Защитное устройство для низковольтной линии питания переменного и постоянного тока - RU2435268C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к защитным устройствам для низковольтной линии питания переменного или постоянного тока.

В низковольтных системах электроснабжения широко применяются защитные устройства для контроля правильной эксплуатации линий электропитания и прерывания течения тока при возникновении аномальных условий эксплуатации во избежание повреждения самих линий или подключенных к ним потребителей (установок).

Для этой цели в таких устройствах применяются соответствующие системы фиксирования значений проходящего по защищаемой ими линии тока, передаваемых соответствующему защитному устройству, как правило, реле, которое размыкает автоматический выключатель, как только значение тока превышает заданную величину; таким образом выключатель прерывает течение тока в линии.

В настоящее время на рынке имеются различные конструкции, но притом что во многих случаях их работа вполне удовлетворительна и они обеспечивают хорошие результаты, в них все же присутствуют отдельные недостатки, особенно в части средств обнаружения тока, проходящего по линии.

В настоящее время применяются различные виды датчиков тока для линий как переменного, так и постоянного тока, с различными принципами действия.

Например, один тип детекторов тока использует датчики с эффектом Холла, тогда как в других конструкциях применяются магнитные датчики, магнитные сердечники которых питаются на несущей частоте для использования магнитных характеристик сердечника, и, в частности, гистерезисного цикла материала, из которого он изготовлен.

Из-за сильной чувствительности к внешним магнитным полям конструкции на основе датчиков с эффектом Холла требуют сложных систем экранирования, дорогостоящих и громоздких, отчего они редко пригодны для использования в экономичных, компактных изделиях. Важно также подчеркнуть, что такое экранирование обычно неэффективно при работе с постоянным током, что еще более ограничивает их практическую применимость. Кроме того, эти конструкции сопряжены с проблемами из-за их относительно высокого энергопотребления в эксплуатации и ограниченной динамики их измерений.

Конструкции с применением магнитных датчиков из-за своих исходных конструктивных особенностей и в особенности из-за необходимого наличия магнитного сердечника, объем которого зависит от величины измеряемых токов, пригодны в основном для небольших величин тока, обычно в диапазоне от долей ампера до нескольких десятков ампер, которые требуются, например, в некоторых видах прецизионных амперметров, или в устройствах защиты от остаточного тока (I_Δ), где достаточно магнитных сердечников небольшого размера.

Конструкции с магнитными датчиками также требуют, как правило, большого количества компонентов. Именно такой пример описан в Патенте США 4,276,510, где предусмотрены две обмотки на сердечнике, что может вызывать технические проблемы, в частности нежелательные явления «магнитной памяти», возникающие, например, после пиковых токов в одном из измеряемых проводников.

Основная техническая цель настоящего изобретения - создать защитное устройство для низковольтной линии питания, которое позволяло бы избежать указанных выше недостатков и которое в отличие от известных конструкций обеспечивает, в частности, высокую точность в широком диапазоне показаний электротока, например от нескольких ампер до десятков килоампер, что равным образом подходит для вариантов с постоянным и переменным током.

В рамках названной технической цели одной из целей настоящего изобретения является защитное устройство для низковольтной линии питания, в основном не восприимчивое к внешним магнитным полям и к явлениям типа «магнитной памяти».

Кроме того, целью настоящего изобретения является защитное устройство для низковольтной линии питания, способное действовать с очень низким потреблением энергии, и при этом не привносящее сколько-нибудь существенных помех в сигналы или в электросеть, даже если его питание поступает непосредственно от самой контролируемой линии.

Кроме того, целью настоящего изобретения является защитное устройство для низковольтной линии питания, требующее крайне ограниченного числа элементов и имеющее небольшие габариты.

Целью настоящего изобретения является также защитное устройство для низковольтной линии питания, отличающееся высокой надежностью и сравнительно простое и недорогое в изготовлении.

Вышеуказанные технические цели, а также иные, которые будут пояснены ниже, достигаются с помощью защитного устройства для низковольтной линии питания постоянного или переменного тока согласно содержанию формулы изобретения.

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут ясны из описания предпочтительных, но не исключительных вариантов исполнения защитного устройства согласно изобретению, иллюстрированных примерами (не имеющими ограничительного характера) в прилагаемых чертежах, где:

Фиг.1 - блок-схема, иллюстрирующая возможное осуществление защитного устройства согласно изобретению;

Фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая возможный вариант выполнения цепи для некоторых элементов защитного устройства по Фиг.1;

Фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая еще один вариант выполнения цепи для некоторых элементов защитного устройства по Фиг.1;

Фиг.4 - показаны два варианта осуществления цепи, показанной на Фиг.3;

Фиг.5 - частичное изображение полюса низковольтного автоматического выключателя;

Фиг.6 - вид в перспективе электрода полюса выключателя, соединенного с резистором защитного устройства согласно изобретению.

