СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
METHOD OF MEASUREMENT OF INSULATION RESISTANCE IN ELECTRIC NETWORKS

Изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к измерениям сопротивления изоляции электрических сетей, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от «земли».
Известен способ измерения сопротивления изоляции [Иванов Е.А., Кузнецов С.Е. Методы контроля изоляции судовых электроэнергетических систем. Учебное пособие. - СПб.: «Элмор», 1999. С. 53-54], который можно применять в сетях переменного и двойного рода тока. Суть способа состоит в следующем. К фазам сети переменного тока подключается трехфазный выпрямительный мост, собранный по схеме Ларионова. Затем поочередно измеряют три средних значения напряжения: на выходе моста, между положительным полюсом моста и «землей», между отрицательным полюсом и «землей». Затем выполняют расчет сопротивления изоляции по формуле.
Основным недостатком данного способа является невысокое быстродействие, обусловленное необходимостью измерять средние значения напряжений, так как именно средние значения напряжений являются носителями информации о величине сопротивления изоляции. Кроме того, этот способ непригоден для обесточенных сетей.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения сопротивления изоляции электрических сетей [Авторское свидетельство СССР №1737363, кл. G01R 27/18, 1992]. Этот способ заключается в следующем. Производят заряд емкостей сети относительно земли постоянным током неизменного значения до величины заданного значения напряжения, отключают источник тока неизменного значения, подключают источник измерительного постоянного напряжения заданного значения и проводят измерение тока утечки, затем повторяют цикл измерений с изменением полярности напряжения на емкостях сети и обрабатывают результаты измерений. Данный способ позволяет существенно сократить время измерения за счет ускорения заряда емкостей сети от источника неизменного тока.
Основным недостатком данного способа является то, что он не учитывает ток абсорбции, который протекает через изоляцию после подключения источника измерительного постоянного напряжения. Измерение тока (в обоих полуциклах) производится сразу после подключения источника измерительного постоянного напряжения. Теоретически это правильно, так как сразу после подключения источника измерительного постоянного напряжения ток заряда емкостей сети равен нулю, при этом ток протекает только через сопротивления изоляции сети. На самом деле, за счет неидеальности диэлектриков, сразу после подключения источника измерительного постоянного напряжения через емкости сети продолжает протекать ток абсорбции, который изменяется во времени и спадает до нуля за некоторое время. Это приводит к тому, что при наличии в сети больших емкостей, измеряемый ток (в обоих полуциклах) имеет недопустимо большую погрешность, следовательно, результат измерения сопротивления изоляции будет иметь недопустимо большую погрешность. Поэтому функциональные возможности ограничены - устройство не может работать при наличии в контролируемой сети больших емкостей, так как при этом оно будет иметь недопустимо большую погрешность измерения сопротивления изоляции.
Задачей предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения при сохранении высокого быстродействия при наличии в контролируемой сети больших емкостей.
1yст
1
2
3
1
2
3
3
2
2
1
1
2
3
1yст
2yст
4
5
6
4
5
6
6
5
5
4
4
5
6
2yст
Поставленная задача достигается за счет того, что к контролируемой сети подключают источник постоянного тока неизменного значения, производят заряд емкости сети до заданного напряжения, отключают источник постоянного тока неизменного значения, подключают источник измерительного постоянного напряжения заданного значения, затем к контролируемой сети подключают источник постоянного тока неизменного значения противоположной полярности, производят заряд емкости сети до заданного напряжения противоположной полярности, отключают источник постоянного тока неизменного значения, подключают источник измерительного постоянного напряжения заданного значения противоположной полярности и обрабатывают результаты измерений, причем после подключения источника измерительного постоянного напряжения вычисляют оценку (прогноз) установившегося значения тока i с помощью экстраполяции, для этого производят измерения тока i, i, i в три различные моменты времени t, t, t, причем t/t=t/t, используя значения тока i, i, i вычисляют оценку (прогноз) установившегося значения тока i по формуле, после подключения источника измерительного постоянного напряжения заданного значения противоположной полярности также вычисляют оценку (прогноз) установившегося значения тока i с помощью экстраполяции для этого производят измерения тока i, i, i в три различные моменты времени t, t, t, причем t/t=t/t, используя значения тока i, i, i, вычисляют оценку (прогноз) установившегося значения тока i по формуле.
