СПОСОБ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
CONTROL METHOD OF ELECTRICAL RESISTANCE OF INSULATION AND PROTECTIVE DISCONNECTION OF ELECTRICAL EQUIPMENT

Изобретение относится к электроизмерительной технике и релейной защите систем электроснабжения и предназначено для использования в электрических сетях переменного тока, содержащих полупроводниковые выпрямительные установки.
Известны способы контроля электрического сопротивления изоляции и защитного отключения электрооборудования, основанные на измерении тока утечки от вспомогательного источника измерительного напряжения, при которых в контролируемую сеть подают единичный скачок измерительного напряжения постоянного тока, в течение переходного процесса установления измерительного напряжения на импедансе изоляции сети в заданный момент времени от начала этого процесса измеряют и запоминают первое мгновенное значение измерительного напряжения на импедансе изоляции сети, после прерывания процесса заряда емкости сети и запоминания существовавшего при этом на импедансе изоляции мгновенного значения измерительного напряжения в переходном процессе фиксируют второе мгновенное значение измерительного напряжения в переходном процессе разряда емкости сети через время, равное заданному времени заряда емкости сети, и вычисляют сопротивление изоляции (А.с. №1707569 (СССР), МКИ G01R 27/18, 1992 г.; А.с. №1541533 (СССР), МКИ G01R 27/18, 1990 г.).
При реализации известных способов сопротивление изоляции сети определяется путем вычисления по мгновенным значениям падения напряжения на сопротивлении изоляции в определенные моменты времени переходных процессов заряда и разряда емкости сети. При подключениях или отключениях дополнительных участков сети в течение этих переходных процессов происходит искажение результатов измерений и, как следствие, возможны ложные срабатывания защиты.
Следовательно, недостатками известного способа контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети является низкая надежность защиты.
Из известных способов наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанный на измерении тока утечки от вспомогательного источника измерительного напряжения, при котором формируют измерительное напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
1
2
где U(t) - измерительное напряжение; U, U - постоянные напряжения, U>U; τ - временной интервал, T - период питающей электрической сети, τ<T; измеряют ток утечки I в интервале времени T<t≤2T и ток утечки I в интервале 3T<t≤4T путем интегрирования падения напряжения на эталонном сопротивлении за период питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
,
т
1
2
1
2
из
1
1
1
из
2
2
1
2
1
2
где r - внутреннее сопротивление источника, сравнивают полученное значение с двумя уставками R и R, R<R, при r<R повторяют измерения n раз, а при R<r<R повторяют измерения n раз (n≤n), и при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n или n раз производят отключение сети (Патент РФ №2144679, МКИ G01R 27/18, H02H 3/16 - Опубл. 20.01.2000. Бюл. №2).
Способ основан на измерении тока утечки от вспомогательного источника измерительного напряжения в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
и включает измерение тока утечки I в интервале времени T<t≤2T и тока утечки I в интервале 3T<t≤4T путем интегрирования падения напряжения на эталонном сопротивлении за период питающей сети, вычисление сопротивления изоляции по формуле
,
1
2
1
2
из
1
1
1
из
2
2
1
2
сравнение полученного значения с двумя уставками R и R, R<R, при r<R повторение измерений n раз, а при R<r<R повторение измерений n раз и отключение сети при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n или n раз.
1
2
В известном способе для принятия решения об отключении электрооборудования требуется повторение факта снижения сопротивления изоляции n или n раз, поэтому быстродействие зашиты, а следовательно, и надежность являются низкими.
Следовательно, известный способ не обеспечивает высокого быстродействия контроля сопротивления изоляции и надежной защиты электрооборудования.
Таким образом, недостатки известного способа контроля сопротивления изоляции - низкие быстродействие контроля сопротивления изоляции и надежность защиты электрооборудования.
