СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
INSULATION RESISTANCE AND ELECTRIC NETWORK PROTECTION CONTROL METHOD

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и релейной защите и предназначено для использования в электрических сетях переменного и двойного тока с изолированной нейтралью для защиты электрооборудования и обслуживающего персонала.
Известны способы контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанные на измерении тока утечки от вспомогательного источника тестового напряжения, при которых в контролируемую сеть подают тестовое напряжение в виде периодической последовательности разно-полярных импульсов, производят измерение тока утечки в течение части времени действия импульса, соответствующей заряженной до постоянного напряжения емкости питающей сети, производят вычисление сопротивления изоляции, сравнивают полученное значение с допустимым значением и при уменьшении измеренного сопротивления изоляции ниже допустимого значения производят отключение электрической сети (Патент РФ №2321008, МПК G01R 27/16, 2006 г.; Патент РФ №2437109, МПК G01R 27/18, 2011 г.; Авторское свидетельство СССР №1737363, МПК G01R 27/18, 1992 г.).
В известных способах измерение сопротивления изоляции производится циклически с использованием генератора тестового напряжения в виде периодической последовательности разнополярных импульсов специальной формы. В каждом цикле предусматривается два основных этапа: заряд емкости сети до заданного постоянного напряжения и непосредственное измерение тока утечки в установившемся режиме для постоянного тока в электрической сети. Далее по измеренным значениям токов утечки при положительном и отрицательном напряжениях вычисляется сопротивление изоляции, которое сравнивается с допустимым значением. При уменьшении сопротивления ниже допустимого значения производится отключение электрической сети.
Время непосредственного измерения тока утечки обычно принимается равным одному или нескольким периодам питающей сети с целью обеспечения помехоустойчивого измерения. Время заряда емкости питающей сети зависит от величины этой емкости и активного сопротивления цепи заряда. При изменении емкости время заряда изменяется. Длительный переходный процесс при заряде емкости искажает результат измерения тока утечки и, таким образом, снижает надежность защиты. Для обеспечения корректного измерения длительность этапа заряда выбирается из условия максимально возможной емкости контролируемой сети. Это служит причиной увеличения общей продолжительности измерения. В соответствии с документом РД 05-334-99 «Нормы безопасности на электроустановки угольных разрезов и требования по их безопасной эксплуатации», утвержденным Постановлением Госгортехнадзора России от 24 декабря 1999 г., №96, в сетях с отключением без выдержки времени собственное время срабатывания защиты от токов утечки при сопротивлении однофазной утечки 1 кОм в сетях переменного тока должно быть не более 0,1 с при напряжении до 660 В и не более 0,07 с при напряжении 1140 В.
Следовательно, недостатками известных способов контроля электрического сопротивления изоляции и защитного отключения электрооборудования являются низкие точность измерения и быстродействие защиты электрической сети.
Из известных способов наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанный на измерении тока утечки от вспомогательного источника тестового напряжения, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
l
2
1
2
0
0
где U, U - постоянные напряжения, U>U, τ - временной интервал, Т - период следования импульсов тестового напряжения, ; измеряют ток утечки I в интервале времени  и ток утечки I в интервале Т-Т<t≤Т, где Т - период напряжения контролируемой сети, , путем усреднения падения напряжения на измерительном сопротивлении за период питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
1
из
1
где r - внутреннее сопротивление источника, сравнивают полученное значение с уставкой R, при r<R повторяют измерения n раз, и при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n раз производят отключение сети (Патент РФ №2144679. МКИ G01R 27/18, Н02Н3/16 - Опубл. 20.01.2000. Бюл. №2).
Способ основан на измерении тока утечки от вспомогательного источника тестового напряжения в форме периодической последовательности импульсов вида
0
1
2
0
В соответствии с известным способом измерение сопротивления изоляции производится циклически, в каждом цикле предусматривается два основных этапа: заряд емкости сети до заданного постоянного напряжения (при  и ) и непосредственное измерение тока утечки в установившемся режиме для постоянного тока (при  и Т-Т<t≤T) в электрической сети. На основании измерений тока утечки Iв интервале времени  и тока утечки I в интервале Т-Т<t≤Т выполняется вычисление сопротивления изоляции по формуле
из
0
Полученное значение r сравнивается с уставкой R, выполняется повторение измерений n раз и отключение сети при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n раз.
