СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЙ В РАЗВЕТВЛЕННЫХ СЕТЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD OF MEASURING INSULANCE IN MULTI-PATH DC CIRCUITS

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для мониторинга сопротивлений изоляции присоединений в разветвленных электрических сетях постоянного тока и поиска элемента с пониженным сопротивлением изоляции.
Одним из наиболее эффективных приемов для решения вышеуказанной задачи является введение в контролируемую сеть зондирующего переменного напряжения относительно земли и измерение создаваемого им тока утечки с проводников присоединения на землю.
Основной проблемой, которую приходится решать при использовании такого метода, является трудность разделения резистивной и емкостной составляющих тока утечки на землю контролируемого участка. Известен способ контроля сопротивления изоляции разветвленных сетей постоянного и переменного тока (Патент РФ 2028638, МПК 6 G01R 31/02, G01R 27/18, публ. 09.02.1995 г. Авторы: Дунаев Б.Д., Савельев В.А., Словесный С.А.). Данный способ основан на наложении синусоидального переменного напряжения с периодически меняющейся частотой на контролируемую сеть, измерении вызванного приложенным напряжением тока утечки, обратно пропорционального по величине сопротивлению изоляции. Для исключения влияния емкостной составляющей на результат измерения производят компенсацию емкостной составляющей тока, протекающего через изоляцию, индуктивным током. В устройстве, реализующем данный способ, трансформаторные датчики тока утечки снабжаются дополнительной обмоткой, в цепи замыкания на землю которой, установлены компенсирующие индуктивности. Сигнал с выхода датчиков, возникающий под воздействием наложенного синусоидального напряжения качающейся частоты, выпрямляют и затем определяют значение нижнего экстремума полученной огибающей по частотной координате, обратно пропорциональное сопротивлению изоляции.
Недостатками данного способа является сложность его реализации и достижения приемлемой точности измерения, обусловленных сложностью выбора частотного диапазона зондирующего сигнала и величин компенсирующих индуктивностей в условиях априори неизвестного разброса емкостей присоединений подлежащей контролю электрической сети.
Известно также устройство для поиска поврежденного участка в сетях постоянного и переменного тока (Патент РФ №2052826, MПK 6 G01R 27/18, G01R 31/28, публ. 20.01.1996 г. Авторы: Дунаев Б.Д., Савельев В.А., Словесный С.А., Шилов С.В.). Отличительной особенностью используемого в устройстве способа контроля является компенсация влияния емкостной составляющей тока утечки с помощью другого емкостного тока. С этой целью в устройстве, реализующем способ, датчики тока утечки присоединений снабжаются дополнительной компенсирующей обмоткой, соединенной через компенсирующий конденсатор и параллельно подключенный к нему регулируемый резистор с землей, и включенной встречно основной обмотке, образованной проводниками присоединения.
Недостатком данного способа являются применение многочисленных вспомогательных элементов и сложность его практического применения, связанная с необходимостью настройки элементов компенсирующих цепей до начала осуществления измерений. Кроме применения компенсирующих элементов и обмоток в цепях датчиков тока возможны и другие способы нейтрализации влияния емкостной составляющей при измерении сопротивления изоляции по току утечки в контролируемом элементе, вызванному приложенным к сети зондирующим напряжением переменного тока.
Известен также способ поиска элемента со сниженным сопротивлением изоляций в разветвленной электрической сети постоянного оперативного тока и устройство для его осуществления (Патент РФ №2180124, MПК7 G01R 31/11, публ. 27.02.2002 г. Авторы: Вайнштейн Р.А., Шестакова В.В.).
