плита размещена под клеммной панелью, прерывателем цепи, стабилизатором и т.п. и соединена с нейтральной клеммой (N) или клеммой заземления (Е). Благодаря такой конструкции по предшествующему уровню техники даже при затоплении клеммной панели почти весь ток с неизолированных клемм уходит в плоскую металлическую пластину, в силу чего даже при соприкосновении тела человека или погружении в воду, где находится клеммная панель, величина тока, проходящего через организм, будет достаточно малой, чтобы избежать поражения или утечки электротока.
Подробное описание изобретения
Техническая задача
Однако на практике сборка и испытание устройства защиты от утечки тока в конфигурации предшествующего уровня техники показали, что оно имеет некоторые существенные недостатки.
Во-первых, для эффективного предупреждения утечки тока и электрошока металлическая пластина как средство защиты должна быть соединена с нейтральным терминалом источника переменного тока, что является ключевым фактором гарантированной защиты. В соответствии с описанием предшествующего уровня техники для достижения эффективной защиты от утечки тока при затоплении плоская металлическая пластина должна быть соединена с нейтральной клеммой (N) или с клеммой заземления (Е). Способ достижения этого состоит в нахождении подведенной к нулевому выводу одной из двух линий однофазного электроснабжения, в присоединении этой первой линии электроснабжения к контактной клемме, с которой соединена плоская металлическая пластина, и в подсоединении оставшейся второй линии электроснабжения к оставшейся контактной клемме при установке клеммной панели. Тем не менее, осуществление этого способа затруднено сложностью правильного определения первой линии электроснабжения, соединенной с нулевым терминалом, без чего эффект защиты от поражения электричеством и утечки тока не достижим, а в силу того, что источник питания снабжается электроэнергией постоянно, даже когда в этом нет необходимости, это приводит к потере электроэнергии. Для того, чтобы подавать нагрузку от источника питания только по мере необходимости, можно между источником питания и клеммной панелью разместить штепсельный разъем. В этом случае путь подключения плоской металлической пластины к источнику питания переменного тока будет следующим: клеммы в клеммной панели → контакты штепселя → электрическая розетка. Для соединения плоской металлической пластины с нулем источника питания переменного тока необходимо гарантировать соединение штепселя, идущего от первой клеммы (J1) клеммной панели, к которой присоединяют плоскую металлическую пластину, с гнездом электророзетки, соединенным с нейтральным выводом источника питания переменного тока. Штепсельная вилка имеет два штыревых контакта (IN1, IΝ2) и один заземляющий контакт (G), которые ведут к трем соответствующим клеммам клеммной панели. Два указанных штыревых контакта (IΝ1, IΝ2) выглядят одинаково. Два контактных гнезда электророзетки для источника питания переменного тока, то есть - первое гнездо (N) розетки, соединенное с нулевым терминалом источника питания переменного тока, и второе гнездо (R) розетки, соединенное с терминалом однофазового напряжения, также выглядят одинаково. Таким образом, при соединении штепсельного разъема пользователь должен быть уверен, что первый штыревой контакт (IΝ1) штепселя наверняка будет совмещен с первым гнездом электророзетки (N). На практике гарантировать выполнение такого условия трудно. Даже в случаях, когда известна полярность вилки и гнезд штепсельного разъема, необходима особая внимательность для соблюдения полярности. Во избежание ошибки пользователя полярность вилки и розетки может быть каким-либо образом обозначена, тем не менее, неинформированный или невнимательный потребитель при подключении может ошибиться.
Кроме того, на предшествующем уровне техники описано достижение такого же эффекта в защите от утечки тока при соединении используемой металлической пластины с "контактом заземления (Е)", однако по результатам испытаний, проведенных заявителем данного изобретения, выявлено, что утечка и поражение током не могут быть предотвращены с помощью предназначенной для этого металлической пластины ни путем соединения с "контактом заземления (Е)", ни путем соединения с "нейтральным контактом (N)".
Во-вторых, токопроводящая металлическая пластина, предлагаемая предшествующим уровнем техники для защиты от утечки, не может обеспечить заявленные, как оказалось - необоснованно, функции защиты от утечки и поражения током при затоплении. Результаты различных испытаний, проведенных заявителем настоящего изобретения, показали, что проблемы заключаются в "планарной" структуре токопроводящей металлической пластины, используемой для защиты от утечки тока. В ходе проводимого заявителем настоящего изобретения испытания, в котором использовалась конструкция, состоявшая из большой плоской металлической пластины, помещенной под клеммной панелью, и т.д. согласно предшествующему уровню техники, через несколько или несколько десятков секунд после затопления клеммной панели величина тока утечки выросла, сработал прерыватель утечки, электропитание отключилось. При этом прежде, чем сработал прерыватель утечки, испытатель получил удар током в руку, опущенную в воду затопленного объема. Предполагаемой причиной является то, что, поскольку расстояние между токопроводящей металлической пластиной для защиты от утечки тока и вторым контактом, соединенным с терминалом однофазового напряжения, слишком велико, а корпус клеммной панели, выполненный из диэлектрика, расположен между ними и препятствует прохождению тока по самому короткому пути, между ними возникает большое сопротивление, в результате чего часть тока от второго терминала переходит в токопроводящую металлическую пластину для защиты от утечки, а остаточный ток значительной величины попадает в виде утечки в окружающую водную среду. Согласно предшествующему уровню техники размеры плоской металлической пластины для защиты от утечки составляют 50×30 см при рабочем напряжении 380 [В]. Однако, как показало испытание, если использовать токопроводящую металлическую пластину больших размеров (например, 60×60 см), время до срабатывания прерывателя утечки немного увеличивается, но в итоге прерыватель утечки все равно сработает. Задача не могла быть решена путем увеличения размеров токопроводящей пластины. На практике увеличение размеров токопроводящей пластины ограничено габаритами пространства, где она устанавливается. Эту задачу нельзя было решить надлежащим образом лишь путем увеличения формата плоской токопроводящей пластины.
