RU2711217C1

RU2711217C1 - Combined digital protective cut-off device

Info

Publication number: RU2711217C1
Application number: RU2019120589A
Authority: RU
Inventors: Вадим Анатольевич Шахнин; Егор Александрович Аграфенин
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2020-01-15

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: protective shutdown device comprises a leakage current sensor (1), peak rectifier-amplifier (2), resistor (3) and actuating element (7), mechanically connected to RCD (8) contact system, additionally there is synchronization unit (4), pulse counter (5), a digital comparing device (6) and setting unit (14), and the output winding of the leakage current sensor is made two-section, wherein the winding sections have the same number of turns and are connected in series-opposite way.EFFECT: high noise-immunity to influence of higher harmonics of mains voltage at actuation thresholds by current values of leakage current and mains voltage.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам для защиты людей от поражения электрическим током при снижении сопротивления изоляции и появлении тока утечки в землю, а также для отключения электропотребителей при превышении действующим значением фазного напряжения питающей сети предельно допустимого уровня 242 В, установленного ГОСТ 32144-2013. За счет использования в качестве источника информации дискретных сигналов, соответствующих скачкообразным процессам перемагничивания сердечника датчика токов утечки, и введения в устройство дополнительных элементов для цифровой обработки этих сигналов устраняется влияние высших гармоник напряжения сети на порог срабатывания по действующим значениям тока утечки и напряжения сети.The invention relates to electrical engineering, in particular to automatic devices for protecting people from electric shock while reducing insulation resistance and the appearance of leakage current to the ground, as well as to turn off consumers when the current value of the phase voltage of the supply network exceeds the maximum permissible level of 242 V, established by GOST 32144 2013. By using discrete signals as the source of information corresponding to spasmodic processes of the magnetization reversal of the core of the leakage current sensor, and introducing additional elements for digital processing of these signals into the device, the influence of higher harmonics of the mains voltage on the response threshold by the effective values of the leakage current and mains voltage is eliminated.

Известны электронные устройства защитного отключения (УЗО), содержащие усилитель сигнала датчика тока утечки, источник питания и стабилизатор напряжения [1, 2]. Их недостатком является отсутствие способности отключения защищаемых электроприемников при недопустимом повышении напряжения сети.Known electronic protective shutdown devices (RCD), containing the signal amplifier of the leakage current sensor, a power source and a voltage stabilizer [1, 2]. Their disadvantage is the lack of ability to disconnect the protected power consumers with an unacceptable increase in network voltage.

Известно устройства 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 ко входу пикового выпрямителя-усилителя, выход которого соединен с времязадающим резистором, а времязадающий конденсатор соединен с входом порогового элемента с исполнительным органом, компаратор, элемент логического ИЛИ, второй времязадающий резистор, регулируемый 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 первому выводу регулируемого делителя, второй вывод которого присоединен к катоду стабилитрона, а третий к инвертирующему входу компаратора, выходы пикового выпрямителя-усилителя и компаратора через первый и второй времязадающие резисторы присоединены ко входам элемента логического ИЛИ, а его выход присоединен к времязадающему конденсатору [3]. Недостатком этого устройства является наличие влияния высших гармоник напряжения сети на порог срабатывания по действующим значениям тока утечки и напряжения сети, обусловленные аналоговым видом выходного сигнала датчика тока утечки и аналоговым способом обработки сигнала напряжения сети. Наличие высших гармоник сетевого напряжения является результатом подключения с сети нелинейных нагрузок, к которым относятся широко распространенные вентильные преобразователи различного назначения, например, управляемые выпрямители и преобразователи частоты электроприводов, устройства питания сварочных аппаратов, драйверы светодиодных светильников и др.Known protective circuit breakers combined, 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 peak input 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 the actuator, comparator, electric a logical OR element, a second timing resistor, an adjustable divider and a resistor, while the resistor is connected to the anode of the zener diode and the non-inverting input of the comparator with one output, the other output of the resistor is connected to the minus of the power supply and the first output of the adjustable divider, the second output of which is connected to the zener diode cathode, and the third to the inverting input of the comparator, the outputs of the peak rectifier-amplifier and the comparator through the first and second timing resistors are connected to the inputs of the logic about OR, and its output is connected to a timing capacitor [3]. The disadvantage of this device is the presence of the influence of higher harmonics of the mains voltage on the response threshold according to the effective values of the leakage current and the mains voltage, due to the analog form of the output signal of the leakage current sensor and the analogue method of processing the mains voltage signal. The presence of higher harmonics of the mains voltage is the result of connecting non-linear loads to the network, which include widespread valve converters for various purposes, for example, controlled rectifiers and frequency converters of electric drives, power supplies for welding machines, drivers of LED lamps, etc.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости УЗО к влиянию высших гармоник напряжения сети. Указанная цель достигается тем, что в УЗО введены узел синхронизации, счетчик импульсов, цифровое сравнивающее устройство и блок уставок, а выходная обмотка датчика тока утечки выполнена двухсекционной, причем секции обмотки имеют одинаковое число витков и соединены последовательно-встречно.The aim of the invention is to increase the noise immunity of the RCD to the influence of higher harmonics of the mains voltage. This goal is achieved by the fact that in the RCD, a synchronization unit, a pulse counter, a digital comparison device and a setting block are introduced, and the output winding of the leakage current sensor is made in two sections, and the winding sections have the same number of turns and are connected in series with each other.

