Устройство защитного отключения электрической сети постоянного тока
Устройство защитного отключения электрической сети постоянного тока относится к автоматическим устройствам защитного отключения электрооборудования при снижении сопротивления изоляции и защиты людей от поражения электрическим током в сетях постоянного тока, например в системах солнечной энергетики. Устройство содержит первый (1) и второй (2) резисторы один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, вторые выводы подключены через первое (3) и второе (4) управляющие реле соответственно к плюсовой и минусовой шинам сети постоянного тока, а управляющие входы подключены ко второму и третьему выходам микроконтроллера (5), отключающее реле (6), силовые выводы которого включены в разрыв одной из шин электрической сети постоянного тока, а управляющий вход подключен к четвертому выходу микроконтроллера (5), блок индикации (7), вход которого подключен к первому выходу микроконтроллера, устройство ввода (8), выход которого подключен к третьему входу микроконтроллера, датчик тока утечки (9), через который пропущены плюсовая и минусовая шины сети питания, выполненный на основе датчика Холла, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера, датчик тока нагрузки (10), через который пропущена одна из шин сети питания, выполненный на основе датчика Холла, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера. В случае превышения током нагрузки Iн или токами утечки I1 или I2 заданных пороговых значений, микроконтроллер подает сигнал на отключающее реле (6), которое отключает нагрузку от сети питания, также микроконтроллер выдает на блок индикации (7) сигнал об аварии. В случае пропадания питания сети контакты отключающего реле также размыкаются и нагрузка также отключается от сети. Возможно использование устройства в электрических сетях постоянного тока с любой полярностью и напряжением, оно позволяет повысить электробезопасность, защитить нагрузку при нарушении сопротивления изоляции плюсовой и минусовой шин и людей от поражения электрическим током.
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к автоматическим устройствам защитного отключения электрооборудования при снижении сопротивления изоляции и защиты людей от поражения электрическим током в сетях постоянного тока, например в системах солнечной энергетики.
Известны устройства защитного отключения (УЗО), предназначенные для применения в сетях переменного тока (патент RU 2042245, Н02Н 5/12) содержащие трансформатор тока и отключающее реле. Однако, в сетях постоянного тока такие устройства не могут быть применены, так как трансформатор тока не способен измерять постоянные токи.
Известно устройство контроля сопротивления изоляции для сетей постоянного тока (авторское свидетельство СССР 
561149, G01R 27/18), содержащее первый и второй измерительные резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, датчик напряжения сети и блок индикации, которое позволяет измерять постоянные токи утечки, однако оно не обеспечивает защиту в сетях с регулируемым напряжением, так как настроено на постоянное значение срабатывания и при регулируемом напряжении сети не обеспечивает высокой точности измерения токов утечки.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для контроля сопротивления изоляции (Патент RU 2390033, G01R 27/18), содержащее первый и второй резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, блок индикации, микроконтроллер, в котором выход микроконтроллера соединен с входом блока индикации.
В известном устройстве измеряются токи утечки двух шин раздельно при положительном напряжении на соответствующей шине и вычисляется сопротивление изоляции в зависимости от напряжения сети и тока утечки с помощью микроконтроллера.
Однако предлагаемое устройство обеспечивает контроль сопротивления изоляции только шины с положительным потенциалом и при появлении тока утечки на шине с минусовым потенциалом не может обеспечить его обнаружения и защитного отключения сети. Также наличие диодов в цепи измерения уменьшает чувствительность измерения тока утечки из-за нелинейности вольтамперной характеристики диода в области малых токов.
Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет контроля сопротивления изоляции плюсовой и минусовой шин сети питания, контроля тока нагрузки, а также обеспечение чувствительности устройства при токах утечки порядка десятков микроампер.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство содержащее первый и второй резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, блок индикации, микроконтроллер, первый выход которого соединен со входом блока индикации, согласно техническому решению, дополнительно введены датчик тока утечки, выполненный на основе датчика Холла, через который пропущены плюсовая и минусовая шины сети питания, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера, датчик тока нагрузки, выполненный на основе датчика Холла, через который пропущена одна из шин сети питания, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера, первое управляющее реле, соединенное одним силовым выводом с плюсовой шиной, а вторым силовым выводом с первым резистором, второе управляющее реле, соединенное одним силовым выводом с минусовой шиной, а вторым силовым выводом со вторым резистором, причем точки подключения первого и второго управляющих реле к шинам сети питания расположены до ввода шин сети питания в датчик тока утечки и датчик тока нагрузки, вход управления первого управляющего реле подключен ко второму выходу микроконтроллера, а вход управления второго управляющего реле подключен к третьему выходу микроконтроллера, устройство ввода, выход которого подключен к третьему входу микроконтроллера, отключающее реле включенное в разрыв одной из шин электрической сети, вход управления которого подключен к четвертому выходу микроконтроллера.
На фиг. изображена укрупненная принципиальная схема УЗО электрической сети постоянного тока.
