УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и вычислительной технике и может быть использована для автоматизированного контроля электрической прочности изоляции различных электрических или электронных цепей электротехнических или радиоэлектронных изделий.
8
За прототип выбрано программируемое устройство для автоматизированного контроля электрической прочности изоляции по патенту РФ №146953, 2014 г., МКИ G01R 31/02, G01F 17/00, опубл. Бюл. №29, 2014 г.
)
Устройство-прототип содержит корпус с крышкой, рабочую станцию с монитором и управляющий контроллер (блок управления и контроля в виде микроконтроллера, клавиатуры и жидкокристаллического индикатора*, * - название в заявляемом устройстве, здесь и далее), блок соединителей (блок соединителей с коммутирующими элементами*), блоки коммутации высоковольтного испытательного напряжения с реле и блок фиксации пробоя (блок коммутации высоковольтного напряжения с реле и датчиком пробоя*), блок внешнего электропитания, источник внутреннего электропитания и программируемый высоковольтный источник испытательного напряжения (источник высоковольтного испытательного напряжения*).
Примечание: корпус с крышкой в формуле устройства-прототипа отсутствуют, однако можно сделать вывод об их наличии и включить в материалы заявки.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- недостаточная безопасность работы оператора из-за отсутствия гальванической изоляции элементов управления (монитора и клавиатуры) рабочей станции от цепей электропитания и высоковольтных цепей и невозможности автоматического (при поднятой защитной крышки корпуса) снятия высоковольтного напряжения с блока соединителей при подключении испытываемых изделий;
- отсутствие звукового сигнала об окончании проверки в случае соответствия изоляции техническим условиям или фиксации пробоя изоляции испытываемых изделий;
- отсутствие визуальных сигналов о формировании высоковольтного напряжения на выходе высоковольтного источника испытательного напряжения и появления высоковольтного напряжения на коммутирующих элементах блока соединителей;
- отсутствие защиты блока фиксации пробоя от выхода из строя при включении в цепь высоковольтного напряжения;
- невозможность определения прохождения переменного коммутирующего высоковольтного напряжения через «0», что не позволяет исключить подачу напряжения на цепи испытываемого изделия в моменты близкие к амплитудным значениям.
Решаемыми задачами являются:
- повышение безопасности работы оператора введением двух ступеней гальванической развязки элементов управления - клавиатуры и жидкокристаллического индикатора блока управления и контроля и силовых цепей путем использования в первой ступени конвертора, например преобразователя DC/DC, реле, например электромеханического, и модуля обработки сигнала (выпрямления и усиления сигнала окончания контроля), например оптрона, а во второй - двух коммутаторов, например в виде высоковольтных оптронов со встроенными детекторами определения и управления прохождением переменного коммутируемого высоковольтного напряжения через «0» и датчика пробоя в виде высоковольтного оптрона и мощного токоограничивающего резистора, а также применением концевого выключателя, который при подъеме крышки корпуса размыкает цепь и снимает высоковольтное напряжение с блока соединителей;
- введение звукового сигнала об окончания контроля в случае соответствия изоляции техническим условиям или фиксации пробоя изоляции испытываемого изделия путем применения звукового сигнализатора, например электромагнитного;
- введение индикаторов напряжения, например неоновых ламп, о формировании высоковольтного напряжения на выходе источника высоковольтного испытательного напряжения и появления высоковольтного напряжения на коммутирующих элементах блока соединителей;
- повышение защищенности датчика пробоя путем включения его в высоковольтную цепь через мощный токоограничивающий резистор;
- обеспечение плавности повышения испытательного высоковольтного напряжения, например, в пределах 5 миллисекунд при частоте 50 Гц, путем применения коммутаторов (высоковольтных оптронов) со встроенными детекторами определения и управления прохождением переменного коммутируемого испытательного высоковольтного напряжения через «0», что позволяет исключить (блокировать) подачу высоковольтного напряжения на цепи испытываемого изделия в моменты близкие к амплитудным значениям, и соответственно предохранить от пробоя (повреждения) изоляции при возможных «скачках» испытательного высоковольтного напряжения.
