RU2155424C1 - Protective and ground-fault detecting device - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device has three resistors interconnected through some of their leads and connected to phase leads of supply mains through their other leads; connected in series with mentioned resistors are DC voltage supply and measuring circuit which is connected to ground; voltage supply is regulated device; measuring circuit is, essentially, resistive divider connected to inverted input of operational amplifier whose output is connected to input of comparator whose output is connected to inputs of two transistor switch amplifiers through diode isolator. Insulation resistance drop below permissible value energizes switch which initiates emergency condition and/or disconnects electric system from supply mains. EFFECT: simplified design, increased sensitivity due to improved measuring circuit arrangement. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах защиты электротехнических установок в трехфазных (многофазных) сетях с изолированной нейтралью напряжением, в основном, до 1 кВ. The invention relates to electrical engineering and can be used in the protection devices of electrical installations in three-phase (multiphase) networks with isolated neutral voltage, mainly up to 1 kV.

Известны устройства контроля и защиты электротехнической системы [1], содержащие, в частности, датчик контроля сопротивления изоляции, выполненный в виде емкостного датчика нулевой последовательности, подключенного к каждой из фаз, выход которого подключен к исполнительному элементу контроля, соединенному с исполнительным органном контроля, устройство индикации и стабилизатор напряжения (источник питания), обеспечивающий электропитанием электронные узлы системы контроля и защиты. Known devices for monitoring and protection of the electrical system [1], containing, in particular, a sensor for monitoring insulation resistance made in the form of a capacitive zero sequence sensor connected to each of the phases, the output of which is connected to an actuating element connected to an actuating control unit, indications and a voltage stabilizer (power supply), which provides power to electronic components of the control and protection system.

Основным недостатком такого устройства является отсутствие реакции на симметричное снижение изоляции в цепи с изолированной нейтралью. The main disadvantage of such a device is the lack of response to a symmetrical decrease in insulation in a circuit with isolated neutral.

Известен принцип построения системы защитного отключающего устройства (УЗО) с использованием оперативного постоянного тока [2]. Принцип действия его заключается в том, что с помощью трансформатора- дросселя (ДТ) по схеме "звезда" образуется искусственная нулевая точка, последовательно с общей точкой ДТ подключен дроссель (Д), токовое реле (РТ) и источник постоянного тока, один из выводов которого подключен к корпусу ("земле"), ток, протекающий по цепи, и является аварийным током. The known principle of constructing a system of protective disconnecting device (RCD) using operational direct current [2]. The principle of its operation is that with the help of a transformer-inductor (DT), an artificial zero point is formed according to the "star" scheme, a choke (D), a current relay (RT) and a direct current source are connected in series with the common point of the DT, one of the terminals which is connected to the housing ("ground"), the current flowing through the circuit is an emergency current.

Общим недостатком последовательного включения Д, ДТ и РТ является пониженная чувствительность устройства и электробезопасность, т.е. при определенных условиях система может оказаться неработоспособной. Кроме того, отсутствие регулировок снижает область ее применения. A common disadvantage of the sequential inclusion of D, DT and RT is the reduced sensitivity of the device and electrical safety, i.e. Under certain conditions, the system may be inoperative. In addition, the lack of adjustments reduces its scope.

Известно также устройство [3], выполненные по принципу [2], являющееся наиболее близким к предлагаемому принятому за прототип. Оно содержит трансформатор-дроссель ДТ, включенный "звездой" последовательно с дросселем Д; источник питания реле образован с помощью вторичной обмотки одной из фаз ТД, в качестве датчика включены три резистора, подключенные одними выводами к фазам сети, другими, объединенными в общую точку, к которой последовательно подключена одним выводом измерительная цепь, содержащая источник постоянного тока и исполнительный элемент, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу ("земле"). Also known is a device [3], made according to the principle of [2], which is the closest to the proposed adopted for the prototype. It contains a transformer-inductor DT, connected by a "star" in series with the inductor D; the relay power source is formed using the secondary winding of one of the phases of the AP, three resistors are included as a sensor, connected by one terminal to the network phases, and others connected to a common point, to which a measuring circuit containing a direct current source and an actuating element is connected in series with one terminal , the other end of the measuring circuit is connected to the chassis (ground).

Недостатками прототипа являются:
- наличие трансформаторов и дросселей в трехфазных цепях что усложняет устройство;
- дискретность регулировки, определяемой только током срабатывания реле; сравнительно низкая чувствительность, определяемая индуктивным сопротивлением дросселя и током срабатывания реле.The disadvantages of the prototype are:
- the presence of transformers and chokes in three-phase circuits which complicates the device;
- discreteness of adjustment, determined only by the relay operation current; relatively low sensitivity, determined by the inductive reactance of the inductor and the response current of the relay.

