СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ РАЗВЕТВЛЕННЫХ СЕТЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL RESISTANCE OF INSULATION OF RAMIFIED DC CIRCUITS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к электротехнике и предназначено к использованию при создании и применении устройств и систем для измерения сопротивлений изоляции в сетях постоянного тока, находящихся под напряжением.
Известны способ и устройство измерения сопротивления изоляции, описанные в патенте РФ №2180124, кл. G01R 31/11, заявка от 19.01.1999 г., опубликовано 27.02.2002 г.
Известный способ заключается в том, что на сеть накладывают короткие импульсы, синхронизированные с моментом перехода через ноль напряжения с частотой источника контрольного тока на электрических полюсах сети, короткие импульсы и контрольный переменный ток выделяют в токе контролируемого элемента. Активную составляющую тока контролируемого элемента определяют на основании измерения отрезка времени, между моментом перехода через ноль тестового сигнала переменного тока контролируемого элемента и моментом появлении короткого импульса. Наличие повреждения в контролируемом элементе определяется по факту увеличения активной составляющей тока.
Недостатком данного способа является необходимость подавления импульсных помех, возникающих при коммутациях, так как для выделения короткого импульса в месте измерения требуется фильтр с широкой полосой пропускания частот. Кроме того, возможно совпадение собственной частоты отдельных участков сети с частотами спектра короткого импульса, что приводит к зависимости работы устройства от параметров отдельных участков сети.
Наиболее близким к предлагаемому способу контроля сопротивления изоляции является способ, опубликованный в научно-техническом журнале "Электрические станции", 1982 г., №2, с.61-63, который заключается в том, что на сеть накладывается контрольный переменный ток и измеряется активная составляющая тока в контролируемом элементе на основании измерения отрезка времени между моментом перехода через ноль переменного тока контролируемого элемента и моментом перехода через ноль напряжения с частотой источника контрольного переменного тока на полюсах сети. Наличие повреждения в контролируемом элементе определяется по факту увеличения активной составляющей тока.
Известное устройство, основанное на данном способе и выбранное в качестве прототипа, содержит источник контрольного переменного тока, подключенный к нейтральной точке сети, датчик тока контролируемого элемента, измеритель активной составляющей тока контролируемого элемента, первый вход которого соединен с выходом датчика тока контролируемого элемента, а второй вход подключается к полюсам сети.
Недостатком данного способа и устройства является то, что сигналы с трансформаторных датчиков тока подаются в общий измерительный блок по длинным проводам. При таком подходе сигналы становятся сильно зашумленными. Ввиду малой величины и зашумленности сигнала тока точность измерения активной составляющей тока и, как следствие, сопротивления изоляции будет низкой и диапазон измеряемых сопротивлений тоже мал.
Задачей изобретения являются упрощение процесса измерений, повышение точности его результатов и расширение функциональных возможностей.
Сущность изобретения заключается в том, что:
- в способе контроля сопротивлений изоляции сети постоянного тока производится измерение среднего значения активной мощности, выделяемой на сопротивлении изоляции за целое число периодов тестового сигнала, значение которой обратно пропорционально активной части сопротивления изоляции.
- устройство контроля сопротивлений изоляции сети постоянного тока, включающее в себя генератор синусоидального напряжения, подключаемый между полюсом одной из главных шин и корпусом устройства, соединенным с землей. Вместе с тем устройство включает в себя установленные изначально на каждом присоединение блоки контроля присоединений, в которых формируется сигнал, пропорциональный среднему значению активной мощности, при этом сигнал обрабатывается в непосредственной близи от датчика тока, а не передается на большое расстояние в блоки обработки сигналов. Так же имеется многоканальный мультиплексор, блок контроллера, выполняющий управление устройством, измерение и обработку сигналов, и блок индикации.
Способ контроля сопротивления изоляции поясняют схемы и векторные диаграммы на фиг.1, 2 и 3.
Генератор синусоидального сигнала напряжением Uг и частотой fг с помощью ключа К подключается между полюсом одной из главных шин и корпусом прибора, соединенным с землей (фиг.1). Напряжение Uг вызывает протекание тока Iиз через сопротивление изоляции Rиз и емкость изоляции Сиз. Ток Iиз(R) находится в фазе с напряжением генератора, ток Iиз(С) сдвинут относительно Uг на 90° (фиг.2а). Произведение Uг(t)×Iиз(t) является выражением полной электрической мощности, приложенной к элементам Rиз и Сиз от источника напряжения Uг. Среднее значение этой мощности за целое число периодов является выражением активной мощности, выделяемой на элементе Rиз. Значение Rиз является искомым. Значение активной мощности обратно пропорционально Rиз. Практический интерес представляют значения Rиз от 2 МОм до 2 кОм, а реальные значения Сиз одного присоединения могут быть от 100 пФ до 10 мкФ.
Применяемый способ реализуется благодаря следующим особенностям работы измерительной схемы (фиг.3).
Данный способ и устройство предусматривают применение специализированного датчика тока. Особенностью этого датчика тока является использование в нем тороидального магнитопровода из аморфной стали типа 5БДСР с высокой магнитной проницаемостью. Этот фактор позволил конструктивно создать малогабаритный датчик с высокой стабильностью его параметров. Вместе с тем малые габариты датчика позволили разместить вблизи него электронную схему синхронного детектора и надежно экранировать блок контроля присоединений от шумовых электрических наводок.
Датчик имеет первичную обмотку в форме витка провода, пропущенного через кольцевой магнитопровод и вторичную обмотку с большим числом витков. Первичная обмотка подключена между источником тестового сигнала Uг и контролируемым присоединением с его элементами Rиз, Сиз. Вторичная обмотка подключена к измерительной схеме устройства так, как изображено на фиг.3.
