ДАТЧИК ТОКА УТЕЧКИ С ПОВЫШЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ

Область техники, к которой относится полезная модель Полезная модель относится к электроизмерительной технике, и может использоваться для измерения постоянного тока, в том числе в системах контроля изоляции.
Уровень техники
Известен способ измерения и контроля сопротивления изоляции изолированных от земли (корпуса) силовых электрических сетей переменного тока под рабочим напряжением и устройство для его реализации [патент РФ на изобретение №2377581], содержащее источник стабилизированного постоянного напряжения, первый резисторный датчик тока, одним выводом соединенный с общим проводом, первый добавочный резистор, соединенный с первой контролируемой силовой сетью, а вторым выводом соединен со вторым выводом первого резисторного датчика тока и с первым конденсатором фильтра, блок питания, первое устройство сигнализации с первым и вторым светодиодами, блок индикации с переключателем, отличающееся тем, что первый добавочный резистор выбран в k-раз большим по величине, чем величина первого резисторного датчика тока, а источник стабилизированного постоянного напряжения включен между общим проводом и корпусом (землей), кроме того в устройство введены n-й добавочный резистор, соединенный одним выводом с n-й контролируемой электрической сетью, а вторым выводом соединен с первым выводом n-го резисторного датчика тока, а n-й резисторный датчик тока вторым выводом соединен с общим проводом, кроме того n-й резисторный датчик тока первым выводом соединен с n-м конденсатором фильтра, а n-й добавочный резистор по величине k-раз выбран больше, чем величина n-го резисторного датчика тока, кроме того в устройство введено n-ое устройство сигнализации с первым n-м и вторым n-м светодиодами, причем все светодиоды катодами соединены с общим проводом, также в устройство введен блок внешней световой и звуковой сигнализации с обобщенным светодиодом на выходе и с замыкающими контактами звуковой и световой сигнализацией, причем блок внешней сигнализации световой и звуковой сигнализации соединен непосредственно с выходом каждого устройства сигнализации.
К недостатку такого решения можно отнести невозможность контроля сопротивления изоляции для отдельных участков гальванически связанной электрической сети.
Также известен датчик тока утечки [патент РФ на полезную модель №204520], содержащий два магнитопровода с обмотками на них, на каждом из упомянутых магнитопроводов устанавливается по три катушки, одна из которых является входной, две другие являются выходными, причем выходные катушки объединяются в пары, катушки в парах расположены на разных магнитопроводах, одна пара катушек включается встречно, вторая пара катушек включается согласно, а пары катушек включаются встречно, образуя выходную обмотку, в центре каждого из магнитопроводов имеется проем, магнитопроводы расположены  на одной оси, так что их проемы совпадают, и размещены в общем корпусе, выполненном из немагнитного материала, который имеет проем, вписанный внутрь проемов двух магнитопроводов.
Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.
К недостаткам такого решения можно отнести необходимость применения ферромагнитных материалов с высокой относительной магнитной проницаемостью для высокой чувствительности к токам утечки при высоких уровнях сопротивления изоляции, что повышает стоимость датчика тока утечки и ограничивает диапазон его измерений по уровням токов утечки, пропорциональных сопротивлению изоляции.
Раскрытие полезной модели
Из уровня техники известны различные системы контроля изоляции. Они выполняют важную функцию – контроль изоляции, а значит и исправности, электрических сетей и нагрузки. Известно, что сопротивление изоляции – основной параметр, являющийся показателем состояния электрооборудования и кабельных трасс. Для всех электрических сетей есть нормы сопротивления изоляции, нарушать которые не допускается из-за опасности аварийных ситуаций. Все это касается в первую очередь сетей с изолированной от земли нейтралью – например, в судостроении.
Кроме измерений сопротивления изоляции, выполняемых при приеме питания, и выполняемых переносными мегомметрами, осуществляется также непрерывный контроль сопротивления изоляции в процессе эксплуатации, под напряжением. Для этого серийно выпускаются системы контроля под напряжением, суть принципа работы которых заключается в приложении постоянного измерительного напряжения к контролируемому участку сети. Далее, измеряется уровень тока утечки контролируемой сети при помощи, например шунта или балластного сопротивления, включенного в цепь для протекания тока. Падение напряжение на балластном сопротивлении будет пропорционально току утечки и сопротивлению изоляции сети.
