СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ДЛЯ ВЫБОРОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕМКОСТИ УТЕЧКИ ПОДСИСТЕМЫ В НЕЗАЗЕМЛЕННОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
METHOD AND A CONTROL DEVICE FOR SELECTIVE DETERMINATION OF SUBSYSTEM LEAKAGE CAPACITY IN AN UNGROUNDED POWER SUPPLY SYSTEM

Настоящее изобретение относится к способу и устройству контроля для выборочного определения емкости утечки подсистемы в системе электропитания с изолированной нейтралью, которая состоит из основной системы и по меньшей мере одной подсистемы.
Когда требования к функциональной, пожарной и контактной безопасности возрастают, на первый план при эксплуатации выходит схема незаземленной сети электропитания. При такой конфигурации сети активные компоненты системы электропитания отделены от потенциала земли или соединены с землей через достаточно высокий импеданс. Поэтому систему электропитания такой конфигурации также называют изолированной сетью или системой электропитания с изолированной нейтралью (IT -от французского:  Terre)
Импеданс (нейтральной точки) между активными компонентами и землей рассматривается, как достаточно высокий, если никакие опасные токи повреждения не могут возникать при первой неисправности, например, коротком замыкании на землю или на корпус.
Важным преимуществом незаземленной системы электропитания является то, что такая система способна продолжать свою работу даже при первой неисправности, при условии, что состояние изоляции постоянно контролируется системой контроля изоляции; однако, такие неисправности рекомендуется как можно скорее устранять.
Чтобы выполнить требование быстрого устранения первой неисправности, в сложных, широко разветвленных незаземленных системах электропитания, содержащих основную систему и несколько подсистем, как правило используют систему обнаружения неисправности изоляции.
Система обнаружения неисправности изоляции, по существу, состоит из одного генератора испытательного тока, который генерирует испытательный ток и подает его в незаземленную систему электропитания в центральный пункт между одним или более активными проводниками и землей, а также из нескольких датчиков испытательного тока, которые в большинстве случаев выполнены в виде измерительных трансформаторов тока, и расположены на выходных линиях (подсистем), подлежащих контролю, чтобы регистрировать там парциальный испытательный ток, при этом указанные измерительные трансформаторы тока соединены с центральным устройством определения нарушения изоляции для оценки измеренного сигнала.
Для того, чтобы оценить, является система электропитания фактически незаземленной или представляет собой систему электропитания с достаточно высоким импедансом, следует осуществлять не только постоянный контроль сопротивления изоляции, но и крайне важное наблюдение за ожидаемыми емкостями утечки в системе и за схемой заземления системы для функциональных средств соединения с землей.
В большинстве прикладных задач, наблюдения за ожидаемыми емкостями утечки в системе и за системой заземления достаточно на шаге планирования, во время начальной эксплуатации и при повторных испытаниях.
Однако, существуют электроустановки критичные в отношении безопасности, например, системы, применяемые на железной дороге, ибо в таких системах емкости утечки нельзя рассматривать, как статические величины, но приходится рассматривать, как динамические параметры, которые также значительно изменяются в промежутке между испытаниями за счет различных влияющих факторов, например, под влиянием окружающей среды (влажности, повреждений).
Превышение емкостью утечки системы порогового значения во взаимосвязи с электрическими свойствами имеющейся системы заземления может приводить к тому, что нормативные требования по электробезопасности не будут больше выполняться. В этих случаях незаземленная система электропитания должна быть автоматически выключена.
Однако это противоречит основной идее незаземленной системы электропитания, которая заключается в предотвращении отключения электроустановки и последующего прекращения ее функционирования, при возникновении первой неисправности.
Согласно уровню техники, предпринимаются усилия, чтобы во время повторных испытаний подтверждать, что система защитного заземления по-прежнему находится в надлежащей конфигурации. Емкости утечки системы, увеличившиеся во время эксплуатации, например, могут привести к тому, что система защитного заземления более не будет соответствовать условиям эксплуатации.
К сожалению, данная часть повторных испытаний не может быть выполнена во время работы электроустановки. В зависимости от разветвленности и сложности подлежащей испытанию системы электропитания в данном контексте приходится считаться со значительным требующимся временем и соответствующей продолжительностью простоя в работе.