На Фиг.1 дано схематическое изображение защитного устройства в соответствии с изобретением, в целом обозначенного условным номером 100, в которое входят средство обнаружения тока (I_L), проходящего по одному или нескольким проводникам 1 линии питания, и, по крайней мере, одно электронное защитное средство 2. Данное защитное средство 2 включает в себя процессор 3, который состоит согласно известным конструкциям из микроконтроллера или микропроцессора, или ЦПС (цифрового процессора сигналов) с размыкателем 8 (например, катушкой расцепления). При эксплуатации электронное средство 2 соединено с выключателем, имеющим не менее одного полюса, схематически изображенного на Фиг.1 и 5 под условным номером 4, для контакта с проводником 1. Защитное средство 2 предпочтительно состоит из электронного реле, защитного или размыкающего типа, или образует его часть.

Для простоты пояснения на Фиг.1 показан только один проводник линии питания 1, через который проходит линейный ток (I_L), тогда как нижеследующее описание, несомненно, таким же образом относится к любому числу проводников линии питания и соответствующих полюсов выключателей. Например, цепь на Фиг.2 и Фиг.3 схематически отражает присутствие элементов цепи 200 для соединения с другими полюсами при необходимости.

В защитном устройстве 100 согласно настоящему изобретению средство обнаружения предпочтительно состоит, по крайней мере, из одного резистора 5 для последовательного электрического соединения с полюсом 4 выключателя и для проведения тока I_L, текущего по проводнику 1, и, по крайней мере, одной первой электронной процессорной цепи, обозначенной на Фиг.1 в целом условным номером 20, которая принимает в качестве входного сигнал о напряжении (V_SENSE) на клеммах резистора 5 и после соответствующей обработки передает соответствующий сигнал о токе I_L, проходящем по проводнику линии питания 1 на первое электронное защитное средство 2.

Согласно конструктивно упрощенному, но, тем не менее, функционально эффективному воплощению, резистор 5 включает в себя, по крайней мере, один отрезок проводника с предварительно установленным значением электрического сопротивления (R_SENSE), проходящий между двумя заданными контрольными точками, например между двумя его клеммами. Например, резистор 5 может быть выполнен в виде отрезка медной полосы, с добавлением при необходимости регулируемых долей других химических элементов, например Ni 6%. Указанный резистор 5 может быть установлен непосредственно в корпусе выключателя или снаружи от него.

В предпочтительном варианте осуществления резистор 5 включает, по крайней мере, один отрезок проводника, проходящий вдоль электрода 6 полюса 4 выключателя, внутри корпуса выключателя, как схематически показано на Фиг.5, или снаружи от него. Конкретнее, в обоих случаях резистор 5 заданного сопротивления может состоять непосредственно, по крайней мере, из части электрода 6, как схематически показано на Фиг.5, например, с помощью придания соответствующей формы, по крайней мере, одному отрезку электрода 6 и/или с помощью правильного выбора конструкционных материалов для всего электрода или его части. В другом варианте резистор 5 может быть обеспечен физическим размещением дополнительного проводника вдоль корпуса электрода 6; в этом случае данный дополнительный проводник, представляющий резистор 5, может состоять из одного отрезка или из двух и более отдельных отрезков.

Этот пример схематически изображен на Фиг.6, где резистор 5 состоит из двух отдельных проводниковых элементов 5а и 5b известного сопротивления, расположенных параллельно друг другу так, что вместе они образуют резистор 5, расположенный последовательно по отношению к электроду 6. На клеммах резистора 5 предусмотрены контакты 51 и 52, с которых поступает напряжение V_SENSE. Применение данной конструкции обеспечивает необходимую гибкость, поскольку обе детали - 5а и 5b можно при необходимости «скорректировать», например, изменив их форму, и/или размер, и/или состав, получая различные конструктивные решения. Далее, в некоторых случаях одна или обе детали 5а и 5b могут также или преимущественно (в последнем случае только одна из них) иметь механическую функцию, в т.ч. опоры для других элементов, центровки и т.д.

