СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СЕТИ И СОПРОТИВЛЕНИЙ ИЗОЛЯЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
DETERMINATION METHOD OF THE CIRCUIT INSULATION RESISTANCE AND INSULATION RESISTANCE OF THE JOINED ALTERNATING CURRENT CIRCUIT WITH INSULATED NEUTRAL

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при создании устройств контроля и измерения сопротивления изоляции сетей переменного тока с изолированной нейтралью.
Известен способ измерения и контроля сопротивления изоляции изолированных от земли силовых электрических сетей переменного тока под рабочим напряжением (RU 2377581 C1, опубликовано 27.12.2009), заключающийся в том, что накладывают на силовую сеть стабилизированное постоянное напряжение, путем подключения к контролируемой сети измерительной цепи, состоящей из последовательно-соединенных резисторного датчика тока Rдт, источника стабилизированного постоянного напряжения Uст и добавочного резистора Rд с конденсатором фильтра Cф. Добавочный резистор Rд выбирают в k-раз большим, чем величина резисторного датчика тока Rдт, затем измеряют напряжение U1 на резисторном датчике тока, после чего эквивалентное сопротивление изоляции Rиз контролируемой сети вычисляют по формуле: Rиз=Rдт[Uст/U1-(к+1)], где Rиз - эквивалентное сопротивление изоляции силовой электрической сети.
Недостатком известного аналога является то, что данным способом не могут быть измерены сопротивления изоляций отдельных присоединений.
Известен способ контроля состояния изоляции фидеров трехфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью (RU 2400764 C1, опубликовано 27.09.2010), при котором определяют угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности, текущую величину сопротивления изоляции каждого контролируемого фидера рассчитывают по зависимости
0
0
-3
R=3*U/3*I*cosϕ*10,
где R - сопротивление изоляции фидера,
0
3*I - ток нулевой последовательности в мА,
0
3*U - напряжение нулевой последовательности в В,
ϕ* - угол сдвига фазы между током и напряжением нулевой последовательности.
Недостатком данного способа является сложность его реализации, обусловленная тем, что необходимо определить не только ток и напряжение нулевой последовательности, но и угол сдвига фаз между ними.
cp
1
2
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является способ определения сопротивления изоляции сети и сопротивлений изоляции присоединений сети переменного тока с изолированной нейтралью (Иванов Е., Дьячков А. Как правильно измерить сопротивление изоляции электроустановок, Новости электротехники, №2(14), 2002, стр. 50-52), при котором, к фазам сети переменного тока подключается трехфазный выпрямительный мост, собранный на полупроводниковых диодах по схеме Ларионова, при этом вольтметром магнитоэлектрической системы поочередно измеряют три напряжения: U - на выходе моста, U - между положительным полюсом моста и землей, U - между отрицательным полюсом моста и землей. Расчет сопротивления изоляции сети R выполняют по формуле:
v
cp
1
2
v
R=R*(U/(U+U)-1), где R - сопротивление вольтметра, аналогичное формуле для метода трех отсчетов вольтметра в сетях постоянного тока.
Существенно, что в подобных случаях измерения должны производиться вольтметром именно магнитоэлектрической системы, так как носителями информации о величине сопротивления изоляции являются только средние значения напряжений. Этот способ пригоден для применения в однофазных и трехфазных сетях переменного тока, в сетях с управляемыми и неуправляемыми выпрямителями.
Недостатком ближайшего аналога является то, что данным способом не могут быть измерены сопротивления изоляций отдельных присоединений, а также при данном способе возникают значительные перекосы напряжений между фазами и «землей», что приводит к повышенному напряжению на отдельных фазах относительно «земли», а значит, к снижению ресурса изоляции.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа, позволяющего устранить недостатки известного способа.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет измерения сопротивлений изоляции присоединений, уменьшения величины перекоса напряжений между фазами и «землей», возникающих при определении сопротивления изоляции сети и сопротивлении изоляции присоединений.