Выявленные недостатки показали, что сам подход согласно описанному выше предшествующему уровню техники как способ эффективной защиты от утечки и поражения током заявлен необоснованно.
Настоящее изобретение призвано преодолеть указанные недостатки. Целью настоящего изобретения является предоставление устройства защиты от утечки тока, способное гарантированно предотвращать утечку и поражение током и исправно обеспечивать энергопитание при затоплении клеммной панели, за счет усовершенствования конструкции токопроводящего тела защитного устройства, соединяемого с клеммной панелью. Другой целью настоящего изобретения является предоставление устройства защиты от утечки, способное подавать нагрузку от источника питания переменного тока только при необходимости за счет размещения вилки и розетки штепсельного разъема между клеммной панелью, к которой подсоединена нагрузка, и источником питания переменного тока, а также - исключающее возможность отказа из-за неосведомленности или ошибки пользователя и всегда гарантирующее только правильное совмещение штепсельной вилки и розетки таким образом, чтобы токопроводящая металлическая пластина для защиты от утечки тока при затоплении соединялась с нейтральным выводом источника питания переменного тока.
Техническое решение
Указанные выше цели в настоящем изобретении достигнуты с помощью устройства защиты от утечки тока при затоплении, в которое включены: входной терминал, имеющий первый входной контакт (IN1), второй входной контакт (IN2) и заземляющий контакт (G); выходной терминал, имеющий первый выходной контакт (OUT1) и второй выходной контакт (OUT2); блок фиксации заданной полярности (фазы) контактов, установленный между входным терминалом и выходным терминалом, где при соединении первого и второго входных контактов (IN1, IN2) с фазовым контактом напряжения (R) и нейтральным контактом (N) электрической розетки для источника питания переменного тока, независимо от того, (i) соединены между собой первый входной контакт (IN1) и фазовый контакт (R), и одновременно - между собой второй входной контакт (IΝ2) и нейтральный контакт (N), или (ii), наоборот, соединены между собой первый входной контакт (IΝ1) и нейтральный контакт (N), и одновременно - между собой второй входной контакт (IN2) и фазовый контакт (R), блок фиксации заданной полярности контактов всегда обеспечивает электрическое подключение, при котором первый выходной контакт (OUT1) электрически соединен с нейтральным контактом (N), в то время как второй выходной контакт (OUT2) электрически соединен с фазовым контактом (R); клеммная коробка в корпусе, выполненном из изолирующего материала, имеющая первый клеммный контакт (J1) и второй клеммный контакт (J2), выступающие на корпусе и расположенные друг от друга с интервалом, обеспечивающим электрическую изоляцию между ними, предназначенные для подключения к первому выходному контакту (OUT1) и второму выходному контакту (OUT2) соответствующей нагрузки; и проводник защиты от утечки, который электрически соединен с первым клеммным контактом (J1), электрически соединенным с нейтральным контактом (N), но электрически разъединенным со вторым клеммным контактом (J2), [в свою очередь] электрически соединенным с фазовым контактом (R), и который расположен вокруг второго клеммного контакта (J2) таким образом, что включает по меньшей мере один участок по меньшей мере одной стороны клеммной коробки, по меньшей мере участок вершины клеммной коробки и по меньшей мере один участок с каждой стороны и в верхней части клеммной коробки, соответственно, благодаря чему при затоплении клеммной коробки большая часть тока со второго клеммного контакта (J2) проходит через воду на проводник защиты от утечки, и, таким образом, электроток любой величины, достаточной для поражения, не проходит через другие затопленные участки, что предотвращает утечку и поражение.
Блок фиксации заданной полярности контактов может включать: блок управления коммутацией для вывода первого (возбуждающего) управляющего сигнала, когда первый входной контакт (IΝ1) и второй входной контакт (IN2) соединены, соответственно, с фазовым контактом (R) и нейтральным контактом (N) электророзетки для источника питания переменного тока, и для вывода второго (невозбуждающего) управляющего сигнала, когда первый входной контакт (IN1) и второй входной контакт (IΝ2) соединены, соответственно, с нейтральным контактом (N) и фазовым контактом (R) электророзетки для источника питания переменного тока; и блок коммутации для переключения таким образом, что при вводе второго управляющего сигнала (невозбуждающего) первый выходной контакт (OUT1) и первый входной контакт (IΝ1) соединяются друг с другом при одновременном соединении между собой второго выходного контакта (OUT2) и второго входного контакта (IΝ2), в то время как при вводе первого управляющего сигнала (возбуждающего) первый выходной контакт (OUT1) и второй входной контакт (IN2) соединяются друг с другом при одновременном соединении между собой второго выходного контакта (OUT2) и первого входного контакта (IN1). Блок коммутации может включать: катушку реле, которая при прохождении через нее электротока находится в возбужденном состоянии, а при отсутствии тока - в невозбужденном состоянии; и релейный переключатель, предназначенный для соединения в невозбужденном состоянии первого выходного контакта (OUT1) с первым входным контактом (IN1) и одновременно - второго выходного контакта (OUT2) со вторым входным контактом (IΝ2), а в возбужденном состоянии - первого выходного контакта (OUT1) со вторым входным контактом (IN2) и одновременно - второго выходного контакта (OUT2) с первым входным контактом (IN1). При этом блок управления коммутацией включает блок управления реле, который приводит реле в возбужденное состояние, пропуская ток через катушку реле, когда первый входной контакт (IN1) и второй входной контакт (IΝ2) подключены к фазовому контакту (R) и нейтральному контакту (N) электророзетки для источника питания переменного тока, и переводит реле в невозбужденное состояние, не пропуская ток через катушку реле, когда первый входной контакт (IΝ1) и второй входной контакт (IΝ2) соединены с нейтральным контактом (N) и фазовым контактом (R), соответственно.
