Устройство для измерения сопротивления изоляции сети постоянного тока Советский патент 1984 года по МПК G01R27/18 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может 6t:Tb использовано в телеметрических системах измерения и контроля состояния ИЗОЛЯЦИИ электрических сетей постоянного тока, находящихся под постоянным рабочим напряжением или о&есточенных, на энергетических объектах различного назначения.

Известен измерительный преобразо ватель сопротивления изоляции сети постоянного тока., содержащий генератор тестового знакопеременного наряжения прямоугольной формы, соединенный через балансный резистор с контролируемой сетью, которая через разделительный конденсатор соединена с входом измерительного блока, состоящего из амплитудного детектор собранного на двух диодах и двух конденсаторах таким образом, что за один цикл измерения на нем выделяется двойная амплитуда сформированного в сети информационного сигнала, измерительный блок содержит также выходной нормирующий усилитель посто нного тока, собранный,например, по схеме; м-да l .

Принцип измерения основан на том что установившееся (амплитудное) значение информационного сигнала, вьщеленного на импедансе изоляции, в первом приближении пропорционально сопротивлению изоляции и не зависит от емкости сети.

Недостатками известного преобра-г зователя являются низкие точность. измерений вследствие нелинейности уравнения преобразования, и быстродействие вследствие отсутствия автоматической перестройки частоты тестового генератора в зависимости от скорости переходного процесса информационного сигнала в сети, Кроме того, устройство гальванически связано с контролируемой сетью через балансный резистор, вследствие чего оно шунтирует сопротивление изоляции, уменьшая его, а рабочее напряжение сети воздействует на измерительный блок, что снижает надежность устройства, особенно при больших напряжениях сети.

Наиболее близким по технической ;сущности к изобретению является устройство для измерения: сопротивления изоляции.сети, постоянного;- тока, содержащее генератор прямоугольных

импульсов, первый разделительный KOH денсатор, первый вывод которого соенен с входной клеммой устройства, второй вывод - с входом высокоомного повторителя, второй разделительный конденсатор,первый вывод которого соединен с входной клеммой устройства, выход генератора прямоугольных импульсов Соединен- с первым входом блока управления, первый выход которого соединен с входом синхронизации генератора прямоугольных импульсов и с управляющим входом первого ключа, включенного в цепь обратной связи интегратора, выход которого .через параллельно включенные второй и третий ключи соединен с двумя входами аналогового дифференциального блока памяти, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с выходной клеммой устройства, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего ключей, вход интегратора соединен с вто рым входом блока управления, второй вывод второго разделительного конде 1сатора соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход высокоомного повторителя соединен с входом интегратора.

В известном устройстве блок управления содержит инвертор, первый и второй элементы И, последовательно соединённые двухполупериодный. выпрямитель, компаратор, первый и второй одновибраторы, причем вход инвертора соединен с первым блока управления и с- первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с вторым входом первого элемента И и с выходом первого одновибратора, вход двухполупериодного выпрямителя соединен с вторым входом блока управления, первый выход- которого соединен с выходом второго одновибратора, второй и третий выходы- - соответственно с выходами первого и второго элемента И, второй вход компаратора соединен с выходом источника опорного напряжения 2 .

Принцип измерения основан на том что в контролируемой сети возбуждают апериодические экспоненциальные затуха1ощие сигналы и измеряют их вольт-секундную площадь которая

пропорциональна контролируемому сопротивлению изоляции и не зависит от емкости сети во всем диапазоне измерения.

Однако точность измерения данно га устройства при работе с реальны М1 сетями постоянного тока оказывается невысокой в результате звлияния На уравнение преобразования . передаточной функции / разделительной RC -цепи.

