УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Полезная модель относится к электроизмерительной технике и преимущественно может быть использована для контроля сопротивления изоляции находящихся под рабочим напряжением силовых электрических цепей постоянного тока, в частности, для контроля сопротивления изоляции обмоток размагничивания кораблей.
В процессе размагничивания корпуса корабля для обеспечения пожаро- и электробезопасности необходим непрерывный контроль сопротивления изоляции обмоток размагничивания, который заключается в измерении текущего значения сопротивления обмоток размагничивания относительно корпуса корабля, когда к обмоткам приложено постоянное или медленно меняющееся по величине и полярности рабочее напряжение постоянного тока, а в случае снижения сопротивления изоляции ниже нормы в дополнительном определении места этого нарушения по длине такой достаточно протяженной обмотки размагничивания.
Из современного уровня техники известен значительный ряд устройств, которые обеспечивают измерение сопротивления изоляции протяженных силовых электрических цепей, но, как правило, не позволяют определять место расположения участка электрической цепи, на котором произошло нарушение изоляции.
Среди устройств, обеспечивающих возможность не только измерения сопротивления изоляции электрической цепи, но и определение участка цепи, на котором произошло нарушение изоляции, например, известно устройство для измерения электрических параметров и определения места повреждения кабельных линий (RU 19420 U1, 2001). Указанное известное устройство содержит последовательно соединенные источник испытательного напряжения, блок измерительных цепей с коммутатором, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер с панелью управления и индикатором, причем блок измерительных цепей содержит четыре коммутируемые цепи измерения емкости, электрического сопротивления изоляции, электрического сопротивления шлейфа и утечки тока кабеля.
Указанное известное устройство позволяет измерять сопротивление изоляции электрического кабеля и определять расстояние до участка кабеля, на котором произошло снижение сопротивления изоляции, но не обеспечивает возможности осуществления такого контроля электрических цепей, находящихся под действием рабочего напряжения, а также требует наличия источников напряжений постоянного и переменного тока.
Кроме того, указанное известное устройство характеризуется достаточно значительным временем, необходимым для выполнения измерений.
Известно также устройство, которое позволяет осуществить известный способ определения сопротивления путей утечек тока на землю в электрических системах (RU 2010247 С1, 1994) и которое рассмотрено в описании изобретения к указанному патенту. Как отмечают авторы этого изобретения, указанные способ и устройство могут быть использованы при определении сопротивлений утечек тока через изоляцию на элементах батарей аккумуляторов, химических источников тока, на электролизерах электролизных батарей и, в том числе, для определения сопротивлений утечек тока через изоляцию на витках обмоток размагничивания кораблей.
Упомянутое известное устройство содержит образцовый шунт, первый амперметр, второй амперметр, включенный последовательно с обмоткой размагничивания, вольтметр и блок коммутации, который выполнен и подключен с обеспечением следующих возможностей:
- параллельного подключения вольтметра поочередно к каждому витку обмотки размагничивания;
- поочередного подключения образцового шунта параллельно каждому витку обмотки размагничивания;
- подключения первого амперметра поочередного между одним и другим полюсом источника питания обмотки размагничивания и корпусом.
При функционировании указанного известного устройства первоначально блок коммутации поочередно подключает вольтметр параллельно каждому витку обмотки размагничивания. На основании результатов измерений тока в цепи обмотки размагничивания вторым амперметром и падений напряжения на витках обмотки размагничивания определяют сопротивления каждого витка обмотки размагничивания.
Затем блок коммутации подключает первый амперметр между одним из полюсов источника питания и корпусом. При этом измеряют токи обоими амперметрами. Далее блок коммутации поочередно подключает образцовый шунт параллельно каждому витку обмотки размагничивания. При шунтировании каждого витка измеряют токи обоими амперметрами. Затем блок коммутации подключает первый амперметр между другим полюсом источника питания и корпусом. При этом вновь измеряют токи обоими амперметрами.
Перечисленные результаты измерений и вычислений сводят в систему линейных уравнений, решая которую получают значения сопротивлений изоляции каждого витка обмотки размагничивания относительно корпуса.
Использование указанного известного устройства, например, для определения сопротивлений утечек тока через изоляцию на элементах батарей аккумуляторов, количество которых существенно ограничено, по всей вероятности, не представляет технической сложности. Однако, в случае применения этого устройства для контроля многовитковых и достаточно протяженных обмоток размагничивания кораблей необходимость обеспечения возможности первоначального параллельного подключения вольтметра поочередно к каждому витку обмотки размагничивания и последующего поочередного подключения образцового шунта параллельно каждому витку обмотки размагничивания требует снабжения каждого витка обмотки размагничивания соответствующими выводами, что приводит к существенному усложнению конструкции как устройства-аналога, так и самих обмоток размагничивания, а также к снижению сопротивления изоляции последних. Поэтому использование указанного известного устройства для контроля сопротивления изоляции обмоток размагничивания кораблей нам представляется достаточно проблематичным.
