СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА
MEASURING METHOD OF INSULATION RESISTANCE IN DIRECT CURRENT CIRCUITS

Использование: для измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока, в элементах нагрузки цепей постоянного тока, в сетях двойного рода тока, для определения места износа изоляции, улучшения контрольно-измерительных и защитных функций системы автоматики.
Сущность изобретения: способ измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока основан на: подключении к полюсам цепи постоянного тока цепи резисторов, состоящей из двух последовательно соединенных резисторов, имеющих одинаковую величину сопротивления, включении в место соединения резисторов между собой первого конца измерительной цепи, состоящей из последовательно включенных источника измерительного напряжения и измерителя тока, подключении второго конца измерительной цепи к элементу заземления, определении измерительного тока в измерительной цепи, включении источника измерительного напряжения то в одной полярности полюсов, то в противоположной полярности полюсов, определении эквивалентного измерительного тока как половины суммы двух абсолютных по величине значений измерительного тока, измеренных последовательно по времени, определении эквивалентного сопротивления цепи двух резисторов, делении величины напряжения измерительного источника на величину эквивалентного измерительного тока и вычитании от значения, полученного в результате этого деления, значения величины эквивалентного сопротивления цепи резисторов.
Описание изобретения
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в сетях постоянного тока, имеющих элементы, требующие контроля изоляции и защиты от замыкания на землю, например в системах возбуждения электрических машин. При этом решены задачи: точности измерений, быстродействия, простоты алгоритма и удобства его применения. При реализации способа дополнительно решены задачи: определения места повреждения изоляции, контроля контактных соединений системы измерений и повышения надежности контактных соединений.
Известен способ трех отсчетов вольтметра [1] для измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока под напряжением, включающий измерение между полюсами электрической цепи, поочередное шунтирование резистором полюсов цепи на землю, измерение установившихся значений напряжений на шунтирующем резисторе, вычисление эквивалентного сопротивления изоляции как произведения величины шунтирующего резистора на отношение напряжения измеряемой цепи к сумме установившихся напряжений на шунтирующем резисторе, уменьшенного на единицу.
Недостатками этого способа являются: необходимость наличия напряжения между полюсами электрической цепи и долгая процедура трех последовательных измерений. Поэтому этот способ: лишен возможности измерения сопротивления изоляции при отсутствии напряжения между полюсами, не обеспечивает точности измерения в динамических режимах, требует для реализации способа инерционных измерительных приборов, демпфирующих колебания напряжения в нестационарных режимах, не обеспечивает необходимого быстродействия для срабатывания защиты от замыкания на землю.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения сопротивления изоляции по «методу уравновешенного моста» [2], включающий подключение к полюсам цепи двух резисторов, соединенных последовательно, определение отсутствия тока небаланса в цепи двух последовательно включенных резисторов, включение в место соединения двух резисторов между собой источника измерительного напряжения и измерителя тока, соединенных последовательно и подключенных с другой стороны этой цепи к элементу заземления, измерение тока в цепи источника измерительного напряжения при отсутствии тока небаланса в цепи последовательно включенных резисторов, определение эквивалентного сопротивления изоляции по следующей формуле:
R=(E/Iизм)-Rд-r1r2/(r1+r2),
где R - эквивалентное сопротивление изоляции сети;
Е - напряжение измерительного источника;
Iизм - ток в цепи источника измерительного напряжения;
Rд - ограничительное сопротивление;
r1, r2 - два резистора, подключенных к полюсам цепи.
В известном способе [2], выбранном за прототип, удается осуществить измерение сопротивления изоляции при отсутствии напряжения между полюсами подключением к полюсам двух резисторов 7 и 8 и включением в место соединения двух резисторов между собой переключателя 6, источника измерительного напряжения 5 и измерителя тока 3 (см. Фиг.1).
Недостаток способа-прототипа заключается в том, что для точного измерения изоляции необходимо отсутствие тока небаланса в цепи последовательно включенных резисторов. Ток небаланса возникает при несимметричном нарушении изоляции внутри какого-нибудь элемента цепи постоянного тока относительно полюсов.
Так, при несимметричном нарушении изоляции внутри элемента цепи постоянного тока 9, имеющего сопротивление Rн (см. Фиг.1) и включенного между полюсами, появляется ток небаланса в цепи последовательно включенных резисторов 7 и 8, который искажает величину измеряемого сопротивления изоляции. При этом формула для измерения тока в цепи источника измерительного напряжения 5 будет иметь следующий вид:
Iизм={Е+Uнб}/{R+Rд+r1r2/(r1+r2)},
где U - напряжение между полюсами цепи постоянного тока;
Uнб=U(R1r2-R2r1)/[(r1+r2)(R1+R2)] - напряжение небаланса в цепи последовательно включенных резисторов 7 и 8;
R1, R2 - сопротивления изоляции 1 и 2 между полюсами и землей.
Сущность изобретения заключается в том, что, как в способе-прототипе, способ измерения сопротивления изоляции, включающий подключение к полюсам цепи двух резисторов 7 и 8, соединенных последовательно, включение в место соединения двух резисторов между собой источника измерительного напряжения 5 и измерителя тока 3, соединенных последовательно и подключенных с другой стороны этой цепи к элементу заземления 10, измерение тока в цепи источника измерительного напряжения 5, но в отличие от прототипа подключают к полюсам цепи два одинаковых резистора 7 и 8, включают источник измерительного напряжения 5 то в одной полярности полюсов, то в противоположной полярности полюсов (см. Фиг.2), измеряют соответственно этим положениям источника два значения тока I1 и I2 и определяют сопротивление изоляции по следующей формуле:
R=(Е/Iэкв)-Rэкв,
где Iэкв={|I1|+|I2|}/2={|(Е+Uнб)/(R+Rэкв)|+|(-E+Uнб)/(R+Rэкв)|}/2=Е/(R+Rэкв) - эквивалентный измерительный ток;
Rэкв=r1r2/(r1+r2)=r/2 - эквивалентное сопротивление цепи резисторов 7 и 8, r=r1=r2.