Сущность полезной состоит в том, что в программируемом устройстве автоматизированного контроля электрической прочности изоляции, содержащем корпус с крышкой, блок управления и контроля (БУК) в виде микроконтроллера (МК), клавиатуры (КЛ) и жидкокристаллического индикатора (ЖКИ), блок коммутации высоковольтного напряжения (БКВН) с реле (РЛ) и датчиком пробоя (ДП), блок соединителей (БС) с коммутирующими элементами (КЭ), блок внешнего электропитания (БВЭП), источник внутреннего электропитания (ИВЭП) и источник высоковольтного испытательного напряжения (ИВИН), БУК снабжен конвертором (KB) и модулем обработки сигнала (МОС), БКВН снабжен первым и вторым коммутаторами (КМ), ДП выполнен в виде высоковольтного оптрона (ВОП) и токоограничивающего резистора (ТОР), а БС снабжен двумя высоковольтными шинами (ВШ) «А» и «Б».
Кроме того, в вариантах устройства корпус может быть снабжен концевым выключателем (КВК), который при подъеме крышки корпуса размыкает цепь и снимает высоковольтное напряжение с КЭ БС, также в состав могут быть введены звуковой сигнализатор (ЗС) окончания контроля в случае соответствия изоляции техническим условиям или фиксации пробоя изоляции испытываемого изделия, а также первый, второй, третий и четвертый индикаторы напряжений (ИН) наличия высоковольтного напряжения на выходах ИВИН и на входах КЭ БС.
Сущность полезной модели поясняется также электрическими функциональными схемами устройства, блока управления и контроля, блока коммутации высоковольтного напряжения и блока соединителей, показанным соответственно на фиг. 1, 2, 3 и 4.
На фиг. 1 приняты следующие обозначения:
1 - корпус,
2 - крышка,
3 - блок внешнего электропитания (БВЭП), 220 В, 50 Гц, собственная разработка,
4 - источник внутреннего электропитания (ИВЭП), Nes 15-5, фирма «Меап Well»,
5 - источник высоковольтного испытательного напряжения (ИВИН), трансформатор RSTN 75, 1 - 400 - 23 - 02, фирма «Michael Rieder»,
6 - блок управления и контроля (БУК), собственная разработка,
7 - блок коммутации высоковольтного напряжения (БКВН), собственная разработка,
8 - блок соединителей (БС), собственная разработка,
9, 10, 11 и 12 - первый, второй, третий и четвертый индикаторы напряжения (ИН), лампа неоновая с держателем, 220 В, N701R, фирма «ЧИП и ДИП»,
13 - концевой выключатель (КВК), В614, фирма «ЧИП и ДИП».
На фиг. 2 приняты следующие обозначения:
14 - клавиатура (КЛ), АK1604 - N - WWB Платан, ЗАО «Компоненте»,
15 - микроконтроллер (МК), Atmega 128, фирма «Atmel»,
16 - жидкокристаллический индикатор (ЖКИ), МТ - 16S2P -3YLG, фирма «МЭЛТ»,
17 - конвертор (KB), преобразователь DC/DC AM3N - 0505 SZ, компания «Компэл»,
18 - звуковой сигнализатор (ЗС), НСМ1206Х, компания «Компэл»,
19 - модуль обработки сигнала (МОС), оптрон HCPL-0600, фирма «Промэлектроника».
На фиг. 3 приняты следующие обозначения:
20 - реле (РЛ), G5V-1, фирма «Omron»,
21 и 22 - первый и второй коммутаторы (КМ), высоковольтные оптроны МОС 3063М, фирма «Fairchild»,
23 - датчик пробоя (ДП), собственная разработка,
24 - высоковольтный оптрон (ВОП), КР 3010, фирма «Протон»,
25 - токоограничивающий резистор (TOP), SQP10Bт, 11,2 кОм, фирма «ЧИП и ДИП».