В предпочтительном варианте, показанном на Фиг.2 под номером 3, средство обнаружения тока содержит, по крайней мере, один датчик температуры 7, например, в виде одной или нескольких термопар, при эксплуатации связанных с резистором 5 и с первой процессорной цепью 20 для передачи на электронное защитное средство 2 сигнала о рабочей температуре резистора 5, в соответствии с вариантами осуществления и для целей, которые будут пояснены ниже.

Первая электронная процессорная цепь 20 включает в себя цепь аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 21 и предохранитель цепи 22, например, типа так называемого ограничителя бросков напряжения. В исполнении, показанном на Фиг.2, предохранитель 22 образован изолирующей или гальванически разъединяющей цепью, в которую входят первая электронная ступень 23 для формирования входного сигнала о напряжении на клеммах резистора 5. В частности, данная формирующая ступень 23 может усиливать или ослаблять сигнал или динамику; в исполнении, иллюстрируемом Фиг.2, она имеет функцию усиления. Далее, предохранитель 22 содержит вторую (изолирующую) ступень 24, которая направляет на АЦП 21 сигнал, являющийся изолированным, т.е. не имеет гальванической непрерывности или непрерывных отрезков проводящего материала. В другом варианте формирующая ступень 23 и изолирующая ступень 24 могут поменяться местами относительно друг друга, т.е. сигнал сначала изолируется, а затем формируется (т.е. усиливается в исполнении Фиг.2), что не влияет на основные функциональные возможности устройства.

В соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг.3, предохранитель 22 содержит цепь с высоким импедансом, имитирующую гальваническое разъединение и содержащую единственную ступень (обработки), которая принимает входной сигнал о напряжении на клеммах резистора 5 и передает на преобразователь 21 соответствующий сигнал после его формирования (здесь пример также иллюстрирует функцию усиления) и разъединения с высоким импедансом.

Как показано на иллюстрациях, предохранитель 22 предпочтительно размещен за резистором 5, между этим резистором и АЦП 21. Таким образом, перед АЦП создается изолирующий барьер, позволяющий изолировать процессорную часть схемы от общей сети питания или главного контура, и, следовательно, делающий процессорную часть схемы практически нечувствительной к любым броскам тока, а особенно напряжения, обычным для тех областей применения, для которых предназначено защитное устройство 100.

В устройстве 100 согласно изобретению, по крайней мере, первое электронное защитное средство 2 и в особенности микропроцессор 3 и АЦП 21 питаются преимущественно от одного и того же источника питания, обозначенного на фигурах условным номером 25; предпочтительно чтобы блок 22 также питался от этого источника. Как схематически показано на Фиг.2 и 3, АЦП 21, микропроцессор 3 и предохранитель 22 (если предусмотрен) могут питаться от одного или нескольких из следующих источников:

- гальванически изолированный вспомогательный блок питания с напряжением (V_AUX);

- питание от линейных напряжений (V_L) через сетевой источник питания, схематически обозначенный на Фиг.1 условным номером 26. При этом блок питания обеспечивает изолированное питание, а также (при необходимости) аналоговые сигналы для замера линейного напряжения, и, как в случае сигналов тока, для обработки микроконтроллером 3 после их приема АЦП 21. На основе полученных цифровых сигналов процессор 3 имеет в распоряжении замеры напряжения, мощности и энергии, а также замеры тока (где эта функция требуется).

В рабочем режиме ток I_L, проходящий по проводнику 1, течет через резистор 5 и полюс 4; на конце резистора 5 создается перепад напряжений (V_SENSE), в основном пропорциональный току I_L. Сигнал V_SENSE становится входным для первой процессорной цепи 20, где он вначале изолируется (разъединяется), а затем формируется в предохранителе 22. Конкретнее, предохранитель 22 можно осуществить двумя способами, как пояснялось выше: в исполнении, показанном на Фиг.2, сигнал сначала формируется (т.е. в случае, показанном на фигуре, усиливается), а затем изолируется или, наоборот, вначале изолируется, а затем формируется с применением изолированных рабочих усилителей и гальванически изолированных источников питания (VDC_ISO, GND_ISO изолированы от Vdc и GND) для обеих секций данных усилителей; с другой стороны, в исполнении, показанном на Фиг.3, сигнал, поступающий от резистора 5, формируется (в иллюстрированном примере усиливается) и разъединяется с помощью ступени высокого импеданса, что можно осуществить с помощью дифференциальных усилителей с высоким входным импедансом, как показано на Фиг.4 в части А, или с помощью усилителей КИП, как показано на Фиг.4 в части В. Сформированный и изолированный (разъединенный) сигнал напряжения V_SI (величина которого пропорциональна V_SENSE) преобразуется затем в АЦП 21 и окончательно принимается в виде потока цифровых данных (V_DIG) процессорным блоком 3, который выполняет измерение и приводит в действие исполнительный механизм автоматического выключателя 8 в случае, если отслеживаемый режим работы требует вмешательства выключателя.