Предпочтительно, блок фиксации заданной полярности контактов включает также импульсный источник электропитания (SMPS) для преобразования напряжения переменного тока, поступающее через первый входной контакт (IΝ1) и второй входной контакт (IN2) в напряжение постоянного тока, необходимое для работы блока управления коммутацией.
Защитный проводник против утечки может включать следующие составляющие:
вертикальный проводящий элемент, проходящий от первого клеммного контакта (J1) вниз сквозь корпус; донный проводящий элемент, изгибом отходящий от конца вертикального проводящего элемента в горизонтальном направлении, пересекающий дно корпуса и выходящий за пределы его основания; и боковой проводящий элемент, изгибом отходящий от конца донного проводящего элемента вверх параллельно боковой поверхности корпуса и поднимающийся на высоту, не ниже верхней поверхности клеммной коробки. Предпочтительно, высота бокового проводящего элемента выше клеммной коробки, по меньшей мере, на 5 мм.
Кроме того, защитный проводник против утечки может включать верхний проводящий элемент, изгибом отходящий от верхнего конца бокового проводящего элемента параллельно поверхности вершины клеммной коробки и закрывающий по меньшей мере часть этой поверхности.
Входной терминал предпочтительно может быть выполнен в виде штепсельной вилки, вставляемой в электророзетку для источника питания переменного тока для подачи напряжения переменного тока только при необходимости.
Конструкция проводника защиты от утечки может представлять собой (i) контейнер, вмещающий клеммную панель, со всех сторон окруженную боковыми поверхностями, или (ii) замкнутое кольцо, окружающее второй клеммный контакт (J2) и охватывающее по окружности клеммную панель.
Также, проводник защиты от утечки может включать выступающий вверх вертикальный проводящий элемент, отходящий изгибом от первого клеммного контакта (J1) и по высоте превышающий верхний срез корпуса. Кроме того, проводник защиты от утечки может включать верхний горизонтальный проводящий элемент, отходящий изгибом в верхней части вертикального проводящего элемента и накрывающий второй клеммный контакт (J2).
2
Площадь сечения проводника защиты от утечки преимущественно может составлять 10 мм и более в зависимости от направления электрического тока. Если защитный проводник против утечки выполнен заодно с прямоугольной токопроводящей пластиной, ширина токопроводящей пластины преимущественно должна быть не меньше ширины клеммной панели.
Проводник защиты от утечки может включать по меньшей мере два элемента из следующих: первого элемента, расположенного под вторым клеммным контактом (J2), второго элемента, расположенного сбоку от J2, и третьего элемента, расположенного над J2, при этом предпочтительно, если по меньшей мере один из этих по меньшей мере двух элементов расположен в пределах 15 мм, а другой или другие элементы - в пределах 30 мм от второго клеммного контакта (J2).
Проводник защиты от утечки может включать плоский проводящий элемент со множеством сквозных отверстий, размещаемый сбоку или над клеммной панелью.
Преимущества изобретения
Благодаря предложенной в изобретении конструкции устройства для защиты от утечки электротока при затоплении пользователь не должен беспокоиться о соблюдении положения (то есть - полярности) контактов при подсоединении вилки к розетке штепсельного разъема. Несмотря на наличие двух возможных положений введения штепселя в розетку, проводник защиты от утечки всегда подключается надлежащим образом, эффективно предотвращая утечку и поражение током (то есть, проводник защиты от утечки соединяется с нейтральным контактом).
Более того, поскольку электроток проходит через воду между клеммой и проводником защиты от утечки почти напрямую, почти нигде больше не имея утечек даже через воду при затоплении оголенных контактных клемм, при соприкосновении или погружении тела человека в воду поражение электрическим током не происходит. В дополнение к этому в силу отсутствия тока утечки прерыватель утечки не срабатывает, сохраняя нормальное энергоснабжение нагрузки. Таким образом, в случае затопления электротехнического оборудования, подключенного к источнику питания через устройство защиты от утечки тока, сбой в его работе не происходит.
Краткое описание фигур
Фигура 1 (FIG. 1) представляет собой полную принципиальную блочную схему устройства защиты от утечки согласно изобретению; фигура 2 (FIG. 2) представляет собой вариант принципиальной электрической схемы блока фиксации заданной полярности контактов на фигуре 1; на фигуре 3(FIG. 3) представлен вариант схемы расположения клеммной панели и проводника защиты от утечки тока согласно изобретению; на фигуре 4 (FIG. 4) дан вид в разрезе по линии Α-A на фигуре 3; на фигуре 5 (FIG. 5) показана схема другого варианта компоновки клеммной панели и проводника защиты от утечки согласно изобретению; на фигуре 6 (FIG. 6) показана схема еще одного варианта компоновки клеммной панели и проводника защиты от утечки тока согласно изобретению; и на фигуре 7 (FIG. 7) показан еще один из возможных вариантов компоновки клеммной панели и защитного проводника против утечки тока согласно изобретению.
Предпочтительный способ осуществления
Далее дано более подробное описание вариантов реализации изобретения со ссылкой на сопроводительные фигуры.
На фигуре 1 показано электрическое устройство защиты от утечки (100) по настоящему изобретению, которое включает входной терминал (240), выходной терминал (250), расположенный между ними блок фиксации заданной полярности (фазы) контактов (200), клеммную панель (300) и проводник защиты от утечки. Устройство защиты от утечки электротока (100) обеспечивает защиту от утечки тока или удара током даже при соприкосновении тела человека с объемом воды, затопившим клеммную панель (300), в силу того, что электрический ток, не выходя за пределы контура, проходит между контактной клеммой клеммной панели (300) и проводником защиты от утечки (400).
Входной терминал (240) имеет первый входной контакт (IΝ1), второй входной контакт (IΝ2) и заземляющий контакт (G). Входной терминал (240) может быть выполнен в виде штепсельной вилки, при необходимости вставляемой в розетку электропитания переменного тока (90). Выходной терминал (250) имеет первый выходной контакт (OUT1) и второй выходной контакт (OUT2). Выходной терминал (250) соединен проводами с контактными клеммами (J1, J2) клеммной панели (300).
Блок фиксации заданной полярности (200) расположен между входным терминалом (240) и выходным терминалом (250) и при введении штырьков первого и второго входных контактов (IΝ1, IΝ2) в контактные гнезда фазы (R) или нуля (N) розетки питания переменного тока (90), независимо от сочетания контактов IN1-R и IΝ2-Ν или наоборот (IN2-R и IΝ1-Ν), гарантированно обеспечивает электрическое соединение первого выходного контакта (OUT1) с нейтральным контактом (N) розетки (90) и одновременное электрическое соединение второго выходного контакта (OUT2) с фазовым контактом (R розетки (90). Для выполнения такой функции блок фиксации заданной полярности контактов (200) оснащен по меньшей мере блоком коммутации (210) и блоком управления коммутацией (220). При этом розетка питания переменного тока (90) имеет гнезда контактов фазы (R) и нуля (N), которые соответственно соединены с фазовым и нейтральным отводами источника питания переменного тока и с контактом заземления (G), который заземлен.
Блок управления коммутацией (220) генерирует первый (возбуждающий) управляющий сигнал, когда первый входной контакт (IN1) и второй входной контакт (IN2) соединены соответственно с контактом фазы напряжения (R) и нейтральным контактом (N) розетки питания переменного тока (90), и генерирует второй (невозбуждающий) управляющий сигнал, когда первый входной контакт (IΝ1) и второй входной контакт (IN2) соединены соответственно с нейтральным выводом (N) и контактом фазы напряжения (R) розетки питания переменного тока (90). При получении от блока управления коммутацией (220) второго (невозбуждающего) управляющего сигнала блок коммутации (210) соединяет между собой первый выходной контакт (OUT1) и первый входной контакт (IN1) при одновременном соединении между собой второго выходного контакта (OUT2) и второго входного контакта (IN2). И наоборот, при получении от блока управления коммутацией (220) первого (возбуждающего) управляющего сигнала блок коммутации (210) переключается на соединение между собой первого выходного контакта (OUT1) и второго входного контакта (IN2) при одновременном соединении между собой второго выходного контакта (OUT2) и первого входного контакта (IN1).
Блок коммутации (210) может быть снабжен реле (RY1), например, как показано на фигуре 2. Реле (RY1) содержит катушку реле (212), возбуждаемую проходящим через нее током и находящуюся в невозбужденном состоянии, когда ток через нее не проходит, и релейно-контактный элемент (214), который переключается таким образом, что в невозбужденном состоянии соединяет первый выходной контакт (OUT1) с первым входным контактом (IΝ1) и одновременно - второй выходной контакт (OUT2) со вторым входным контактом (IN2), а в возбужденном состоянии соединяет первый выходной контакт (OUT1) со вторым входным контактом (IΝ2) и одновременно - второй выходной контакт (OUT2) с первым входным терминалом. В этом случае блок управления коммутацией (220) содержит контур управления реле (RY1). То есть, блок управления коммутацией (220) пропускает электроток через катушку реле (212) для ее возбуждения, когда первый входной контакт (IN1) и второй входной контакт (IN2) соединены соответственно с контактом фазы (R) и нейтральным контактом (N) розетки питания переменного тока (90), и не пропускает электроток через катушку реле (212), не возбуждая ее, когда первый входной контакт (IΝ1) и второй входной контакт (IN2) соединены соответственно с нейтральным контактом (N) и контактом фазы (R) розетки питания переменного тока (90).
Как показано на фигуре 2, контур управления реле 220 включает контур сравнения напряжения (D3, R5, R9, С8, R6, R7, ВЫХ (выходной) усилитель (U2A)) для сравнения напряжений на первом входном контакте (IN1) и на заземляющем контакте и для подачи на выход логически высокого напряжения только когда напряжение на первом входном контакте (IΝ1) выше напряжения на заземляющем контакте, и для вывода логически низкого напряжения в противоположном случае, и контур коммутирования (R8, Q1, D4), переключаемый в проводящий режим и направляющий ток через катушку реле только при подаче на выход ВЫХ усилителя (U2A) логически высокого напряжения.
Кроме этого, блок фиксации заданной полярности (200) может включать блок SMPS (230) для преобразования напряжения переменного тока, поступающего через первый входной контакт (IN1) и второй входной контакт (IΝ2), в напряжение постоянного тока, необходимое для работы блока управления коммутацией (220). На фигуре 2 показан вариант схемы блока SMPS (230), куда включены контур выпрямителя (232), соединенный с контактами фазы (R) и нуля (N) розетки питания переменного тока (90) для приема переменного тока и преобразования его путем двухполупериодного выпрямления в напряжение постоянного тока, и контур SMPS (234), который принимает с выхода выпрямляющего контура (232) напряжение постоянного тока и преобразует в напряжение (Vcc), необходимое для работы ВЫХ усилителя (U2A) в составе блока управления коммутацией (220). Применим любой известный на уровне техники контур SMPS (234), в силу чего его дальнейшее описание не целесообразно.
