УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СИЛОВЫХ ЦЕПЕЙ
DEVICE FOR DIAGNOSING STATE OF INSULATION POWER CIRCUITS

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для диагностики состояния изоляции силового электрического оборудования, в частности электроподвижного состава железных дорог.
Известно устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей электровоза, основанное на непрерывном определении тока утечки через сопротивление изоляции [Электровоз ВЛ85: Руководство по эксплуатации / Б.А. Тушканов и др. - М.: Транспорт, 1992, - 480 с.].
Устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей электровозов переменного тока содержит реле земли, трансформатор, выпрямитель, индуктивность, токоограничивающий резистор и два источника постоянного и переменного напряжения. Реле земли состоит из включающей и удерживающей обмоток. Выпрямитель представляет собой мостовую схему выпрямления и имеет два входа и два выхода.
Удерживающая обмотка реле земли через токоограничивающий резистор подключена к источнику постоянного напряжения. Источник переменного напряжения через трансформатор соединен с входами выпрямителя. Первый выход выпрямителя через включающую обмотку реле земли соединен с «землей» электровоза. Второй выход выпрямителя через индуктивность связан с силовой схемой электровоза.
Устройство работает следующим образом.
В нормальном режиме работы силовой цепи электровоза изоляция силовых цепей соответствуют норме, при этом по включающей обмотке проходит минимальный ток, а магнитный поток создается только одной удерживающей обмоткой. Этот поток настолько мал, что сила притяжения якоря к сердечнику меньше силы отключающей пружины и реле земли находится в исходном отключенном состоянии.
При нарушении изоляции какой-либо точки силовой цепи или уменьшении сопротивления изоляции образуется замкнутый контур протекания тока утечки через сопротивление изоляции силовой цепи электровоза. В этом случае во включающей обмотке появляется ток, а в магнитопроводе - соответствующий магнитный поток, который суммируется с магнитным потоком от удерживающей обмотки. Суммарный магнитный поток создает силу притяжения якоря к сердечнику реле земли, превосходящую усилие отключающей пружины. Якорь притягивается и реле земли срабатывает, что вызывает отключение силового оборудования электровоза. Срабатывание реле земли происходит при токе включающей обмотки в диапазоне (0,14-0,19) А. После отключения силового оборудования ток перестает протекать по включающей катушке реле земли, однако якорь реле земли остается притянутым благодаря тому, что магнитный поток удерживающей обмотки реле земли способен удержать якорь в притянутом состоянии. Таким образом, описанное устройство для диагностики состояния изоляции защищает силовую цепь электровоза от токов короткого замыкания.
Однако срабатывание реле земли и отключение силового оборудования электровоза в известном устройстве происходит только при превышении допустимого тока утечки в изоляции силового оборудования свыше установленного уровня. При значениях, меньших установленного тока утечки изоляции и близких к критическому уровню, реле земли остается в исходном выключенном состоянии.
Таким образом, известное устройство срабатывает только при снижении уровня изоляции силовых цепей ниже критических допустимых значений.
Достоинство известного устройства для контроля состояния изоляции заключается в надежной защите силовых цепей электровоза при снижении уровня изоляции силовых цепей ниже допустимых значений.
Недостаток известного устройства для контроля состояния изоляции заключается в ограниченной функциональности при объективной оценке состояния изоляции в диапазоне тока утечки изоляции меньшего критического значения.
Наиболее близким по техническим решениям и достигаемому результату является измеритель сопротивления изоляции (устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей электровозов), основанный на периодическом определении тока утечки через сопротивление изоляции [Электровоз 2ЭС6. Руководство по эксплуатации. Электрические схемы (пособие для локомотивных бригад). Екатеринбург. Екатеринбургский учебный центр №1. 2008. - 192 С.].
Устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей содержит источник напряжения постоянного тока, датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, устройство вычисления сопротивления изоляции и индикатор текущего сопротивления изоляции. Источник напряжения постоянного тока выполняет функцию источника испытательного напряжения.