На фиг. 4 приняты следующие обозначения
26 - коммутирующие элементы (КЭ), ТВ - 2 (385), фирма «Автаком»,
27 - высоковольтная шина (ВШ) «А», конструктивный элемент (проводник на плате печатного монтажа),
28 - ВШ «Б», конструктивный элемент (проводник на плате печатного монтажа).
Описание элементов заявляемого устройства
Блок внешнего электропитания (БВЭП) 3 предназначен для распределения сетевого напряжения 220 В, 50 Гц между ИВЭП 4 и ИВИН 5.
Источник внутреннего электропитания (ИВЭП) 4 предназначен для формирования напряжения 5 В для питания МК 15 БУК 6, РЛ 20 БКВН 7 и КВК 13 корпуса 1.
Источник высоковольтного испытательного напряжения (ИВИН) 5 предназначен для формирования высоковольтного напряжения амплитудой 500 В, частотой 50 Гц и подачи его на проверяемые изделия через РЛ 20, первый и второй КМ 21 и 22 БКВН 7 и через ВШ «А» 27 и ВШ «Б» 28, и КЭ 26 БС 8, а также подачи сигналов на первые и вторые ИН 9 и 10.
Блок управления и контроля (БУК) 6 предназначен для формирования сигналов управления БКВН 7 и БС 8 посредством КЛ 14, МК 15 и ЖКИ 16, а также для контроля процесса испытаний посредством обратной связи МК 15 с БС 8, ДП 23 БКВН 7, МОС 19 и визуализации на ЖКИ 16.
Блок коммутации высоковольтного напряжения (БКВН) 7 предназначен для обеспечения коммутации испытательного напряжения на БС 8 и соответственно на проверяемые изделия посредством РЛ 20, первого и второго КМ 21 и 22, а также для обеспечения обратной связи МК 15 БУК 6 с БС 8 посредством ДП 23.
Блок соединителей (БС) 8 предназначен для подключения проверяемых изделий посредством КЭ 26 и обеспечения подачи и коммутации испытательного напряжения на проверяемые изделия посредством ВШ «А» 27 и ВШ «Б» 28, а также для обеспечения обратной связи с МК 15 БУК 6 и подачи сигналов на третьи и четвертые ИН 11 и 12.
Первый и второй индикаторы напряжения (ИН) 9 и 10 предназначены для визуализации наличия высоковольтного напряжения на выходах ИВИН 5.
Третий и четвертый индикаторы напряжения (ИН) 11 и 12 предназначены для визуализации наличия высоковольтного напряжения на входах КЭ 26 БС 8.
Концевой выключатель (КВК) 13 предназначен для размыкания цепи и снятия высоковольтного напряжения с КЭ 26 БС 8 при подъеме крышки 2 корпуса 1.
Клавиатура (КЛ) 14 БУК 6 предназначена для введения исходных данных контроля проверяемых изделий в МК 15 с отображением информации на ЖКИ 16.
Микроконтроллер (МК) 15 БУК 6 предназначен для производства процесса испытаний в заданном оператором режиме, а также для управления, связи и контроля ЗС 18, БС 8, ЖКИ 16, МОС 19 и БКВН 7.
Жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) 16 БУК 6 предназначен для получения и визуализации информации от МК 15.
и
Конвертор (KB) 17 БУК 6 предназначен для получения напряжения 5В от ИВЭП 4, преобразования напряжения 5В в 5В (изолированное) и распределения питания между МК 15, БКВН 7 и КВК 13, а также для образования совместно с МОС 19 БУК 6 и РЛ 20 первой ступени гальванической развязки КЛ 14 и ЖКИ 16 БУК 6 от электрических цепей ИВЭП 4 и ИВИН 5.