Контакты выходного терминала (OUT1, OUT2) подключены к нагрузке (не показано) через клеммную коробку (300). Клеммная панель (300) выполнена в корпусе (310) из изоляционного материала с выступающими на его верхней поверхности первой контактной клеммой (J1(S, L)) и второй контактной клеммой (J2(S, L)), которые отстоят и электрически изолированы друг от друга и предназначены для подключения к первому выходному контакту (OUT1) и второму выходному контакту (OUT2) нагрузки (не показано). То есть, к первым клеммным контактам J1(S) и J1(L) электрически подсоединены первый выходной контакт (OUT1) и первый входной контакт (не показан) нагрузки, а ко вторым клеммным контактам J2(S) и J2(L) электрически подсоединены второй выходной контакт (OUT2) и второй входной контакт (не показан) нагрузки.
Далее, проводник защиты от утечки (400) электрически не соединен со вторым клеммным контактом (J2), который электрически соединен с контактом фазы (R) розетки питания переменного тока (90) (то есть находится под напряжением), при этом он электрически соединен с первым клеммным контактом (J1), который электрически соединен с нейтральным контактом розетки питания переменного тока (90). В случае расположения проводника защиты от утечки (400) сбоку от клеммной панели (300) его высота не должна быть ниже уровня верхней поверхности клеммной панели (300). Предпочтительно, чтобы проводник защиты от утечки (400) был расположен вокруг второй контактной клеммы (J2) таким образом, чтобы от второй контактной клеммы была видна хотя бы часть его. При такой компоновке в случае затопления клеммных контактов (J1, J2) большая часть тока утечки проходит через воду от клеммы J2, соединенной с фазовым контактом (R), к клемме J1, соединенной с нейтральным контактом (N), и, следовательно, при небольшом отклонении от прямой линии между второй контактной клеммой (J2) и проводником защиты от утечки (400) почти не будет тока утечки и опасности поражения электрическим током. Кроме того, поскольку вода между второй контактной клеммой (J2) и проводником защиты от утечки (400) создает сопротивление соответствующей величины, нагрузка (не показана), подключенная к первому и второму клеммным контакта (J1, J2), имеет параллельное соединение с водой (сопротивлением), в силу чего устройство нагрузки продолжает работать в штатном режиме.
На предшествующем уровне техники не было известно, что даже при затоплении клеммных контактов (J1, J2) размещение проводника защиты от утечки (400) относительно второго клеммного контакта (J2) может предотвратить утечку тока вовне, защитить от поражения электрическим током и обеспечить исправную работу оборудования под нагрузкой. Существующими в этой области разработками предлагается "планарный" вариант с плоской токопроводящей пластиной в качестве защитного проводника против утечки [тока]. Однако плоская токопроводящая пластина не видна от клеммного контакта, соединенного с терминалом подачи однофазного напряжения. Поскольку между ними находится корпус клеммной панели из изолирующего материала, препятствующий прохождению тока между ними по кратчайшему пути, сопротивление между ними становится большим. В результате этого часть тока утечки проходит от клеммного контакта (одной) фазы напряжения на проводник защиты от утечки, тем не менее значительное количество тока утекает через элементы, не относящиеся к плоской токопроводящей пластине. Испытания, проведенные изобретателем, показали, что величина тока утечек через другие элементы, кроме плоской токопроводящей пластины, настолько велика, что через несколько или несколько десятков секунд после затопления клеммных контактов срабатывает прерыватель утечки, отключая электропитание нагрузки. Конечно, при погружении руки в воду затопленного объема до срабатывания прерывателя утечки поражение электротоком неизбежно. Как упомянуто выше, на существующем уровне техники указан размер плоской токопроводящей пластины для защиты от утечки - 50×30 см для рабочего напряжения 380 [В], однако опыты изобретателя показали, что токопроводящая пластина даже намного большего формата не может предотвратить срабатывание прерывателя утечки.
Для разрешения проблем известного уровня техники изобретатель провел множество практических экспериментов, варьируя форму проводника защиты от утечки, его положение, место установки относительно клеммных контактов (J1, J2). В результате испытаний установлено, что, как упомянуто выше, размещение проводника защиты от утечки (400), соединенного со второй контактной клеммой (J2), параллельно основанию клеммной панели (300) не может предотвратить утечку тока и электрошок.
Защитный проводник против утечки (400) преимущественно изготавливают с использованием металла с очень хорошей удельной электропроводностью, таких как медь, алюминий и их сплавы и т.п.
Удовлетворительный результат предотвращения утечки тока и электрошока был получен, когда проводник защиты от утечки (400) был размещен таким образом, что окружал контактные клеммы (J1, J2) сбоку и/или сверху, хотя бы частично закрывая боковую сторону клеммной панели (300), на верхней поверхности которой расположены контактные клеммы (J1, J2), или хотя бы частично закрывая клеммную панель сверху (300), или хотя бы частично закрывая клеммную панель (300) сбоку и сверху. Если проводник защиты от утечки (400) закрывает клеммную панель (300) сбоку, для достижения надежной защиты от утечки тока и электрошока, предпочтительно, чтобы по меньшей мере часть проводника защиты от утечки (400) была видима от второй контактной клеммы (J2), соединенной с контактом фазы напряжения источника питания переменного тока. Чем больше площадь охвата проводником защиты от утечки (400) второго клеммного контакта (J2), тем выше эффективность защиты от утечки тока и поражения электричеством. Возможны различные варианты реализации защитного проводника против утечки тока (400), отвечающего этим требованиям. Некоторые наиболее показательные примеры приведены на фигурах с 3 по 7.