Данный способ основан на наложении на сеть контрольного переменного тока и выделении активной составляющей переменного тока в контролируемом элементе. При этом дополнительно на сеть накладывают короткие импульсы, выделяемые в переменном токе в контролируемом элементе, синхронизированные с моментом перехода через ноль переменного напряжения на полюсах сети. Время распространения короткого импульса в контролируемом элементе, благодаря высокочастотному спектру импульса, зависит практически только от емкости элемента. Это позволяет, используя прошедший короткий импульс в качестве опорного, выделить активную составляющую в измерителе тока утечки. Реализация способа требует применения дополнительного источника коротких импульсов и высокочастотного фильтра, параметры которых, кроме того, должны соответствовать заранее неизвестному разбросу емкостей контролируемых присоединений. Все это в сильной степени осложняет эффективность практического использования данного способа.
Недостатков, связанных с необходимостью применения компенсирующих емкостных или индуктивных элементов и наложения на сеть дополнительных сигналов, кроме зондирующего синусоидального напряжения, лишен известный способ и устройство для мониторингового измерения изоляции электрических сетей (Patent Number EP 0613018, IPC Classification G01R 31/02, G01R 15/02.G01R 27/18, publication date 31.08.1994 г., Applicant: MERLIN GERIN).
Способ предусматривает введение в контролируемую сеть зондирующего синусоидального напряжения частоты, отличной от частоты сети, и выделение в токе утечки контролируемого присоединения емкостной и резистивной составляющих путем синхронного детектирования сигнала тока утечки. Эффективность выделения резистивной составляющей тока таким методом в значительной степени зависит от уровня помех и дрейфа параметров измерительного тракта. С целью исключения их влияния в устройстве, реализующем способ, предусмотрен дополнительный генератор, напряжение которого прикладывается только к измерительному тракту, гальванически развязанному с контролируемым присоединением. Производя два последовательных измерения тока утечки, одно из которых осуществляется без подачи дополнительного сигнала в измерительный тракт, а другое в цикле калибровки, при подключенном к измерительному тракту дополнительном сигнале, вычисляют разность между ними и по ней определяют текущие величины нестационарных параметров измерительного тракта, что позволяет повысить точность выделения резистивной составляющей тока утечки.
Другой известный способ измерения сопротивления изоляции присоединений в разветвленных сетях постоянного и переменного тока (Патент РФ 2275645, МПК 7 G01R 27/18, G01R 31/02, публ. 20.11.2005 г. Авторы: Кислов Е.А., Леонтьев И.В., Левичев Ю.Д., Кудрин И.А.) отличается от изложенного выше способа методом компенсации нестабильности коэффициента передачи измерительного тракта.
Оба указанных способа имеют недостаток, связанный с применением в качестве зондирующей ЭДС сигнала синусоидальной формы. Измеряемая в обоих способах скорость изменения магнитного потока содержит две гармонические составляющие. Одна из них, обусловленная резистивным током утечки, обратно пропорциональна сопротивлению изоляции R контролируемого присоединения. Вторая составляющая обусловлена емкостным током утечки присоединения и обратно пропорциональна величине
,
где ω - круговая частота зондирующего сигнала,
С - емкость фидера присоединения относительно земли.
Очевидно, что с ростом емкости контролируемого присоединения, емкостная составляющая тока утечки может настолько возобладать над резистивной, что выделение последней из сигнала на выходе сенсора станет практически неосуществимым. Так, например, в использующем анализируемый способ устройстве «Vigilohm System. Merlin Gerin» (WEB http://www. Schneider-electric) частота f синусоидального зондирующего напряжения, выбранная из условия минимума величины емкостного тока утечки, составляет 2,5 Гц. Сопротивление емкостной ветви утечки присоединения на этой частоте при емкостях присоединений из ряда 5,10 и 50 мкФ будут равны соответственно ~12,7  кОм; ~6,4 кОм; 1,25 кОм. Для присоединений с уровнем изоляции 500 кОм, например, резистивная составляющая тока утечки будет при этом меньше емкостной соответственно в 40, 80 и 395 раз.
Иной, более радикальный подход к нейтрализации емкости присоединений при измерении их сопротивлений изоляции методом наложения на контролируемую сеть постоянного тока зондирующего сигнала может быть реализован устройством, описанном в авторском свидетельстве SU №1273839 А1 (МПК G01R 27/18, публ. 30.11.86 г. Авторы: Савельев В.А. и Ларионов В.И.) Данное изобретение взято в качестве прототипа.