Кроме того, по переднему фронгу коммутационных всплесков и провалов рабочего напряжения сети, а также при включении напряжения сети происходят значительные всплески тока через второй разделительный конденсатор на низкое вькодное сопротивление генератора прямоугольных импульсов. Это, с одной стороны создает неблагоприятное для нормальной эксплуатации импульсное шунтирование источников электропитания сети, а с другой - ужесточает усГловия работы самого разделительного конденсатора и генератора импульсов ,Что значительно снижает надежность работы устройства и требует применение более дорогого, усиленного по мощности генератора. Так как емкость этого конденсатора при работе с сетями с больщой емкостью полюсов относительно земли необходи МО выбирать большой, то для обеспечения крутого переднего фронта информационного сигнала,.возбужденного на импедансе изоляции от перепада тестового напряжения, с выхода генератора импульсов необходимо обеспечить значительный импульсный ток, что затруднительно при микроэлектронном исполнении устройства При недостаточной крутизне информационного сигнала уравнение.преобразования становится нелинейным и точность измерения уменьшается.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения сопротивления изоляции .сети постоянного тока, содержащее генератор прямоугольных импульсов, первый раз .делительный конденсатор, первый вывод которого соединен с входной клеммой устройства, второй вывод с входом высокоомного повторителя, второй разделительный конденса128194. 4

тор, первый вывод которого соединен с входной клеммой устройства, выход генератора прямоугольных импульсов

соединен с первым входом блока управ /

5 ления,первый выход которого соединен с входом синхронизации, генератора прямоугольных импульсов и с управляющим входом первого ключа, включенного в цепь обратной связи первого

10 интегратора, выход которого через параллельно включенные второй и третий ключи соединен с двумя входами аналогового дифференциального блока 1 памяти, выход которого соединен с

J5 I входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с выходной , клеммой устройства, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с управляющими вхо2Q дами второго и третьего ключей, вход первого интегратора соединен с вторым входом блока управления, введены второй интегратор, четвертый ключ, дифференциальный усилитель, баланс5 ный резистор, первый вывод К9торого соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, второй вывод - с вторым выводом .второго разделительного конденсатора, выход высокоомного повJJ торителя соединен с входом второго интегратора и с первым входом дифференциального усилителя-, второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, а выход с входом первого интегратора, в цепь обратной свя

5 зи второго интегратора включен четвертый ключ, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления.

. На фиг. I изображена блок-схема

0 устройства для -измерения сопротивления изоляции сети постоянного ока; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений в измерительном тракте устройства.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов, соединенный последовательно через балансный резистор 2 и второй разделительный

0 конденсатор 3 с контролируемой сетью 4, имеющей сопротивление R и емкость Cj(, которая соединена также через первый разделительный конденсатор 5 и высокоомный повтори5 тель 6 с входом второго интегратора 7 и неинвертирующим входом дифференциального усилителя 8, инвертируй щий вход которого соединен с выходом интегратора 7, а выход - с вхо- дом первого интегратора 9 и вторым входом блока 10 управления, первый вход которого соединен с выходом генератора 1, первый выход - с управляющими входами первого 11 и четвертого 12 ключей, вклйченных в цепи обратной связи первого 9 и второго 7 интеграторов соответственно, а также с входом синхронизации генератора 1, а второй и третий быходы блока 10 управления соединены с управляющими входами второго 13 и третьего 14 ключей, включенных параллельно и соединяющих/выход.интегратора 9 с входами аналогового дифференциаЛького блока 15 ...тГамяти, выход которого соединен с входом усилителя 16 постоянного тока. Блок 10 управления содержит соединенный с вторым входомдвухполупериодныйвыпрямитель 17, выход которого соединен с первым входом компаратора 18, а выход чере первый 19 и второй 20 одновибраторЫ соединен с первым выходом блока 10 управления, причем выход одновибратора 19 соединен также с первыми входами первого и ,С

корни характеристического уравнения (1).

Во временной форме напряжение U(t) имеет вид

зЧе

Е,

Ф

-12.

UxttV

5 л Sjt 2

из (4) видно, что вновь введенный балансный резистор 2 не повлиял на линейность уравнения преобразования известного устройства.

