Способ автоматического контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока Российский патент 2021 года по МПК G01R27/18 G01R15/12 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, преимущественно для транспортных средств с системой питания на постоянном токе. В способе автоматического контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока, при котором посредством автоматики измеряют напряжения U₊, U_- между соответственно положительной и отрицательной шинами питания и землей, для этого после полного разряда конденсатора С выключают первый коммутирующий элемент К1, обеспечивающий разряд конденсатора С через разрядный резистор R_P и включают на фиксированное время t второй коммутирующий элемент К2, обеспечивая заряд конденсатора С от положительной шины питания через дополнительное сопротивление R_Д и сопротивление изоляции R_i-, после выключения второго коммутирующего элемента заряд конденсатора прерывают, замеряют напряжение заряда конденсатора и после фиксации результатов измерения включают коммутирующий элемент К1, замыкая через разрядный резистор R_P цепь разряда конденсатора на землю для приведения измерительной цепи в исходное положение, а значения сопротивлений изоляции вычисляют по следующим соотношениям:

где:

R_i+, R_i- - сопротивления изоляции положительной и отрицательной шин питания соответственно;

U₊, U_- - напряжения на положительной и отрицательной шинах питания относительно "земли" до начала цикла заряда конденсатора С;

U_C - напряжение на заряженном в процессе измерения конденсаторе;

С - емкость конденсатора;

t - время заряда конденсатора:

R_Д - сопротивление дополнительного резистора в цепи заряда конденсатора.

При этом управление коммутирующими элементами, измерения, расчет и фиксация параметров и контроль сопротивления изоляции осуществляется автоматически посредством блока автоматического управления.

Достигаемый технический результат изобретения при реализации действий способа заключается в повышении точности измерений сопротивления изоляции сети постоянного тока, повышении электробезопасности эксплуатации и повышении помехозащищенности.

Известен способ измерения сопротивлений изоляции сети постоянного тока (Патент РФ № RU 2670722 С9, МПК G01R 27/18, заявитель ООО «Силовая электроника», опубл. 24.10.2018 г.), который заключается в измерении напряжения между шинами изолированной сети постоянного тока и "землей" при подключенных измерительных резистивных элементах между каждой шиной и "землей" и вычислении значений сопротивлений изоляции. В качестве измерительных резистивных элементов используют переключаемые делители напряжения. Переключение делителей производят таким образом, чтобы в первом состоянии общее сопротивление первого делителя было меньше, чем второго, а во втором состоянии общее сопротивление первого делителя было больше, чем второго, причем коэффициент деления каждого делителя оставляют неизменным. Недостатками этого способа являются сложность схемы реализации и снижение сопротивления изоляции за счет подключения параллельных резисторов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения сопротивления изоляции двухпроводных сетей постоянного тока (Патент СССР № SU 1041958 А1, МПК G01R 27/18, заявитель Винницкий политехнический институт, опубл. 15.09.1983 г.), заключающийся в фиксации напряжения между контролируемой шиной питания и землей, подключении между этой шиной и землей конденсатора и фиксация тока, протекающего через конденсатор, последующего разряда конденсатора и расчета сопротивления изоляции контролируемой шины питания.

Недостатками способа являются низкая точность измерения при наличии колебаний питающего напряжения, но главное - нарушение требований электробезопасности при измерениях, когда потенциал шины питания подается на заземляющий контур или на корпус автомобиля.

Техническими результатами изобретения являются повышение точности измерения сопротивления изоляции сети постоянного тока, повышение электробезопасности эксплуатации и повышение помехозащищенности.