Время непосредственного измерения тока утечки обычно принимается равным одному или нескольким периодам питающей сети с целью обеспечения помехоустойчивого измерения. Время заряда емкости питающей сети зависит от величины этой емкости и активного сопротивления цепи заряда. При изменении емкости время заряда изменяется. Длительный переходный процесс при заряде емкости искажает результат измерения тока утечки и, таким образом, снижает надежность защиты. Для обеспечения корректного измерения длительность этапа заряда выбирается из условия максимально возможной емкости контролируемой сети. Это служит причиной увеличения общей продолжительности измерения.
Таким образом, недостаток известного способа контроля сопротивления изоляции - низкие точность измерения и быстродействие защиты электрической сети.
Цель предлагаемого изобретения - повышение точности и быстродействия контроля электрического сопротивления изоляции и защиты электрической сети.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
1
2
0
0
где U, U - постоянные напряжения, U>U, τ - временной интервал, Т - период следования импульсов тестового напряжения, ; измеряют ток утечки I в интервале времени  и ток утечки I в интервале Т-Т<t≤T, где Т - период напряжения контролируемой сети, , путем усреднения падения напряжения на измерительном сопротивлении за период питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
0
из
0
1
из0
п1
п2
п1
2
п2
2
где r - внутреннее сопротивление источника, сравнивают полученное значение с уставкой R и при r≤R повторяют измерения n раз и при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n раз производят отключение электрооборудования, дополнительно в каждом цикле измерения устанавливают напряжение U равным , где r - значение сопротивления изоляции, измеренное в предыдущем цикле, измеряют ток i(t) заряда емкости сети, вычисляют пороговые значения и, сравнивают ток i(t) с пороговыми значениями I и I и, при 0≤i(t)<I устанавливают тестовое напряжение u(t)=U, а при I<i(t)≤0, значение напряжения u(t)=-U.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (операции):
1
из0
- дополнительно в каждом цикле измерения устанавливают напряжение U равным , где r - значение сопротивления изоляции, измеренное в предыдущем цикле;
- измеряют ток i(t) заряда емкости сети;
- вычисляют пороговые значения  и ;
п1
п2
сравнивают ток i(t) с пороговыми значениями I и I;
п1
2
п2
2
- при 0≤i(t)<I устанавливают тестовое напряжение u(t)=U, а при I<i(t)≤0, значение тестового напряжения u(t)=-U.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
2
1
1
1
-1
При реализации предполагаемого изобретения повышаются точность контроля сопротивления изоляции и быстродействие защиты электрооборудования. Это обеспечивается выбором и управлением параметрами импульса напряжения при заряде конденсатора по критерию минимального времени заряда емкости сети при заданных параметрах источника питания. Значения амплитуд импульсов тестового напряжения выбираются в соответствии с уравнением U=(1-e)U. Длительность  и  действия импульсов с амплитудами U и - U регулируется из условия их равенства постоянной времени цепи заряда. Постоянная времени цепи заряда определяется в каждом цикле измерения по амплитуде импульса тока и известному сопротивлению цепи.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области измерительной техники и релейной защиты.
Операции:
- дополнительно измеряют ток i(t) заряда емкости сети;
1м
2м
1
1
- измеряют амплитудные значения I и I импульсов тока i(t), действующих при включении напряжений U и - U;
п1
1м
п2
2м
-1
-1
- вычисляют пороговые значения I=еI и I=еI;
п1
п2
- сравнивают ток i(t) с пороговыми значениями I и I;
п1
2
п1
2
2
1
-l
- при 0≤i(t)<I устанавливают тестовое напряжение u(t)=U,a при I<i(t)≤0, напряжения U устанавливают равным U=(1-e)U, в известных способах аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная принципиальная схема трехфазной электрической сети, поясняющая способ контроля сопротивления изоляции сети с изолированной нейтралью при наличии в сети тиристорного преобразователя ТП, на фиг. 2 приведена эквивалентная электрическая схема заряда емкости сети и измерения сопротивления изоляции, на фиг. 3 показана диаграмма тестового напряжения, на фиг. 4 приведена диаграмма процесса заряда емкости сети и измерения сопротивления изоляции.
