RU2157039C1

RU2157039C1 - Electrical installation ground detecting and protective device

Info

Publication number: RU2157039C1
Application number: RU99123804A
Authority: RU
Inventors: Л.З. Фейгин; С.В. Левинзон; С.И. Михалев; И.М. Пиковский; Ю.С. Огарь; И.Л. Озерных; В.И. Самойлов
Original assignee: Ниц Кс; Фейгин Лев Залманович
Priority date: 1999-11-11
Filing date: 1999-11-11
Publication date: 2000-09-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device gas power generator, measuring circuit set up of series-connected optocoupler light emitter, adjusting and limiting resistors; voltage supply is, essentially, parametric stabilizer. Connected to each phase lead of supply mains are diodes to form three-phase rectifier bridge whose cathodes are interconnected at common point; one lead of measuring circuit is connected to mentioned common point and its other lead, to ground. Optocoupler photodetector is connected in series with final element to output of DC voltage supply. EFFECT: simplified design, improved reliability and sensitivity of device. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах защиты электротехнических установок и человека в трехфазных (многофазных) сетях с изолированной нейтралью. The invention relates to electrical engineering and can be used in devices for protecting electrical installations and humans in three-phase (multiphase) networks with isolated neutral.

Известны устройства контроля и защиты электротехнической системы [1], содержащие 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 органом контроля, устройство индикации и источник питания, обеспечивающий электропитанием электронные узлы системы контроля и защиты. Known devices for monitoring and protection of the electrical system [1], containing 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 control element connected to an actuating control body, an indication device and a power source providing 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, 3] . Принцип действия [2] заключается в том, что искусственная нулевая точка по схеме "звезда" образуется с помощью дросселя-трансформатора, последовательно с общей точкой которого включены дроссель, токовое реле и источник постоянного тока, один из выводов которого подключен к корпусу ("земле"). При этом ток, протекающий по указанной выше цепи, и является оперативным контролирующим током, величина которого зависит от сопротивления изоляции. The known principle of constructing a system of protective tripping device (RCD) using operational direct current [2, 3]. The principle of operation [2] is that an artificial zero point according to the "star" scheme is formed using a choke-transformer, in series with a common point of which a choke, a current relay and a DC source are connected, one of the terminals of which is connected to the housing ("ground" "). In this case, the current flowing along the above circuit is the operational control current, the value of which depends on the insulation resistance.

Недостатком такого устройства является пониженная чувствительность: при определенных соотношениях из-за отсутствия регулировок система защиты и контроля может оказаться неработоспособной. The disadvantage of this device is the reduced sensitivity: at certain ratios, due to the lack of adjustments, the protection and control system may be inoperative.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [4], выполненное по принципу [2]. Оно содержит генератор сети, датчик, в качестве которого используются три индуктивных сопротивления, подключенные одними выводами к фазам сети, другими - объединенными в общую точку, к которой подключена одним выводом измерительная цепь, содержащая источник напряжения постоянного тока и измерительный элемент, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу ("земле"). Индуктивные сопротивления представляют собой трансформатор-дроссель, источник питания образован с помощью вторичной обмотки одной из фаз трансформатора-дросселя. Closest to the proposed device is a device [4], made according to the principle of [2]. It contains a network generator, a sensor, which uses three inductive resistances connected by one terminal to the phases of the network, and others connected to a common point, to which a measuring circuit containing a DC voltage source and a measuring element, and another terminal of the measuring circuit is connected by one terminal connected to the chassis (ground). Inductance is a transformer-inductor, the power source is formed using the secondary winding of one of the phases of the transformer-inductor.

Недостатком прототипа является сравнительно низкая чувствительность, определяемая в основном индуктивным сопротивлением дросселя, и значительные массо-габаритные характеристики, обусловленные наличием трансформаторов дросселей в трехфазовых цепях. The disadvantage of the prototype is the relatively low sensitivity, determined mainly by the inductive reactance of the inductor, and significant mass and dimensional characteristics due to the presence of transformer inductors in three-phase circuits.