Первый выход источника испытательного напряжения постоянного тока подключен к объекту диагностики сопротивления изоляции, имеющему соединение с общим проводом - «землей». Второй выход источника испытательного напряжения постоянного тока через датчик тока соединен с «землей». Выход датчика тока через последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь и устройство вычисления сопротивления изоляции связан с индикатором текущего сопротивления изоляции.
Устройство работает следующим образом.
Контроль состояния изоляции осуществляется при обесточенной силовой схеме электровоза, например перед поездкой локомотива. Номинальное рабочее испытательное напряжение постоянного тока подается от источника напряжения постоянного тока между объектом диагностики и «землей». Возникающий при этом ток утечки сопротивления изоляции контролируется датчиком тока. Аналоговый сигнал датчика тока поступает в аналого-цифровой преобразователь, где он преобразуется в цифровую форму и поступает на вход устройства вычисления сопротивления изоляции. В устройстве вычисления сопротивления изоляции по величине тока утечки рассчитывается сопротивление изоляции, значение которого выводится на индикатор текущего сопротивления изоляции. При этом измерение сопротивления изоляции силовых цепей производится только при нулевой позиции работы электровоза, т.е. при обесточенной силовой схеме.
Устройство позволяет получить информацию о текущих значениях сопротивления изоляции в моменты периодического измерения, оставляя без контроля состояние изоляции между измерениями.
Достоинство известного устройства для диагностики состояния изоляции силовых цепей заключается в объективной оценке состояния изоляции в моменты его периодического измерения в любом диапазоне тока утечки изоляции. Это обусловлено расширением функциональности при объективной оценке состояния изоляции за счет измерения тока утечки изоляции в любом диапазоне.
Недостаток известного устройства для диагностики состояния изоляции силовых цепей заключается в недостаточной точности оценки сопротивления изоляции в периоды между измерениями. Это обусловлено дискретностью полученной информации о состоянии сопротивления изоляции из-за ее периодического определения только в моменты измерения.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для диагностики состояния изоляции силовых цепей, повышающего точность оценки текущего и прогнозного состояния сопротивления изоляции при протекании тока в силовой цепи электровоза и расширяющего диапазон измеряемых параметров за счет получения непрерывной информации о ее состоянии.
Для решения поставленной задачи в устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей, содержащее источник напряжения постоянного тока, последовательно соединенные датчик тока, аналого-цифровой преобразователь, блок вычисления сопротивления изоляции и индикатор текущего сопротивления изоляции, при этом второй вход датчика тока соединен с «землей», в него дополнительно введены блок формирования импульсного напряжения, модуль памяти, блок вычисления прогнозируемых параметров, индикатор влажности изоляции и прогнозирования сопротивления изоляции, одновибратор периодических импульсов и мультивибратор, при этом блок формирования импульсного напряжения представляет собой цепь из последовательно соединенных индуктивности, диода и конденсатора, а также коммутатор, первый и второй входы которого подключены параллельно диоду и конденсатору, причем первым входом блока формирования импульсного напряжения, подключенным к «плюсовому» выходу источника напряжения постоянного тока, является вывод индуктивности, а вторым его входом, подключенным к «минусовому» выходу источника напряжения постоянного тока, является вывод конденсатора, который одновременно является вторым выходом блока формирования импульсного напряжения, первым выходом которого является точка соединения диода и конденсатора, первый вход датчика тока соединен со вторым выходом блока формирования импульсного напряжения, первые входы модуля памяти и блока вычисления прогнозируемых параметров подключены к выходу блока вычисления сопротивления изоляции, выход одновибратора периодических импульсов соединен напрямую с третьим входом коммутатора блока формирования импульсного напряжения и вторыми входами соответственно модуля памяти и блока вычисления прогнозируемых параметров, а также через мультивибратор - соответственно с третьими входами модуля памяти и блока вычисления прогнозируемых параметров, четвертый вход которого соединен с выходом модуля памяти, а первый и второй выходы блока вычисления прогнозируемых параметров соединены с первым и вторым входами индикатора влажности и прогнозирования сопротивления изоляции, первый выход блока формирования импульсного напряжения соединен с силовой цепью электровоза.
