СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ПРИСОЕДИНЕНИЙ В РАЗВЕТВЛЕННЫХ СЕТЯХ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01R27/18 G01R31/02 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для поиска элемента с пониженным сопротивлением изоляции в разветвленной электрической сети постоянного и переменного тока.

В известных способах автоматического мониторинга и измерения сопротивления изоляции присоединений в разветвленных электрических сетях используют принцип наложения на сеть контрольного переменного напряжения определенной частоты. Сопротивление изоляции определяется по величине тока в первичной обмотке датчиков тока, которая образована совокупностью проводников данного присоединения.

К недостаткам этих способов можно отнести трудность разделения резистивной и емкостной составляющих тока утечки на землю контролируемого участка, что приводит к снижению точности полученного результата.

Известен способ контроля сопротивления изоляции разветвленных сетей постоянного и переменного тока (Патент Российской Федерации RU 2028638, МПК 6 G 01 R 31/02, G 01 R 27/18, дата публикации 09.02.1995 г. Авторы: Дунаев Б.Д., Савельев В.А., Словесный С.А.). Данный способ основан на наложении переменного напряжения с периодически изменяющейся частотой на контролируемую сеть, измерении величины тока, обратно пропорциональной величине сопротивления изоляции. Для исключения влияния емкостной составляющей на результат измерения и повышения точности измерения производят компенсацию емкостной составляющей тока, протекающего через изоляцию, индуктивным током, выделяют сигнал, пропорциональный активной составляющей тока, усиливают и выпрямляют этот сигнал, после чего выделяют огибающую максимальных потенциалов выпрямленного сигнала и затем определяют значение нижнего экстремума полученной огибающей, обратно пропорционального сопротивлению изоляции.

В устройстве, реализующем данный способ, датчики тока снабжены дополнительной обмоткой, в цепи замыкания на землю которой установлены компенсирующие индуктивности, источник контрольного напряжения выполнен в виде генератора качающейся частоты. Измерение токов утечки производят в точках нижних экстремумов величины тока по частотной координате.

Недостатком данного способа является сложность его реализации в устройстве и недостаточная точность измерения, обусловленная трудностью выбора такого частотного диапазона генератора и величин индуктивностей, которые соответствовали бы наблюдающемуся на практике большому разбросу распределенных емкостей различных присоединений одной электрической сети.

Известно также устройство для поиска поврежденного участка в сетях постоянного и переменного тока (Патент Российской Федерации RU 2052826, МПК 6 G 01 R 27/18, G 01 R 31/28, дата публикации 20.01.1996 г. Авторы: Дунаев Б.Д., Савельев В.А., Словесный С.А., Шилов С.В.). Данное устройство содержит вспомогательный источник контрольного переменного напряжения, разделительный конденсатор, сумматор, компенсирующий конденсатор и ключ. С целью повышения надежности и достоверности поиска в него введены регулируемое сопротивление, полосовой фильтр, коммутатор, блок обработки информации, устройство индикации и блоки сбора информации. Отличительной особенностью способа является введение в датчики тока отходящих участков сети дополнительной компенсирующей обмотки, включенной встречно основной, а также подключение регулируемого сопротивления параллельно компенсирующему конденсатору. Недостатком данного устройства является перед включением его в работу необходимость предварительной настройки регулируемых элементов в цепях дополнительных обмоток на нулевую величину выходного сигнала датчика, при подключении к сети эквивалентного контролируемому присоединению элемента, но с заведомо нормальным сопротивлением изоляции. Данные действия весьма трудно реализовать на практике, что снижает точность результатов.

Альтернативными способами идентификации снижения сопротивления изоляции электрических сетей, использующими компенсацию емкостной составляющей тока на землю контролируемого участка сети, являются способы и устройства, основанные на выделении активной составляющей тока утечки путем синхронного детектирования сигнала, снимаемого со вторичной измерительной цепи датчика тока. Получение адекватного результата синхронного детектирования требует учета искажений формы контрольного сигнала при преобразовании его датчиком тока.

