RU2189603C2 - Device testing insulation resistance and protecting electrotechnical installation with suppression of field of electric energy generator - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: device has network generator with connected measurement circuit, measurement circuit rectifier, D C voltage source and actuator. One lead of measurement circuit is connected to phases of network, the other lead is connected to frame. Voltage source comes in the form of parametric stabilizer connected to network voltage, diodes of assembly forming three-phase rectifier are connected to phases of network, elements of measurement circuit (light emitter of optron shunted by noise-suppressing capacitor, adjusting and limiting resistor) are connected in series to common point of said diode assembly. Second lead of resistor is connected to frame. Photodetector of said optron is connected in series with actuator and to output of parametric stabilizer. Device is supplemented with commutation unit connected to phases of network, closing contact of actuator is placed in series with commutation unit, breaking and blocking contact of commutation unit is placed in parallel with resistor connected in series with key excitation winding of generator. Other leads of resistor and winding are connected to excitation voltage. full-wave rectifier which output is connected to input of parametric stabilizer is incorporated in auxiliary power supply source. Photodetector can come both in the form of phototransistor or photothyristor. EFFECT: simplified design, improved functional reliability and sensitivity of device. 2 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.

Кроме того, все вышеперечисленные устройства отключают напряжение на нагрузке. При этом источник электроэнергии - генератор - остается под напряжением, что может привести к поражению электрическим током человека в случае касания токоведущих частей генератора. In addition, all of the above devices turn off the voltage at the load. In this case, the source of electricity - the generator - remains energized, which can lead to electric shock to a person in case of touching the live parts of the generator.

Целью изобретения является упрощение устройства, расширение функциональных возможностей, повышение его надежности. The aim of the invention is to simplify the device, expand the functionality, increase its reliability.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем генератор сети с подключенной измерительной цепью, выпрямитель измерительной цепи, источник напряжения постоянного тока и исполнительный элемент, один вывод измерительной цепи подключен к фазам сети, другой - к корпусу, что к фазам сети подключены анодами диоды, катоды которых соединены между собой, образующие выпрямитель измерительной цепи, источник напряжения постоянного тока выполнен в виде параметрического стабилизатора, подключенного одним выводом 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 соединения катодов упомянутых диодов, второй вывод ограничительного резистора подключен к корпусу, фотоприемник упомянутой оптопары подключен последовательно с исполнительным элементом к выходу параметрического стабилизатора, устройство отличается тем, что введено устройство коммутации, подключенное к фазам сети, последовательно с которым включен замыкающий контакт исполнительного элемента, размыкающий и блокирующий контакт устройства коммутации включен параллельно резистору, включенному последовательно с основной обмоткой возбуждения генератора, причем другие выводы упомянутого резистора и обмотки подключены к напряжению возбуждения. This goal is achieved by the fact that in a device containing a network generator with a connected measuring circuit, a rectifier of the measuring circuit, a DC voltage source and an actuating element, one output of the measuring circuit is connected to the phases of the network, the other to the case, which diodes are connected to the phases of the network by anodes the cathodes of which are interconnected, forming a rectifier of the measuring circuit, 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, etc. ogim - to the junction point of the cathodes of the said diodes, the measuring circuit is made in the form of a serial connection of the light emitter of the optocoupler shunted by an interference suppression capacitor, regulating and limiting resistors, and one terminal of the said light emitter of the optocoupler is connected to a common junction of the cathodes of the said diodes, the second terminal of the limiting resistor is connected to the housing, the photodetector of said optocoupler is connected in series with the actuating element to the output of the parametric bilizer, the device is characterized in that a switching device is introduced, connected to the phases of the network, in series with which the closing contact of the actuating element is connected, the opening and locking contact of the switching device is connected in parallel with the resistor, connected in series with the main excitation winding of the generator, the other terminals of the mentioned resistor and winding connected to the excitation voltage.

Кроме того, устройство отличается тем, что в источник напряжения постоянного тока включен двухполупериодный выпрямитель, выход которого подключен ко входу параметрического стабилизатора, и тем, что фотоприемник оптопары может быть выполнен в виде фототиристора или фототранзистора. In addition, the device is 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, and in that the photodetector of the optocoupler can be made in the form of a photo thyristor or phototransistor.

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

Устройство (фиг.1) содержит генератор сети 1 (может быть расположен вне устройства), выпрямитель 2 измерительной цепи (два диода, аноды которых подключены к фазам сети, катоды объединены в общую точку), источник напряжения постоянного тока 3, подключенными одним выводом к любой из фаз сети, другим - к общей точке соединения выпрямителя 2 измерительной цепи, 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 другим выводом к корпусу ("земле") 10. Замыкающий контакт исполнительного элемента 7', подключенный, например, к одной или нескольким фазам сети, выполняет функцию управления. The device (Fig. 1) contains a network generator 1 (can be located outside the device), a rectifier 2 of the measuring circuit (two diodes, the anodes of which are connected to the phases of the network, the cathodes are combined into a common point), 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 of the measuring circuit 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, the sequence 4 but with the light emitter includes an adjusting resistor 8 and the current limiting resistor 9 is connected to the other terminal of the housing ( "ground") 10. The closing contact actuating member 7 'is connected, e.g., to one or more network phases, performs a control function.

