Устройство контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнической установки

 

Использование: в устройствах защиты электротехнических установок в однофазных и трехфазных сетях с изолированной нейтралью. Технический результат заключается в повышении чувствительности и стабильности работы устройства. Устройство содержит генератор сети, измерительную цепь, составленную из параметрического стабилизатора, второго трехфазного выпрямителя, образованного диодами, высокоомного резистивного моста, двух выпрямителей напряжения, двух фильтров и делителя напряжения, а также компаратора. К каждой из фаз сети подключены диоды второго и аноды первого трехфазных выпрямителей. 2 з. п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах защиты электротехнических установок в однофазных и трехфазных сетях с изолированной нейтралью.

В настоящее время широко известен принцип защиты таких установок путем использования оперативного постоянного тока для контроля сопротивления изоляции сети.

Известна схема контроля изоляции, основанная на этом принципе [М.Р. Найфельд. Защитные заземления в электротехнических установках. М.-Л., ГЭИ, 1959, с. 194, рис. 62], которая содержит трехфазный выпрямитель из трех диодов, катоды которых объединены в общую точку, а аноды через ограничительные резисторы подключены к фазам сети.

Общая точка катодов подключена к "земле" через последовательно соединенные прибор контроля изоляции, катушку реле и ограничительный резистор. Оперативный выпрямленный ток замыкается по этой цепи через сопротивление изоляции фаз по отношению к "земле" (корпусу) и поэтому его величина зависит от сопротивления изоляции. При превышении тока свыше величины установленного порога реле срабатывает и выдает контрольный сигнал или отключает сеть от напряжения генератора, или гасит поле генератора.

Известно устройство защиты электротехнических установок, также основанное на том же принципе [П.А. Долин. Основы техники безопасности в электроустановках. -М. : Энергия, 1979, с. 274, рис 7-14], содержащее генератор сети, датчик в виде трех индуктивных сопротивлений, подключенных одними выводами к фазам сети, другими - объединенными в общую точку, которая подключена одним выводом измерительная цепь, содержащая источник напряжения, другой вывод измерительной цепи подключен к корпусу ("земле").

Недостатком этого устройства является низкая чувствительность и значительные массогабаритные характеристики, обусловленные наличием трансформаторов-дросселей в трехфазных цепях, которые использованы в качестве индуктивных сопротивлений.

Наиболее близким по технической сущности является устройство контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнической установки [Патент РФ 2157039, кл. Н 02 Н 3/16, заяв. 11.11.1999, опубл. 27.09.2000, бюл. 27], содержащее генератор сети с подключенной измерительной цепью, источник постоянного напряжения и исполнительный элемент, трехфазный выпрямитель, образованный диодами, аноды которых подсоединены к каждой из фаз сети, а катоды соединены в общую точку, источник напряжения постоянного тока выполнен в виде параметрического стабилизатора, подключенного одним выходом к любой из фаз сети, другим - к точке соединения диодов. В этом устройстве измерительная цепь выполнена в виде последовательного соединения светоизлучателя оптопары, шунтированного помехоподавляющим конденсатором, регулировочного и ограничительного резисторов.

Такая схема позволила снизить массогабаритные характеристики, но в этом устройстве - низкое входное сопротивление цепей, постоянно подключенных к контролируемой сети в составе электроагрегата. Кроме того, работа этого устройства недостаточно надежна, так как такая схема не может обеспечить стабильность и точность порога срабатывания по величине контролируемого сопротивления изоляции при изменении температуры окружающей среды, напряжения питания среды, из-за того, что используются в устройстве элементы (оптрон, реле), работа которых осуществляется в режимах, непредусмотренных техническими условиями на них, таких, как номинальный рабочий ток светодиода оптрона и рабочее напряжение реле.

Так как в схеме отсутствуют пороговые элементы, сравнивающие величину протекающего тока (или напряжения от него) с задаваемой, которые должны определять величину порога срабатывания по сопротивлению изоляции сети, то используется режим медленно нарастающего тока светодиода при понижении сопротивления изоляции до тока в измерительной цепи, что приводит к плавному отпиранию фототранзистора оптопары и постепенному нарастанию напряжения на исполнительном элементе(реле) до порога срабатывания.