Более того, если увеличение емкостей утечки системы возникает только при определенных рабочих состояниях, то шансы обнаружения такой возможной опасности при повторных испытаниях тогда крайне малы.
Другое возможное решение, которое используют на практике, состоит в намеренном завышении возможностей системы заземления. Поперечное сечение защитного проводника увеличивают сверх исходного номинала настолько, что нормативные требования выполняются, даже когда во время работы возникают флуктуации ожидаемых величин емкостей утечки системы. В зависимости от соответствующего применения, такое решение не может быть выполнено экономически оправданным образом. Из опыта известно, что проблема состоит в том, что ни конструктор, ни оператор электроустановки не знакомы в достаточной степени с важными, значимыми параметрами системы, такими как емкости утечки системы и диапазон их флуктуации.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является техническое решение, посредством которого критичное в отношении безопасности изменение емкости утечки незаземленной системы электропитания может быть обнаружено без отключения незаземленной системы электропитания в целом, что было бы связано с простоем в работе, который бы потребовался.
Задача настоящего изобретения решается посредством способа, содержащего следующие шаги: определяют общее сопротивление изоляции системы электропитания; определяют общую емкость утечки системы электропитания; непрерывно генерируют и подают испытательный ток в основную систему; регистрируют парциальный испытательный ток в каждой подлежащей контролю подсистеме; определяют омическую и емкостную составляющие для каждого регистрируемого парциального испытательного тока; определяют парциальное сопротивление изоляции и парциальную емкость утечки системы для каждой подлежащей контролю подсистемы на основании общего сопротивления изоляции, общей емкости утечки системы, испытательного тока, и на основании омической и емкостной составляющих парциального испытательного тока; и оценивают найденное парциальное сопротивление изоляции на предмет падения ниже порогового значения парциального сопротивления изоляции, а также оценивают найденную парциальную емкость утечки системы на предмет превышения порогового значения парциальной емкости утечки системы
Основная идея настоящего изобретения, которая обеспечивает его преимущество, основана на определении, в какой подсистеме произошло критическое увеличение парциальной емкости утечки, чтобы избежать отключения всей незаземленной системы электропитания.
С это целью, во время работы системы, посредством системы расширенного контроля изоляции непрерывно определяют общее сопротивление изоляции и общую емкость утечки системы электропитания. В системе расширенного контроля изоляции дополнительно к фактической задаче контроля сопротивления изоляции производится определение общей емкости утечки системы электропитания. К этой общей емкости утечки системы обращаются на следующем шаге способа (см. ниже) для вычисления парциальной емкости утечки системы, имеющейся в определенной подсистеме.
В то же самое время генератор испытательного тока генерирует испытательный ток и подает его в незаземленную систему электропитания в центральном местоположении между одним или более активными проводниками и землей.
Посредством датчиков испытательного тока, которые предпочтительно выполнены в виде измерительных трансформаторов тока, регистрируют парциальный испытательный ток в каждой подлежащей контролю подсистеме.
Дополнительно к известному устройству локализации неисправности изоляции, и в соответствии с настоящим изобретением, помимо обычного определения омической составляющей парциального испытательного тока, построена система расширенной локализации неисправности изоляции для определения емкостной составляющей каждого найденного парциального испытательного тока.
Таким образом, парциальный испытательный ток, протекающий благодаря центральной подаче испытательного тока в данной подсистеме, регистрируют для каждой подлежащей контролю подсистемы, и на основании этих данных определяют омическую составляющую парциального испытательного тока и емкостную составляющую парциального испытательного тока.
В системе оценки импеданса, содержащей блок оценки импеданса и блок анализа импеданса, производится оценка и анализ величин общего сопротивления изоляции, общей емкости утечки системы, испытательного тока и омической и емкостной составляющих парциального испытательного тока, чтобы на следующем шаге определить парциальное сопротивление изоляции, действительное для соответствующей подсистемы, и действительную парциальную емкость утечки системы.