Устройство коммутации 11 содержит размыкающий и блокирующий контакт 11', возвращающий электротехническую установку в исходное состояние и подготавливающий ее к следующему ручному или дистанционному включению после устранения неисправности (например, УЗО; на фиг. не показано). The switching device 11 contains an opening and blocking contact 11 ', which returns the electrical installation to its original state and prepares it for the next manual or remote switching on after troubleshooting (for example, an RCD; not shown in Fig.).

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.

Размыкающий и блокирующий контакт 11' подключен к резистору 17, включенному последовательно с основной обмоткой возбуждения генератора 18, подключенной к напряжению V_возб - напряжению возбуждения основной обмотки.The opening and blocking contact 11 'is connected to a resistor 17 connected in series with the main excitation winding of the generator 18 connected to the voltage V _exc - the excitation voltage of the main winding.

Цепь, содержащая последовательно включенный замыкающий контакт 7' исполнительного элемента 7 и устройства коммутации 11, подключены к фазному или линейному напряжению сети. A circuit comprising a serially connected make contact 7 'of the actuating element 7 and the switching device 11 is connected to a phase or line voltage of the network.

Источник напряжения постоянного тока 3 может быть подключен (фиг.2) непосредственно к фазам сети через выпрямитель, выполненный, например, по схеме Греца. The DC voltage source 3 can be connected (Fig. 2) directly to the phases of the network through a rectifier, made, for example, according to the Grets scheme.

На фиг.1 - фототиристор 5, его светоизлучатель 4, фотоприемник 6. Figure 1 - photothyristor 5, its light emitter 4, the photodetector 6.

На фиг. 2 - фототранзистор 5, его светоизлучатель 4, фотоприемник 6, двухполупериодный выпрямитель для источника напряжения постоянного тока 19. 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 20 подключен ко второму выходу параметрического стабилизатора, к которому через базовый резистор 21 подключена база упомянутого фототранзистора 5. В измерительную цепь входят последовательно соединенные светоизлучатель 4 оптопары 5, шунтированный помехоподавляющим конденсатором 16, регулировочный резистор 8 и ограничительный резистор 9. In FIG. 2 - a phototransistor 5, its light emitter 4, a photodetector 6, a half-wave rectifier for a DC voltage source 19. In this case, one of the terminals of the phototransistor - a 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 20 to the second output of the parametric stabilizer, to which the base is connected through the base resistor 21 th phototransistor 5. The measuring circuit includes series-connected light emitter 4 optocouplers 5, shunted by a noise suppressing capacitor 16, an adjustment resistor 8 and a limiting 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_о, 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 "А") протекает по цепи: "А" - диод 2 фазы "А" - светоизлучатель 4 - регулировочный резистор 8 - ограничительный резистор 9 - r_из (элемент 15) фаз "В" и "С", 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 _о 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 on, on and (if necessary ) indication of normal operation. Operational current (for example, for phase "A") flows along the circuit: "A" - diode 2 of phase "A" - light emitter 4 - regulation resistor 8 - limiting resistor 9 - r _from (element 15) phases "B" and "C ", r _of - insulation resistance of the phase of the network in relation to the housing (" 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 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 modes, both asymmetric (i.e., a change in the insulation resistance of each phase is different) and a symmetric mode (change in the resistance of all phases are the same) are possible. Unlike the known devices, the measuring circuit, consisting of elements 4, 16, 8, 9, has a very large resistance (hundreds of ohms), and therefore its connection does not significantly affect the insulation resistance of the controlled network. Therefore, when any of the insulation resistances r _of 15 is reduced, both symmetric and asymmetric, 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.

Контроль изоляции в любой точке трехфазной сети с изолированной нейтралью осуществляет цепь из элементов 5, 8, 9, 16, 7. При снижении уровня изоляции или касания человеком токоведущей части любой фазы исполнительный элемент 7 замыкает свой контакт 7', включая устройство коммутации 11. Оно своим контактом 11' вводит в цепь основной обмотки возбуждения 18 генератора значительное сопротивление 17. Происходит быстрое гашение магнитного поля генератора, и, следовательно, уменьшается его ЭДС. Таким образом быстро (L/R весьма мало) обесточивается вся установка, и электробезопасность человека обеспечивается независимо от того, в каком месте цепи произошло касание фазы (токоведущей части). The insulation control at any point of a three-phase network with an isolated neutral is carried out by a circuit of elements 5, 8, 9, 16, 7. When the insulation level decreases or a person touches the current-carrying part of any phase, the actuating element 7 closes its contact 7 ', including switching device 11. It With its contact 11 ', a significant resistance 17 is introduced into the circuit of the main excitation winding 18 of the generator 17. The magnetic field of the generator is rapidly damped, and therefore its EMF decreases. Thus, the entire installation is quickly deenergized (L / R is very small), and the electrical safety of a person is ensured regardless of where in the circuit the phase (current-carrying part) touched.

