УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ В СЕТИ С ЗАЗЕМЛЕННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Устройство для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью относится к области электротехники и может найти применение в селективной системе защиты людей от поражения электрическим током в случае однофазного прикосновения к токоведущим частям электрооборудования или оказавшимся под напряжением нетоковедущим частям в результате повреждения изоляции токоведущих, а также защиты участка электрической сети от сверхтока в результате однофазного замыкания на заземленные (зануленные) элементы металлоконструкций электрооборудования.
6
Известно устройство для защитного отключения, содержащие дифференциальный трансформатор, промежуточные полупроводниковый усилитель с включенным на его выходе коммутационным аппаратом и источник питания (а.с. СССР №1663679 МКИ Н 02 Н 3/16 / БИ №26 1991).
В этом устройстве в рабочем (дежурном) режиме практически все элементы схемы обтекаются током, что сокращает срок службы и увеличивает энергопотребления. Кроме того, обладая высоким входным сопротивлением, промежуточный усилитель имеет низкую помехозащищенность, резко ограничивающую область применения схемного решения.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности заявляемому устройству относится устройство для защитного отключения в электрической сети с заземленной нейтралью, содержащее дифференциальный трансформатор и катушку электромагнита отключения коммутационного аппарата, при замыкании замыкающих контактов которого, ток от электрической сети через силовые обмотки дифференциального трансформатора подается в нагрузку и на
соответствующие выводы выпрямительного моста, вторичная обмотка дифференциального трансформатора соединена первым выводом с первыми выводами первого и второго конденсатора, второго и третьего резисторов, катодами первого диода, стабилитрона, и эмиттером транзистора, второй вывод дифференциального трансформатора соединен со вторыми выводам первого конденсатора и через последовательно включенный первый резистор присоединен ко вторым выводам вторых конденсатора и резистора, аноду первого диода и базе транзистора, ко второму выводу третьего резистора подключены первые выводы четвертого конденсатора, седьмого, восьмого резисторов и анод тиристора, к катоду которого подключены второй вывод восьмого резистора и анод второго диода, к управляющему электроду тиристора присоединены первые выводы пятого и шестого резисторов, второй вывод пятого резистора присоединен к первому выводу третьего конденсатора и коллектору транзистора, второй вывод шестого резистора присоединен к катоду второго диода, вторым выводам третьего конденсатора, четвертого резистора, аноду стабилитрона и первому выводу катушки электромагнита, вторым выводом присоединенной к минусовому выводу выпрямительного моста и второму выводу четвертого конденсатора, к плюсовому выводу выпрямительного моста подключен второй вывод седьмого резистора, а в одно из плеч питания выпрямительного моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор (патент на изобретение RU №2171001 С1 7 Н 02 Н 3/16).
Коммутационный аппарат этого устройства в рабочем (дежурном) режиме не обтекается током, а усилитель заперт и имеет меньше энергопотребление (в основном в виде тепловых потерь в параметрическом стабилизаторе напряжения). Кроме того, в устройстве ограничивается влияние тока небаланса и помех.
Недостатками данного устройства являются отсутствие защиты при возникновении длительных перенапряжений в питающей сети, вызванных
аварийными режимами и перегрузками, что повышает риск выхода из строя самого устройства, а также электрооборудования в зоне защиты.
Задачей предлагаемой полезной модели является обеспечение защиты от длительных перенапряжений в сети устройства и подключенного электрооборудования.
В результате использования предлагаемой полезной модели повышается надежность и долговечность, расширяется область применения устройства, в том числе в промышленных электроустановках.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что добавлено число активных и пассивных элементов схемы для выполнения дополнительной функции отключения напряжения сети при возникновении опасных перенапряжений определенной длительности, что обеспечивается формирователем временного интервала для исключения ложных срабатываний при появлении в сети импульсных коммутационных помех.
