УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для непрерывного контроля параметров изоляции сети питания с изолированной нейтралью относительно «земли».
Известно устройство для измерения сопротивления изоляции трехфазных сетей переменного тока с изолированной нейтралью (Цапенко Е.Ф. Контроль изоляции в сетях до 1000 Вт. - М.: Энергия, 1979, стр. 83), содержащее источник напряжения постоянного тока, включенный последовательно с эквивалентным сопротивлением изоляции, ограничительными резисторами, измерительным токовым прибором, чувствительным пороговым элементом - реле, который позволяет измерять эквивалентное сопротивление изоляции и определять момент снижения сопротивления изоляции до предельного уровня, при котором срабатывает реле.
Недостатком данного устройства является снижение точности измерения за счет возможности прибора показывать только полное сопротивление контура, а не сопротивление изоляции, кроме того показания измерительного прибора зависят от величины напряжения источника питания постоянного тока.
Известны приборы контроля сопротивления изоляции фирмы HAKEL, а именно модули HIS (каталог фирмы HAKEL 2008 г., стр. 4-7), позволяющие определять момент снижения сопротивления изоляции ниже заданного порога. Регулятор, размещенный на лицевой панели прибора HIS, позволяет устанавливать значения порога контролируемого сопротивления изоляции с точностью около 20%, если необходимо установить порог сопротивления с большей точностью, то необходимо подключить калибровочное сопротивление к клеммам CENTRE и РЕ, предварительно отключив прибор от контролируемой сети. Величина этого сопротивления должна соответствовать требуемому значению порога сопротивления изоляции.
Недостатком данного устройства является сложность точной установки требуемого порога сопротивления изоляции и невозможность измерять текущее значение сопротивления изоляции. Прибор имеет низкую точность установки порога (около 20%), для более точной установки порога необходимо отключать прибор от контролируемой сети и подключать резистор величиной требуемого порога к устройству и вручную устанавливать порог срабатывания.
Известно устройство для контроля сопротивления изоляции электрических сетей с изолированной нейтралью, выбранное в качестве прототипа (патент №47601 на полезную модель от 13.05.2005 г.), содержащее ограничительное сопротивление, шунт, включаемые последовательно с сопротивлением изоляции, средство измерения, причем средство измерения выполнено с возможностью измерения отношения напряжения участка цепи, содержащего ограничительное сопротивление, и участка цепи, параллельного источнику питания, при этом участок цепи, параллельной источнику питания, содержит опорный делитель напряжения, а средство измерения выполнено с возможностью определения сопротивления изоляции по отношению напряжений на шунте и опорном сопротивлении.
Недостатком данного устройства является снижение точности измерения сопротивления изоляции за счет погрешности измерения напряжения средством измерения. Погрешность измерения сопротивления изоляции также зависит от погрешности ограничительного резистора, шунта и делителя напряжения, которые должны быть высокоточными. Расчеты показывают, что погрешность измерения сопротивления изоляции только за счет этих резисторов составляет не менее пяти допусков их изготовления. Кроме того, существует дополнительная погрешность измерения сопротивления изоляции, возникающая за счет нелинейности преобразования аналого-цифрового преобразователя в диапазоне входных сигналов.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение точности измерения величины сопротивления изоляции за счет снижения погрешности измерения в широком диапазоне значений сопротивления изоляции, что позволяет его измерять с меньшей погрешностью и, следовательно, определять более точно момент его уменьшения до предупредительного или аварийного уровня.
Для достижения указанного технического результата устройство измерения сопротивления изоляции в электрических сетях с изолированной нейтралью содержит корпус, ограничительный резистор, измерительный резистор, независимый источник напряжения постоянного тока и первый фильтрующий конденсатор. Первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с электрической сетью, второй вывод соединен с первым выводом измерительного резистора и первым выводом первого фильтрующего конденсатора, второй вывод которого соединен со вторым выводом измерительного резистора и вторым выводом ограничительного резистора. Дополнительно введены переключатель, n выключателей, n калибровочных резисторов, блок управления и второй фильтрующий конденсатор. Первый вывод переключателя соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод соединен с зажимом, относительно которого производится измерение сопротивления изоляции, а
третий вывод соединен с первыми выводами n выключателей, вторые выводы которых соединены с первыми выводами n калибровочных резисторов соответственно, вторые выводы которых объединены и соединены с первым выводом источника напряжения постоянного тока, который выводами подключен к выводам второго фильтрующего конденсатора соответственно. Первый вход блока управления соединен со вторым выводом источника напряжения постоянного тока, а второй вход соединен со вторым выводом ограничительного резистора, вторым выводом первого фильтрующего конденсатора и вторым выводом измерительного резистора. Первый выход блока управления соединен с входом управления переключателя, а выходы со второго по n+1 соединены с входами управления n выключателей соответственно.