Известен способ поиска элемента со сниженным сопротивлением изоляции в разветвленной электрической сети постоянного оперативного тока и устройство для его осуществления (Патент Российской Федерации RU 2180124, МПК 7 G 01 R 31/11, дата публикации 27.02.2002 г. Авторы: Вайнштейн Р.А., Шестакова В.В.).

Данный способ основан на наложении на сеть контрольного переменного тока и выделении активной составляющей переменного тока в контролируемом объекте. При этом дополнительно на указанную сеть накладывают короткие импульсы, выделяемые в переменном токе в контролируемом элементе, синхронизированные с моментом перехода через ноль переменного напряжения на полюсах указанной сети, причем в месте измерения элемента со сниженным сопротивлением изоляции при увеличении его емкости увеличивается амплитуда короткого импульса.

Устройство для реализации данного способа содержит соответственно источник контрольного переменного тока, датчик тока контролируемого элемента, измеритель активной составляющей тока, источник коротких импульсов, датчик напряжения на полюсах сети, фильтр низкой частоты.

Причем источник коротких импульсов синхронизирован так, что короткие импульсы вырабатываются в моменты переходы через ноль контрольного тока в контролируемом элементе.

Практическая реализация устройства в значительной степени усложнена необходимостью подключения дополнительных генератора коротких импульсов и фильтра высокой частоты для их выделения.

Способ не предусматривает также компенсации амплитудных искажений, вносимых датчиком тока, что отрицательно сказывается на точности измерения сопротивления изоляции.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ и устройство для мониторинга измерения изоляции электрических сетей, выбранное в качестве прототипа (Patent Number EP 0613018, IPC Classification G 01 R 31/02, G 01 R 15/02, G 01 R 27/18, publication date: 31.08.1994 г., Applicant: MERLIN GERIN).

Способ основан на введении операции калибровки измерительного тракта путем подачи дополнительного контрольного переменного напряжения частоты, отличной от основной. По разнице напряжений с вторичной обмотки датчика тока, измеренных в течение цикла калибровки и вне его, определяют параметры коэффициента передачи датчика тока и корректируют по ним результаты измерения. Данное устройство содержит источник контрольного напряжения переменного тока, тороидальные датчики тока утечки присоединений сети, полосовой фильтр, синхронный детектор, блок обработки информации, дополнительный генератор тока переменного напряжения частоты, отличной от частоты основного контрольного напряжения, и ключ, подключающий дополнительный генератор к вторичной обмотке датчика тока на период калибровки канала измерения, блок обработки информации, включающий вычислительное устройство для определения параметров коэффициента передачи и корректировки результатов измерений.

Недостатком указанного технического решения является то, что оно обеспечивает идентификацию параметров схемы замещения только вторичной цепи датчика. В качестве коэффициента преобразования тока первичной обмотки датчика в ток вторичной обмотки принимается его расчетное значение. Все это снижает точность измерения сопротивления изоляции.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации решают поставленную задачу - повышение точности измерения сопротивления изоляции присоединений в разветвленных сетях постоянного и переменного тока.

Предлагаемый способ основан на наложении на сеть контрольного переменного синусоидального напряжения с заданными значениями величины и частоты, отличными от параметров рабочего напряжения данной сети, измерении тока утечки контролируемого присоединения, фильтрации снятого сигнала и его синхронном детектировании. Отличие состоит в том, что к контролируемому присоединению, параллельно относительно земли, подключают калибровочный резистивно-емкостной импеданс и производят вторичное измерение тока утечки при подключенном импедансе, по разнице результатов измерения вычисляют текущее значение нестационарной величины коэффициента передачи измерительного тракта. По результатам первого измерения и полученной величины коэффициента передачи определяют истинное значение сопротивления изоляции присоединения.

Таким образом, исключается неопределенность результата измерения, связанная с нестационарностью коэффициента передачи датчика тока и всего измерительного тракта в целом.

На фиг.1 изображена схема, отображающая состав операций, предусматриваемых предлагаемым способом.