Однако все подобные методы, в том числе и в одном из приведенных в материалах заявки прототипов, обеспечиваются измерение гальванически связанного участка сети целиком, не выделяя отдельные потребители.
Количество источников измерительного напряжения должно быть равно количеству гальванически независимых участков сети, либо должен быть коммутатор, обеспечивающий поочередное их прикладывание к разным участкам сети. В случае, если любой из потребителей (фидеров), питаемый от шин главного распределительного щита, оказывается в аварийном состоянии с пониженным сопротивлением изоляции, происходит снижение показаний изоляции во всем гальванически связанном участке. В таком случае персонал должен производить дальнейший поиск места повреждения отключая один за другим фидеры, питающие потребители или участки сети.
Однако, при использовании предлагаемого датчика тока утечки, можно измерять сопротивление изоляции непосредственно на потребителях и/или гальванически связанных участках сети, без их отключения.
На фигуре 1 показан простейший и известный [1] феррозондовый датчик тока утечки. В нем на общем магнитопроводе из ферромагнитного материала расположены три обмотки, одна из которых (вверху на фиг.1) является входной и получает питание напряжением повышенной частоты, а две другие включаются встречно относительно друг друга (т.е. их полярность взаимно-обратная и бифилярна друг к другу). Это приводит к тому, что частота входного сигнала взаимно компенсируется в них, а при пропускании через проем внутри магнитопровода проводника с постоянным током идет намагничивание ферромагнитного материала и искажение петли гистерезиса, что ведет к появлению второй гармоники сигнала, пропорциональной току утечки через него. Однако, для такой конструкции характерен недостаток – обмотки, включенные встречно, будут компенсировать и вторую гармонику сигнала, так как они располагаются на общем магнитопроводе, и их возбуждает один поток. Кроме того, в реальных измерениях сопротивления изоляции требуется контролировать трехфазные сети, с наложением переменного трехфазного тока на постоянный ток утечки.
Для этого предлагается использовать конструкцию, представленную на фигуре 2. Датчик тока утечки выполняется в корпусе, имеющем внутреннюю полость, через которую пропускаются три фазы питающей сети. Сумма токов в симметричной трехфазной сети равна нулю [1] и не участвует в создании намагниченности магнитопровода. На рисунке условно показан путь для тока утечки через проем датчика и на условное место повреждения изоляции на стороне потребителя. Именно этот ток и будет вызывать намагниченность магнитопровода датчика, что дает появление 2 гармоники на выходе [1].
На фигуре 3 показан главный распределительный щит, через который подается питание к потребителям, а также условно показан путь протекания токов утечки к потребителям (пунктиром).
Датчики тока утечки устанавливаются на подключениях, уходящих к потребителям электроэнергии, что позволяет измерить ток утечки отдельно по потребителям – и сразу отображать как их уровень изоляции, так и искать место повреждения, не отключая потребителей от питающей сети.
Для этого предлагается выполнить магнитопровод датчика ток утечки сдвоенным, с двумя ферромагнитными магнитопроводами, с обмотками на каждом из них. В таком случае появляется возможность избежать взаимной компенсации втрой гармоники, и увеличить ее уровень относительно известного из уровня техники феррозондового датчика, показанного на фигуре 1.
Чтобы исключить влияние не симметрии питающей трехфазной сети, предлагается использоваться две пары вторичных (выходных) катушек, как это показано на фигуре 4. В таком случае, пары катушек реализуют удаление разных частот: первая пара катушек, включенных встречно, компенсирует частоту токов питающей трехфазной сети; вторая пара компенсирует частоту напряжения первичных (входных) катушек, то есть первой гармоники. Поскольку, как это показано на фигуре 5, входные катушки на двух магнитопроводах включаются встречно, и включение пары выходных катушек согласно дает компенсацию первой гармоники, поскольку катушки в парах берутся с разных магнитопроводов, и магнитные потоки в них противоположны.
