УСТРОЙСТВО ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ШЕВЧУКА (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам защитного отключения, предназначенным для защиты электрических сетей и электроустановок от токов короткого замыкания или перегрузки, для защиты от пожаров зданий, помещений или квартир, возникающих при коротком замыкании или перегрузки в электропроводке, в электрической сети или в электроустановке, для защиты человека от поражения электрическим током.
Известны аппараты защиты электрической сети от токов перегрузки и короткого замыкания, например, плавкие предохранители или тепловые аппараты защиты, основанные на тепловой деформации биметаллической пластины, описанные в книге В.Т.Морозовского, И.М.Синдеева, К.Д.Рунова «Системы электроснабжения летательных аппаратов». М. Машиностроение, 1973. Они защищают электрическую сеть от превышения током в приемнике допустимого значения определенной кратности.
Недостатками этих аппаратов защиты являются: наличие кратности по току перегрузки (например, в 5, 7 или 12 раз), большое время срабатывания, невозможно с высокой точностью установить порог срабатывания, не способны защитить человека от поражения электрическим током, так как они не реагируют на токи утечки, возникающие при касании человека к токонесущим проводам.
Известен автомат защиты (Патент №2121205, Н 02 Н 5/12, 3/08, 1998, Бюл. №30), состоящий из дифференциального трансформатора тока, первичные обмотки которого образуют фазный и нейтральный провода, коммутирующего элемента, устройства управления коммутирующим элементом, питаемого от сети и подключенного к вторичной обмотке дифференциального трансформатора тока, последовательно с дифференциальным трансформатором тока включен аппарат защиты сети от токов перегрузки и короткого замыкания, а коммутирующий элемент включен с возможностью замыкания между собой зажимов токоприемника при превышении током утечки своего допустимого значения.
Недостатками этого аппарата защиты являются: при срабатывании автомата защиты происходит отключение только фазного проводника, что не соответствует требованиям п.1.7 нормативного документа «Временные указания по применению устройств защитного отключения в электроустановках жилых зданий», утвержденного Главгосэнергонадзором России 17.04.97 г., искусственное закорачивание фазного проводника на нейтральный при несрабатывании аппарата защиты сети может привести к пожару или выходу из строя токоприемника, если в его составе имеются другие источники электроэнергии (например, аккумуляторы или конденсаторы большой емкости).
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для реализации описываемого способа защиты
преобразователя /Авторское свидетельство №1501860, Н 02 Н 7/12, 1989), содержащее датчик фазного тока преобразователя, датчик выходного напряжения, источник опорного напряжения, два компаратора, первые входы которых подключены к датчику фазного тока и к датчику выходного напряжения, а вторые входы подключены к выходу источника опорного напряжения, исполнительный орган защиты и логический элемент И, входы которого подключены к выходам компараторов, а выход подключен к исполнительному органу защиты.
Недостатками этого устройства являются: это устройство предназначено для встраивания в преобразовательное устройство и не может быть применено для защиты электрических сетей и находящихся в эксплуатации электроустановок от токов короткого замыкания или перегрузки, для защиты от пожаров зданий, помещений или квартир, возникающих при коротких замыканиях и перегрузках, так как в нем отсутствуют: коммутирующий аппарат, трансформатор, источник питания, датчик тока утечки, а также оно не реагирует на токи утечки, возникающие при касании человека к токоведущим проводам.
Технический результат - при срабатывании устройства защитного отключения (фиг.1) происходит отключение всех проводников электрической сети от источника электроэнергии или от электроустановки, обеспечена возможность установки с высокой точностью любой величины порога срабатывания устройства защитного отключения, применение устройства защитного отключения для защиты находящихся в эксплуатации электрических сетей и электроустановок от коротких замыканий или перегрузок, для защиты от пожаров зданий, помещений или квартир, возникающих при коротком замыкании в электропроводке, в электрической сети или в электроустановке.
При срабатывании устройства защитного отключения (фиг.2) происходит отключение всех проводников электрической сети от источника электроэнергии или от электроустановки, обеспечена возможность установки с высокой точностью любой величины порога срабатывания устройства защитного отключения, применение устройства защитного отключения для защиты находящихся в эксплуатации электрических сетей и электроустановок от коротких замыканий или перегрузок, для защиты от пожаров зданий, помещений или квартир, возникающих при коротком замыкании в электропроводке, в электрической сети или в электроустановке, для защиты человека от поражения электрическим током.
