СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
METHOD FOR CONTROL OF INSULATION RESISTANCE AND PROTECTION OF ELECTRIC NETWORK WITH INSULATED NEUTRAL

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и релейной защите и предназначено для повышения безопасности в электрических сетях переменного, постоянного и двойного рода тока с изолированной нейтрально.
Известны способы контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети с изолированной нейтрально, основанные на измерении тока утечки от вспомогательного источника тестового напряжения, при которых в контролируемую сеть через звезду резисторов подают тестовое напряжение в виде периодической последовательности разнополярных импульсов, производят измерение тока утечки в течение части времени действия импульса, соответствующей заряженной до постоянного напряжения емкости контролируемой 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 №2144679. МКИ G01R 27/18, Н02Н 3/16 - Опубл. 20.01.2000. Бюлл. №2; Патент РФ №2321008, МПК G01R 27/16, 2006 г.; Патент РФ №2437109, МПК G01R 27/18, 2011 г.; Патент РФ №2722468. МПК G01R 27/18; Н02Н 3/16. Патент РФ №2725898. МПК G01R 27/18. Опубл. 07.07.2020. Бюлл. №19; Опубл. 01.06.2020. Бюлл. №16;
Авторское свидетельство СССР №1737363, МПК G01R 27/18, 1992 г.).
В известных способах измерение сопротивления изоляции производится циклически с использованием источника 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 для постоянного тока режиме в электрической сети. Далее по измеренным значениям токов утечки при положительном и отрицательном напряжениях вычисляют сопротивление изоляции, которое сравнивают с допустимым значением. При уменьшении сопротивления ниже допустимого значения производится отключение электрической сети.
При возникновении утечки в сети через измерительный резистор протекают токи, вызванные как тестовым напряжением, так и напряжениями фаз контролируемой сети. Токи, обусловленные действием переменных напряжений контролируемой сети, представляют собой помеху при измерении сопротивления изоляции, которая снижает точность измерения. Для обеспечения помехоустойчивого измерения время непосредственного измерения тока утечки обычно принимается равным одному или нескольким периодам контролируемой сети. В автономных электрических системах, например, с дизель-генераторами, а также локальных электрических сетях переменного тока, частота напряжения изменяется. При этом усреднение сигнала, пропорционального току утечки, происходит на интервале времени, не кратном периоду напряжения контролируемой сети. В результате этого возрастают погрешности измерения тока утечки и вычисления сопротивления изоляции, и снижается надежность защиты электрической сети.
Следовательно, недостатками известных способов контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети с изолированной нейтрально являются низкие точность измерения сопротивления изоляции и надежность защиты при изменении частоты напряжения контролируемой сети.
Из известных способов наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети с изолированной нейтрально, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
и
к
к
c
где U, U - постоянные напряжения, U>U; τ - временной интервал, Т - период следования импульсов тестового напряжения, ; подключают тестовое напряжение через звезду резисторов к фазам контролируемой сети, измеряют ток утечки путем измерения падения напряжения на измерительном сопротивлении, включенном последовательно с источником тестового напряжения, формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении на интервал  сигнал, вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении, преобразуют полученный при этом сигнал u(t) путем коррекции в сигнал u(t), вычисляют скользящее среднее значение  сигнала u(t) на интервале, равном периоду Т напряжения контролируемой сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
0
0
из
0
и
где r - внутреннее сопротивление источника; r - сопротивление измерительного резистора, сравнивают полученное значение с уставкой R и при r ≤ R производят отключение электрооборудования, а сигнал u(t) преобразуют в соответствии с уравнением
где ε - малый интервал времени, ε < τ.
(Патент РФ №2732790. МПК G01R 27/18 (2020.05); Н02Н 3/00(2020.05). Опубл. 22.09.2020. Бюлл. №27).
Способ основан на измерении тока утечки от вспомогательного источника тестового напряжения в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
и
где U, U - постоянные напряжения, U > U; τ - временной интервал, Т - период следования импульсов тестового напряжения, . Тестовое напряжение подключают через звезду резисторов к фазам контролируемой сети, измеряют ток утечки путем измерения падения напряжения на измерительном сопротивлении, включенном последовательно с источником тестового напряжения, формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении на интервал  сигнал, вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении, преобразуют полученный при этом сигнал u(t) в соответствии с уравнением
где ε - малый интервал времени, ε < τ.
