Устройство контроля изоляции в цепях постоянного тока с изолированной нейтралью

Полезная модель относится к устройствам электроизмерительной техники и релейной защиты систем электроснабжения. При осуществлении полезной модели может быть получен следующий технический результат: возможность измерения сопротивления изоляции как при наличии напряжения в цепи измерения, так и при его отсутствии; точное и корректное измерение сопротивления изоляции в любых режимах работы цепи постоянного тока с изолированной нейтралью. Указанный технический результат достигается за счет введения вторичного источника напряжения и ключа и изменения принципа измерения сопротивления изоляции.

Полезная модель относится к устройствам электроизмерительной техники и релейной защиты систем электроснабжения.

Существующие методы контроля изоляции в сети с изолированной нейтралью можно разделить на традиционные и прогрессивные [1]. К традиционным методам относятся такие как измерение сопротивления изоляции, величины емкости изоляционного промежутка, тангенса угла диэлектрических потерь, величины тока утечки. К прогрессивным методам относят измерение величины индекса поляризации, коэффициента диэлектрической абсорбции, коэффициента диэлектрического разряда, величины времени релаксации, величины возвратного напряжения и др. Прогрессивные методы отличаются от традиционных сложностью реализации и низкой точностью измерения.

Известно «Устройство для контроля сопротивления изоляции электрических сетей с изолированной нейтралью» [Патент на полезную модель 47601 RU], содержащее источник вторичного напряжения, три измерительных канала, калибровочный канал. К недостаткам устройства можно отнести: невозможность проведения измерений при отсутствии первичного напряжения в измеряемой цепи и низкую точность измерения малых значений сопротивлений изоляции.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели (прототипом) является известное устройство - «Устройство для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока» [Патент на изобретение 2390033 RU], содержащее источник первичного напряжения, измерительные каналы, калибровочные каналы, измеритель напряжения, блок контроля и управления, блок индикации, изолированную нейтраль.

Известное устройство предназначено для использования в электрических сетях постоянного тока с регулируемым напряжением при переменной его полярности, например в системах электроприводов горных машин. Недостатками прототипа являются ограниченные функциональные и технические возможности. К ограниченным функциональным возможностям относятся: невозможность проводить измерения при отсутствии напряжения в измеряемой цепи и отсутствие учета сопротивления изоляции, подключенного к изолированной нейтрали, при измерении в цепях постоянного тока, не предполагающих реверс напряжения питания. К ограниченным техническим возможностям относится низкая точность измерения малых значений сопротивлений изоляции.

Заявляемая полезная модель позволяет решить задачу расширения функциональных возможностей и повышения технических характеристик устройства, предназначенного для контроля сопротивления изоляции в цепях постоянного тока электрических сетей с изолированной нейтралью.

При осуществлении предлагаемого устройства может быть получен следующий технический результат:

- возможность измерения сопротивления изоляции как при наличии напряжения в цепи измерения, так и при отсутствии;

- точное и корректное измерение сопротивления изоляции в любых режимах работы цепи постоянного тока с изолированной нейтралью.

Указанный технический результат достигается за счет введения в предлагаемое устройство новых функциональных узлов и изменения принципа работы электронного блока.

Сущность полезной модели поясняет фиг.1, на которой представлена функциональная схема устройства.

Заявляемая полезная модель состоит из источника вторичного напряжения 1, ключа 2, измерителя напряжения 3, первого 4 и второго 5 калибровочных каналов, первого 6 и второго 7 измерительных каналов, источника первичного напряжения 8, блока контроля и управления 9, изолированной нейтрали 10. Первый выход источника вторичного напряжения 1 подключен к первому входу ключа 2, выход которого подключен к первому входу измерителя напряжения 3, первым входам первого 4 и второго 5 калибровочных каналов, первые выходы которых подключены к первым входам измерительных каналов 6 и 7; первый выход источника первичного напряжения 8 подключен ко вторым входам первого 4 калибровочного и первого 6 измерительного каналов, а второй выход источника первичного напряжения 8 подключен ко вторым входам второго 5 калибровочного и второго 7 измерительного каналов; кроме того, второй вход измерителя напряжения 3, третьи входы первого 6 и второго 7 измерительных каналов, второй выход источника вторичного напряжения 3 подключены к изолированной нейтрали 10; выход измерителя напряжения 3, вторые выходы первого 4 и второго 5 калибровочных каналов, выходы первого 6 и второго 7 измерительных каналов подключены к входу блока контроля и управления 9, первый выход которого подключен ко второму входу ключа 2, а второй выход блока контроля и управления 9 является выходом заявляемого устройства.

Общие с прототипом признаки заявляемого устройства: наличие источника первичного напряжения 8, блока контроля и управления 9, измерителя напряжения 3, первого 4 и второго 5 калибровочных каналов, первого 6 и второго 7 измерительных каналов, изолированной нейтрали 10.

