СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
METHOD OF CONTROLLING INSULATION RESISTANCE AND PROTECTIVE SWITCHING-OFF OF AN ELECTRICAL NETWORK

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и релейной защите и предназначено для использования в электрических сетях с изолированной нейтралью переменного, постоянного и двойного рода тока для защиты электрооборудования и обслуживающего персонала.
Известны способы контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрической сети, 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 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 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 питающей сети. 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 с учетом максимально возможной емкости контролируемой сети. Это служит причиной увеличения общей продолжительности измерения. Результат измерения сопротивления изоляции формируется дискретно с шагом, равным периоду тестового напряжения. 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 1140В.
Следовательно, недостатками известных способов контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрической сети 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 защитного отключения электрической сети, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
из
0
из
0
1
2
0
0
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, вычисляют сопротивление изоляции r, сравнивают полученное значение с уставкой R и при r≤R производят отключение электрической сети, при этом 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 и вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
где r - внутреннее сопротивление источника (Патент РФ №2144679. МКИ G01R 27/18, Н02Н 3/16 - 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 для постоянного тока режиме (при  и Т-Т<t≤T) в электрической сети. На основании измерений тока утечки I в 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, а также составляющая тока утечки, обусловленная напряжением контролируемой сети, искажает результат измерения сопротивления изоляции и, таким образом, снижает точность измерения и надежность защиты. Для обеспечения корректного измерения длительность этапа заряда выбирается с учетом максимально возможной емкости контролируемой сети. Это служит причиной увеличения общей продолжительности измерения.
Таким образом, недостаток известного способа контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрической сети - низкие точность измерения и быстродействие и, следовательно, низкая надежность защиты.
Цель предполагаемого изобретения - повышение точности и быстродействия контроля электрического сопротивления изоляции и надежности защиты электрической сети.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрической сети, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
из
0
из
0
и
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, вычисляют сопротивление изоляции r, сравнивают полученное значение с уставкой R и при r≤R производят отключение электрооборудования, дополнительно 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
к
где ε - малый интервал времени, ε<τ, вычисляют скользящее среднее значение  сигнала u(t) на интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети, рассчитывают сопротивление изоляции по формуле
т
0
где r - внутреннее сопротивление источника; r - сопротивление измерительного резистора.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (операции):
- дополнительно формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении на интервал  сигнал;
- вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении;
и
- преобразуют полученный при этом сигнал u(t) в соответствии с уравнением
где ε - малый интервал времени, ε<τ;
к
- вычисляют скользящее среднее значение  сигнала u(t) на интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети;
- рассчитывают сопротивление изоляции по формуле
т
0
где r - внутреннее сопротивление источника; r - сопротивление измерительного резистора.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предполагаемого изобретения повышаются точность контроля сопротивления изоляции и быстродействие 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 сигнал, усредненный на скользящем интервале, является непрерывным. Вычисление значения сопротивления изоляции также происходит непрерывно. Задержка в срабатывании защиты при снижении сопротивления изоляции с учетом времени заряда емкости сети не превышает  Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает повышение быстродействия защиты электрической 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:
- дополнительно формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении на интервал  сигнал;
- вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении;
и
- преобразуют полученный при этом сигнал u(t) в соответствии с уравнением
где ε - малый интервал времени, ε<τ;
к
- вычисляют скользящее среднее значение  сигнала u(t) на интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети;
- рассчитывают сопротивление изоляции по формуле
т
0
где r - внутреннее сопротивление источника; r - сопротивление измерительного резистора,
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 и защитного отключения электрической сети при наличии в сети тиристорного выпрямителя ТВ. На фиг. 2 приведена эквивалентная электрическая схема заряда емкости сети и измерения сопротивления изоляции, на фиг. 3 показаны осциллограммы тестового напряжения и диаграммы сигналов, формируемых при обработке данных в микроконтроллере 14.
