СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИИ Российский патент 1994 года по МПК G01R31/02 G01R31/08 

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к способам измерения общей проводимости изоляции фаз и полюсов относительно земли в действующих электроустановках с токоведующими частями, изолированными от земли. Предлагаемый способ предназначен для использования, в основном, в шахтах.

Известны способы измерения проводимости (сопротивления) изоляции токоведущих частей относительно земли, основанные, во-первых, на измерении тока вспомогательного источника, включенного между токоведущими частями и землей, и, во-вторых, на измерении собственных токов контролируемой системы.

Наиболее широкое применение получило использование измерительного постоянного тока в электроустановках переменного тока (см.Колосюк В.П., Шурин Э. С. , Чупика А.Н. Безопасная эксплуатация шахтных электроустановок. Киев, Техника, 1980, с. 14,15), а в комбинированных системах, состоящих из соединенных между собой с помощью выпрямителя участка переменного тока частотой 50 Гц и участка выпрямленного (постоянного) тока, - тока нестандартной частоты, например, 25 Гц.

Недостатком способа является несоответствие измеренного сопротивления изоляции тому сопротивлению, которое она оказывает рабочему току, так как частоты измерительного и рабочего токов не совпадают. Помимо того, на результаты измерений (показания килоомметра) влияют колебания напряжения сети. В системах с тиристорными преобразователями результат измерения зависит еще и от режима работы такого преобразователя. С помощью устройств, предназначенных для работы в системах с тиристорными преобразователями (см. а.с. N 1372445, кл. Н 02 Н 3/17), удается лишь снизить уровень помех, влияющих на показания килоомметра, но не полностью их устранить.

В качестве прототипа выбран способ измерения сопротивления изоляции в электрических сетях с изолированной нейтралью (а.с. N 250301, кл. G 01 R). Способ основан на том, что в промежуток между нейтральной точкой системы и землей подают последовательно от постороннего источника два значения электродвижущейся силы, отличающиеся по модулю, и каждый раз измеряют модуль напряжения на указанном промежутке (модуль напряжения смещения нейтрали) и модуль тока в цепи упомянутого источника и по отношению изменений измеряемых величин судят об искомом сопротивлении.

Недостатком этого способа является влияние на результаты измерений не только колебаний напряжения сети и помех, возникающих при работе тиристорного преобразователя, но и то, что измеряемые как напряжения, так и токи практически всегда будут сдвинуты по фазе, и это несмотря на то, что вводимые электродвижущие силы отличаются лишь по модулю.

Помимо того, все упомянутые способы не позволяют определить составляющие измеряемого сопротивления (проводимости) и судить об его асимметрии.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что в способе измерения параметров изоляции, основанном на измерении напряжения смещения нейтрали, вводят и выводят электродвижущую силу вспомогательного источника и измеряют вектор упомянутого напряжения и модуль фазного напряжения как при введенной, так и при выведенной электродвижущей силе такого источника, а искомые параметры определяют по формулам
Y = Y,
K_N= K, где Y - общая проводимость изоляции токоведущих частей относительно земли;
Y_Е - проводимость вспомогательной цепи, предварительно включенной между токоведущими частями и землей;
K_E, K_NE, K_NY - относительные напряжения, равные
K_E= , K_NE= , K_NY = ;
- электродвижущая сила источника, являющегося элементом вспомогательной цепи;
, - напряжение смещения нейтрали соответственно при введенной и выделенной электродвижущей силе ;
U_ФЕ, U_ФУ - значения модуля фазного напряжения во время измерения соответственно напряжений , ;
K_N - относительное напряжение смещения нейтрали в состоянии, когда вспомогательная цепь отсутствует.