Время непосредственного измерения тока утечки обычно принимается равным одному или нескольким периодам напряжения контролируемой сети с целью обеспечения помехоустойчивого измерения. В автономных электрических системах, например, с дизель-генераторами, а также локальных электрических сетях переменного тока, частота напряжения изменяется. При этом усреднение сигнала, пропорционального току утечки, происходит на интервале времени, не кратном периоду напряжения контролируемой сети. В результате этого возрастают погрешности измерения тока утечки и вычисления сопротивления изоляции и снижается надежность защиты электрической сети.
Следовательно, недостатками известного способа контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети с изолированной нейтрально являются низкие точность измерения сопротивления изоляции и надежность защиты при изменении частоты контролируемой сети.
Цель предлагаемого изобретения - повышение точности контроля электрического сопротивления изоляции и надежности защиты электрической сети с изолированной нейтрально при изменении частоты контролируемой сети.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети с изолированной нейтралью, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
и
к
к
где U, U - постоянные напряжения, U > U; τ - временной интервал, Т - период следования импульсов тестового напряжения, ; подключают тестовое напряжение через звезду резисторов к фазам контролируемой сети, измеряют ток утечки путем измерения падения напряжения на измерительном сопротивлении, включенном последовательно с источником тестового напряжения, формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении на интервал  сигнал, вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении, преобразуют полученный при этом сигнал u(t) путем коррекции в сигнал u(t), вычисляют скользящее среднее значение  сигнала u(t) на интервале, равном периоду Тс напряжения контролируемой сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
0
0
из
0
c
c
и
где r - внутреннее сопротивление источника; r - сопротивление измерительного резистора, сравнивают полученное значение с уставкой R и при r ≤ R производят отключение электрооборудования, дополнительно измеряют период напряжения контролируемой сети T, устанавливают период следования импульсов тестового напряжения равным четному числу измеренных периодов напряжения контролируемой сети Т=kТ, где k=2, 4,…, а сигнал u(t) преобразуют в соответствии с уравнением
где ε - малый интервал времени, ΔT ≤ ε < τ; ΔT - максимальное значение приращения периода тестового напряжения.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (операции):
с
- измеряют период напряжения контролируемой сети Т;
и
- сигнал u(t) преобразуют в соответствии с уравнением
c
- устанавливают период следования импульсов тестового напряжения равным четному числу измеренных периодов напряжения контролируемой сети Т=kТ, где k=2, 4,….
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
c
При реализации предполагаемого изобретения повышаются точность контроля сопротивления изоляции и надежность защиты электрооборудования. Повышение точности измерения достигается компенсацией помех при алгебраическом суммировании сигналов, пропорциональных току утечки, но сдвинутых во времени, и усреднением результата суммирования на скользящем интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети. При этом интервал задержки  и интервал усреднения регулируются пропорционально периоду Т напряжения контролируемой сети. Благодаря этому достигается высокий уровень компенсации помех при усреднении сигнала на скользящем интервале, строго равном периоду напряжения контролируемой сети. Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает повышение точности контроля электрического сопротивления изоляции и надежности защиты электрической сети с изолированной нейтрально при изменениях напряжения контролируемой сети.
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:
c
- измеряют период напряжения контролируемой сети Т;
и
- сигнал u(t) преобразуют в соответствии с уравнением
в известных способах аналогичного назначения не обнаружены.
Операция:
c
- устанавливают период следования импульсов тестового напряжения равным четному числу измеренных периодов напряжения контролируемой электрической сети Т=kТ, где k=2, 4,…,
используется в известных способах контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети с изолированной нейтрально, например: Патент РФ №2732790. МПК G01R 27/18 (2020.05); Н02Н 3/00 (2020.05). Опубл. 22.09.2020. Бюлл. №27. Но в известных технических решениях, в отличие от предлагаемого способа, период следования тестовых импульсов не регулируется, а всегда имеет постоянное значение.
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 и защитного отключения электрической сети при наличии в сети тиристорного выпрямителя ТВ. На фиг. 2 показаны осциллограммы тестового напряжения и диаграммы сигналов, формируемых при обработке данных в микроконтроллере 13.