Кроме того, использование последовательно во времени параллельного подключения вольтметра поочередно к каждому витку обмотки размагничивания, поочередного подключения образцового шунта параллельно каждому витку обмотки размагничивания и подключения первого амперметра поочередного между одним и другим полюсом источника питания обмотки размагничивания и корпусом существенно увеличивает время, необходимое для выполнения измерений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для контроля сопротивления изоляции электрической цепи следует считать известное устройство измерения и контроля эквивалентного сопротивления изоляции изолированных от земли силовых электрических сетей постоянного тока под рабочим напряжением (RU 2460080 С1, 2012), которое предназначено для измерения и постоянно действующего контроля сопротивления изоляции электрических сетей постоянного тока на кораблях, судах, шахтах, метрополитене и там, где есть разветвленные отдельные сети постоянного тока.
Указанное известное устройство, являющееся ближайшим аналогом, содержит резистивный шунт, подключенный одним выводом к корпусу, переключающий ключ, включенный между одним из полюсов контролируемой сети и резистивным шунтом, два ключа, включенных последовательно с коммутируемыми цепями переключающего ключа, блок управления и вычисления, блок сигнализации и блок индикации. При этом блок управления и вычисления содержит генератор импульсов, соединенный с управляющим входом переключающего ключа, формирователь импульсов, соединенный с управляющими входами ключей, два блока выборки и хранения аналогового сигнала, подключенные входами к ключам, и последовательно соединенные дифференциальный усилитель, электронный делитель напряжения и умножитель напряжения, выход которого подключен к блоку сигнализации и блоку индикации.
1
2
ИЗ
ИЗ
Ш
1
2
2
Ш
При функционировании известное устройство, являющееся ближайшим аналогом, обеспечивает измерение напряжения U относительно корпуса на одном полюсе контролируемой сети постоянного тока, шунтирование этого же полюса резистивным шунтом по отношению к корпусу, измерение напряжения U на этом полюсе относительно корпуса после шунтирования и завершения переходного процесса, связанного с процессом шунтирования, определение эквивалентного сопротивления изоляции R контролируемой сети в соответствии с зависимостью R=R(U-U)/U, где R - сопротивление резистивного шунта, и отображение полученного значения эквивалентного сопротивления изоляции с помощью блока индикации.
Поскольку при функционировании известного устройства, являющегося ближайшим аналогом, шунтирование осуществляется только одного полюса электрической сети, по сравнению с рассмотренным выше аналогом существенным образом снижается время, необходимое для выполнения измерений.
Однако, устройство, являющееся ближайшим аналогом, не обеспечивает возможности определения места расположения участка электрической цепи, на котором произошло нарушение изоляции.
Использование в устройстве, являющемся ближайшим аналогом, блока управления и вычисления на основе аналоговых вычислительных средств, которым, как известно, свойственен дрейф напряжений и токов, приводит к увеличению погрешности измерений.
Задачами настоящей полезной модели являются расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности определения места расположения участка электрической цепи, на котором произошло нарушение изоляции, повышение точности измерений сопротивления изоляции и расширения арсенала используемых технических средств, применяемых для контроля сопротивления изоляции.
Поставленная задача решена, согласно настоящей полезной модели, тем, что устройство для контроля сопротивления изоляции электрической цепи, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, переключающий ключ, шунт, вычислительный блок, управляющий выход которого подключен к управляющему входу переключающего ключа, и блок индикации, подключенный к информационному выходу вычислительного блока, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено датчиком тока, включенным последовательно с шунтом и коммутируемой цепью переключающего ключа и присоединенным к вычислительному блоку, а вычислительный блок выполнен на основе контроллера с аналого-цифровым преобразователем.
При этом датчик тока выполнен на основе измерительного преобразователя малых токов типа ДМТ, снабженного нагрузочным резистором и амплитудным детектором на основе выпрямителя.
При наилучшем осуществлении настоящей полезной модели устройство снабжено последовательно соединенными дополнительным шунтом и дополнительным ключом, подключенными параллельно шунту, а управляющий вход дополнительного ключа подключен к дополнительному управляющему выходу вычислительного блока.
Снабжение устройства для контроля сопротивления изоляции электрической цепи датчиком тока, включенным последовательно с шунтом и коммутируемой цепью переключающего ключа и присоединенным к вычислительному блоку, обеспечивает возможность, как будет показано ниже, не только измерения сопротивления изоляции находящейся под рабочим напряжением силовой электрической цепи постоянного тока, но и определения места расположения участка электрической цепи, на котором произошло нарушение изоляции, что приводит к расширению функциональных возможностей устройства.