Изложенное далее, за исключением специально оговоренных случаев, в одинаковой степени относится как к системам постоянного и переменного токов, так и к комбинированным системам. При этом напряжения и токи в случае переменного тока - векторные величины, которые как и проводимость описываются комплексными числами, а в случае постоянного тока - скалярные, описываемые действительными числами. Поскольку скалярная величина является частным случаев векторной, а действительное число - частным случаем комплексного, везде, кроме случая, относящегося только к постоянному току, для обозначения напряжения, тока и проводимости используют и Y. Помимо того, говоря о фазе, подразумевают и полюс, и зажим аккумулятора, и другие подобные элементы. Зажимы, соединенные перемычками (проводниками), рассматриваются как один зажим.

Напряжение смещения нейтрали , т.е. средней (нулевой) естественной либо искусственной точки системы, определяется формулой
= , (1) где - напряжение i-той фазы относительно средней точки системы, причем для средней точки i равно нулю;
Y_i - проводимость i-той фазы относительно земли;
Y - общая проводимость токоведущих частей относительно земли, равная
Y = Y_i; (2) где n - число фаз системы.

Если включить между землей и нейтралью, т.е. средней (нулевой) естественной либо искусственной точкой системы, вспомогательный источник, то в состоянии, когда электродвижущая сила последнего равна нулю, напряжение смещения нейтрали равно:
= , (3) где Y_E - проводимость вспомогательной цепи, т.е. цепи, содержащей вспомогательный источник и включенной между нейтралью и землей.

Если ввести во вспомогательную цепь электродвижущую силу , то это приведет к изменению напряжения смещения нейтрали с на :
= . (4)
Вследствие колебаний напряжение сети при измерении может отличаться от того, каким оно было при измерении . Поэтому те значения напряжения , которые оно имело при измерении напряжения , обозначены одним штрихом, а те значения, которые оно имело при измерении , - двумя штрихами. Что касается проводимостей, то предполагается, что они остаются без изменений.

Перейдя в (1), (3) и (4) от напряжений к их относительным значениям, получают:
K_N = , (5)
K_NY = , (6)
K_NE = , (7) где K_N, K_NY, K_NE, K_E, K_i, K_i^'и K_i^'' - отношения напряжений , , , , , и к модулю фазного напряжения соответственно U_Ф, U_ФУ и U_ФЕ (в системах постоянного тока в качестве аналога фазного напряжения обычно используют половину напряжения между полюсами).

Вычитая (6) из (7), учитывая, что K_i не зависит от напряжения сети, т. е. что
K_i = K_i^' = K_i^'' и произведя соответствующие преобразования получают:
Y = Y. (8)
Помимо того, подставляя в (6) Σ K_iY_i из (5) и Y из (8), находят:
K_N= K, (9) где K_N - относительное напряжение смещения нейтрали в состоянии, когда вспомогательная цепь отсутствует (величина, характеризующая асимметрию проводимости изоляции токоведущих частей относительно земли).

В выражениях для общей проводимости токоведующих частей относительно земли (8) и относительного напряжения смещения нейтрали (9) нет величин, зависящих от напряжения сети. Это практически полностью исключает влияние на результаты измерений колебаний напряжения сети и уменьшает их зависимость от формы напряжения рабочего тока (от помех, создаваемых тиристорным преобразователем).

Для двухпроводной сети имеется возможность найти еще и проводимость каждой фазы. Использовав (5) и (2) и то, что в такой сети K₁ = 1 и K₂ = -1, получают:
Y₁= Y,
Y₂= Y.

Для реализации предложенного способа предварительно включают между средней (нулевой) точки контролируемой электроустановки и землей вспомогательный источник тока. После такой подготовки переходят к самим измерениям. Для этого выводят электродвижущую силу вспомогательного источника (сообщают значение, равное нулю) и вводят ее (сообщают значение отличное от нуля). Помимо того, как при выведенной, так и при введенной электродвижущей силе такого источника измеряют напряжение между нулевой точкой и землей. В зависимости от решаемой задачи в качестве вспомогательного используют источник постоянного или переменного тока. При отсутствии вывода от средней точки используют искусственную нулевую точку, получаемую посредством звезды из одинаковых проводимостей. Сами измерения выполняют вольтметром, который включают между естественной или искусственной нулевой точкой и землей. Измеряемая при этом величина является напряжением смещения нейтрали. Для измерения составляющих такого напряжения используют фазочувствительный прибор. Для повышения точности измерений искусственную нулевую точку создают отдельно и для вспомогательного источника для вольтметра.