Технический результат достигается тем, что в способе определения сопротивления изоляции сети переменного тока с изолированной нейтралью и сопротивлений изоляции присоединений сети переменного тока с изолированной нейтралью, заключающемся в том, что, измеряют средние значения напряжения между положительным и отрицательным полюсами трехфазного выпрямительного моста, собранного на полупроводниковых диодах по схеме Ларионова и подключенного к фазам сети переменного тока, а также между положительным и отрицательным полюсами трехфазного выпрямительного моста и «землей», производят выравнивание напряжений на фазах сети путем включения параллельно полюсам трехфазного выпрямительного моста двух последовательно соединенных первого и второго резисторов, общая точка которых соединена с «землей», одновременно измеряют среднее значение тока через провод, соединяющий общую точку первого и второго резисторов с «землей», измеряют средние значения дифференциальных токов, протекающих по присоединениям сети, с помощью датчиков дифференциальных токов для измерений средних значений токов, после подключения сначала к одному из полюсов трехфазного выпрямительного моста третьего резистора, один из выводов которого подсоединен к общей точке первого и второго резисторов, а потом к другому полюсу трехфазного выпрямительного моста четвертого резистора, один из выводов которого подсоединен к общей точке первого и второго резисторов, а значения сопротивлений изоляции всей сети в целом и сопротивления изоляции присоединений определяют из выражений:
i
+
-
i+
i-
R=|(U+U-U)/(I-I)|;
+
-
+
-
R=|(U+U-U)/(I-I)|,
где
R - полное сопротивление изоляции всей сети;
i
R - полное сопротивление изоляции i-го присоединения;
+
U - среднее значение напряжения на положительном полюсе выпрямительного моста относительно «земли» при подключении к нему третьего резистора;
-
U - среднее значение напряжения на отрицательном полюсе выпрямительного моста относительно «земли» при подключении к нему четвертого резистора;
U - среднее значение напряжения между положительным и отрицательным полюсами выпрямительного моста;
+
I - среднее значение тока через провод, соединяющий общую точку первого и второго резисторов с «землей», при подключении к положительному полюсу выпрямительного моста третьего резистора;
-
I - средний ток через провод, соединяющий общую точку первого и второго резисторов с «землей», при подключении к отрицательному полюсу выпрямительного моста четвертого резистора;
i+
I - среднее значение дифференциального тока i-го присоединения, вызванного подключением к положительному полюсу выпрямительного моста третьего резистора;
i-
I - среднее значение дифференциального тока i-го присоединения, вызванного подключением к отрицательному полюсу выпрямительного моста четвертого резистора.
Сущность способа поясняется схемами, приведенными на фиг. 1 и 2 и осциллограммами на фигурах 3-11.
На фиг. 1 изображены источник питания 1 сети переменного тока с изолированной нейтралью 17, нагрузки присоединений 22, 23, 24, 25 с емкостями и активными сопротивлениями их изоляций. Например, присоединение 22 с нагрузкой 13 подсоединено к фазам а, в и с, присоединение 23 с нагрузкой 14 подсоединено к фазам в и с, присоединение 24 с нагрузкой 15 подсоединено к фазам а и в, подсоединение 25 с нагрузкой 16 подсоединено к фазам а и с. Кроме этого на схеме (фиг. 1) показаны резистивные элементы 5 и 6, подключенные через ключи 7 и 8 к полюсам «-» и «+» выпрямителя 2 соответственно, устройства измерения напряжения 9, 10 и 12 (вольтметры для измерений средних значений), устройства 18, 19, 20 и 21 для измерения средних значений дифференциальных токов (датчики дифференциальных токов для измерений средних значений токов), протекающих по присоединениям 22, 23, 24 и 25, резисторы 3, 4, соединенные последовательно и подключенные параллельно полюсам выпрямителя 2, миллиамперметр 11 для измерений средних значений токов, протекающих в проводе, соединяющем общую точку резисторов 3, 4, 5 и 6 и «землю».