Выполнение вычислительного блока на основе контроллера с аналого-цифровым преобразователем, а не на основе, как в ближайшем аналоге, аналоговых вычислительных средств, которым свойственен дрейф напряжений и токов, обеспечивает повышение точности измерений сопротивления изоляции.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированных выше задач настоящей полезной модели благодаря наличию у устройства для контроля сопротивления изоляции электрической цепи перечисленных выше отличительных признаков.
На чертеже показана структурная схема заявляемого устройства для контроля сопротивления изоляции электрической цепи, где 1 - датчик тока, 2 - шунт, 3 -дополнительный шунт, 4 - переключающий ключ, 5 - дополнительный ключ, 6 - аналого-цифровой преобразователь, 7 - контроллер, 8 - блок индикации, 9 - первый полюс контролируемой сети, 10 - второй полюс контролируемой сети, 11 - сопротивление изоляции первого полюса, 12 - сопротивление изоляции второго полюса, 13 - емкость первого полюса относительно корпуса и 14 - емкость второго полюса относительно корпуса.
Устройство для контроля сопротивления изоляции электрической цепи содержит последовательно соединенные шунт 2, датчик 1 тока и переключающий ключ 4, один из выводов которого выполнен с возможностью присоединения к первому полюсу 9 контролируемой сети, а второй - к корпусу. Нижний вывод (по расположению на чертеже) шунта 2 выполнен с возможностью присоединения ко второму полюсу 10 контролируемой сети. Устройство также содержит последовательно соединенные дополнительный шунт 3 и дополнительный ключ 5, которые подключены параллельно шунту 2. Кроме того, устройство содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 6, контроллер 7 и блок 8 индикации, выполненный с возможностью цифровой индикации результатов вычислений. В качестве аналого-цифрового преобразователя 6 и контроллера 7, образующих вычислительный блок, например, может быть использована микросхема 1986BE91T. Информационный вход контроллера 7 через аналого-цифровой преобразователь 6 соединен с выходом датчика 1 тока, а его управляющие выходы - с управляющими входами переключающего ключа 4 и дополнительного ключа 5. Датчик 1 тока выполнен на основе измерительного преобразователя малых токов типа ДМТ (производство ФГУП «Научно-исследовательский институт электромеханики», г. Истра Московской области), который содержит замкнутый магнитопровод с зазором, в котором установлен датчик Холла. На магнитопроводе установлены входная и компенсационная обмотки. Ток через компенсационную обмотку является также выходным током измерительного преобразователя малых токов, используемого в составе датчика 1 тока, что, с одной стороны, требует снабжения его нагрузочным резистором (на чертеже не показан), но, с другой стороны, обеспечивает гальваническую развязку между входной и выходной цепями датчика 1 тока, способствующую повышению пожаро- и электробезопасности. Для обеспечения возможности функционирования заявляемого устройства при изменяющейся полярности рабочего напряжения на полюсах контролируемой сети датчик 1 тока снабжен амплитудным детектором на основе выпрямителя (на чертеже не показан), включенным в выходную цепь измерительного преобразователя малых токов. Сопротивление входной обмотки измерительного преобразователя малых токов датчика 1 тока много меньше сопротивлений шунта 2 и дополнительного шунта 3.
Устройство для контроля сопротивления изоляции электрической цепи подключают к контролируемой электрической цепи согласно схеме, приведенной на чертеже.
C
Когда образующие последовательную цепь шунт 2, датчик 1 тока и переключающий ключ 4 подключены между первым и вторым полюсами 9 и 10 контролируемой сети, через них протекает ток, а на нагрузочном резисторе измерительного преобразователя малых токов датчика 1 тока создается пропорциональное этому току падение напряжения, поступающее после амплитудного детектирования амплитудным детектором и преобразования аналого-цифровым преобразователем 6 в контроллер 7. Поскольку сопротивление входной обмотки измерительного преобразователя малых токов датчика 1 тока много меньше сопротивления шунта 2, на шунте 2 падает практически все напряжение, действующее между первым и вторым полюсами 9 и 10 контролируемой сети. С учетом известных номинальных значений сопротивления нагрузочного резистора, коэффициента передачи датчика 1 тока и сопротивления шунта 2 контроллер 7 вычисляет и заносит в запоминающее устройство значение падения напряжения на шунте 2, которое в этом случае оказывается практически равным мгновенному значению постоянного или медленно меняющегося напряжения U между первым и вторым полюсами 9 и 10 контролируемой сети.