Одновременно с измерением напряжения смещения нейтрали измеряют и модуль фазного напряжения. Для этого вольтметр одним зажимом присоединяют к нулевой точке, а вторым - к одной из фаз. В соответствии с другим вариантом вольтметр присоединяют к двум фазам, а полученную величину в случае трехфазной системы делят на , а в случае системы постоянного тока делят на 2.

Такие операции, как введение и выведение электродвижущей силы вспомогательного источника, могут быть реализованы следующим образом. В качестве вспомогательного источника берут трансформатор (в случае постоянного тока - выпрямитель, например, мост из четырех диодов, питающийся от трансформатора), вторичную обмотку которого (выход выпрямителя) включают между нулевой точкой, естественной или искусственной, и землей, а его первичную обмотку периодически подключают к источнику питания и отключают. В случае постоянного тока у моста меняют местами зажимы постоянного и переменного токов. В результате, когда трансформатор отключен от источника питания, электродвижущая сила вспомогательного источника равна нулю, но проводимость его цепи Y_E введена между токоведущими частями и землей. Тогда же, когда трансформатор подключен к источнику питания, электродвижущая сила вспомогательного источника равна . Что касается проводимости его цепи, то она при этом практически не изменяется, тем более, что в ней имеются токоограничивающие элементы, которые как второстепенные, ранее не упоминались.

Вместо приведенных операций для выведения и введения электродвижущей силы вспомогательного источника можно воспользоваться такими операциями, как замыкание и размыкание его выходных зажимов. После того, для измерения напряжения смещения нейтрали вместо приведенного можно применить косвенный метод, который позволяет применить более простые, удобные и точные приборы.

Например, в случае симметричной трехфазной системы вольтметром с очень большим сопротивлением (сравнительно с общим сопротивлением токоведущих частей относительно земли) измеряют модули напряжений U_A, U_B, U_C между фазами А, В, С и землей и модуль фазного напряжения U_Ф. Для измерения модулей напряжения фаз относительно земли U_A, U_B,U_C прибор с одним зажимом присоединяют к земле, а вторым - к соответствующей фазе. Что касается модуля фазного напряжения, то для его измерения используют любой из выше приведенных вариантов. Указанное позволяет найти вектор напряжения смещения нейтрали:
= - + j.

В случае электроустановки постоянного тока высокоомным вольтметром измеряют напряжение U₊ между положительным полюсом и землей и U_- между отрицательным полюсом и землей, что позволяет найти напряжение земли относительно средней точки источника рабочего тока:
U_N= (U_-- U₊).

Используя результаты измерений вектора напряжения смещения нейтрали и модуля фазного напряжения в двух состояниях системы, вычисляют искомые параметры изоляции:
Y = Y,
K_N = K, где Y - общая проводимость изоляции токоведущих частей относительно земли;
Y_E - проводимость вспомогательной цепи, включенной между токоведущими частями и землей;
K_E, K_NY, K_NE - относительные напряжения, равные:
K_E= , K_NE= , K_NY = ;
- электродвижущая сила источника, являющегося элементом вспомогательной цепи;
, - напряжение смещения нейтрали соответственно при введенной и выведенной электродвижущей силе ;
U_ФЕ, U_ФУ - значение модуля фазного напряжения во время измерения соответственно напряжения , ;
K_N - относительное напряжение смещения нейтрали в состоянии, когда вспомогательная цепь отсутствует.

Приведенные формулы параметров изоляции справедливы для любых систем независимо от частоты тока и числа фаз.

В двухпроводных системах в соответствии с настоящим способом измеряют еще и проводимость изоляции каждой из фаз относительно земли:
Y₁= Y,
Y₂= Y, где Y₁ и Y₂ - проводимость изоляции первой и второй фаз относительно земли.

