СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ШИН ПИТАНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО КОРПУСА
METHOD OF POWER SUPPLY BUSES RELATIVE TO HOUSING ELECTRICAL INSULATION RESISTANCE MONITORING

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к автоматизированным системам контроля, и применяется в процессах изготовления и эксплуатации систем, имеющих протяженную цепь системы электропитания, например, в самолето- и ракетостроении, кораблестроении и др. для улучшения контрольно-измерительных и защитных функций системы автоматики.
Сопротивление изоляции - это очень высокая величина, тем не менее изоляция зависит от многих эффектов, которые могут привести к его резкому снижению: механические повреждения, вибрация, чрезмерное тепло или холод, грязь, масло, и едкие пары влаги из воздуха или технологического процесса. Она может быть нарушена, например, в процессе монтажных работ на изделии либо из-за тряски в процессе транспортировки этого изделия.
Известен способ измерения сопротивления изоляции и защиты от замыканий на корпус силовых цепей тепловозов (патент РФ №2415445). Суть его в том, что изменяют конфигурацию измеряемой цепи путем шунтирования и производят ряд замеров измеряемой цепи, при котором в начале измерения производят замеры потенциалов разных участков цепей по отношению к корпусу, потом шунтируют участок цепи резистором известного номинала и измеряют значения потенциалов тех же участков цепей в установившемся режиме, а по этим параметрам рассчитывают сопротивления изоляции отдельно положительной и отрицательной цепей, одновременно постоянно контролируют распределение напряжений между полюсами цепи и корпусом, и при снижении одного из этих напряжений до значения, близкого к нулю, при условии, что другое напряжение находится в диапазоне выше ранее выбранного порога, считают, что произошел пробой изоляции соответствующей цепи и принимают решение об осуществлении защиты путем снятия возбуждения с генератора, питающего силовую цепь.
Недостатками известного способа являются невозможность контроля параметров изоляции при отсутствии напряжения питания, из-за существенного влияния параметров выключенного источника питания (емкостной и активной составляющих) и сложность реализации устройства.
Известен способ измерения сопротивления изоляции, описанный в патенте РФ №2180124, суть которого 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 появлении короткого импульса. Наличие повреждения в контролируемом элементе определяется по факту увеличения активной составляющей тока.
Недостатком данного аналога являются существенное влияние параметров выключенного источника питания (емкостной и активной составляющих) и низкая помехозащищенность, так как для выделения короткого импульса в месте измерения требуется фильтр с широкой полосой пропускания частот.
Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявленного изобретения, является наличие операции подключения между контролируемыми цепями тестового сигнала.
Причинами, препятствующими получению технического результата, являются наличие влияния на измеряемую цепь путем подключения измерительных резисторов и большой цикл измерения.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является способ измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока (патент РФ №2384855). Суть его состоит в том, что к полюсам цепи постоянного тока подключают два резистора. Другие два резистора подключают параллельно нагрузке. В место соединения резисторов между собой подключают измерительную цепь, состоящую из последовательно включенных источника измерительного напряжения и измерителя тока. Источник напряжения подключают к поочередно изменяемой полярности полюсов. Определяют эквивалентный измерительный ток как половину суммы двух абсолютных по величине значений токов, измеренных последовательно по времени при разной полярности источника напряжения и определяют сопротивление изоляции по соответствующей формуле.
Недостатками прототипа являются большая погрешность контроля параметров изоляции, которая появляется из-за существенного влияния параметров выключенного источника питания (емкостной и активной составляющих), большие энергозатраты, так как между шинами питания при выключенном источнике питания может оставаться низкоомная нагрузка, и большое время измерения, так как между шинами питания может быть эквивалентная емкость до 0,1-1,0 Ф.
Задачей заявляемого изобретения является создание способа контроля электрического сопротивления изоляции шин электропитания объекта относительно корпуса, обеспечивающего контроль с минимальными энергозатратами, с высоким быстродействием и высокой разрешающей способностью.
Технический результат достигается за счет того, что основная операция контроля - измерение эквивалентного сопротивления включенных параллельно сопротивлений изоляции шин, выполняется с минимальными энергозатратами при тестовом сигнале, обеспечивающем минимальную погрешность от влияния помех и без участия больших емкостей между шинами питания. А измерение сопротивления изоляции между корпусом и шиной контролируется при наличии компенсирующего сигнала низкого уровня.
Это достигается путем того, что процесс контроля сопротивления изоляции дополнен операциями измерения различных конфигураций схемы, а подключение компенсирующего сигнала низкого уровня между шинами питания повышает точность измерения и сокращает время выполнения процедуры контроля в целом.
При исследовании патентной и другой научно-технической информации заявителем не были обнаружены источники, в которых были бы приведены сведения о технических решениях, содержащих совокупность отличительных признаков предлагаемого способа. При этом известны технические решения, содержащие отдельные признаки заявляемого объекта, однако свойства и эффект, которые указанные признаки сообщают этим объектам, иные, чем в предлагаемом решении, поэтому указанные отличия являются существенными.
