Устройство автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока
DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OF INSULATION RESISTANCE OF DC POWER SUPPLY NETWORK

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике сетей постоянного тока, предпочтительно транспортных средств с электрической тягой на постоянном токе.
Известно устройство измерения сопротивлений изоляции сети постоянного тока (Патент РФ № RU 2670722 С9, МПК G01R 27/18, заявитель ООО «Силовая электроника», опубл. 24.10.2018 г.), содержащее средства переключения, контроля, измерения параметров, конденсатор и разрядные резисторы, при этом его работа заключается в измерении напряжения между полюсами изолированной сети постоянного тока и "землей" при подключенных измерительных резистивных элементах между каждым полюсом и "землей" и вычислении значений сопротивлений изоляции. В качестве измерительных резистивных элементов используют переключаемые делители напряжения. Переключение делителей производят таким образом, чтобы в первом состоянии общее сопротивление первого делителя было меньше, чем второго, а во втором состоянии общее сопротивление первого делителя было больше, чем второго, причем коэффициент деления каждого делителя оставляют неизменным.
Недостатками этого устройства являются сложность схемы реализации и снижение значений сопротивления изоляции за счет подключения параллельных резисторов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство измерения сопротивления изоляции двухпроводных сетей постоянного тока (Патент SU 1041958 А1, МПК G01R 27/18, заявитель Винницкий политехнический институт, опубл. 15.09.1983 г.), содержащее средства переключения, контроля, измерения параметров, конденсатор и разрядные резисторы, при этом его работа заключается в фиксации напряжения между контролируемой шиной питания и землей, подключении между этой шиной и землей конденсатора и фиксация тока, протекающего через конденсатор, последующего разряда конденсатора и расчета сопротивления изоляции контролируемой шины питания.
Недостатками устройства являются низкая точность измерения при наличии колебаний питающего напряжения, но главное - нарушение требований электробезопасности при измерениях, когда потенциал шины питания подается на заземляющий контур или на корпус автомобиля.
Техническими результатами предлагаемого изобретения являются повышение точности измерения сопротивления изоляции сети постоянного тока, повышение электробезопасности эксплуатации и повышение помехозащищенности в их причинно-следственной связи с признаками предложенного устройства.
P
Д
Устройство автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока, содержит средства переключения, контроля, измерения параметров, конденсатор и резисторы, причем средства переключения выполнены в виде первого К1 и второго К2 коммутирующих элементов, причем вход первого коммутирующего элемента К1 соединен со входным электродом конденсатора С, а его выход через разрядный резистор R соединен с выходным заземленным электродом конденсатора С, а входы второго коммутирующего элемента К2 выполнены с возможностью попеременного соединения с положительной или отрицательной шиной питания, или отключения от сети питания, а его выход соединен через дополнительное сопротивление R с входным электродом конденсатора С, средства измерения параметров выполнены в виде соответствующим образом связанных блоков измерений, расчета и фиксации параметров, средства контроля выполнены в виде блока автоматического управления и контроля, необходимым образом связанного соответственно с коммутирующими элементами, блоками измерений, расчета, контроля и фиксации параметров, средства контроля выполнены в виде блока автоматического управления, необходимым образом связанного соответственно с коммутирующими элементами, блоками измерений, расчета по нижеуказанным соотношениям, контроля и фиксации параметров.
