СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ
INSULATION RESISTANCE MEASUREMENT METHOD AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли».
Известен способ измерения сопротивления изоляции [Иванов Е.А., Кузнецов С.Е. Методы контроля изоляции судовых электроэнергетических систем. Учебное пособие. - СПб.: Элмор, 1999. с. 53-54], который можно применять в сетях переменного и двойного рода тока. Суть способа состоит в следующем. К фазам сети переменного тока подключается трехфазный выпрямительный мост, собранный по схеме Ларионова. Затем поочередно измеряют три средних значения напряжения: на выходе моста, между положительным полюсом моста и «землей», между отрицательным полюсом и «землей». Затем выполняют расчет сопротивления изоляции по формуле.
Основным недостатком данного способа является невысокое быстродействие, обусловленное необходимостью измерять средние значения напряжений, так как именно средние значения напряжений являются носителями информации о величине сопротивления изоляции. Кроме того, этот способ непригоден для обесточенных сетей.
Известно устройство для измерения емкости сети [патент 57017 РФ, МПК G01R 27/16], которое содержит блок управления, измерительно-вычислительный блок, блок подключения, переключатель, источник постоянного тока, блок регистрации.
Недостатком данного устройства является то, что оно может измерять только емкость сети, при этом не может измерять сопротивление изоляции сети.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения сопротивления изоляции, заключающийся в следующем [патент 2310873 РФ, МПК G01R 27/18]. К контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного тока, производят заряд емкости сети до наперед заданного значения, затем уменьшают значение тока до такой величины, чтобы среднее значение напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети оставалось постоянным, запоминают эти значения тока и напряжения, затем повторяют эти операции с изменением направления тока источника регулируемого постоянного тока, запоминают новые значения тока и среднего напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети и обрабатывают результаты измерений по формуле, вычисляя величину сопротивления изоляции сети.
Однако у данного способа есть недостатки. В процессе заряда емкостей сети измерительным напряжением неизбежно возникают переходные процессы. Можно выделить два переходных процесса, которые происходят при заряде. Первый процесс - это заряд емкостей током неизменной величины до наперед заданного значения напряжения. При этом напряжение растет по линейному (почти линейному) закону. Как следует из описания способа-прототипа, окончание этого переходного процесса происходит, как только напряжение достигнет заданного значения. Второй переходный процесс - это снижение тока до такой величины, чтобы среднее значение напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети оставалось постоянным. В описании способа-прототипа нет сведений о том, как именно это реализовать. Как бы то ни было, этот переходный процесс можно считать экспоненциальным переходным процессом с постоянной времени, зависящей от эквивалентной (суммарной) емкости контролируемой сети и от эквивалентного сопротивления, которое в основном определяется выходным сопротивлением источника, создающего измерительное напряжение. Как показывает практика, в большинстве случаев второй переходный процесс во много раз превышает по времени первый переходный процесс. Например, при заряде емкости 100 мкФ током 25 мА до значения 50 В требуется время 0,2 с, а на реализацию второго переходного процесса в реальных устройствах, разработанных авторами, тратится время от единиц до десятков секунд. Для того чтобы разработанное устройство, реализующее способ-прототип, могло работать как с большими, так и с малыми емкостями, необходимо установить жесткий интервал времени, в течение которого происходит ожидание окончания переходного процесса. Этот интервал должен быть рассчитан на максимальную емкость, которая может присутствовать в контролируемой сети. Таким образом, в случае если контролируемая сеть имеет самую большую емкость, время измерения и точность близкие к оптимальным. Но при малой емкости устройство работает неоправданно медленно, то есть время измерения слишком большое.