Каждый технический результат достигается при использовании всей последовательности действий по предлагаемому способу автоматического контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока, при котором измеряют напряжения U₊, U_- между соответствующими шинами питания и землей, затем, после полного разряда конденсатора выключают первый коммутирующий элемент К1, обеспечивавший разряд конденсатора С через разрядный резистор R_P на землю, затем включают на фиксированное время t второй коммутирующий элемент К2, обеспечивая заряд конденсатора С от положительной шины питания через дополнительное сопротивление R_Д и сопротивление изоляции R_i-, после выключения второго коммутирующего элемента К2 заряд конденсатора С прерывают, замеряют напряжение заряда конденсатора С и включают первый коммутирующий элемент К1 цепи разряда конденсатора С на землю через разрядный резистор R_P, а значения сопротивлений изоляции вычисляют по следующим соотношениям:

где:

R_i+, R_i- - сопротивления изоляции положительной и отрицательной шин питания соответственно;

U₊, U_- - напряжения на положительной и отрицательной шинах питания относительно "земли" до начала цикла заряда конденсатора С;

U_C - напряжение на заряженном в процессе измерения конденсаторе;

С - емкость конденсатора;

t - время заряда конденсатора:

R_Д - сопротивление дополнительного резистора в цепи заряда конденсатора.

При этом управление коммутирующими элементами, измерения, расчет и фиксация параметров и контроль сопротивления изоляции осуществляется автоматически посредством блока автоматического управления.

Таким образом, вне зависимости от соотношения сопротивлений изоляции положительной и отрицательной шин сети питания и от их изменений в процессе эксплуатации производится постоянный автоматический контроль этих сопротивлений, при этом повышаются точность измерения, вследствие повторяющихся однотипных измерений, так как они могут сравниваться с результатами предыдущих измерений, а электробезопасность эксплуатации повышается вследствие возможности контроля динамики изменения указанных сопротивлений изоляции питающих шин и своевременного выявления тенденции их нештатного снижения, и помехозащищенность за счет сглаживания помех на измерительном конденсаторе.

На фигуре 1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока.

Устройство для реализации предлагаемого способа автоматического контроля сопротивления изоляции сети питания постоянного тока, содержит средства переключения, контроля, измерения и фиксации параметров, конденсатор и резисторы, причем средства переключения выполнены в виде первого К1 и второго К2 коммутирующих элементов, при этом вход первого коммутирующего элемента К1 соединен с входным электродом конденсатора С, а его выход через разрядный резистор R_P соединен с выходным заземленным электродом конденсатора С, а вход второго коммутирующего элемента К2 выполнен с возможностью соединения с положительной шиной питания (также очевидна возможность соединения с отрицательной шиной питания и вычисления сопротивления изоляции положительной R_i+, и отрицательной R_i- шин питания, что соответственно определяется симметричностью процесса измерения), а его выход соединен через дополнительное сопротивление R_Д с входным электродом конденсатора С, средства измерения параметров выполнены в виде соответствующим образом связанных между собой блоков измерений, расчета и фиксации параметров, средства контроля и управления выполнены в виде соответствующим образом связанных блока автоматического управления коммутирующими элементами, блоками измерений, расчета и фиксации параметров.

Все указанные блоки являются типовыми, конструируются, программируются и связываются между собой типовым образом, работают по известным заданным заранее алгоритмам и по этой причине не представляют интереса и не требуют подробного описания их конструкции и раскрыты ниже.

Заявляемый способ определения сопротивлений изоляции реализуют при работе выше описанного устройства следующим образом.

Способ автоматического контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока, при котором посредством автоматики в соответствии с последовательностью действий, запрограммированной в блоке автоматического управления коммутирующими элементами, блоками контроля, измерений, расчета и фиксации параметров, измеряют напряжения U₊, U_- между соответственно положительной и отрицательной шинами питания и "землей", затем после полного разряда конденсатора С выключают первый коммутирующий элемент К1, обеспечивавший полный разряд конденсатора С через разрядный резистор R_P на "землю", затем включают на фиксированное время t второй коммутирующий элемент К2, обеспечивая заряд конденсатора С от положительной шины питания через дополнительное сопротивление R_Д и сопротивление изоляции R_i-, после выключения второго коммутирующего элемента К2 заряд конденсатора С прерывают, замеряют напряжение U_C заряда конденсатора С и включают первый коммутирующий элемент К1 цепи разряда конденсатора С на "землю" через разрядный резистор R_P до полных разряда конденсатора С и готовности к повторному измерению, а значения сопротивлений изоляции вычисляют по следующим соотношениям:

где:

R_i+, R_i- - сопротивления изоляции положительной и отрицательной шин питания соответственно;

U₊, U_- - напряжения на положительной и отрицательной шинах питания относительно "земли" до начала цикла заряда конденсатора С;

U_C - напряжение на заряженном в процессе измерения конденсаторе С

С - емкость конденсатора;

t - время заряда конденсатора:

R_Д - сопротивление дополнительного резистора в цепи заряда конденсатора С.

Далее в блоке автоматического управления, соответствующим образом соединенном с коммутирующими элементами, блоками контроля, измерений, расчета и фиксации параметров, сравнивают в блоке контроля рассчитанные значения с величинами сопротивлений из определенного числа предыдущих измерений, вычисленных ранее, и определяют их изменения за заданное число предыдущих циклов измерений, если эти величины изменений не превышают штатных величин (например, в пределах статистической погрешности измерений или не превышение предельной величины уменьшения сопротивления изоляции за один шаг цикла измерений) и не имеют тенденцию к росту, то фиксируют заданное число этих значений в блоке фиксации параметров до следующего цикла измерения и расчета.

Для выполнения последовательности всех действий способа могут использоваться следующие материальные средства, необходимые для автоматического переключения коммутирующих элементов, контроля состояния, измерения и хранения значений зафиксированных параметров сети, таких как напряжения на шинах питания и на электродах конденсатора относительно "земли" на всех этапах измерений и параметров разрядного и дополнительного резисторов. Указанные средства известны по отдельности и в составе автоматически управляемых устройств и по этой причине не могут быть предметом защиты, так например, в качестве коммутирующих элементов могут использоваться электронные реле, контакторы, дистанционные переключатели и т.д., в качестве средств автоматического управления указанными средствами могут использоваться блоки автоматического управления с соответствующей программируемой автоматикой, а в качестве измерителей напряжений могут, например, использоваться зеркальные лепестковые потенциометры, сопротивление которых велико, а неточность измерения напряжения может вызываться только малой утечкой заряда с измерительных подвижных пластин (лепестков), или другие электронные измерительные приборы, блоки или элементы необходимой точности, выбранного конструктивного исполнения и т.д.

Основанием для выведения указанных зависимостей служат ниже следующие рассуждения.

Очевидно, что в предлагаемой схеме постоянная времени заряда конденсатора С определяется известной емкостью установленного конденсатора С и суммарным активным сопротивлением контура заряда, в данном случае (R_i-+R_Д). При этом время измерения и номинальное значение емкости конденсатора С выбираются таким образом, чтобы величина напряжения U_C на конденсаторе С (с учетом знака измеряемого напряжения на соответствующей положительной или отрицательной шине питания) по окончанию цикла измерения не превышала 1÷2% от величины напряжения сети питания постоянного тока. В таком случае процесс заряда конденсатора можно считать линейным с точностью до 1%. Аппроксимирующий расчет постоянной времени, например, при расчете R_i-, достигается расчетом соотношения Если учесть, что для конденсатора постоянная времени τ=CR_∑, получаем требуемую зависимость Далее находим искомую величину Величину R_i+ предлагается рассчитывать по следующему соотношению

Таким образом, вне зависимости от соотношения сопротивлений изоляции положительной и отрицательной шин сети питания и от их изменений в процессе эксплуатации производится постоянный автоматический контроль этих сопротивлений, при этом повышаются точность измерения, так как они могут сравниваться с результатами предыдущих измерений, а электробезопасность эксплуатации повышается вследствие возможности контроля динамики изменения указанных сопротивлений и своевременного выявления тенденции их нештатного снижения, и помехозащищенность повышается за счет сглаживания помех от нештатных колебаний напряжения на измерительном конденсаторе.