На указанной схеме изображены датчик тока 1, полосовой фильтр 2 и синхронный детектор 3, реализующие операцию измерения тока утечки присоединения контролируемой сети 10 и разделения его на емкостную и резистивную составляющие. Осуществление двух последовательных измерений тока утечки контрольного напряжения U_ω, подаваемого в проводники присоединений и на опорный вход синхронного детектора 3 от источника контрольного сигнала 7 через разделительные емкости 8, отображены двукратным изображением канала измерения, одно из которых содержит в первичной цепи датчика тока, кроме сопротивления изоляции присоединения 4 и его емкости 5, параллельно подключенный к ним калибровочный импенданс 6, состоящий из параллельно включеных резистора R_к и конденсатора С_к. Элементы 9.1 и 9.2 отображают соответственно операцию вычисления разности V₃ результатов V₂ и V₁ двух упомянутых измерений на выходе синхронного детектора 3 и операцию вычисления по разности V₃ и результату измерения V₁, осуществляемому без подключения калибровочного импенданса, величины R_из сопротивления изоляции 4.

При этом для результатов измерений V₁, V₂ и V₃ справедливы следующие соотношения:

где U_ω - контрольное напряжение;

R_из - сопротивление изоляции;

j - знак мнимой единицы;

ω - круговая частота контрольного сигнала;

С_n - емкость присоединения;

С_к - емкость калибровочного конденсатора;

R_к - сопротивление калибровочного резистора;

K_ω - комплексный коэффициент передачи измерительного тракта, образуемого элементами 1, 2, 3 по току утечки присоединения, а комплексы V₁ и V₂ выражаются через действительные V_iД и мнимые V_iM компоненты, получаемые на выходе синхронного детектора согласно равенствам

где i=1, 2.

Подставив выражения (3 и 4) в соотношение (1) и приравняв по отдельности друг другу действительные и мнимые части левой и правой частей получившегося равенства, будем иметь два уравнения относительно двух неизвестных переменных R_из и С_n:

где V_3Д=V_2Д-V_1Д,

V_3M=V_2M-V_1M.

Разрешая систему (5, 6) относительно R_из и С_n, будем иметь:

Из выражения (7) следует, что применение дифференциального способа измерения тока утечки присоединений сети с подключением на часть периода к контролируемому присоединению калибровочного резистивно-емкостного импеданса действительно обеспечивает независимость, инвариантность результата измерения сопротивления изоляции от нестационарной величины коэффициента передачи измерительного тракта, чем и достигается цель изобретения.

Предлагаемое устройство для измерения сопротивления изоляции присоединений в разветвленных сетях постоянного и переменного тока содержит источник контрольного переменного синусоидального напряжения, трансформаторные датчики токов утечки присоединений, первичными обмотками которых являются совокупности проводников каждого из N присоединений, первый коммутатор для сигналов, снимаемых со вторичных обмоток датчиков тока, полосовой фильтр, синхронный детектор, блок обработки информации, включающий элементы управления первым коммутатором, обеспечивающим поочередное подключение датчиков тока к полосовому фильтру, блок индикации.

Отличительной особенностью устройства является установка в нем резистивно-емкостного импеданса, состоящего из параллельно соединенных калибровочных резистора и конденсатора, второго коммутатора, каждый из коммутируемых вводов которого с первого по N-ый соединен с проводником одного из присоединений. При этом выход второго коммутатора соединен с первыми объединенными выводами калибровочных резистора и конденсатора, вторые объединенные выводы которых заземлены, а управляющий вход коммутатора подключен к шине управления блока обработки информации, включающего также элементы вычисления текущего нестационарного значения коэффициента передачи измерительного тракта.