С этой целью парциальное сопротивление изоляции и парциальную емкость утечки системы определяют для каждой подлежащей контролю действующей подсистемы, исходя из формы сигнала испытательного тока и его соответствующего параметра, такого как амплитуда, частота и фаза (при испытательном токе синусоидальной формы) или длительность импульса (при испытательном токе прямоугольной формы) и на основании данных общего сопротивления изоляции (действительная часть комплексного импеданса общей утечки системы) и данных общей емкости утечки системы (мнимая часть комплексного импеданса общей утечки системы), а также омической и емкостной составляющих парциального испытательного тока, определенных из регистрируемого парциального испытательного тока путем применения закона Ома и соотношений между током и напряжением (правило делителя тока) действительных для линейных систем.
В блоке анализа импеданса найденное парциальное сопротивление изоляции далее анализируют на предмет падения парциального сопротивления изоляции ниже его порогового значения, а найденную парциальную емкость утечки системы анализируют на предмет превышения парциальной емкостью утечки системы ее порогового значения. Выяснение превышения/падения ниже порогового значения связано с функцией выдачи предупреждающего сообщения для соответствующей подсистемы(подсистем).
Такой подход обеспечивает непрерывный во времени контроль работы незаземленной системы электропитания в отношении критического в смысле безопасности изменения электрических параметров, в частности - сопротивления изоляции и емкости утечки системы.
Соответствующий изобретению способ позволяет осуществлять выборочное, ожидаемое и, следовательно, прогнозируемое техническое обслуживание незаземленной системы электропитания, адаптированное для каждой подсистемы.
Уже во время работы электроустановки по критическому увеличению парциальной емкости утечки системы могут быть определены кабельные участки (подсистемы); и, следовательно, подсистемы, которые требуют срочного обслуживания, могут быть привязаны к располагаемому, обычно ограниченному бюджету, выделяемому на техническое обслуживание.
Без применения заявленного способа пришлось бы отключать всю электроустановку при выявлении факта критического общего увеличения емкости утечки системы (однократного в определенное время), при этом все подсистемы пришлось бы разделять и проводить измерения индивидуально. С одной стороны такой подход является затратным и требует большого времени, а с другой стороны его нельзя применять в различных задачах, которые требуют 100% готовности к работе.
Кроме того, соответствующий изобретению способ обеспечивает технические требования для выборочного отключения подсистем, которые признаны критическими, так что эксплуатация остальных частей электроустановки, которые не были признаны критическими, может быть продолжена без помех.
Согласно другому варианту осуществления изобретения, производится отключение конкретной подсистемы, в отношении которой выявлено, что парциальное сопротивление изоляции упало ниже его порогового значения или парциальная емкость утечки системы превысила ее пороговое значение.
Если определяют, что одна или более подсистем находится в критическом состоянии по причине падения парциального сопротивления изоляции ниже порогового значения или превышения парциальной емкостью утечки системы порогового значения, то производят отключение подсистемы (подсистем). Все остальные части установки не затрагиваются данным выборочным отключением подсистемы (подсистем), и могут без помех продолжать свою работу.
Испытательный ток может иметь синусоидальную характеристику изменения, при этом определение омической и емкостной составляющих парциального испытательного тока в подсистеме производится путем оценки фазы парциального испытательного тока.
Альтернативно, испытательный ток может иметь прямоугольную характеристику изменения, при этом определение омической и емкостной составляющих парциального испытательного тока в подсистеме производится путем оценки следующих друг за другом во времени фрагментов сигнала парциального испытательного тока, изменений амплитуды процессов установления и установившихся состояний оцениваемого парциального испытательного тока.
В зависимости от формы сигнала генерируемого испытательного тока обращаются к различным способам для определения омической и емкостной составляющих испытательного тока.
В случае испытательного тока синусоидальной формы, регистрируемый парциальный испытательный ток можно рассматривать, как комплексную величину, при этом действительная часть представляет омическую составляющую парциального испытательного тока, а мнимая часть представляет емкостную составляющую парциального испытательного тока. Таким образом, емкостная составляющая испытательного тока получается, как функция сдвига фазы относительно подаваемого испытательного тока.
В случае испытательного тока прямоугольной формы выполняют оценку изменения амплитуды следующих друг за другом во времени фрагментов сигнала, т.е. процессов установления и следующих непосредственно за ними установившихся состояний регистрируемого парциального испытательного тока.
