СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОДНОФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01R31/08 H02H9/08 H02H3/17 

Изобретения относятся к электротехнике и предназначены, в основном, для контроля сопротивления изоляции низковольтных однофазных электрических сетей, находящихся в условиях, где возможно образование взрывоопасных концентраций газа или пыли, например в шахтах, опасных по газу и пыли. Контроль обеспечивается как при наличии сетевого напряжения, так и при его отсутствии. Цель контроля - предотвращение возможных тяжелых последствий при повреждениях этих сетей.

К низковольтным электрическим сетям в шахтах относятся широко распространенные сети напряжением 36 В. Более половины всех средств автоматизации запитывается ими. Благодаря низкому напряжению питания эти средства автоматизации оказываются в 1,5 раза, а в ряде случаев Э (специального исполнения) более чем в два раза легче аналогичных средств автоматизации, запитываемых от высоковольтных сетей. Кроме того, средства автоматизации, запитываемые от сетей 36 B, проще в изготовлении, дешевле, удобнее в эксплуатации.

С точки зрения поражения человека электрическим током сети напряжением 36 B не представляют опасности. С точи же зрения взрывоопасности они не уступают высоковольтным сетям. Но, если все шахтные высоковольтные сети оснащены средствами контроля изоляции (реле утечки), то есть 36 B остается в этом отношении бесконтрольной. Средства для контроля состояния их изоляции до настоящего времени не созданы. Между тем, из-за их отсутствия имели место взрывы в шахтах с тяжелыми последствиями, в том числе и с человеческими жертвами. Встал вопрос об изъятии напряжения 36 B вообще из шахт.

Попытки создания средств контроля изоляции сетей напряжением 36 B предпринимались. Все они закончились безрезультатно. Причина - использование тех же методов, что и при создании средств контроля изоляции для высоковольтных сетей.

Поскольку аналоги способов и устройств контроля сопротивления изоляции изолированных однофазных электрических сетей не выявлены, в качестве таковых приняты способы и устройства контроля изоляции трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью.

Известен способ контроля сопротивления изоляции электрической сети, реализованный в авт. св. СССР N 1396195, кл. H 02 H 3/17, опублик. 15.05.88, бюл. N 18 под названием "Устройство контроля изоляции электрической сети с изолированной нейтралью", в котором измеряют ток, протекающий через сопротивление изоляции между проводниками сети и землей под действием приложенного к ним контрольного напряжения, и по его величине судят о сопротивлении изоляции сети.

Недостатки способа:
1. Сильная подверженность емкостных токов утечки на землю сетевого напряжения, что в конечном счете отражается на суждении о действительном сопротивлении изоляции сети.

Известно устройство контроля сопротивления изоляции электрической сети по авт. св. СССР N 1396195, кл. H 02 H 3/17, опублик. 15.05.88, бюл. N 18 под названием "Устройство контроля изоляции электрической сети с изолированной нейтралью".

Устройство содержит источник контрольного напряжения постоянного тока, узел ввода контрольного напряжения в сеть (дроссель-трансформатор, компенсирующий дроссель и др.), чувствительный орган, выполненный на транзисторном ключе, и исполнительный блок (усилитель, исполнительное реле, источник эталонного тока и др.).

Недостатки устройства:
1. Низкая точность контроля из-за использования способа, сильно подверженного влиянию емкостных токов утечки сетевого напряжения.

2. Габаритность из-за использования громоздких элементов (дроссель-трансформатор, компенсирующий дроссель и др.).

Известен способ контроля сопротивления изоляции электрической сети, принятый на прототип, реализованный в авт.св. СССР N 1358032, кл. H 02 H 3/17, 9/08, опублик. 07.12.87, бюл. N 45 под названием "Устройство для защиты от утечек тока в трехфазной электрической сети", в котором из токов, протекающих между проводниками сети и землей под действием приложенных к ним сетевого и контрольного напряжений, емкостные токи утечки, вызванные сетевым напряжением, компенсируют, а токи, вызванные контрольным напряжением, измеряют и по их величине судят об изоляции сети.

Недостатки способа:
1. Необходимость во введении персональной компенсации емкостных токов утечки для каждой сети.

2. Отсутствие каких-либо критериев, по которым можно судить об оптимальной компенсации емкостных токов утечки.