Оперативного контроля сопротивлений изоляции сети требуют стандарты безопасности различных технологических и транспортных процессов, например, процесса зарядки и эксплуатации высоковольтных тяговых батарей электромобиля.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике транспортных средств с системой питания на постоянном токе. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений сопротивления изоляции сети постоянного тока, повышении электробезопасности эксплуатации и повышении помехозащищенности. В способе измеряют напряжения и фиксируют результаты измерения напряжения U₊, U_- между соответствующими положительной и/или отрицательной шинами питания и землей, для этого после полного разряда конденсатора С выключают первый коммутирующий элемент К1, обеспечивавший полный разряд конденсатора С через разрядный резистор R_P на "землю", затем включают на фиксированное время t второй коммутирующий элемент К2, обеспечивая заряд конденсатора С от произвольно выбранной шины питания через дополнительное сопротивление R_Д и соответствующее сопротивление изоляции R_i, в течение заданного времени заряда, после выключения второго коммутирующего элемента К2 заряд конденсатора С прерывают, замеряют напряжение заряда U_C конденсатора С и после фиксации результатов измерения включают первый коммутирующий элемент К1 цепи разряда конденсатора С на землю через разрядный резистор R_P для приведения измерительной цепи в исходное положение и готовности к повторному измерению, а значения сопротивлений изоляции вычисляют по следующим соотношениям:

где: R_i+, R_i- - сопротивления изоляции положительной и отрицательной шин питания соответственно; U₊, U_- - напряжения на положительной и отрицательной шинах питания относительно "земли" до начала цикла заряда конденсатора С; U_C - напряжение на заряженном в процессе измерения конденсаторе; С - емкость конденсатора; t - время заряда конденсатора; R_Д - сопротивление дополнительного резистора в цепи заряда конденсатора. Далее сравнивают в блоке контроля рассчитанные значения с величинами сопротивлений из предыдущих измерений и, если эти величины не превышают штатных изменений величин, фиксируют эти значения в блоке фиксации параметров до следующего цикла измерения и расчета. 1 ил.

Способ автоматического контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока, при котором посредством автоматики измеряют и фиксируют результаты измерения напряжения U₊, U_- между соответственно положительной и отрицательной шинами питания и "землей", для этого после полного разряда конденсатора С выключают первый коммутирующий элемент К1, обеспечивавший полный разряд конденсатора С через разрядный резистор R_P на "землю", затем включают на фиксированное время t второй коммутирующий элемент К2, обеспечивая заряд конденсатора С от положительной шины питания через дополнительное сопротивление R_Д и сопротивление изоляции R_i, в течение заданного времени заряда, после выключения второго коммутирующего элемента К2 заряд конденсатора С прерывают, замеряют напряжение U_C заряда конденсатора С и после фиксации результатов измерения включают первый коммутирующий элемент К1, замыкая через разрядный резистор R_P цепь разряда конденсатора С на "землю" до полного разряда конденсатора С и готовности к повторному измерению, а значения сопротивлений изоляции вычисляют по следующим соотношениям:

где:

R_i+, R_i- - сопротивления изоляции положительной и отрицательной шин цепи питания соответственно;

U₊, U_- - напряжения на положительной и отрицательной шинах питания относительно "земли" до начала цикла заряда конденсатора С;

U_C - напряжение на заряженном в процессе измерения конденсаторе С;

С - емкость конденсатора;

t - время заряда конденсатора:

R_Д - сопротивление дополнительного резистора в цепи заряда конденсатора С,

при этом управление коммутирующими элементами, измерения, расчет и фиксация параметров и контроль сопротивления изоляции осуществляются автоматически посредством блока автоматического управления.