Указанная оценка может быть выполнена во временной области или, после соответствующего изменения испытательного сигнала, на частотном уровне.
При осуществлении соответствующего изобретению способа задача изобретения далее решается посредством устройства контроля для выборочного определения парциальной емкости утечки в незаземленной системе электропитания, которая состоит из основной системы и по меньшей мере одной подсистемы, причем, согласно изобретению, устройство контроля содержит: систему расширенного контроля изоляции, выполненную с возможностью определения общего сопротивления изоляции и общей емкости утечки системы электропитания; систему расширенной локализации неисправности изоляции; генератор испытательного тока для непрерывного генерирования и подачи испытательного тока в основную систему, которая содержит датчики испытательного тока для регистрации парциального испытательного тока в каждой подлежащей контролю подсистеме и устройство оценки неисправности изоляции, с которым соединены датчики испытательного тока; причем указанная система расширенной локализации неисправности изоляции выполнена с возможностью определения омической и емкостной составляющей испытательного тока для каждого регистрируемого парциального испытательного тока, при этом устройство контроля дополнительно содержит систему оценки импеданса, которая включает в себя блок оценки импеданса для определения парциального сопротивления изоляции и парциальной емкости утечки для каждой подлежащей контролю подсистемы на основании данных общего сопротивления изоляции, общей емкости утечки системы, испытательного тока, и омической и емкостной составляющих парциального испытательного тока, а также включает в себя блок анализа импеданса для анализа найденного парциального сопротивления изоляции на предмет падения ниже порогового значения парциального сопротивления изоляции, и для анализа найденной парциальной емкости утечки системы на предмет превышения порогового значения парциальной емкости утечки системы.
Важными, соподчиненными блоками («системами») устройства контроля в соответствии с изобретением являются: во-первых - система расширенного контроля изоляции, во-вторых - система расширенной локализации неисправности изоляции, содержащая генератор испытательного тока, датчики испытательного тока и устройство оценки неисправности изоляции, и в-третьих - система оценки импеданса, содержащая блок оценки импеданса и блок анализа импеданса.
Для непрерывного генерирования и подачи испытательного тока может быть использован имеющийся встроенный генератор измерительного тока системы расширенного контроля изоляции. В этом случае генератор измерительного тока системы расширенного контроля изоляции дополняет или заменяет собой генератор испытательного тока системы расширенной локализации неисправности изоляции.
Функционально расширенная система контроля изоляции отличается от типовых устройств контроля изоляции тем, что дополнительно выполнена с возможностью контроля (определения) общей емкости утечки незаземленной системы электропитания помимо типового определения общего сопротивления изоляции.
В отличие от типовых систем локализации неисправностей изоляции, которые активируются только после того, как возникает (первая) неисправность изоляции, генератор испытательного тока системы расширенной локализации неисправности изоляции или генератор измерительного тока системы расширенной локализации неисправности изоляции непрерывно подает испытательный ток в незаземленную систему электропитания. Система расширенной локализации неисправности изоляции выполнена с возможностью определения не только величины парциального испытательного тока (в отличие от известных в уровне технике систем локализации), но также для определения омической составляющей парциального испытательного тока и емкостной составляющей парциального испытательного тока на основании регистрируемого парциального испытательного тока.
В блоке оценки импеданса система оценки импеданса выполняет задачу определения парциального сопротивления изоляции и парциальной емкости утечки системы для каждой подлежащей контролю подсистемы на основании данных общего сопротивления изоляции и данных общей емкости утечки системы (указанные данные вырабатываются системой расширенного контроля изоляции), и на основании данных испытательного тока и его параметров (указанные данные вырабатываются системой расширенной локализации неисправности), а также на основании найденных данных омической и емкостной составляющих парциального испытательного тока.
Наконец, блок анализа импеданса системы оценки импеданса выполняет задачу анализа парциального сопротивления изоляции и парциальной емкости утечки системы, и, в случае падения сопротивления ниже или превышения порогового значения, выдачи предупреждающего сигнала для соответствующей подсистемы(подсистем).