Процессорный блок 3 также принимает сигнал от датчика температуры 7 (если он предусмотрен), и этот сигнал также формируется/изолируется и преобразуется практически так же, как уже пояснялось для сигнала, снятого с клемм резистора 5; таким образом, микропроцессор 3 осуществляет также температурную корректировку работы резистора 5. В результате воздействие любого колебания величины R_SENSE в связи с температурными изменениями не представляет затруднений, поскольку при условии, что зависимость R-T используемых материалов известна заранее, для необходимых настроек можно воспользоваться простым алгоритмом, заложенным в процессор 3.

В соответствии с вариантом осуществления, схематически изображенным на Фиг.1, устройство 100 включает в себя также датчик тока 10, например трансформатор тока (ТТ), при эксплуатации связанный с полюсом 4 выключателя, и второе электронное защитное средство 11, предпочтительно состоящее из электронного реле обычного типа, способного принять сигнал, сравнить его с предельной величиной, и при необходимости разомкнуть выключатель. Второе электронное защитное средство 11 соединено с датчиком тока 10 и питается от него.

Второе электронное защитное средство 11 принимает от датчика тока 10 сигнал о токе, текущем в проводнике 1, и сравнивает его с ранее установленным пороговым значением (его можно установить, например, с помощью DIP-переключателя), соответствующим, например, режиму тока короткого замыкания I_SC. При превышении данного порогового значения второе защитное средство 11 направляет соответствующий сигнал 12 на средство размыкания выключателя (например, электромагнитный прерыватель), размыкающее выключатель.

В другом варианте средство обнаружения может содержать первый датчик тока 10. например токовый преобразователь, связанный в эксплуатации с полюсом выключателя, который подает второму электронному защитному средству 11 только энергию, необходимую для его работы, и второй датчик тока 14, например катушку Роговского, также связанный в эксплуатации с полюсом 4, который передает защитному средству 11 сигнал о токе, проходящем через проводник 1. Также и в этом случае защитное средство 11 обрабатывает сигнал, созданный датчиком Роговского, интегрируя его и сравнивая результат с предельным значением, которое может быть отрегулировано, например, с помощью DIP-переключателей. При превышении предельного значения на средство размыкания выключателя направляется команда на размыкание 12.

Микропроцессорный блок 3 электронного защитного средства 2 предпочтительно соединяется со вторым электронным защитным средством 11 в такой конфигурации, чтобы функционально перерегулировать это второе защитное средство 11, когда устройство 100 работает в установившемся режиме; данная перерегулировка может достигаться, например, с помощью коммутатора известного типа, схематически обозначенного на Фиг.1 условным номером 30, на который блок 3 посылает соответствующий сигнал.

Таким образом, оба варианта осуществления обеспечивают достаточную защиту даже в тот короткий период времени, который требуется устройству 100 для выхода в устойчивый режим, в особенности в отношении цепи 20 и средства 2. Действительно, запуск особенно при питании от общей электросети (V_L) может занять примерно от 10 до 100 мс, что может оказаться особенно полезным в случае латентного короткого замыкания, присутствующего в сети, нуждающейся в защите, уже на начальных стадиях, когда выключатель переведен в положение «ВКЛ».

Доказано опытным путем, что защитное устройство согласно изобретению осуществляет изложенные выше цели и задачи, предлагая также немало преимуществ и технически-функциональных усовершенствований по сравнению с известным уровнем техники. В частности, устройство 100 имеет высокодинамичную измерительную способность, выражающуюся в высокой точности и широком диапазоне обнаружения, а также простую и недорогую конструкцию, способную обеспечить стабильные и воспроизводимые показатели работы; в частности, оно демонстрирует эффективность и точность даже при высоких значениях тока, для которых конструкции известного уровня техники оказываются особенно непригодными. Устройство 100 также в основном нечувствительно к любым явления «магнитной памяти» благодаря тому, что единственный участвующий магнитный элемент - датчик тока 10 действует только в течение крайне недолгих отрезков времени.

Немаловажная особенность состоит в том, что частное решение, при котором резистор 5 устанавливается внутри корпуса выключателя, особенно в том случае, если он состоит из отрезка электрода полюса 4, весьма выигрышно с точки зрения общих габаритов изделия, учитывая обычно тесное пространство внутри корпуса автоматических выключателей. С другой стороны, конструкция, в которой резистор 5 находится снаружи выключателя, особенно выигрышна и предпочтительна при использовании традиционных автоматических выключателей (не предназначенных специально для этих целей) с новаторскими функциональными возможностями устройства 100, и в особенности электронного реле 2.