Контакт 11' является размыкающим и блокировочным, т.е. он обеспечивает нормальную работу генератора (резистор 17 в процессе работы зашунтирован контактом 11') и в аварийном режиме вводится последовательно с обмоткой 18 резистор 17 и при отключении блокируется, т.е. контакт 11' снова замыкается для следующего включения. Электротехническая установка возвращается в исходное состояние (резистор 17 закорочен контактом 11'). Повторное включение осуществляется вручную или дистанционно. Если неисправность не устранена, процесс повторяется. Contact 11 'is opening and blocking, i.e. it ensures the normal operation of the generator (the resistor 17 is shunted by the contact 11 'during operation) and, in emergency mode, the resistor 17 is inserted in series with the winding 18 and is blocked when disconnected, i.e. contact 11 'closes again for the next connection. The electrical installation is returned to its original state (resistor 17 is shorted by contact 11 '). Re-enable is carried out manually or remotely. If the problem persists, the process repeats.

В зависимости от напряжения сети в качестве оптопары могут быть использованы как тиристорные (например, ЗОУ103Г), так и 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, ZOU103G) 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 r_o (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, конденсатора 14-К50-38-100В-22 мкФ. В качестве устройства защитного отключения (узел 11) использовалось УЗО-М 304-2, могут использоваться и другие УЗО подобного типа.The authors tested the model of the proposed device at a network voltage of 220 V with r _o (limiting resistor 9) up to 180 kOhm, the insulation resistance was simulated within 100-150 kOhm, KD226V were used as diodes 2, 17, AOT110A optocouplers, 12 KS527A1 zener diodes, 12 relay actuator - RES-10, capacitor 14-K50-38-100V-22 uF. As a residual current device (node 11), UZO-M 304-2 was used, other UZOs of a similar type can be used.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает не просто отключение нагрузки, но и снижение напряжения самого генератора, что увеличивает электробезопасность при касании к токоведущим частям любой точки цепи, включая генератор. Thus, the proposed device provides not only a load shedding, but also a decrease in the voltage of the generator itself, which increases electrical safety when touching live parts of any point in the circuit, including the generator.

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. Н 02 Н 3/20, 7/08, опубл. 1998, БИ 20.Sources of information
1. RF patent 2115986, cl. H 02 H 3/20, 7/08, publ. 1998, BI 20.

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

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

Claims (3)

1. Устройство контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнической установки с гашением поля генератора электроэнергии, содержащее генератор сети с подключенной измерительной цепью, выпрямитель измерительной цепи, источник напряжения постоянного тока и исполнительный элемент, один вывод измерительной цепи подключен к фазам сети, другой - к корпусу, к фазам сети подключены анодами диоды, катоды которых соединены между собой, образующие выпрямитель измерительной цепи, источник напряжения постоянного тока выполнен в виде параметрического стабилизатора, подключенного одним выводом 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 другой вывод 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, отличающееся тем, что введено устройство коммутации, подключенное к фазам сети, последовательно с которым включен замыкающий контакт исполнительного элемента, размыкающий и блокирующий контакт устройства коммутации включен параллельно резистору, включенному последовательно с основной обмоткой возбуждения генератора, причем другие выводы упомянутого резистора и обмотки подключены к напряжению возбуждения. 1. A device for monitoring insulation resistance and protecting an electrical installation with damping the field of an electric power generator, comprising a network generator with a connected measuring circuit, a rectifier for the measuring circuit, a DC voltage source and an actuating element, one terminal of the measuring circuit is connected to the phases of the network, and the other to the housing, diodes are connected to the network phases by anodes, the cathodes of which are interconnected, forming the rectifier of the measuring circuit, the DC voltage source is made in the form of a parameter of a stabilizer connected by one output to any phase of the network, and the other to the connection point of the cathodes of the said diodes, the measuring circuit is made in the form of a serial connection of the optocoupler light emitter, shunted by a noise suppressing capacitor, regulation and limiting resistors, and the other output of the optocoupler light emitter is connected to a common point connection of the cathodes of said diodes, the second terminal of the limiting resistor is connected to the housing, the photodetector of said optocoupler is connected is connected in series with the actuator to the output of the parametric stabilizer, characterized in that a switching device is introduced, connected to the phases of the network, in series with which the closing contact of the actuating element is connected, the opening and locking contact of the switching device is connected in parallel with the resistor connected in series with the main excitation winding of the generator, moreover, the other conclusions of the aforementioned resistor and windings are connected to the excitation voltage. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в источник напряжения постоянного тока включен двухполупериодный выпрямитель, выход которого подключен ко входу параметрического стабилизатора. 2. The device according to claim 1, 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. 3. Устройство по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что фотоприемник оптопары может быть выполнен в виде фототиристора или фототранзистора. 3. The device according to any one of paragraphs. 1 and 2, characterized in that the photodetector of the optocoupler can be made in the form of a photo thyristor or photo transistor.

Images