СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ РАЗВЕТВЛЕННЫХ СЕТЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD OF MONITORING INSULATION RESISTANCE OF EXTENSIVE DC NETWORKS

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 измерения и контроля эквивалентного сопротивления изоляции изолированных от земли силовых электрических сетей постоянного тока, в том числе и сетей электродвижения со статическими преобразователями под рабочим напряжением, и устройство для его реализации, описанные в патенте РФ №2403580, кл. G01R 27/18, заявка от 12.05.2009 г., опубликовано 10.11.2010 г. В соответствии с указанным способом один полюс контролируемой сети шунтируют резистором и изменяют шунт так, чтобы напряжение этого шунтирующего полюса относительно земли уменьшилось ровно в два раза по сравнению с величиной напряжения этого полюса относительно земли до шунтирования, после чего шунтирующий резистор отключают и измеряют его величину, которая будет численно равна эквивалентному сопротивлению изоляции контролируемой сети постоянного тока.
В этом способе не определяется влияние подключенного шунтирующего резистора на величину напряжения полюса. Кроме того, определяется лишь результирующее сопротивление изоляции, без возможности контроля этого параметра по отдельным присоединениям.
Известен способ измерения сопротивления изоляции цепей постоянного тока, находящихся под рабочим напряжением, и устройство для его осуществления (патент РФ №2503964, кл. G01R 27/18, заявка от 11.01.2012 г., опубликовано 10.01.2014 г.). В данном способе первым измерительным каналом с известным входным сопротивлением производят поочередное измерение напряжений между каждым полюсом контролируемой цепи и шиной заземления, вторым измерительным каналом одновременно измеряют напряжение контролируемой цепи, при этом после каждого подключения делают определенную выдержку времени для завершения переходных коммутационных процессов, в интервале, кратном периоду наиболее вероятной помехи, производят по «n» измерений с вычислением отношения напряжения на полюсе к напряжению контролируемой цепи. При этом не контролируется дифференциальный ток по отдельным ветвям системы постоянного тока и, как следствие, не определяется сопротивление изоляции отдельных ветвей.
Известен способ измерения сопротивлений изоляции присоединений и поиска присоединений с поврежденной изоляцией в сети постоянного тока с изолированной нейтралью, описанный в патенте РФ №2536332, кл. G01R 27/00, заявка от 01.07.2013 г., опубликовано 20.12.2014 г. При использовании этого способа одновременно выравнивают напряжения на полюсах путем включения последовательно соединенных двух одинаковых резисторов, общая точка которых через третий резистор соединена с «землей». Значения эквивалентных сопротивлений изоляции присоединений вычисляют по формуле, использующей в качестве переменной величины только измеренные дифференциальные токи.
К недостаткам указанного способа следует отнести необходимость установки и коммутации двух резисторов (для каждого полюса отдельно), а также использование низкоомного Т-образного моста для выравнивания напряжений на полюсах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ контроля сопротивления изоляции, описанный в патенте РФ №2381513, кл. G01R 27/18, заявка от 16.07.2008 г., опубликовано 10.02.2010 г. Согласно указанному способу в сети постоянного тока с изолированной нейтралью измеряют напряжения между «землей» и полюсами источника постоянного тока, а также измеряют токи, протекающие по присоединениям сети после подключения к одному из полюсов одного, а затем другого из резистивных элементов присоединения. При этом одновременно выравнивают напряжение на полюсах. По полученным значениям напряжений и токов вычисляют сопротивление изоляции. Для заявленного устройства предназначен дифференциальный датчик тока. При подаче напряжения в измерительную обмотку в магнитопроводе датчика появляется постоянная составляющая магнитного поля, что вызывает смещение петли гистерезиса относительно нуля. Сигнал напряжения с измерительной обмотки усиливается и подается на вход аналого-цифрового преобразователя.
К недостаткам указанного способа следует отнести следующее:
- обязательное наличие низкоомного Т-образного моста для выравнивания напряжений на полюсах, что приводит к увеличению габаритов устройства и дополнительному тепловыделению внутри его;
- отклонение напряжения полюса от первоначальной величины, вызванное подключением резистивного элемента, не может быть ограничено из-за постоянной величины сопротивления резистивного элемента;
- необходимо измерение дифференциальных токов не только в ветвях сети постоянного тока, но и в Т-образном мосте.
Задачами предлагаемого изобретения являются расширение функциональных возможностей, повышение точности измерения сопротивления изоляции в пределах допустимых значений отклонений напряжений полюса при тестовом воздействии, а также повышение универсальности (возможность измерения как с присутствующими в системе Т-образным мостом или уравнительными резисторами, так и без них).
H1
Hn
1
n
1
n
+
+
-
-
Способ контроля сопротивления изоляции и осуществления тестового воздействия поясняется схемой фиг. 1, где ветви с порядковыми номерами от 1 до n представлены сопротивлениями нагрузки R-R и сопротивлениями изоляции положительного R-R и отрицательного R-R полюсов.