На фиг. 1 представлена функциональная схема заявляемого устройства. Приняты следующие обозначения: 1 - датчик тока утечки, 2 - пиковый выпрямитель-усилитель, 3 - резистор, 4 - узел синхронизации, 5 - счетчик импульсов, 6 - цифровое сравнивающее устройство, 7 - исполнительный орган, 8 - контактная система УЗО, 9 и 10 - первый и второй входные провода сети, 11 и 12 - первый и второй выходные провода сети, 13 - нагрузка, блок уставок 14. Цифровое устройство защитного отключения комбинированное содержит соединенные последовательно датчик тока утечки 1 и пиковый выпрямитель-усилитель 2, выход которого подключен к суммирующему S-входу счетчика импульсов 5, причем обнуляющий R-вход счетчика импульсов 5 соединен с выходом узла синхронизации 4, вход которого подключен к выходным проводам сети 11 и 12, а резистор 3 подключен между первым входным проводом сети 9 и вторым выходным проводом сети 12, причем параллельный цифровой выход счетчика импульсов 5 присоединен к первому параллельному входу цифрового сравнивающего устройства 6, к выходу которого подключен исполнительный орган 7, механически связанный с контактной системой УЗО 8, а второй параллельный вход цифрового сравнивающего устройства 6 присоединен к выходу блока уставок 14.In FIG. 1 presents a functional diagram of the inventive device. The following notations are accepted: 1 - leakage current sensor, 2 - peak rectifier-amplifier, 3 - resistor, 4 - synchronization unit, 5 - pulse counter, 6 - digital comparing device, 7 - executive body, 8 - contact UZO system, 9 and 10 - the first and second input wires of the network, 11 and 12 - the first and second output wires of the network, 13 - load, setpoint unit 14. The combined digital protective device contains a leakage current sensor 1 connected in series and a peak rectifier-amplifier 2, the output of which is connected to the sum S input the pulse counter 5, and the zeroing R-input of the pulse counter 5 is connected to the output of the synchronization node 4, the input of which is connected to the output wires of the network 11 and 12, and the resistor 3 is connected between the first input wire of the network 9 and the second output wire of the network 12, and parallel the digital output of the pulse counter 5 is connected to the first parallel input of the digital comparison device 6, the output of which is connected to the actuator 7, mechanically connected to the contact system of the RCD 8, and I compare the second parallel digital input his device 6 is attached to the output setting unit 14.