P
Л
i+
i-
i+
i-
P
i+
i-
i+
i-
Указанными блоками устройства при его работе в последовательности, определяемой в блоке управления в порядке заданном его программой управления измеряются напряжения между шинами питания и землей, для этого выключается первый коммутирующий элемент К1, обеспечивающий полный разряд конденсатора С через разрядный резистор R на землю, а в результате полного разряда конденсатора С устройство автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока подготавливается к измерению напряжений, и после того как отключается первый коммутирующий элемент К1, измеряют напряжения между соответствующими шинами питания и землей, и включается на фиксированное время второй коммутирующий элемент К2, обеспечивающий заряд конденсатора С от положительной или во втором случае от отрицательной шины питания через дополнительное сопротивление R и соответствующее сопротивление изоляции R или, R, при этом после выключения через заданное время второго коммутирующего элемента К2 заряд конденсатора С прерывается, замеряют напряжение заряда конденсатора С и после проведения в блоке расчета соответствующих расчетов вычисляют значения сопротивлений изоляции R, или R, затем включают первый коммутирующий элемент К1, замыкая цепь разряда конденсатора С через разрядный резистор R на «землю», который соединен с выходным заземленным электродом конденсатора С, и полностью разряжают его на «землю», тем самым подготавливая к следующему циклу измерения сопротивлений изоляции R или, R соответствующих питающих шин и при этом блок расчета выполнен с возможностью вычисления значения сопротивлений изоляции R, R по следующим соотношениям:
где:
i+
i-
R, R - сопротивления изоляции положительной и отрицательной
шин питания соответственно;
+
-
U, U - напряжения на положительной и отрицательной шинах питания относительно "земли" до начала цикла заряда конденсатора С;
C
U - напряжение на заряженном в процессе измерения конденсаторе;
С - емкость конденсатора;
t - время заряда конденсатора:
Д
R - сопротивление дополнительного резистора в цепи заряда конденсатора.
Далее сравнивают в блоке контроля рассчитанные значения с величинами сопротивлений из предыдущих измерений, вычисленных ранее и определяют их изменения за заданное число предыдущих циклов измерений, если эти величины изменений не превышают штатных величин (например, в пределах статистической погрешности измерений или не превышение предельной величины уменьшения сопротивления изоляции за один шаг цикла измерений) и не имеют тенденцию к росту, то фиксируют заданное число этих значений в блоке фиксации параметров до следующего цикла измерения и расчета.
Технические результаты изобретения заключаются в повышении точности измерений сопротивлений изоляции положительной и/или отрицательной шин сети постоянного тока, повышении электробезопасности эксплуатации и повышении помехозащищенности и достигаются таким образом, что вне зависимости от соотношения сопротивлений изоляции положительной и отрицательной шины питания сети постоянного тока и при их изменениях в процессе эксплуатации производится постоянный контроль этих сопротивлений, при этом за счет простоты выполнения устройства и простых расчетных формул при однотипных автоматически повторяющихся действий измерения и расчета повышаются точность измерения, а путем устранения случайно выпадающих экстремальных значений из общего числа значений измеряемых и расчетных величин, что позволяет своевременно выявить нештатное снижение сопротивления изоляции шин питания или тенденцию к этому, что повышает электробезопасность эксплуатации, помехозащищенность же повышается за счет использования для необходимых измерений такого помехоустойчивого элемента как конденсатор.
На фигуре 1 изображена схема основных измерительных соединений устройства автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока без электрических и механических соединений со средствами контроля, выполненными в виде блока автоматического управления коммутирующими элементами, блоками измерений, расчета и фиксации параметров, соответствующим образом связанными между собой.
P
Д
Устройство автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока содержит средства переключения, контроля, измерения параметров, конденсатор и резисторы. Причем средства переключения выполнены в виде первого К1 и второго К2 коммутирующих элементов, при этом вход первого коммутирующего элемента К1 соединен со с входным электродом конденсатора С, а его выход через разрядный резистор R соединен с выходным заземленным электродом конденсатора С. Входы второго коммутирующего элемента К2 выполнены с возможностью попеременного соединения с положительной или отрицательной шиной питания, или отключения от сети питания, а его выход соединен через дополнительное сопротивление R с входным электродом конденсатора С. Средства измерения параметров выполнены в виде соответствующим образом связанных блоков измерений, расчета и фиксации параметров, средства контроля выполнены в виде блока автоматического управления и контроля, необходимым образом связанного соответственно с коммутирующими элементами, блоками измерений, расчета, контроля и фиксации параметров.