Отличительными от прототипа признаками являются дополнительно введенные источник вторичного напряжения 1 и ключ 2, причем первый выход источника вторичного напряжения 1 подключен к первому входу ключа 2, выход которого подключен к первому входу измерителя напряжения 3, первым входам первого 4 и второго 5 калибровочных каналов, первые выходы которых подключены к первым входам измерительных каналов 6 и 7; первый выход источника первичного напряжения 8 подключен ко вторым входам первого 4 калибровочного и первого 6 измерительного канала, а второй выход источника первичного напряжения 8 подключен ко вторым входам второго 5 калибровочного и второго 7 измерительного каналов; кроме того, второй вход измерителя напряжения 3, третьи входы первого 6 и второго 7 измерительных каналов, второй выход источника вторичного напряжения 3 подключены к изолированной нейтрали 10; выход измерителя напряжения 3, вторые выходы первого 4 и второго 5 калибровочных каналов, выходы первого 6 и второго 7 измерительных каналов подключены к входу блока контроля и управления 9, первый выход которого подключен ко второму входу ключа 2, а второй выход блока контроля и управления 9 является выходом заявляемого устройства.

Рассмотрим работу полезной модели.

Первый этап работы устройства - калибровка, ключ 2 разомкнут. В контурах АВС и DCB протекают токи, вызванные источником первичного напряжения 8. Поскольку падение напряжения на калибровочных каналах 4 и 5 одинаково, потенциал узла А относительно «земли» (узел D) будет зависеть от соотношения сопротивления измерительных каналов 6 и 7 (Rи1 и Rи2 соответственно), а также напряжения U_рот источника вторичного напряжения 1.

U2, U3 - падения напряжения на калибровочных каналах 4 и 5 соответственно.

Потенциал узла А относительно «земли» (узел «D») равен нулю при любых напряжениях источника первичного напряжения 8, если сопротивления измерительных каналов 6 и 7 равны. В этом случае потенциал узла А равен потенциалу узла D, равен 0. Если сопротивления измерительных каналов 6 и 7 неравны, между узлами А и D появится напряжение, пропорциональное соотношению сопротивлений измерительных каналов 6 и 7 (U ₁ - падение напряжения между узлами А и D). Напряжение U1 будет положительным, если сопротивление измерительного канала 6 больше сопротивления измерительного канала 7, и отрицательным в противном случае.

Поскольку напряжение U ₁ определяется только несимметрией схемы и пропорционально U_poт, можно записать:

n - коэффициент несимметрии.

Величина коэффициента несимметрии зависит только от соотношения сопротивлений измерительных каналов 6 и 7. Если выразить отношение большего сопротивления к меньшему как «К» - кратность, можно установить зависимость n от К.

Измерив величину U₁, вычисляем n и кратность К.

Второй этап работы устройства - измерение, ключ 2 замкнут, подано внешнее постоянное напряжение на калибровочные 4, 5 и измерительные 6, 7 каналы. Примем за R_x меньшее из сопротивлений измерительных каналов 6 и 7, например R_и2, тогда R_и1=К×R _x.

В соответствии с первым законом Кирхгофа, сумма токов, протекающих в измерительных каналах 6 и 7, втекающих в узел D, равна сумме токов калибровочных каналов 4 и 5, вытекающих из узла А, так как ток, вытекающий из узла D и втекающий в узел А, это один и тот же ток (ток, протекающий через вторичный источник напряжения 1).

Формула тока, протекающего в первом измерительном канале 7 (I_u1) будет иметь вид

U_b, U_c - потенциалы узлов В и С, измеренные калибровочными каналами 4 и 5 соответственно. Тогда искомое сопротивление можно найти с помощью формулы:

Если R_и2 больше R_и1 , то R_и1 равно R_x, а R_и2 равно произведению К и R_x, тогда формула для R_x будет выглядеть:

Все вычисления и управление ключом 2 осуществляются в блоке контроля и управления 9, выход которого является выходом заявляемого устройства и осуществляет информационную связь с АСУ.

Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом:

- измерение сопротивления изоляции как при наличии напряжения в цепи измерения, так и при отсутствии.

- точное и корректное измерение сопротивления изоляции в любых режимах работы цепи постоянного тока с изолированной нейтралью.

Пример конкретной реализации устройства

Был собран опытный образец устройства, в функциональных узлах которого применены:

- прецизионные резисторы (SMD).

- твердотельное реле (К293КР11ВР).

- микроконтроллер фирмы Atmel (Atmega68).

- микросхема интерфейса RS-232 (MAX232).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Чернышев В.А., Сафроненков Ю.Ф., Гордиловский А.А., Чернов В.А. Современные подходы к оценке состояния изоляции электрических машин высокого напряжения // Журнал ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, 4, 2008. - с.22-25.

Устройство контроля изоляции в цепях постоянного тока с изолированной нейтралью, содержащее источник первичного напряжения, блок контроля и управления, измеритель напряжения, первый и второй измерительные каналы, первый и второй калибровочные каналы, изолированную нейтраль, отличающееся тем, что в его состав введены источник вторичного напряжения и ключ, причем первый выход источника вторичного напряжения подключен к первому входу ключа, выход которого подключен к первому входу измерителя напряжения, первым входам первого и второго калибровочных каналов, первые выходы которых подключены соответственно к первым входам измерительных каналов; первый выход источника первичного напряжения подключен ко вторым входам первого калибровочного и первого измерительного каналов, а второй выход источника первичного напряжения подключен ко вторым входам второго калибровочного и второго измерительного каналов; кроме того, второй вход измерителя напряжения, третьи входы первого и второго измерительных каналов, второй выход источника вторичного напряжения подключены к изолированной нейтрали; выход измерителя напряжения, вторые выходы первого и второго калибровочных каналов, выходы первого и второго измерительных каналов подключены к входу блока контроля и управления, первый выход которого подключен ко второму входу ключа, а второй выход блока контроля и управления является выходом заявляемого устройства.