УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЦЕПЯХ Российский патент 2000 года по МПК G01R27/18 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для измерения большого (более 100 кОм) активного (резистивного) либо комплексного сопротивления изоляции на фоне постоянного напряжения питания (1000 В и выше) электрических машин и приборов.

Известны устройства для измерения сопротивления изоляции в электрических сетях по патенту ФРГ N 2721813, 1980 г. и авторскому свидетельству СССР N 773526, 1976 г. , использующие постоянное напряжение в качестве опорного и содержащие измерительный источник напряжения, регулируемый источник компенсационного напряжения, блок выделения постоянной составляющей и блок управления.

Однако эти устройства характеризуются рядом недостатков. Точность измерения сопротивления изоляции в них непосредственно зависит от точности проведения компенсации влияния напряжения сети на результат измерения. В то же время получение высокой точности компенсации является сложной технической задачей, так как диапазон изменения компенсационного напряжения должен быть достаточно высок для высоковольтных цепей. Кроме того, устройства характеризуются недостаточным быстродействием, что обусловлено необходимостью проведения процесса компенсации.

Наиболее близким к предлагаемому по своей технической сущности является цифровое устройство для измерения сопротивления изоляции на постоянном напряжении по авторскому свидетельству СССР N 1661675, 1991 г., содержащее последовательно соединенные стабилизированный источник повышенного постоянного напряжения и ограничительный резистор, последовательно соединенные масштабный усилитель и блок индикации, первую и вторую клемму для подключения контролируемого сопротивления изоляции, первая клемма для подключения контролируемого сопротивления изоляции соединена с вторым выводом ограничительного резистора, нелинейный резистивный двухполюсник и последовательно соединенные источник переменного стабилизированного тока малой амплитуды, два разделительных конденсатора, усилитель переменного напряжения и линейный выпрямитель, общая точка обкладок разделительных конденсаторов соединена с второй клеммой для подключения контролируемого сопротивления изоляции и первым выводом нелинейного резистивного двухполюсника, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход линейного выпрямителя соединен с входом масштабного усилителя, а вторые выводы стабилизированного источника повышенного постоянного напряжения и источника переменного стабилизированного тока малой амплитуды соединены с общей шиной.

Известное устройство обладает рядом недостатков. Основным недостатком является невозможность измерения величины сопротивления изоляции при наличии в цепи контроля паразитных емкостей, а также в процессе функционирования машин и приборов, так как необходимо иметь его выводы, изолированные от земли. Точность измерения сопротивления изоляции имеет сильную зависимость от точности формирования вольтамперной характеристики резистивного двухполюсника, которую в аналоговом виде трудно создать с малой погрешностью. Известное устройство имеет и общий для всех устройств, работающих на постоянном токе, недостаток, а именно - низкую помехозащищенность от низкочастотных помех, так как установка фильтров с большой постоянной времени приводит к увеличению времени измерения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройство для измерения сопротивления изоляции в высоковольтных цепях, содержащее генератор синусоидального стабилизированного напряжения, разделительный конденсатор, первая обкладка которого соединена со входом согласующего усилителя переменного напряжения, клеммы для подключения объекта контроля и устройство обработки и вывода информации, введены усилитель синусоидального напряжения, развязывающий элемент, резисторный делитель напряжения, аналоговый перемножитель и интегрирующий фильтр нижних частот, причем выход генератора синусоидального напряжения соединен с первым входом аналогового перемножителя и входом усилителя синусоидального напряжения, выход которого через развязывающий элемент подключен к первой клемме для подключения объекта контроля и первому выводу резисторного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с землей и второй клеммой, а средний вывод - со второй обкладкой разделительного конденсатора, причем выход согласующего усилителя переменного напряжения подключен ко второму входу аналогового перемножителя, выходом соединенного через интегрирующий фильтр нижних частот со входом устройства обработки и вывода информации.

При необходимости измерения комплексной величины сопротивлении изоляции в состав устройства дополнительно введены второй аналоговый перемножитель и второй интегрирующий фильтр нижних частот, а генератор синусоидального стабилизированного напряжения снабжен вторым выходом, подключенным к первому входу второго аналогового перемножителя, второй вход которого соединен с выходом согласующего усилителя, а выход через второй интегрирующий фильтр нижних частот подключен ко второму входу устройства обработки и вывода информации.

В первый вариант устройства обработки и вывода информации введены последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, цифровой вычислительный блок и индикатор с дешифраторами, причем вход аналого-цифрового преобразователя является входом устройства обработки и вывода информации.