Целью изобретения является упрощение устройства, увеличение чувствительности. Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем три резистора, подключенные одними выводами к фазам сети, другие объединены в общую точку, к которой одним выводом подключена измерительная цепь, содержащая источник постоянного напряжения и исполнительный элемент, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу, источник постоянного напряжения выполнен стабилизированным, между корпусом и общей точкой соединения резисторов установлен конденсатор, измерительная цепь выполнена в виде двух последовательно включенных резисторов, включенных между одним из полюсов стабилизированного источника постоянного напряжения, другой полюс которого подключен к общей точке соединения трех резисторов и корпусом, средняя точка последовательно включенных резисторов подключена к инверсному входу операционного усилителя, прямой вход которого подключен к средней точке введенного двухполярного источника, выход операционного усилителя подключен к инверсному входу компаратора, прямой вход которого подключен к переменному выводу резистивного делителя, подключенного к средней точке двухполярного источника и его отрицательному выводу, выход компаратора через диодную развязку подключен к базовым цепям двух ключевых транзисторных усилителей, в коллекторные цепи которых включены индикаторы и (или) исполнительные элементы нормального и аварийного состояний. The aim of the invention is to simplify the device, increasing sensitivity. This goal is achieved by the fact that in a device containing three resistors connected by one terminal to the phases of the network, the others are combined into a common point, to which a measurement circuit containing a constant voltage source and an actuating element is connected with one terminal, and the other terminal of the measurement circuit is connected to the housing, a constant voltage source is made stabilized, a capacitor is installed between the housing and the common point of connection of the resistors, the measuring circuit is made in the form of two series-connected res stors connected between one of the poles of a stabilized DC voltage source, the other pole of which is connected to the common point of connection of the three resistors and the housing, the middle point of the series-connected resistors is connected to the inverse input of the operational amplifier, the direct input of which is connected to the midpoint of the introduced bipolar source, the operating output the amplifier is connected to the inverse input of the comparator, the direct input of which is connected to the variable output of the resistive divider connected to Bipolar edney point source and its negative terminal, the comparator output is connected via the decoupling diode to the base circuits of two transistor amplifiers key in the collector circuit of which includes indicators and (or) the actuators of the normal and emergency conditions.

На чертеже изображена структурно-принципиальная схема предлагаемого устройства. The drawing shows a structural schematic diagram of the proposed device.