Суть изобретения заключается в том, что при проверке изоляции шин питания на корпус в обесточенном состоянии используются процедуры, позволяющие существенно снизить влияние на процесс контроля наличия между шинами больших фильтрующих емкостей и малого активного сопротивления, изменяющихся в широком диапазоне, что существенно искажает результаты, увеличивает энергозатраты и удлиняет время измерения.
Эквивалентная схема контролируемого объекта (КО) приведена на фиг. 1а),
где +F и -F - положительная и отрицательная шины электропитания, соответственно, к которым подключены потребители энергии и источник энергии,
R0 - эквивалентное сопротивление суммарного сопротивления всех потребителей, подключенных между положительной и отрицательной шинами питания и внутреннего сопротивления источника питания (в отключенном состоянии),
С0 - эквивалентная суммарная емкость всех потребителей, подключенных между положительной и отрицательной шинами питания и фильтрующих емкостей источника питания (в отключенном состоянии),
R1 и R2 - эквивалентное сопротивление изоляции относительно корпуса шины +F и шины -F, соответственно, всех потребителей энергии, подключенных к источнику электропитания,
С1 и С2 - эквивалентная емкость, между корпусом и шинами +F и -F, соответственно, от всех потребителей энергии, подключенных к источнику электропитания,
К - корпус изделия.
Между шинами электропитания подключены все потребители, (сопротивление которых может колебаться в диапазоне от 1 до 100000 и более Ом), которые шунтированы фильтрующими емкостями (до 0,5-1,0 Ф) R0 и C0.
На фиг.1б) приведена эквивалентная схема первого цикла измерения КО,
где Е0 - источник тестового сигнала,
ДТ - датчик тока, который измеряет ток, формируемый источником Е0 и эквивалентной нагрузкой параллельно включенных R1 и R2, С1 и С2,
L - перемычка, подключенная между шинами +F и -F и шунтирующая R0 и С0.
На фиг. 1в) приведена эквивалентная схема второго цикла измерения КО,
где Е - первый источник, подключение которого исключает влияние («нейтрализует») на процесс измерения R0 и С0,
Uk - второй источник тестового сигнала для измерения R1 или R2.
На фиг. 2 приведена в качестве примера схема устройства, поясняющая принцип действия предлагаемого способа, на фиг. 3 приведена блок-схема алгоритма реализации способа измерения сопротивления изоляции шин электропитания от корпуса, а на фиг. 4 приведена зависимость значений эквивалентного сопротивления Rэ от R1 и R2.
На фигуре 2 приняты следующие обозначения.
1 - контролируемый объект,
1.1 - эквивалентное сопротивление изоляции первой шины,
1.2 - эквивалентное сопротивление изоляции второй шины,
2 - первая шина электропитания,
3 - шина корпуса,
4 - вторая шина электропитания,
5, 12, 13, 14 и 15 - ключи, обеспечивающие подключение соответствующих сигналов к шинам,
6 - аналого-цифровой преобразователь АЦП,
7 - блок управления и вычисления,
8 - регистратор,
9 - цифроаналоговый преобразователь ЦАП,
10 - регистр управления ключами,
11 - датчик тока,
16 - источник компенсирующего напряжения,
17 - шина «Пуск».
На фигуре 3 приняты следующие обозначения.
1 - начать процесс контроля;
2 - определить исходные условия для проведения контроля: допустимое значение сопротивления изоляции по каждой шине Rд1 и Rд2 (например, Rд1>Rд2), и время контроля Тк;
3 - объединить шины перемычкой L;
4 - подать тестовый сигнал (напряжение) Ео>Е между корпусом и шинами F1 и F2;
5 - измерить реакцию Iо на тестовое воздействие;
6 - вычислить Rэ по формуле: Rэ=Ro/Iо;
7 - сравнить Rэ с допустимым Rд1 и
если Rэ>Rд1, то перейти к п. 15, а
если Rэ≤Rд1, то перейти к п. 8;
8 - сравнить Rэ с Rд2 и,
если Rэ≤Rд2, то перейти к п. 15, а
если Rэ>Rд2, то перейти к п. 9;
9 - установить между шинами F1 и F2 вместо перемычки L напряжение Е;
10 - установить между корпусом и первой шиной фидера тестовый сигнал (напряжение) Uк;
11 - измерить реакцию Iк на тестовый сигнал Uк;
12 - вычислить R1 по формуле: R1=Е/((Iк+(Е-Uк/Rэ)) (При условии, что Е=Uк, то формула упрощается до R1=Uк/Iк);
13 - сравнить R1 с Rд1 и,
если R1<Rд1, то перейти к п. 15, а
если R1≥Rд1, то перейти к п. 14;
14 - сравнить R1 с величиной, вычисленной по формуле
Rд2*Rэ/(Rд2-Rэ) и,
если R1≤Rд2*Rэ/(Rд2-Rэ), то перейти к п. 16, а
если R1>Rд2*Rэ/(Rд2-Rэ), то перейти к п. 15;
15 - установить признак выхода за поле допуска;
16 - сравнить текущее время контроля Т с заданным временем завершения контроля Тк и,
если Т<Тк, по перейти к п. 5, а,
если Т≥Тк, по перейти к п. 17;
17 - завершить процесс контроля изоляции шин электропитания.