Звуковой сигнализатор (ЗС) 18 БУК 6 предназначен для оповещения об окончания контроля в случае соответствия изоляции техническим условиям или фиксации пробоя изоляции (нарушения электрической прочности) испытываемого изделия по сигналу от МК 15.
Модуль обработки сигнала (МОС) 19 БУК 6 предназначен для выпрямления и усиления сигнала окончания контроля либо пробоя изоляции испытываемого изделия от ДП 23 БКВН 7 и передачи этого сигнала в МК 15, а также для образования совместно с KB 17, РЛ 20 БКВН 7 первой ступени гальванической развязки КЛ 14 и ЖКИ 16 БУК 6 от электрических цепей ИВЭП 4 и ИВИН 5.
Реле (РЛ) 20 БКВН 7 предназначено для подачи напряжения питания 5 В от KB 17 БУК 6 и сигналов управления от МК 15 БУК 6 первому и второму КМ 21 и 22, а также для образования совместно с KB 17, МОС 19 БУК 6 первой ступени гальванической развязки КЛ 14 и ЖКИ 16 БУК 6 от электрических цепей ИВЭП 4 и ИВИН 5.
Первый и второй коммутаторы (КМ) 21 и 22 БКВН 7 предназначены для приема испытательного напряжения от ИВИН 5 и подачи его на проверяемые изделия посредством ВШ «А» 27 и ВШ «Б» 28 и соответственно КЭ 27 БС 8, а также для образования совместно с ДП 23 второй ступени гальванической развязки КЛ 14 и ЖКИ 16 БУК 6 от электрических цепей ИВЭП 4 и ИВИН 5. Кроме того, применение в качестве первого и второго КМ 21 и 22 высоковольтных оптронов со встроенными детекторами определения и управления прохождением переменного коммутируемого высоковольтного напряжения через «0» позволяет исключить подачу высоковольтного напряжения на испытываемые изделия в моменты близкие к амплитудным значениям, что обеспечивает плавное повышение испытательного высоковольтного напряжения в пределах 5 миллисекунд при частоте 50 Гц и соответственно предохранение от пробоя (повреждения) изоляции испытываемого изделия при возможных «скачках» испытательного высоковольтного напряжения.
Датчик пробоя (ДП) 23 БКВН 7 и высоковольтный оптрон (ВОП) 24 в его составе предназначены для получения сигнала окончания контроля в случае соответствия изоляции техническим условиям или фиксации пробоя изоляции (нарушения электрической прочности) испытываемого изделия от БС 8 и передачи этого сигнала в МОС 19 и МК 15 БУК 6, а также для образования совместно с первым и вторым КМ 21 и 22 второй ступени гальванической развязки КЛ 14 и ЖКИ 16 БУК 6 от электрических цепей ИВЭП 4 и ИВИН 5.
Токоограничивающий резистор (ТОР) 25 в составе ДП 23 БКВН 7 предназначен для защиты ДП 23 от выхода из строя при включении в цепь высоковольтного напряжения.
Коммутирующие элементы (КЭ) 26 БС 6 предназначены для подключения испытываемых изделий, подачи и коммутации на полюса этих изделий высоковольтного испытательного напряжения от ИВИН 5 через первый и второй КМ 21 и 22 БКВН 7 и ВШ «А» и «Б» 27 и 28.
Описание работы устройства автоматизированного контроля электрической прочности изоляции
**)
Все составные части заявляемого устройства установлены в металлическом корпусе 1 с крышкой 2 и заземляющей шиной (на схеме не обозначена) и находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи, внутренний электромонтаж осуществляется через разъемы** ( - на схемах не показаны, здесь и далее) составных частей, а также монтажными жгутами** и перемычками**, т.е. технический результат обеспечивается совокупностью признаков всех элементов конструкции, при этом исключение одного из элементов конструкции исключает и возможность качественного функционирования в соответствии с решаемыми задачами.