3. Низкая эффективность компенсации емкостных токов утечки, а следовательно и точности контроля сопротивления изоляции в сетях, у которых емкость изменяется в широких пределах в результате подключения - отключения токоприемников.

Известно устройство контроля изоляции электрической сети, принятое за прототип, по авт. св. СССР N 1358032, кл. H 02 H 3/17, 9/08, опублик. 07.12.97, бюл. N 45 под названием "Устройство для защиты от утечек тока в трехфазной электрической сети".

Устройство содержит источник контрольного напряжения постоянного тока, узел ввода контрольного напряжения в сеть (трехфазный дроссель, компенсирующий дроссель и др. ), чувствительный орган, выполненный на транзисторе, и исполнительный блок (усилители, исполнительное реле, источник эталонного тока и др.). Отличительной особенностью устройства является введение в его исполнительный блок измерителя емкости сети с генератором повышенной частоты и дополнительного источника питания, что в принципе позволяет осуществлять компенсацию емкостных токов утечки путем ступенчатой подстройки к конкретной сети и, таким образом, обеспечивать более точный контроль изоляции сети.

Недостатки устройства:
1. Низкая точность контроля изоляции в сетях, у которых емкость изменяется в широких пределах в результате подключения - отключения токоприемников.

2. Габаритность из-за использования громоздких элементов (дроссель-трансформатор, компенсирующий дроссель и др.).

Задачей настоящих изобретений является создание способа и устройства контроля сопротивления изоляции однофазной электрической сети, которые не чувствительны к токам утечки, создаваемыми сетевым напряжением, и обеспечивают непрерывно (как при наличии сетевого напряжения, так и при его отсутствии) высокую точность контроля сопротивления изоляции.

Поставленная задача решается следующим образом:
В известном способе контроля сопротивления изоляции электрической сети, основанном на измерении контрольного тока, протекающего между проводниками сети и землей, согласно изобретению контроль осуществляют в момент перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль, при этом к проводникам сети и земле подключают контрольное напряжение и по амплитудному значению, создаваемого им тока, судят о сопротивлении изоляции сети.

В устройстве поставленная задача решается за счет использования упомянутого способа. Для этого в известном устройстве контроля сопротивления изоляции электрической сети, содержащем источник контрольного напряжения постоянного тока, первый вывод которого заземлен, узел ввода оперативного напряжения в сеть, выходы которого подключены к проводникам сети, чувствительный орган и исполнительный блок, вход которого соединен с выходом чувствительного органа, а коммутирующие элементы включены последовательно с проводниками сети, согласно изобретению в него введены узел выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль, ключ коммутации контрольного напряжения, узел смещения, диод и узел нивелирования емкости сети относительно земли, при этом вход узла выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль соединен с источником синусоидального напряжения, выход с входом ключа коммутации контрольного напряжения, первый вывод которого через посредство входа чувствительного органа и первый вывод узла смещения подсоединены к входу узла ввода контрольного напряжения в сеть, второй вывод выхода ключа коммутации контрольного напряжения и второй вывод узла подсоединены к второму выводу источника контрольного напряжения, параллельно которому подсоединен диод, а узел нивелирования емкости сети подсоединен к проводникам сети и земле.

Сопоставительный анализ заявляемого способа со способом, используемым в прототипе, показывает, что в заявляемом способе контроль сопротивления изоляции сети осуществляют в моменты перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль, т. е. в момент, когда отсутствует потенциал сети, а следовательно, отсутствуют сетевые токи утечки. Отпадает необходимость в противостоянии им.

Это дает основание утверждать, что изобретение соответствует обязательному критерию изобретений "Новизна".

Новый подход к процессу контроля позволил повысить точность контроля, исключить необходимость настройки на каждую сеть.

Это дает основание утверждать, что изобретение соответствует другому обязательному критерию изобретений "Изобретательский уровень".

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с прототипом показывает, что в устройство введены узел выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль, ключ коммутации контрольного напряжения, узел смещения, диод и узел нивелирования емкости сети относительно земли. Образованы новые связи.

Это дает основание утверждать, что изобретение соответствует обязательному критерию изобретений "Новизна".

Нововведения позволили решить задачу по созданию устройства не чувствительного к токам утечки сетевого напряжения, обеспечивающего точный контроль сопротивления изоляции однофазной электрической сети. Одновременно решен вопрос компактности устройства, поскольку составляющие его компоненты не являются громоздкими, и что самое главное, повышается безопасность использования напряжения 36 B в шахтах.

Это дает основание утверждать, что изобретение соответствует другому обязательному критерию изобретения "Изобретательский уровень".

Описание изобретений поясняется чертежом.

На чертеже представлена блок-схема устройства, которая рассматривается и как пример конкретного выполнения.

От источника 1 сетевого напряжения через коммутирующие элементы 2 исполнительного блока 3 сетевое напряжение поступает в однофазную сеть, представленную проводниками 4 и 5, у которой 6; 7 и 9; 10 соответственно сопротивление изоляции и емкость проводников 4; 5 относительно земли 8, токоприемники 11 и емкость 12 между проводниками сети, узел 13 нивелирования емкости сети и узел 14 ввода контрольного напряжения в сеть. К входу узла 14 через посредство входа чувствительного органа 15 подсоединены первый вывод выхода ключа 16 коммутации контрольного напряжения и первый вывод узла 17 смещения.

Вторые выводы выходов ключа 16 и узла 17 смещения подсоединены к второму выводу источника 18 контрольного напряжения, первый вывод которого заземлен. Параллельно источнику 18 подсоединен диод 19. К входу ключа 16 подсоединен выход узла 20 выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль, вход которого соединен с источником синусоидального напряжения 1. Выход чувствительного органа 15 соединен со входом исполнительного блока 3.

Работа устройства.

В исходном состоянии (сопротивления 6, 7 изоляции сети находятся в пределах допустимого, в сети присутствует сетевое напряжение) имеет место следующее:
1) контрольное напряжение по цепи: второй вывод (минус) источника 16, сопротивление узла 17, диоды узла 14, сопротивления 6, 7 изоляции сети, земля 8, первый вывод источника 18 вводится в сеть. При этом емкости 9, 10 сети и узла 13 заряжаются до потенциала, которые выделяются на сопротивлениях 6; 7 изоляции сети. Потенциал на упомянутых емкостях подвергается воздействию сетевого напряжения, но поскольку потенциал последнего меняется по синусоидальному закону, а потенциал контрольного напряжения остается неизменным, то к моменту перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль потенциал на емкостях остается практически равным потенциалу, формируемому контрольным напряжением.

Нагрузка 11 и емкость 12 не оказывают никакого влияния на контроль сопротивления изоляции сети, поскольку разность потенциалов контрольного напряжения между проводниками сети отсутствует (контрольное напряжение к проводникам подводится через диоды узла 14);
2) под действием узла 20 ключ 16 с интервалом 10 мс (при частоте сети 50 Гц) в момент перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль кратковременно открывается. При этом параллельно сопротивлению узла 17 подключается сопротивление входа чувствительного органа 15, что приводит к скачкообразному уменьшению суммарного сопротивления цепи, возникновению импульсов тока через вход чувствительного органа 15.

Импульсы тока, трансформируясь во вторичную сторону, поступают на вход исполнительного блока 3. При снижении изоляции сети ниже предельно допустимой амплитуды импульсов, возрастая, принимает величину, при которой происходит срабатывание исполнительного блока 3 и снятие напряжения с сети.

Отключенная сеть не остается бесконтрольной. В нее по-прежнему вводятся импульсы контрольного напряжения, поскольку на узел 20 выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль продолжает поступать напряжение синусоидальной формы. Повторная подача сетевого напряжения возможна только после приведения сопротивления изоляции сети к допустимым нормам.

При срабатывании ключа 16 происходит приращение напряжение на сопротивлениях 6, 7, емкостях 9, 10. За счет приращения напряжения на емкостях имеет место емкостная составляющая тока (потенциал заряженных емкостей направлен встречно импульсам тока и поэтому ток через них возможен только за счет приращения). Таким образом, импульсы тока включают в себя омическую и емкостную составляющие. При малых емкостях сопротивление последних импульсам тока в цепи контроля велико. Изменение емкости приводит к существенному изменению емкостного тока, а следовательно, и к заметным изменениям контролируемого сопротивления. С ростом емкости их сопротивление импульсам тока падает настолько, что их изменение в цепи контроля становится менее весовым и при емкости 0,5 мкФ и выше изменение суммарного сопротивления цепи контроля становится малозаметным.