Таким образом, способ-прототип имеет недостаток, который заключается в том, что при малых емкостях сети время измерения слишком большое. Отсюда следуют ограниченные функциональные возможности - если в сети может присутствовать как малая, так и большая емкость, способ-прототип использовать нецелесообразно.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство измерения сопротивления изоляции электрических сетей [патент 60225 РФ, МПК G01R 27/16], содержащее блок управления, первый блок управляемого тока, блок подсоединения, регулируемый источник напряжения, блок фильтрации, второй блок управляемого тока, блок измерения тока и выходное устройство. Причем выходы блока управления подключены к входам блоков управляемых токов, а блоки управляемых токов включены между выходами блока подсоединения и блоком измерения тока, блок присоединения подключен к контролируемой сети, выход регулируемого источника напряжения подключен к одному входу блока управления, а ко второму входу блока управления подключен выход блока фильтрации, вход которого подключен к средней точке блока подсоединения, а выходы блока фильтрации и блока измерения тока подключены к входам выходного устройства.
1
1
Однако у данного устройства есть недостатки. В процессе заряда емкостей сети измерительным напряжением неизбежно возникает переходный процесс, длительность которого зависит от величины емкостей. В устройстве-прототипе жестко установлены интервалы времени, в течение которых происходит ожидание окончания переходных процессов, причем эти интервалы рассчитаны на максимальную емкость, которая может присутствовать в сети. Таким образом, в случае если емкость контролируемой сети максимально возможная, устройство-прототип имеет время измерения и точность, близкие к оптимальным. А если контролируется сеть, имеющая малую емкость, то устройство-прототип работает неоправданно медленно, то есть время измерения большое из-за жестко установленных интервалов времени на измерения. Из описания устройства-прототипа явно не следует, что возникает переходный процесс и что жестко установлены интервалы времени. Однако есть фраза «по достижении этого заданного значения напряжения уменьшают значение тока блока управляемого тока до такой величины I, чтобы среднее значение напряжения U на выходе блока фильтрации 6 оставалось постоянным». Из этой фразы, а также из здравого смысла следует, что происходит ожидание окончания переходного процесса.
Таким образом, устройство-прототип имеет большое время измерения в случае, если контролируемая сеть имеет малые емкости. Отсюда следуют ограниченные функциональные возможности - если в сети может присутствовать как малая, так и большая емкость, устройство-прототип использовать нецелесообразно.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей. Технический результат заключается в уменьшении времени измерения сопротивления изоляции при наличии в контролируемой сети малых емкостей.
a1
a2
a2
a1
Поставленная задача в части способа достигается за счет того, что к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного тока, производят заряд емкости сети до наперед заданного значения, затем уменьшают значение тока до такой величины, чтобы среднее значение напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети оставалось постоянным, запоминают значения тока и среднего напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети, изменяют направление тока источника регулируемого постоянного тока, производят заряд емкости сети до наперед заданного значения, уменьшают значение тока до такой величины, чтобы среднее значение напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети оставалось постоянным, запоминают новые значения тока и среднего напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети и обрабатывают результаты измерений по формуле, вычисляя величину сопротивления изоляции сети, причем производят измерение и запоминание значения напряжения емкостей сети U в момент, когда к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного тока, затем производят повторное измерение и запоминание значения напряжения емкостей сети U через заданный интервал времени в процессе заряда емкостей, затем вычисляют эквивалентную емкость как произведение зарядного тока на заданный интервал времени, поделенное на разность измеренных напряжений U-U, затем по вычисленному значению емкости рассчитывают длительность интервала времени, необходимого для окончания переходного процесса после достижения напряжения заданного значения, после достижения напряжением заданного значения выдерживают рассчитанный интервал времени, повторно выдерживают рассчитанный интервал времени после изменения направления тока источника регулируемого постоянного тока и заряда емкости до наперед заданного значения.