Способ осуществляют следующим образом. Измеряют средние значения напряжения между положительным и отрицательным полюсами выпрямительного моста вольтметром 12. Измеряют средние значения напряжений между «землей» и положительным полюсом выпрямительного моста с помощью вольтметров 10, а также измеряют среднее значение тока в проводе, соединяющем общую точку резисторов 3, 4, 5, 6 и «землю», миллиамперметром 11, измеряют средние значения дифференциальных токов с помощью датчиков дифференциальных токов для измерения средних значений (например, датчики дифференциальных токов типа ДДТ производства ООО НПП «ЭКРА»), протекающих по присоединениям сети после подключения к положительному полюсу выпрямительного моста резистора 6. Измеряют средние значения напряжения между «землей» и отрицательным полюсом выпрямительного моста с помощью вольтметра 9, а также измеряют среднее значение тока через миллиамперметр 11, измеряют средние значения дифференциальных токов с помощью датчиков дифференциальных токов для измерений средних значений токов, протекающих по присоединениям сети после подключения к отрицательному полюсу выпрямителя резистора 5. Значения сопротивлений изоляции каждого из присоединений и сети в целом определяют из выражений:
i
1+
2-
i+
i-
1+
2-
0+
0-
R=|(U+U-U)/(I-I)|; R=|(U+U-U)/(I-I)|,
где
R - полное сопротивление изоляции всей сети;
i
R - полное сопротивление изоляции i-го присоединения;
1+
U - среднее значение напряжения на положительном полюсе выпрямительного моста относительно «земли» при подключении к нему третьего резистора;
2-
U - среднее значение напряжения на отрицательном полюсе выпрямительного моста относительно «земли» при подключении к нему четвертого резистора;
U - среднее значение напряжения между положительным и отрицательным полюсами выпрямительного моста;
0+
I - среднее значение тока через провод, соединяющий общую точку первого и второго резисторов с «землей», при подключении к положительному полюсу выпрямительного моста третьего резистора;
0-
I - средний ток через провод, соединяющий общую точку первого и второго резисторов с «землей», при подключении к отрицательному полюсу выпрямительного моста четвертого резистора;
i+
I - среднее значение дифференциального тока i-го присоединения, вызванного подключением к положительному полюсу выпрямительного моста третьего резистора;
i-
I - среднее значение дифференциального тока i-го присоединения, вызванного подключением к отрицательному полюсу выпрямительного моста четвертого резистора.
3
4
1
2
На фиг. 2 изображена упрощенная схема замещения сети переменного тока с изолированной нейтралью для расчета сопротивлений изоляции, изображенной на фиг. 1, где Е - э.д.с. на выходе выпрямителя, ,  эквивалентное сопротивление изоляции сети 17 переменного тока соответственно при отрицательном и положительном напряжении фаз сети относительно «земли»,  и  эквивалентное сопротивление изоляции первого присоединения соответственно при отрицательном и положительном напряжении фаз сети относительно «земли»,  и  эквивалентное сопротивление изоляции второго присоединения соответственно при отрицательном и положительном напряжении фаз сети относительно «земли»,  и  эквивалентное сопротивление изоляции третьего присоединения соответственно при отрицательном и положительном напряжении фаз сети относительно «земли»,  и  эквивалентное сопротивление изоляции четвертого присоединения соответственно при отрицательном и положительном напряжении фаз сети относительно «земли», R и R сопротивления резисторов, подключаемых с помощью ключей 7 и 8 к выводам выпрямителя соответственно «-» и «+», R и R - сопротивления резисторов 3 и 4.
см
Напряжение смещения нейтрали сети переменного тока U, т.е. напряжение точки О (фиг. 1) относительно «земли» тем больше, чем больше разница между сопротивлениями изоляции фаз относительно «земли». При этом чем выше напряжение смещения нейтрали, тем выше различия напряжений на фазах сети относительно «земли». Проведенные математические и натуральные исследования показали, что перекос напряжений между полюсами выпрямительного моста и «землей» ΔU тем больше, чем больше напряжение смещения нейтрали сети переменного тока
+
-
+
-
где ΔU=U-U, U - напряжение на выводе «+» выпрямителя относительно «земли», U - напряжение на выводе «-» выпрямителя относительно «земли».