Собирают схему устройства.
Сеть промышленного напряжения 220 В, 50 Гц подключают к входу БВЭП 3, первый выход БВЭП 3 соединяют с входом ИВЭП 4, а второй выход БВЭП 3-е входом ИВИН 5, выход ИВЭП 4 через первый вход БУК 6 соединяют с входом KB 17, первый выход которого соединяют с первым входом МК 15, а второй выход KB 17 соединяют через первый выход БУК 6 с первым входом БКВН 7, второй выход МК 15 соединяют с входом ЖКИ 16, а третий выход МК 15 через второй выход БУК 6 - со вторым входом БКВН 7, первый и второй входы БКВН 7 соединяют соответственно с первым и вторым входами РЛ 20, первый и второй выходы РЛ 20-е первыми входами первого и второго КМ 21 и 22, вторые входы которых соединяют соответственно через четвертый и пятый входы БКВН 7 с первым и вторым выходами ИВИН 5, а выходы первого и второго КМ 21 и 22 соответственно через первый и второй выходы БКВН 7 соединяют с первым и вторым входами БС 6 и соответственно через ВШ «А» и «Б» 27 и 28 с первыми и вторыми входами каждого КЭ 26, кроме того, вторые входы КЭ 26 соединяют между собой и через первый выход БС 8 с третьим входом БКВН 7 и соответственно с входом ТОР 25, являющимся входом ДП 23, выход ТОР 25 соединяют с входом ВОП 24, выход которого, являющийся выходом ДП 23 через третий выход БКВН 7 соединяют со вторым входом БУК 6 и соответственно с входом МОС 19, выход которого соединяют со вторым входом МК 15, вход КВК 13 соединяют через крышку 2, корпус 1 и третий выход БУК 6 с третьим выходом KB 17, первый выход КВК 13 через третий вход БУК 6 соединяют с четвертым входом МК 16, а второй выход КВК 13 - с заземляющей шиной корпуса 1, вход ЗС 18 соединяют с первым выходом МК 15, входы первого и второго ИН 9 и 10 соединяют соответственно с первым и вторым выходами ИВИН 5, а входы третьего и четвертого ИН 11 и 12 соединяют соответственно через второй и третий выходы БС 8 и ВШ «А» и «Б» 27 и 28 с первым и вторым входами КЭ 26. При этом KB 17, РЛ 20 и МОС 19 образуют первую ступень гальванической развязки (ГР) КЛ 14 и ЖКИ 16 от электрических цепей БВЭП 3 и ИВИН 5, а первый и второй КМ 21 и 22 и ДП 23 - вторую ступень ГР, указанные элементы KB 17, РЛ 20, МОС 19, КМ 21 и 22 и ДП 23 обладают функцией гальванической изоляции и надежно за счет двух ступеней разделяют высоковольтное и низкое напряжения для обеспечения защиты персонала в случае пробоя изоляции путем исключения попадания высоковольтного напряжения на элементы управления и контроля КЛ 14 и ЖКИ 16.
Контролируемое (испытываемое) изделие, например многожильный электрический кабель, (на схемах не обозначено) подключают к соответствующим входам КЭ 26 БС 8 при отсутствии высоковольтного напряжения на КЭ 26 БС 8 (при поднятой крышке 2 и разомкнутом КВК 13).
