Способ контроля сопротивлений изоляции электрической сети постоянного тока и устройство для его осуществления
METHOD FOR CONTROLLING RESISTANCE OF DIRECT CURRENT ELECTRICAL CIRCUIT INSULATION AND DEVICE FOR REALIZATION THEREOF

Группа изобретений относится к электроизмерительной технике и релейной защите изолированных систем электроснабжения, в частности к электробезопасности процесса зарядки тяговых батарей электромобиля.
Известен способ измерения сопротивлений изоляции сети постоянного тока, находящейся под рабочим напряжением, который основан на поочередном измерении напряжений между "землей" и ее полюсами при подключении к ним резистивных элементов (Контроль изоляции в сетях до 1000 в / Е.Ф. Цапенко. - М; Л.: Энергия, 1966., с. 53-55). Сложность манипуляций, существенно разносит во времени и затрудняет процесс измерений, что, в свою очередь, снижает точность и ограничивает возможности оперативного контроля сопротивлений изоляции.
Наиболее близким к изобретению является способ контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока (патент РФ №2281521, МПК G01R 27/18), при котором измеряют напряжения между "землей" и ее полюсами до и после подключения к одному из полюсов электрически управляемого резистивного элемента и вычисляют полное сопротивление изоляции сети. Резистивный элемент представляет собой источник тока, т.е. элемент с большим дифференциальным сопротивлением, за счет чего при изменении напряжения на нем поддерживается постоянное значение его тока, который участвует в вычислении полного сопротивления изоляции. Данный способ подходит для выборочного измерения полного сопротивления изоляции сети и отдельных участков (присоединений) и требует измерения токов, протекающих по этим участкам. Однако он непригоден для оперативного текущего контроля сопротивлений изоляции каждого полюса в рабочем режиме, что требуется по условиям безопасности, например, в станции заряда электромобиля. Кроме того, в известном способе диапазон измерения сопротивления изоляции ограничен рабочим участком резистивного элемента, на котором его дифференциальное сопротивление остается большим, а точность и стабильность зависят от разброса параметров вольтамперной характеристики и внешних факторов, в частности от температуры.
Технический результат изобретения направлен на расширение функциональных возможностей за счет обеспечения текущего контроля в рабочем режиме и повышение точности измерений.
Технический результат изобретения достигается тем, что в способе контроля сопротивлений изоляции электрической сети постоянного тока, при котором измеряют напряжения между ее полюсами и "землей" при подключении измерительных резистивных элементов и вычисляют значения сопротивлений изоляции, резистивные измерительные элементы подключают между каждым полюсом и "землей", в качестве измерительных резистивных элементов используют переключаемые делители напряжения, переключение делителей производят таким образом, чтобы в первом состоянии общее сопротивление первого делителя было меньше, чем второго, а во втором состоянии общее сопротивление первого делителя было больше, чем второго, причем коэффициент деления каждого делителя оставляют неизменным, напряжения между полюсами и "землей" измеряют и в первом состоянии и во втором, а значения сопротивлений изоляции вычисляют по формулам:
,
,
из+
из-
где: R, R - сопротивления изоляции положительного и отрицательного полюсов соответственно,
из+
U1', U1" - напряжение на положительном полюсе относительно "земли" (на R) в первом и во втором состоянии делителей напряжения соответственно,
из-
U2', U2" - напряжение на отрицательном полюсе относительно "земли" (на R) в первом и во втором состоянии делителей напряжения соответственно,
R1, R2, R3 - сопротивления соответствующих резисторов делителей напряжения.
Устройство контроля сопротивлений изоляции электрической сети постоянного тока для осуществления предлагаемого способа содержит первый и второй измерительные резистивные элементы, включенные каждый между соответствующим полюсом сети и "землей", дополнительно введенные аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, при этом резистивные элементы выполнены в виде переключаемых делителей, состоящих из четырех последовательно соединенных резисторов и ключей, управляемых микроконтроллером, входы аналого-цифрового преобразователя соединены с выходами делителей, а выходы с входами микроконтроллера, который осуществляет функцию вычисления значений сопротивлений изоляции и формирования сигналов на последующие устройства защиты и индикации.