В первом варианте на фигурах 3 и 4 проводник защиты от утечки (400) закрывает одну из сторон клеммной панели (300). Говоря конкретнее, клеммная панель (300) представляет собой корпус (310), выполненный из изолирующего материала, в верхней части которого размещено по меньшей мере два параллельных ряда углублений (320, 322) и разделяющих их перегородок (325) между ними, первый клеммный контакт (J1), расположенный в первом углублении (320) и соединенный с нейтральным контактом (N) розетки питания переменного тока (90), и второй клеммный контакт (J2), расположенный во втором углублении (322) и соединенный с контактом фазы (R) розетки питания переменного тока (90). Первый клеммный контакт (J1) имеет клемму (J1 (S)), соединяемую с источником питания, то есть - с первым выходным контактом (OUT1) блока фиксации заданной полярности (200), и клемму (J1 (L)), к которой подключается нагрузка. Второй клеммный контакт (J2) также имеет две клеммы (J2 (S), J2 (L)) соединяемые соответственно с источником питания и нагрузкой. Понятно, что контакт стороны источника питания (J1 (S) или J2 (S)) и контакт стороны нагрузки (J1 (L) или J2 (L)), расположенные в одном углублении, соединены между собой.
2
1
Как видно на поперечном разрезе на фигуре 4, проводник защиты от утечки (400) имеет вертикальный сегмент проводника (410), проходящий от первой клеммы (J1) вниз сквозь корпус (310) и изгибом переходящий от конца в нижний горизонтальный - подошвенный - сегмент проводника (420), пересекающий основание корпуса (310) и выступающий вовне, плоский боковой сегмент проводника (430), отходящий изгибом вверх от конца нижнего [донного] сегмента проводника (420), поднимающийся на высоту, откуда виден второй клеммный контакт (J2), и обращенный к поверхности корпуса (310). Проводник защиты от утечки (400) крепится к корпусу (310) болтом (440). Боковой сегмент проводника (430) может быть расположен на расстоянии от боковой поверхности корпуса (310). При этом высота верхнего среза (h) бокового сегмента проводника (430) предпочтительно как минимум на 5 мм вышеверхнего среза (h) клеммной панели (300). Различные испытания показали, что такая разность высот гарантирует эффективную защиту от утечки тока и электрошока с помощью проводника защиты от утечки (400). Поскольку чем выше поднят боковой сегмент проводника (430) и в силу этого эффективнее защита от утечки и поражения электротоком, то на практике высоту корректируют исходя из объема установочного пространства.
Кроме того, боковой сегмент проводника (430) не должен соприкасаться с боковой поверхностью клеммной панели (300), а немного отстоять от нее. Однако при очень большом просвете сопротивление между боковым сегментом проводника (430) и вторым клеммным контактом (J2) излишне возрастает, в силу чего весь ток со второго клеммного контакта (J2) не может перейти на боковой сегмент проводника (430), и ток утечки увеличивается. Согласно эксперименту, в котором испытывали зависимость величины тока утечки от величины просвета d между боковой поверхностью клеммной панели (300) и боковым сегментом проводника (430) при условии, что вертикальный сегмент проводника (410) находится в пределах 15 мм от второго клеммного контакта (J2), даже если боковой сегмент проводника (430) отстоит от второго клеммного контакта (J2) на расстояние до 300 мм, электроток проходит только через участок (воды) между вторым клеммным контактом (J2) и боковым сегментом проводника (430), почти нигде более не обнаруживая утечку, в силу чего при погружении руки в воду в любой области, кроме указанной выше, воздействие тока не ощущалось, и прерыватель утечки не срабатывал. Однако при увеличении просвета между боковым сегментом проводника (430) и вторым клеммным контактом (J2) свыше 300 мм возрастает объем утечки тока в других областях, кроме области между ними, где также начинает ощущаться воздействие тока на погруженную в воду руку, и срабатывает прерыватель утечки, отключающий электроснабжение нагрузки от питающих контактов (J1, J2).
Опытным путем установлено, что, если в отличие от вышесказанного подошвенный сегмент проводника (420) может отстоять от второго клеммного контакта (J2) на 15 мм или более, то для защиты от утечки тока и поражения электричеством величина просвета между боковым сегментом проводника (430) и контактом J2 сильно ограничена и должна составлять 15 мм или менее.
Вышеуказанным экспериментом подтверждено, что в случае монтажа проводника защиты от утечки (400) сбоку и под вторым клеммным контактом (J2) для предотвращения утечки и поражения током по меньшей мере один из этих двух сегментов проводника защиты от утечки (400) - подошвенный (то есть нижний сегмент проводника (420)) и стеночный (то есть боковой сегмент проводника (430)) должен быть смонтирован на расстоянии в пределах 15 мм от второго клеммного контакта (J2). Если это условие соблюдено, второй из этих сегментов может отстоять от второго клеммного контакта (J2) на расстоянии до 300 мм.
2
Формат проводника защиты от утечки (400) определяют из расчетной величины утечки тока. Ток утечки, проходящий через воду от второго клеммного контакта (J2) к верхней части бокового сегмента проводника (430), последовательно поступает через подошвенный сегмент проводника (420) и вертикальный сегмент проводника (410) на первый клеммный контакт (J1). Если площадь вертикального поперечного сечения каждого участка (430, 420 и 410) защитного проводника против утечки (400), расположенного поперек потока тока утечки, слишком мала для предполагаемого тока утечки, сопротивление проводника будет слишком большим относительно тока утечки, что приведет к перегреву. В силу этого вода вокруг затопленных участков проводника (430, 420, и 410) может закипеть. Испытания, проведенные изобретателем, показали, например, что при напряжении переменного тока 220 [В] и затоплении клеммной панели водопроводной водой площадь поперечного сечения проводника защиты от утечки (400) (допустим, его бокового сегмента (430), на фиг. 3 имеющего вид прямоугольника с узкой стороной в ширину и длинной в высоту, если смотреть от вершины к основанию), каждый сегмент которого (430, 420, 410) выполнен из меди, с учетом направления тока утечки предпочтительно должна составлять по меньшей мере 10 мм или более.