Величина емкостной составляющей импульса тока становится практически постоянной. Поэтому, с целью исключения влияния емкости сети на величину контролируемого сопротивления изоляции, в устройство введен узел 13 нивелирования емкости сети. Узел изначально гарантирует обязательное наличие в сети такой емкости, добавление к которой натуральной емкости не вызывает заметного увеличения емкостной составляющей тока в импульсе. Она остается для любой сети практически постоянной и поэтому легко учитывается при определении действительного сопротивления изоляции сети. Отпадает необходимость настройки устройства на конкретную сеть.

В таблице приведены экспериментальные данные контролируемых сопротивлений изоляции сети при различных емкостях ее проводников относительно земли и отклонениях напряжения от номинального 0,85 - 1,1, для случая, когда в одном проводнике изоляция нарушена, а изоляция другого проводника имеет сопротивление, равное бесконечности.

Из таблицы видна незначительность отклонения в величинах контролируемых сопротивлений при изменении емкостей сети относительно земли от 0 до 1,0 мкФ.

Назначение диода 19 - шунтировать положительную полуволну сетевого напряжения, что исключает влияние последнего на параметры источника 18 контрольного напряжения.

Из вышеизложенного становится очевидным, что устройство, благодаря используемому способу, решениям и дополнениям, введенным в него, обеспечивает высокую точность контроля сопротивления изоляции сети, не требует подстройки на конкретную сеть, чем выгодно отличается от прототипа.

В конструктивном плане заявляемое устройство отличается выгодно тем, что используемые в нем элементы малогабаритные, могут быть размещены на печатной плате.

Изобретения относятся к электротехнике и предназначено в основном для контроля сопротивления изоляции низковольтных однофазных электрических сетей, находящихся в условиях, где возможно образование взрывоопасных концентраций газа или пыли, например в шахтах, опасных по газу и пыли. Для этого в устройство контроля сопротивления изоляции электрической сети введен узел выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль, ключ коммутации контрольного напряжения, узел смещения, диод и узел нивелирования емкости сети относительно земли, при этом вход узла выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль соединен с источником синусоидального напряжения, выход - с входом ключа коммутации контрольного напряжения, первый вывод выхода которого через посредство входа чувствительного органа и первый вывод узла смещения подсоединены к входу узла ввода контрольного напряжения в сеть, второй вывод выхода ключа коммутации контрольного напряжения и второй вывод узла смещения подсоединены к второму выводу источника контрольного напряжения, параллельно которому подсоединен диод, а узел нивелирования емкости сети подсоединен к проводникам сети и земле. Способ и устройство обеспечивают высокую точность контроля сопротивления изоляции. 2 с.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ контроля сопротивления изоляции однофазной электрической сети, основанный на измерении контрольного тока, протекающего между проводниками сети и землей, отличающийся тем, что контроль осуществляют в момент перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль, при этом к проводникам сети и земле подключают контрольное напряжение и по амплитудному значению создаваемого им тока судят о сопротивлении изоляции сети. 2. Устройство контроля сопротивления изоляции однофазной электрической сети, содержащее источник контрольного напряжения постоянного тока, первый вывод которого заземлен, узел ввода контрольного напряжения в сеть, выходы которого подключены к проводникам сети, чувствительный орган и исполнительный блок, вход которого соединен с выходом чувствительного органа, а коммутирующие элементы включены последовательно с проводниками сети, отличающееся тем, что в него введены узел выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль, ключ коммутации контрольного напряжения, узел смещения, диод и узел нивелирования емкости сети относительно земли, при этом вход узла выявления момента перехода синусоиды сетевого напряжения через нуль соединен с источником синусоидального напряжения, выход с входом ключа коммутации контрольного напряжения, первый вывод которого через посредство входа чувствительного органа и первый вывод узла смещения подсоединены к входу узла ввода контрольного напряжения в сеть, второй вывод ключа коммутации контрольного напряжения и второй вывод узла смещения подсоединены ко второму выводу источника контрольного напряжения, параллельно которому подсоединен диод, а узел нивелирования емкости сети подсоединен к проводникам сети и земле.