Вьщеленное на импедансе изолядии импульсное напряжение Ux(t) через разделительный конденсатор (С, второго 22 элементоь И, причем второй вход первого 21 элемента И соединен с первым входом блока 10 управления и входом инвертора 23, выход которого соединен с вторым входом второго 22 элемента И, выходы элементов И - с вторым и третьим выходами блока 10 управления, входы 24 и 25 блока 10 управления, выходы 26 - 28, источник 29 опорного напряжения. Устройство работает следукяцим образом. Тестовое напряжение прямоугольной формы амплитудой „ от генератора 1 (фиг.1) через балансный резистор 2 и разделительный конденсатор 3 поступает в контролируемую сеть 4- При этом „а импедансе изоляции (К С контролируемой сети 4 выделяется импульсапериодический затухающий сигнал Ux(t) (фиг.2), напряжение которого в операторной форме запишется ..l (СзУСх1Г-4К,С,йг .(г) гСз .

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее генератор прямоугольИых импульсов, первьШ разделительный конденсатор, первый вывод которого соединен с входнойклеммой устройства, второй вывод - с входом высокоомного повторителя, второй разделительный конденсатор, первый выиод которого соединен с входной клеммой устройства, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первым BXOJ40M блока управления, первый выход которого соединен с входом синхронизации генератора прямоугольных импульсов и с управляющим входом первого ключа, включенного в цепь обратной связи первого интегратораj выход которого через параллельно включенные второй .и третий ключи соединен с двумя входами аналогового дифференциального блока памяти,выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с выходной клеммой устройства, второй и третий выходы блока управления соединены соответст венно с управляющими входами второго и третьего ключей, вход первого интегратора соединен с вторым входом блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, уведены второй интегратор, четвертый ключ, дифференциальный усилитель, балансС ный резистор, первый вывод которого С соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, второй вывод с вторым выводом второго разделительного конденсатора, вьпсод высоN9 X) коомного повторителя соединен с входом второго интегратора и с первым входом дифференциального усилителя, ;о второй вход которого соединен с вы|аь ходом второго интегратора, а выход - с входом первого интегратора, в цепь обратной связи второго интегратора включен четвертый ключ, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления.

Анализ выражений (3)и (5) показывает, что информационное напряже- 1 - f ние Uj (t), поступающее на обработку в измерительный тракт устройства, затухает быстрее, чем на1д яжение на импедансе изоляции Uj((t)и его S j( за пеЕольт-секундная площадь риод меньше чем S на вели чину вольт-секундной площади ошибки SQJI (фиг.2). При этом их разница тем больше, чем меньше постоянная времени 2 ,

В данном устройстве осуществляется компенсация влияния передаточной функции разделительной цепи, состоящей из входного : сопротивления повторителя.6 и конденсатора 5, на уравнение преобразования. Принцип компенсации заключается в следующем . ,

С выхода повторителя 6 напряжение ui(t) .поступает на интегратор 7, напряжение на выходе которого описывается выражением 5,w-iUxa)Jt х,-х,(хух,)е Нх7-л1е ,-x U2-i где 7 - постоянная времени интегратора 7. С другой стороны, разница напряжений U(t) и u(t) т.е. ошибка MJ(t) (фиг.2) , вносимая в инфор мационный сигнал, описывается выражением«Д.х,-Ь iUKU),Ub )i,lx,,),-X2lyje Сх,-ХгигЬПх2-з1 . и,-х,)е ЧхгхЛеЛ(г-хЛе ич-ХгНиг/эИХг-х) С учетом (6) будем иметь fcUxl bflcU)(7) Таким образом, из выражения (6) видно, что влияние передаточной функции цепи, состоящей из входного сопротивления повторителя 6 и конденсатора 5, на уравнение преобразования (4) прямо пропорционально вольт-секундной площади сигнала UJ, (t Функцию коррекции информационного сигнала запищем тогда u,)4iu,w-u;,). . . . .-т ,. . Аппаратурнр напряжение ошибки ( определяют на выходе интегратора а коррекцию (8)информационного сиг нала осуществляют посредством дифференциального усилителя 8, на вых де которого будем иметь напряжени .описанное уравнением (8). Инверсно включение напряжеш-я коррекции AU(t) с выхода интегратора на дифференциальный усилитель 8 об ловлено тем, что реальные интеграт