Как показано на фиг. 5, проводник защиты от утечки (400-1) в дополнение к вертикальному (410), подошвенному (420) и боковому (430) сегментам проводника может включать верхний сегмент проводника (435), изгибом отходящий от вершины бокового сегмента проводника (430) и продолжающийся навесом над верхним срезом корпуса (310). Далее, в состав проводника может входить другой боковой сегмент (450) и другой верхний сегмент (455) таким образом, что клеммные контакты (J1, J2) будут окружены боковыми сегментами проводника (430, 450) и верхним сегментом проводника (455) с левой и правой сторон и сверху. В силу того, что защитный проводник против утечки (400-1) окружает больший объем пространства вокруг второго клеммного контакта (J2), данная конфигурация может обеспечить более высокий уровень защиты от утечки и поражения током, чем на фиг. 3. Кроме того, защитный проводник против утечки (400-1) электрически соединен с первым клеммным контактом (J1) посредством вертикального сегмента проводника (410). Над верхним срезом корпуса (310) между двумя верхними сегментами проводника (435, 455) предпочтительно оставляют свободное пространство для подвода и монтажа проводников к клеммам (J1, J2), как показано на фиг. 5, однако, если пространство для электромонтажа обеспечивается за счет сужения двух верхних сегментов проводника (435, 455), то эти два верхних сегмента могут быть соединены так, чтобы полностью закрывать корпус (310) сверху. Два верхних сегмента проводника (435, 455) предпочтительно приподняты над плоскостью верхнего среза клеммной панели по меньшей мере на 5 мм или более. Тем не менее, если эти два верхних сегмента проводника (435, 455) и второй клеммный контакт (J2) слишком удалены друг от друга, сопротивление между ними возрастает, и утечка тока со второго клеммного контакта (J2) происходит где-то в другом месте, а не через эти два верхних сегмента проводника (435, 455), в результате чего эффективность защиты от утечки тока и поражения электричеством падает.
Испытания изобретателя показали, что, если по меньшей мере один из двух - подошвенного (420) и бокового (430) - сегментов проводника защиты от утечки (400-1) удален в пределах 15 мм от второго клеммного контакта (J2), то до тех пор, пока просвет между двумя верхними сегментами проводника (435, 455) и верхним срезом клеммной панели не будет превышать 300 мм, электроток будет протекать только на участке между проводником защиты от утечки (400-1) и вторым клеммным контактом (J2) без каких-либо ощутимых утечек и воздействий в других местах. Однако, если такой просвет превышает 300 мм, появится утечка, ощущаемая в разных зонах, вызывая срабатывание прерывателя утечки, отключающего питание нагрузки. Если оба сегмента - подошвенный (420) и боковой (430) - проводника защиты от утечки (400-1) удалены от второго клеммного контакта (J2) более, чем на 15 мм, во избежание утечки и поражения электротоком эти два верхних сегмента проводника (435, 455) должны быть расположены на расстоянии в пределах 15 мм от второго клеммного контакта (J2).
Таким образом, если защитный проводник против утечки включает по меньшей мере два из составляющих его сегментов - первого, расположенного под вторым клеммным контактом (J2), второго, расположенного сбоку от J2, и третьего, расположенного над J2, то он обеспечит защиту от утечки тока и поражения электричеством, если по меньшей мере один из этих по меньшей мере двух сегментов расположен на расстоянии не более 15 мм от второго клеммного контакта (J2), а второй - на расстоянии в пределах 30 мм.
Боковой сегмент (430) проводника защиты от утечки (400) не обязательно должен располагаться перпендикулярно подошвенному сегменту (420) проводника. На фиг. 6 показан вариант защитного проводника против утечки (400-2), боковой сегмент (430-1) которого может быть установлен наклонно под острым или тупым углом по отношению к подошвенному сегменту проводника (420). При этом вершина бокового сегмента проводника (430-1) предпочтительно должна быть не ниже второго клеммного контакта (J2), а предпочтительнее - выше второго клеммного контакта (J2) не менее, чем на 5 мм.
Как показано на фигуре 6, клеммные контакты (J1, J2) могут быть смонтированы на верхней поверхности корпуса (310) клеммной колодки (300) без разделяющих канавок.
На фигуре 7 показан другой пример компоновки проводника защиты от утечки. Этот защитный проводник (400-3) отличается формой верхнего сегмента над клеммной панелью (300). То есть, конфигурация проводника защиты от утечки (400-3) может включать вертикальный сегмент проводника (460), который электрически соединен с первым клеммным контактом (J1), расположенным на верхней стороне клеммной панели (300), и поднят на определенную высоту. Кроме того, видно, что защитный проводник (400-3) может также включать горизонтальный сегмент проводника (470), изгибом отходящий от вершины вертикального сегмента проводника (460), перекрывающий навесом верхний срез клеммной панели (300) и продолжающийся почти до второго клеммного контакта (J2). Несомненно, наличие горизонтального сегмента проводника (470) обеспечивает лучшую защиту от утечки и поражения током, чем конструкция только с вертикальным сегментом проводника (460). Горизонтальный сегмент проводника (470) предпочтительно расположен на расстоянии по меньшей мере 5 мм над поверхностью второго клеммного контакта (J2) на клеммной панели. Для обеспечения доступа к клеммным контактам (J1, J2) при монтаже электроразводки в горизонтальном сегменте проводника (470) над каждой клеммой (J1, J2) выполнены монтажные отверстия (480).