Технический результат (фиг.1) достигается тем, что в устройство защитного отключения введены коммутирующий аппарат, силовые цепи которого включены в фазный и нулевой провода электрической сети, трансформатор, вход которого подключен к входным силовым цепям коммутирующего аппарата, а первый выход подключен к датчику напряжения, и блок источников питания, вход которого подключен к второму выходу трансформатора, первый выход подключен к источнику опорного напряжения, второй выход подключен к второму входу исполнительного органа защиты, выходные цепи которого включены последовательно в цепь питания коммутирующего аппарата, а третий выход соединен с третьими входами обоих компараторов и с датчиком фазного тока, который подключен к фазному проводу электрической сети.
Технический результат (фиг.2) достигается тем, что в устройство защитного отключения введены коммутирующий аппарат, силовые цепи которого включены в фазный и нулевой провода электрической сети, трансформатор, вход которого подключен к входным силовым цепям коммутирующего аппарата,
а первый выход подключен к датчику напряжения, блок источников питания, вход которого подключен к второму выходу трансформатора, первый выход подключен к источнику опорного напряжения, второй выход подключен к второму входу исполнительного органа защиты, выходные цепи которого включены последовательно в цепь питания коммутирующего аппарата, а третий выход соединен с третьими входами обоих компараторов и с датчиком фазного тока, который подключен к фазному проводу электрической сети, логический элемент ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу логического элемента И, а выход подключен к первому входу исполнительного органа защиты, датчик тока утечки, который подключен к фазному и нулевому проводам электрической сети, и третий компаратор, первый вход которого соединен с выходом датчика тока утечки, второй вход соединен с выходом источника опорного напряжения, третий вход соединен с третьим выходом блока источников питания, а выход подключен к второму входу логического элемента ИЛИ.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие их критерию «новизна».
При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «существенные отличия».
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства защитного отключения; на фиг.2 другой вариант функциональной схемы устройства защитного отключения,
Устройство защитного отключения (фиг.1) состоит из датчика фазного тока 1, компаратора 2, логического элемента И 3, исполнительного органа защиты 4, коммутирующего аппарата 5, трансформатора 6, датчика напряжения 7, компаратора 8, блока источников питания 9 и источника опорного напряжения 10.
Датчик фазного тока 1 предназначен для контроля величины тока, протекающего в проводах электрической сети. Датчик фазного тока вырабатывает напряжение пропорциональное току, протекающему в проводах электрической сети. Величина этого напряжения устанавливается переменным резистором.
Компаратор 2 предназначен для сравнения напряжения, снимаемого с датчика фазного тока 1, с опорным напряжением и выработки управляющего напряжения.
Логический элемент И 3 предназначен для реализации функции логического совпадения двух напряжений, поступающих на его входы, и выработки управляющего напряжения.
Исполнительный орган защиты 4 предназначен для размыкания цепи питания коммутирующего аппарата 5 при возникновении короткого замыкания или перегрузки.
Коммутирующий аппарат 5 предназначен для отключения электрической сети от источника электроэнергии или от электроустановки при возникновении короткого замыкания или перегрузки.
Трансформатор 6 предназначен для понижения напряжения электрической сети до требуемых значений, гальванической развязки выходных напряжений от электрической сети и обеспечения питанием устройства защитного отключения.
Датчик напряжения 7 предназначен для контроля величины напряжения электрической сети и вырабатывает пониженное напряжение, пропорциональное
напряжению электрической сети. Величина этого напряжения устанавливается переменным резистором.
Компаратор 8 предназначен для сравнения напряжения, снимаемого с датчика напряжения 7, с опорным напряжением и выработки управляющего напряжения.
Блок источников питания 9 вырабатывает напряжения, необходимые для питания устройства защитного отключения.
Источник опорного напряжения 10 предназначен для выработки опорного напряжения. Он вырабатывает высокостабильное напряжение, которое используется в качестве опорного напряжения в узлах сравнения компараторов.
На фиг.2 представлен второй вариант функциональной схемы устройства защитного отключения.
Устройство защитного отключения по второму варианту состоит из датчика фазного тока 1, компаратора 2, логического элемента И 3, исполнительного органа защиты 4, коммутирующего аппарата 5, трансформатора 6, датчика напряжения 7, компаратора 8, блока источников питания 9, источника опорного напряжения 10, логического элемента ИЛИ 11, датчика тока утечки 12 и компаратора 13.