0
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. На контролируемую электрическую сеть постоянного тока периодически осуществляется тестовое воздействие посредством подключения высокоточного шунтирующего резистора R между одним из полюсов и землей с помощью ключей К+ либо К-.
В начале измерительного цикла фиксируются следующие величины:
- напряжение положительного полюса сети L+ относительно земли до воздействия, измеряется вольтметром V+, фиг. 1;
- напряжение отрицательного полюса сети L- относительно земли до воздействия, измеряется вольтметром V-, фиг. 1.
В зависимости от значений  и  и исходя из максимально допустимых величин напряжений на полюсах и разности напряжений полюсов определяется полюс, на который будет осуществляться воздействие.
0
0
Далее рассчитывается требуемая величина сопротивления шунтирующего резистора R, исходя из условия, чтобы после его подключения напряжения полюсов относительно земли входили в диапазон допустимых значений, например, ±15 В от половины напряжения сети постоянного тока, а ток утечки на землю через резистор не превышал допустимого значения, например, ±1,5 мА. Алгоритм выбора значения R позволяет не допускать увеличения вероятности ложного срабатывания реле и дискретных входов устройств защитной автоматики при «металлическом» замыкании дискретного входа или реле на землю как следствие тестового воздействия при контроле сопротивления изоляции сети и присоединений.
После установки требуемой величины сопротивления шунтирующий резистор подключается к выбранному полюсу посредством ключей К+ либо К-, ожидается окончание переходного процесса, после чего производится оценка величины емкости сети и измеряются следующие величины:
- напряжение положительного полюса сети относительно земли при подключении к одному полюсу, измеряется вольтметром V+, фиг. 1;
- напряжение отрицательного полюса сети относительно земли при подключении к одному полюсу, измеряется вольтметром V-, фиг. 1.
- дифференциальный ток i-го присоединения при подключении к одному полюсу.
Далее выполняется расчет сопротивлений изоляции полюсов по следующим формулам:
- при воздействии на положительный полюс:
- при воздействии на отрицательный полюс:
где:  - суммарная внутренняя проводимость цепи измерения напряжения для одного из полюсов;
Δg - проводимость шунтирующего резистора, осуществляющего воздействие на один из полюсов;
+
g - суммарная (учитывающее все гальванически связанные присоединения) эквивалентная проводимость изоляции положительного полюса относительно земли;
-
g - суммарная (учитывающее все гальванически связанные присоединения) эквивалентная проводимость изоляции отрицательного полюса относительно земли.
-
+
R, R - эквивалентное сопротивление изоляции соответственно отрицательного и положительного полюса относительно земли.
Шунтирующий резистор отключается от полюса, и после завершения переходного процесса проверяется, возможно ли подключение шунтирующего резистора к другому полюсу сети (исходя из выполнения указанных ранее ограничений).
Если такое подключение допустимо, то оно осуществляется после процедуры расчета и установки требуемой величины шунтирующего резистора для другого полюса. По завершении переходного процесса измеряются следующие величины:
- напряжение положительного полюса сети относительно земли при подключении к другому полюсу, измеряется вольтметром V+, фиг. 1;
- напряжение отрицательного полюса сети относительно земли при подключении к другому полюсу, измеряется вольтметром V-, фиг. 1.
- дифференциальный ток i-го присоединения при подключении к другому полюсу.
Сопротивление изоляции присоединений рассчитывается по формуле: .
Далее шунтирующий резистор отключается от этого полюса сети, и после окончания переходного процесса цикл измерений завершается.
Если же подключение шунтирующего резистора к другому полюсу сети недопустимо, то в качестве  и  принимаются значения, измеренные в начале измерительного цикла, то есть  и  соответственно. Дифференциальные токи присоединений  в этом случае измеряются после завершения переходного процесса при отключении шунтирующего резистора от первого полюса сети.
0
В случае отклонения ожидаемых значений напряжений полюсов от измеренных происходит сброс цикла и измеренных значений сопротивлений изоляции и емкости сети, которые использовались при расчете допустимого значения сопротивления R для осуществления тестового воздействия.
доб+
доб-
Рассматриваемую схему (фиг. 1) возможно дополнить двумя последовательно соединенными одинаковыми резисторами R и R, общая точка которых заземлена, а противоположные выводы подключены к полюсам сети. Величина сопротивления резисторов значительно меньше внутреннего сопротивления вольтметров V+ и V-. Резисторы предназначены для выравнивания напряжений на полюсах сети относительно земли. По сравнению с традиционным Т-образным мостом при одинаковом выравнивании потенциалов сети относительно земли предлагаемое включение двух резисторов позволяет снизить тепловыделение в три раза, уменьшить габариты и массу резисторов. При условии применения резисторов в формулах (1) и (2) проводимость  должна учитывать внутреннюю проводимость вольтметра и проводимость соответствующего уравнительного резистора.
Работоспособность предлагаемого способа контроля сопротивления изоляции проверена на опытном образце устройства, в котором в качестве вольтметра применялись АЦП с высокоомным делителем, а выбор шунтирующего резистора и расчет сопротивлений изоляции осуществлялся микропроцессорным устройством.