СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ РАЗВЕТВЛЕННЫХ СЕТЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO MONITOR RESISTANCE OF INSULATION OF BRANCHED DC NETWORKS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к электротехнике и предназначено к использованию при создании и применении устройств и систем для измерения сопротивлений изоляции в сетях постоянного тока, находящихся под напряжением.
Известны способ и устройство измерения сопротивления изоляции, описанные в патенте РФ №2180124, кл. G01R 31/11, заявка от 19.01.1999 г., опубликовано 27.02.2002 г.
Известный способ заключается в том, что на сеть накладывают короткие импульсы, синхронизированные с моментом перехода через ноль напряжения с частотой источника контрольного тока на электрических полюсах сети, короткие импульсы и контрольный переменный ток выделяют в токе контролируемого элемента. Активную составляющую тока контролируемого элемента определяют на основании измерения отрезка времени между моментом перехода через ноль тестового сигнала переменного тока контролируемого элемента и моментом появления короткого импульса. Наличие повреждения в контролируемом элементе определяется по факту увеличения активной составляющей тока.
Недостатками данного способа являются необходимость подавления импульсных помех, возникающих при коммутациях, так как для выделения короткого импульса в месте измерения требуется фильтр с широкой полосой пропускания частот. Кроме того, возможно совпадение собственной частоты отдельных участков сети с частотами спектра короткого импульса, что приводит к зависимости работы устройства от параметров отдельных участков сети.
Наиболее близким к предлагаемому способу контроля сопротивления изоляции является патент РФ №2411526, кл. G01R 31/02, G01R 31/08, G01R 27/18 от 20.08.2008 г.
В известном способе и устройстве измеряют среднее значение активной мощности, выделяемой на сопротивлении изоляции за целое число периодов тестового сигнала, значение которой обратно пропорционально активной части сопротивления изоляции. Данное устройство включает в себя блок генератора синусоидального напряжения, многоканальный мультиплексор, блок контроллера, блок индикации, блоки контроля присоединений со схемой синхронного детектирования, в каждой из которых формируется сигнал, пропорциональный среднему значению активной мощности выделяемой на сопротивлении изоляции данного присоединения по отношению к «земле». Частота синхронного детектирования задается генератором синусоидального напряжения. При этом составляющие тока через емкости, сдвинутые по фазе на 90º, а также токи помех других частот эффективно отсеиваются.
Недостатком данного способа и устройства является то, что реальные кабельные присоединения, уложенные в траншеях и лотках, имеют в комплексной проводимости по отношению к «земле» распределенные по длине составляющие активного, емкостного и индуктивного сопротивления. При тестировании таких присоединений с помощью генератора синусоидального напряжения ток утечки на «землю» имеет непостоянный фазовый сдвиг менее 90º, в том числе и тогда, когда повреждений изоляции кабеля нет. Такой ток является источником ошибок при синхронном детектировании и как следствие ошибок определения сопротивления изоляции. Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения и расширение области практического применения.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что:
- способ контроля сопротивления изоляции присоединений в разветвленной сети постоянного тока предусматривает измерение токов утечки на частотах f1 и f2 и последующую экстраполяцию по эмпирической формуле тока утечки и сопротивления изоляции на частоту f0=0 Гц - сопротивление постоянному току, значение которого является искомым;
- устройство контроля сопротивления изоляции присоединений в разветвленной сети постоянного тока включает в себя многоканальный мультиплексор сигналов, схему АЦП, выполняющую измерение сигналов, контроллер, выполняющий управление и необходимые вычисления, блок индикации, а также генератор синусоидального напряжения переключаемой частоты f1 и f2, соединенный с заземленным корпусом устройства и поочередно подключаемый к полюсам сети через контакты реле. Вместе с тем устройство включает в себя установленные на каждом присоединении датчики контроля присоединений, в каждом из которых установлен трансформатор тока, усилитель сигнала и два синхронных детектора, формирующие сигналы U(f1) и U(f2), пропорциональные токам утечки на частотах f1 и f2. По измеренным значениям токов на частотах f1 и f2 вычисляется ток утечки, соответствующий частоте f0=0 Гц, то есть на постоянном токе. Сопротивление изоляции обратно пропорционально току утечки, и его значение на частоте 0 Гц является искомым.
Способ контроля сопротивления изоляции поясняют схемы и векторные диаграммы на фиг.1, 2, 3, 4.
Генератор синусоидального напряжения Uac, соединенный с «землей» с помощью контактов K1, K2, поочередно подключается к полюсам сети (фиг.1). На каждый полюс сети поочередно генерируется напряжение Uac частотой f1, затем f2.
