СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК G01R27/16 

Изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к измерениям сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от "земли".

Известен способ измерения сопротивления изоляции [Авторское свидетельство СССР №408238, кл. G01R 27/18, 1974], заключающийся в подключении к контролируемой сети вспомогательного источника постоянного напряжения, осуществлении его регулярной коммутации таким образом, чтобы моменты коммутации не были коррелированны с изменением напряжения контролируемой сети, и определении величины сопротивления изоляции сети по сумме значений напряжения в измерительной точке, измеренных в моменты времени, предшествующие коммутации. Способ обеспечивает возможность измерения сопротивления изоляции как обесточенных цепей, так и сетей, находящихся под постоянным или переменным напряжением.

Однако основным недостатком данного способа является его малое быстродействие. Это обусловлено тем, что после каждой проведенной коммутации вспомогательного источника постоянного напряжения нельзя сразу производить измерения напряжения в измерительной точке. После коммутации необходим промежуток времени, достаточный для перезаряда емкостей сети. После этого промежутка времени можно производить измерение напряжения и лишь затем производить очередную коммутацию. Поскольку емкости сети могут достигать нескольких сотен микрофарад, то время измерения сопротивления изоляции сети может достигать нескольких десятков или даже сотен секунд. Это часто недопустимо, так как из-за возможного вероятного подключения или отключения отдельных потребителей во время измерения может появиться недопустимо большая погрешность измерения. Кроме того, при таком длительном цикле измерения может произойти значительное изменение сопротивления изоляции и, как следствие, возникнуть опасность поражения людей электрическим током и угроза возникновения пожара.

Известен также способ измерения сопротивления изоляции [Иванов Е.А., Кузнецов С.Е. Методы контроля изоляции судовых электроэнергетических систем. Учебное пособие. - СПб.: "Элмор", 1999, с.53-54], который можно применять в сетях переменного и двойного рода тока. Суть способа состоит в следующем. К фазам сети переменного тока подключается трехфазный выпрямительный мост, собранный по схеме Ларионова. Затем поочередно измеряют три средних значения напряжения: на выходе моста, между положительным полюсом моста и "землей", между отрицательным полюсом и "землей". Затем выполняют расчет сопротивления изоляции по формуле.

Основным недостатком данного способа является невысокое быстродействие, обусловленное необходимостью измерять средние значения напряжений, так как именно средние значения напряжений являются носителями информации о величине сопротивления изоляции.

Кроме того, этот способ непригоден для обесточенных сетей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ измерения сопротивления изоляции, заключающийся в следующем [Авторское свидетельство СССР №1737363, кл. G01R 27/18, 1992]. Производят заряд емкостей сети относительно земли постоянным током неизменного значения до величины заданного значения напряжения, отключают источник тока неизменного значения, подключают источник измерительного постоянного напряжения заданного значения и проводят измерение тока утечки, затем повторяют цикл измерений с изменением полярности напряжения на емкостях сети и обрабатывают результаты измерений, причем количество циклов измерений зависит от рода тока контролируемой сети. Данный способ позволяет существенно сократить время измерения за счет ускорения заряда емкостей сети от источника неизменного тока и в обесточенных сетях или в сетях постоянного тока обеспечивает хорошие результаты, поскольку число циклов измерений здесь не превышает двух. Однако в сетях переменного или двойного рода тока число циклов измерений существенно больше, что необходимо для устранения влияния на результат измерения переменного напряжения. Это приводит к увеличению времени измерения и снижению точности измерения сопротивления изоляции.

Технический результат от реализации данного изобретения заключается в сокращении времени измерения, повышении точности измерения сопротивления изоляции в сетях любого рода тока, находящихся под напряжением или обесточенных, за счет возможности измерения емкости таких сетей.

Поставленная задача достигается тем, что способ измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей по первому варианту возможной реализации заключается в том, что в качестве контролируемой сети выбирают электрическую сеть под напряжением, к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют ток через этот источник постоянного измерительного напряжения и запоминают эти значения напряжения и тока, потом отключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения и подключают источник тока неизменного значения и производят заряд емкости сети в течение ровно периода напряжения контролируемой сети, измеряют напряжение в точке подсоединения ровно через период напряжения сети и запоминают его, затем отключают источник тока неизменного значения и подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют и запоминают значение тока, протекающего через этот источник, и на основании полученных результатов измерений определяют величины сопротивления изоляции и емкости контролируемой сети.

Поставленная задача достигается тем, что способ измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей по второму варианту возможной реализации заключается в том, что в качестве контролируемой сети выбирают электрическую сеть любого рода тока под напряжением или обесточенную и изолированную от "земли", при этом к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют ток через этот источник постоянного измерительного напряжения и запоминают эти значения напряжения и тока, потом отключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения и подключают источник тока неизменного значения и производят заряд емкости сети в течение времени t_изм=20 мс, измеряют напряжение в точке подсоединения ровно через t_изм=20 мс и запоминают его, затем отключают источник тока неизменного значения и подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют и запоминают значение тока, протекающего через этот источник, и обрабатывают результаты измерений по формулам, вычисляя величины сопротивления изоляции и емкости сети.