На фиг. 1 приведена схема, поясняющая реализацию настоящего способа. В ней в качестве вспомогательного источника использован источник переменного тока.

На фиг.2 приведена часть схемы, относящаяся к вспомогательному источнику для варианта, в котором использован источник постоянного тока.

На схемах изображены: 1 - вторичная обмотка трансформатора, являющегося источником энергии контролируемой системы; 2,3 и 4 - проводимости изоляции фаз 5,6 и 7 относительно земли; 9 - преобразователь (выпрямитель); 10 и 11 - проводимости изоляции полюсов 12 и 13 относительно земли 8; 14 - потребитель энергии; 15 - вспомогательный трансформатор; 16 - выключатель, которым трансформатор 15 подключают и отключают от источника 1 питания; 17,18 и 19 - элементы, например резисторы, образующие фильтр, посредством которого вспомогательный источник подсоединяют к контролируемой системе; 20 - дополнительное сопротивление цепи вспомогательного источника; 21 - фазочувствительный вольтметр, которым измеряют вектор напряжения средней точки токоведущих частей относительно земли (изображен упрощенно); 22,23 и 24 - элементы, образующие фильтр присоединения вольтметра 21; 25 - вольтметр, которым измеряют модуль фазного напряжения; 26 - вольтметр, которым измеряют напряжение на выходных зажимах преобразователя 9; 27 - выключатель, которым замыкают и размыкают выходные зажимы вспомогательного источника; 28 - ограничительный резистор; 29 - выпрямитель; 30 - переключатель, через который выпрямитель 29 подключают к выходу трансформатора 15; 31 - переключатель, через который выпрямитель 29 подсоединяют между токоведущими частями контролируемой системы и землей.

Если решают задачу по измерению активной и реактивной составляющей проводимостей изоляции, то в качестве вспомогательного источника используют вторичную обмотку трансформатора 15, как это показано на фиг.1. Если же решают задачу по измерению проводимости сквозному току, то используют выпрямитель 29, как это показано на фиг.2. Проводимость вспомогательной цепи определяется параллельно соединенными элементами 17, 18 и 19 и присоединенным к ним последовательно элементом 20. Сопротивление фильтра присоединения, образованного элементами 22,23 и 24, должно быть значительно меньше сопротивления вольтметра 21. Если не удается обеспечить требование о том, что проводимость вольтметра 21 должны быть значительно меньше измеряемой проводимости, необходимо из величины, получаемой по формуле (8), вычесть проводимость вольтметра (его цепи). Вспомогательный источник и вольтметр, которым измеряют напряжение смещения нейтрали, можно присоединять не только к входу и выходу преобразователя 9, как это показано на фиг.1, а либо только к входу, либо только к выходу. Это несколько упростит фильтры присоединения, но приведет к возрастанию через источник и вольтметр токов, возникающих при работе преобразователя. Однако влияние таких токов не является существенным. При этом прохождение тока вспомогательного источника через преобразователь в режиме, когда его тиристоры заперты, обеспечивается в зависимости от рода тока либо имеющимися в преобразователе RC-цепочками, либо специально вводимыми в него резисторами.

Измерения проводят следующим образом.

Размыкают выключатель 16, либо замыкают выключатель 27, т.е. выводят электродвижущую силу из вспомогательной цепи. Затем вольтметром 21 измеряют вектор напряжения смещения нейтрали , а вольтметром 25 - модуль фазного напряжения U_ФY. После этого соответственно либо замыкают выключатель 16, либо размыкают выключатель 27, т.е. вводят электродвижущую силу , и вольтметром 21 измеряют вектор напряжения , а вольтметром 25 - модуль напряжения U_ФЕ. Используя результаты измерений и уже приведенные формулы, находят искомые параметры изоляции. Если измеренная проводимость не превышает значения, требующего принятия особых мер, например, снятия рабочего напряжения, и при необходимости продолжить измерения, схему приводят в первоначальном состояние и далее действуют аналогично описанному. Если процесс ведется непрерывно, то указанные операции выполняют периодически.