1
В указанном устройстве в качестве источника зондирующей ЭДС используется генератор линейно изменяющегося напряжения. В качестве сенсоров тока утечки присоединений на каждом из их проводников установлены трансформаторы тока. Ток, текущий по проводнику присоединения при приложении к нему зондирующего напряжения U имеет три составляющие
,
R
где I - резистивная составляющая тока утечки присоединения,
R - измеряемое сопротивление изоляции присоединения,
H
где I - рабочий ток нагрузки присоединения,
c
Е - напряжение сети постоянного тока,
н
R. - сопротивление нагрузки присоединения,
,
с
где I - емкостная составляющая тока утечки присоединения,
С - емкость относительно земли.
1
с
При линейном законе изменения зондирующего напряжения U емкостная составляющая тока утечки I сохраняет постоянную величину и, следовательно, не влияет на измеряемую трансформатором производную суммарного тока проводника. Последняя, таким образом, определяется резистивной составляющей и пропорциональна величине
Используемый в указанном изобретении способ отличается от описанных выше применением линейно изменяющегося зондирующего сигнала взамен сигнала синусоидальной формы. Такая форма сигнала обеспечивает отсутствие в выходном измеряемом сигнале индуцируемой емкостным током утечки, что является наиболее близким к предлагаемому техническому решению. Однако практическому применению описанного устройства для непрерывного автоматического мониторинга сопротивлений изоляции присоединений в распределительных сетях постоянного тока препятствует ряд его недостатков.
c
н
Следует отметить, во-первых, что однозначная зависимость измеряемой величины от сопротивления изоляции присоединения соблюдается лишь при выполнении ряда условий. Одним из таковых является строгое постоянство сетевого напряжения Е и сопротивлений нагрузок присоединений R, что не соответствует условиям функционирования большей части реальных промышленных распределительных сетей и их электроприемников.
Второй недостаток устройства - прототипа связан с неизбежным существованием электромагнитных полей, служащих источником фоновой составляющей переменного тока утечки с проводников присоединений, искажающей результат измерения сопротивления изоляции в реальных промышленных условиях применения распределительных сетей.
К третьему недостатку следует отнести отсутствие в нем элементов синхронизации интервала осуществления измерения производной тока проводника относительно выделенного участка зависимости зондирующего напряжения от времени. Выходной сигнал генератора линейно изменяющегося напряжения содержит моменты скачкообразного изменения производной напряжения по времени. Обусловленные ими переходные процессы вносят свой вклад в величину измеряемой скорости изменения тока утечки присоединения, доля которого возрастает по мере увеличения емкостей присоединения и контролируемой сети в целом.
С учетом приведенных недостатков достижение высокой достоверности и точности определения сопротивления изоляции становится невозможным.
В заявляемом способе указанные недостатки исключены, что позволяет обеспечить достоверность и повысить точность измерения сопротивлений изоляции присоединений при мониторинге разветвленных сетей постоянного тока, функционирующих в реальных промышленных условиях. Способ основан на введении в контролируемую сеть относительно земли изменяющейся в функции времени зондирующей ЭДС, содержащей интервалы линейной зависимости напряжения от времени и измерении скорости изменения магнитного потока, индуцированного током, протекающим под воздействием данной ЭДС между проводниками контролируемого присоединения и землей. Для отстройки от изменений магнитного потока, обусловленных колебаниями рабочего тока присоединения, применен прием, заключающийся в том, что измерения производят над суммарным магнитным потоком, индуцируемым токами совокупности проводников присоединения. Тем самым устраняется очевидный недостаток способа, взятого в качестве прототипа, предусматривающего измерение скорости изменения магнитных потоков, индуцируемых токами отдельных проводников присоединений, и содержащих переменную составляющую, пропорциональную скорости измерения тока нагрузки присоединения
Основными отличительными особенностями предлагаемого способа являются формирование и подача в качестве зондирующей ЭДС сигнала особой формы, представляющего собой непрерывную периодическую функцию напряжения от времени U(t), состоящую из поочередно следующих друг за другом интервалов линейно изменяющегося и постоянного напряжений, по разности скоростей изменения магнитных потоков, измеренных на двух указанных интервалах, определение составляющей скорости изменения магнитного потока, индуцированного током, протекающим между проводниками присоединения и землей под воздействием указанной зондирующей ЭДС. Измерение упомянутых скоростей изменения магнитных потоков, осуществляют на завершающих отрезках соответственно интервала линейно изменяющегося и интервала постоянного напряжения, относительную длительность которых устанавливают зависимости от величины емкости контролируемого присоединения и суммарной емкости сети относительно земли, из условия малости вклада, вносимого в результаты измерений переходными процессами, обусловленными скачкообразными изменениями скорости изменения напряжения зондирующей ЭДС в начальных точках упомянутых интервалов.