Справедливо отметить, что кроме указанного выше диапазона расстояний до второго клеммного контакта (J2) ограничений по форме защитного проводника от утечки (400) нет. Чем больше площадь защитного проводника (400) вокруг второго клеммного контакта (J2), тем эффективнее защита от тока утечки. Например, подошвенный сегмент проводника (420) и боковой сегмент проводника (430) могут иметь форму зубца отходящего от вертикального сегмента проводника (410), но не только, кроме того, боковой сегмент проводника может быть выполнен в форме множества зубцов (например, крестообразно и т.д.), разделяющихся и разветвляющихся в разных направлениях от вертикального сегмента проводника (410).
Как вариант, защитный проводник против утечки может иметь конфигурацию замкнутого кольца, где два верхних сегмента проводника (435, 455), как на фигуре 5, соединены, а донный сегмент проводника, боковой сегмент проводника и верхний сегмент проводника окружают второй клеммный контакт (J2) и охватывают клеммную панель. Также, проводник защиты от утечки может иметь вид контейнера цилиндрической или параллелепипедальной формы с открытой вершиной, внутри которого клеммная панель полностью окружена со всех боковых сторон.
Кроме того, защитные проводники (400-1, 400-2 и 400-3) могут иметь сквозные отверстия в боковых или вершинных плоскостях относительно клеммной панели. При этом изобретатель обнаружил, что по неизвестной ему причине после выполнения сквозных отверстий в плоском проводнике, окружающем клеммную панель, эффект уменьшения тока утечки усиливается.
Ниже описан принцип работы устройства защиты от утечки электротока (100) рассмотренной выше конструкции при затоплении клеммных контактов (J1, J2).
Как описано выше со ссылкой на фигуру 2, благодаря введению блока фиксации заданной полярности (200), несмотря на то, как подсоединен к розетке питания переменного тока (90) входной штепсель (240), имеющий входные контакты (IΝ1, IΝ2, G), всегда обеспечивается правильный порядок подключения "ноль (N) источника питания переменного тока - ноль (N) розетки питания переменного тока (90) - первый контакт входного терминала (IN1) - первый контакт выходного терминала (OUT1) - первый клеммный контакт (J1)" и подключения "фаза (R) источника питания переменного тока - фаза (R) розетки питания переменного тока (90) - второй контакт входного терминала (IΝ2) - второй контакт выходного терминала (OUT2) - второй клеммный контакт (J2)". Предположим, что при таком порядке подключения затоплены клеммные контакты (J1, J2), через которые подается питание от источника переменного тока на нагрузку.
Так как чистая вода не содержит ионы, она является отличным изолятором. Но по мере увеличения плотности содержащихся в воде примесей, служащих источником ионов, повышается электропроводность воды. Удельная электрическая проводимость воды - 0,055 мкСм/см (микросименс/см) для чистой воды, 50 мкСм/см для чистой водопроводной воды, 1055 мкСм/см для нормальной водопроводной воды (максимум) и 53 мкСм/см для морской воды. Здесь значения представлены в международных (СИ) единицах Сименс (См) [Siemens (S)], обратных величине сопротивления, которые иначе именуют мо [(/Mo)(mho/Mho), т.е. - ом/Ом наоборот]. На практике вода, которая может затопить электротехническое устройство, не является чистой, в ней может присутствовать такое же или большее количество примесей (ионов), что и в водопроводной воде. Предположим, что затопление произошло чистой водопроводной или нормализованной питьевой водой, и примем ее электропроводность за расчетную.
Поскольку до затопления первый клеммный контакт (J1) и второй клеммный контакт (J2) изолированы друг от друга, ток также не проходит и через защитный проводник (400), соединенный с первым клеммным контактом (J1) и вторым клеммным контактом (J2). Но при затоплении клемм (J1, J2) и проводника защиты от утечки (400) вода может служить каналом прохождения электротока между вторым клеммным контактом (J2), соединенным с контактом фазы напряжения (R) источника питания переменного тока, и проводником защиты от утечки (400), соединенным с нейтральным контактом (N) и первым клеммным контактом (J1). Во время затопления, например, ток со второго клеммного контакта (J2) проходит через воду. Защитный проводник (400) имеет более высокую электропроводность, чем затопившая вода, при этом электрический ток имеет свойство прохождения по пути наименьшего сопротивления. В силу этого большее количество тока со второго клеммного контакта (J2) поступит на проводник защиты (400), находящийся вблизи второго клеммного контакта (J2), и совсем незначительное количество тока может образовать утечку где-либо в другом месте. При этом ток, попадающий на проводник защиты (400) возвращается также к первому клеммному контакту (J1). Благодаря этому, только если часть тела человека будет погружена непосредственно в область прямого прохождения тока между вторым клеммным контактом (J2) и проводником защиты от утечки (400), может ощущаться небольшое воздействие электрического тока, в остальной же зоне затопления вне прямого пути прохождения тока таким воздействием можно пренебречь. В силу того, что величина тока утечки в любом месте затопления пренебрежимо мала, прерыватель утечки не срабатывает. Более того, в этих условиях вода между вторым клеммным контактом (J2) и проводником защиты от утечки (400) и первым клеммным контактом (J1) действует как сопротивление (нагрузка), включенное в цель параллельно с реальной нагрузкой, благодаря чему в условиях затопления сохраняется подача нормального напряжения на работающее оборудование, которое продолжает функционировать как в штатных условиях.
В то время как выше подробно описаны предпочтительные конструктивные решения, специалист средней квалификации в данной области может модифицировать или внести изменения в конструкцию настоящего изобретения, не выходя за рамки объема притязаний в соответствии с формулой изобретения.