с
тА
тВ
тС
т
0
А
B
C
A
B
C
п1
п2
п1
п2
н
На фиг. 1 обозначено: 1 - источник трехфазного переменного напряжения Е; 2, 3 и 4 - добавочные резисторы, сопротивления добавочных резисторов r=r=r=r; 5 - управляемый источник тестового напряжения u(t); 6 - измерительный резистор сопротивлением r; 7 - усилитель; 8, 10 и 12 - сопротивления изоляции фаз А, В и С контролируемой сети соответственно r, r, r; 9, 11 и 13 - емкости фаз А, В и С контролируемой сети соответственно С, С, С; 14 - микроконтроллер; 16 - блок индикации; 17 и 19 - сопротивления изоляции сети постоянного тока (для фидеров, подключенных к положительному и отрицательному полюсам тиристорного преобразователя ТП) соответственно r, r; 18 и 20 - емкости сети постоянного тока; С, С; 21 - коммутационный аппарат; 22 - комплексное сопротивление нагрузки преобразователя Z.
0
Напряжение от управляемого источника 5 через звезду добавочных резисторов 2, 3 и 4 поступает в контролируемую трехфазную сеть. Ток, протекающий в контуре: «источник тестового сигнала» u(t) - добавочные резисторы 2, 3 и 4 - сопротивление изоляции - земля, контролируется по величине падения напряжения на измерительном резисторе 6 (r). Напряжение с измерительного резистора 6 через усилитель 7 поступает на вход микроконтроллера 14. Величины сопротивления и емкости изоляции вычисляются в зависимости от измеренного падения напряжения на измерительном резисторе 6 и известного тестового напряжения. Микроконтроллер 14 на основе результатов измерения тока заряда емкости сети формирует сигнал управления для управляемого источника тестового напряжения 5. Коммутационный аппарат КА, управляющий вход которого соединен с выходом микроконтроллера МК, предназначен для отключения защищаемого участка сети.
0
из
Алгоритм формирования тестового напряжения и идентификации сопротивления поясняется с помощью эквивалентной однолинейной схемы, показанной на фиг. 2, где обозначено: 23 - измерительный резистор r; 24 - управляемый источник тестового напряжения; 25 - добавочный резистор; 26 - емкость С сети; 27 - сопротивление изоляции контролируемой сети r.
2
0
т
из
Источник тестового сигнала 5 в течение интервала времени  формирует постоянное напряжение u(t)=U. В установившемся режиме при условии, что r<<r+r, ток этого источника равен
из
где r - эквивалентное сопротивление изоляции сети, учитывающее сопротивление изоляции участков переменного и постоянного тока;
п
U - напряжение участка сети постоянного тока.
2
В течение интервала времени  источник тестового сигнала 5 формирует напряжение u(t)=-U. В этом случае ток источника 5 равен
из
Решение системы уравнений (1) и (2) относительно r дает формулу
п
2
0
0
инвариантную относительно величины постоянного напряжения U в предположении u(t)=±U=const в интервалах измерения. С целью повышения помехоустойчивости и обеспечения точности результата при измерении сопротивления изоляции ток утечки определяется путем усреднения падения напряжения на измерительном сопротивлении r за период питающей сети Т (см. фиг. 3).
1
Форма тестового сигнала показана на фиг. 3. Тестовое напряжение представляет собой последовательность разнополярных импульсов специальной формы. В интервале времени 0<t≤τ напряжение u(t)=U и обеспечивает ускоренный процесс перехода электрической системы в установившееся состояние, а именно, форсированный заряд емкостей в цепях переменного и постоянного тока (емкости С на фиг. 2).
Заряд емкости происходит в соответствии с уравнением
где  - постоянная времени цепи заряда.
Ток заряда емкости изменяется по закону
В момент времени t=0 ток заряда имеет максимальное значение и равен
В соответствии с уравнением (4) теоретическое установившееся значение напряжения на емкости при t→∞ равно
2
В момент времени t=Т напряжение на емкости достигает значения
2
1
2
C
2
2
1
Примем постоянную времени Т равной времени действия импульса с амплитудой U, т.е. τ=T. Завершение переходного процесса, т.е. полный заряд емкости произойдет, если при переключении напряжения будет выполнено условие u(T)=U. Это условие выполняется, если напряжение Uв начале цикла установлено равным
из0
где r - значение сопротивления изоляции, измеренное в предыдущем цикле.