В предлагаемое устройство для защитного отключения в электрической сети с заземленной нейтралью, содержащее дифференциальный трансформатор и катушку электромагнита отключения коммутационного аппарата, при замыкании замыкающих контактов которого, ток от электрической сети через силовые обмотки дифференциального трансформатора подается в нагрузку и на соответствующие выводы выпрямительного моста, а вторичная обмотка дифференциального трансформатора соединена первым выводом с первыми выводами первого, второго конденсатора, второго и третьего резисторов, катодами первого диода, стабилитрона и эмиттером транзистора, второй вывод дифференциального трансформатора соединен со вторыми выводам первого конденсатора и через последовательно включенный первый резистор присоединен ко вторым выводам вторых конденсатора и резистора, аноду первого диода и базе транзистора, ко второму выводу третьего резистора подключены первые выводы четвертого конденсатора, седьмого, восьмого резисторов и анод тиристора, к катоду которого подключены второй вывод
восьмого резистора и анод второго диода, к управляющему электроду тиристора присоединены первые выводы пятого, шестого резисторов, второй вывод пятого резистора присоединен к первому выводу третьего конденсатора и коллектору транзистора, второй вывод шестого резистора присоединен к катоду второго диода, вторым выводам третьего конденсатора, четвертого резистора, аноду стабилитрона и первому выводу катушки электромагнита, вторым выводом присоединенной к минусовому выводу выпрямительного моста и второму выводу четвертого конденсатора, к плюсовому выводу выпрямительного моста подключен второй вывод седьмого резистора, а в одно из плеч питания выпрямительного моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор, десятый резистор через кнопку «Тест» подключенный к первичной обмотке дифференциального трансформатора,, дополнительно введены одиннадцатый и двенадцатый резисторы, второй стабилитрон и пятый конденсатор, при этом одиннадцатый резистор первым выводом соединен с анодом тиристора, а вторым выводом соединен с катодом второго стабилитрона, первыми выводами двенадцатого резистора и пятого конденсатора, причем анод второго стабилитрона соединен с управляющим электродом тиристора, а вторые выводы двенадцатого резистора и пятого конденсатора присоединены к катоду второго диода.
Сущность предполагаемой полезной модели поясняется фиг.1.
Устройство для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью содержит дифференциальный трансформатор тока ДТ с первичными I и вторичной обмоткой II, первый конденсатор 1 (1), первый резистор 2 (1), второй конденсатор 3 (2), первый диод 4 (1), второй резистор 5 (2), третий резистор 6 (3), четвертый резистор 7 (4), первый стабилитрон 8 (1), транзистор 9, третий конденсатор 10 (3), пятый резистор 11 (5), шестой резистор 12 (6), тиристор 13, второй диод 14 (2), седьмой резистор 15 (7), восьмой резистор 16 (8), четвертый конденсатор 17 (4), девятый резистор 18 (9), варистор 19, выпрямительный мост 20, катушку электромагнита 21,
десятый резистор 22 (10) с кнопкой «Тест» в цепи контроля исправности, одиннадцатый резистор 23 (11), второй стабилитрон 24 (2), двенадцатый резистор 25 (12) и пятый конденсатор 26 (5).
На фиг.1 к вторичной обмотке дифференциального трансформатора ДТ параллельно подключен первый конденсатор усилителя 1 (1), который соединен первым выводом с первыми выводами второго конденсатора 3 (2), второго 5 (2) и третьего 6 (3) резисторов, катодами первого диода 4 (1), первого стабилитрона 8 (1) и эмиттером транзистора 9. Ко второму выводу первого конденсатора 1 (1) через последовательно включенный первый резистор 2 (1) присоединены вторые выводы вторых конденсатора 3 (2) и резистора 5 (2), катод первого диода 4 (1) и база транзистора 9. Ко второму выводу третьего резистора подключены первые выводы четвертого конденсатора 17 (4), седьмого 15 (7), восьмого 16 (8) резисторов и анод тиристора 13, к катоду которого подключены второй вывод восьмого резистора 16 (8) и анод второго диода 14 (2). К управляющему электроду тиристора 13 присоединены первые выводы пятого 11 (5), шестого 12 (6) резисторов. Второй вывод пятого резистора 11 (5) присоединен к первому выводу третьего конденсатора 10 (3) и коллектору транзистора 9, второй вывод шестого резистора 12 (6) присоединен к катоду второго диода 14 (2), вторым выводам третьего конденсатора 10 (3), четвертого резистора 7 (4), катоду первого стабилитрона 8 (1) и первому выводу катушки электромагнита 21, вторым выводом присоединенной к минусовому выводу выпрямительного моста 20 и второму выводу четвертого конденсатора 17 (4). К плюсовому выводу моста 20 подключен второй вывод седьмого резистора 15 (7), а в одно из плеч питания моста от электрической сети включен последовательно девятый резистор 18 (9), десятый резистор 22 (10) через кнопку «Тест» подключен к первичной обмотке дифференциального трансформатора, одиннадцатый резистор 23 (11) первым выводом соединен с анодом тиристора 13, а вторым выводом соединен с катодом второго стабилитрона 24 (2), первыми выводами двенадцатого резистора 25 (12) и
пятого конденсатора 26 (5), анод второго стабилитрона 24 (2) соединен с управляющим электродом тиристора 13, вторые выводы двенадцатого резистора 25 (12) и пятого конденсатора 26 (5) присоединены к катоду второго диода 14 (2).
Предлагаемое устройство для защитного отключения в сети с заземленной нейтралью работает следующим образом.