Для питающей трехфазной сети, фазы которой проходят через оба магнитопровода, и намагничивают их одинаково, включение пары выходных катушек встречно дает компенсацию влияния токов питающей сети, устраняя влияние не симметрий на выходной сигнал датчика, в том числе модуляцию по амплитуде его выходного напряжения.
Таким образом, в парах выходных катушек формируется два напряжения – модулированное токами питающей сети напряжение второй гармоники в одной паре катушек, и компенсированное от влияния токов питающей сети в другой паре катушек. Далее, как это показано на фигуре 5, пары катушек включают встречно для вычитания напряжений друг из друга. При этом происходит снижение модуляции выходного напряжения.
Компенсация модуляции реализуется для обеих частот – первой гармоники и частоты питающей сети. Поскольку пары катушек включаются встречно, это дает взаимное вычитание первой гармоники входного сигнала датчика тока утечки и частоты питающей трехфазной сети, в которой осуществляется измерение уровня изоляции. Амплитудная модуляция напряжения одной пары катушек вычитается из амплитудной модуляции другой пары катушек, устраняя обе составляющие выходного сигнала – и по первой гармонике входного сигнала, и по частоте питающей сети. Это позволило выделить вторую гармонику напряжения входной обмотки (входного сигнала датчика) на выходе, что облегчает как сами измерения (снижается количество фильтров и их крутизна среза), также может быть повышена и сама точность измерений и чувствительность. На фигуре 6 и фигуре 7 показана форма выходного напряжения при разных значениях постоянного тока утечки, видно, что уровень второй гармоники зависит от намагниченности магнитопроводов током утечки.
На фигуре 8 показана принципиальная схема предлагаемого решения, где видно наличие установленных катушек с витками для каждой из фаз измеряемой трехфазной сети, через которые протекает измеряемый ток утечки. Используемый в основном прототипе предлагаемого решения способ установки датчика тока утечки непосредственно на шинах трехфазной сети, эквивалентен одному витку первичной обмотки. В таком случае, при наличии двух или более витков происходит увеличение чувствительности датчика, поскольку при том же токе утечки создается больший магнитный поток через магнитопровод [1]. Известно, что обычные электротехнические материалы – например, электротехническая сталь обладает относительной магнитной проницаемостью не более 4000 единиц. Существуют материалы с высокой относительной магнитной проницаемостью в 80 000 единиц и даже более. Однако они стоят дороже и требуют изменения технологии изготовления и сборки датчика токов утечки, как и любого магнитопровода. Использование предлагаемого решения снимает принципиальное ограничение на материал и позволяет изготовлять датчики с высокой чувствительностью к токам утечки из обычной электротехнической стали.
Заявленное решение является простым и промышленно применимым, представляя собой датчик тока утечки.
Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:
на оба магнитопровода совместно для каждой фазы измеряемой трехфазной сети установлено по катушке, имеющей не менее двух витков;
катушки в фазах имеют равное число витков и выполняются сечением на номинальный ток в фазах измеряемой трехфазной сети;
витки в упомянутых катушках имеют электрическую изоляцию.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату – повышению чувствительности к токам утечки.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 изображен простейший феррозондовый датчик. На фигуре 2 изображено предлагаемый датчик тока утечки в месте установки на трехфазных шинах. На фигуре 3 изображен главный распределительный щит с датчиками тока утечки. На фигуре 4 изображены пары вторичных катушек предлагаемого датчика тока утечки. На фигуре 5 изображена схема включения катушек предлагаемого датчика тока утечки. На фигуре 6 изображено выходное напряжение предлагаемого датчика тока утечки при значении тока утечки 1 ампер. На фигуре 7 изображено выходное напряжение предлагаемого датчика тока утечки при значении тока утечки 0.1 А. На фигуре 8 изображена принципиальная схема предлагаемого решения.
Список использованной литературы
Фрумкин А.М. Теоретические основы электротехники: учебное пособие для техникумов. М.: Высшая школа, 1982, 407 с.