УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА УТЕЧКИ В НАГРУЗКЕ ОДНОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
MEASURING DEVICE OF LEAKAGE CURRENT IN LOAD OF SINGLE-PHASE RECTIFIER

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для автоматического бесконтактного измерения в реальном масштабе времени значения тока утечки в нагрузке однофазного мостового выпрямителя переменного тока при уменьшении величины ее сопротивления изоляции.
Наличие тока утечки считается крайне нежелательным явлением в электрооборудовании. Он возникает в случае существенного снижения сопротивления изоляции в токонесущих жилах кабелей электроустановок (нагрузки). Данный факт ухудшает энергетические характеристики оборудования. Если же ток утечки продолжает возрастать (по причине уменьшения сопротивления изоляции), то может произойти короткое замыкание между токонесущими жилами или одной из жил и корпусом, что может привести к выходу из строя всей аппаратуры.
В этой связи проблема своевременного выявления факта наличия токов утечки в электроустановках и их измерения является весьма актуальной. Особенно эта задача важна для специального оборудования, эксплуатация которого связана с риском возникновения аварийных ситуаций с тяжелыми последствиями. Например, появление потенциала (тока утечки) на корпусе электроустановок, работающих с агрессивными жидкостями или взрывоопасными веществами, может привести к нарушению процессов управления и защиты, образованию ложных цепей срабатывания аппаратуры, появлению искрообразования и т.д., что, в свою очередь, может привести к катастрофическим последствиям.
В качестве измерителей малых токов в электрооборудовании широко применяются различного рода гальванометры, механические (электростатические) и динамические электрометры [1]. Наряду с высокой точностью измерений и высокой чувствительностью отличительной особенностью этих устройств является сложность конструкций и алгоритмов реализации измерений, дороговизна, а также необходимость электрического контакта измерительных цепей приборов с объектом контроля.
Известен способ определения сопротивления путей утечки тока на землю в электрических системах [2], в котором предполагается целый ряд замеров токов утечки на землю и общего тока системы, составление громоздкой системы линейных уравнений по количеству электрических цепей с последующим ее решением, в ходе которого и определяется ток утечки. Недостатками способа являются сложность реализации алгоритма определения сопротивления изоляции, а также необходимость обеспечения гальванической связи между контролирующей аппаратурой и электрическим оборудованием.
Известен способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети [3], в котором предполагается наличие дополнительного источника измерительного напряжения в форме периодической последовательности импульсов определенной формы, измерение тока утечки за два соответствующих интервала, вычисление сопротивления изоляции по формуле и сравнение полученного значения с заданными значениями сопротивлений. Недостатками способа являются также сложность реализации и необходимость наличия гальванической связи между контролирующей аппаратурой и электрооборудованием.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической реализации является устройство контроля тока утечки в нагрузке однофазного выпрямителя [4]. Данное устройство позволяет несложно и бесконтактно в режиме реального времени фиксировать с высокой точностью факт наличия тока утечки в электрооборудовании.
Недостатком прототипа является то, что устройство не позволяет измерять величину тока утечки. Очевидно, что влияние тока утечки на качество работы электрооборудования зависит от его значения: если значение тока утечки меньше максимально допустимого, то он никак не будет оказывать отрицательного влияния на работу электрооборудования; в противном случае в работе электрооборудования могут возникнуть нежелательные последствия. Таким образом, на практике необходимо не только регистрировать факт наличия тока утечки, но и измерять его текущее значение для принятия возможных соответствующих организационно-технических мер.
Целью изобретения является измерение тока утечки в нагрузке однофазного выпрямителя бесконтактным способом в режиме реального времени.