ПН
Затем по управляющему сигналу с контроллера 7 переключается переключающий ключ 4, подключая датчик 1 тока к корпусу и, тем самым, шунтируя на корпус шунтом 2 второй полюс 10 контролируемой сети. В результате этого переключения напряжение на шунте 2 скачком уменьшится практически до значения напряжения между вторым полюсом 10 контролируемой сети и корпусом. По аналогии с рассмотренным выше, на основании сигнала, поступившего с датчика 1 тока, и с учетом известных номинальных значений сопротивления нагрузочного резистора, коэффициента передачи датчика 1 тока и сопротивления шунта 2 контроллер 7 вычисляет и заносит в запоминающее устройство значение падения напряжения на шунте 2, практически равное мгновенному значению постоянного или медленно меняющегося напряжения U между вторым полюсом 10 контролируемой сети и корпусом в момент переключения переключающего ключа 4.
ПК
После указанного переключения происходит разряд емкости 14 второго полюса относительно корпуса, в результате чего падение напряжения на шунте начинает уменьшаться. По аналогии с рассмотренным выше, на основании сигнала, поступившего с датчика 1 тока, и с учетом известных номинальных значений сопротивления нагрузочного резистора, коэффициента передачи датчика 1 тока и сопротивления шунта 2 контроллер 7 продолжает вычислять с заданной дискретностью текущие значения уменьшающегося падения напряжения на шунте 2, вычислять разности между каждыми двумя соседними значениями падения напряжения на шунте 2 и сравнивать текущее значение этой разности с заданным значением. Когда указанная разность станет меньше заданного значения, что свидетельствует об окончании переходного процесса разряда емкости 14 второго полюса относительно корпуса, контроллер 7 заносит в запоминающее устройство значение падения напряжения на шунте 2, практически равное мгновенному значению постоянного или медленно меняющегося напряжения U между вторым полюсом 10 контролируемой сети и корпусом при окончании переходного процесса.
ПК
ПК
В случае, когда в конце переходного процесса напряжение U между вторым полюсом 10 контролируемой сети и корпусом оказывается слишком малым для используемого датчика 1 тока, что может привести к существенному увеличению погрешности измерений, по управляющему сигналу с контроллера 7 замыкается дополнительный ключ 5, подключающий параллельно шунту 2 дополнительный шунт 3, чем обеспечивается повышение точности измерений из-за изменения пределов измерения. В момент замыкания дополнительного ключа 5, из-за наличия в цепи емкостей 13 и 14 первого и второго полюсов относительно корпуса, напряжение на которых не может мгновенно измениться, ток через датчик тока 1 и параллельно соединенные шунт 2 и дополнительный шунт 3 скачком увеличивается, следовательно, и напряжение на выходе датчика 1 тока скачком увеличивается. Контроллер 7 аналогичным образом на основании возросшего сигнала, поступившего с датчика 1 тока, с учетом общего сопротивления параллельно соединенных шунта 2 и дополнительного шунта 3 вычисляет новое значение напряжения U между вторым полюсом 10 контролируемой сети и корпусом, которое в дальнейшем используется для вычислений.
Далее контроллер 7 вычисляет следующие значения:
ИЗ1
Ш
С
ПН
ПК
ПК
С
ПН
Ш
ПК
ПК
- значение сопротивления изоляции первого полюса 9 электрической сети относительно корпуса в соответствии с выражением: R=RU(UU-U)/U/(U-U). где R - сопротивление шунта 2, если значение напряжения U было получено при разомкнутом дополнительном ключе 5, или общее сопротивление параллельно соединенных шунта 2 и дополнительного шунта 3, если значение напряжения U было получено при замкнутом дополнительном ключе 5;
ИЗ2
Ш
С
ПН
ПК
ПК
ПН
- значение сопротивления изоляции второго полюса 10 электрической сети относительно корпуса в соответствии с выражением: R=RU(U-U)/U/U;
ЭКВ
ИЗ1
ИЗ2
ИЗ1
ИЗ2
Ш
ПН
ПК
ПК
- эквивалентное сопротивление изоляции электрической сети относительно корпуса в соответствии с зависимостью: R=RR/(R+R)=R(U-U)/U.
1
1
ПН
С
Полученные значения сопротивления изоляции контроллер 7 сравнивает с заданными допустимыми значениями. В случае, когда полученные значения оказываются меньше заданных допустимых значений, что свидетельствует о нарушении изоляции, для определения места нарушения изоляции контроллер 7 вычисляет длину L участка контролируемой электрической сети от места ее присоединения к первому полюсу 9 контролируемой сети до места повреждения изоляции согласно выражения: L=LU/U где L - длина электрической сети, например, обмотки размагничивания корабля.
Полученные значения поступают из контроллера 7 в блок 8 индикации, который отображает эти значения оператору.
Таким образом, полезная модель обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности определения места расположения участка электрической цепи, на котором произошло нарушение изоляции, повышение точности измерений сопротивления изоляции и расширения арсенала используемых средств, применяемых для контроля сопротивления изоляции.