RU2214664C2 - Composite protective disconnection device - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering; domestic and industrial installations. SUBSTANCE: device has leakage current sensor, peak rectifier-amplifier, inertial RC circuit with time-setting resistor and capacitor, threshold element with final element, and supply voltage regulator built around voltage regulator diode; newly introduced in device are comparator, OR gate, second time-setting resistor, adjustable divider and resistor, as well as power supply. EFFECT: enlarged protective functions, reduced auxiliary power requirement, enhanced impact of supply voltage on leakage current operating threshold. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам защиты людей от поражения электрическим током при снижении сопротивления изоляции электроприемников и появлении тока утечки в землю. За счет введения в устройство дополнительных элементов оно приобретает способность отключать защищаемые электроприемники при превышении напряжения сети свыше допустимых по ГОСТу 220+10%=242В. Благодаря этому обеспечивается сохранность дорогостоящей бытовой техники (телевизоры, видеомагнитофоны и т.д. ). The invention relates to electrical engineering, in particular to automatic devices for protecting people from electric shock while reducing the insulation resistance of power receivers and the appearance of leakage current to the ground. Due to the introduction of additional elements into the device, it acquires the ability to disconnect the protected power consumers when the mains voltage exceeds the permissible voltage according to GOST 220 + 10% = 242V. This ensures the safety of expensive household appliances (televisions, VCRs, etc.).

Известны устройства защитного отключения (далее - УЗО), например, АСТ-РОУ*ЗО, У3020 и ряд других типов [1]. Такие УЗО осуществляют защиту только от токов утечки в землю, защиту от повышенного сверх допустимого напряжения сети они не осуществляют. Известны аналоги данному предложению [2], позволяющие дополнить защитные функции УЗО и придать им способность осуществлять защиту от повышенных напряжений сети. Known protective shutdown devices (hereinafter - UZO), for example, AST-ROU * ZO, U3020 and a number of other types [1]. Such RCDs provide protection only against leakage currents to the ground, they do not carry out protection against increased over-permissible mains voltage. Analogs to this proposal are known [2], which make it possible to supplement the protective functions of RCDs and give them the ability to protect against increased network voltages.

Недостатками аналога по [2] являются: влияние напряжения сети на порог срабатывания (уставку) по току утечки сравнительно большая потребляемая мощность делителем напряжения, что диктуется условием надежной работы. Эти недостатки побудили к разработке данного предложения. The disadvantages of the analogue according to [2] are: the influence of the mains voltage on the operation threshold (set point) for the leakage current, the relatively large power consumption of the voltage divider, which is dictated by the condition for reliable operation. These shortcomings prompted the development of this proposal.

Все известные УЗО подразделяются на электромеханические и электронные. В отличие от электромеханических УЗО, у электронных УЗО сигнал с датчика тока утечки усиливается полупроводниковым усилителем. Для функционирования полупроводникового усилителя необходимыми элементами схемы являются источник питания со стабилизированным напряжением. Учитывая изложенное, выбираем в качестве прототипа УЗО по [3]. All known RCDs are divided into electromechanical and electronic. Unlike electromechanical RCDs, in electronic RCDs, the signal from the leakage current sensor is amplified by a semiconductor amplifier. For the operation of a semiconductor amplifier, the necessary elements of the circuit are a stabilized voltage power source. Given the foregoing, choose as a prototype UZO according to [3].

Недостатком прототипа является отсутствие способности устройства фиксировать повышенное напряжение сети и производить отключение от сети защищаемых электроприемников, если напряжение превышает допустимые значения. The disadvantage of the prototype is the lack of the ability of the device to fix the increased voltage of the network and disconnect from the network of protected power consumers if the voltage exceeds the permissible values.

Целью изобретения является расширение защитных функций УЗО, а именно придание ему дополнительных функций защиты от повышенного напряжения сети с повышенной точностью и стабильностью, малым дополнительным потреблением мощности, устранением влияния напряжения сети на порог срабатывания (уставку) по току утечки, а также созданием задержки срабатывания при кратковременных малоопасных бросках напряжения сети. The aim of the invention is to expand the protective functions of the RCD, namely, giving it additional protection functions against increased mains voltage with increased accuracy and stability, low additional power consumption, eliminating the influence of the mains voltage on the operation threshold (set point) for leakage current, and also creating a delay in operation short-time low-voltage surges.

Указанная цель достигается тем, что дополнительно введены компаратор, элемент логического ИЛИ, второй времязадающий резистор, регулируемый делитель и резистор, при этом резистор одним выводом присоединен к аноду стабилитрона и не инвертирующему входу компаратора, другой вывод этого резистора присоединен к минусу источника питания и одному выводу регулируемого делителя, второй вывод регулируемого делителя присоединен к катоду стабилитрона, средний вывод делителя присоединен к инвертирующему входу компаратора; выходы пикового выпрямителя-усилителя и компаратора через первый и второй времязадающие резисторы соединены с входами элемента логического ИЛИ, а его выход присоединен к времязадающему конденсатору. This goal is achieved by the fact that an additional comparator, a logical OR element, a second timing resistor, an adjustable divider and a resistor are introduced, while the resistor is connected to the anode of the zener diode and not to the inverting input of the comparator with one output, the other output of this resistor is connected to the minus of the power source and one output adjustable divider, the second output of the adjustable divider is connected to the cathode of the zener diode, the middle output of the divider is connected to the inverting input of the comparator; the outputs of the peak rectifier-amplifier and comparator through the first and second time-setting resistors are connected to the inputs of the logical OR element, and its output is connected to the time-setting capacitor.