Согласно другому варианту осуществления изобретения, устройство контроля содержит управляющее и отключающее устройство, выполненное с возможностью отключения подсистемы, для которой было выявлено, что парциальное сопротивление изоляции упало ниже порогового значения парциального сопротивления изоляции, или было установлено, что парциальная емкость утечки системы превысила пороговое значение парциальной емкости утечки системы.
Если блок оценки импеданса определит, что парциальная система является критической по причине слишком низкого парциального сопротивления изоляции или слишком большой парциальной емкости утечки, то управляющее и отключающее устройство отключит соответствующую подсистему (или несколько подсистем, признанных критическими). В данном контексте, управление отключающими устройствами, которые распределены по подсистемам, осуществляется в соответствии с предупреждающими сообщениями, которые вырабатывает блок оценки импеданса.
Дополнительные полезные отличительные признаки вариантов осуществления изобретения будут рассмотрены в последующем описании и на чертежах, которые на примерах освещают предпочтительные варианты осуществления изобретения. Среди прилагаемых чертежей:
фиг. 1 изображает незаземленную систему электропитания, содержащую устройство контроля, соответствующее настоящему изобретению,
фиг. 2 иллюстрирует анализ фазы частичного испытательного тока при подаче испытательного тока синусоидальной формы,
фиг. 3 иллюстрирует анализ изменения во времени частичного испытательного тока при подаче испытательного ток прямоугольной формы, и
фиг. 4 в виде функциональной блок-схемы иллюстрирует способ работы устройства контроля, соответствующее настоящему изобретению.
На фиг. 1 показано, что незаземленная система 2 электропитания в соответствии с изобретением содержит устройство 10 контроля. Система 2 электропитания состоит из основной системы 4 и n подсистем 6. Каждая из подсистем 6 характеризуется парциальным сопротивлением Re изоляции и парциальной емкостью Се утечки системы; импедансом утечки основной системы 4 в данной схеме пренебрегают, при этом парциальные сопротивления Re изоляции и парциальные емкости Се утечки системы на практике различаются для подсистем 6.
Устройство 10 контроля содержит систему 20 расширенного контроля изоляции, систему 30 расширенной локализации неисправности изоляции, а также систему 40 оценки импеданса в виде соподчиненных функциональных блоков.
Система 20 расширенного контроля изоляции выполнена с возможностью переключения между по меньшей мере одним активным проводником L основной системы 4 и землей РЕ, и контроля общего сопротивления Reges изоляции системы 2 электропитания. Общее сопротивление Reges изоляции получается из параллельного соединения всех парциальных сопротивлений Re изоляции, которые присутствуют в системе электропитания, и соответствует обратной величине от суммы парциальных проводимостей 1/Re изоляции. В качестве дополнительной функции система 20 расширенного контроля изоляции выполнена с возможностью определения общей емкости Ceges утечки системы 2. Эта общая емкость Ceges утечки системы получается из параллельного соединения всех парциальных емкостей Се утечки, и соответствует сумме парциальных емкостей Се утечки системы.
Система 30 расширенной локализации неисправности изоляции содержит генератор 32 испытательного тока, выполненный с возможностью переключения между по меньшей мере одним активным проводником L основной системы 4 и землей РЕ, так же как и система 20 расширенного контроля изоляции, и непрерывной подачи испытательного тока Ip в основную систему 4. В изображенном примере осуществления изобретения генератор 32 испытательного тока конструктивно привязан к системе 30 расширенной локализации неисправности изоляции. Чтобы непрерывно генерировать и подавать испытательный ток Ip, при работе генератора 32 испытательного тока также может быть использован генератор измерительного тока системы 20 расширенного контроля изоляции.
Испытательный ток Ip регистрируется датчиками 36 испытательного тока, которые расположены в подсистемах 6, как парциальный испытательный ток Ie, при этом величина регистрируемого парциального испытательного тока Ie в соответствующей подсистеме 6 зависит от парциального сопротивления Re изоляции и парциальной емкости Се утечки соответствующей подсистемы 6. Для оценки измеренных сигналов датчики 36 испытательного тока соединены с устройством 34 оценки неисправности изоляции системы 30 расширенной локализации неисправности изоляции.