Полезная модель поясняется схемами:
- фиг. 1 - Структурная схема устройства измерения сопротивления изоляции в электрических сетях с изолированной нейтралью;
- фиг. 2 - Структурная схема реализации блока управления. На фиг. 1 показано:
- 1 - корпус устройства измерения сопротивления изоляции в электрических сетях с изолированной нейтралью;
- 2 - ограничительный резистор;
- 3 - измерительный резистор;
- 4 - источник напряжения постоянного тока;
- 5 - первый фильтрующий конденсатор;
- 6 - переключатель;
- 7 - выключатели;
- 8 - калибровочные резисторы;
- 9 - блок управления;
- 10 - второй фильтрующий конденсатор;
- 11 - эквивалентные сопротивления изоляции;
- 12 - электрическая сеть.
Первый вывод ограничительного резистора 2 соединен с первым выводом переключателя 6, второй вывод которого соединен с зажимом, относительно которого производится измерение сопротивления изоляции, а третий вывод с первыми выводами выключателей 7, вторые выводы которых соединены с первыми выводами калибровочных резисторов 8 соответственно. Вторые выводы калибровочных резисторов 8 объединены и соединены с первым выводом источника напряжения постоянного тока 4, второй вывод
1
1
2
n+1
2
n+1
которого соединен с первым входом блока управления 9, первым выводом измерительного резистора 3 и первым выводом первого фильтрующего конденсатора 5. Второй вывод ограничительного резистора 2 соединен со вторым выводом первого фильтрующего конденсатора 5, который соединен со вторым выводом измерительного резистора 3 и вторым входом блока управления 9. Независимый источник напряжения постоянного тока 4 выводами подключен к выводам второго фильтрующего конденсатора 10 соответственно. При этом первый вывод источника постоянного напряжения 4 соединен одной из фаз электрической сети 12, которая соединена с эквивалентными сопротивлениями изоляции 11, которые соединены с зажимом, относительно которого производится измерение сопротивления изоляции. Первый выход блока управления У соединен с входом управления У переключателя 6, выходы с У по У блока управления 9 соединены с входами управления У - У выключателей 7 соответственно.
На фиг. 2 показано:
- 13 - усилитель;
- 14 - каскад гальванической развязки;
- 15 - контроллер;
- 16 - каскад приема/передачи сигнала по каналу связи.
1
n+1
Первый и второй входы блока управления 9 соединены с первым и вторым входами усилителя 13, выход которого соединен с входом каскада гальванической развязки 14, выход которого соединен с измерительным входом контроллера 15. Выходы управления контроллера 15 соединены с выходами управления ключами У - У информационные вход и выход контроллера 15 соединены с соответствующими входом и выходом каскада приема/передачи сигнала по каналу связи 16, а управляющий выход контроллера 15, соединен в третьим входом усилителя 13, с помощью которого можно изменять коэффициент его усиления. При этом вывод вход/выход каскада приема/передачи сигнала по каналу связи 16 подключен к линии связи с интерфейсом RS-485.
Полезная модель работает следующим образом:
В исходном состоянии переключатель 6 находится в положении, когда первый вывод ограничительного резистора 2 через переключатель 6 соединен с первыми выводами выключателей 7, которые находятся в разомкнутом состоянии.
При замыкании одного из выключателей 7 ток от плюса источника питания постоянного тока 4 протекает через соответствующий калибровочный резистор 8, соответствующий выключатель 7, переключатель 6, ограничительный резистор 2, измерительный резистор 3 на минус источника питания постоянного тока 4.