Датчик фазного тока 1 предназначен для контроля величины тока, протекающего в проводах электрической сети. Датчик фазного тока вырабатывает напряжение пропорциональное току, протекающему в проводах электрической сети. Величина этого напряжения устанавливается переменным резистором.
Компаратор 2 предназначен для сравнения напряжения, снимаемого с датчика фазного тока 1, с опорным напряжением и выработки управляющего напряжения.
Логический элемент И 3 предназначен для реализации функции логического совпадения двух напряжений, поступающих на его входы, и выработки управляющего напряжения.
Исполнительный орган защиты 4 предназначен для размыкания цепи питания коммутирующего аппарата 5 при возникновении короткого замыкания, при перегрузке или при появлении тока утечки.
Коммутирующий аппарат 5 предназначен для отключения электрической сети от источника электроэнергии или от электроустановки при возникновении короткого замыкания, при перегрузке или при появлении тока утечки.
Трансформатор 6 предназначен для понижения напряжения электрической сети до требуемых значений, гальванической развязки выходных напряжений от электрической сети и обеспечения питанием устройства защитного отключения.
Датчик напряжения 7 предназначен для контроля величины напряжения электрической сети и вырабатывает пониженное напряжение, пропорциональное напряжению электрической сети. Величина этого напряжения устанавливается переменным резистором.
Компаратор 8 предназначен для сравнения напряжения, снимаемого с датчика напряжения 7, с опорным напряжением и выработки управляющего напряжения.
Блок источников питания 9 вырабатывает напряжения, необходимые для питания устройства защитного отключения.
Источник опорного напряжения 10 предназначен для выработки опорного напряжения. Он вырабатывает высокостабильное напряжение, которое используется в качестве опорного напряжения в узлах сравнения компараторов.
Логический элемент ИЛИ 11 предназначен для реализации функции логического сложения двух напряжений, поступающих на его входы, и выработки управляющего напряжения.
Датчик тока утечки 12 предназначен для выработки напряжения пропорционального току утечки, которое появляется при нарушении баланса мгновенных значений токов в фазном и нулевом проводах.
Компаратор 13 предназначен для сравнения напряжения, снимаемого с датчика тока утечки 12, с опорным напряжением, величина которого устанавливается переменным резистором, и выработки управляющего напряжения.
Устройство защитного отключения (фиг.1) работает следующим образом.
Напряжение от источника электроэнергии через коммутирующий аппарат 5 поступает в электрическую сеть или к электроустановке. В исходном состоянии (нормальная работа электрической сети или электроустановки) напряжение от датчика фазного тока 1, поступающее на первый вход компаратора 2, не превышает напряжение, поступающее на второй вход компаратора 2 от источника опорного напряжения 10. Напряжение от датчика напряжения 7, поступающее на первый вход компаратора 8, превышает напряжение, поступающее на второй вход компаратора 8 от источника опорного напряжения 10. В результате этого на выходах компараторов 2 и 8 присутствуют напряжения, запирающие входы логического элемента И 3. Поэтому на выходе логического элемента И 3 отсутствует управляющее напряжение. Коммутирующий аппарат 5 включен в работу исполнительным органом защиты 4.
При коротком замыкании (перегрузке) в электрической сети или в электроустановке в проводах электрической сети возрастет фазный ток и понизится напряжение в электрической сети на величину падения напряжения на проводах электрической сети. Следовательно, увеличится выходное напряжение, снимаемое с датчика фазного тока 1, и уменьшится выходное напряжение, снимаемое с датчика выходного напряжения 7.
Когда выходное напряжение датчика фазного тока 1 превысит опорное напряжение на втором входе компаратора 2, а выходное напряжение датчика напряжения 7 станет меньше опорного напряжения на втором входе компаратора 8, тогда на выходах компараторов 2 и 8 появятся управляющие напряжения, отпирающие входы логического элемента И 3. Это приведет к появлению напряжения на выходе логического элемента И 3, к срабатыванию исполнительного органа защиты 4 и к выключению коммутирующего аппарата 5. Коммутирующий аппарат 5 отключит электрическую сеть от источника электроэнергии или от электроустановки.
Устройство защитного отключения по фиг.2 работает следующим образом.