Отличительной особенностью является также то, что измерению скорости изменения подвергается суммарный магнитный поток, индуцируемый токами совокупности проводников присоединения.
Рассмотрим механизм влияния отличительных особенностей на достижение поставленной цели.
Использование величины скорости изменения магнитного потока, индуцированного током утечки присоединения, измеренной на втором интервале, как опорной, позволяет выделить из результата измерения скорости магнитного потока на первом интервале составляющую, индуцированную только током, протекающим между проводниками присоединения и землей под воздействием зондирующей ЭДС. Тем самым исключается влияние на результат определения скорости других составляющих магнитного потока, обусловленных шумами, помехами и другими отличными от зондирующей ЭДС источниками электромагнитных полей. На интервале линейного изменения зондирующей ЭДС между проводниками присоединения и землей будет протекать ток, имеющий резистивную составляющую
i
где R - сопротивление изоляции i-го присоединения,
и емкостную составляющую
i
где С-емкость i-го присоединения относительно земли.
Ввиду постоянства  емкостная составляющая, как и в способе, реализованном в прототипе, не будет создавать изменяющегося магнитного потока, и скорость изменения последнего будет однозначно определяться величиной сопротивления изоляции присоединения независимо от его емкости. Однако данное утверждение справедливо только в предположении бесконечной длительности интервала изменения напряжения по линейному закону. В периодическом сигнале зондирующего напряжения, необходимом для осуществления непрерывного мониторинга, как и в сигнале, используемом в предлагаемом способе, интервалы изменения зондирующего напряжения с постоянной скоростью имеют конечную длительность. На концах интервалов происходит скачкообразное изменение угла наклона зависимости напряжения от времени, а в контролируемом присоединении возникает переходный процесс изменения тока утечки, параметры которого зависят как от емкости присоединения относительно земли и сети в целом, так и от сопротивлений их изоляции. Поэтому предлагаемый способ предусматривает осуществление измерений скоростей изменения магнитного потока на завершающих отрезках интервалов постоянного и линейного изменения зондирующего напряжения. Необходимость и эффективность такого приема для обеспечения достоверности и точности измерений сопротивления изоляции доказывается приведенными расчетами.
о
Наиболее естественный вид периодического зондирующего сигнала, удовлетворяющего заявляемому способу, изображен на фиг.1.В предположении о бесконечно малой длительности переходных процессов, возникающих в моменты изменения угла наклона изображенной ломаной кривой, ток утечки I в контролируемом присоединении от приложенной ЭДС и его производная по времени имели бы вид зависимостей, изображенных соответственно на фиг.2 и 3.
Реальный вид зависимостей, представленных на фиг.2, 3, будет включать экспоненциальные составляющие от переходных процессов. Оценки их вклада в результаты измерения можно произвести с помощью эквивалентной схемы замещения для расчета протекающих в контролируемом присоединении процессов при наложении на сеть сигнала зондирующей ЭДС, изображенной на фиг.4.