Устройство содержит генератор сети 1 (может быть расположен вне устройства), резисторы 2, подключенные одними из выводов к каждой фазе сети, другими, образующими общую точку, к одному из выводов полюсов стабилизированного источника постоянного напряжения, образованного, например, из вспомогательного трансформатора 3, первичная обмотка которого подключена к двум фазам сети, одна из вторичных - к мостовому выпрямителю 4, к выходу которого подключен емкостный фильтр 5 и параметрический стабилизатор, содержащий ограничительный резистор 6 и стабилитрон 7; другой вывод (полюс) стабилизированного источника постоянного напряжения подключен к цепи, содержащей два последовательно включенных резистора 8 и 9 (для регулировочных операций резистор 9 может быть переменным); сопротивление изоляции может быть представлено в виде трех резисторов 10, каждый из которых имеет связь с корпусом, т. е. один вывод связан с каждой фазой, в другой - с корпусом ("землей"), между общей точкой соединения резисторов 2 и корпусом ("землей") установлен конденсатор 11, двухполярный источник может быть выполнен, например, в виде вторичных обмоток трансформатора 3, двух выпрямителей, сглаживающих фильтров, стабилизаторов напряжения разных полярностей (например, KP142EH8B и KP142EH15A), включенных последовательно таким образом, что образуется средняя точка 12, положительный вывод 13 и отрицательный вывод 14, средняя точка двухполярного источника подключена к точке соединения одного из полюсов стабилизированного источника постоянного напряжения и резистора 8; точка 15 является корпусом земли, средняя точка соединения резисторов 8 и 9 подключена к инверсному входу операционного усилителя 16. Элементами обратной связи являются последовательно соединенные резисторы 17 и 18 (18 может быть, например, переменным); через ограничительный резистор 19 выход операционного усилителя 16 подключен к инверсному входу компаратора 20, прямой вход которого подключен к переменному выводу (подвижному контакту) делителя из резисторов 21 и 22, подключенных к средней точке и отрицательному выводу двухполярного источника, причем свободный вывод резистора 21 подключен к средней точке, а 22 - к отрицательному выводу, выход компаратора 20 подключен к диодной развязке ключевых транзисторных усилителей на транзисторах 23 и 24, причем катод диода 25 соединен с анодом диода 26 и подключен к выходу компаратора 20, последовательно с диодом 25 включен базовый резистор 27, а с диодом 26 - базовый резистор 28, ограничительными резисторами являются резисторы 29 и 30, включенные одними выводами к точкам соединения базы транзистора 23 и резистора 27 и базы транзистора 24 и резистора 28, другими - к эмиттерам транзисторов 23 и 24, подключенных к средней точке 12 двухполярного источника; в коллекторные цепи транзисторов 23 и 24 последовательно включены в каждый коллекторный резистор 31 и индикатор 32 и коллекторный резистор 33 и индикатор 34, причем свободные выводы индикаторов подключены соответственно к отрицательному выводу 14 двухполярного источника (для транзистора p-n-p 23) и положительному выводу 13 упомянутого двухполярного источника (для транзистора n-p-n 24). The device comprises a network generator 1 (can be located outside the device), resistors 2 connected by one of the terminals to each phase of the network, others forming a common point, to one of the terminals of the poles of a stabilized constant voltage source formed, for example, from an auxiliary transformer 3, the primary winding of which is connected to two phases of the network, one of the secondary is connected to the bridge rectifier 4, the output of which is connected by a capacitive filter 5 and a parametric stabilizer containing a limiting resistor 6 and a hundred ilitron 7; the other terminal (pole) of the stabilized constant voltage source is connected to a circuit containing two series-connected resistors 8 and 9 (for adjustment operations, the resistor 9 may be variable); insulation resistance can be represented in the form of three resistors 10, each of which is connected to the housing, that is, one terminal is connected to each phase, in the other - to the housing (ground), between the common point of the connection of the resistors 2 and the housing ( ground) a capacitor 11 is installed, a bipolar source can be made, for example, in the form of secondary windings of a transformer 3, two rectifiers, smoothing filters, voltage stabilizers of different polarities (for example, KP142EH8B and KP142EH15A), connected in series so as to form a medium the point 12, the positive terminal 13 and the negative terminal 14, the midpoint of the bipolar source is connected to the connection point of one of the poles of the stabilized constant voltage source and resistor 8; point 15 is the body of the earth, the middle connection point of the resistors 8 and 9 is connected to the inverse input of the operational amplifier 16. The feedback elements are series-connected resistors 17 and 18 (18 can be, for example, variable); through the limiting resistor 19, the output of the operational amplifier 16 is connected to the inverse input of the comparator 20, the direct input of which is connected to an alternating terminal (movable contact) of the divider from resistors 21 and 22 connected to the midpoint and the negative terminal of the bipolar source, and the free terminal of the resistor 21 is connected to midpoint, and 22 to the negative terminal, the output of the comparator 20 is connected to the diode isolation of the key transistor amplifiers on transistors 23 and 24, and the cathode of the diode 25 is connected to the anode of the diode 26 and sub it is output to the comparator 20, the base resistor 27 is connected in series with the diode 25, and the base resistor 28 is connected with the diode 26, the resistors 29 and 30 are connected by limiting resistors, connected by one of the conclusions to the connection points of the base of transistor 23 and resistor 27 and the base of transistor 24 and resistor 28, others - to the emitters of transistors 23 and 24, connected to the midpoint 12 of a bipolar source; in the collector circuit of the transistors 23 and 24 are connected in series to each collector resistor 31 and an indicator 32 and a collector resistor 33 and an indicator 34, and the free terminals of the indicators are connected respectively to the negative terminal 14 of the bipolar source (for the transistor pnp 23) and the positive terminal 13 of the bipolar source (for transistor npn 24).