Цель предлагаемого изобретения - повышение быстродействия контроля сопротивления изоляции и надежности защиты электрооборудования.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля электрического сопротивления изоляции и защитного отключения электрооборудования, при котором формируют измерительное напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
1
2
где u(t) - измерительное напряжение; U, U - постоянные напряжения, U>U, τ - временной интервал, T - период питающей электрической сети, τ<T; измеряют ток утечки I в интервале времени T<t≤2T и ток утечки I в интервале 3T<t≤4T путем интегрирования падения напряжения на эталонном сопротивлении за период питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
,
т
0
п
из
п
0
где r - внутреннее сопротивление источника, сравнивают полученное значение с уставкой R, повторяют измерения и в случае недопустимого снижения сопротивления изоляции производят отключение электрооборудования, дополнительно запоминают n последних значений сопротивления изоляции, по этим значениям вычисляют прогнозные значения сопротивления изоляции на текущем интервале измерения r и последующем интервале , сравнивают значения r, r,  с допустимым значением R и
из
0
п
0
- в случае r<R; r<R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
- в случае r<R; r>R производят повторное сравнение на последующем интервале и в случае повторения события r<R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
из
0
п
0
из
0
п
0
из
0
- в случае r>R; r<R;  производят повторное сравнение на последующем интервале и в случае события r<R производят отключение электрооборудования, а при r>R; r<R;  производят третье измерение и при повторении события r>R; r<R;  или при r<R производят отключение электрооборудования.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (операции):
- дополнительно запоминают n последних значений сопротивления изоляции;
п
- по запомненным n последовательным значениям сопротивления изоляции вычисляют прогнозные значения сопротивления изоляции на текущем интервале измерения r и последующем интервале ;
из
п
0
- сравнивают значения r, r,  с допустимым значением R и
из
0
п
0
- в случае r<R; r>R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
- в случае r<R; r>R производят повторное сравнение на последующем интервале и в случае повторения события r<R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
из
0
п
0
из
0
п
0
из
0
- в случае r>R; r<R;  производят повторное сравнение на последующем интервале и в случае события r<R производят отключение электрооборудования, а при r>R; r<R;  производят третье измерение и при повторении события r>R; r<R;  или при r<R производят отключение электрооборудования.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения повышаются быстродействие контроля сопротивления изоляции и надежность защиты электрооборудования. Это обеспечивается совокупностью следующих технических решений, реализуемых в предлагаемом способе:
- запоминанием n последних значений сопротивления изоляции;
п
- вычислением прогнозных значений сопротивления изоляции на текущем интервале измерения r и последующем интервале  по запомненным n последовательным значениям сопротивления изоляции;
из
п
0
- сравнением значений r, r,  с допустимым значением R и в зависимости от результатов сравнения выполнением следующих действий:
из
0
п
0
- в случае r<R; r<R: отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
- в случае r<R; r>R: повторное сравнение на последующем интервале и в случае повторения события r<R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
из
0
п
0
из
0
п
0
из
0
- в случае r>R; r<R; : повторное сравнение на последующем интервале и в случае события r<R производят отключение электрооборудования, а при r>R; r<R;  производят третье измерение и при повторении события r>R; r<R;  или при r<R производят отключение электрооборудования.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области измерительной техники и релейной защиты.
Операции:
- запоминание n последних значений сопротивления изоляции;
п
- по запомненным n последовательным значениям сопротивления изоляции вычисление прогнозных значений сопротивления изоляции на текущем интервале измерения r и последующем интервале ;
из
п
0
- сравнение значений r, r,  с допустимым значением R и
из
0
п
0
- в случае r<R; r<R выполнение отключения электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
- в случае r<R; r>R повторное сравнение на последующем интервале и в случае повторения события r<R отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
из
0
п
0
из
0
п
0
из
0
- в случае r>R; r<R;  повторное сравнение на последующем интервале и в случае события r<R отключение электрооборудования, а при r>R; r<R;  третье измерение и при повторении события r>R; r<R;  или при r<R отключение электрооборудования, в известных способах аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана упрощенная принципиальная схема трехфазной электрической сети, поясняющая способ контроля сопротивления изоляции сети при наличии в сети вентильного преобразователя П, на фиг.2 приведена эквивалентная однолинейная схема электрической сети, на фиг.3 показана диаграмма измерительного напряжения, на фиг.4 приведена диаграмма процесса измерения сопротивления изоляции.
A
B
C
т
т2
т3
и
A
B
C
A
B
C
п1
п2
п1
п2
п
На фиг.1 обозначено: e, e, e - напряжения фаз контролируемой сети; U - напряжение источника тестового сигнала; r, r - сопротивления добавочных резисторов, r - эталонный измерительный резистор; r, r, r - сопротивления изоляции фаз соответственно A, B и C контролируемой сети; C, C, C - емкости фаз A, B и C; П - вентильный преобразователь; r, r - сопротивления изоляции сети постоянного тока (для фидеров, подключенных к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя П); C, C - емкости сети постоянного тока; Z - комплексное сопротивление нагрузки преобразователя; МК - микроконтроллер; КА - коммутационный аппарат.
т
m1
m2,
m3
т
m1
m2,
m3
и
из
п
из
п
0
Напряжение от источника U через звезду добавочных резисторов r, r rпоступает в контролируемую трехфазную сеть. Ток, протекающий в контуре: «источник тестового сигнала» U - добавочные резисторы r, r r - сопротивление изоляции - земля, контролируется по величине падения напряжения на измерительном резисторе r. Величина сопротивления изоляции вычисляется в зависимости от измеренного тока и известного тестового напряжения. Обработка измерительной информации, состоящая в вычислении сопротивления изоляции r, запоминании n последовательных значений сопротивления изоляции, вычислении по этим значениям прогнозных значений сопротивления изоляции на текущем интервале измерения r и последующем интервале ; сравнении r, r и  заданным допустимым значением сопротивления изоляции R и принятии решения о защитном отключении электрооборудования производится с помощью микроконтроллера МК. Коммутационный аппарат КА, управляющий вход которого соединен с выходом микроконтроллера МК, предназначен для отключения защищаемого участка сети.
Э
э
n
п
п
Алгоритм идентификации сопротивления поясняется с помощью эквивалентной однолинейной схемы, показанной на фиг.2, где обозначено: C, r - эквивалентные емкость и сопротивление изоляции контролируемой сети; C, r - эквивалентная емкость и сопротивление изоляции в сети постоянного тока; U - постоянная составляющая напряжения.