На схеме фиг.3 изображены следующие элементы:
Uг - генератор тестового сигнала с частотой fг;
Rиз, Сиз - сопротивление и емкость изоляции контролируемого присоединения;
ДТ - датчик тока со следующими элементами;
ИТ - идеальный трансформатор тока;
W1 - число витков первичной обмотки;
W2 - число витков вторичной обмотки;
L1 - индуктивность первичной обмотки (индуктивность намагничивания);
ОУ1 - повторитель напряжения с большим входным сопротивлением;
ОУ2 - усилитель-интегратор напряжения с элементами Rи, Си;
XY=Z - перемножитель сигналов Uи и Uг;
ОУ3 - фильтр с элементами Ri, Ro, Co для усреднения сигнала перемножителя;
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь.
По схеме фиг.3 видно, что вторичная обмотка W2 датчика тока подключена на вход усилителя с очень большим входным сопротивлением, то есть практически не нагружена током. Это означает, что ее напряжение U2 целиком определяется коэффициентом трансформации W2/W1; током I1, протекающим через первичную обмотку W1, и ее индуктивностью L1. Для гармонического сигнала Uг с частотой fг индуктивное сопротивление обмотки W1 ничтожно мало по сравнению с Rиз и емкостным сопротивлением Сиз, поэтому ток Iиз практически равен I1. Это означает, что выходное напряжение U2 датчика тока пропорционально току утечки Iиз, сдвинутого относительно Uг на 90° так, как показано на фиг.2б. Это напряжение через повторитель ОУ1 поступает на вход усилителя-интегратора ОУ2. Данный усилитель выполняет необходимое усиление напряжения и поворот фазы сигнала обратно на 90°. Вместе с тем данный усилитель выполняет также эффективное подавление помех. Основные гармоники и спектр этих помех находятся значительно выше частоты тестового сигнала fг. Таким образом, на выходе усилителя-интегратора формируется напряжение Uи, пропорциональное току утечки Iиз и в точности совпадающее с ним по фазе (фиг.2б). Это напряжение поступает на вход перемножителя сигналов, на другой вход которого поступает напряжение Uг, действие которого вызывает протекание тока Iиз. Перемножитель выполняет функцию произведения указанных напряжений и формирует на выходе сигнал Uп=Uи×Uг. Среднеквадратичное значение напряжения Uп пропорционально полной электрической мощности, выделяемой на элементах Rиз и Сиз. Среднее значение напряжения Uп пропорционально активной мощности, которая выделяется на элементе Rиз, значение которого является искомым. Для выделения среднего значения напряжения Uп предназначен фильтр, выполненный на ОУЗ с элементами Ri, Ro, Co. Выходное напряжение фильтра Uф пропорционально активной мощности, которая является величиной, обратной Rиз. Это напряжение поступает в схему АЦП, где оно измеряется. Результат измерения далее служит для вычисления искомого значения Rиз с помощью несложных программно-аппаратных средств.
Данный способ упрощает процесс измерения за счет того, что на все присоединения установлены датчики контроля, а генератор тестового сигнала автоматически - без помощи оператора - подключается к шинам. Перемножение упомянутых сигналов эквивалентно синхронному детектированию, которое, как известно, позволяет выделять и измерять весьма малые сигналы на фоне помех. При этом синхронное детектирование производится в каждом блоке контроля присоединений в непосредственной близости от датчика тока. Это позволяет функционально повысить точность измерения, а также расширить диапазон измеряемых сопротивлений и сократить время измерения.
Работу устройства поясняет структурная схема на фиг.4.
Электрические полюса шин 1 через разделительные емкости С1 и С2 подключены к контактам реле K1, K2. Контакты этих реле по командам контроллера 2 поочередно замыкаются и подключают выход блока генератора 3 к тестируемому полюсу. Генератор тестового сигнала включается по команде из блока контроллера, и за 2-3 секунды его выходное напряжение плавно изменяется от нуля до 40 В амплитудного значения. Под действием этого напряжения в каждом блоке контроля присоединения 4 формируется сигнал, пропорциональный сопротивлению изоляции данного присоединения по отношению к земле. Эти сигналы через мультиплексор блока интерфейсов 5 поступают на вход АЦП блока контроллера 2, где они измеряются. Результаты измерения отображаются на дисплее блока индикации 6 устройства. После проведения измерений генератор тестового сигнала по команде контроллера отключается с плавным снижением амплитуды от 40 В до нуля. Если сопротивление изоляции главных шин или любого из контролируемых присоединений становится ниже допустимого уровня, то генератор перегружается и выходит из режима стабилизации выходного напряжения, переходя в режим стабилизации (ограничения) выходного тока. При этом блок генератора формирует и передает в блок контроллера логический сигнал «перегрузка». Блок контроля присоединения, в котором обнаружено сопротивление изоляции ниже допустимого значения, формирует логический сигнал «перегрузка». Этот сигнал через мультиплексор блока интерфейсов также поступает в блок контроллера. При наличии данных сигналов контроллер формирует сообщение о присоединении с поврежденной изоляцией, которое отображается на дисплее блока индикации. Таким образом, применение специально разработанного блока контроллера позволяет упростить процесс измерения и эксплуатации устройства, а также повысить точность и сократить время измерения.
В устройстве используются электронные компоненты общего применения, а не прецизионные, что существенно упрощает и удешевляет данное устройство.
Работоспособность предлагаемого способа и устройства контроля сопротивления изоляции в сетях постоянного тока проверена в серии экспериментов.
Таким образом, изобретение в техническом и функциональном отношении значительно упростилось относительно прототипа. Изобретение приобрело также большую надежность в работе; простоту эксплуатации и расширенный динамический диапазон контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока.