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 токоведущими частями, изолированными от земли. Предлагаемый способ предзназначен 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. К.: 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 (см. там же, с. 70).

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. Очень важно то, что 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. авт. св. N 1372445, кл. Н 02 Н 3/17), удается лишь снизить уровень помех, влияющих на показания килоомметра, но не полностью их устранить.

Известен способ измерения сопротивления изоляции в электрических сетях с изолированной нейтралью (см. авт. св. N 250301, кл. G 01 R 31/02, 1967), который основан на том, что в промежуток между нейтральной точкой системы и землей подают последовательно от постороннего источника два значения электродвижущей силы, отличающиеся по модулю, и каждый раз измеряют модуль напряжения на указанном промежутке (модуль напряжения смещения нейтрали) и модуль тока в цепи указанного 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 того, что измеряемые как напряжения, так и токи практически всегда будут сдвинуты по фазе, несмотря на то, что вводимые электродвижущие силы отличаются лишь по модулю.

Кроме того, все указанные способы не позволяют определить составляющие измеряемого сопротивления (проводимости) и судить о его асимметрии.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Это достигается тем, что при способе измерения параметров изоляции, основанном на измерении напряжения смещения нейтрали, переключают и возвращают в исходное положение зажимы вспомогательного источника и измеряют вектор упомянутого напряжения и модуль фазного напряжения как при исходном, так и при переключенном положениях зажимов указанного источника, а искомые параметры определяют по формулам
Y = Y_E,
K_N = K_E, где Y - общая проводимость изоляции токоведущих частей относительно земли;
Y_E - проводимость цепи вспомогательного источника, предварительно включенного между токоведущими частями и землей;
К_NE, K_NЕФ - относительные напряжения, равные
K_NE = ; K_NEФ = ;
, - напряжение смещения нейт- рали соответственно при исходном положении зажимов вспомогательного источника и после их переключения;
U_ф^I, U_ф^II - значение модуля фазного напряжения во время измерения соответственно напряжения , ;
К_Е - отношение электродвижущей силы вспомогательного источника к модулю фазного напряжения;
К_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 случаем 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-й фазы относительно средней точки системы, т.е. относительно нейтрали, причем для средней точки i равна нулю;
Y_i - проводимость i-й фазы относительно земли;
Y - общая проводимость токоведущих частей относительно земли равная
Y =Y_i; (2)
n - число фаз системы.

Если включить между землей и нейтралью вспомогательный источник, то напряжение смещения нейтрали будет равно
= , (3) где - электродвижущая сила вспомогательного источника;
Y_E - проводимость вспомогательной цепи, т.е. цепи, содержащей вспомогательный источник и включенной между нейтралью и землей.

Если переключить зажимы вспомогательного источника (изменить фазу электродвижущей силы на противоположную), то это приведет к изменению напряжения смещения цейтрали с , на :
= . (4)
Вследствие колебаний напряжение сети при изменении может отличаться от того, каким оно было при измерении . Поэтому те значения напряжений и , которые они имели при измерении напряжения , обозначены одним штрихом, а те значения, которые они имели при измерении , - двумя штрихами. Что касается проводимостей, то предполагается, что они остаются без изменений.

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

При вычитании выражения (6) из выражения (7), учитывая, что К_Е и К_iне зависят от напряжения сети, т.е. что
К_Е = К_Е^I = К_Е^II
К_i = K_i^I = K_i^II производят соответствующие преобразования и получают
Y = Y. (8)
Помимо того, подставляя в выражение (6) Σ K_iY_i из выражения (5) и Y из выражения (8), находят
K_N= K, (9) где К_N - относительное напряжение смещения нейтрали в состоянии, когда вспомогательная цепь отсутствует (величина, характеризующая асимметрию проводимости изоляции токоведущих частей относительно земли).

Важным является то, что в выражениях для общей проводимости токоведущих 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 можно найти еще и проводимость каждой фазы. Использовав выражения (5) и (2), и то, что в такой сети К₁ = 1 и К₂ = -1, получают
Y₁= Y,
Y₂= Y.

Для осуществления предложенного способа предварительно включают между средней (нулевой) точкой контролируемой электроустановки и землей вспомогательный источник тока. После такой подготовки переходят к самим измерениям. Для этого переключают и возвращают в исходное положение зажимы вспомогательного источника. Помимо того, как при исходном, так и при переключенном положениях зажимов измеряют напряжение между нулевой точкой и землей. В зависимости от решаемой задачи в качестве вспомогательного используют источник то ли постоянного, то ли 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 для вспомогательного источника и для вольтметра.

Одновременно с измерением напряжения смещения нейтрали измеряют и модуль фазного напряжения. Для этого вольтметр одним зажимом присоединяют к нулевой точке, а другим - 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 - на 2.

Переключение зажимов при использовании в качестве вспомогательного источника трансформатора можно производить как на его вводе, так и на выходе, а при использовании выпрямителя - только на выходе.

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 напряжений фаз относительно земли U_A, U_B, U_C прибор одним зажимом присоединяют к земле, а другим - к соответствующей фазе. Что касается модуля фазного напряжения, то для его измерения используют любой из указанных вариантов. Это позволяет найти вектор напряжения смещения нейтрали
= - + j.

В случае электроустановки постоянного тока высокоомным вольтметром измеряют напряжение U_т 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;
К_NE, K_NEФ - относительные напряжения, равные
K_NE= , K_NЕФ= ; , - напряжение смещения нейтрали соответственно при исходном положении зажимов вспомогательного источника и после их переключения;
U_Ф^I, U_Ф^II - значение модуля фазного напряжения во время измерения соответственно напряжения ,;
К_Е - отношение электродвижущей силы вспомогательного источника к модулю фазного напряжения;
К_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 фазы относительно земли:
Y₁= Y,
Y₂= Y, где Y₁ и Y₂ - проводимость изоляции первой и второй фаз относительно земли.

На фиг. 1 приведена схема, поясняющая осуществление предложенного способа (в качестве вспомогательного источника использован источник переменного тока); на фиг. 2 приведена часть схемы, относящаяся к вспомогательному источнику для варианта, при 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, 7 относительно земли 8; 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 питания 1; 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 - сдвоенный переключатель, которым переключают зажимы вспомогательного источника; 28 - ограничительный резистор; 29 - выпрямитель.

Если решают задачу по измерению активной и реактивной составляющих проводимостей изоляции, то в качестве вспомогательного источника используют вторичную обмотку трансформатора 15 (см. фиг. 1). Если же решают задачу по измерению проводимости сквозному току, то используют выпрямитель 29 (см. 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 и24, должно быть значительно меньше сопротивления вольтметра 21. Если не удается обеспечить требование о том, что проводимость вольтметра 21 должна 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 присоединить не только и 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 производят следующим образом.

Вольтметром 21 измеряют вектор напряжения смещения нейтрали , а вольтметром 25 - модуль фазного напряжения U_Ф^I. После этого переключателем 27 меняют местами зажимы вспомогательного источника 15, т.е. изменяют фазу его электродвижущей силы на противоположную, и вольтметрами 21 и 25 измеряют новые значения вектора напряжения смещения нейтрали и модуля фазного напряжения U_Ф^II. 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 продолжения измерения, схему приводят в первоначальное состояние и далее действуют аналогично описанному. Если процесс ведется непрерывно, то указанные операции выполняют периодически.

Если в качестве вспомогательного источника используют выпрямитель 29 (см. фиг. 2), то его зажимы меняют местами тем же переключателем 27, а напряжения по-прежнему измеряют вольтметрами 21 и 25. Если необходимо исключить влияние емкости сети относительно земли на результаты измерений постоянным током, то после того, как меняют местами зажимы 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 изменения.

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 необходимо учесть, что чрезмерное уменьшение такого влияния приведет к неоправданному снижению точности измерений.

Изобретение может быть использовано при научных исследованиях, а также при разработке аппаратов защиты от поражения электротоком.

Оно позволит при обследовании электроустановок повысить точность измерения параметров изоляции, а при разработке аппаратов защиты повысит надежность электроснабжения потребителей и безопасность эксплуатации электроустановок.

Использование: измерение параметров 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 переключением зажимов вспомогательного источника, включенного между токоведущими частями и землей. 2 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗОЛЯЦИИ, основанный на измерении напряжения смещения нейтрали, отличающийся тем, что переключают и возвращают в исходное положение зажимы вспомогательного источника и измеряют вектор упомянутого напряжения и модуль фазного напряжения как при исходном, так и при переключенном положениях зажимов указанного источника, а искомые параметры определяют по формулам
Y = Y_E ;
K_N = K_E ,
где Y - общая проводимость изоляции токоведущих частей относительно земли;
Y_Е - проводимость цепи вспомогательного источника, предварительно включенного между токоведущими частями и землей;
K_NE, K_NEФ - относительные напряжения, равные
K_NE = ; K_NEФ = ;;
, - напряжение смещения нейтрали соответственно при исходном положении зажимов вспомогательного источника и после их переключения;
U, U - значение модуля фазного напряжения во время измерения соответственно напряжения;
K_E - отношение электродвижущей силы вспомогательного источника к модулю фазного напряжения;
K_N - относительное напряжение смещения нейтрали в состоянии, когда вспомогательная цепь отсутствует.