От прототипа изобретение отличается тем, что в сетях любого рода тока под напряжением или обесточенных и изолированных от "земли" к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют ток через этот источник постоянного измерительного напряжения и запоминают эти значения напряжения и тока, потом отключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения и подключают источник тока неизменного значения и производят заряд емкости сети в течение либо периода напряжения контролируемой сети либо интервала времени t_изм=20 мс, измеряют напряжение в точке подсоединения ровно через указанный промежуток времени и запоминают его, затем отключают источник тока неизменного значения и подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют и запоминают значение тока, протекающего через этот источник, и обрабатывают результаты измерений по формулам, вычисляя величины сопротивления изоляции и емкости сети.

На фиг.1 приведена схема устройства, поясняющая принцип действия предлагаемого способа, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие предлагаемый способ (на фиг.2а - напряжение фаз контролируемой сети в случае симметрии сети, на фиг.2б - напряжение на выходе блока подключения при его реализации в виде схемы Ларионова, а на фиг.2в и 2г - те же напряжения соответственно в случае несимметрия сети).

Устройство состоит из блока управления 1, переключателя 2, источника регулируемого постоянного измерительного напряжения 3, блока подключения 4, контролируемой сети 5, блока измерения тока 6, блока измерения напряжения 7, источника тока неизменного значения 8, блока обработки результатов 9 и блока регистрации и индикации 10. Причем источник тока неизменной величины 8 включен между "землей" и переключателем 2, блок измерения тока 6 включен между "землей" и источником регулируемого постоянного измерительного напряжения 3, который подключен к переключателю 2 и к блоку управления 1, который подключен к переключателю 2 и к блоку измерения напряжения, ко входу которого подключен выход переключателя 2, этот же выход переключателя 2 подключен ко входу блока подключения 4, выход которого подключен к контролируемой сети 5, выход блока измерения тока 6 и выход блока измерения напряжения 7 подключены ко входам блока обработки результатов 9, выход которого подключен ко входу блока регистрации и индикации.

Блок подключения 4 представляет собой либо трехфазный выпрямительный мост, собранный по схеме Ларионова, три входа которого подключены к фазам контролируемой сети 5, средняя точка низкоомной нагрузки - к переключателю 2, либо (этот вариант на фиг.1 не показан) три индуктивности, одни концы которых объединены и подключены к переключателю 2, а другие концы - к трем фазам контролируемой сети 5, либо (этот вариант на фиг.1 не показан) блок подключения 4 обеспечивает непосредственное подключение переключателя 2 к одной (любой) из фаз контролируемой сети 5.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.

Блок управления 1 с помощью переключателя 2 подключает в момент времени t₁ (фиг.2) источник регулируемого постоянного измерительного напряжения 3 через блок подключения 4 к контролируемой сети 5. Причем значение напряжения этого источника регулируемого постоянного измерительного напряжения 3 равно напряжению сети в точке подключения, что обеспечивается измерением этого напряжения блоком измерения напряжения 7 и установлением с помощью блока управления 1 этого значения напряжения на выходе источника регулируемого постоянного измерительного напряжения 3. Это же значение напряжения U₁ запоминается в блоке обработки результатов 9, а также происходит измерение блоком измерения тока 6 тока, протекающего через источник регулируемого постоянного измерительного напряжения 3, и запоминание этого значения тока i₁ в блоке обработке результатов 9. После этого блок управления 1 с помощью переключателя 2 отключает источник регулируемого постоянного измерительного напряжения 3 и подключает в момент времени t₂ (фиг.2) источник тока неизменного значения 8 ровно на время либо периода напряжения контролируемой сети, либо интервала времени t_изм=20 мс. Происходит заряд емкостей сети от этого источника тока 8. Напряжение контролируемой сети измеряется с помощью блока измерения напряжения 7 и через блок управления 1 оно повторяется в источнике регулируемого постоянного измерительного напряжения 3. Ровно через период напряжения контролируемой сети либо интервал времени t_изм=20 мс значение этого напряжения U₂ запоминается в блоке обработки результатов 9 и в этот же момент блок управления 1 с помощью переключателя 2 отключает источник тока неизменной величины 8 и подключает источник регулируемого постоянного измерительного напряжения 3, величина напряжения которого равна напряжению сети в точке подключения. В этот же момент производится и запоминается значение тока i₂.

В блоке обработки результатов 9 происходит обработка результатов измерений токов I₁ и I₂ и напряжений U₁ и U₂, которая заключается в следующем.