Диапазон контролируемых сопротивлений изоляции сети очень мал (10,5 кОм, стр. 274 [4]). Кроме того, подключение данного устройства защиты к генератору сети снижает сопротивление изоляции контролируемой сети до 50 кОм. The range of monitored insulation resistances of the network is very small (10.5 kΩ, p. 274 [4]). In addition, connecting this protection device to the network generator reduces the insulation resistance of the controlled network to 50 kOhm.

Целью изобретения является упрощение устройства, повышение его надежности, повышение чувствительности, улучшение массо-габаритных характеристик. The aim of the invention is to simplify the device, increase its reliability, increase sensitivity, improve weight and size characteristics.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор сети с подключенной измерительной цепью источник напряжения постоянного тока и исполнительный элемент, к каждой из фаз сети подключены анодами диоды, катоды которых соединены в общую точку, диоды образуют трехфазовый выпрямитель, источник напряжения постоянного тока выполнен в виде параметрического стабилизатора, подключенного одним выходом к любой из фаз сети, другим - к точке соединения катодов упомянутых диодов, измерительная цепь выполнена в виде последовательного соединения светоизлучателя оптопары, шунтированного помехоподавляющим конденсатором, регулировочного и ограничительного резисторов, причем один выход упомянутого светоизлучателя оптопары подключен к общей точке соединения катодов упомянутых диодов, второй вывод ограничительного резистора подключен к корпусу, фотоприемник упомянутой оптопары подключен последовательно с исполнительным элементом к выходу параметрического стабилизатора, а контакт исполнительного элемента, коммутирующий цепь отключения генератора сети и/или индикации неисправности подключен к сетевому напряжению. This goal is achieved by the fact that in a device containing a network generator with a connected measuring circuit, a DC voltage source and an actuating element, diodes are connected to each phase of the network, the cathodes of which are connected to a common point, the diodes form a three-phase rectifier, the DC voltage source is made in the form of a parametric stabilizer connected by one output to any of the phases of the network, the other to the connection point of the cathodes of the diodes mentioned, the measuring circuit is made in the form of a follower connection of the light emitter of the optocoupler shunted by the noise-suppressing capacitor, the control and limiting resistors, moreover, one output of the said light emitter of the optocoupler is connected to a common connection point of the cathodes of the said diodes, the second output of the limiting resistor is connected to the housing, the photodetector of the said optocoupler is connected in series with the actuator to the output of the parametric stabilizer, and the contact of the actuating element, the switching circuit disconnecting the generator network and / or dikatsii faults connected to the mains voltage.

Кроме того, к каждой из фаз сети подключены одним выводом конденсаторы, вторые выводы которых соединены между собой и подключены к точке соединения регулировочного и ограничительного резисторов. In addition, capacitors are connected to each phase of the network by one terminal, the second terminals of which are interconnected and connected to the connection point of the regulation and limiting resistors.

Устройство отличается также тем, что в источник напряжения постоянного тока включен двухполупериодной выпрямитель, выход которого подключен ко входу параметрического стабилизатора. Фотоприемник оптопары может быть выполнен в виде фототиристора или фототранзистора. The device also differs in that a half-wave rectifier is included in the DC voltage source, the output of which is connected to the input of the parametric stabilizer. The photodetector of the optocoupler can be made in the form of a photo thyristor or photo transistor.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг. 2 - варианты выполнения. In FIG. 1 shows a schematic diagram of a device, FIG. 2 - options for execution.