т
2
Источник тестового сигнала в течение интервала времени τ<t≤2T формирует постоянное напряжение U=U. В установившемся режиме ток этого источника равен
из
где r - эквивалентное сопротивление изоляции сети, .
т
2
В течение интервала времени 2T+τ<t≤4T источник тестового сигнала формирует напряжение U=U. В этом случае ток источника равен
из
Решение системы уравнений (1) и (2) относительно r дает формулу
п
т
инвариантную относительно величины постоянного напряжения U в предположении U=const в интервале измерения.
т
1
п
и
A
B
C
1
2
и
Форма тестового сигнала показана на фиг.3. Тестовое напряжение представляет собой последовательность разнополярных импульсов специальной формы. В интервале времени 0≤t≤τ напряжение U=U и обеспечивает ускоренный процесс перехода электрической системы в установившееся состояние (форсированный заряд емкостей C и C). Для исключения влияния на результаты измерения переменной составляющей, обусловленной протеканием через измерительный резистор r токов, вызванных источниками e, e, e, измерения токов I и I осуществляются в установившемся режиме путем интегрирования падения напряжения на сопротивлении r за период питающего напряжения.
Алгоритм формирования сигнала аварийного отключения предусматривает:
из
- вычисление значения эквивалентного сопротивления изоляции r;
- запоминание и хранение в памяти контроллера n, например, четырех последних измеренных значений сопротивления изоляции;
п
- прогнозирование (вычисление прогнозных значений) эквивалентного сопротивления изоляции на текущем интервале измерения r и на последующем интервале  измерения;
из
п
0
- сравнение r, r,  с уставкой R (например, 10 кОм), и повторные измерения с целью подтверждения полученного результата. При этом:
из
0
п
0
- в случае r<R; r<R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
- в случае r<R; r>R производят повторное сравнение на последующем интервале и в случае повторения события r<R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
из
0
п
0
из
0
п
0
из
0
- в случае r>R; r<R;  производят повторное сравнение на последующем интервале и в случае события r<R производят отключение электрооборудования, а при r>R; r<R;  производят третье измерение и при повторении события r>R; r<R;  или при r<R производят отключение электрооборудования.
Диаграммы, поясняющие алгоритм работы системы контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрооборудования, показаны на фиг.4.
п
Для определения прогнозных значений r и  может быть использован, например, математический аппарат нечеткой логики (Дьяконов В.П., Круглов В.В. MATLAB 6.5 SP1/7/7 SP1/7 SP2+Simulink 5/6. Инструменты искусственного интеллекта и биоинформатики. - М., Солон-Пресс, 2006, с.243-247).
Время срабатывания защитного отключения после нарушения сопротивления изоляции не превышает 2 тактов измерения.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять контроль сопротивления изоляции и защиту электрической сети и обеспечивает повышенные быстродействие измерений и надежность защиты за счет:
- использования в алгоритме защитного отключения прогнозных значений сопротивления изоляции, вычисляемых на текущем и последующем интервалах измерения;
- повторения измерений в случае несовпадения измеренного и прогнозного значений.
Устройство, реализующее предлагаемый способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, успешно прошло испытания в сети 0,4 кВ в условиях испытательной лаборатории Национального научного центра горного производства - Института горного дела им. А.А. Скочинского (ННЦГП-ИГД им. А.А.Скочинского).
Следовательно, использование в предлагаемом способе контроля электрического сопротивления изоляции и защитного отключения электрооборудования, при котором формируют измерительное напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида
1
2
1
2
1
2
где u(t) - измерительное напряжение; U, U - постоянные напряжения, U>U, τ - временной интервал, T - период питающей электрической сети, τ<T; измеряют ток утечки I в интервале времени T<t≤2T и ток утечки I в интервале 3T<t≤4T путем интегрирования падения напряжения на эталонном сопротивлении за период питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле
,
т
0
п
из
п
0
где r - внутреннее сопротивление источника, сравнивают полученное значение с уставкой R, повторяют измерения и в случае недопустимого снижения сопротивления изоляции производят отключение электрооборудования, дополнительно операций: запоминают n последовательных значений сопротивления изоляции, по этим значениям вычисляют прогнозные значения сопротивления изоляции на текущем интервале измерения r и последующем интервале , сравнивают значения r, r,  с допустимым значением R и:
из
0
п
0
- в случае r<R; r<R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
- в случае r<R; r>R производят повторное сравнение на последующем интервале и в случае повторения события r<R производят отключение электрооборудования;
из
0
п
0
из
0
из
0
п
0
из
0
п
0
из
0
- в случае r>R; r<R;  производят повторное сравнение на последующем интервале и в случае события r<R производят отключение электрооборудования, а при r>R; r<R;  производят третье измерение и при повторении события r>R; r<R;  или при r<R производят отключение электрооборудования, что позволяет повысить быстродействие измерения сопротивления изоляции и надежность защиты.
Использование предлагаемого технического решения в электрических системах различного назначения позволит повысить надежность и безопасность работы электрооборудования.