Заявляемое решение отличается от прототипа введением новых существенных элементов: блока формирования импульсного напряжения, содержащего последовательно соединенные индуктивность, диод и конденсатор и параллельно подключенный к последним коммутатор, а также модуля памяти, блока вычисления прогнозируемых параметров, индикатора влажности и прогнозирования сопротивления изоляции, одновибратора периодических импульсов и мультивибратора и образованием новых взаимосвязей между элементами устройства.
Наличие существенных отличительных признаков в совокупности существенных признаков, характеризующих устройство, свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Введение в устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей блока формирования импульсного напряжения, содержащего последовательно соединенные индуктивность, диод и конденсатор и параллельно подключенный к последним коммутатор, а также модуля памяти, блока вычисления прогнозируемых параметров, индикатора влажности и прогнозирования сопротивления изоляции, одновибратора периодических импульсов и мультивибратора и образование новых взаимосвязей между элементами устройства позволяет повысить точность оценки текущего и прогнозного состояния сопротивления изоляции при протекании тока в силовой цепи электровоза и расширить диапазон измеряемых параметров за счет периодического формирования испытательного напряжения, приводящего к расширению диапазона измеряемых параметров изоляции и к определению фактического состояния потрескавшейся изоляции, находящейся во влажном состоянии.
Это обусловлено тем, что при периодическом формировании испытательного напряжения, во-первых, получают непрерывную информацию о состоянии как сопротивления изоляции, так и ее влажности, во-вторых, исключается подсушивание потрескавшейся изоляции, находящейся в условиях с повышенной влажностью. Оба этих фактора повышают точность оценки текущего и прогнозного состояния сопротивления изоляции.
Причинно-следственная связь «Введение в устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей блока формирования импульсного напряжения, содержащего последовательно соединенные индуктивность, диод и конденсатор и параллельно подключенный к последним коммутатор, а также модуля памяти, блока вычисления прогнозируемых параметров, индикатора влажности и прогнозирования сопротивления изоляции, одновибратора периодических импульсов и мультивибратора и образование новых взаимосвязей между элементами устройства позволяет повысить точность оценки текущего и прогнозного состояния сопротивления изоляции при протекании тока в силовой цепи электровоза и расширить диапазон измеряемых параметров за счет периодического формирования испытательного напряжения, приводящего к расширению диапазона измеряемых параметров изоляции и к определению фактического состояния потрескавшейся изоляции, находящейся во влажном состоянии» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него, следовательно, она является новой. Наличие новой причинно-следственной связи между отличительными существенными признаками и полученным результатом свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертеже представлена схема устройства для диагностики состояния изоляции силовых цепей, позволяющая уяснить его работоспособность и промышленную применимость.
Устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей рассмотрено на примере устройства для диагностики состояния изоляции силовых цепей электровоза, которое основано на непрерывном определении тока утечки через сопротивление изоляции.
Устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей содержит источник напряжения постоянного тока 1, блок формирования импульсного напряжения 2, датчик тока 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок вычисления сопротивления изоляции 5, индикатор текущего сопротивления изоляции 6, модуль памяти 7, блок вычисления прогнозируемых параметров 8, индикатор влажности и прогнозирования сопротивления изоляции 9, одновибратор периодических импульсов 10 и мультивибратор 11.
Блок формирования импульсного напряжения 2 представляет собой цепь из последовательно соединенных индуктивности 12, диода 13 и конденсатора 14, а также коммутатора 15.
Вывод индуктивности 12 является первым входом блока формирования импульсного напряжения 2, а вывод конденсатора 14 - его вторым входом, а также его вторым выходом.