Поставленная задача в части устройства достигается за счет того, что в устройство, содержащее блок управления, первый блок управляемого тока, второй блок управляемого тока, блок подсоединения, регулируемый источник напряжения, блок фильтрации, блок измерения тока и выходное устройство, причем выходы блока управления подключены к входам блоков управляемых токов, а блоки управляемых токов включены между выходами блока подсоединения и блоком измерения тока, выход регулируемого источника напряжения подключен к одному входу блока управления, а ко второму входу блока управления подключен выход блока фильтрации, вход которого подключен к средней точке блока подсоединения, а выходы блока фильтрации и блока измерения тока подключены к входам выходного устройства, введены блок измерения напряжения, блок вычисления емкости, блок формирования интервалов времени, причем первый вход блока измерения напряжения подключен к средней точке блока подсоединения, выход блока измерения напряжения подключен к первому входу блока вычисления емкости, выход блока вычисления емкости подключен к входу блока формирования интервалов времени и к входу выходного устройства, первый выход блока формирования интервалов времени подключен ко вторым входам блока измерения напряжения и блока вычисления емкости, второй выход блока формирования интервалов времени подключен к дополнительным входам блока управления и выходного устройства.
На фиг. приведена схема устройства 1, подключенного к контролируемой сети 2.
Устройство 1 содержит блок управления 3, первый блок управляемого тока 4, второй блок управляемого тока 5, блок подсоединения 6, регулируемый источник напряжения 7, блок фильтрации 8, блок измерения тока 9, выходное устройство 10, блок измерения напряжения 11, блок вычисления емкости 12, блок формирования интервалов времени 13.
Контролируемая сеть 2 содержит источники напряжения 14, 15, 16, сопротивления нагрузки 17, 18, 19, сопротивления изоляции контролируемой сети 20, 21, 22, емкости контролируемой сети 23, 24, 25.
Выходы блока управления 3 подключены к входам блоков управляемых токов 4 и 5, блоки управляемых токов 4 и 5 включены между выходами блока подсоединения 6 и блоком измерения тока 9, блок подсоединения 6 подключен к контролируемой сети 2, выход регулируемого источника напряжения 7 подключен к одному входу блока управления 3, а ко второму входу блока управления 3 подключен выход блока фильтрации 8, вход которого подключен к средней точке блока подсоединения 6, а выходы блока фильтрации 8 и блока измерения тока 9 подключены к входам выходного устройства 10. Первый вход блока измерения напряжения 11 подключен к средней точке блока подсоединения 6, выход блока измерения напряжения 11 подключен к первому входу блока вычисления емкости 12, выход блока вычисления емкости 12 подключен к входу блока формирования интервалов времени 13 и к входу выходного устройства 10, первый выход блока формирования интервалов времени 13 подключен ко вторым входам блока измерения напряжения 11 и блока вычисления емкости 12, второй выход блока формирования интервалов времени 13 подключен к дополнительным входам блока управления 3 и выходного устройства 10.
Рассмотрим работу устройства на примере конкретного выполнения способа измерения сопротивления изоляции.
Измерение сопротивления изоляции производится в процессе работы контролируемой сети 2, то есть от источников напряжения 14, 15, 16 рабочее напряжение поступает к сопротивлениям нагрузки 17, 18, 19.
Цикл измерения состоит из двух полуциклов. На первом полуцикле блок управления 3 подключает блок управляемого тока 4 через блок подсоединения 6 к контролируемой сети 2 и происходит процесс заряда емкостей контролируемой сети 23, 24, 25 до наперед заданного значения напряжения. Наперед заданное значение задается с помощью регулируемого источника напряжения 7.
