УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и может быть использована для допускового контроля сопротивления изоляции различных электрических сетей.
Известно устройство [1] для измерения сопротивления изоляции электрической цепи, принцип действия которого основан на неоднократном измерении напряжения через равные промежутки времени при поочередном шунтировании резистором полюсов электрической цепи и определении эквивалентного сопротивления изоляции по заданной формуле.
Недостатком известного устройства являются низкое быстродействие, т.к. интервал времени измерения выбирается исходя из максимальных возможных значений емкости и сопротивления изоляции контролируемой цепи.
Также известно устройство контроля сопротивления изоляции электрической сети [2], содержащее компаратор напряжений, индикатор, первый резистор и ключ, первый вывод которого соединен с одним из выводов первого резистора, а другой вывод соединен с входным контактом устройства, и делитель напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора напряжений. Устройство содержит также другие блоки и элементы с соответствующими связями, которые обеспечивают контроль сопротивления изоляции по относительно сложному алгоритму.
Недостатками известного устройства являются его сложность и низкое быстродействие.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и выбранным в качестве прототипа является устройство контроля сопротивления изоляции электрической сети [3], содержащее компаратор напряжения, индикатор, первый и токоограничительный резисторы, делитель напряжения, транзистор, источник опорного напряжения и ключ, первый вывод которого соединен с одним из выводов первого резистора, эмиттером транзистора и вторым входом компаратора напряжения, а другой вывод соединен с входным контактом устройства, второй общий входной
контакт устройства, являющийся шиной нулевого потенциала, соединен с общими входами источника опорного напряжения и индикатора, со вторым входом делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора напряжения и с базой транзистора, коллектор которого через токоограничительный резистор соединен с источником опорного напряжения, к которому подключены также другой вывод первого резистора и первый вход делителя напряжения, при этом выход компаратора напряжения подключен к входу индикатора.
Недостатком устройства-прототипа, проявляющимся при работе с длинными линиями связи, является низкая помехоустойчивость, обусловленная отсутствием входного фильтрующего конденсатора, при этом при установке фильтрующего конденсатора, устройство становится медленнодействующим (увеличивается время, необходимое для контроля сопротивления изоляции). Последнее объясняется тем, что при разомкнутом ключе, установленный фильтрующий конденсатор через первый резистор заряжается практически до напряжения опорного источника, а после замыкания ключа, т.е. при переходе непосредственно к процессу контроля сопротивления изоляции, конденсатор через первый резистор и контролируемое сопротивление изоляции будет разряжаться. В случае, когда емкость контролируемой цепи мала по сравнению с емкостью фильтрующего конденсатора, и, учитывая большую возможную величину контролируемого сопротивления, разряд конденсатора от напряжения опорного источника до установившегося значения напряжения, будет медленным. Указанные недостатки затрудняют использование известного устройства в многоканальных системах с удаленными объектами контроля при наличии шумов.
Задачей полезной модели является повышение помехоустойчивости и увеличение быстродействия устройства.
Для решения поставленной задачи, в устройство контроля сопротивления изоляции электрической сети, содержащее компаратор напряжения, индикатор, первый и второй резисторы, делитель напряжения,
первый транзистор, источник опорного напряжения и ключ, первый вывод которого соединен с одним из выводов первого резистора, эмиттером первого транзистора и вторым входом компаратора напряжения, а другой вывод соединен с первым входным контактом устройства, второй входной контакт устройства соединен с шиной нулевого потенциала, с которой также соединен второй вход делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом компаратора напряжения и с базой первого транзистора, коллектор которого через второй резистор соединен с выводом источника опорного напряжения, к которому подключены также другой вывод первого резистора и первый вход делителя напряжения, а выход компаратора подключен к входу индикатора, другой вывод источника опорного напряжения соединен с шиной нулевого потенциала введены конденсатор, подключенный между вторым входом компаратора напряжения и шиной нулевого потенциала, и второй транзистор, обратной по отношению к первому транзистору проводимости, эмиттер которого соединен с эмиттером первого транзистора, база соединена с базой первого транзистора, а коллектор соединен с шиной нулевого потенциала, второй резистор является токоограничительным резистором.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема предлагаемого устройства для контроля сопротивления изоляции электрической сети.
На чертеже обозначено:
1 - компаратор напряжения;
2 - индикатор;
3 - первый резистор;
4 - ключ;
5 - первый входной контакт;
6 - делитель напряжения;
7 - источник опорного напряжения;
8 - первый транзистор;
9 - второй резистор;
10 - первый резистор делителя напряжения;
11 - второй резистор делителя напряжения;
12 - второй входной контакт;
13 - шина нулевого потенциала;
14 - конденсатор;
15 - второй транзистор.