Устройство (фиг. 1) содержит генератор сети 1 (может быть расположен вне устройства), выпрямитель 2 (три диода, аноды которых подключены к каждой из фаз сети, катоды объединены в общую точку), представляющий собой трехфазовый выпрямитель, источник напряжения постоянного тока 3, подключенный одним выводом к любой из фаз сети, другим - к общей точке соединения выпрямителя 2, к которой подключен светоизлучатель 4 оптопары 5, фотоприемник которой 6 последовательно с исполнительным элементом 7 подключен к выходу источника напряжения постоянного тока 3, последовательно со светоизлучателем 4 включены регулировочный резистор 8 и ограничительный резистор 9, подключенный свободным выводом к корпусу ("земле") 10. Контакт исполнительного элемента 11, подключенный, например, к одной или нескольким фазам сети, выполняет функции управления исполнительным органом (не показан) и индикации аварийного состояния. The device (Fig. 1) contains a network generator 1 (can be located outside the device), a rectifier 2 (three diodes, the anodes of which are connected to each phase of the network, the cathodes are combined into a common point), which is a three-phase rectifier, a DC voltage source 3 connected by one output to any of the phases of the network, the other - to the common connection point of the rectifier 2, to which the light emitter 4 of the optocoupler 5 is connected, the photodetector of which 6 is connected in series with the actuating element 7 to the output of the DC voltage source 3, in series with the light emitter 4, an adjustment resistor 8 and a limiting resistor 9 are connected, connected by a free output to the housing (ground) 10. The contact of the actuating element 11, connected, for example, to one or several phases of the network, performs the functions of controlling the executive body (not shown) and alarm indications.

Источник напряжения постоянного тока 3 может быть выполнен, например, в виде параметрического стабилизатора на стабилитроне 12 и гасящем резисторе 13 со сглаживающим выходным фильтром 14. Сопротивление изоляции (реальное) каждой фазы 15 имеет связь с корпусом ("землей") 10. Светоизлучатель 4 зашунтирован помехоподавляющим конденсатором 16. The DC voltage source 3 can be made, for example, in the form of a parametric stabilizer on a zener diode 12 and a quenching resistor 13 with a smoothing output filter 14. The insulation resistance (real) of each phase 15 is connected to the housing ("ground") 10. The light emitter 4 is shunted noise suppression capacitor 16.

Источник напряжения постоянного тока 3 может быть подключен (фиг. 2) непосредственно к фазам сети через выпрямитель 17, выполненный, например, по схеме Греца. В качестве фотоприемника может быть использован фототиристор 6 (фиг. 1) или фототранзистор (фиг. 2). В этом случае один из выводов фототранзистора - коллектор подключен к одному из выводов исполнительного элемента 7, другой вывод которого подключен к одному из выходов параметрического стабилизатора на стабилитроне 12, эмиттер фототранзистора 6 через второй ограничительный резистор 18 подключен ко второму выходу параметрического стабилизатора, к которому через базовый резистор 19 подключена база упомянутого фототранзистора 6. К каждой из фаз сети подключены одними выводами конденсаторы 20, другие выводы которых соединены между собой. Конденсаторы 20 и ограничительный резистор 9 образуют фильтр напряжения нулевой последовательности. В измерительную цепь входят последовательно соединенные светоизлучатель 4 оптопары 5, шунтированный помехоподавляющим конденсатором 16, регулировочный резистор 8 и ограничитель на резистор 9. The DC voltage source 3 can be connected (Fig. 2) directly to the phases of the network through a rectifier 17, made, for example, according to the Grets scheme. As the photodetector, a photo thyristor 6 (Fig. 1) or a phototransistor (Fig. 2) can be used. In this case, one of the terminals of the phototransistor - the collector is connected to one of the terminals of the actuator 7, the other terminal of which is connected to one of the outputs of the parametric stabilizer on the zener diode 12, the emitter of the phototransistor 6 is connected through the second limiting resistor 18 to the second output of the parametric stabilizer, to which through the base resistor 19 is connected to the base of the aforementioned phototransistor 6. To each of the phases of the network, capacitors 20 are connected by one terminal, the other terminals of which are interconnected. Capacitors 20 and a limiting resistor 9 form a zero-sequence voltage filter. The measuring circuit includes series-connected light emitter 4 optocouplers 5, shunted by a noise-suppressing capacitor 16, an adjustment resistor 8 and a limiter to the resistor 9.

Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом. В нормальном режиме работы, т.е. при наличии сопротивления изоляции в пределах установленных норм, ток I_o, протекающий через светоизлучатель 4 оптопары 5, недостаточен для включения фотоприемника 6, исполнительный элемент 7 находится в отключенном состоянии, контакт исполнительного элемента 11 разомкнут, генератор сети 1 включен, включена и (при необходимости) индикация нормальной работы. Оперативный ток (например, для фазы "A") протекает по цепи: "A" - диод 2 фазы "A" - светоизлучатель 4 - регулировочный резистор 8 - ограничительный резистор 9 - r_из (элемент 15) фаз "B" и "C", r_из - сопротивление изоляции фазы сети по отношению к корпусу ("земле").The device shown in FIG. 1, works as follows. In normal operation, i.e. if there is insulation resistance within the established norms, the current I _o flowing through the light emitter 4 of the optocoupler 5 is insufficient to turn on the photodetector 6, the actuator 7 is in the off state, the contact of the actuator 11 is open, the generator 1 is turned on, turned on and (if necessary ) indication of normal operation. The operational current (for example, for phase "A") flows along the circuit: "A" - diode 2 of the phase "A" - light emitter 4 - regulation resistor 8 - limiting resistor 9 - r _from (element 15) phases "B" and "C ", r _of is the insulation resistance of the network phase with respect to the chassis (" ground ").

В аварийных режимах возможен как несимметричный (т.е. изменение сопротивления изоляции каждой из фаз является разным), так и симметричный режим (изменение сопротивления всех фаз одинаково). В отличие от известных устройств, измерительная цепь, состоящая из элементов 2, 4, 16, 8, 9, обладает весьма большим сопротивлением (сотни кОм), в связи с чем ее подключение незначительно влияет на сопротивление изоляции контролируемой сети. Поэтому при уменьшении любого из сопротивлений изоляции r_из 15, как симметричных, так и несимметричных, происходит срабатывание устройства, чувствительность которого определяется весьма малым входным током срабатывания светоизлучателя 4 оптопары 5.In emergency conditions, both asymmetric (i.e., a change in the insulation resistance of each phase is different) is possible, as well as a symmetric mode (a change in the resistance of all phases is the same). Unlike the known devices, the measuring circuit, consisting of elements 2, 4, 16, 8, 9, has a very high resistance (hundreds of ohms), and therefore its connection slightly affects the insulation resistance of the controlled network. Therefore, when any of the insulation resistances r _of 15, both symmetric and asymmetric, decreases, the device is triggered, the sensitivity of which is determined by the very small input current of the light emitter 4 of the optocoupler 5.

Для фиг. 2 работа устройства определяется следующими соотношениями (при несимметричном изменении изоляции 5): I₀ = U₀/r₀, где
U₀ = U_фgзм/(g_зм + g₀ + 3g_из) - напряжение нулевой последовательности, g_зм - проводимость цепи замыкания (фаза - "земля"), r₀ - сопротивление, а g₀ = 1/r₀, - проводимость фильтра напряжения нулевой последовательности (конденсаторов 20 и ограничительного резистора 9), U_ф - напряжение фазы (в данном случае между фазой и "землей"), g_из - проводимость цепи изоляции (элементы 15), g_из = 1/r_из. На фиг. 1, 2 позиционный номер 15 указан пунктиром. Таким образом, I₀ = U₀g₀.For FIG. 2, the operation of the device is determined by the following relations (with an asymmetric change in insulation 5): I ₀ = U ₀ / r ₀ , where
U ₀ = U _fgmzm / (g _zm + g ₀ + 3g _out ) is the zero-sequence voltage, g _zm is the conductivity of the circuit (phase - ground), r ₀ is the resistance, and g ₀ = 1 / r ₀ , - the conductivity of the zero-sequence voltage filter (capacitors 20 and the limiting resistor 9), U _f is the phase voltage (in this case, between phase and ground), g _of is the conductivity of the insulation circuit (elements 15), g _of = 1 / r _of . In FIG. 1, 2 position number 15 is indicated by a dotted line. Thus, I ₀ = U ₀ g ₀ .