До замыкания ключей К1 и К2:
напряжение на выводе «+» выпрямителя относительно «земли»
Напряжение на выводе «-» выпрямителя относительно «земли»
-
+
U=U-E
Как видно из выражений 1 и 2,  перекос напряжений между полюсами выпрямительного моста и «землей» тем меньше, чем меньше соотношения
1
сиз-
1из-
2из-
3из-
4из-
2
сиз+
1из+
2из+
3из+
4из+
R//R//R//R//R//R и R//R//R//R//R//R
Таким образом, при ухудшении сопротивлений изоляции фаз сети относительно земли производится выравнивание напряжений на фазах сети относительно «земли», добиваясь уменьшения смещения нейтрали. Для этого включают в схему параллельно полюсам выпрямительного моста два последовательно соединенных одинаковых резисторов, общая точка которых соединена с «землей». Резисторы 3, 4 выбирают сопротивлением, во много раз меньшим, чем сопротивление изоляции, например сопротивлением 100…1000 кОм.
1+
После замыкания ключа К1 напряжение U на выводе «+» выпрямительного моста относительно «земли»
Σиз+
Σиз+
сиз+
1из+
2из+
3из+
4из+
Σиз-
Σиз-
сиз-
1из-
2из-
3из-
4из-
где R - эквивалентное сопротивление изоляции сети и присоединений при положительном напряжении фаз относительно «земли» R=R//R//R//R//R, R - эквивалентное сопротивление сети и присоединений при отрицательном напряжении фаз относительно «земли» R=R//R//R//R//R.
Выражение (3) можно записать через проводимости G
1+
2
4
Σиз+
2
4
Σиз+
1
Σиз-
U=E*(1/(G+G+G)/(1/(G+G+G)+1(G+G)),
где
2
2
4
4
Σиз+
Σиз+
1
1
Σиз-
Σиз-
G=1/R, G=1/R, G=1/R, G=1/R, G=1/R
0+
После замыкания ключа K1 ток I через миллиамперметр
2-
После замыкания ключа К2 напряжение U на выводе «-» выпрямительного моста относительно «земли»
0-
После замыкания ключа К2 ток I через миллиамперметр:
Используя выражения 1-6, можно получить:
Σиз+
Σиз-
Σиз+
Σиз-
0+
0-
2-
1+
G+G=1/(R//R)=(I-I)/(Е-U-U)
Таким образом, полное сопротивление изоляции всей сети:
Σиз
Σиз+
Σиз-
1+
2-
0+
0-
R=R//R=|(U+U-U)/(I-I)|,
где
1+
U - среднее значение напряжения на положительном полюсе выпрямительного моста относительно «земли» при подключении к нему третьего резистора;
2-
U - среднее значение напряжения на отрицательном полюсе выпрямительного моста относительно «земли» при подключении к нему четвертого резистора;
U - среднее значение напряжения между положительным и отрицательным полюсами выпрямительного моста;
0+
1
2
I - среднее значение тока через провод, соединяющий общую точку резисторов R и R и «землю» при подключении к положительному полюсу выпрямителя третьего резистора;
0-
1
2
I - средний ток через провод, соединяющий общую точку резисторов R и R и «землю» при подключении к отрицательному полюсу выпрямителя четвертого резистора.
Ток, протекающий через миллиамперметр, равен сумме дифференциальных токов, протекающих через все присоединения.
iиз
Выражения для эквивалентного сопротивления изоляций каждого присоединения R получим на примере первого присоединения для схемы (фиг. 2) исходя из значений для дифференциальных токов присоединений, а также выражений для напряжений на полюсах выпрямителя при замыкании ключей К1 и К2:
iиз
iиз-
iиз+
R=R//R,
iиз-
iиз+
где R и R - эквивалентное сопротивление изоляции первого присоединения соответственно при отрицательном и положительном напряжении фаз сети относительно «земли».
После замыкании ключа К1 токи, протекающие по изоляции проводов первого присоединения (фиг. 1), равны токам, протекающим через сопротивления изоляции первого присоединения, соединяющего шины «+» и «-» выпрямительного моста и «землю»:
1+
1+
1из+
1-
1-
1из-
I=U*G, I=U*G,
1+
1-
где U, U - напряжение на выводах выпрямительного моста «+» и «-» относительно «земли» соответственно,
1из+
1из-
G, G - проводимость изоляции первого присоединения соответственно при положительном и отрицательном напряжении фаз сети относительно «земли».