Во второй вариант устройства обработки и вывода информации введены последовательно соединенные аналоговый вычислитель, аналого-цифровой преобразователь и индикатор с дешифраторами, причем входы аналогового вычислителя являются входами устройства обработки и вывода информации.

В третий вариант устройства обработки и вывода информации введены два цифроаналоговых преобразователя, цифровое вычислительное устройство и индикатор с дешифраторами, причем входы аналого-цифровых преобразователей являются входами устройства обработки и вывода информации, а выходы подключены к входам цифрового вычислительного устройства, выходы которого соединены с входами индикатора с дешифраторами.

Предложенное техническое решение позволяет за счет применения аналоговых перемножителей, работающих совместно с интегрирующими фильтрами нижних частот в режиме синхронных детекторов, получить высокую помехоустойчивость устройства в процессе измерения сопротивления изоляции при функционирующем объекте контроля, повысить точность измерения за счет использования вычислительного блока в составе устройства обработки и вывода информации, повысить быстродействие и обеспечить замер не только активной величины сопротивления изоляции объекта контроля, но и его реактивной составляющей.

На фиг. 1 приведена электрическая схема устройства для измерения активного сопротивления изоляции в высоковольтных цепях; на фиг. 2 - электрическая схема устройства для измерения как активной составляющей сопротивления изоляции объекта контроля, так и его реактивной части; на фиг. 3 - электрическая схема первого варианта построения устройства обработки и вывода информации; на фиг. 4 - электрическая схема второго варианта построения устройства обработки и вывода информации; на фиг. 5 - электрическая схема третьего варианта построения устройства обработки и вывода информации.

Устройство для измерения активной величины сопротивления изоляции в высоковольтных цепях (фиг. 1) содержит генератор 1 синусоидального стабилизированного напряжения, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя 2 и входом усилителя 3 синусоидального напряжения, выход которого через развязывающий элемент 4 соединен с первой клеммой 5 для подключения объекта 6 контроля и первым выводом резисторного делителя 7 напряжения, второй вывод которого подключен ко второй клемме 8 и земле, а средняя точка через разделительный конденсатор 9 и согласующий усилитель 10 - ко второму входу аналогового перемножителя 2, выход которого через интегрирующий фильтр 11 нижних частот соединен с входом устройства 12 обработки и вывода информации.

Устройство для измерения комплексной величины сопротивления изоляции (активного и реактивного значений) (фиг. 2) содержит, кроме того, второй аналоговый перемножитель 13, второй вход которого соединен с выходом согласующего усилителя 10, первый вход - с вторым выходом генератора 1, а выход через второй интегрирующий фильтр 14 нижних частот - с вторым входом устройства 12 обработки и вывода информации.

В состав устройства 12 обработки и вывода информации, предназначенного для измерения только активной величины сопротивления изоляции (фиг. 3), введены соединенные последовательно аналого-цифровой преобразователь 15, цифровое вычислительное устройство 16 и индикатор 17 с дешифраторами.

Во второй вариант устройства 12 обработки и вывода информации, предназначенного для измерения комплексной величины сопротивления изоляции (фиг. 4), введены соединенные последовательно аналоговый вычислитель 18, аналого-цифровой преобразователь 19 и индикатор 17 с дешифраторами.

В третий вариант устройства 12 обработки и вывода информации, предназначенного для измерения комплексной величины сопротивления изоляции (фиг. 5), введены аналого-цифровые преобразователи 20, 21, выходы которых через цифровое вычислительное устройство 22 соединены с индикатором 17 с дешифраторами.

Принцип работы устройства заключается в измерении комплексного напряжения на выходных измерительных клеммах 5 и 8 при стабильных параметрах измерительной цепи и векторном преобразовании комплексного напряжения в постоянные напряжения аналоговыми перемножителями и интегрирующими фильтрами нижних частот с дальнейшей обработкой постоянного напряжения цифровыми или аналоговыми методами по определенному закону.

Рассмотрим случай, когда емкость объекта контроля относительно земли мала, то есть ее реактивное сопротивление на рабочей частоте генератора 1 синусоидального стабилизированного напряжения значительно (как минимум в 10 раз) больше активного сопротивления изоляции. Тогда ее влиянием можно пренебречь и для измерения сопротивления изоляции применить устройство, изображенное на фиг. 1.

В этом случае устройство работает следующим образом.