На чертеже представлена структурная схема устройства контроля сопротивлений изоляции электрической сети постоянного тока.
Устройство контроля сопротивлений изоляции электрической сети постоянного тока содержит контролируемую сеть постоянного тока 1, первый 2 и второй 3 измерительные резистивные элементы, включенные каждый между соответствующим полюсом сети и "землей". Устройство также содержит аналого-цифровой преобразователь 6 и микроконтроллер 7. Первый 2 и второй 3 измерительные резистивные элементы выполнены в виде переключаемых делителей, состоящих каждый из последовательно соединенных резисторов R1, R2, R3, R4 и первого 4 и второго 5 соответствующих ключей, управляемых микроконтроллером 7.
Входы аналого-цифрового преобразователя 6 соединены с выходами делителей, а выходы с входами микроконтроллера 7, который осуществляет функцию вычисления значений сопротивлений изоляции и формирования сигналов на последующие устройства защиты и индикации.
Способ контроля сопротивлений изоляции электрической сети постоянного тока осуществляется следующим образом.
Первый 4 и второй 5 ключи, управляемые по команде микроконтроллера 7 могут находиться в двух состояниях:
1) Первый ключ 4 замкнут, второй ключ 5 разомкнут;
2) Первый ключ 4 разомкнут, второй ключ 5 замкнут.
При условии, что входной ток аналого-цифрового преобразователя 6 исчезающее мал в сравнении с током делителя, в первом состоянии общее сопротивление первого делителя составляет
R1+R3,
коэффициент деления -
R3/(R1+R3),
а общее сопротивление второго делителя равно
R1+R2+R3+R4
и коэффициент деления -
(R3+R4)/(R1+R2+R4+R3).
Во втором состоянии параметры делителей меняются местами. Сопротивление резистивных элементов и коэффициент деления выбирают исходя из величин напряжения сети и критичных сопротивлений изоляции. При переключениях делителей для повышения точности и сохранения диапазона измерений важно коэффициент деления не изменять, поскольку изменение коэффициента деления, например, в два раза соответствует уменьшению разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя примерно на один двоичный разряд.
Равенство коэффициентов деления
R3/(R1+R3)=(R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)
легко достигается соответствующим выбором соотношений резисторов:
R2/R1=R4/R3=n.
В обоих состояниях с помощью делителей и аналого-цифрового преобразователя проводят измерение напряжений каждого полюса относительно "земли".
В первом (') состоянии напряжения U1 и U2:
U1'=Ua1'⋅(R1+R3)/R3,
U2'=Ua2'⋅(R1+R2+R3+R4)/(R3+R4),
здесь Ua1' и Ua2' - напряжения на выходе первого и второго делителей соответственно.
Во втором (") состоянии аналогично:
U1"=Ua1"⋅(R1+R2+R3+R4)/(R3+R4),
U2"=Ua2"⋅(R1+R3)/R3.
Решение соответствующей системы уравнений:
из+
из-
U1'⋅[1/R+1/(R1+R3)]=U2'⋅[l/R+1/(R1+R2+R3+R4)]
из+
из-
U1"⋅[1/R+1/(R1+R2+R3+R4)]=U2"⋅[1/R+1/(R1+R3)]
R3/(R1+R3)=(R3+R4)/(R1+R2+R3+R4)
дает формулы для расчета сопротивлений изоляции:
,
.
Таким образом, вне зависимости от соотношения сопротивлений изоляции положительного и отрицательного полюсов сети и их изменениях в процессе эксплуатации производится постоянный контроль этих сопротивлений, что расширяет функциональные возможности предлагаемого способа. Оперативного контроля сопротивлений изоляции сети требуют стандарты безопасности различных технологических процессов, например, процесса зарядки тяговых батарей электромобиля.
Поскольку коэффициент деления измерительных элементов в процессе измерений остается неизменным, то разрешающая способность аналого-цифрового преобразователя в любом состоянии ключей сохраняется. Кроме того, стабильность резистивного делителя существенно меньше зависит от внешних факторов, например от температуры окружающей среды, чем источник тока на полупроводниковом элементе. В результате при измерении предлагаемым способом точность повышается.