Устройство работает следующим образом. В случае, если действующее значение фазного напряжения питающей сети не превышает предельно допустимого уровня 242 В, установленного ГОСТ 32144-2013, а ток утечки I₀ (через поврежденную изоляцию или в результате прикосновения человека к токоведущим элементам нагрузки) отсутствует, разность токов I₁ и I₂ в проводах, к которым подключена нагрузка 18, равна току I₃ (фиг. 2). Сопротивление резистора 3 подобрано таким образом, что магнитный поток в сердечнике датчика тока утечки 1, вызванный неравенством токов I₁ и I₂, перемагничивает сердечник в пределах области начальной магнитной проницаемости, т.е. в той области, где скачкообразные изменения намагниченности (скачки Баркгаузена) отсутствуют. В этом случае гармонические э.д.с. первой и высших гармоник, наводимые в секциях обмотки датчика тока утечки 1, равны между собой, а выходной сигнал U_вых датчика отсутствует независимо от уровня несинусоидальности напряжения сети, т.к. секции обмотки имеют одинаковое число витков и соединены последовательно-встречно. В результате УЗО остается во включенном состоянии.The device operates as follows. If the current value of the phase voltage of the supply network does not exceed the maximum permissible level of 242 V established by GOST 32144-2013, and there is no leakage current I ₀ (through damaged insulation or as a result of a person touching the current-carrying load elements), the current difference is I ₁ and I ₂ in the wires to which the load 18 is connected is equal to the current I ₃ (Fig. 2). The resistance of the resistor 3 is selected so that the magnetic flux in the core of the leakage current sensor 1, caused by the inequality of the currents I ₁ and I ₂ , magnetizes the core within the initial magnetic permeability region, i.e. in the region where spasmodic changes in magnetization (Barkhausen jumps) are absent. In this case, the harmonic emf the first and higher harmonics induced in the sections of the winding of the leakage current sensor 1 are equal to each other, and the output signal U of the _output sensor is absent regardless of the level of non-sinusoidality of the mains voltage, because sections of the winding have the same number of turns and are connected in series-counter. As a result, the RCD remains in the on state.

При появлении тока утечки I₀ или при превышении действующим значением фазного напряжения питающей сети предельно допустимого уровня 242 В, установленного ГОСТ 32144-2013, разность токов I₁ и I₂ становится достаточной для перемагничивания сердечника датчика тока утечки 1 в области необратимых скачкообразных изменений намагниченности. В этом случае в секциях выходной обмотки датчика кроме гармонических составляющих э.д.с. первой и высших гармоник наводятся случайные импульсные сигналы, вызванные скачками Баркгаузена. При встречном соединении секций выходной обмотки гармонические составляющие взаимно компенсируются независимо от уровня высших гармоник напряжения сети, а случайные импульсные сигналы складываются и поступают на вход пикового выпрямителя-усилителя 2, который формирует из них прямоугольные импульсы одинаковой амплитуды. Эти импульсы поступают на суммирующий вход счетчика 5, который обнуляется с периодом 10 мс (половина периода сетевого напряжения) импульсом, поступающим на вход R (reset) и формируемым узлом синхронизации 4 при переходе сетевого напряжения через нулевой уровень. Таким образом, содержимое счетчика импульсов каждые 10 мс сначала нарастает до максимального значения, соответствующего числу скачков Баркгаузена в сердечнике датчика тока утечки 1, а затем сбрасывается на ноль. Текущее значение содержимого счетчика импульсов 5 в двоичном параллельном коде подается на первый параллельный цифровой вход цифрового сравнивающего устройства 6. Если максимальное значение содержимого счетчика импульсов превышает уставку УЗО, представленную в виде двоичного числа в параллельном коде, и поступающую на второй параллельный цифровой вход сравнивающего устройства 6 с выхода блока уставок 14, то на выходе последнего формируется импульсный сигнал, поступающий на исполнительный орган 7 и вызывающий срабатывание УЗО путем воздействия на контактную систему 8.When the leakage current I ₀ appears or when the current value of the phase voltage of the supply network exceeds the maximum permissible level of 242 V established by GOST 32144-2013, the difference between the currents I ₁ and I ₂ becomes sufficient for magnetization reversal of the core of the leakage current sensor 1 in the region of irreversible sudden changes in magnetization. In this case, in sections of the output winding of the sensor, in addition to the harmonic components of the emf the first and higher harmonics induce random pulsed signals caused by Barkhausen surges. When the sections of the output winding are counter-connected, the harmonic components are mutually compensated regardless of the level of higher harmonics of the mains voltage, and random pulse signals are added and fed to the input of the peak rectifier-amplifier 2, which forms rectangular pulses of the same amplitude from them. These pulses are fed to the summing input of the counter 5, which is reset to zero with a period of 10 ms (half the period of the mains voltage) by a pulse supplied to the input R (reset) and generated by the synchronization unit 4 when the mains voltage passes through the zero level. Thus, the content of the pulse counter every 10 ms first rises to the maximum value corresponding to the number of Barkhausen jumps in the core of the leakage current sensor 1, and then is reset to zero. The current value of the contents of the pulse counter 5 in binary parallel code is supplied to the first parallel digital input of the digital comparison device 6. If the maximum value of the contents of the pulse counter exceeds the RCD setpoint, presented as a binary number in the parallel code, and fed to the second parallel digital input of the comparison device 6 from the output of the settings block 14, then at the output of the latter a pulse signal is generated that arrives at the actuator 7 and causes the RCD to trip by actions on the contact system 8.