Генератор 1 синусоидального стабилизированного напряжения формирует стабильную синусоиду, которая в качестве опорного напряжения поступает на первый вход аналогового перемножителя 2 и в качестве управляющего сигнала - на вход усилителя 3 синусоидального напряжения. Коэффициент усиления усилителя 3 калибруется таким образом, чтобы его выходное напряжение имело строго фиксированное значение и не изменялось под воздействием внешних факторов и разброса параметров элементов.

Стабильное выходное напряжение усилителя 3 через развязывающий элемент 4 поступает на измерительные клеммы 5, 8 и на резисторный делитель 7 напряжения. С целью снижения влияния измерительной цепи устройства на выходные параметры объекта 6 контроля величина сопротивления развязывающего элемента 4 и суммарного сопротивления делителя 7 напряжения выбирается больше предполагаемой величины сопротивления изоляции объекта 6 контроля, а сами резисторы повышенной точности и стабильности.

Напряжение на клемме 5 относительно клеммы 8, находящееся в прямой зависимости от величины сопротивления изоляции объекта 6 контроля, снимается со среднего вывода делителя 7 напряжения и через разделительный конденсатор 9 поступает на вход согласующего усилителя 10.

Функция разделительного конденсатора 9 заключается в исключении постоянной составляющей напряжения относительно земли U_из на входе аналогового перемножителя 2, которая всегда присутствует при функционировании объекта 6 контроля и появляется за счет паразитных связей и наводок на корпусе высоковольтной электроаппаратуры. Величина этой постоянной составляющей может достигать десятков киловольт, является величиной случайной, не может быть предварительно учтена и, следовательно, может вызвать непрогнозируемую погрешность измерения сопротивления изоляции.

Усилитель 10 согласует высокоомный выход резисторного делителя 7 напряжения с низкоомным входом аналогового перемножителя 2.

В результате перемножения опорного синусоидального напряжения, поступающего на первый вход аналогового перемножителя 2, и контролируемого напряжения, поступающего с выхода согласующего усилителя 10 на второй вход аналогового перемножителя 2, на его выходе формируется полезный сигнал, величина которого равна
U_пол = (sin wt)•(sin wt),
и сигнал помехи, величина которого равна
U_пом = 1/2[cos(wt+w₁t)-cos(wt-w₁t)],
где w - круговая частота на выходе генератора 1,
w₁ - круговая частота помехи.

На выходе интегрирующего фильтра 11 нижних частот пульсирующее напряжение полезного сигнала преобразуется в постоянное напряжение, значение которого находится в прямой зависимости от величины сопротивления изоляции объекта контроля, а переменное напряжение помехи обращается в нуль.

Полезный сигнал поступает на вход устройства обработки и вывода информации 12 (фиг. 3), где преобразуется в цифровой двоичный код аналого-цифровым преобразователем 15. Цифровое вычислительное устройство 16 преобразует поступающий на его входы двоичный код в соответствии со следующим выражением:
R_из = R₄/(k₂U₁/k₁U₂-R₄/R₇-1),
где R_из - сопротивление изоляции объекта 6 контроля;
R₄ - сопротивление развязывающего резистора 4;
R₇ - суммарное сопротивление резисторного делителя 7 напряжения;
U₁ - напряжение на выходе усилителя 3 синусоидального напряжения;
U₂ - напряжение на входе согласующего усилителя 10;
k₁ - коэффициент деления резисторного делителя 7 напряжения;
k₂ - коэффициент передачи канала: согласующий усилитель 10, аналоговый перемножитель 2, интегрирующий фильтр 11 нижних частот.

В простейшем случае в качестве цифрового вычислительного устройства 12 для вычисления указанного выражения может быть использована полупроводниковая матрица, например, на основе постоянного запоминающего устройства, на адресные шины которой подается двоичный код с выхода аналого-цифрового преобразователя 15, а с шины данных снимается двоичный код, несущий информацию о величине сопротивления изоляции объекта 6 контроля, который поступает на индикатор 17.

При наличии в цепи контроля конденсатора, реактивное сопротивление которого соизмеримо с активным значением сопротивления изоляции, необходим учет его влияния. Это достигается введением в устройство второго аналогового перемножителя 13 и второго интегрирующего фильтра 14 нижних частот (фиг. 2).

На первый вход аналогового перемножителя 13 со второго выхода генератора 1 синусоидального стабилизированного напряжения поступает синусоидальный сигнал, имеющий фазовый сдвиг 90^o относительно синусоидального сигнала на первом выходе генератора 1. Второй вход аналогового перемножителя 13 подключен к выходу согласующего усилителя 10, а выход через интегрирующий фильтр 14 нижних частот - ко второму входу устройства 12 обработки и вывода информации.