В качестве индикаторов могут быть использованы, например, светодиоды, лампа накаливания и др. Кроме того, последовательно в цепь коллекторов (не показаны) транзисторов 23 и 24 могут быть включены датчики исполнительных элементов или исполнительные элементы, воздействующие на исполнительные органы для отключения устройства в аварийных ситуациях (т.е. когда сопротивление ниже установленных норм) и включения при нормальном режиме работы. Питание операционного усилителя 16, выполненного, например, на ИМС 140УД17Б, осуществляется от упомянутого двухполярного источника, при этом возможно подключение дополнительных цепей коррекции и регулировок, предусмотренных той или иной схемой ИМС. Аналогично от двухполярного источника осуществляется питание компаратора 20, выполненного, например, на ИМС 521СА, при этом для создания смещения и дополнительных регулировок может использоваться вторая часть ИМС и имеющийся двухполярный источник. As indicators, for example, LEDs, an incandescent lamp, etc. can be used. In addition, sensors of actuators or actuators acting on actuators to turn off the device in emergency situations can be included in series of collectors (not shown) of transistors 23 and 24. situations (i.e. when the resistance is below the established norms) and switching on during normal operation. The power of the operational amplifier 16, made, for example, on the IC 140UD17B, is carried out from the bipolar source mentioned, while it is possible to connect additional correction circuits and adjustments provided for by one or another IC circuit. Similarly, a comparator 20 is supplied from a bipolar source, made, for example, on the IC 521CA, while the second part of the IC and the existing bipolar source can be used to create bias and additional adjustments.

Устройство, изображенное на чертеже, работает следующим образом. The device shown in the drawing, operates as follows.

В нормальном режиме работы, т.е. при наличии изоляции в пределах установленных норм, на первичную обмотку трансформатора 3 поступает питание от двух фаз сети, указанное напряжение трансформируется, выпрямляется схемой выпрямления 4, фильтруется конденсатором 5 и стабилизируется параметрическим стабилизатором на элементах 6 и 7; выпрямленный и стабилизированный ток замыкается по следующей цепи: параллельно включенные резисторы 2, сеть, параллельно включенные сопротивления сети 10, корпус ("земля"), резисторы 9 и 8. То есть происходит контроль сопротивления изоляции в любой точке сети и устройства. С точки соединения резисторов 8 и 9 снимается сигнал на инверсный вход операционного усилителя 16, где элементом обратной связи является последовательно соединенные на инверсный вход и выход резисторы 17 и 18. В нормальном режиме работы этот сигнал таков, что компаратор 20 находится в состоянии, когда ключ на транзисторе 23 открыт и сигнал нормальной работы поступает оператору (или включается исполнительный орган нормальной работы). Ключ на транзисторе 24 закрыт, и аварийный сигнал отсутствует. При уменьшении сопротивления изоляции в любой точке сети и устройства (как симметричного, так и несимметричного) ток в цепи резистора 8, 9 увеличивается, закрывается в конечном итоге ключ на транзисторе 23 и включается ключ на транзисторе 24, протекает ток через элементы 33 и 34, свидетельствуя о режиме аварии (т. е. уменьшения сопротивления изоляции ниже установленных норм) и включается исполнительный орган или (и) аварийная индикация. In normal operation, i.e. if there is insulation within the established norms, the primary winding of the transformer 3 receives power from two phases of the network, the specified voltage is transformed, rectified by a rectification circuit 4, filtered by a capacitor 5 and stabilized by a parametric stabilizer on elements 6 and 7; The rectified and stabilized current is closed according to the following circuit: resistors 2 connected in parallel, network 10, network resistors 10 connected in parallel, housing (ground), resistors 9 and 8. That is, insulation resistance is monitored at any point on the network and device. From the connection point of the resistors 8 and 9, the signal is taken to the inverse input of the operational amplifier 16, where the feedback element is the resistors 17 and 18 connected in series to the inverse input and output. In normal operation, this signal is such that the comparator 20 is in a state when the key on the transistor 23 is open and the signal of normal operation is supplied to the operator (or the executive body of normal operation is turned on). The key on the transistor 24 is closed and there is no alarm. With a decrease in insulation resistance at any point in the network and device (both symmetrical and asymmetric), the current in the circuit of the resistor 8, 9 increases, eventually the key on the transistor 23 closes and the key on the transistor 24 is turned on, the current flows through the elements 33 and 34, testifying to the accident mode (i.e., reducing the insulation resistance below the established standards) and the executive body or (and) emergency indication is turned on.

Конденсатор 11 выполняет ряд функций: служит для замыкания переменной составляющей при несимметричных режимах напряжения сети и сопротивления изоляции; при резком изменении сопротивления изоляции в любой из фаз, например при касании человеком токоведущих частей, на конденсаторе 11 выделяется напряжение нулевой последовательности, подключенное к части измерительной цепи, т.е. при этом увеличивается чувствительность в аварийных зажимах. Capacitor 11 performs a number of functions: it serves to close the variable component under asymmetric modes of mains voltage and insulation resistance; with a sharp change in insulation resistance in any phase, for example, when a person touches live parts, a zero-sequence voltage connected to a part of the measuring circuit is allocated to the capacitor 11, i.e. this increases the sensitivity in the emergency clamps.

Авторами испытан макет предлагаемого устройства при напряжении сети 380/220 В, с элементами 2-80 кОм. 8-1 МОм, 9-10 кОм. Ток срабатывания составил 0,1 mA, а сопротивление изоляции имитировалось от 22 кОм до 300 кОм, т. е. при условии минимально допустимого сопротивления безопасности для человека в данной системе (20 кОм) обеспечивалось четкое срабатывание и необходимая чувствительность. При более высоких величинах сопротивления изоляции чувствительность только увеличивается, так как соотношение сопротивления изоляции и сопротивления измерительной цепи изменяется более существенно. The authors tested the layout of the proposed device at a voltage of 380/220 V, with elements of 2-80 kOhm. 8-1 MΩ, 9-10 kΩ. The response current was 0.1 mA, and the insulation resistance was simulated from 22 kOhm to 300 kOhm, i.e., under the condition of the minimum permissible safety resistance for a person in this system (20 kOhm), a clear response and the necessary sensitivity were provided. At higher values of insulation resistance, the sensitivity only increases, since the ratio of insulation resistance and resistance of the measuring circuit changes more significantly.

Таким образом, предложенное устройство имеет более простой и экономичный измерительный элемент, обладает большей чувствительностью по сравнению с прототипом и контролирует значительно больший (в прототипе до 50 кОм) диапазон изменения сопротивления изоляции надежно защищает от прикосновения к токоведущим частям. Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения. Thus, the proposed device has a simpler and more economical measuring element, has greater sensitivity compared to the prototype and controls a significantly larger (up to 50 kOhm in the prototype) range of changes in insulation resistance reliably protects against touching live parts. The above data and information confirm the feasibility of the invention.

Источники информации
1. Патент RU 2115986, кл. H 02 H 3/20, 1998.Sources of information
1. Patent RU 2115986, cl. H 02 H 3/20, 1998.

2. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М.: Энергия, 1979, рис. 7 - 13, с. 274. 2. Dolin P. A. Fundamentals of safety in electrical installations. - M.: Energy, 1979, Fig. 7 - 13, p. 274.

3. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М.: Энергия, 1979, рис. 7 - 14, с. 274. 3. Dolin P. A. Fundamentals of safety in electrical installations. - M.: Energy, 1979, Fig. 7-14, p. 274.

Claims (1)

Устройство защиты и контроля сопротивления изоляции, содержащее три резистора, подключенные одними выводами к фазам сети, другие объединены в общую точку, к которой одним выводом подключена измерительная цепь, содержащая источник постоянного напряжения и исполнительный элемент, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу, отличающееся тем, что источник постоянного напряжения выполнен стабилизированным, между корпусом и общей точкой соединения резисторов установлен конденсатор, измерительная цепь выполнена в виде двух последовательно включенных резисторов, включенных между одним из полюсов стабилизированного источника постоянного напряжения, другой полюс которого подключен к общей точке соединения трех резисторов, и корпусом, средняя точка последовательно включенных резисторов подключена к инверсному входу операционного усилителя, прямой вход которого подключен к средней точке введенного двухполярного источника, выход операционного усилителя подключен к инверсному входу компаратора, прямой вход которого подключен к переменному выводу резистивного делителя, подключенного к средней точке двухполярного источника и его отрицательному выводу, выход компаратора через диодную развязку подключен к базовым цепям двух ключевых транзисторных усилителей, в коллекторные цепи которых включены индикаторы и/или исполнительные элементы нормального и аварийного состояний. A device for protection and control of insulation resistance, containing three resistors connected by one terminal to the phases of the network, the others are combined into a common point, to which one terminal is connected to a measuring circuit containing a constant voltage source and an actuating element, the other terminal of the measuring circuit is connected to the housing, characterized in that the constant voltage source is stabilized, a capacitor is installed between the housing and the common point of connection of the resistors, the measuring circuit is made in the form of two last Resistively connected resistors connected between one of the poles of a stabilized constant voltage source, the other pole of which is connected to the common point of connection of the three resistors, and the housing, the midpoint of the series-connected resistors is connected to the inverse input of the operational amplifier, the direct input of which is connected to the midpoint of the input bipolar source , the output of the operational amplifier is connected to the inverse input of the comparator, the direct input of which is connected to the variable output of the resistive d If the amplifier is connected to the midpoint of the bipolar source and its negative output, the comparator output is connected via diode isolation to the base circuits of two key transistor amplifiers, the collector circuits of which include indicators and / or actuators for normal and emergency conditions.