Для фиг. 2 при симметричном снижении изоляции U₀ = 0, т.е. работа полностью эквивалентна устройству, схема которого описана по фиг. 1. При несимметричном изменении изоляции 15 появляется U₀, зависимость для которого показана выше. В этом случае ток через ограничительный резистор 9 протекает по двум цепям: с одной стороны по нему протекает оперативный ток (см. цепь для фиг. 2), с другой - появляется I₀ = U₀g₉, где g₉ - проводимость ограничительного резистора 9. Т.е. результирующий ток через светоизлучатель увеличивается, что увеличивает чувствительность данного варианта построения устройства контроля и защиты. Таким образом, фильтр напряжения нулевой последовательности из конденсаторов 20 и ограничительного резистора 9 повышает чувствительность, т. к. появляется дополнительная переменная оставляющая тока. Конденсатор 16 улучшает помехоустойчивость устройства.For FIG. 2 with a symmetric decrease in insulation U ₀ = 0, i.e. operation is completely equivalent to the device, the circuit of which is described in FIG. 1. With an asymmetric change in insulation 15, U ₀ appears, the dependence for which is shown above. In this case, the current through the limiting resistor 9 flows through two circuits: on the one hand, the operating current flows along it (see the circuit for Fig. 2), on the other, I ₀ = U ₀ g ₉ , where g ₉ is the conductivity of the limiting resistor 9. I.e. the resulting current through the light emitter increases, which increases the sensitivity of this option for the construction of control and protection devices. Thus, the voltage filter of the zero sequence of the capacitors 20 and the limiting resistor 9 increases the sensitivity, because there is an additional variable leaving the current. Capacitor 16 improves the noise immunity of the device.

В зависимости от напряжения сети в качестве оптопары могут быть использованы как тиристорные (например, 3ОУ103Г), так транзисторные (например, АОТ110А). В последнем случае для работы в широком диапазоне температур возможно управление не только световым потоком, но и электрическими средствами (второй ограничительный резистор 18 и базовый резистор 19). Depending on the network voltage, both thyristor (for example, 3ОУ103Г) and transistor (for example, AOT110A) can be used as optocouplers. In the latter case, to operate in a wide temperature range, it is possible to control not only the light flux, but also electric means (second limiting resistor 18 and base resistor 19).

Авторами испытан макет предлагаемого устройства при напряжении сети 220 В с r₀ (ограничительный резистор 9) до 180 кОм, сопротивление изоляции имитировалось в пределах 100-150 кОм, в качестве диодов 2, 17 использованы КД226В, оптопары - АОТ110А, стабилитрона - 12 КС527А1, исполнительного элемента реле - РЭС-10, конденсаторов 20-К73-17-630В-0,1 мкФ, конденсатора 14-К50-38-100В-22 мкФ.The authors tested the model of the proposed device at a network voltage of 220 V with r ₀ (limiting resistor 9) up to 180 kOhm, the insulation resistance was simulated in the range of 100-150 kOhm, KD226V were used as diodes 2, 17, AOT110A optocouplers, 12 KS527A1, zener diode, 12 relay actuator - RES-10, capacitors 20-K73-17-630V-0.1 μF, capacitor 14-K50-38-100V-22 μF.