Все указанные блоки являются типовыми, конструируются, программируются и связываются между собой типовым образом, работают по известным заранее заданным алгоритмам и по этой причине не представляют интереса и не требуют подробного описания их конструкции и работы.
i+
i-
Блок расчета выполнен с возможностью вычисления значений сопротивлений изоляции R, или R по следующим соотношениям:
где:
i+
i-
R, R - сопротивления изоляции положительной и отрицательной шин питания соответственно;
+
-
U, U - напряжения на положительной и отрицательной шинах питания относительно "земли" до начала цикла заряда конденсатора С;
C
U - напряжение на заряженном в процессе измерения конденсаторе;
С - емкость конденсатора;
t - время заряда конденсатора;
Д
R - сопротивление дополнительного резистора в цепи заряда конденсатора.
Устройство автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока работает следующим образом в последовательности действия блоков выше описанного устройства следующим образом.
+
-
P
Д
i
P
Устройство автоматического контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока работает в следующей последовательности, при которой посредством автоматики блока автоматического управления и контроля измеряют напряжения U, U между соответственно положительной и/или отрицательной шинами питания и землей, затем для этого после полного разряда конденсатора С выключают первый коммутирующий элемент К1, обеспечивавший полный разряд конденсатора С через разрядный резистор R на землю, затем включают на фиксированное время t второй коммутирующий элемент К2, обеспечивая заряд конденсатора С от произвольно выбранной шины питания через дополнительное сопротивление R и соответствующее сопротивление изоляции R, после выключения второго коммутирующего элемента К2 заряд конденсатора С прерывают, замеряют напряжение заряда конденсатора С и включают первый коммутирующий элемент К1 цепи разряда конденсатора С на землю через разрядный резистор R до полных разряда конденсатора С и готовности к повторному измерению.
Далее сравнивают в блоке контроля рассчитанные значения с величинами сопротивлений из предыдущих измерений, вычисленных ранее и определяют их изменения за заданное число предыдущих циклов измерений, если эти величины изменений не превышают штатных величин (например, в пределах статистической погрешности измерений или не превышение предельной величины уменьшения сопротивления изоляции за один шаг цикла измерений) и не имеют тенденцию к росту, то фиксируют заданное число этих значений в блоке фиксации параметров до следующего цикла измерения и расчета.
C
i-
Заявляемое устройство автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока во время его работы позволяет контролировать в процессе измерения параметры, необходимые для расчета постоянной времени цепи заряда конденсатора С. При этом время измерения и номинальное значение емкости конденсатора С выбираются таким образом, чтобы величина напряжения на конденсатора U по окончанию цикла измерения не превышала 1÷2% от величины напряжения сети питания постоянного тока. В этом случае процесс заряда конденсатора можно считать линейным с точностью до 1%. Аппроксимирующий расчет постоянной времени, например, при расчете R, достигается расчетом соотношения  Если учесть, что для конденсатора постоянная времени τ=CR, получаем требуемую зависимость  Далее находим искомую величину  Аналогично, разрядив конденсатор и подключив коммутирующего элемента К2 к отрицательной шине питающей сети, рассчитываем
Таким образом, вне зависимости от соотношения сопротивлений изоляции положительной и отрицательной шин питания сети постоянного тока и при их изменениях в процессе эксплуатации производится постоянный контроль этих сопротивлений, при этом за счет простоты выполнения устройства и простых расчетных формул при однотипных автоматически повторяющихся измерениях и расчетах повышаются точность измерения, путем устранения случайно выпадающих экстремальных значений из общего числа значений измеряемых и расчетных величин, что позволяет своевременно выявить нештатное снижение сопротивления изоляции шин питания, и это повышает электробезопасность эксплуатации, помехозащищенность же повышается за счет использования для необходимых измерений такого помехоустойчивого элемента как конденсатор.
Оперативного контроля сопротивлений изоляции сети требуют стандарты безопасности различных технологических процессов, например, процесса зарядки и эксплуатации тяговых батарей электромобиля.