Устройство для контроля изоляции электрических сетей Советский патент 1993 года по МПК G01R27/18 

Изобретение относится к электротехнике и к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля сопротивления изоляции электрических сетей переменного и постоянного тока, находящихся под напряжением.

Цель изобретения - повышение быстродействия устройства в условиях сложных и длительных переходных процессов.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема адаптивного датчика постоянной величины.

Устройство содержит подключенный к сети 1 трехфазный выпрямитель 2, два шунтирующих резистора 3 и 4, каждый из которых подключен одним из выводов к земле, два электронных ключа 5 и 6, первый из которых включен между выпрямителем 2 и

шунтирующим резистором 3, а второй - между несоединенными с землей выводами шунтирующих резисторов 3 и 4, аналого- цифровой преобразователь 7, выход которого подключен к точке соединения шунтирующего резистора 3 и электронных ключей 5 и 6, фильтр нулевой гармоники 8, подключенный информационным входом к выходу аналого-цифрового преобразователя 7, адаптивный датчик постоянной величины 9, информационный вход которого соединен с выходом фильтра нулевой гармоники 8, вычислитель 10, информационный вход которого является информационным выходом датчика 9, индикатор 11, подключенный к выходу вычислителя 10, блок управления 12, первый вход которого соединен с выходом пускового органа 13, а его первый и второй (нижние)

ел

с

VI

Ю 00 Ы

iCJ

|ГО

выходы являются входами управления электронных ключей .5, б и входами элемента ИЛИ 14, элемент задержки 15, включенный между выходом элемента ИЛИ 14 и входом пуска адаптивного датчика постоянной величины 9. При этом третий выход управляющего б л о,к а 12 подключен к управляющему входу вычислителя 10, четвертый выход - к .входам синхронизации аналого-цифрового преобразователя 7, фильтра нулевой гармоники 8 и адаптивного датчика 9, а второй вход- к выходустробйрованияадаптивного датчика 9.

Структурная схема адаптивного датчика постоянной величины (фиг. 2) включает в себя основной и дополнительный цифровые фильтры 16 и 17, двухвходовой сумматор 18, пороговый элемент 19, задающий блок 20, источник единичного сигнала 21 и делительный блок 22, В состав фильтра 16 входят элементы задержки 23-25, умножители 26- 28 и многрвходовый сумматор 29. Дополнительный фильтр 17 состоит из аналогичных элементов, но включены фильтры по-разному: информационный вход фильтра 16, соединенный с первым входом задающего блока 20, образует вход адаптивного фильтра, а информационный вход фильтра 17 подключен к источнику единичного сигнала 21. Входы задания коэффициентов обоих фильтров 16 и 17 подключены к верхним выходам задающего блока 20. Его нижний выход, называемый также первым выходом, подключен к входам делительного блока 2 и сумматора 18. Пороговый элемент 19, вход которого соединен с выходом сумматора 17, а выход совмещен со вторым входом задающего блока 20, воздействует совместно со входным сигналом фильтра, на задающий блок 20. Делительный блок 22 .выполнен с задающим входом, подключенным к выходу нерекурсивного фильтра 17. Выход делительного блока 22 является выходом адаптивного датчика. Третий вход задающего блока 20 - входом запуска, а выход пороге вого элемента 19 - его выходом окончания настройки (стробом).

Устройство работает следующим образом. ....

.По сигналу запуска, поступающему с пускового органа 13, блок управления 12 формирует на втором выходе сигнал, который замыкает ключ 5, вызывая подключение шунтирующего резистора 3 и аналого-цифрового преобразователя 7 к выпрямителю. Образование контура электрическая сеть 1 - выпрямитель 2 - шунтирующий резистор 3 .-. земля приводит к формированию напряжения на входе пре- образователя 7

Ui(t)-U i(t)-t UCB.i(tH Uoi,

0)

где U i(t) - переменная составляющая напряжения на шунте; Uoi - постоянная составляющая; Uce.i(t) - свободная составляющая переходного процесса, вызванного перезарядом емкости сети и, возможно, иных накопителей энергии.