экв
1
a1
2
a2
a1
экв
В процессе заряда емкостей контролируемой сети 23, 24, 25 на первом полуцикле происходит вычисление значения эквивалентной емкости C, равной сумме емкостей сети 23, 24, 25. Это осуществляется следующим образом. В самом начале первого полуцикла, в момент времени t, блок формирования интервалов времени 13 выдает первый короткий управляющий импульс на блок измерения напряжения 11 и на блок вычисления емкости 12. При этом происходит измерение и запоминание значения напряжения U на средней точке блока подсоединения 6. Одновременно с этим начинается действие положительного управляющего импульса, который поступает от блока формирования интервалов времени 13 на блок управления 3. Благодаря этому происходит подключение первого блока управляемого тока 4 к выходу блока присоединения 6, начинается процесс заряда емкостей контролируемой сети 23, 24, 25. В течение заданного интервала времени происходит заряд емкостей контролируемой сети 23, 24, 25 от первого блока управляемого тока 4, при этом пренебрежимо малая часть тока протекает через сопротивления изоляции сети 20, 21, 22. Через этот интервал, в момент времени t, блок формирования интервалов времени 13 выдает второй короткий управляющий импульс на блок измерения напряжения 11 и на блок вычисления емкости 12. При этом происходит измерение и запоминание значения напряжения на средней точке блока подсоединения 6. Затем в блоке вычисления емкости 12 вычисляется разность напряжений ΔU=U-U. Затем в блоке вычисления емкости 12 вычисляется значение эквивалентной емкости C по формуле:
экв
2
1
C=I·(t-t)/ΔU,
где I - значение тока, создаваемого блоком управляемого тока 4.
2
1
2
1
a2
a1
Интервал времени t-t выбирается в несколько раз меньше, чем предполагаемое время цикла измерения. В случае если в контролируемой сети 2 имеются большие пульсации напряжения или сеть является сетью переменного или двойного рода тока, для устранения влияния переменной составляющей напряжения интервал t-t необходимо выбирать равным или кратным периоду частоты переменного напряжения. В этом случае при вычислении изменения напряжения ΔU=U-U переменная составляющая устраняется.
экв
экв
Значение емкости C передается в блок формирования интервалов времени 13. Следует отметить, что в течение времени вычислений на втором выходе блока формирования интервалов времени 13 продолжает действовать положительный импульс, поступающий на блок управления 3, то есть первый полуцикл продолжает выполняться. Затем происходит вычисление требуемых интервалов времени, необходимых для завершения переходных процессов. Длительности требуемых интервалов времени прямо пропорциональны емкости C, их конкретные числовые значения зависят от требуемой точности, передаточной функции блока фильтрации 8, а также от других параметров устройства. Тем самым достигается уменьшение времени измерения при наличии в контролируемой сети 2 малых емкостей.
1
1
Блок формирования интервалов времени 13 продолжает поддерживать на своем втором выходе положительный импульс в течение требуемого времени, после чего первый полуцикл заканчивается. После этого выходное устройство 10 зафиксирует измеряемое значение тока I с помощью сигнала, поступающего от блока измерения тока 9, а также зафиксирует значение напряжения U с помощью сигнала, поступающего от блока фильтрации 8.
Затем блок формирования интервалов времени 13 создает на своем втором выходе отрицательное напряжение, то есть начинается второй, отрицательный, полуцикл.
2
2
Во втором полуцикле с помощью блока управления 3 подключается второй блок управляемого тока 5, который формирует ток противоположного направления, чем первый блок управляемого тока 4. На втором полуцикле вычисление емкости не производится, длительность второго интервала равна длительности первого интервала. Затем в выходном устройстве 10 фиксируются (запоминаются) новое значение среднего напряжения U на выходе блока фильтрации 8 и величина тока I.
В выходном устройстве 10 происходит обработка результатов измеренных и запомненных значений токов и напряжений, которая заключается в следующем.
1
2
1
2
Вычисляют разности напряжений ΔU=U-U и токов ΔI=I-I.
Далее вычисляют эквивалентное сопротивление изоляции контролируемой сети 2.
За счет того что в начале измерительного цикла осуществляется вычисление емкости, устройство автоматически адаптируется к контролируемому объекту, то есть время измерения будет зависеть от емкости. Тем самым достигается расширение функциональных возможностей, применение устройства позволяет сократить время измерения при наличии в контролируемой сети малых емкостей.