Далее, поскольку вся система изолирована от первичной линии питания и/или от вспомогательного источника питания, обеспечивается безопасная эксплуатация и успешное выполнение испытаний изоляции на пробой, предписанных для автоматических выключателей применимыми стандартами, без необходимости демонтажа электросхем. Кроме того, благодаря оптимизированному поглощению энергии, выражающемуся в крайне ограниченном ее потреблении, устройство 100 в данном исполнении пригодно также для установки в системы с ограниченным энергоснабжением, или там, где пользователь желает избежать заметных нарушений общего энергобаланса; устройство способно работать даже при крайне низких значениях напряжения V_SENSE; а следовательно, и сопротивления резистора R_SENSE. Например, опорное сопротивление R_SENSE может иметь величину приблизительно от 8 до 30 µΩ, исключая таким образом существенные нарушения электрического режима системы и не вызывая заметных явлений перегрева в выключателе. Например, если R_SENSE=30µΩ и I_L=600 А, то налицо рассеяние P_R=R_SENSE·I_L·I_L=V_SENSE·I_L=30·10^-6·600·600=10.8 Вт. В результате токи могут даже превышать 50 кА, не создавая никаких проблем, т.е. без выхода V_SENSE за пределы величины в несколько вольт.

Наконец, что также немаловажно, устройство 100 согласно изобретению можно применять в подключении к низковольтным линиям питания как постоянного, так и переменного тока, в различных системах энергоснабжения, в особенности промышленного назначения. Таким образом, еще одной целью настоящего изобретения является низковольтная система электропитания, отличающаяся тем, что в нее входит защитное устройство 100, описанное выше и указанное в формуле изобретения.

Далее, с конструктивной точки зрения устройство 100 можно изготовить с помощью ряда дискретных компонентов, собираемых оперативно для практического применения, физически соединяя их с различными элементами или располагая их на общем приспособлении и превращая в единый элемент, или в виде нескольких отдельных составных частей. Как описано выше, резистор 5 может, к примеру, находиться внутри корпуса выключателя, а электронная часть может быть смонтирована на плате, установленной в электронном реле полностью, или лишь частично, например, разместив преобразователь 21 на реле; он также может быть изготовлен полностью из одного или нескольких компонентов, собранных на реле, которое затем соединяется с выключателями; устройство 100 можно также изготовить в виде одной или нескольких отдельных частей, непосредственно связанных с корпусом выключателя, внутри и/или снаружи. Таким образом, еще одна цель настоящего изобретения - защитное устройство 100 в соответствии с настоящим описанием и формулой и автоматический выключатель, содержащий указанное электронное реле; при этом в низковольтный выключатель входит вышеописанное защитное устройство 100, предпочтительно в непосредственном сочленении с корпусом выключателя.

Защитное устройство, сущность которого изложена выше, может осуществляться в многочисленных модификациях и выступать в различных вариантах, причем все они будут оставаться в пределах объема изобретения. Кроме того, все описанные составные части могут быть заменены другими, технически равноценными им элементами. На практике материалы компонентов и размеры устройства могут быть любого рода в соответствии с потребностями и достигнутым уровнем техники.

Реферат

Защитное устройство для низковольтной линии питания постоянного или переменного тока содержит средство обнаружения тока, текущего в одном или нескольких проводниках линии питания, и, по крайней мере, одно электронное защитное средство, соединенное при эксплуатации с выключателем, имеющим не менее одного полюса, вставляемого вдоль указанного проводника, средство обнаружения содержит, по крайней мере, один резистор, способный к последовательному электрическому соединению с указанным полюсом выключателя и обеспечению прохода тока, текущего в указанном проводнике, и, по крайней мере, одну электронную процессорную цепь, принимающую сигнал о напряжении на клеммах резистора и направляющую на первое электронное защитное средство сигнал о токе, проходящем в проводнике линии, первый датчик тока, при эксплуатации связанный с полюсом автоматического выключателя, второе электронное защитное средство, при эксплуатации соединенное с первым датчиком тока и питающееся от него, второй датчик тока. Низковольтная электрическая система переменного или постоянного тока включает в себя указанное защитное устройство. Низковольтный выключатель включает в себя реле, выполненное в виде указанного защитного устройства. Техническим результатом является обеспечение высокой точности в широком диапазоне показаний электротока. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула