СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
METHOD OF MONITORING INSULATION RESISTANCE IN AN ELECTRICAL NETWORK WITH INSULATED NEUTRAL

Предполагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и релейной защите и предназначено для использования в электрических сетях переменного, постоянного и двойного тока с изолированной нейтралью для защиты электрооборудования и обслуживающего персонала.
Известны способы контроля сопротивления изоляции электрической сети с изолированной нейтралью, основанные на измерении тока утечки от вспомогательного источника тестового напряжения, при которых в контролируемую сеть 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 генератора тестового напряжения в виде периодической последовательности импульсов специальной формы. В каждом цикле предусматривается два основных этапа: заряд емкости сети до заданного постоянного напряжения и непосредственное измерение тока утечки в установившемся режиме для постоянного тока в электрической сети. Далее по измеренному току утечки вычисляется сопротивление изоляции, которое сравнивается с допустимым значением. При уменьшении сопротивления ниже допустимого значения производится отключение электрической сети.
Время непосредственного измерения тока утечки обычно принимается равным периоду питающей сети, т.е. 20 мс, 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 искажает результат измерения тока утечки и, таким образом, снижает надежность защиты. Для обеспечения корректного измерения длительность этапа заряда выбирается из условия максимально возможной емкости контролируемой сети. Это служит причиной увеличения общей продолжительности измерения, которая обычно превышает 3…4 периода напряжения контролируемой сети. С целью повышения надежности защиты и уменьшения рисков, как правило, отключение производится при повторном определении факта снижения сопротивления изоляции последовательно при нескольких циклах измерения. Это означает, что для обеспечения надежной защиты требуется увеличение времени измерения. В стандарте IEC 61557-8 В для медицинских учреждений установлено время отключения сети при нарушении сопротивления изоляции не более 5 с. 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 1140 В.
Следовательно, недостатками известных способов контроля электрического сопротивления изоляции и защитного отключения электрооборудования являются низкие надежность и быстродействие.
Из известных способов наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанный на измерении тока утечки от вспомогательного источника тестового напряжения, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
1
0
2
0
0
0
из
1
из
1
где U, U - постоянные напряжения, U>U; τ - временной интервал, 2Т - период следования импульсов тестового напряжения, τ<Т; измеряют ток утечки I в интервале времени Т-Т<t≤Т и ток утечки I в интервале 2Т-Т<t≤2Т, где Т - период напряжения контролируемой сети, Т<Т-τ, путем усреднения падения напряжения на измерительном резисторе за период питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции r, сравнивают полученное значение с уставкой R и при последовательном определении n раз факта снижения сопротивления изоляции r≤R производят отключение электрооборудования, при этом сопротивление изоляции вычисляют 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
0
0
0
1
0
2
0
В соответствии с известным способом измерение сопротивления изоляции производится циклически с периодом 2Т, в каждом цикле предусматривается два основных этапа: заряд емкости сети до заданного постоянного напряжения (при 0<t≤T-T и T<t≤2T-T) и непосредственное измерение тока утечки в установившемся режиме для постоянного тока (при T-T<t≤T и 2Т-Т<t≤2Т) в электрической сети. На основании измерений тока утечки I в интервале времени Т-Т<t≤Т и тока утечки I в интервале 2Т-Т<t≤2Т выполняется вычисление сопротивления изоляции по формуле
из
1
из
1
Полученное значение r сравнивается с уставкой R, выполняется повторение измерений и при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления r≤R изоляции n раз отключение сети.
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 искажает результат измерения тока утечки и, таким образом, снижает надежность защиты. Для обеспечения корректного измерения длительность этапа заряда выбирается из условия максимально возможной емкости контролируемой сети. Это служит причиной увеличения общей продолжительности измерения, которая обычно превышает 3…4 периода напряжения контролируемой сети. С целью повышения надежности защиты и уменьшения рисков, как правило, отключение производится при повторном определении факта снижения сопротивления изоляции последовательно при нескольких циклах измерения.
Таким образом, недостаток известного способа контроля сопротивления изоляции - низкие быстродействие контроля и надежность защиты электрической сети.
Цель предполагаемого изобретения - повышение быстродействия и надежности контроля электрического сопротивления изоляции и защиты электрической сети.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
1
0
2
0
0
0
0
из
1
из
1
где U, U - постоянные напряжения, U>U, τ - временной интервал, 2Т - период следования импульсов тестового напряжения, τ<Т; измеряют ток утечки I в интервале времени Т-T<t≤Т и ток утечки I в интервале 2Т-Т<t≤2Т, где T - период напряжения питающей сети; Т<Т-τ, путем усреднения падения напряжения на измерительном резисторе за период Т питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции r, сравнивают полученное значение с уставкой R и при последовательном определении n раз факта снижения сопротивления изоляции r≤R производят отключение электрооборудования, дополнительно сохраняют в памяти контроллера два последних значения измереного тока утечки и после завершения каждого /'-го полупериода цикла измерения вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
где r - внутреннее сопротивление источника, i=1, 2.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (операции):
- сохраняют в памяти контроллера два последних значения измеренного тока утечки;
- после завершения каждого i-го полупериода цикла измерения вычисляют сопротивление изоляции по формуле
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предполагаемого изобретения повышаются быстродействие контроля сопротивления изоляции и надежность защиты электрооборудования. Это обеспечивается вычислением сопротивления изоляции в каждом полупериоде тестового напряжения на основании результатов измерения тока утечки в текущем и предыдущем полупериодах.