После преобразования цифровой аналог напряжения на шунте 3 U(lt) (в дальнейшем U(l), где I - дискретное время; т - интервал дискретизации, задаваемый сигналом на четвертом выходе управляющего блока 12, поступает на информационный

вход фильтра нулевой гармоники 8, представляющего собой нерекурсивный цифровой фильтр, выполненный в виде набора регистров и сумматора отсчетов сигнала U(l) за период сетевого напряжения Т

V«- I 1 /П

(l),«

где N Т/ т число отсчетов входной величины U(l) на периоде сетевого напряжения, определяемое частотой сигнала на четвертом выходе управляющего блока 12.

После преобразования по (2), которое

займет время Т, сигнал на информационном входе адаптивного датчика 9, являющегося; выходом фильтра нулевой гармоники 8, не будет содержать гармоник кратных основной гармонике сетевого напряжения, и поэтому описывается как

Uni(l) Uoi- -UcBi(l),

(3)

где UcB.l(l) - преобразованное напряжение Uce.i(l). Принципиально важно, что фильтр 92) не изменяет спектрального состава напряжения UCB.I(|)I т.е. все экспоненты и зату- хающие гармоники сохраняют после преобразования свои затухания и частоты. Фильтру (2) присущ свой переходный процесс, устанавливающийся за время Т. К этому времени на выходе элемента задержки 15 вырабатывается импульс, вызывающий запуск адаптивного датчика постоянной ве

личины 9.

Покажем, что адаптивный датчик постоянной величины обладает свойством обнаруживать за вполне определенное время и без методической погрешности постоянную установившуюся слагаемую переходного процесса. Это время ограничено порядком переходного процесса.

Рассмотрим работу датчика постоянной величины 9, на вход которого поступает сигнал Uni(l), описываемый выражением (3). По

приходе сигнала пуска от управляющего блока 12 задающий блок 20 адаптивного датчика обнуляет свои верхние выходы, формируя на нижнем выходе постоянный сигнал у, который можно интерпретировать как задающий (обучающий) сигнал адаптивного датчика. В сумматоре 18 этот сигнал вычитается из выходного сигнала программируемого нерекурсивного фильтра 16

V(0 Uni(l)- Ј (l-s),

s i

где m - порядок фильтра, рекурсивно наращиваемый по мере поступления отсчетов Uni(l). На пороговый элемент 19-поступает оэзностный сигнал

Решением (7) по отсчетам Uni(l). I N,N-- являются ai ехр(- /Зг) и у Ucn(1+ai), которые автоматически обеспечивают при простом апериодическом свободном

5 процессе выполнение условия (6) при I 2: N+2.m N+2 без изменения параметров а и у, При этом на выходе порогового элемента 19 вырабатывается низкий уровень Ј0), вызывающий окончание процесса

10 обновления величины а$ и у, а также формирование сигнала строба на выходе адаптивного датчика. Одновременно с формированием строба на выходе делителя 22, являющегося информационным выхо15 дом адаптивного датчикэ формируется значение постоянной составляющей переходного процег.са Uoi, как результата операции

Использование: в электротехнике и в электроизмерительной технике. Сущность изобретения: устройство содержит подключенный к сети трехфазный выпрямитель, два опорных резистора, подсоединенных одним из выводов к общей шине и поочередно подключаемых двумя электронными ключами к выпрямителю, блок.управления, вычислитель и канал выделения постоянной составляющей сигнала. Новым в устройстве является исполнение канала выделения постоянной составляющей напряжения на фоне переменного сигнала и произвольного числа экспонент и затухающих гармоник в виде каскадного соединения фильтра нуле-, вой гармоники, выполненного в виде сумматора отсчетов входного сигнала за период напряжения сети, и адаптивного датчика постоянной величины. 2 ил.

МОUni(l)-y- §asUni(l-s), (5) 20 Uoi-y/H(0).

:. ;- - 3 1 . : : : -- .; который воспринимается как невязка (помеха). Пороговый э змент 19 реагирует на ее уровень. Пороговый элемент и вход пуска адаптивного датчика управляют разрешением работы задающего блока 20.

Блок 20 формирует на своих выходах сигналы, задающие коэффициенты а программируемому нерекурсивному фильтру 16, а также .постоянную величину у. Принцип действия этого блока заключается в преобразовании отсчетов входной величины Uni(0 в сигналы as, s 1 ,m и у, и в общем случае подчинен некоторому критерию, минимизирующему уровень сигнала е (I). Организация блока 20 обеспечивает решение т+1 уравнения с неизвестными ae, s 1,m и у

еО) 0, l-N + m.n- n 2m + N

Существуют интегральные микросхемы, предназначенные для решения подобных систем линейных алгебраических уравнений, в которых роль задающих коэффициентов играют отсчеты входной величины Unt(1).