На чертеже приведена схема заявляемого устройства, которое как и прототип содержит датчик тока утечки 1, пиковый выпрямитель-усилитель 2, инерционную RC- цепь 3 с первым времязадающим резистором R1 и времязадающим конденсатором С, пороговый элемент 4 с исполнительным органом (реле) 5, источник питания 6, стабилитрон 7 и дополнительно введенные в схему: компаратор 8, элемент логического ИЛИ 9, второй времязадающий резистор 10, регулируемый делитель 11 и резистор 12. The drawing shows a diagram of the inventive device, which, like the prototype, contains a leakage current sensor 1, a peak rectifier-amplifier 2, an inertial RC circuit 3 with a first timing resistor R1 and a timing capacitor C, a threshold element 4 with an actuator (relay) 5, source power supply 6, a zener diode 7 and additionally introduced into the circuit: a comparator 8, a logical OR element 9, a second timing resistor 10, an adjustable divider 11 and a resistor 12.

Рассмотрим работу заявляемого устройства. Работа устройства по сигналу от датчика тока утечки ничем не отличается от работы прототипа. Отличие в том, что устройство должно иметь дополнительный канал для измерения величины напряжения сети и формирования отключающего сигнала. В электронных УЗО питание полупроводниковых приборов осуществляется от бестрансформаторного источника питания, поэтому гальванического разделения любой точки схемы от сети нет. Это накладывает требование, согласно которому все потенциалы схемы должны измеряться относительно общей нулевой шины. В заявляемом устройстве такой шиной является минус источника питания. Поэтому сигнал о величине напряжения сети необходимо брать после источника питания. Известно, что при работе параметрического стабилизатора напряжения ток через стабилитрон 7 приблизительно пропорционален напряжению сети, т.е. имеет место равенства I₇= k•U_сети. Соответственно падение напряжения на резисторе 12 также пропорционально напряжению сети U₁₂= R₁₂•I₇=k•R₁₂U_сети. Если величина сопротивления резистора 12 одного порядка с величиной дифференциального сопротивления стабилитрона 7, то качество стабилизации почти не снижается и к делителю напряжения 11 подводится стабилизированное напряжение, практически независящее от напряжения сети. Таким образом, с делителя 11 на инвертирующий вход компаратора 8 подается стабильное регулируемое опорное напряжение U₁₁, а на неинвертирующий вход с резистора 12 напряжение U₁₂= k•U_сети. Регулировкой опорного напряжения U₁₁ можно настроить компаратор 8 так, что на его выходе будет появляться напряжение при достижении сетевым напряжением значения 242В и более. Выходное напряжение компаратора 8 через второй времязадающий резистор 10 заряжает конденсатор С до напряжения, при котором срабатывает элемент 4 и исполнительный орган 5. Это приводит к отключению контактов автоматического выключателя, чем и обеспечивает защиту от повышенного напряжения.Consider the operation of the claimed device. The operation of the device according to the signal from the leakage current sensor is no different from the work of the prototype. The difference is that the device must have an additional channel for measuring the voltage of the network and the formation of a tripping signal. In electronic RCDs, semiconductor devices are powered from a transformerless power source, so there is no galvanic separation of any point in the circuit from the network. This imposes a requirement that all potentials of a circuit must be measured with respect to a common zero bus. In the inventive device, such a bus is a minus the power source. Therefore, the signal about the voltage of the network must be taken after the power source. It is known that during the operation of the parametric voltage stabilizer, the current through the zener diode 7 is approximately proportional to the mains voltage, i.e. the equalities I ₇ = k • U of the _network hold. Accordingly, the voltage drop across the resistor 12 is also proportional to the network voltage U ₁₂ = R ₁₂ • I ₇ = k • R ₁₂ U _network . If the resistance value of the resistor 12 is of the same order as the differential resistance of the Zener diode 7, then the stabilization quality is almost not reduced and a stabilized voltage is supplied to the voltage divider 11, which is practically independent of the mains voltage. Thus, from the divider 11, a stable adjustable reference voltage U ₁₁ is supplied to the inverting input of the comparator 8, and the voltage U ₁₂ = k • U of the _network is supplied to the non-inverting input from the resistor 12. By adjusting the reference voltage U _11, it is possible to configure the comparator 8 so that a voltage will appear on its output when the mains voltage reaches 242 V or more. The output voltage of the comparator 8 through the second timing resistor 10 charges the capacitor C to a voltage at which the element 4 and the actuator 5 are triggered. This leads to the disconnection of the contacts of the circuit breaker, which provides protection against high voltage.