Напряжение от источника электроэнергии через коммутирующий аппарат 5 поступает в электрическую сеть или к электроустановке. В исходном состоянии (нормальная работа электрической сети или электроустановки) напряжение от датчика фазного тока 1, поступающее на первый вход компаратора 2, не превышает напряжение, поступающее на второй вход компаратора 2 от источника опорного напряжения 10. Напряжение от датчика напряжения 7, поступающее на первый вход компаратора 8, превышает напряжение, поступающее на второй вход компаратора 8 от источника опорного напряжения 10. Напряжение от датчика тока утечки 12, поступающее на первый вход компаратора 13, не превышает напряжение, поступающее на второй вход компаратора 13 от источника опорного напряжения 10.
В результате этого на выходах компараторов 2 и 8 присутствуют напряжения, запирающие входы логического элемента И 3, а на выходе компаратора 13 управляющее напряжение отсутствует. Поэтому на выходах логических элементов ИЗ и ИЛИ 11 отсутствуют управляющие напряжения. Коммутирующий аппарат 5 включен в работу исполнительным органом защиты 4.
При коротком замыкании (перегрузке) в электрической сети или в электроустановке в проводах электрической сети возрастет фазный ток и понизится напряжение в электрической сети на величину падения напряжения на проводах электрической сети. Следовательно, увеличится выходное напряжение, снимаемое с датчика фазного тока 1, и уменьшится выходное напряжение, снимаемое с датчика выходного напряжения 7.
Когда выходное напряжение датчика фазного тока 1 превысит опорное напряжение на втором входе компаратора 2, а выходное напряжение датчика напряжения 7 станет меньше опорного напряжения на втором входе компаратора 8, тогда на выходах компараторов 2 и 8 появятся напряжения, отпирающие входы логического элемента И 3. Это приведет к появлению напряжения на выходе логического элемента И 3, которое через логический элемент ИЛИ 11 поступит на вход исполнительного органа защиты 4, к срабатыванию исполнительного органа защиты 4 и к выключению коммутирующего аппарата 5. Коммутирующий аппарат 5 отключит электрическую сеть от источника электроэнергии или от электроустановки.
Мгновенные значения токов в фазном и нулевом проводах при нормальной работе электрической сети или электроустановки остаются равными друг другу и противоположными по направлению, поэтому напряжение на выходе датчика тока утечки 12 близко к нулю. Напряжение от датчика тока утечки 12, поступающее на первый вход компаратора 13, не превышает напряжение, подаваемое на второй вход компаратора 13 от источника опорного напряжения 10. В результате этого на выходе компаратора 13 отсутствует управляющее напряжение.
При возникновении тока утечки нарушается баланс мгновенных значений токов в фазном и нулевом проводах, что приводит к появлению напряжения на выходе датчика тока утечки 12. Когда выходное напряжение датчика тока утечки 12 превысит опорное напряжение на втором входе компаратора 13, тогда на выходе компаратора 13 появится управляющее напряжение, которое через логический элемент ИЛИ 11 поступит на вход исполнительного органа защиты 4. Это приведет к срабатыванию исполнительного органа защиты 4 и к выключению коммутирующего аппарата 5. Коммутирующий аппарат 5 отключит электрическую сеть от источника электроэнергии или от электроустановки.
Если устройство защитного отключения включено в электрическую сеть непосредственно возле зажимов питания электроустановки, то оно будет отключать электрическую сеть от электроустановки при возникновении короткого замыкания или недопустимой перегрузки в самой электроустановке.
Если устройство защитного отключения включено в электрическую сеть на входе в здание, помещение, квартиру или в какое-либо другое помещение, то оно будет отключать электрическую сеть здания, помещения, квартиры иди какого-либо другого помещения от источника электроэнергии при возникновении короткого замыкания или недопустимой перегрузки в электрической сети здания, помещения, квартиры, какого-либо другого помещения или у потребителя электроэнергии (электроплита, холодильник, микроволновая печь, стиральная машина или другие электроустановки).
Если включено устройство защитного отключения по фиг.2, то оно будет дополнительно отключать электрическую сеть от источника электроэнергии или от электроустановки при появлении тока утечки.
Таким образом, изобретение (фиг.1) позволяет отключать все проводники электрической сети от источника электроэнергии или от электроустановки, устанавливать с высокой точностью любую величину порога срабатывания устройства защитного отключения, применять устройство защитного отключения для защиты электрических сетей и находящихся в эксплуатации электроустановок от пожаров, возникающих при коротком замыкании или перегрузки в электропроводке.
Изобретение по фиг.2 позволяет дополнительно отключать все проводники электрической сети от источника электроэнергии или от электроустановки при возникновении тока утечки (защита человека от поражения электрическим током).