Первый вход блока формирования импульсного напряжения 2 подключены к «плюсовому» выходу источника напряжения постоянного тока 1, а второй его вход - к «минусовому» выходу источника напряжения постоянного тока 1.
Первый и второй входы коммутатора 15 подключены параллельно диоду 13 и конденсатору 14. Точка соединения диода 13 и конденсатора 14 является первым выходом блока формирования импульсного напряжения 2.
Датчик тока 3, аналого-цифровой преобразователь 4, блок вычисления сопротивления изоляции 5 и индикатор текущего сопротивления изоляции 6 соединены последовательно.
Первый вход датчика тока 3 соединен со вторым выходом блока формирования импульсного напряжения 2, а его второй вход соединен с «землей».
Первые входы модуля памяти 7 и блока вычисления прогнозируемых параметров 8 подключены к выходу блока вычисления сопротивления изоляции 5.
Выход одновибратора периодических импульсов 10 соединен с третьим входом коммутатора 15, с входом мультивибратора 11, со вторыми входами соответственно модуля памяти 7 и блока вычисления прогнозируемых параметров 8.
Выход мультивибратора 11 соединен соответственно с третьими входами модуля памяти 7 и блока вычисления прогнозируемых параметров 8. Четвертый вход блока вычисления прогнозируемых параметров 8 связан с выходом модуля памяти 7, а первый и второй выходы блока вычисления прогнозируемых параметров соединены с первым и вторым входами индикатора влажности и прогнозирования сопротивления изоляции 9.
Первый выход блока формирования импульсного напряжения 2 соединен с силовой цепью электровоза (не показана), при этом второй вход датчика тока 3 соединен с «землей».
При реализации устройства для диагностики состояния изоляции силовых цепей возможно использование в качестве источника напряжения постоянного тока 1 штатного источника напряжения 50 В электровоза, в качестве датчика тока 3 - прецизионного датчика тока CSLW6B200M, в качестве аналого-цифрового преобразователя 4 - 10-разрядный преобразователь типа AD7899, в качестве индикатора текущего состояния сопротивления изоляции 6 и индикатора влажности и прогнозирования сопротивления изоляции 9 - трехразрядных семисегментных индикаторов типа WT5631ASR. Блок вычисления сопротивления изоляции 5 и блок вычисления прогнозируемых параметров 8 реализован программно на базе микропроцессора PIC 18F452. Одновибратором периодических импульсов 10 является микросхема К155АГЗ, мультивибратор 11 выполнен на базе цифровых схем средней степени интеграции.
Устройство работает следующим образом.
В блок формирования импульсного напряжения 2 подается напряжение источника напряжения постоянного тока 1 и на коммутатор 15 этого блока - периодические импульсы, генерируемые одновибратором периодических импульсов 10.
Поступление импульса на коммутатор 15 приводит к размыканию его цепи и формированию испытательного напряжения на выходе блока формирования импульсного напряжения 2.
Таким образом, коммутатор 15 этого блока работает в ключевом режиме, т.е. периодически замыкает и размыкает цепь между точками его подключения.
При замкнутом коммутаторе 15 ток заряда от источника напряжения постоянного тока 1 протекает через индуктивность 12, запасая в ней электромагнитную энергию. Диод 13 при этом отсекает (блокирует) силовую цепь электровоза и не позволяет конденсатору 14 разряжаться через замкнутый коммутатор 15. В этот промежуток времени происходит разряд конденсатора 14 через сопротивление изоляции силовой цепи электровоза. Интенсивность разряда конденсатора 14 контролируется датчиком тока 3 по величине тока утечки.
При разомкнутом коммутаторе 15 возникающая в индуктивности 12 эдс самоиндукции суммируется с напряжением конденсатора 14, заряжая его. При этом напряжение на конденсаторе 14 оказывается больше напряжения источника напряжения постоянного тока 1. Таким образом, рабочий цикл блока формирования импульсного напряжения 2 состоит из двух фаз: фазы накопления энергии в индуктивности 12 и фазы ее отдачи в конденсатор 14, в результате чего формируется периодическое испытательное напряжение.