Задачей изобретения является повышение надежности работы устройства путем снижения зависимости работы его элементов от изменения параметров окружающей среды, а также повышение входного сопротивления и стабильности устанавливаемого порога срабатывания по сопротивлению изоляции.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнической установки, содержащем генератор сети с подключенной измерительной цепью, источник постоянного напряжения, выполненный в виде параметрического стабилизатора, трехфазный выпрямитель, образованный диодами, катоды которых соединены в общую точку, которая подключена к одному из выходов параметрического стабилизатора, измерительная цепь составлена из второго параметрического стабилизатора, второго трехфазного выпрямителя, образованного диодами, высокоомного резистивного моста, двух выпрямителей напряжения, двух фильтров и делителей напряжения, а также компаратора, при этом катоды диодов второго трехфазного выпрямителя подсоединены к каждой фазе сети через токоограничительные элементы параметрических стабилизаторов, второй из которых подключен одним выходом к анодам диодов второго трехфазного выпрямителей, а другим выходом - к второму выходу первого параметрического стабилизатора с образованием двухполярного источника постоянного напряжения со средней точкой, подключенной к одному из входов высокоомного резистивного моста, тогда как его другой вход соединен с катодами диодов первого трехфазного выпрямителя, аноды диодов которого подключены к каждой из фаз сети через токоограничительные элементы параметрических стабилизаторов, один из выходов резистивного моста подключен к входу одного из выпрямителей переменного напряжения и корпусу установки, а другой выход - к входу второго выпрямителя, а выходы обоих выпрямителей соединены с входами фильтров напряжения, выходы которых соединены через делитель напряжения с компаратором, выход которого с исполнительным элементом.

Для удобства использования в качестве исполнительного элемента использован электронный ключ в виде транзисторного или тиристорного элемента, или реле.

Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявляемое решение отличается тем, что вместо измерительной цепи, состоящей из последовательно соединенных светоизлучателей оптопары, регулировочного и ограничительного резисторов, используется измерительная цепь, содержащая двухполярный источник постоянного напряжения, образованный первым и вторым параметрическим стабилизаторами, два трехфазных выпрямителя, образованных диодами, высокоомный резистивный мост, выпрямители напряжения, фильтры, делители и компаратор, что позволяет судить о соответствии критерию изобретения "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная электрическая схема устройства контролера сопротивления изоляции, которое содержит генератор сети 1, фазы которого L₁, L₂, L₃, подключены через конденсаторы 2, 3, 4, выполняющие роль токоограничительных элементов параметрических стабилизаторов соответственно к анодам из диодов 5, 6, 7 первого трехфазного выпрямителя и катодам диодов 8, 9, 10 второго трехфазного выпрямителя, при этом катоды диодов первого трехфазного выпрямителя соединены в общую точку, которая подключена к одному из выходов первого параметрического стабилизатора 11-12, а общая точка, в которую объединены аноды диодов второго трехфазного выпрямителя, подключена к одному из выходов второго параметрического стабилизатора 13-14, другой выход этого стабилизатора соединен с другим выходом первого параметрического стабилизатора, образуя таким образом двухполярный источник постоянного напряжения со средней точкой, подключенной одним выходов к одному из входов высокоомного резистивного моста 16-17-18-19, другой вход которого соединен с общей точкой катодов первого трехфазного выпрямителя, один из выходов высокоомного резистивного моста подключен к входу выпрямителя переменного напряжения 21-23, и через резистор 15 к корпусу установки, а другой выход - к входу второго выпрямителя 20-22, выходы обоих выпрямителей соединены с входами фильтров 24-26 и 25-27, выходы которых подключены через делитель напряжения 28-29-30 с входом компаратора 31, выход которого соединен с исполнительным органом 32, соединенным через контакт 32' с исследуемой изоляцией 33.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме работы при наличии сопротивления изоляции 34 в пределах установленных норм, переменные напряжения на выходах высокоомного резистивного моста 16, 17, 18, 19 равны, т.е. напряжение в его диагонали равно нулю, так как отсутствует его разбаланс и нет тока утечки, протекающего через резистор 15 и сопротивление изоляции сети 34, и, следовательно, постоянные напряжения на выходах выпрямителей 20-22 и 21-23, подключенных входами к выходам высокоомного резистивного моста, также равны.

Также будут равны между собой постоянные напряжения на выходах фильтров напряжения 24-26 и 25-27, что позволяет обеспечить подачу равных постоянных напряжений с делителя напряжения 28, 29, 30 на оба входа компаратора напряжения 31, что обеспечивает его состояние по выходу - "отключен" и отсутствие тока через исполнительный элемент 32. Вследствие этого контакт 32' работает в разомкнутом состоянии, а генератор сети 1 работает в номинальном режиме эксплуатации.

В аварийных ситуациях возможен как несимметричный (т.е. изменения сопротивления изоляции 33, каждой из фаз L₁, L₂, L₃ разным является неодинаковым), так и симметричный режим (т.е. изменение сопротивления изоляции каждой из фаз одинаково.