Испытания опытного образца цифрового УЗО были проведены при несинусоидальности сетевого напряжения, соответствующей предельно допустимым по ГОСТ 32144-2013 значениям коэффициентов пятой и седьмой гармоник, т.е., соответственно, шести и пяти процентам от действующего значения основной гармоники. При испытании УЗО были проведены прямые измерения с многократными (n=75) наблюдениями токов утечки и напряжения сети, при которых УЗО фактически срабатывало для уставок 30 мА и 242 В, соответственно. Статистическая обработка результатов измерений показала, что при доверительной вероятности 95% доверительные границы отклонения действующих значений тока утечки, при достижении которых УЗО срабатывало, от значений уставки 30 мА составили ±1,8%, а доверительные границы отклонения действующих значений напряжения сети, при достижении которых УЗО срабатывало, от значений уставки 242 В составили ±1,5%. Таким образом, результаты испытаний свидетельствуют о более высокой помехоустойчивости цифрового УЗО к влиянию несинусоидальности сетевого напряжения по сравнения с аналогами и прототипами, для которых в тех же условиях названные доверительные границы составляют, соответственно, 10 и 4%.Tests of the prototype digital RCD were carried out with non-sinusoidality of the mains voltage corresponding to the maximum permissible values of the fifth and seventh harmonics, according to GOST 32144-2013, i.e., six and five percent of the effective value of the fundamental harmonic, respectively. During the RCD test, direct measurements were made with multiple (n = 75) observations of leakage currents and mains voltage, at which the RCD actually worked for the 30 mA and 242 V settings, respectively. Statistical processing of the measurement results showed that, with a confidence level of 95%, the confidence limits of the deviation of the effective values of the leakage current, at which the RCD tripped, from the setpoints of 30 mA were ± 1.8%, and the confidence limits of the deviation of the effective values of the mains voltage, at which The RCD was triggered, from the settings of 242 V amounted to ± 1.5%. Thus, the test results indicate a higher noise immunity of the digital RCD to the influence of the non-sinusoidality of the mains voltage in comparison with analogs and prototypes, for which under the same conditions the said confidence limits are 10 and 4%, respectively.

Источники информацииSources of information

1. Монаков В.К. УЗО. Теория и практика. М.: Энергосервис. 2007. - 368 с. Режим доступа: http://dl.lux.booksee.org/genesis/215000/46efdb15c97bfb33676b1dd0117ca554/_as/[Monakov_V._K.]_UZO._Teoriya_i_praktika(BookSee.org).pdf.1. Monakov V.K. RCD. Theory and practice. M .: Energoservice. 2007 .-- 368 p. Access Mode: http://dl.lux.booksee.org/genesis/215000/46efdb15c97bfb33676b1dd0117ca554/_as/[Monakov_V._K.†_UZO._Teoriya_i_praktika(BookSee.org).pdf.

2. Устройство защитного отключения сети переменного тока. Патент РФ на изобретение №2124795, МПК Н02Н 3/00, опубл. 1999.01.10.2. The device of protective shutdown of a network of alternating current. RF patent for invention №2124795, IPC Н02Н 3/00, publ. 1999.01.10.

3. Устройство защитного отключения комбинированное. Патент РФ на изобретение №2214664, МПК Н02Н 3/32, опубл. 2002.07.3. Residual current circuit breaker combined. RF patent for the invention No. 2214664, IPC Н02Н 3/32, publ. 2002.07.

Claims

Combined digital protective shutdown device containing a leakage current sensor connected in series and a peak rectifier-amplifier, as well as a resistor, characterized in that the output of the peak rectifier-amplifier is connected to the summing input of the pulse counter, and the zeroing input of the pulse counter is connected to the output of the synchronization unit, input which is connected to the output wires of the network, and the resistor is connected between the first input wire of the network and the second output wire of the network, and the parallel digital output account ika pulses coupled to the first parallel input of a digital comparator, which is connected to the output actuator mechanically coupled to the contact system of the RCD, and a second parallel input of a digital comparator connected to the output of the setting unit.