Вычисляют разности напряжений U=U₂-U₁ и токов I=I₂-I₁. Очевидно, что ток I₁ и напряжение U₁ определяются параметрами контролируемой сети, а именно напряжением сети и ее конфигурацией, т.е. величинами сопротивлений изоляции и емкостей сети и степенью несимметрии сети. Величина U₂ содержит две составляющие: первая в точности повторяет значение U₁, а вторая U_ИЗ определяется значениями источника тока неизменно величины 8 и емкостью сети 5. Величина I₂ также содержит две составляющие: первая равна I₁, а вторая I_ИЗ определяется сопротивлением изоляции сети R_ИЗ и напряжением U_ИЗ. Таким образом, для измерения сопротивления изоляции необходимо произвести следующие вычисления:

Кроме этого, можно вычислить эквивалентную емкость сети по формуле (2). Вывод формулы приведен в приложении.

где I_ИСТ - значение источника тока неизменной величины 2,

T_П=t₂-t₁ - период контролируемой сети.

Вычисленные значения сопротивления изоляции сети и емкости сети передаются в блок регистрации и индикации 10.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет достигнуть технический результат, который заключается в сокращении времени измерения, повышении точности измерения сопротивления изоляции в сетях любого рода тока, находящихся под напряжением или обесточенных, за счет возможности измерения емкости таких сетей.

Анализ эквивалентной схемы сети и вывод формулы (2). Эквивалентная схема измерительной цепи предлагаемого устройства приведена на фиг.3. Здесь приняты следующие обозначения: R_ИЗ и С_Э - эквивалентные значения сопротивления изоляции и емкости сети, соответственно равные параллельному соединению соответственно всех сопротивлений изоляции и всех емкостей, I - величина тока источника постоянного тока. Сопротивлениями диодов во включенном состоянии, а также параллельным соединением частей резистора блока присоединения пренебрегли ввиду их малости (на несколько порядков) по сравнению с сопротивлением R_ИЗ.

Эту схему можно преобразовать к следующей (фиг.4).

Из анализа данной системы получим

где τ=R_ИЗ·С_Э.

Используя разложения в ряд для U_C(t), получим

При t_ИЗМ = t₂ - t₁<<t, что всегда выполняются, т.к. t_ИЗМ - это десятки миллисекунд (при f=50 Гц, t_U=20 мс), а τ - это секунды или десятки секунд (так при с = 100 мкФ и R_ИЗ=100 кОм, τ=10 с), получим

Отсюда следует:

Предложенное изобретение относится к электрическим измерениям, а именно к измерениям сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, находящихся под рабочим напряжением или обесточенных и изолированных от "земли". Технический результат от реализации изобретения заключается в сокращении времени измерения, повышении точности измерения сопротивления изоляции в сетях любого рода тока, находящихся под напряжением или обесточенных, за счет возможности измерения емкости таких сетей. Способ измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей заключается в том, что в качестве контролируемой сети выбирают электрическую сеть любого рода тока под напряжением или обесточенную и изолированную от "земли", при этом к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют ток через этот источник постоянного измерительного напряжения и запоминают эти значения напряжения и тока, потом отключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения и подключают источник тока неизменного значения и производят заряд емкости сети в течение периода изменения напряжения в сети или в течение t_изм=20 мс, измеряют напряжение в точке подсоединения через указанный промежуток времени и запоминают его, затем отключают источник тока неизменного значения и подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют и запоминают значение тока, протекающего через этот источник, и обрабатывают результаты измерений по формулам, вычисляя величины сопротивления изоляции и емкости сети. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей, заключающийся в том, что в качестве контролируемой сети выбирают электрическую сеть под напряжением, при этом к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют ток через этот источник постоянного измерительного напряжения и запоминают эти значения напряжения и тока, потом отключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения и подключают источник тока неизменного значения и производят заряд емкости сети в течение ровно периода напряжения контролируемой сети, измеряют напряжение в точке подсоединения ровно через период напряжения сети и запоминают его, затем отключают источник тока неизменного значения и подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют и запоминают значение тока, протекающего через этот источник, и на основании полученных результатов измерений определяют величины сопротивления изоляции и емкости контролируемой сети.2. Способ измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей, заключающийся в том, что в качестве контролируемой сети выбирают электрическую сеть любого рода тока под напряжением или обесточенную и изолированную от "земли", при этом к контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют ток через этот источник постоянного измерительного напряжения и запоминают эти значения напряжения и тока, потом отключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения и подключают источник тока неизменного значения и производят заряд емкости сети в течение времени t_изм=20 мс, измеряют напряжение в точке подсоединения ровно через t_изм=20 мс и запоминают его, затем отключают источник тока неизменного значения и подключают источник регулируемого постоянного измерительного напряжения, значение напряжения которого равно напряжению сети в точке подсоединения, измеряют и запоминают значение тока, протекающего через этот источник и обрабатывают результаты измерений по формулам, вычисляя величины сопротивления изоляции и емкости сети.