Устройство содержит первый 1 и второй 2 резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, вторые выводы подключены через первое 3 и второе 4 управляющие реле соответственно к плюсовой и минусовой шинам сети постоянного тока, а управляющие входы подключены ко второму и третьему выходам микроконтроллера 5, отключающее реле 6, силовые выводы которого включены в разрыв, например минусовой шины сети постоянного тока, а управляющий вход подключен к четвертому выходу микроконтроллера 5, блок индикации 7, вход которого подключен к первому выходу микроконтроллера 5, устройство ввода 8, выход которого подключен к третьему входу микроконтроллера 5, датчик тока утечки 9, через который пропущены плюсовая и минусовая шины сети питания, выполненный на основе датчика Холла, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера 5, датчик тока нагрузки 10, через который пропущена одна из шин сети питания, например, минусовая шина, выполненный на основе датчика Холла, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера 5.
Устройство защитного отключения работает следующим образом.
С помощью устройства ввода 8 в микроконтроллер 5 вводятся пороги срабатывания на ток утечки Iдиф и на ток нагрузки Iн и команда «включить УЗО». По этой команде контакты отключающего реле 6 замыкаются. Контакты отключающего реле 6 нормально разомкнуты.
Для создания цепи протекания токов утечки через сопротивления изоляции Rиз1 или Rиз2 первое и второе управляющие реле 3, 4, управляемые микроконтроллером, попеременно подключают плюсовую и минусовую шины сети питания к шине заземления через резисторы 1 и 2
При подключении с помощью первого управляющего реле 3 плюсовой шины к шине заземления, через цепь шина «+» - резистор 1 - первое управляющее реле 3 - сопротивление изоляции Rиз2 - шина «-» начинает протекать ток утечки I1. При этом на выходе датчика тока утечки 9 появляется напряжение, пропорциональное току утечки, которое поступает на первый вход микроконтроллера 5.
При подключении с помощью второго управляющего реле 4 минусовой шины к шине заземления, через цепь шина «+» - сопротивление изоляции Rиз1 - второе управляющее реле 4 - резистор 2 - шина «-» начинает протекать ток утечки I2. При этом на выходе датчика тока утечки 9 появляется напряжение, пропорциональное току утечки, которое поступает на первый вход микроконтроллера 5.
Ток нагрузки Iн измеряется датчиком тока 10, напряжение с выхода которого поступает на второй вход микроконтроллера 5.
В случае превышения током нагрузки Iн или токами утечки I1 или I2 заданных пороговых значений, микроконтроллер подает сигнал на отключающее реле 6, которое отключает нагрузку от сети питания, также микроконтроллер выдает на блок индикации 7 сигнал об аварии. В случае пропадания питания сети контакты отключающего реле 6 размыкаются и нагрузка также отключается от сети.
Устройство ввода 8 может быть выполнено в виде клавиатуры, энкодера и т.п. В качестве датчиков токов утечки и нагрузки могут использоваться серийно выпускаемые датчики тока на основе эффекта Холла.
Таким образом, предлагаемое УЗО позволяет осуществлять контроль тока нагрузки, наличие токов утечки и их величину и защиту электрической сети и нагрузки при любом напряжении сети и обеспечивает повышенную точность измерений и контроль утечек с плюсовой и минусовой шин сети за счет:
- использования датчика тока на основе датчика Холла для измерения токов утечки;
- алгоритма измерения токов утечки с попеременным подключением шин электрической сети к шине заземления;
- использования дополнительного датчика тока для контроля тока нагрузки.
Использование УЗО возможно в электрических сетях постоянного тока с любой полярностью и напряжением, что делает его универсальным.
Применение предлагаемого устройства защитного отключения позволяет повысить электробезопасность, защитить нагрузку при нарушении сопротивления изоляции плюсовой и минусовой шин и людей от поражения электрическим током в сетях постоянного тока.
Устройство защитного отключения электрической сети постоянного тока, содержащее первый и второй резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, блок индикации, микроконтроллер, первый выход которого соединен со входом блока индикации, отличающееся тем, что дополнительно введены: датчик тока утечки, через который пропущены плюсовая и минусовая шины сети питания, выполненный на основе датчика Холла, выход которого соединен с первым входом микроконтроллера; датчик тока нагрузки, через который пропущена одна из шин сети питания, выполненный на основе датчика Холла, выход которого соединен со вторым входом микроконтроллера; первое управляющее реле, соединенное одним силовым выводом с плюсовой шиной, а вторым силовым выводом - с первым резистором; второе управляющее реле, соединенное одним силовым выводом с минусовой шиной, а вторым силовым выводом - со вторым резистором, причем точки подключения первого и второго управляющих реле к шинам сети питания расположены до ввода шин сети питания в датчик тока утечки и датчик тока нагрузки, вход управления первого управляющего реле подключен ко второму выходу микроконтроллера, а вход управления второго управляющего реле подключен к третьему выходу микроконтроллера; устройство ввода, выход которого подключен к третьему входу микроконтроллера; отключающее реле, включенное в разрыв одной из шин электрической сети, вход управления которого подключен к четвертому выходу микроконтроллера.