Таким образом, предложенное устройство обладает большей чувствительностью по сравнению с прототипом, контролирует значительно больший (в прототипе до 10,5 кОм) диапазон изменения сопротивления изоляции и надежно защищает как генератор сети, так и человека при несимметричном и симметричном уменьшении сопротивлении изоляции. Thus, the proposed device has greater sensitivity compared to the prototype, controls a significantly wider (in the prototype up to 10.5 kOhm) range of variation of the insulation resistance and reliably protects both the mains generator and the person with asymmetric and symmetrical reduction in insulation resistance.

Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения. The above data and information confirm the feasibility of the invention.

Источники информации
1. Патент РФ 2115986 кл. H 02 H 3/20, 7/08. Опубл. 1998 г. Бюллетень N 20.Sources of information
1. RF patent 2115986 class. H 02 H 3/20, 7/08. Publ. 1998 Bulletin No. 20.

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. Найфельд М.Р. Защитные заземления в электротехнических установках. - М. - Л.: ГЭИ, 1959, рис. 62, с. 194. 3. Nayfeld M.R. Protective grounding in electrical installations. - M. - L .: SEI, 1959, fig. 62, p. 194.

4. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. - М: Энергия, 1979, рис. 7 - 14, с. 274. 4. Dolin P.A. Fundamentals of safety in electrical installations. - M: Energy, 1979, Fig. 7-14, p. 274.

Claims

1. Устройство контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнической установки, содержащее генератор сети с подключенной измерительной цепью, источник напряжения постоянного тока и исполнительный элемент, отличающееся тем, что в каждой из фаз сети подключены анодами диоды, катоды которых соединены в общую точку, диоды образуют трехфазный выпрямитель, источник напряжения постоянного тока выполнен в виде параметрического стабилизатора, подключенного одним выходом к любой из фаз сети, другим - к точке соединения катодов упомянутых диодов, измерительная цепь выполнена в виде последовательного соединения светоизлучателя оптопары, шунтированного помехоподавляющим конденсатором, регулировочного и ограничительного резисторов, причем один вывод упомянутого светоизлучателя оптопары подключен к общей точке упомянутых диодов, второй вывод ограничительного резистора подключен к корпусу, фотоприемник упомянутой оптопары подключен последовательно с исполнительным элементом к выходу параметрического стабилизатора, а контакт исполнительного элемента, коммутирующий цепь отключения генератора сети и/или индикации неисправности, подключен к сетевому напряжению. 1. A device for monitoring the insulation resistance and protection of an electrical installation, comprising a network generator with a connected measuring circuit, a DC voltage source and an actuator, characterized in that in each phase of the network diodes are connected by anodes, the cathodes of which are connected to a common point, the diodes form a three-phase a rectifier, a DC voltage source is made in the form of a parametric stabilizer connected by one output to any of the phases of the network, the other to the junction point of the cathodes mentioned above iodine, the measuring circuit is made in the form of a serial connection of an optocoupler light emitter, shunted by an interference suppression capacitor, regulating and limiting resistors, moreover, one terminal of the said optocoupler light emitter is connected to the common point of the said diodes, the second terminal of the limiting resistor is connected to the housing, the photodetector of the said optocoupler is connected in series with the actuating element to the output of the parametric stabilizer, and the contact of the actuating element switching comm nb network outages of the generator and / or a fault indication, connected to the mains voltage.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к каждой из фаз сети подключены одним выводом конденсаторы, вторые выводы которых соединены между собой и подключены к точке соединения регулировочного и ограничительного резисторов. 2. The device according to claim 1, characterized in that capacitors are connected to each phase of the network by one terminal, the second terminals of which are connected to each other and connected to the connection point of the regulation and limiting resistors.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в источник напряжения постоянного тока включен двухполупериодный выпрямитель, выход которого подключен ко входу параметрического стабилизатора. 3. The device according to claim 1 or 2, characterized in that a half-wave rectifier is included in the DC voltage source, the output of which is connected to the input of the parametric stabilizer.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что фотоприемник оптопары выполнен в виде фототиристора или фототранзистора. 4. The device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the photodetector of the optocoupler is made in the form of a photo thyristor or phototransistor.