При уменьшении любого из сопротивлений изоляции 33 как симметричных, так и несимметричных, возникает ток утечки через резистор 15 и сопротивление изоляции 33, что приводит к разбалансу высокоомного резистивного моста, то есть к увеличению переменного напряжения на выходе с резисторов 16 и 18, что приводит к увеличению постоянных напряжений на выходе выпрямителя напряжения 21, 23 и выходе фильтра напряжения фильтра напряжения 25-27 и, следовательно, нарушается равенство напряжений на входах компаратора 31 и с делителя напряжения 28, 29, 30.

При этом компаратор 31 "включается" по выходу, через исполнительный элемент 32 идет ток, замыкается его контакт 32' и генератор сети 1 отключает подачу напряжения по фазам ₁, L₂, L₃.

Использование высокоомного резистивного моста 16, 17, 18, 19 и резистора 15 обеспечивает высокое входное сопротивление устройства контроля изоляции (5-10 мОм), т.к. оперативный ток, протекающий при аварийном режиме по цепи сопротивления изоляции 33, резистор 15, резисторы резистивного моста 16, 17, 18, 19 чрезвычайно мал (не более 50 микроампер).

Был испытан макет предлагаемого устройства при напряжении сети 220, 380 Вт + 10%, сопротивление изоляции 33 имитировалось в пределах 20-100 кОм, в диапазоне температур от -40^oС до +80^oС.

Выбор элементной базы был обусловлен необходимостью функционирования устройства в широком диапазоне температур (от -40^oС до 80^oС).

В этом устройстве были использованы: в качестве конденсаторов 2, 3, 4 - конденсаторы К73-17-630В - 0,33 мкФ, диодов 5, 6, 7, 8, 9, 10 - КД243Д, в параметрических стабилизаторах - стабилитронов 12, 14 - КС515Г, и конденсаторов 11-12 - К50-35-50В¹ - 220 мкФ, а конденсаторов 22, 23, 26, 27 - К10-17-1Б-1190-0,33 мкФ, компаратора напряжения 31 - микросхема К554САЗА, исполнительного элемента 32 - реле РЭС-49, резисторов 15, 16, 17, 18, 19, 24, 25, 29, 30 - С2-29В - 0,125 переменного резистора 28 - СП5-2ВБ-0,5 Вт.

Были проведены сравнительные испытания заявляемого устройства и устройства по патенту 2157039, которые приведены в таблице.

Результаты испытания макета заявляемого устройства показали, что оно обладает более высокой чувствительностью, достаточной стабильностью задаваемого порога срабатывания по сопротивлении изоляции при изменении напряжения сети и температуры окружающего воздуха, что надежно защищает как генератор сети, так и персонал при несимметричном и симметричном изменении сопротивления изоляции.

Формула изобретения

1. Устройство контроля сопротивления изоляции и защиты электротехнической установки, содержащее генератор сети с подключенной измерительной цепью, источник напряжения постоянного тока, выполненный в виде параметрического стабилизатора, трехфазный выпрямитель, образованный диодами, катоды которых соединены в общую точку, которая подключена к одному из выходов параметрического стабилизатора, отличающееся тем, что измерительная цепь составлена из второго параметрического стабилизатора, второго трехфазного выпрямителя, образованного диодами, высокоомного резистивного моста, двух выпрямителей напряжения, двух фильтров и делителей напряжения, а также компаратора, при этом катоды диодов второго трехфазного выпрямителя подсоединены к каждой фазе сети через токоограничительные элементы параметрических стабилизаторов, второй из которых подключен одним выходом к анодам диодов второго трехфазного выпрямителя, а другим выходом - к второму выходу первого параметрического стабилизатора с образованием двухполярного источника постоянного напряжения со средней точкой, подключенной к одному из входов высокоомного резистивного моста, тогда как его другой вход соединен с катодами диодов первого трехфазного выпрямителя, аноды диодов которого подключены к каждой из фаз сети через токоограничительные элементы параметрических стабилизаторов, один из выходов резистивного моста подключен к входу одного из выпрямителей переменного напряжения и корпусу установки, другой выход - к входу второго выпрямителя, а выходы обоих выпрямителей соединены с входами фильтров напряжения, выходы которых соединены через делитель напряжения с компаратором, выход которого соединен с исполнительным элементом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве исполнительного элемента использован электронный ключ в виде транзисторного или тиристорного элемента.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве исполнительного элемента использовано реле.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2