УТ
УТ
УТ
УТ
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве производится анализ информационного содержания выходных сигналов двух датчиков напряженности внешнего магнитного поля, размещенных на токоподводящем и токоотводящем проводах, подключающих нагрузку к однофазному мостовому выпрямителю, при этом в качестве информационного параметра используются амплитуды спектральных составляющих сигналов датчиков, равных 2ω (ω - частота питающего выпрямитель входного напряжения), которые после усиления выделяются с помощью узкополосных фильтров и подаются на устройство сравнения. Факт появления на выходе устройства сравнения разностного сигнала амплитуд спектральных составляющих сигналов датчиков U и будет свидетельствовать о появлении тока утечки I в нагрузке однофазного мостового выпрямителя. Очевидно, что значение U будет прямо пропорционально значению реального тока утечки. Введение же в состав устройства задатчика уровней напряжений, пропорциональных соответствующим значениям токов утечки, и порогового устройства, осуществляющего сравнение текущего значения сигнала (напряжения) U с задаваемыми значениями напряжений, позволяет автоматически измерять величину реального тока утечки в нагрузке.
В рассматриваемом устройстве для решения задачи фиксации тока утечки может быть использован широкий круг магниточувствительных датчиков (индукционных, магнитодиодных, основанных на эффекте Холла и др.). Выбор типа датчика может определяться разными факторами: обеспечения необходимой чувствительности измерений, особенностями и удобством размещения (крепления), стоимостными соображениями и т.п. В качестве такого датчика для реализации предлагаемого изобретения может быть использован универсальный комплексный измерительный преобразователь параметров токов и напряжений при работе электрооборудования различного назначения [5], отвечающий критериям чувствительности, удобства установки и дешевизны.
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства измерения тока утечки в нагрузке однофазного выпрямителя. В состав устройства входят два датчика напряженности внешнего магнитного поля 1 и 1 (Д1 и Д2), каждый из которых состоит из чувствительного элемента (ЧЭ), размещенного в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе из нескольких витков провода, намотанного на диэлектрическую цилиндрическую трубку. Данные датчики подключены по схеме, аналогичной трансформатору тока, соответственно в токоподводящий и токоотводящий провода, соединяющие однофазный мостовой выпрямитель 2 и нагрузку 3. Выходы чувствительных элементов датчиков 1 и 1 связаны с соответствующими усилителями 4 и 4  (У1 и У2), выходы которых подключены к входам узкополосных фильтров 5 и 5 (Ф1 и Ф2). Выходы узкополосных фильтров связаны соответственно с первым и вторым входами устройства сравнения 6 (УС), выход которого в свою очередь связан с первым входом порогового устройства 7 (ПУ). Второй и третий входы порогового устройства связаны с соответствующими выходами задатчика уровня напряжений 8 (ЗУН), а выход ПУ подключен к блоку индикации 9 (БИ).
Устройство измерения тока утечки в нагрузке однофазного выпрямителя работает следующим образом.
П
1
2
Входное однофазное переменное питающее напряжение ~u преобразуется (повышается или понижается) трансформатором Тр и прикладывается к входу мостового выпрямителя 2. Выпрямленный пульсирующий ток протекает по цепи: (+) выпрямителя 2, соленоид-концентратор датчика 1, нагрузка 3, соленоид-концентратор датчика 1, (-) выпрямителя 2.
1
ПОД
2
ОТВ
1
2
1
2
В датчике 1 провод, образующий соленоид-концентратор, является токоподводящим и по нему протекает ток I, а в датчике 1 аналогичный провод является токоотводящим и по нему, соответственно, протекает ток I. Магнитные поля, создаваемые этими токами в микроиндуктивных соленоидах-концентраторах, индуцируют в датчиках Д1 и Д2 электродвижущую силу (эдс), в результате чего формируются сигналы, пропорциональные величине протекающих по проводам токов. После усиления в усилителях 4 и 4 эти сигналы поступают на узкополосные фильтры 5 и 5, настроенные на частоту 2ω, где происходит выделение амплитуд спектральной составляющей сигналов с данной частотой.
ПОД
ОТВ
ПОД
ОТВ
УТ
В том случае, если ток утечки в нагрузке практически отсутствует, т.е. I≈I (или I - I ≈ 0), то амплитуды спектральных составляющих с частотой 2ω сигналов датчиков также будут равны, и разностный сигнал на выходе устройства сравнения 6 U, очевидно, будет отсутствовать. В результате на выходе блока индикации 9 никакого сигнала также не будет, что регистрируется загоранием на БИ индикатора «Норма».
УТ
ПОД
ОТВ
ПОД
ОТВ
УТ
2
1
УТ
УТ
УТ
В том случае, если в нагрузке появляется ток утечки I, то по первому закону Кирхгофа I>I или I = I + I. Тогда величина амплитуды спектральной составляющей с выхода датчика Д, размещенного на токоотводящем проводе, будет меньше величины амплитуды спектральной составляющей с выхода датчика Д, размещенного на токоподводящем проводе, на величину, пропорциональную значению тока утечки I. В результате сравнения этих амплитуд на выходе устройства сравнения 6 появится разностный сигнал U, означающий, что в нагрузке появился соответствующий пропорциональный ток утечки I. Данное напряжение поступает на первый вход порогового устройства 7.
1
2
1
2
УТ
1
2
Задатчик 8 формирует два уровня напряжений U и U, пропорциональных соответственно допустимому значению тока утечки (I) и предельно-допустимому (аварийному) значению тока утечки (I). Эти напряжения прикладываются к второму и третьему входам порогового устройства 7. В пороговом устройстве происходит постоянное сравнение текущего значения напряжения U с заданными уровнями напряжений U и U.
Алгоритм работы устройства может быть следующим.
УТ
1
УТ
1
1. Если ток утечки имеет место, но он мал, т.е. I<I, то это означает, что значение тока утечки находится в норме. Очевидно, что этому событию соответствует соотношение U<U. При этом выходной сигнал с ПУ 7 поступит в БИ 9 опять же на индикатор «Норма».
1
2
1
УТ
2
1
УТ
2
2. Если ток утечки превысил значение I, но остался меньше значения I, т.е. I≤I<I, то это будет означать, что он находится все еще в допустимых пределах, но на этот факт уже следует обратить внимание. Аналогично, этому событию будет соответствовать соотношение U≤U<U. При этом выходной сигнал с ПУ 7 поступит в БИ 9 на индикатор «Предупреждение». В этом случае контролируемое электрооборудование может функционировать, но обслуживающему персоналу необходимо готовиться к соответствующим профилактическим работам по уменьшению значения тока утечки.
2
УТ
2
УТ
2
3. Если ток утечки продолжает возрастать и превысил значение I, т.е. I≥I, то это будет означать, что ток достиг максимально допустимого значения. При этом выполнится соотношение U≥U. Тогда пороговое устройство 7 сформирует выходной сигнал, который отразится на БИ 9 высвечиванием индикатора «Авария». В этом случае необходимо отключить работающее электрооборудование и провести обязательные ремонтно-восстановительные работы.
Таким образом, предлагаемое устройство с высокой достоверностью бесконтактно определяет факт наличия тока утечки в электрооборудовании, питающегося от однофазного мостового выпрямителя, и осуществляет дискретно его измерение.
Следует отметить, что при необходимости ЗУН 8 можно запрограммировать на формирование не двух, а большего количества фиксированных уровней напряжения, что позволит, в конечном итоге, более точно измерять реальное значение тока утечки. Однако практика показывает, что в этом нет острой необходимости. Достоинством данного устройства является также то, что подобным образом можно измерять токи утечки в нагрузке трехфазных выпрямителей.
Предлагаемое устройство имеет несложную техническую реализацию и большие функциональные возможности.
Источники информации
1. Грибанов Ю.И. Измерение слабых токов, зарядов и больших сопротивлений. М.-Л., Госэнергоиздат, 1962.
2. Седов А.В., Лачин В.И., Малина А.К. Способ определения сопротивления путей утечки тока на землю в электрических системах. Патент РФ на изобретение №2010247, 1994.
3. Малафеев С.И., Мамай B.C. и др. Способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети. Патент РФ на изобретение №2144679, 2000.
4. В.Ф. Вербов, Б.Н. Просянников, А.Г. Сукиязов. Устройство контроля тока утечки в нагрузке однофазного выпрямителя. Патент РФ на изобретение №2556332, 2015 (прототип).
5. Сукиязов А.Г., Просянников Б.Н. и др. Комплексный измерительный преобразователь параметров токов и напряжений при работе электрооборудования различного назначения. Патент РФ на полезную модель №100291, 2010.