Регистрируемый парциальный испытательный ток Ie каждой подсистемы 6 может быть разделен на омическую составляющую Ire парциального испытательного тока, протекающую через парциальное сопротивление Re изоляции, и на емкостную составляющую Ice парциального испытательного тока, протекающую через парциальную емкость Се утечки системы. Таким образом, система 30 расширенной локализации неисправности изоляции выполнена с возможностью определения не только омической составляющей Ire испытательного тока, но также и емкостной составляющей Ice испытательного тока.
Система 40 оценки импеданса содержит блок 42 оценки импеданса для определения парциального сопротивления Re изоляции и парциальной емкости Се утечки для каждой подсистемы 6 подлежащей контролю. Кроме того, в процесс вычисления парциального сопротивления Re изоляции и парциальной емкости Се утечки системы включены (см. фиг. 4): испытательный ток Ip, общее сопротивление Reges изоляции, найденное системой 20 расширенного контроля изоляции, найденная общая емкость Ceges утечки системы, а также омическая составляющая Ire парциального испытательного тока, найденная системой 30 расширенной локализации неисправности изоляции, и емкостная составляющая Ice парциального испытательного тока.
Кроме того, система 40 оценки импеданса содержит блок 44 анализа, в котором величины парциального сопротивления Re изоляции и парциальной емкости Се утечки системы, которые были вычислены в блоке 42 анализа, подвергаются анализу для каждой подлежащей контролю подсистемы 6 на предмет падения ниже (Re) или превышения (Се) порогового значения. Если установлен факт падения ниже или превышения, тогда данное состояние классифицируется как критическое, за чем следует предупреждающее сообщение 46 (фиг. 4) для соответствующей подсистемы 6.
Фиг. 2 иллюстрирует оценку фазы, выполняемую в системе 30 расширенной локализации неисправности изоляции, где регистрируемый парциальный испытательный ток Ie используется для определения омической и емкостной составляющих Ire, Ice парциального испытательного тока, когда подается испытательный ток Ip синусоидальной формы. Если фазовое положение испытательного тока Ip использовать в качестве начальной фазы, то величина емкостной составляющей Ice парциального испытательного тока может быть определена, как функция фазового угла ϕ.
Фиг. 3 иллюстрирует выполняемую в системе 30 расширенной локализации неисправности изоляции оценку временного профиля регистрируемого парциального испытательного тока Ie для определения омической и емкостной составляющих Ire, Ice парциального испытательного тока, когда подается испытательный ток Ip прямоугольной формы. Изменение амплитуды в период Т1 установления парциального испытательного тока Ie анализируют в отношении таких параметров, как время нарастания, время установления или максимальный выброс, и на основании этого может быть сделано заключение о величине емкостной составляющей Ice парциального испытательного тока. Чтобы максимально исключить влияние случайных помех, производится наблюдение нескольких процессов установления сигнала.
Аналогично, производится оценка изменений амплитуды в установившихся состояниях Т2, чтобы определить омическую составляющую Ire парциального испытательного тока после того, как установится емкостная составляющая Ice парциального испытательного тока.
Фиг. 4 в виде функциональной блок-схемы переключений устройства 10 контроля иллюстрирует способ, соответствующий настоящему изобретению.
Система 20 расширенного контроля изоляции обеспечивает общее сопротивление Reges изоляции и общую емкость Ceges утечки системы; система 30 расширенной локализации неисправности изоляции обеспечивает испытательный ток Ip, омическую составляющую Ire парциального испытательного тока и емкостную составляющую Ice парциального испытательного тока. На основании этих величин блок 42 оценки системы 40 оценки импеданса вычисляет парциальное сопротивление Re изоляции и парциальную емкость Се утечки для каждой подлежащей контролю подсистемы 6. Блок 44 анализа системы 40 оценки импеданса анализирует парциальное сопротивление Re изоляции и парциальную емкость Се утечки на предмет наличия критического состояния по причине падения парциального сопротивления изоляции ниже порогового значения или превышения парциальной емкостью утечки системы порогового значения, и выдает предупреждающее сообщение 46 для соответствующей подсистемы 6.
Посредством опционального управляющего и отключающего устройства 50 критичная подсистема 6 может быть отключена в соответствии с предупреждающим сообщением 46, сгенерированным блоком 44 анализа системы 40 оценки импеданса.