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:
- сохраняют в памяти контроллера два последних значения измеренного тока утечки;
- после завершения каждого i-го полупериода цикла измерения вычисляют сопротивление изоляции по формуле
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 сети с изолированной нейтралью при наличии в сети управляемого выпрямителя УВ; на фиг. 2 приведена диаграмма тестового напряжения и процесса измерения сопротивления изоляции.
с
тА
тВ
тС
т
0
А
В
C
А
В
С
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 - управляемый 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; 16 - исполнительное устройство; 17 и 19 - сопротивления изоляции сети постоянного тока (для фидеров, подключенных к положительному и отрицательному полюсам управляемого выпрямителя УВ) соответственно r, r; 18 и 20 - емкости сети постоянного тока; С С, 22 - нагрузка управляемого выпрямителя с комплексным сопротивлением Z.
0
Напряжение от управляемого 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. Микроконтроллер 14 формирует сигнал управления для управляемого источника тестового напряжения 5. Исполнительное устройство ИУ 16, управляющий вход которого соединен с выходом микроконтроллера МК 14, предназначено для отключения защищаемого участка сети.
1
1
Форма тестового сигнала показана на фиг. 2. Тестовое напряжение представляет собой последовательность разнополярных импульсов специальной формы. В первом полупериоде в интервале времени 0<t≤τ тестовое напряжение u(t)=U обеспечивает ускоренный процесс перехода электрической системы в установившееся состояние, а именно, форсированный заряд емкостей в цепях переменного и постоянного тока. Аналогично во втором полупериоде в интервале времени Т<t≤Т+τ тестовое напряжение u(t)=-U обеспечивает ускоренный процесс перехода электрической системы в установившееся состояние, а именно, форсированный заряд емкостей в цепях переменного и постоянного тока.
2
0
т
из
Источник тестового сигнала 5 в течение интервала времени τ<t≤T формирует постоянное напряжение u(t)=U. В установившемся режиме при условии, что r<<r+r, ток этого источника равен
из
где r - эквивалентное сопротивление изоляции сети, учитывающее сопротивление изоляции участков переменного и постоянного тока;
п
U - напряжение участка сети постоянного тока.
2
В течение интервала времени T+τ<t≤2T источник тестового сигнала 5 формирует напряжение u(t)=-U. В этом случае ток источника 5 равен
из
Решение системы уравнений (1) и (2) относительно r дает формулу
п
2
2
0
0
инвариантную относительно величины постоянного напряжения U в предположении u(t)=±U, U=const в интервалах измерения. С целью повышения помехоустойчивости и обеспечения точности результата при измерении сопротивления изоляции ток утечки определяется путем усреднения падения напряжения на измерительном резисторе r за период питающей сети T (см. фиг. 2).
0
1
0
2
из
В первом полупериоде цикла измерения в интервале времени T-Т<t≤Т выполняется измерение тока утечки I. Во втором полупериоде цикла измерения в интервале 2Т-Т<t≤2Т выполняется измерение тока утечки I. Два последних измерения всегда сохраняются в памяти контроллера и используются для вычисления сопротивления изоляции r после каждого i-го полупериода тестового напряжения по формуле
т
где r - внутреннее сопротивление источника, i=1, 2.
0
1
1
2
В соответствии с формулой (3) в первом после завершения первого полупериода (i=1) текущего цикла для вычисления сопротивления изоляции используются значения тока I и I, измеренные соответственно во втором полупериоде предыдущего цикла и в первом полупериоде текущего цикла. После завершения второго полупериода (i=2) текущего цикла для вычисления сопротивления изоляции используются значения тока I и I, измеренные соответственно в первом и во втором полупериодах текущего цикла. Таким образом, дискретность измерения равна половине времени цикла, т.е. Т. Например, при выборе T=30 мс в течение времени t=3T-90 мс выполняется 3 последовательных измерения сопротивления изоляции.
Алгоритм формирования сигнала аварийного отключения предусматривает:
из
- вычисление значения эквивалентного сопротивления изоляции r;
- запоминание и хранение в памяти контроллера n, например, трех последних измеренных значений сопротивления изоляции;
из
1
- сравнение t с уставкой R (например, 10 кОм), и повторные измерения с целью подтверждения полученного результата.
из
1
При использовании алгоритма n-кратных подтверждений факта снижения изоляции защитное отключение производится после n (например, n=3) последовательных совпадений условия r<R.
Следовательно, использование в предлагаемом способе контроля сопротивления изоляции в электрической сети с изолированной нейтралью, при котором формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
1
0
2
0
0
0
из
1
из
1
U, U - постоянные напряжения, U>U; τ - временной интервал, 2Т - период следования импульсов тестового напряжения, τ<Т; измеряют ток утечки I в интервале времени Т-Т<t≤Т и ток утечки I в интервале 2Т-Т<t≤2T, где Т - период напряжения питающей сети, Т<Т-τ; i - номер текущего полупериода цикла измерения, путем усреднения падения напряжения на измерительном резисторе за период T0 питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции r, сравнивают полученное значение с уставкой R и при последовательном определении n раз факта снижения сопротивления изоляции r≤R производят отключение электрооборудования новых операций: дополнительно сохраняют в памяти контроллера два последних результата измерения тока утечки и после завершения каждого i-го полупериода цикла измерения вычисляют сопротивление изоляции по формуле
т
где r - внутреннее сопротивление источника; i=1, 2, позволяет повысить быстродействие и надежность контроля электрического сопротивления изоляции и защиты электрической сети.
Использование предлагаемого технического решения в электрических системах с изолированной нейтралью различного назначения позволит повысить надежность, качество и безопасность работы электрооборудования.