тА
тВ
тС
т
т
0
A
B
C
A
B
C
п1
п2
п1
п2
H
На фиг. 1 обозначено: 1 - источник трехфазного переменного напряжения Еc; 2, 3 и 4 - добавочные резисторы, сопротивления добавочных резисторов r=r=r=r; 5 - источник тестового напряжения u(t); 6 - измерительный резистор сопротивлением r; 7 - датчик напряжения контролируемой сети; 8 - усилитель; 9, 11 и 14 - сопротивления изоляции фаз А, В и С контролируемой сети соответственно r, r, r; 10, 12 и 15 - емкости фаз А, В и С контролируемой сети соответственно C, С, C; 13 - микроконтроллер; 16 - тиристорный выпрямитель; 17 - блок индикации; 18 и 20 -сопротивления изоляции сети постоянного тока (для фидеров, подключенных к положительному и отрицательному полюсам тиристорного выпрямителя ТВ) соответственно r, r; 19 и 21 - емкости сети постоянного тока; C, C; 22 - исполнительное реле ИР; 23 - комплексное сопротивление нагрузки тиристорного выпрямителя Z.
т
0
Напряжение от 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 8 поступает на вход микроконтроллера 13. Величина сопротивления изоляции вычисляется в зависимости от измеренного падения напряжения на измерительном резисторе 6 и известного тестового напряжения. Исполнительное реле ИР 22, управляющий вход которого соединен с выходом микроконтроллера МК 13, предназначено для отключения защищаемого участка сети.
т
c
Датчик напряжения контролируемой сети 7, подключенный входом к фазам А и В сети, формирует сигнал, пропорциональный напряжению контролируемой сети. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера 13. Диаграмма напряжения контролируемой сети показана на фиг. 2а. В микроконтроллере 13 выполняется измерение периода напряжения контролируемой сети Тc и формирование сигнала управления источником тестового напряжения 5. Форма тестового сигнала показана на фиг. 26. Тестовое напряжение u(t) представляет собой последовательность разнополярных импульсов специальной формы. Период следования импульсов тестового напряжения устанавливается микроконтроллером 13 равным четному числу периодов напряжения контролируемой сети Т=kT, где k=2, 4,…
т
1
е
2
т
2
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. В момент времени t=τ напряжение на емкости достигает значения u(τ) ≈ U. В интервале времени  источник тестового напряжения 5 формирует напряжение u(t)=U.
При 0 < t ≤ τ, т.е. при ускоренном заряде емкости ток, протекающий через измерительный резистор, равен
где  - постоянная времени цепи заряда;
п
U - напряжение участка сети постоянного тока;
ξ(t) - составляющая тока утечки, вызванная напряжениями фаз контролируемой сети.
В течение интервала времени  ток, протекающий через измерительный резистор 6, определяется выражением
2
При u(τ) ≈ U выражение для тока через измерительный резистор в интервале  принимает вид
2
где ΔU - разность напряжений заряженной емкости и тестового напряжения U в момент времени t=τ;
ζ(t) - составляющая тока, протекающего через измерительный резистор, и обусловленная переходным процессом при переключении тестового напряжения,
2
Напряжение ΔU << U, a ζ(t) - монотонно убывающая функция.
При  происходит ускоренный заряд емкости. Ток, протекающий через измерительный резистор, равен
В течение интервала времени  ток, протекающий через измерительный резистор 6, определяется выражением
При  выражение для тока через измерительный резистор в интервале  принимает вид
2
где ΔU' - разность напряжений заряженной емкости и тестового напряжения - U в момент времени .
Падение напряжения на измерительном сопротивлении 6 равно
0
и
u(t)=ri(t)
з
Осциллограмма падения напряжения u(t) на измерительном резисторе показана на фиг. 2в. Напряжение u(t) через усилитель 8 поступает на вход контроллера 13. Далее в математических выражениях для упрощения коэффициент передачи усилителя 8 принимается равным 1. В микроконтроллере 13 выполняется обработка данных. Формируется сигнал  путем задержки сигнала u(t) на половину периода тестового напряжения. Осциллограмма сигнала u(t) показана на фиг. 2г. Далее в микроконтроллере 13 вычисляется разность
и
Осциллограмма сигнала  показана на фиг 2д. Сигнал u(t) корректируется в соответствии с уравнением
к
и
к
Осциллограмма скорректированного сигнала uк(t) показана на фиг. 2е. Коррекция выполняется для исключения из процедуры обработки сигнала составляющих, соответствующих заряду емкости сети с учетом изменений периода тестовых импульсов. Для этого при - ε < t ≤ τ + ε сигналу u(t) присваивается постоянное значение u(-ε), зафиксированное в конце второго полупериода предыдущего цикла измерения. При  сигналу u(t) присваивается постоянное значение . Величина ε выбирается из соотношения ΔT ≤ ε < τ, где ΔT - максимальное приращение периода тестового напряжения. Моменты начала и окончания корректирующих изменений сигнала показаны на фиг. 2д точками.
к
В интервале  сигнал u(t) равен
c
В случае, если период тестового напряжения Т равен целому четному числу периодов напряжения контролируемой сети Т, составляющие тока утечки, обусловленные напряжениями фаз контролируемой сети,
С учетом (2) и (3) выражение (1) принимает вид
к
Аналогично в интервале  сигнал u(t) равен
к
С учетом выражений (4) и (5), а также монотонно-убывающего характера функции ζ(t), значения сигнала u(t) в интервалах 0 < t ≤ τ и  при допущении ζ(t) ≈ 0, равны соответственно:
Таким образом, за счет операций задержки сигнала, пропорционального току утечки, на половину периода тестового напряжения, и вычитания задержанного сигнала из исходного при строгом соответствии периода тестового напряжения периоду напряжения контролируемой сети обеспечивается, во-первых, инвариантность результата измерения по отношению к изменениям частоты контролируемой сети и напряжению сети постоянного тока, и, во-вторых, компенсация в измерительном сигнале составляющей тока утечки, обусловленной напряжением контролируемой сети.
к
При усреднении скорректированного сигнала u(t) на скользящем интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети, формируется сигнал
из
Решение уравнения (6) относительно r дает формулу для вычисления сопротивления изоляции
Осциллограмма усредненного сигнала  показана на фиг. 2ж.
Процедура вычисления значения сопротивления изоляции в соответствии с формулой (7) выполняется микроконтроллером 13. Микроконтроллер непрерывно формирует сигнал, пропорциональный усредненному за период напряжения контролируемой сети сопротивлению изоляции. При этом задержка в определении факта снижения сопротивления изоляции и, следовательно, срабатывании защиты, не превышает .
Алгоритм формирования сигнала аварийного отключения содержит:
- вычисление значения эквивалентного сопротивления изоляции rиз;
0
- сравнение rиз с уставкой R (например, 10 кОм);
- формирование сигнала отключения для исполнительного реле 22.
Таким образом, предлагаемый способ контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрической сети обеспечивает повышенные точность измерения сопротивления изоляции и надежность защиты за счет:
- регулирования периода тестового напряжения пропорционально периоду напряжения контролируемой сети;
- компенсации помех при алгебраическом суммировании сигналов, пропорциональных току утечки, но сдвинутых во времени;
- усреднения результата суммирования на скользящем интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети;
- непрерывного вычисления значения сопротивления изоляции в микроконтроллере.
Следовательно, использование в предлагаемом способе контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети с изолированной нейтрально, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
и
к
к
c
где U, U - постоянные напряжения, U > U; τ - временной интервал, Т - период следования импульсов тестового напряжения, ; подключают тестовое напряжение через звезду резисторов к фазам контролируемой сети, измеряют ток утечки путем измерения падения напряжения на измерительном сопротивлении, включенном последовательно с источником тестового напряжения, формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении на интервал  сигнал, вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении, преобразуют полученный при этом сигнал u(t) путем коррекции в сигнал u(t), вычисляют скользящее среднее значение  сигнала u(t) на интервале, равном периоду Т напряжения контролируемой сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
0
0
из
0
с
c
и
где r - внутреннее сопротивление источника; r - сопротивление измерительного резистора, сравнивают полученное значение с уставкой R и при r ≤ R производят отключение электрооборудования, дополнительно измерения периода напряжения контролируемой сети Т, установления периода следования импульсов тестового напряжения равным четному числу периодов напряжения контролируемой сети Т=kТ, где k=2, 4,…, и преобразование сигнала u(t) в соответствии с уравнением
где ε - малый интервал времени, ΔT ≤ ε < τ; ΔT - максимальное значение приращения периода тестового напряжения, повышает точность контроля электрического сопротивления изоляции и надежность защиты электрической сети с изолированной нейтрально при изменении частоты контролируемой электрической сети.
Использование предлагаемого технического решения в электрических системах различного назначения позволит повысить надежность и безопасность работы электрооборудования.