Принятые обозначения электрических параметров:
r - внутреннее сопротивление источника зондирующей ЭДС;
i
С - емкость контролируемого присоединения;
∗
С - емкость сети с ее присоединениями без учета контролируемого присоединения;
С - суммарная емкость сети, включающая емкости контролируемого и остальных присоединений;
i
R - сопротивление изоляции контролируемого присоединения;
∗
R - сопротивление изоляции сети с ее присоединениями без учета контролируемого присоединения;
R - общее сопротивление замещенной сети;
I - ток, потребляемый сетью от источника зондирующего напряжения;
о
I - ток утечки контролируемого присоединения;
U - напряжение на общей шине проводников присоединений сети;
Е - приложенная зондирующая ЭДС;
А - постоянный коэффициент зависимости скорости изменения ЭДС от времени.
Процессы, протекающие в приведенной схеме замещения, описываются следующей системой уравнения:
*
i
где через C=C+C и
обозначены соответственно суммарная емкость и общее сопротивление замещенной сети.
Объединяя (1) и (2), получим следующую систему из двух уравнений:
о
о
Поскольку в реальных цепях мгновенные изменения физических величин невозможны, то кривую изменения E(t), представленную на фиг.1, следует заменить кривой, не имеющей разрыва первой производной. С этой целью будем считать, что процессы переключения E(t) происходят в течение конечного интервала времени θ<<Т, причем скорость изменения E(t) на участках [Т] ее возрастания и убывания составляет соответственно:
а на интервалах переключения [θ] растет или убывает линейно со скоростью:
Величины В, А и 0 по условию непрерывности производной  связаны соотношением:
Функции  и  имеют на различных временных интервалах отличающиеся друг от друга законы изменения:
на интервале [0,θ]:
o
на интервале [0,θ+T]:
o
o
на интервале [θ+T, 2θ+T]:
o
o
на интервале [2θ+T, 2θ+2T]:
При решении системы уравнений (4, 5) с целью упрощения записей будем считать, что
Такое предположение не ограничивает общности получаемых результатов, а правомерность его обусловлена тем, что сопротивление изоляции R реальных сетей по определению должно быть не менее десятков килоОм, тогда как внутреннее сопротивление источника зондирующего напряжения может составлять не более нескольких сотен Ом.
о
Интегрируя систему уравнений (4), (5) для вышеперечисленных интервалов при начальных условиях, соответствующих требованию непрерывности ее переменных, получим, с учетом соотношения (13), для тока утечки присоединения на интервале [θ, θ+Т] изменения ЭДС E(t) с постоянной скоростью следующее выражение:
о
Измеряемая согласно способу величина пропорциональна производной тока I по времени:
i
Второе слагаемое в выражении (15) характеризует ошибку в определении сопротивления изоляции R из соотношения , основанного на допущении об идеальном линейном законе изменения зондирующего напряжения.
о
о
Величина этой ошибки экспоненциальным образом зависит от отсчитываемого от начала интервала линейного изменения напряжения момента осуществления измерения . В начале интервала, при t=θ, когда последний множитель в выражении (15) принимает значение, равное 1, она достигает максимальной величины, принимая в конце интервала, при t=θ+Т, минимальное значение, соответствующее величине данного множителя, равной Значимость ошибки в практических случаях применения способа для мониторинга реальных промышленных сетей можно оценить на следующем примере. Реальной для эксплуатационной практики контроля состояния сетей является частота получения данных, соответствующая периоду в несколько секунд. Примем эту величину равной 10 с, откуда следует, что Т=2,5 с. Технически обоснованными можно считать также следующие величины других параметров генератора зондирующего напряжения:
r=500 Ом, θ=0,15 с.