с
тА
тВ
тС
т
т
0
А
B
C
А
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 - 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; 15 - тиристорный выпрямитель; 16 - исполнительное реле ИР; 17 и 19 - сопротивления изоляции сети постоянного тока (для фидеров, подключенных к положительному и отрицательному полюсам тиристорного выпрямителя ТВ) соответственно r, r; 18 и 20 - емкости сети постоянного тока; C, С, 21 - 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 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. Исполнительное реле ИР 16, управляющий вход которого соединен с выходом микроконтроллера МК 14, предназначено для отключения защищаемого участка сети.
0
из
Алгоритм идентификации сопротивления поясняется с помощью эквивалентной однолинейной схемы, показанной на фиг. 2, где обозначено: 22 - измерительный резистор r; 23 - управляемый источник тестового напряжения; 24 - добавочный резистор; 25 - емкость С сети; 26 - сопротивление изоляции контролируемой сети r.
т
1
е
2
т
2
Форма тестового сигнала показана на фиг. 3а. 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). 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
з
Осциллограмма падения напряжения u(t) на измерительном резисторе показана на фиг. 3б. Напряжение u(t) через усилитель 7 поступает на вход контроллера 14. Далее в математических выражениях для упрощения коэффициент передачи усилителя 7 принимается равным 1. В контроллере 14 выполняется обработка данных. Формируется сигнал  путем задержки сигнала u(t) на половину периода тестового напряжения. Осциллограмма сигнала u(t) показана на фиг. 3в. Далее в контроллере вычисляется разность
и
з
u(t)=u(t)-u(t).
и
и
Осциллограмма сигнала u(t) показана на фиг 3г. Сигнал u(t) корректируется в соответствии с уравнением
к
к
и
к
Осциллограмма скорректированного сигнала u(t) показана на фиг. 3д. Коррекция выполняется для исключения из процедуры обработки сигнала составляющих, соответствующих заряду емкости сети. При 0<t≤τ сигналу u(t) присваивается постоянное значение u(-ε), зафиксированное в конце второго полупериода предыдущего цикла измерения. При  сигналу u(t) присваивается постоянное значение
к
В интервале  сигнал u(t) равен
0
В случае, если период тестового напряжения Т равен целому четному числу периодов напряжения контролируемой сети T, 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 обеспечивается, во-первых, инвариантность результата измерения по отношению к 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. 3е.
Процедура вычисления значения сопротивления изоляции в соответствии с формулой (7) выполняется микроконтроллером 14. 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:
из
- вычисление значения эквивалентного сопротивления изоляции r;
из
0
- сравнение r с уставкой R (например, 10 кОм);
- формирование сигнала отключения для исполнительного реле 21.
Таким образом, предлагаемый способ контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрической сети обеспечивает повышенные точность и быстродействие измерения и надежность защиты за счет:
- 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.
c
2
т
0
1
2
т
к
к
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 B; С = 1 мкФ; r = 10 кОм; r = 5 Ом. Период тестового напряжения составляет 0,08 с; τ = 0,012 с; U = 100 В; U = 170 В. Осциллограммы процессов для тестового напряжения u(t), падения напряжения на измерительном сопротивлении u(t) и скорректированный сигнал u(t) показаны на фиг. 4. В момент времени t=0,1 с сопротивление изоляции одной фазу скачком уменьшается с 1Мом до 30 кОм. Время переходного процесса для сигнала u(t), изображенного пунктирной линией, составляет 0,04 с, т.е. половину периода тестового напряжения.
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
из
0
из
0
и
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, вычисляют сопротивление изоляции r, сравнивают полученное значение с уставкой R и при r≤R производят отключение электрооборудования, дополнительно формирования задержанного по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении на интервал  сигнала, вычитания задержанного сигнала из падения напряжения на измерительном сопротивлении, преобразования полученного при этом сигнала u(t) в соответствии с уравнением
к
где ε - малый интервал времени, ε<τ, вычисления скользящего среднего значения  сигнала u(t) на интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети, и вычисления сопротивления изоляции по формуле
т
0
где r - внутреннее сопротивление источника; r - сопротивление измерительного резистора, повышает точность и быстродействия контроля электрического сопротивления изоляции и надежность защиты электрической сети.
Использование предлагаемого технического решения в электрических системах различного назначения позволит повысить надежность и безопасность работы электрооборудования.