2
Для определения момента времени t=Т используется ток заряда емкости. В момент времени t=0 ток заряда имеет максимальное значение и равен
2
В момент времени t=Т зарядный ток равен
из
из0
2
С учетом выражения (7) при допущении r≈r, зарядный ток в момент времени t=Т достигает значения
или
2
2
Из уравнения (8) следует, что при t=Т ток заряда емкости достигает порогового значения . В момент времени t=τ=T при выполнении условия
1
2
происходит переключение тестового напряжения с U до U, и заряд емкости заканчивается.
2
В течение интервала времени  источник тестового сигнала 5 формирует постоянное напряжение u(t)=U. В установившемся режиме по измерительной цепи протекает ток
1
Падение напряжения, вызванное протеканием тока I, на измерительном резисторе 6 усиливается усилителем 7. Сигнал с выхода усилителя поступает на вход контроллера 14 для дальнейшей обработки.
2
Процесс повторяется во втором полупериоде тестового напряжения. При этом в течение интервала времени  источник тестового сигнала 5 формирует напряжение u(t)=-U. ток источника 5 равен
2
Падение напряжения, вызванное протеканием тока I, на измерительном резисторе 6 усиливается усилителем 7. Сигнал с выхода усилителя поступает на вход контроллера 14 для дальнейшей обработки.
из
Контроллер 14 после окончания периода измерения вычисляет сопротивление изоляции r по формуле
Алгоритм формирования сигнала аварийного отключения содержит:
из
- вычисление значения эквивалентного сопротивления изоляции r;
- запоминание и хранение в памяти контроллера n, например, двух или трех последних измеренных значений сопротивления изоляции;
из
0
- сравнение r с уставкой R (например, 10 кОм), и повторные измерения с целью подтверждения полученного результата;
- отображение на мониторе 16 текущего значения сопротивления изоляции и факта снижения сопротивления до установленных пороговых значений;
- формирование сигнала отключения для коммутационного аппарата 21.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять контроль сопротивления изоляции и защиту электрической сети и обеспечивает повышенные быстродействие измерений и надежность зашиты за счет оптимального по критерию минимального времени заряда емкости сети при заданных параметрах источника питания.
2
т
0
из
С целью подтверждения положительного эффекта при использовании предлагаемого технического решения выполнено моделирование устройства с помощью MATLAB-Simulink. Параметры моделируемой системы: E=220 В; U=100 В; С=1 мкФ; r=10 кОм; r=5 Ом. Диаграмма процессов для тока в измерительной цепи при r=30 кОм показана на фиг. 5.
Следовательно, использование в предлагаемом способе контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрической сети, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
1
2
0
0
где U, U - постоянные напряжения, U>U; τ - временной интервал, T - период следования импульсов тестового напряжения, ; измеряют ток утечки I в интервале времени  и ток утечки I в интервале T-T<t≤Т, где T - период напряжения питающей сети, , путем усреднения падения напряжения на измерительном сопротивлении за период питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
0
из
0
1
из0
п1
п2
п1
2
п2
2
где r - внутреннее сопротивление источника, сравнивают полученное значение с уставкой R и при r≤R повторяют измерения n раз и при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n раз производят отключение электрооборудования, дополнительно операций: в каждом цикле измерения устанавливают напряжение U и равным , где r - значение сопротивления изоляции, измеренное в предыдущем цикле, измеряют ток i(t) заряда емкости сети, вычисляют пороговые значения  и , сравнивают ток i(t) с пороговыми значениями I и I и при 0≤i(t)<I устанавливают тестовое напряжение u(t)=U, а при I<i(t)≤0, значение напряжения u(t)=-U, обеспечивает повышение быстродействия и надежности контроля электрического сопротивления изоляции и защиты электрической сети.
Использование предлагаемого технического решения в электрических системах различного назначения позволит повысить надежность и безопасность работы электрооборудования.