ры работают с инверсией входного сигнала. Это напряжение (8) полностью тождественно выделенному в сети импульсному сигналу Ux(t), вольт-секундная площадь S которого пропорциональна контролируемому сопротивлению изоляции Ry и не зависит от емкости сети GX по всем диапазоне измерения. Величину-вольтсекундной площади этого напряжения, равную SK, будем иметь на выходе интегратора 9 М IWVJ u:WJi ji l lJi,LtVcJl .т д. о k5, k где J - постоянная времени интегратора V. Таким образом, полученное скорректированное по величине емкости контролируемой сети 4 уравнение преобразования (9) связывает линейной зависимостью выходное напряжение интегратора 9 (в конце цикла измерения ) и сопротивление изоляции RJ контролируемой сети 4 и инвариантно к изменениям величины емкости сети 4 (С)) во веем диапазоне- измерения. Синхронизацию процесса обработки информационного сигнала Uj на протяжении всего измерительного тракта устройства осуществляет блок 10 управления. В конце периода измерения . по команде с второго или третьего выходов блока 10 управления соответственно, в четные или нечетные периоды работы генератора 1, через ключи 13 или 14 напряжение с выхода интегратора 9j пропорциональ ное сопротивлению R, на соответствующие входы аналогового , дифференциального блока 15 памяти, а через усилитель 16 постоянного тока на выход устройства. В следующий такт работы блока 10 управления приходит разрешение на сброс интеграторов 7 и 9 в нулевое состояние посредством ключей I2 и 11 соответственно, чем они подготавливаются к следующему периоду измерения, а также осуществляется запуск генератора 1 - начинается но-, вый цикл измерения. Блок 10 управления осуществляет также адаптивную настройку длительности цикла измерения в функции от длительности переходного процесса информационного сигнала на импеданс изоляции. Это обеспечивает высокую oneipaTHBHocTb опроса состояния изоля 1даи, особенно при малых ее значениях . Адаптивная настройка блоком Ю управления осуществляется путем сра нения текущего значения напряжения выпрямительного (посредством двухполупериодного выпрямителя 17) сигнала /U5((t)/ с опорным , на входах компаратора 18. Вход выпрямителя 17 соединен с вторым входом 25 блока to управления. В момент равенства этих напряжений перепадом напряжения с выхода компаратора I8 последовательно запускается два од иовибратора 19 и 20, Импульсс первого одновибратора проходит также через один из элементов И 21 или 22 в зависимости от полярности тестового напряжения на выходе генератора 1 и поступает на второй 27 или третий 28 выходы блока 10 УПР вления. Определение полярности тестового напряжения осуществляется инвертором 23. . . 10 Преимуществом изобретения является увеличение точности измерения за счет компенсации влияния емкости сети на уравнение преобразования (9) устройства. Кроме того, полученная высокая линейность преобразования позволяет значительно уменьшить постоянную времени входной разделительной цепи устройства, состоящей из входного сопротивления и конденсатора, до нескольких десятков и даже единиц секунд, что позволяет на несколько порядков уменьшить время отработки устройством коммутационных переходных процессов в сети, на время которых измерение становится невозможным. Возможность уменьшить величину разделительного конденсатора с нескольких сотен до единиц микрофарад при сохранении достигнутой в известном устройстве -точности измерения обеспечивает также значительное уменьшение габаритов устройства одновременно с увеличеиием его надежности, так как этот конден-i сатор работает под высоким рабочим напряжением сети.