Способ измерения изоляции шин питания реализуется на примере устройства, приведенного на фиг.2, в котором между корпусом 3 и шинами питания 2 и 4 контролируемого объекта подключены сопротивления изоляции 1.1 и 1.2, значения которых равны эквивалентному сопротивлению реальных сопротивлений изоляции нагрузок, подключенных к шинам электропитания КО 1. Шина 2 соединена с входами первого 5, второго 12 и третьего 13 ключей, и первым входом АЦП 6, второй вход которого подключен к информационному выходу датчика тока 11. Выход датчика тока 11 соединен с выходом первого ключа 5, а вход - с первым выходом ЦАП 9, второй выход которого подключен к шине корпуса 3. Вход блока 7 соединен с выходом АЦП 6, второй вход - с шиной Пуск 17, а первый выход блока 7 подключен со входом ЦАП 9. Второй выход блока 7 соединен с входом регистратора 8 и с входом регистра управления ключами 10, первый выход которого подключен к входу управления первого ключа 5, второй подключен к управляющим входам второго 12 и пятого 15 ключей, а третий - к управляющим входам третьего 13 и четвертого 14 ключей. Выходы третьего 13 и четвертого 14 ключей соединены между собой, выходы второго 12 и пятого 15 ключей подключены к выходам блока 16, а входы ключей 14 и 15 соединены со второй шиной 4 КО 1.
Работает устройство по алгоритму, приведенному на фигуре 3, реализующему предложенный способ. В исходном состоянии входы устройства подключены к шинам питания и корпуса контролируемого объекта, эквивалентная схема которого приведена на фиг. 1а). (Величины R0 и С0 могут изменяться в широких диапазонах и существенно влиять на результаты контроля при измерениях по известным способам.) По команде «Пуск» замыкаются ключи 5, 13 и 14, тем самым объединяются шины фидера между собой, и между корпусом 3 и шинами 2, 4 подключается через датчик тока 11 формирователь тестового сигнала ЦАП 9, задающего уровень тестового сигнала. Эквивалентная схема приведена на фиг 1б). Блок 7 заносит в ЦАП 9 величину тестового сигнала, а АЦП 6 преобразует в цифровую форму значения физических величин тестового сигнала Е0 и сигнала датчика Iк0, которые передает в блок 7. Блок 7 вычисляет значение эквивалентного сопротивления Rэ по формуле Rэ=Eо/Iко и сравнивает Rэ с допустимыми значениями изоляции по каждой из шин (см. фиг. 3) Rд1 и Rд2. По результатам сравнения блок 7 либо завершает цикл измерения, записав в регистратор 8 результат контроля, либо меняет конфигурацию схемы путем подачи через регистр 10 команды размыкания ключей 13 и 14 и замыкания ключей 12 и 15 (см. фиг. 1в)). Между шинами электропитания 2 и 4 оказывается приложен тестовый сигнал Е (это, например, напряжение существенно меньше напряжения питания, до 1В, и поэтому потребление от него будет минимальным). В ЦАП 9 блок 7 заносит значение тестового сигнала Uк, которое подается через датчик тока 11 между корпусом 3 и первой шиной 2 (в нашем случае между корпусом 3 и шиной 2, а можно подать тестовый сигнал между корпусом 3 и шиной 4).
АЦП 6 преобразует в цифровую форму значения физических величин тестового сигнала Uк и сигнала датчика Iк, которые передает в блок 7. Блок 7 вычисляет значение эквивалентного сопротивления R1 по формуле:
R1=Е/((Iк+(Е-Uк/Rэ)). Причем, если выбрать Uк таким, чтобы он был равен Е, то формула упрощается до R1=Uк/Iк);
Блок 7 проверяет выполнение условий
Rд1<R1<Rд2*Rэ/(Rд2-Rэ)
(или Rд2<R2<Rд1*Rэ/(Rд1-Rэ), если будет подан тестовый сигнал между корпусом 3 и шиной 4, и измерено сопротивление изоляции R2).
По результатам сравнения блок 7 завершает очередной цикл процедуры контроля, записав в регистратор 8 результат контроля, и переходит к следующему циклу, если текущее время контроля Т меньше заданного времени выполнения контроля Тк.
Фиг. 4 иллюстрирует, где находится зона значений Rэ, при которых значения сопротивлений изоляции обеих шин будет выше допустимых значений Rд1 и Rд2
Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами было проведено моделирование процессов контроля и уже разработан и опробован макет устройства, реализующего этот способ.
Таким образом, предлагаемый способ контроля электрического сопротивления изоляции шин питания относительно корпуса обеспечивает контроль с минимальными энергозатратами, с высоким быстродействием и высокой точностью.