Предлагаемый способ позволяет исключить учет тока небаланса в цепи последовательно включенных между полюсами резисторов и этим обеспечивает:
- автоматизацию измерения изоляции исключением процедуры предварительной настройки тока небаланса до нуля;
- повышение точности измерений сопротивления изоляции во всех аварийных ситуациях;
- ускорение процесса измерения изоляции;
- расширение функциональных возможностей реализации данного способа.
При исследовании патентной и другой научно-технической информации заявителем не были обнаружены источники, в которых были бы приведены сведения о технических решениях, содержащих совокупность отличительных признаков предлагаемого способа, хотя и известны технические решения, содержащие отдельные признаки заявляемого объекта, однако свойства и эффект, которые указанные признаки сообщают этим объектам, иные, чем в предлагаемом решении, поэтому указанные отличия являются существенными.
Способ измерения изоляции в цепях постоянного тока реализуется в устройстве (см. Фиг.2), содержащем: 1 - сопротивление изоляции между +полюсом и землей, 2 - сопротивление изоляции между -полюсом и землей, 3 - датчик тока в измерительной цепи I1, I2, 5 - источник измерительного напряжения, 7, 8 - последовательно включенные резисторы, 11 - предохранитель, 12…15 - оптопары для переключения полярности источника измерительного напряжения, 16 - стабилитроны, 17 - нагрузочный резистор (с сопротивлением r3), 18 - контроллер (для вычисления сопротивления изоляции и управления переключением полюсов источника измерительного напряжения) с модулем аналогового ввода, 19 - кнопка сброса, 20 - блок питания, 21 - сигнальные реле, 22 - разъединительные клеммы, 23 - выключатель автоматический.
С целью компенсации внутреннего сопротивления измерительной цепи и повышения точности измерения при малых измерительных токах, в место соединения двух резисторов между собой дополнительно подключают нагрузочный резистор 17 (см. Фиг.2). Ток нагрузочного резистора I3 не повлияет на определение эквивалентного измерительного тока, поэтому его можно не учитывать:
Iэкв={|I1-I3|+|I2-I3|}/2={|(E+Uнб)/(R+Rэкв)-I3|+|(-Е+Uнб)/(R+Rэкв)-I3|}/[2=Е/(R+Rэкв),
где I3 - ток нагрузочного резистора 17.
С целью определения направления смещения места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки, устанавливают, что величина напряжения в цепи постоянного тока не равна нулю. Определяют ток небаланса как разницу двух абсолютных по величине значений измерительного тока, измеренных последовательно по времени:
Iнб=|I1|-|I2|=|(E+Uнб)/(R+Rэкв)|-|(-E+Uнб)/(R+Rэкв)|=2Uнб/(R+Rэкв)={U(R1-R2)/(R1+R2)}/(R+Rэкв) - ток небаланса;
R1 - величина сопротивления изоляции между +полюсом и землей;
R2 - величина сопротивления изоляции между -полюсом и землей.
Определяют, что смещение места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки произошло в сторону положительного полюса, если ток небаланса отрицательный. Определяют, что смещение места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки произошло в сторону отрицательного полюса, если ток небаланса положительный.
Если выполняется условие Iнб<0 (или Iнб<- Iуст, где Iуст заданная минимальная величина тока Iнб), т.е. R1<R2, то идет сигнал «Замыкание положительного полюса». Если выполняется условие Iнб>0 (или Iнб>Iуст), т.е. R1>R2, то идет сигнал «Замыкание отрицательного полюса». Если U=0, то Iнб=0 и сигнала не будет.
С целью определения отношения величины смещения места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки, устанавливают, что величины напряжения в цепи постоянного тока и эквивалентного измерительного тока не равны нулю, делят величину тока небаланса на величину эквивалентного измерительного тока и на величину напряжения в цепи постоянного тока, умножают на величину напряжения измерительного источника:
(R1-R2)/(R1+R2)=(Iнб/Iэкв)(Е/U) - отношение величины смещения места несимметричного нарушения изоляции нагрузки относительно положения средины сопротивления нагрузки.
С целью контроля контактов (или щеток), соединяющих измерительную цепь и цепь резисторов 7 и 8 с цепями постоянного тока, цепями нагрузки 9 и цепями заземления 10, дополнительно вводится цепь контроля, состоящая из источника контрольного сигнала 29 и элемента сигнализации 26 и подключающаяся своими концами к контактам 27 и 28 (см. Фиг.3).
С целью увеличения контактных усилий в контактах 27 и 28, соединяющих измерительную цепь и цепь резисторов 7 и 8 с цепями постоянного тока, цепями нагрузки 9 и цепями заземления 10, возникающих при разрыве контакта 27 или 28, в цепь контроля дополнительно вводится элемент накопления электромагнитной энергии (см. Фиг.3).
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов Е.А., Кудрявцев В.П. и др. Оценка погрешностей измерения сопротивления изоляции судовых сетей постоянного тока. М.: Судостроение, 1974, №7, с.37-38.
2. Новости электротехники. №4(52), 2008. «Как правильно измерить сопротивление изоляции электроустановок». (пп. «Метод уравновешенного моста».)// Е.Иванов, А.Дьячков.