На фиг.2 изображена структурная схема предложенного устройства, поясняющая принцип его работы на примере контроля сопротивления изоляции присоединений распределенной сети постоянного тока. Выделенная пунктирным контуром схема замещения контролируемой сети 10 с источником питания 11 представлена нагрузкой 12, емкостью 5 и сопротивлением изоляции 4 каждого присоединения по отношению к земле. Устройство состоит из источника контрольного переменного напряжения 7, один из полюсов которого через разделительные конденсаторы 8 подключен к полюсам сети, а другой полюс заземлен. Ток частоты контрольного напряжения, текущий на землю по проводникам через емкости 5 и сопротивление изоляции 4 каждого присоединения, контролируется трансформаторными датчиками 1. Первичной обмоткой датчиков служит совокупность проводников контролируемого присоединения, выходы датчиков подключены к N по числу присоединений коммутируемым входам первого коммутатора 13. Сигнальный выход коммутатора 13 соединен со входом полосового фильтра 2, настроенного на частоту контрольного напряжения. Выход полосового фильтра подключен к первому входу синхронного детектора 3, на второй вход которого поступает напряжение от источника контрольного напряжения 7.

Выход синхронного детектора 3 подключен к входу блока обработки информации 9, соединенного своим информационным выходом с блоком индикации 14 и первым управляющим выходом - с входом управления первого коммутатора 13.

Для достижения цели изобретения устройство дополнительно содержит второй коммутатор 15 и калибровочный резистивно-емкостной импеданс 6 из параллельно соединенных резистора R_к и конденсатора С_к, первые объединенные выводы которых заземлены, а вторые объединенные выводы подключены к выходу второго коммутатора 15. Коммутируемые N входов второго коммутатора соединены каждый с проводником одного из присоединений сети, а вход управления второго коммутатора соединен со вторым управляющим выходом блока обработки информации 9.

Работает устройство следующим образом. Блок обработки информации с заданной периодичностью вырабатывает сигналы управления коммутатором 13, обеспечивая поочередное подключение датчиков 1 к полосовому фильтру 2 на период времени заданной длительности Т_о. Период Т_о делится на два равных интервала T₁ и Т₂. В течение первого интервала ни один из входов второго коммутатора не активирован, и на вход блока обработки информации поступают вырабатываемые синхронным детектором сигналы V_1Д и V_1M, зависящие как от величины тока утечки, определяемого сопротивлением изоляции R_изi и емкостью С_{n i} относительно земли контролируемого в данный период i-го присоединения, так и от текущей величины коэффициента передачи K_ω, измерительного тракта, образуемого датчиком 1, полосовым фильтром 2 и синхронным детектором 3. В течение второго интервала к контролируемому присоединению подключается коммутатором 15 по командному сигналу блока обработки информации калибровочный импеданс 6. Теперь на вход блока обработки информации будут поступать сигналы V_2Д и V_2M, определенные суммой тока утечки присоединения и тока источника контрольного напряжения, текущего через калибровочный импеданс, умноженной также на текущее значение коэффициента передачи K_ω, которое осталось неизменным по сравнению с его величиной на интервале T₁ в силу малости выбираемой длительности периода опроса Т_о по сравнению с временной характеристикой нестационарного процесса дрейфа коэффициента К_ω. Вычисление блоком обработки информации разностей (V_2Д-V_1Д) и (V_2М-V_1M) позволяет без отключения присоединения от сети получить сигнал калибровки V₃ (V_3Д, V_3М), зависящий только от известных калибровочных значений R_к и С_к и неопределенного текущего значения коэффициента передачи К_ω, что и позволяет исключить влияние последнего на результат вычисления сопротивления изоляции, производимого блоком обработки информации согласно приведенным выше соотношениям (7).

Принцип функционирования устройства сохраняется в случае применения его для сетей переменного тока с тем отличием, что изображенные на фиг.2 тороидальные датчики должны охватывать совокупность проводников присоединений по числу фаз сети переменного тока. Описанный принцип действия и структура устройства не ограничивают также реализацию таких его элементов, как полосовой фильтр 2 и синхронный детектор 3, в аналоговой или цифровой форме, и применение в качестве датчиков токов утечки тороидальных или стержневых трансформаторов или датчиков, основанных на эффекте Холла.