В устройстве, изображенном на фиг. 2, преобразование напряжения, снимаемого с объекта 6 контроля, осуществляется аналоговыми перемножителями 2 и 13 по двум взаимно перпендикулярным осям X и Y, каждая из которых характеризует активную и реактивную составляющие комплексного сопротивления изоляции объекта 6 контроля. Постоянные напряжения, величина которых пропорциональна активной и реактивной составляющим комплексного сопротивления объекта контроля, поступают на входы устройства 12 обработки и вывода информации, варианты исполнения которого для данного случая приведены на фиг. 4 и 5.

В устройстве 12 обработки и вывода информации, изображенном на фиг. 4, обработка сигналов производится аналоговым вычислителем 18, который выдает на выходе сигнал, пропорциональный активной величине сопротивления изоляции объекта контроля. Этот сигнал, преобразованный аналого-цифровым преобразователем 16, поступает на индикатор 17.

В устройстве 12 обработки и вывода информации, изображенном на фиг. 5, обработка сигналов производится двумя аналого-цифровыми преобразователями 20 и 21 и цифровым вычислительным устройством 22, в качестве которого также может быть применена полупроводниковая матрица.

Точность измерения сопротивления изоляции предлагаемым устройством ограничена только погрешностью примененной элементной базы и разрядностью используемых аналого-цифровых преобразователей.

Изобретение предназначено для измерения большого (более 100 кОм) активного (резистивного) либо комплексного сопротивления изоляции на фоне постоянного напряжения питания (1000 В и выше) электрических машин и приборов. Технический результат заключается в повышении помехозащищенности от низкочастотных помех. Устройство для измерения активной величины сопротивления изоляции в высоковольтных цепях содержит генератор синусоидального стабилизированного напряжения, выход которого соединен с первым входом аналогового перемножителя и входом усилителя синусоидального напряжения, выход которого через развязывающий элемент соединен с первой клеммой для подключения объекта контроля и первым выводом резисторного делителя напряжения, второй вывод которого подключен ко второй клемме и земле, а средняя точка через разделительный конденсатор и согласующий усилитель - ко второму входу аналогового перемножителя, выход которого через интегрирующий фильтр нижних частот соединен со входом устройства обработки и вывода информации. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для измерения сопротивления изоляции в высоковольтных цепях, содержащее генератор синусоидального стабилизированного напряжения, разделительный конденсатор, первая обкладка которого соединена со входом согласующего усилителя переменного напряжения, клеммы для подключения объекта контроля и устройство обработки и вывода информации, отличающееся тем, что в устройство введены усилитель синусоидального напряжения, развязывающий элемент, резисторный делитель напряжения, аналоговый перемножитель и интегрирующий фильтр нижних частот, причем выход генератора синусоидального напряжения соединен с первым входом аналогового перемножителя и входом усилителя синусоидального напряжения, выход которого через развязывающий элемент подключен к первой клемме для подключения объекта контроля и первому выводу резисторного делителя напряжения, второй вывод которого соединен с землей и второй клеммой, а средний вывод - со второй обкладкой разделительного конденсатора, причем выход согласующего усилителя переменного напряжения подключен к второму входу аналогового перемножителя, выходом соединенного через интегрирующий фильтр нижних частот со входом устройства обработки и вывода информации. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в его состав введены второй аналоговый перемножитель и второй интегрирующий фильтр нижних частот, а генератор синусоидального стабилизированного напряжения снабжен вторым выходом, подключенным к первому входу второго аналогового перемножителя, второй вход которого соединен с выходом согласующего усилителя, а выход через второй интегрирующий фильтр нижних частот подключен ко второму входу устройства обработки и вывода информации. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в состав устройства обработки и вывода информации введены последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, цифровой вычислительный блок и индикатор с дешифраторами, причем вход аналого-цифрового преобразователя является входом устройства обработки и вывода информации. 4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в состав устройства обработки и вывода информации введены последовательно соединенные аналоговый вычислитель, аналого-цифровой преобразователь и индикатор с дешифраторами, причем входы аналогового вычислителя являются входами устройства обработки и вывода информации. 5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в состав устройства обработки и вывода информации введены два цифроаналоговых преобразователя, цифровое вычислительное устройство и индикатор с дешифраторами, причем входы аналого-цифровых преобразователей являются входами устройства обработки и вывода информации, а выходы подключены ко входам цифрового вычислительного устройства, выходы которого соединены со входами индикатора с дешифраторами.