Пусть свободный процесс является апериодическим UCB. i(0 Uexp(- I т), где U. ft - заранее неизвестные начальное значение и коэффициент затухания. Тогда задающий блок 20 определит параметры у и а из условия (6) при

+ U1 „i(N)ai - U ni(N+1) I + Utni(N+1)ai U ni(N+2) j

(8)

где Н(0) 1+2 а .:-1+ ai передаточная

- .. S 1 .

25 характеристика одинаковых фильтров 16 и 17, которая вырабатывается на выходе фильтра 17 в результате воздействия источника опорного единичного сигнала 21. В случае более сложного переходного

3Q. процесса порядка адаптивному датчику постоянной величины потребуется не менее отсчетов входного сигнала переходного процесса l/niO) для обеспечения условия (6) и, соответственно, получению Uoi ло выра35 жению (8).

По завершении настройки адаптивного датчика 9 на его информационном выходе устанавливается величина Uoi, которая сопровождается сигналом стррба (окончания

40 настройки), поступающим на второй вход управляющего блока 12. Это вызывает формирование импульса на его третьем выходе и запись Uoi в память вычислителя 10. Одновременно с записью Uoi на первый

с выход управляющего блока 12 выдается сигнал, вызывающий срабатывание электронного ключа 6 и формирование напряжения

U2(t)U 2(t) + Uce.2(t)-t-UQ2.

(9)

50

55

Процедура повторяется: через время,, рае кое периоду сетевого напряжения, запускается адаптивный датчик 9 и выделенная из (9) постоянная составляющая напряжения Uoa считывается в память вычислителя 10.

Величина активного сопротивления изоляции сети, рассматриваемой по отношению к месту коммутации как эквивалентный генератор с внутренним сопротивлением Низ, рассчитывается по формуле

Ru3

(Uba - Uoi)Ri R2 Uoi R2 - Uo2(Ri +Rz)

где R.r - сопротивление первого шунтирующего резистора; R2 - сопротивление второго шунтирующего резистора, и результат поступает на индикатор 11. Процесс измерения завершается размыканием электронных ключей 5 и 6; Устройство может работать как в режиме одиночного измерения, так и в режиме непрерывного контроля, включаясь по команде пускового органа 13 только после изменения режима работы контролируемой сети.

Предлагаемое устройство позволяет измерять сопротивления изоляции электриче ских сетей на начальном участке сложного переходного процесса, что обеспечивается особым свойством каскадного соединения фильтра нулевой гармоники и адаптивного датчика постоянной величины, выделять постоянную составляющую сигнала на фоне переменного сигнала и произвольного числа экспонент и затухающих гармоник. Формула изобретения Устройство для контроля изоляции электрических сетей, содержащее резистор и аналого-цифровой преобразователе вход которого соединен с первым выводом опорного резистора и подключен к объединенным первым выводам двух электронных ключей, а второй вывод опорного резистора соединен с общей шиной, вычислитель и

подключенный к его выходу индикатор, блок управления, первый вход которого соединен с выходом пускового органа, а управляющие входы электронных ключей

5 аналого-цифрового преобразователя и вычислителя подключены к соответствующим выходам блока управления, отличающееся тем что, р целью сокращения времени измерения в условиях переходных процес10 сов, в него введены второй опорный резистор, фильтр нулевой гармоники, адаптивный датчик постоянной величины, элемент ИЛИ, элемент задержки и выпрямитель, включенный между клеммами для

15 подключения электрической сети и вторым выводом первого ключа, первый вывод второго опорного резистора соединен с вторым выводом первого опорного резистора и общей шиной, а второй вывод - с вторым вы20 водом второго ключа, вход фильтра нулевой гармоники подключен к выходу аналого- цифрового преобразователя, информационный вход адаптивного датчика постоянной величины подключен к выходу фильтра ну25 левой гармоники, информационный выход - к соответствующему входу вычислителя,, а его стррбирующий выход- к второму входу блока управления, входы элемента ИЛИ подключены к входам управления ключей,

30 вход элемента задержки соединен с выходом элемента ИЛИ, а выход - с входом пуска адаптивного датчика постоянной величины, вторые входы фильтра нулевой гармоники и адаптивного датчика соединены с управля35 ющим входом аналого-цифрового преобразователя.

Фиг. /.