На фиг. 1. приведена упрощенная схема устройства, реализующего способ в части воздействия на контролируемую сеть, на фиг. 2. и фиг. 3 приведены временные диаграммы токов, поясняющие данный способ измерения.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.
1
Два полуцикла измерения необходимы для того, чтобы устранить влияние мешающей постоянной составляющей. Быстрый заряд емкостей сети достигается за счет не экспоненциального, а линейного закона изменения напряжения. После заряда емкости сети до напряжения U и подключения источника напряжения, через емкости сети продолжает протекать ток абсорбции, обусловленный неидеальностью диэлектрика. Ток абсорбции изменяется во времени и падает до нуля за длительное время. При этом нет возможности измерить ток утечки через сопротивление изоляции отдельно от тока абсорбции емкостей. Имеется возможность измерить сумму тока утечки через сопротивления изоляции и токов абсорбции емкостей сети. Если использовать значение тока, полученное сразу после подключения источника напряжения, то результат измерения сопротивления изоляции будет иметь недопустимо большую погрешность. Выжидать время, необходимое для окончания тока абсорбции нецелесообразно, так как ток абсорбции может падать до нуля за очень длительное время.
В предлагаемом способе осуществляется экстраполяция, то есть вычисление оценки (прогноза) установившегося значения тока не дожидаясь окончания тока абсорбции. Рассмотрим как это делается более подробно.
При измерении больших величин сопротивления изоляции (1-10 Мом) токи утечки очень малы и составляют, как правило, единицы или десятки микроампер. Как правило, рассматривается ток, содержащий 3 составляющих: ток заряда, ток абсорбции и ток утечки. В данном случае ток заряда создается источником тока неизменной величины. После заряда подключается источник напряжения, при этом в измерительной цепи протекает только ток абсорбции и ток утечки, фиг. 2.
При постоянном измерительном напряжении изменение тока абсорбции во времени подчиняется степенному закону, суммарный ток с током утечки будет иметь вид [1]
yст
1
2
3
1
2
3
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Для достижения высокого быстродействия необходимо как можно быстрее определить установившееся значение тока i, не дожидаясь окончания тока абсорбции. Пусть измерения произведены в моменты времени t, t, t, причем
. Получены соответствующие значения тока i, i, i фиг. 3. По этим значениям составляем систему уравнений
уст
В этой системе уравнений три неизвестных - i, a, n и три уравнения. Поэтому имеется единственное решение. Преобразуем систему уравнений
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
Так как
, можно записать
После преобразования получаем формулу для экстраполяции
1уст
2уст
Экстраполяция проводится как в первом полуцикле, вычисляется значение i, так и во втором полуцикле, вычисляется значение i. Затем сопротивление изоляции вычисляется по формуле
1уст
2уст
За счет применения экстраполяции, нет необходимости ждать окончания протекания тока абсорбции, и сохраняется высокое быстродействие даже при наличии в контролируемой сети больших емкостей. По сравнению со способом-прототипом уменьшается погрешность, так как в способе-прототипе измеряемые значения тока будут иметь погрешность за счет тока абсорбции, а в предлагаемом способе, за счет экстраполяции, получаемые значения тока i и i равны только току утечки через сопротивление изоляции. Таким образом, достигается расширение функциональных возможностей, применение метода позволяет уменьшить погрешность измерения при сохранении высокого быстродействия при наличии в контролируемой сети больших емкостей.
Литература
1. Влияние тока абсорбции на процесс измерения сопротивления изоляции. Лачин В.И., Соломенцев К.Ю., Нгуен К.У. Изв. вузов. Сев. - Кавк. регион. Техн. науки. - 2013. - №6. - С. 32-35.