Устройство содержит компаратор 1 напряжения, выход которого подключен к входу индикатора 2, первый резистор 3 и ключ 4, первый вывод которого соединен с одним из выводов первого резистора 3, а другой вывод соединен с первым входным контактом 5 устройства, делитель 6 напряжения, выход которого соединен с первым, например, неинвертирующим входом компаратора 1 напряжения, источник 7 опорного напряжения, например, положительной (+) полярности, первый транзистор 8, в частности n-p-n проводимости, эмиттер, которого подключен в прямом направлении к первому выводу ключа 4 и второму входу компаратора 1 напряжения, база подключена к выходу делителя 6 напряжения, а коллектор через второй резистор 9 соединен с источником 7 опорного напряжения, к которому подключены также другой вывод первого резистора 3 и вход делителя 6 напряжения, второй транзистор 15, обратной, по отношению к первому транзистору проводимости, например, p-n-p, база которого соединена с базой первого транзистора 8, эмиттер соединен с эмиттером первого транзистора 8, а коллектор соединен с шиной 13 нулевого потенциала и фильтрующий конденсатор 14, включенный между вторым входом компаратора 1 напряжения и шиной 13 нулевого потенциала, которая соединена с вторым входным контактом 12 устройства.
Ключ 4 может быть выполнен, например, в виде тумблера, реле, управляемого внешними сигналами, или в виде иного известного средства коммутации.
Делитель 6 выполнен, в частности, в виде двух последовательно соединенных резисторов 10 и 11, преимущественно с равными значениями сопротивлений. Делитель 6 может иметь более сложную структуру, включающую несколько резисторов, переключатели и т.п.
из
Сопротивление первого резистора 3 выбирают обычно равным минимально допустимому значению сопротивления R изоляции контролируемой сети.
В общем случае при выборе значений сопротивлений резисторов 3, 10 и 11 могут учитываться и другие факторы, например, допустимые значения входных напряжений и токов компаратора 1, его динамический диапазон и т.д.
Параметры усиления транзисторов 8 и 15 в предлагаемом устройстве мало критичны. Основным требованием к транзисторам 8 и 15 является малое значение тока эмиттера при нулевом напряжении база-эмиттер, т.е. высокое значение статического сопротивления транзисторов 8 и 15, которое должно существенно превышать сопротивление первого резистора 3 для исключения влияния параметров транзисторов 8 и 15 на результаты контроля сопротивления изоляции.
Значение сопротивления второго резистора 9 выбирают исходя из допустимого значения броска тока через первый транзистор 8 в момент подключения устройства к контролируемой сети. Источник 7 опорного напряжения может быть выполнен, например, в виде параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне или иного стабильного источника напряжения. Напряжение источника 7 опорного напряжения может быть как положительной, так и отрицательной полярности. В последнем случае в качестве первого транзистора 8 должен использоваться транзистор p-n-p проводимости, а в качестве второго транзистора 15 использоваться транзистор n-p-n проводимости.
Индикатор 2 может быть выполнен, например, в виде лампы накаливания, светодиода, вольтметра, устройства связи с ЭВМ и т.п.
Компаратор напряжения 1 может запитываться как от источника 7, так и от отдельного источника напряжения.
из
из
Контролируемая сеть с сопротивлением R и емкостью С подключается к первому и второму входным контактам 5 и 12. Второй входной контакт 12 соединен с шиной 13 нулевого потенциала, к которой подключены второй вывод источника 7, второй вывод делителя 6, коллектор второго транзистора 15 и один из выводов фильтрующего конденсатора 14.
Предлагаемое устройство контроля сопротивления изоляции работает следующим образом.
В исходном состоянии ключ 4 находится в разомкнутом состоянии. Напряжение на втором входе компаратора 1 и на фильтрующем конденсаторе
из
из
из
ф
14, равное сумме выходного напряжения делителя 6 и напряжения база-эмиттер, смещенного в прямом направлении, второго транзистора 15, выше напряжения на первом входе компаратора 1 на величину, указанного напряжения база-эмиттер. На выходе компаратора 1 сигнал имеет низкий уровень, что свидетельствует о высоком сопротивлении изоляции (контролируемая сеть не подключена). После замыкания ключа 4 сигнал на втором входе компаратора 1 равен нулю, т.к. емкость С контролируемой сети в начальный момент не заряжена, напряжение на выходе компаратора 1 имеет высокий уровень. При этом второй транзистор 15 закрыт, а первый транзистор 8 открыт и через него происходит заряд емкости С током, максимальное значение которого зависит в основном от напряжения источника 7 и сопротивления второго резистора 9. Одновременно с этим и фильтрующий конденсатор 14 перезаряжается через емкость и сопротивление контролируемой цепи. Его вклад в процесс заряда емкости контролируемой цепи зависит от соотношения величин емкостей контролируемой цепи и емкости фильтрующего конденсатора 14 и определяется известными выражениями. Благодаря относительно невысокому сопротивлению второго резистора 9 происходит быстрый заряд емкостей контролируемой цели С и фильтрующего конденсатора 14 (С).