При замыкании нормально разомкнутых контактов коммутационного аппарата К (выключателя) переменный ток подается одновременно через силовые обмотки I дифференциального трансформатора ДГ в нагрузку и на соответствующие выводы выпрямительного моста 20. Сглаживающий конденсатор 17 (4) заряжается через резистор 15 (7), ограничивающий скорость нарастания напряжения на аноде тиристора 13. Одновременно выпрямленное напряжение через резистор 16 (8) подается на катод тиристора 13. Диод 14 (2) выполняет роль параметрического стабилизатора с малыми потерями и с его анода стабилизированное напряжение смещения (0,7 В) через резистор 12 (6) подается на управляющий электрод тиристора, предохраняя его от случайного открытия и определяя рабочую точку.
При появлении дифференциального тока (утечки) на землю в обмотке II трансформатора ДТ индуктируется напряжение, пропорциональное этому току. Отрицательная полуволна напряжения обмотки II через П-образный RC фильтр, состоящий из конденсаторов 1 (1) и 3 (2), резистора 2 (1) прикладывается к базе транзистора 9, имеющего свой сверхмаломощный стабилизированный параметрический источник питания, состоящий из стабилитрона 8 (1) и резисторов 6 (3) и 15 (7). Транзистор 9 работает в линейном усилительном режиме с низким входным сопротивлением в широком диапазоне температур окружающей среды, что позволяет обойтись без принятия специальных мер по термокомпенсации изменения его рабочего режима.
Конденсатор 10 (3), подключенный к коллектору транзистора 9, заражается положительно. Как только напряжение на нем превысит (с учетом
напряжения смещения) порог открытия тиристора 13, с небольшой задержкой, определяем величиной резистора 11 (5), происходит разряд конденсатора 10 через управляющую цепь тиристора 13 (управляющий электрод - катод) и анод - катод диода 14 (2). Тиристор 13 открывается, замыкая цепь питания катушки 21, в свою очередь сдергивающей защелку механизма отключения коммутационного аппарата К.
Регулировка чувствительности (уставки) срабатывания усилителя осуществляется шунтированием (снижением входного сопротивления транзистора 9) регулируемым (или подбираемым) резистором 5 (2). Резистор 7 (4) создает небольшое отрицательное смещение на базу транзистора 9, в нормальном режиме шунтируемое низким сопротивлением входного контура, но при обрыве в цепи этого контура и резким повышением входного сопротивления, указанное смещение вызывает автоматическое отключение устройства для защитного отключения (самоконтроль исправности).
Конденсаторы 1 (1), 3 (2) и резистор 2 (1) формирует частотную передаточную характеристику входного контура, включающего в себя обмотку II трансформатора ДТ; диод 4(1) шунтирует положительную полуволну сигнала входного контура, резистор 5 (2) - нагрузка входного контура и определяет рабочую точку транзистора 9, резисторы 6 (3), 15 (7) и стабилитрон 8 (1) - параметрический сверхмаломощный стабилизатор напряжения питания транзистора 9, резистор 7 (4) обеспечивает отрицательное смещение на базу транзистора 9 при обрыве цепи входного контура, вызывая отключение устройства для защитного отключения.
Конденсатор 10 (3) и резисторы 11 (5) и 12 (6) формируют постоянную времени срабатывания устройства, резисторы 15 (7), 16 (8) и диод 14 (2) формирует отрицательное (запирающее) смещение на управляющем электроде тиристора 13, резистор 15 (7) и конденсатор 17 (4) ограничивают скорость нарастания и пульсации выпрямленного напряжения на аноде тиристора 13 (исключая самопроизвольное его открытие) при подключении устройства к электрической сети и амплитудных всплесках в ней, резисторы
15 (7) и 18 (9) и варистор 19 снимают импульсы перенапряжения, приходящие из электрической сети (например, при грозовых разрядах), повышая устойчивость усилителя, резистор 22 (10) с кнопкой «Тест» - общепринятая цепь проверки функционирования устройства для защитного отключения. Варистор 19 устанавливается в устройстве защитного отключения в случае его применения в электроустановках, питающихся от воздушных линий электропередачи и применяется крайне редко.
Защита от длительного перенапряжения сети работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный напряжению сети, прикладывается через делитель напряжения, собранный на резисторах 23 (11) и 25 (12), к катоду стабилитрона 24 (2) и при номинальном напряжении сети не оказывает влияния на работоспособность устройства. В случае повышения напряжения сети до 265 В, стабилитрон открывается и подает сигнал на управляющий электрод тиристора 13, что приводит к отключению устройства. Конденсатор 26 (5) и резисторы 23 (11) и 25 (12) формируют постоянную времени срабатывания устройства при возникновении перенапряжения определенной длительности (около 0,5 с), что позволит избежать ложных срабатываний при импульсных (коммутационных или грозовых) микро- и миллисекундных перенапряжений.
Отключение устройства в этом случае выполняет двойную задачу: защита схемы самого устройства и защита электрооборудования.