Напряжение Uac вызывает протекание тока Iиз через сопротивление изоляции Zиз. Ток изоляции Iиз измеряется датчиком контроля присоединения, который включает в себя трансформатор тока и измерительную схему датчика. Трансформатор тока имеет кольцевой магнитопровод, через окно которого проходят провода первичной обмотки, соединяющие выключатель и нагрузку присоединения, а также вторичная обмотка с большим числом витков. Через первичную обмотку проходят встречные токи нагрузки, а также ток утечки изоляции Iиз через сопротивление Zиз. Вторичная обмотка подключена к измерительной схеме датчика, содержащей усилитель сигнала и два синхронных детектора (фиг.4). Распределенное комплексное сопротивление изоляции Zиз с достаточной точностью может быть представлено эквивалентными схемами двухполюсников а) и б) (фиг.2). Емкость С1 в основном зависит от конструкции кабеля и его длины. Сопротивление R2 в основном определяется проводимостью среды, окружающей оболочку кабеля. Сопротивление R1 в схеме а) в основном определяется качеством изоляции оболочки кабеля. Сопротивление R1 в схеме б) в основном определяется качеством изоляции полюсов нагрузки присоединения.
Схемам двухполюсников соответствуют векторные диаграммы а) и б) фиг.3. На совмещенных диаграммах в) и г) фиг.3 представлены зависимости тока изоляции Iиз и соответствующих ему сигналов от частоты.
На этих диаграммах введены следующие обозначения:
Iиз(f1) - ток изоляции на частоте f1, U(f1) - сигнал детектора 1 на частоте f1;
Iиз(f2) - ток изоляции на частоте f2, U(f2) - сигнал детектора 2 на частоте f2;
Iиз(f0) - ток изоляции на частоте f0 (постоянный ток);
U(f0) - сигнал, соответствующий частоте f0 (постоянный ток).
При известной передаточной функции прибора измерения в зависимости от частоты можно по измеренному значению сигнала на данной частоте вычислить ток участка цепи на нулевой частоте. Однако точное выражение передаточной функции на все случаи измерения получить трудно, а чаще невозможно. Поэтому предлагается использовать простую эмпирическую аппроксимацию величины сигнала от частоты, позволяющую экстраполировать по измерениям сигналов на двух частотах величину сигнала в нуль частоты.
В области частоты, близкой к нулю, зависимость измеряемого тока от частоты может быть представлена в виде степенного ряда по частоте. С учетом того, что сигнал с трансформатора тока от постоянного тока равен нулю, линейного по частоте члена в выражении для сигнала нет. Поэтому эмпирическое выражение для детектируемого сигнала аппроксимируем простейшим полиномом:
сигнал
n
U(ω)=А·ω+Uf0,
где ω=2·π·f - круговая частота;
А - коэффициент разложения;
Uf0 - сигнал на частоте, равной нулю.
На фиг.3г показана соответствующая этому выражению кривая зависимости сигнала от частоты. Как видно из фиг.3г, по известным значениям сигнала на частотах f1, f2 можно вычислить сигнал на частоте f0.
Степень полинома n может быть определена при калибровке:
.
Но поскольку нам нужно только единственное значение сигнала при нулевой частоте, то калибровка сводится к определению величины коэффициента экстраполяции К напряжения сигнала при стремлении частоты к нулю:
.
Эмпирическое выражение для экстраполяции сигнала, соответствующее току на частоте f0, будет выглядеть следующим образом:
.
Сопротивление изоляции, соответственно, определяется по формуле:
ref
Rиз=Y/Uf0,
ref
где Y - масштабный коэффициент, имеющий размерность Ом·В, соответствующий пределу измерения для конкретного АЦП устройства.
Таким образом, по измеренным значениям тока изоляции на частотах f1 и f2 вычисляется значение сопротивления изоляции, равное сопротивлению на постоянном токе. При этом погрешности измерения, связанные с распределенным сопротивлением и большим реактивным током, исключаются.
Предлагаемый способ реализуется в устройстве, основные элементы и связи которого представлены на схеме (фиг.4).
Устройство состоит из датчиков контроля присоединений, установленных на каждом присоединении, и блока управления.
Устройство работает следующим образом.
Генератор синусоидального напряжения Uac, соединенный с заземленным корпусом устройства с помощью контактов реле K1, K2, поочередно подключается к полюсам сети. По команде контроллера на каждый полюс сети поочередно генерируется напряжение Uac частотой f1, а затем f2. Напряжение Uac вызывает протекание тока Iиз через сопротивление изоляции Zиз. Под действием этого тока в трансформаторе тока формируется сигнал U1, пропорциональный протекающему току. Этот сигнал поступает в схему усилителя, где усиливается. Усиленный сигнал U2 поступает в схемы синхронных детекторов 1 и 2. Для повышения точности измерений каждый датчик имеет два раздельных детектора, а каждый детектор имеет перемножитель и схему усреднения.
Выходные сигналы детекторов U(f1) и U(f2) пропорциональны току Iиз на частотах f1 и f2. Эти сигналы через мультиплексор поочередно поступают в схему АЦП, где измеряются. Результат измерения поступает в контроллер для вычисления сигнала, пропорционального току утечки при частоте, равной нулю, по эмпирическому выражению:
Uf0=Uf1-K×(Uf2-Uf1).
Затем вычисляется соответствующее сопротивление на частоте 0 Гц, то есть на постоянном токе. Результаты вычисления отображаются на дисплее блока индикации, а также автоматически оцениваются на соответствие нормам.
Работоспособность предлагаемого способа контроля сопротивления изоляции проверена на опытном образце устройства.
Предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить точность измерения и расширить область практического применения в сравнении с прототипом.