к1
Падение напряжения на измерительном резисторе 3 определяется величиной последовательно подключенных измерительного резистора 3, ограничительного резистора 2 и калибровочного резистора 8, а так же величиной напряжения на источнике питания постоянного тока 4. Входное сопротивление блока управления 9 значительно больше величины измерительного резистора 3, поэтому падение напряжения U на измерительном резисторе 3, будет равно:
к1
изм
изм
к1
огр
U=E*R/(R+R+R), где:
- Е - величина напряжение источника питания 4;
изм
- R - величина сопротивления измерительного резистора 3;
к1
- R - величина сопротивления подключенного калибровочного резистора 8;
огр
- R - величина сопротивления ограничительного резистора 2.
к2
При отключении первого калибровочного резистора и подключении второго калибровочного резистора R падение напряжения на измерительном резисторе 2 будет равно:
к2
изм
изм
к2
огр
U=E·R/(R+R+R)
1
и
Для измерения эквивалентного сопротивления изоляции, которое представляет собой сопротивление параллельно включенных резисторов 11, переключатель 6 по команде У с блока управления 9 подключает ограничительный резистор 2 к зажиму, относительно которого ведется измерения сопротивления изоляции. При этом от плюса источника питания постоянного тока 4 ток будет протекать по эквивалентному сопротивлению изоляции 11, через переключатель 6, ограничительный резистор 2, измерительный резистор 3 на минус источника напряжения постоянного тока 4. Падение напряжения U на измерительном резисторе 3 будет равно:
и
изм
изм
и
огр
U=E*R/(R+R+R), где
и
- R - эквивалентное сопротивление изоляции 11 электрической сети 12.
Величину сопротивления изоляции при калибровке по двум калибровочным резисторам можно подсчитать по выражению:
и
к1
к1
и
к2
к1
к1
к2
к1
и
к1
к2
R=R*U/U+(R-R*U/U)*(U/U-1)/(U/U-1)
Как видно из этого выражения, величина измеренного сопротивления изоляции не зависит ни от величины напряжения источника питания постоянного тока 4, ни от величины ограничительного 2 или измерительного 3 резисторов.
На краях поддиапазона измерения, определяемых величиной калибровочных резисторов, ошибка измерения, возникающая за счет нелинейности коэффициента преобразования блока управления, отсутствует. Внутри поддиапазона измерения ошибка измерения сопротивления изоляции за счет нелинейности коэффициента передачи блока
управления так же будет существенно ниже, чем в схеме, приведенной в прототипе, т.к. диапазон измерения стал меньше, а на краях поддиапазона ошибка за счет нелинейности коэффициента передачи блока управления равна нулю. Ошибка измерения сопротивления изоляции за счет погрешности калибровочных резисторов будет определяться допуском на их изготовление. Можно показать, что при равных допусках на калибровочные резисторы ошибка измерения примерно будет равна допуску на изготовление одного калибровочного резистора.
Блок управления 9 работает следующим образом:
1
(n+1)
Падение напряжения на измерительном резисторе 3 поступает на вход усилителя 13, коэффициент усиления которого может изменяться по команде контроллера. С выхода усилителя 13 сигнал поступает на вход каскада гальванической развязки 14, с выхода которого поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя контроллера 15, где преобразуется в цифровой код, контроллер производит вычисление сопротивления изоляции и через каскад приема/передачи 16 может передавать эти значения для дальнейшего использования. Сигналы с выхода контроллера У - У управляют состоянием переключателя 6 и выключателей 7.
Введение дополнительных n выключателей и n калибровочных резисторов переключателя позволяет перед процессом контроля величины сопротивления прокалибровать канал измерения по высокоточным резисторам, тем самым позволяет измерять величину сопротивления изоляции с погрешностью 1-2%, а введение второго фильтрующего конденсатора уменьшает нестабильность напряжения на выводах источника напряжения постоянного тока, что дополнительно снижает погрешность измерения сопротивления изоляции и повышает точность измерения величины сопротивления изоляции.
Таким образом, использование предложенного технического решения для непрерывного контроля параметров изоляции сети питания с изолированной нейтралью относительно «земли» за счет снижения погрешности измерения в широком диапазоне значений сопротивления изоляции позволяет его измерять с меньшей погрешностью и, следовательно, определять более точно момент его уменьшения до предупредительного или аварийного уровня, что повышает точность измерения величины сопротивления изоляции.