Полученное испытательное напряжение прикладывается через датчик тока 3 между силовой схемой электровоза и «землей». Возникающий при этом ток утечки через сопротивление изоляции силовой схемы электровоза постоянно контролируется датчиком тока 3.
Периодическое формирование испытательного напряжения исключает подсушивание потрескавшейся изоляции, находящейся в условиях с повышенной влажностью, которые наблюдаются при подаче постоянного испытательного напряжения.
В случае растрескивания изоляции с повышенной влажностью при подаче постоянного испытательного напряжения происходит подсушивание места дефекта. При этом значения тока утечки при подсушивании соответствуют значению тока утечки в исправной изоляции, что искажает информацию об истинном состоянии сопротивления изоляции. Предотвращение подсушивания потрескавшейся изоляции влияет на получение информации об истинном состоянии сопротивления изоляции.
Аналоговый сигнал датчика тока 3 поступает в аналого-цифровой преобразователь 4, где он преобразуется в цифровую форму и подается в блок вычисления сопротивления изоляции 5, в котором по величине тока утечки рассчитывается текущее сопротивление изоляции. Сигнал, соответствующий вычисленному значению сопротивления изоляции, одновременно поступает в индикатор текущего сопротивления изоляции 6, модуль памяти 7 и блок вычисления прогнозируемых параметров 8.
В индикаторе текущего сопротивления изоляции 6 вычисленное значение сопротивления изоляции преобразуется в код, например, семисегментного индикатора. При этом индикатор 6 отображает текущее значение сопротивления изоляции.
В модуль памяти 7 одновременно подаются сигнал, соответствующий вычисленному значению сопротивления изоляции, периодические импульсы, генерируемые одновибратором периодических импульсов 10 и периодические импульсы, генерируемые мультивибратором 11. При этом мультивибратор 11, запускаемый выходным импульсом одновибратора периодических импульсов 10, формирует периодические импульсы в промежутке времени между импульсами одновибратора периодических импульсов 10.
В моменты поступления периодических импульсов одновибратора периодических импульсов 10 в несколько ячеек памяти модуль памяти 7 заносятся текущие значения сопротивления изоляции.
В моменты поступления периодических импульсов мультивибратора 11 в несколько ячеек памяти модуль памяти 7 заносятся текущие значения сопротивления изоляции.
В модуле памяти 7 сохраняются как текущие, так и предыдущие значения сопротивления изоляции.
Полученный массив данных из модуля памяти 7 передается в блок вычисления прогнозируемых параметров 8. В блоке вычисления прогнозируемых параметров 8 методом экстраполяции по текущим значениям сопротивления изоляции, зафиксированными в момент поступления периодических импульсов с одновибратора периодических импульсов 10, рассчитываются прогнозируемые в будущем значения сопротивления изоляции, а также по текущим значениям сопротивления изоляции, зафиксированными в момент поступления периодических импульсов с мультивибратора 11, рассчитывается влажность изоляции по интенсивности изменения сопротивления изоляции на интервале между моментами периодического приложения испытательного напряжения периодических импульсов одновибратора периодических импульсов 10.
Данные, полученные в блоке вычисления прогнозируемых параметров 8, отображаются в соответствующей строке индикатора влажности и прогнозирования сопротивления изоляции 9.
Данные о прогнозном значении сопротивления и влажности изоляции используются для определения времени достижения критического состояния сопротивления изоляции и возможности ее пробоя на землю и, как следствие, для принятия решений по дальнейшей эксплуатации изоляции силовых цепей электровоза.
Таким образом, устройство для диагностики состояния изоляции силовых цепей позволяет непрерывно оценивать текущее сопротивление и увлажнение изоляции силовых цепей, а также прогнозировать ее изменение в будущем, что повышает точность оценки текущего и прогнозного состояния изоляции и определяет время сохранения работоспособного состояния изоляции.