Задача мониторинга сопротивления изоляции становится сложной в случае необходимости измерений сопротивлений изоляции в диапазоне сотен кОм (килоОм) и при емкостях присоединений в несколько десятков мкФ. В качестве примера рассмотрим сеть со следующими параметрами:
i
i
R=500 кОм, С=40 мкФ, С=500 мкФ
о
Произведя вычисления по соотношению (15) при указанных значениях параметров получим, что ошибка при измерении мгновенной скорости  в начале интервала, при t=θ, превышает саму измеряемую величину в 60 раз, а в конце интервала при t=Т+θ, ее величина не превышает 0,25%. Следовательно, достоверный результат измерения сопротивления изоляции способом наложения на сеть зондирующего напряжения, содержащего интервалы линейной зависимости его от времени, может быть получен только тогда, когда способ предусматривает проведение измерений скоростей изменения магнитного потока на завершающих отрезках интервалов постоянной скорости изменения зондирующего напряжения. Использование данной отличительной особенности является важным звеном заявляемого способа.
u
Выбор длительности T завершающих отрезков при использовании заявляемого способа можно осуществить, используя соотношение: (16)
u
i
i
учитывающее, что в реальных технических системах ведут измерение не мгновенных, а средних по времени скоростей изменения электромагнитных величин. Так, для приведенных выше параметров сети, выбор Т=1 с обеспечивает погрешность измерения сопротивления изоляции присоединения, равную 3,6%. При уменьшении суммарной емкости сети погрешность уменьшается по экспоненциальному закону. Для емкости С=400 мкф ее величина не будет превышать 0,8%. Уменьшение как емкости, так и сопротивления изоляции присоединения приводит к практически пропорциональным снижениям относительной погрешности измерения R. Для R=100 кOм и С=40 мкФ ее величина составит около 0,7%, обеспечивая тем самым надежное обнаружение присоединений со сниженным сопротивлением изоляции.
Примером практического применения способа может служить устройство для мониторинга сопротивления изоляции разветвленных сетей постоянного тока типа «Fiderohm-DC» используемое в щитах постоянного тока ЩПТ, выпускаемых ОАО «НИЛОМ» (Руководство по эксплуатации №6000-00-00-000РЭ).
i
i
i
i
На фиг.5 приведена структурная схема контроля сопротивления изоляции присоединений сети постоянного тока с помощью вышеназванного устройства. Схема замещения контролируемой сети 1 с источником питания 2 включает также нагрузки 3 присоединений, их емкости 4 и сопротивления изоляции 5 по отношению к земле. К сети 1 подключен генератор 6 периодического кусочно-линейного напряжения. На каждом из N присоединений сети установлены тороидальные трансформаторные сенсоры 7, первичной обмоткой которых служат проводники присоединений, а вторичные обмотки через усилители сигналов 8 подключены к коммутатору 9, поочередно соединяющему их с измерительным входом микропроцессорного контроллера 10. Контроллер производит цифровую обработку поступающих сигналов и вычисляет сопротивления изоляции присоединений и их отклонения от нормы. Управляющие выходы контроллера 10 соединены с командными входами коммутатора 9 и генератора 6, обеспечивая синхронизацию работы всего устройства. Интерфейсный блок 11 служит для отображения результатов измерений и конфигурирования рабочих параметров устройства по отношению к конкретной контролируемой сети. Обеспечиваемая устройством погрешность измерения сопротивления изоляции R, присоединения в точке плоскости его параметров R=500 кОм, С=40 мкф не превышает 5% и изменяется в ту и другую сторону при изменении R и С прямо пропорционально величине каждого из этих параметров.
Таким образом, заявляемый способ контроля изоляции присоединений в сетях постоянного тока, включающий введение в сеть зондирующего напряжения с интервалами линейной зависимости напряжения от времени за счет введения в форму периодического сигнала следующих непосредственно за ним интервалов с постоянным значением напряжения, дифференциального по отношению к помехам, шумам, составляющим тока утечки присоединений, обусловленных отличными от зондирующей ЭДС источниками, определение скорости изменения тока утечки на интервале линейного изменения зондирующей ЭДС; использование для осуществления измерений лишь завершающих отрезков названных интервалов, на которых вклад в измеряемые скорости процессов заряда-разряда емкостей присоединений и сети в целом существенно мал, действительно обеспечивает достоверность и повышенную точность измерения сопротивления изоляции.