Использование компаратора для выявления значения напряжения сети, при котором составляющая U₁₂ начинает превышать величину опорного напряжения U₁₁, обеспечивает устройству высокую точность и стабильность. В отличие от аналога по [2] взаимное влияние тока утечки и напряжения сети в заявляемом устройстве исключено, т. к. эти сигналы обрабатываются разными каналами и выводятся на исполнительный орган (реле) через элемент логического ИЛИ. Малые входные токи компаратора позволяют использовать в делителе 11 высокоомные сопротивления, что обеспечивает малое потребление заявляемого устройства. Добавление второго времязадающего резистора 10 обеспечивает независимую от R1 задержку срабатывания при кратковременных бросках напряжения сети.Using a comparator to detect the value of the mains voltage, at which the component U ₁₂ begins to exceed the value of the reference voltage U ₁₁ , provides the device with high accuracy and stability. Unlike the analogue in [2], the mutual influence of the leakage current and the mains voltage in the inventive device is excluded, since these signals are processed by different channels and output to the actuator (relay) through a logical OR element. The small input currents of the comparator allow the use of high resistance impedances in the divider 11, which ensures low consumption of the inventive device. The addition of a second timing resistor 10 provides a response delay independent of R1 during short-term power surges.

Технико-экономическая эффективность заявляемого устройства выражается в защите дорогостоящих электроприборов (телевизоры, видеомагнитофоны, холодильники и т.д.) от работы при повышенном напряжении сети, что исключает возгорание электроприборов и возникновение пожаров, пробою изоляции, поражению людей электрическим током. The technical and economic efficiency of the claimed device is expressed in the protection of expensive electrical appliances (televisions, video recorders, refrigerators, etc.) from operation at high network voltage, which eliminates the fire of electrical appliances and the occurrence of fires, breakdown of insulation, electric shock to people.

Лабораторными испытаниями подтверждена работоспособность данного предложения. Laboratory tests confirmed the availability of this proposal.

Источники информации
1. Монаков В.К. Современные тенденции обеспечения электробезопасности в промышленных и бытовых электроустановках на основе применения устройств защитного отключения. Журнал Промышленная Энергетика, 1996 г., 2.Sources of information
1. Monakov V.K. Current trends in ensuring electrical safety in industrial and domestic electrical installations based on the use of residual current circuit breakers. Journal of Industrial Energy, 1996, 2.

2. Слободкин А. Х., Серафимов Н.А. Устройство защитного отключения для электрической сети переменного тока. Заявка на изобретение 99122010/09 (023236) от 19.10.99 г. 2. Slobodkin A. Kh., Serafimov N.A. Residual current circuit breaker for AC mains. Application for invention 99122010/09 (023236) from 10.19.99

3. Устройство защитного отключения электрической сети переменного тока. Патент на изобретение 2124795 (заявка 97104627 от 25.03.97 г.). 3. The device of protective shutdown of an electric network of alternating current. Patent for invention 2124795 (application 97104627 dated 03.25.97).

Claims (1)

Устройство защитного отключения комбинированное, содержащее датчик тока утечки, пиковый выпрямитель-усилитель, инерционную RC-цепь с времязадающими резистором и конденсатором, пороговый элемент с исполнительным органом и стабилизатор напряжения питания на стабилитроне, соединенные так, что выход датчика тока утечки присоединен к входу пикового выпрямителя-усилителя, выход которого соединен с времязадающим резистором, а времязадающий конденсатор соединен с входом порогового элемента с исполнительным органом, отличающееся тем, что дополнительно введены компаратор, элемент логического ИЛИ, второй времязадающий резистор, регулирумый делитель и резистор, при этом резистор одним выводом присоединен к аноду стабилитрона и неинвертирующему входу компаратора, другой вывод резистора присоединен к минусу источника питания и одному выводу регулируемого делителя, другой вывод регулируемого делителя присоединен с катоду стабилитрона, средний вывод регулируемого делителя присоединен к инвертируемому входу компаратора, выходы пикового выпрямителя-усилителя и компаратора через первый и второй времязадающие резисторы присоединены к входам элемента логического ИЛИ, а его выход присоединен к времязадающему конденсатору. Combined protective device comprising a leakage current sensor, a peak rectifier-amplifier, an inertial RC circuit with a timing resistor and a capacitor, a threshold element with an actuator and a voltage stabilizer on a zener diode, connected so that the output of the leakage current sensor is connected to the input of the peak rectifier -amplifier, the output of which is connected to a time-setting resistor, and the time-setting capacitor is connected to the input of the threshold element with an actuator, characterized in that up to A comparator, a logical OR element, a second time-setting resistor, an adjustable divider and a resistor are additionally introduced, while the resistor is connected to the anode of the zener diode and the non-inverting input of the comparator with one terminal, the other terminal of the resistor is connected to the negative of the power source and one terminal of the adjustable divider, the other terminal of the adjustable divider is connected from the zener diode cathode, the average output of the adjustable divider is connected to the inverted input of the comparator, the outputs of the peak rectifier-amplifier and comparator h Res first and second time-setting resistors are coupled to the inputs of OR logic element, and its output coupled to the timing capacitor.