Примером конкретной реализации способа может служить устройство, реализованное в выпускаемых ОАО «НИПОМ» для газоперекачивающих компрессорных станций щитах постоянного тока на 220 В и 24 В типа ЩПТ-220 и ЩПТ-24, имеющих до 32 присоединений. Функции фильтрации, синхронного детектирования сигналов с датчиков и обработки информации реализованы в устройстве с помощью микропроцессорного контроллера. Калибровочный импеданс имеет параметры R_к=10 кОм и С_к=0,47 мкФ.

Эффективность применения способа иллюстрируется следующими, полученными на практике данными. При емкости кабелей присоединений, не превышающей 0,5 мкФ, измерения сопротивления изоляции величиной 300 кОм при отключенном контуре калибровки имеют разброс порядка 50% в нижнюю сторону и 100% - в верхнюю. В то время как при действующем в каждом цикле контуре калибровке измерения имеют временной разброс, не превышающий 10% в нижнюю сторону и 20% - в верхнюю. В случае протяженных кабельных линий присоединений с емкостями порядка 1,5 мкФ измерения, производимые без циклической калибровки, не позволяют достоверно идентифицировать фидер с пониженным до 300 кОм сопротивлением изоляции, тогда как при введении циклической калибровки устройство надежно идентифицирует фидер, сопротивление изоляции которого снизилось до величины 300 кОм, с погрешностью около 20%.

Использование предлагаемого способа и устройства для измерения сопротивления изоляции присоединений по сравнению с существующими позволяет значительно повысить точность измерения и надежно обнаруживать присоединение со сниженным сопротивлением изоляции.

На сеть накладывают контрольное переменное напряжение заданной частоты, отличной от частоты сети. Измеряют ток в контролируемом присоединении, фильтруют снятый сигнал и проводят синхронное детектирование сигнала для определения тока утечки. Отличительной особенностью способа является подключение к контролируемому присоединению калибровочного резистивно-емкостного импеданса и вторичное измерение тока утечки при подключенном импедансе. По результатам двух измерений тока утечки определяют нестационарную величину коэффициента передачи измерительного тракта и значение сопротивления изоляции контролируемого присоединения. Изобретение направлено на исключение влияния нестационарности параметров датчика тока и измерительного тракта, что позволяет повысить точности измерения сопротивления изоляции присоединения и надежность идентификации участка сети с пониженным сопротивлением изоляции. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения сопротивления изоляции присоединений в разветвленных сетях постоянного и переменного тока, основанный на наложении на сеть контрольного переменного синусоидального напряжения с заданными значениями величины и частоты, отличными от параметров напряжения данной сети, измерении тока утечки контролируемого присоединения, фильтрации снятого сигнала и его синхронном детектировании, отличающийся тем, что к контролируемому присоединению параллельно относительно земли подключают калибровочный резистивно-емкостной импеданс и производят вторичное измерение тока утечки при подключенном импедансе, по разнице результатов измерения вычисляют текущее значение нестационарной величины коэффициента передачи измерительного тракта, по результатам первого измерения и полученной величине коэффициента передачи определяют истинное значение сопротивления изоляции присоединения.2. Устройство для измерения сопротивления изоляции присоединений в разветвленных сетях постоянного и переменного тока, содержащее источник контрольного переменного синусоидального напряжения, трансформаторные датчики токов утечки присоединений, первичными обмотками которых являются совокупности проводников каждого из N присоединений, первый коммутатор для сигналов, снимаемых со вторичных обмоток датчиков тока, полосовой фильтр, синхронный детектор, блок обработки информации, включающий элементы управления первым коммутатором, обеспечивающим поочередное подключение датчиков тока к полосовому фильтру, блок индикации, отличающееся тем, что в нем установлен калибровочный резистивно-емкостной импеданс, состоящий из параллельно соединенных калибровочных резистора и конденсатора, второй коммутатор, каждый из коммутируемых вводов которого с первого по N-й соединен с проводником одного из присоединений, выход второго коммутатора соединен с первыми объединенными выводами калибровочных резистора и конденсатора, вторые выводы которых заземлены, при этом управляющий вход коммутатора подключен к шине управления блока обработки информации, включающего также элементы вычисления текущего нестационарного значения коэффициента передачи измерительного тракта.