из
из
ф
Если сопротивление R изоляции контролируемой сети существенно меньше заданного значения, емкости контролируемой цепи С и фильтрующий конденсатор 14 (С) быстро зарядятся до значения напряжения на первом входе компаратора 1, уменьшенного на значение напряжение база-эмиттер открытого первого транзистора 8 (примерно 0.7 В). При этом сигнал на выходе компаратора 1 имеет высокий уровень, индикатор 2 показывает неисправность контролируемой сети.
из
из
ф
из
Если сопротивление R изоляции контролируемой сети незначительно (на единицы процентов) меньше заданного значения, после быстрого заряда емкости контролируемой цепи С и фильтрующий конденсатор 14 (С) до значения напряжения на первом входе компаратора 1, уменьшенного на значение напряжение база-эмиттер открытого первого транзистора 8, первый транзистор 8 закрывается и в дальнейшем не влияет на процесс контроля сопротивления изоляции. В этом случае дальнейший заряд емкости контролируемой цепи С и фильтрующего конденсатора 14
ф
из
ф
из
ф
(С) происходит относительно медленно через первый резистор 3. Однако время, в течение которого напряжение на емкости контролируемой цепи С и фильтрующем конденсаторе 14 (С) достигнет установившегося значения невелико, т.к. емкость контролируемой цепи С и фильтрующий конденсатор 14 (С) были заряжены до значения близкого к значению напряжения на первом входе компаратора 1. При этом сигнал на выходе компаратора 1 сохраняет высокий, уровень, индикатор 2 сигнализирует о неисправности контролируемой сети.
из
из
ф
из
ф
из
ф
из
ф
из
ф
из
ф
Если сопротивление R изоляции контролируемой сети выше заданного значения, после быстрого заряда емкости контролируемой цепи С и фильтрующего конденсатора 14 (С) до значения напряжения на первом входе компаратора 1, уменьшенного на значение напряжение база-эмиттер открытого первого транзистора 8, первый транзистор 8 закрывается и не влияет в дальнейшем на процесс контроля сопротивления изоляции. В этом случае дальнейший заряд емкости контролируемой цепи С и фильтрующего конденсатор 14 (С) происходит только через первый резистор 3. Время в течение которого напряжение на емкости контролируемой цепи С и фильтрующем конденсаторе 14 (С) достигнет значения, равного значению напряжения на первом входе компаратора 1 также невелико, т.к. емкость контролируемой цепи С и фильтрующий конденсатор 14 (С) были заряжены до значения близкого к значению напряжения на первом входе компаратора 1. После достижения порогового напряжения на втором входе компаратора 1 и последующего его превышения компаратор 1 переключается, уровень сигнала на его выходе становится нулевым, индикатор 2 показывает исправность контролируемой сети. При этом после достижения напряжением на емкости контролируемой цепи С и фильтрующем конденсаторе 14 (С) значения, превышающего пороговое напряжения на величину примерно равную 0.7 В, открывается второй транзистор 15 (второй транзистор 15 переходит в режим эмиттерного повторителя) и рост напряжения прекращается. Такое же напряжение сохраняется на фильтрующем конденсаторе 14 и при разомкнутом ключе 4. Ограничение напряжения на емкости контролируемой цепи С и фильтрующем конденсаторе 14 (С) "сверху" позволяет значительно уменьшить время контроля сопротивления изоляции.
В предлагаемом устройстве первый вход компаратора 1 может быть инвертирующим, а его второй вход, соответственно, неинвертирующим. В этом случае уровни сигналов, поступающих на вход индикатора 2, будут противоположны уровням в рассмотренном выше примере.
Таким образом, предлагаемое простое устройство обеспечивает быстрый контроль сопротивления изоляции электрической сети при хорошей помехоустойчивости.
Промышленная применимость полезной модели определяется тем, что предлагаемое устройство может быть изготовлено на основании приведенного описания и чертежа и использовано для контроля сопротивления изоляции электрических сетей различного назначения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патент РФ №2044324, МПК G 01 R 27/18, опубл. 20.09.95 г.
2. А.С. СССР №1176265, МПК G 01 R 27/18, опубл. 30.08.85 г.
3. Свидетельство на полезную модель №11346, МПК 6 G 01 R 27/18, опубл. 16.09.99, Бюл. №9 (прототип).