Если в качестве вспомогательного источника используют выпрямитель 29 (фиг. 2), то вводят и выводят его электродвижущую силу теми же выключателями: или 16, или 27. При этом, если манипулируют выключателем 16 (выключатель 27 все время разомкнут), то когда замыкают этот выключатель, еще и переводят переключатели 30 и 31 (фиг.2) в нижнее положение, а когда размыкают, то переводят их в верхнее положение. Если же электродвижущую силу вводят и выводят посредством выключателя 27 (выключатель 16 все время замкнут), то переключатели 30 и 31 на все время переводят в нижнее положение. Если необходимо исключить влияние емкости сети относительно земли на результаты измерений постоянным током, то после того, как вводят или выводят электродвижущую силу вспомогательного источника, и перед тем, как измеряют напряжение, делают соответствующую выдержку времени.

Если на месте преобразователя 9 в контролируемой электроустановке стоит не выпрямитель, а регулятор напряжения или преобразователь частоты, то фильтры присоединения вспомогательного источника и вольтметра для подсоединения к выходу преобразователя должны иметь не по два луча, а по три. Все остальное остается без изменений.

Когда у контролируемой электроустановки отсутствует сторона переменного тока или ее проводимостью на землю можно пренебречь, то при необходимости измеряют еще и проводимость изоляции каждого полюса относительно земли.

При измерении с целью оценки токов с токоведущих частей на землю в качестве вспомогательного тока используют ток той же частоты, что и рабочий ток. При измерении с целью оценки состояния изоляции токоведущих частей относительно земли в зависимости от решаемой задачи он может и совпадать, и не совпадать с рабочим током по частоте.

Для уменьшения влияния измерительной схемы на токи с токоведущих частей на землю необходимо уменьшить модули проводимости вспомогательной цепи и электродвижущей силы вспомогательного источника. Однако чрезмерное уменьшение такого влияния приведет к неоправданному снижению точности измерений.

Предложенное техническое решение может быть использовано при проведении научных исследований, а также при разработке аппаратов защиты от поражения электротоком.

Использование настоящего технического решения позволит при обследовании электроустановок повысить точность измерения параметров изоляции. Использование этого решения при разработке аппаратов защиты позволит повысить надежность электроснабжения потребителей и безопасность эксплуатации электроустановок.

Использование: изобретение позволяет измерить параметры изоляции в действующих электроустановках с токоведущими частями, изолированными от земли. Сущность изобретения: измерение параметров производят путем измерения вектора напряжения смещения нейтрали и модуля фазного напряжения в двух состояниях системы и последующих вычислений по соответствующим формулам. Состояния получают введением и выведением электродвижущей силы во вспомогательную цепь, предварительно включенную между токоведущими частями и землей. 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИИ, основанный на измерении напряжения смещения нейтрали, отличающийся тем, что вводят и выводят электродвижущую силу вспомогательного источника и измеряют вектор упомянутого напряжения и модуль фазного напряжения как при введенной, так и при выведенной электродвижущей силе указанного источника, а искомые параметры определяют по формулам
Y = Y ,,
K_N= K ,,
где Y - общая проводимость изоляции токоведущих частей относительно земли;
Y_Е - проводимость вспомогательной цепи, предварительно включенной между токоведущими частями и землей;
K_Е, K_NЕ, K_NY - относительные напряжения, равные:
K_E= ,,
K_NE= ,,
K_NY = ,,
- электродвижущая сила источника, являющегося элементом вспомогательной цепи;
, - напряжение смещения нейтрали соответственно при введенной и выведенной электродвижущей силе E;
U_ФЕ, U_ФY - значения модуля фазного напряжения во время измерения соответственно напряжений;
K_N - относительное напряжение смещения нейтрали в состоянии, когда вспомогательная цепь отсутствует.