Дифференциальный ток первого присоединения после замыкания ключа К1:
где
1из
G - полная проводимость изоляции первого присоединения,
1из
1из+
1из-
G=G+G
После замыкания ключа К2: токи, протекающие по изоляции проводов первого присоединения (фиг. 1), равны токам, протекающим через сопротивления изоляции первого присоединения, соединяющего шины «+» и «-» выпрямительного моста и «землю»:
,
2+
1-
U, U - напряжение на шине «+» и «-» относительно «земли» соответственно после замыкания ключа К2.
Дифференциальный ток первого присоединения после замыкания ключа К2:
Исходя из выражений (7, 8) получим выражение для полного (эквивалентного) сопротивления изоляции первого присоединения:
.
В общем случае для i-присоединения полное сопротивление изоляции
i
1+
2-
i+
i-
R=|(U+U-U)/(I-I)|,
i
R - полное сопротивление изоляции i-го присоединения;
1+
U - среднее значение напряжения на положительном полюсе выпрямительного моста относительно «земли» при подключении к нему третьего резистора;
2-
U - среднее значение напряжения на отрицательном полюсе выпрямительного моста относительно «земли» при подключении к нему четвертого резистора;
U - среднее значение напряжения между положительным и отрицательным полюсами выпрямительного моста;
i+
I - среднее значение дифференциального тока i-го присоединения, вызванного подключением к положительному полюсу выпрямительного моста третьего резистора;
i-
I - среднее значение дифференциального тока i-го присоединения, вызванного подключением к отрицательному полюсу выпрямительного моста четвертого резистора.
На фигуре 3 представлены осциллограмма напряжения на положительном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 1 и осциллограмма напряжения на отрицательном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 2 при разомкнутых ключах 7 и 8 и хорошей изоляции. На фигуре 4 представлены осциллограмма напряжения на положительном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 1 и осциллограмма напряжения на отрицательном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 2 при замкнутом ключе 7 и хорошей изоляции. На фигуре 5 представлены осциллограмма напряжения на положительном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 1 и осциллограмма напряжения на отрицательном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 2 при замкнутом ключе 8 при хорошей изоляции.
На фигуре 6 представлены осциллограмма напряжения на положительном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 1 и осциллограмма напряжения на отрицательном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 2 при разомкнутых ключах 7 и 8 и плохой изоляции фазы А. На фигуре 7 представлены осциллограмма напряжения на положительном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 1 и осциллограмма напряжения на отрицательном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 2 при замкнутом ключе 7 и плохой изоляции фазы А. На фигуре 8 представлены осциллограмма напряжения на положительном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 1 и осциллограмма напряжения на отрицательном выводе выпрямительного моста относительно «земли» 2 при замкнутом ключе 8 при плохой изоляции фазы А.
На фигуре 9 представлены осциллограммы тока 1 через миллиамперметр и осциллограмма дифференциального тока 2 через присоединение при разомкнутых ключах 7 и 8 при плохой изоляции фазы А. На фигуре 10 представлены осциллограммы тока 1 через миллиамперметр и осциллограмма дифференциального тока 2 через присоединение при замкнутом ключе 7 при плохой изоляции фазы А. На фигуре 11 представлены осциллограммы тока 1 через миллиамперметр и осциллограмма дифференциального тока 2 через присоединение при замкнутом ключе 8 при плохой изоляции фазы А.
Видно, что средние значения напряжений и токов при замкнутом ключе 7 и при замкнутом ключе 8 отличаются.
Устройство, реализующее предлагаемый способ определения сопротивления изоляции сети переменного тока с изолированной нейтралью и сопротивлений изоляции присоединений сети переменного тока с изолированной нейтралью - терминал «ЭКРА-СКИ», выпрямительный мост, собранный на полупроводниковых диодах по схеме Ларионова и в качестве датчиков дифференциальных токов - датчики типа ДДТ-25 производства НПП «ЭКРА», успешно прошло испытания в условиях полигона ООО НПП «ЭКРА».