и
БВЭП 3 и ИВЭП 4 обеспечивают электропитание +5В соответствующих составных частей устройства, а ИВИН 5 - необходимое испытательное напряжение 500 В (по амплитуде), KB 17 формирует напряжение +5В (изолированное), КВК 13 при подъеме крышки 2 корпуса 1 размыкает цепь и снимает высоковольтное напряжением с КЭ 26 БС8, первый, второй, третий и четвертый ИН 9, 10, 11 и 12 сигнализируют о наличии высоковольтного напряжения на выходах ИВИН 5 и на входах КЭ 26 БС 8, а встроенные детекторы** определения и управления прохождением переменного коммутируемого высоковольтного напряжения через «0» первого и второго КМ 21 и 22 исключают подачу высоковольтного напряжения на испытываемые изделия в моменты близкие к амплитудным значениям, а также обеспечивают плавное повышение испытательного высоковольтного напряжения в пределах 5 миллисекунд при частоте 50 Гц и соответственно предохранение от пробоя (повреждения) изоляции испытываемого изделия при возможных «скачках» испытательного высоковольтного напряжения.
Посредством КЛ 14 и МК 15 при закрытой крышке 2 корпуса 1 формируют управляющие сигналы для ЗС 18, ЖКИ 16, РЛ 20 и соответственно для первого и второго КМ 21 и 22 БКВН 7, а также принимают информационные сигналы от МОС 19, КЛ 14 и от КВК 13.
Посредством МК 15 и РЛ 20 управляют первым и вторым КМ 21 и 22, которые через ВШ 27 и 28 подают испытательное напряжение на входы КЭ 26 и соответственно на испытываемые изделия при выбранном режиме проверки.
Производят проверку, при этом полюсы «А» (условно) жил испытываемого изделия подключают к полюсу «А» (условно) ИВИН 5, а полюсы «Б» (условно) - к полюсу «Б» (условно) ИВИН 5, затем поочередно, на каждую жилу подают высоковольтное испытательное напряжение 500 В с выдержкой в течение 1 минуты, в зависимости от требований технических условий (ТУ) на конкретное изделие.
После завершения проверки (контроля) в случае соответствия изоляции ТУ или фиксации пробоя изоляции испытываемого изделия информационные сигналы от вторых входов каждого КЭ 26 БС 8 поступают в ТОР 25 и ВОП 24 ДП 23 БКВН 7 и далее в МСО 19 для выпрямления и усиления, а затем в МК 15 и ЗС 18 для звуковой сигнализации и в ЖКИ 16 для отображения полученной информации.
Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении безопасности работы оператора введением двух ступеней гальванической развязки элементов управления и силовых цепей, звукового сигнала об окончании проверки в случае соответствия изоляции техническим условиям или фиксации пробоя изоляции испытываемых изделий, индикаторов напряжения о формировании высоковольтного напряжения на выходе источника высоковольтного испытательного напряжения и появления высоковольтного напряжения на коммутирующих элементах блока соединителей, повышением защищенности датчика пробоя, а также предохранением от пробоя (повреждения) изоляции при возможных «скачках» испытательного высоковольтного напряжения.
Указанный технический результат достигается совокупностью отличительных признаков, а именно снабжением блока управления и контроля (БУК) конвертором (KB) и модулем обработки сигнала (МОС), в снабжении блока коммутации высоковольтного напряжения (БКВН) первым и вторым коммутаторами (КМ), выполнением датчика пробоя (ДП) в виде высоковольтного оптрона (ВОП) и токоограничивающего резистора (ТОР), снабжением блока соединителей (БС) двумя высоковольтными шинами (ВШ) «А» и «Б», снабжением корпуса устройства концевым выключателем (КВК) для снятия высоковольтного напряжения с КЭ БС, введением звукового сигнализатора (ЗС) окончания контроля электрической прочности изоляции испытываемого изделия, а также введением первого, второго, третьего и четвертого индикаторов напряжений (ИН) наличия высоковольтного напряжения на выходах источника высоковольтного испытательного напряжения ИВИН и на входах КЭ БС.
Представленные описание и схемы заявляемого устройства позволяют, применяя существующие материалы и унифицированные покупные комплектующие изделия, изготовить его промышленным способом и использовать для автоматизированного контроля электрической прочности изоляции различных электрических или электронных цепей электротехнических или радиоэлектронных изделий.