Устройство для измерения сопротивления заземления
Устройство позволяет повысить точность, надежность, скорость проведения измерений, а также обеспечить измерение на переменном токе промышленной частоты в режиме реального времени без вмешательства в схему заземления электроустановки. Указанный технический результат достигается тем, что устройство содержит источник питания, выпрямительные устройства (ВУ), удаленный электрод, заземляющее устройство электроустановки (ЗУЭ), блок измерения (БИ) и измерительный прибор (ИП). В качестве источника питания использован питающий электроустановку трансформатор, подсоединенный через фазовую шину L и нулевую шину PEN. Введены блок формирования тестового тока (БФ) и блок управления (БУ). L и PEN шина подсоединена к БФ. Шина PEN, подсоединенная шиной заземления к ЗУЭ, также подсоединена к входам ВУ посредством быстроразъемных соединителей. БИ выполнен из канала измерения напряжения (КИН), канала измерения тока (КИТ) и делителя (Д). Выходы ВУ соответственно подсоединены к входу КИН и к входу КИТ БИ. Удаленный электрод соединен с опорным вводом ВУ, подсоединенного к входу КИН. Вход ВУ, подсоединенного к входу КИТ, подсоединен посредством трансформатора тока к шине заземления. КИН и КИТ выполнены обеспечивающими компенсацию фонового напряжения и фонового тока, соответственно. Выход КИН подсоединен к первому входу Д, выход КИТ - ко второму входу Д, выход которого служит выходом БИ. Управляющие выходы БУ соответственно подсоединены к управляющим входам БФ, БИ и ИП. 8 з.п. ф-лы, 1 чертеж
Полезная модель относится к электроизмерительной технике, а именно к устройствам обеспечения электробезопасности, и может быть использована для измерения сопротивления заземляющих устройств электроустановок зданий и сооружений.
Известен способ измерения напряжений на заземляющем устройстве, заключающийся в том, что точки заземляющего устройства, между которыми необходимо измерить напряжение, соединяют изолированным проводом, выполненным из резистивного материала, измеряют ток в этом проводе и вычисляют напряжение по предварительно измеренному значению сопротивления провода и измеренному значению тока (RU, 
2452968, C1, G01R 19/00, опубл. 10.06.2012).
Устройство, реализующее данный способ, содержит энергообъект (здание), заземляющее устройство, молниеотвод, генератор электроэнергии, силовой трансформатор с заземленной нейтралью, линию электропередачи, измерительное и регистрирующее устройство (например, процессор), изолированные провода, выполненные из резистивного материала, с надетыми на них трансформаторами тока, и заземляющий проводник.
Однако известные устройство и способ обладает определенными недостатками: для проведения измерений необходимо неопределенно долго накапливать информацию и отсутствует методика вычисления величины сопротивления заземляющего устройства.
Наиболее близким является устройство для измерения сопротивления заземления, содержащее источник питания, выпрямительные устройства, удаленный электрод, который служит для подсоединения к заземляющему устройству оборудования потребителя, блок измерения и измерительный прибор, вход которого подсоединен к выходу блока измерения. (RU, 20175, U1, G01R 27/20, опубл. 20.10.2001).
Устройство предназначено для измерения сопротивления заземления карьерных электроустановок. В этом устройстве в качестве источника питания используется перестраиваемый генератор измерительного тока частотой 90-170 Гц и напряжением до 500 В, а также выпрямительные устройства и стабилизаторы напряжения. Блок измерения выполнен из усилителя, синхронного детектора и интегратора. Измерительный прибор выполнен из переменного сопротивления и индикатора. Используются два удаленных электрода - потенциальный и токовый.
Ограничениями известного устройства являются недостаточно высокая скорость измерений из-за необходимости проведения измерений дважды с переменой на клеммах проводов потенциального и токового электродов с повторной регулировкой измерительного прибора; необходимость встраивания в заземляющее устройство потребителя переключателя проводов потенциального и токового электродов и резистора, что снижает надежность и точность проведения измерений; отсутствует учет фоновых напряжений и тока, что также снижает точность и надежность измерений; измерения проводятся на тестовом токе, отличающемся от переменного тока промышленной частоты, что приводит к неудобству использования известного устройства для мониторинга состояния заземляющих устройств различных промышленных электротехнических установок потребителя.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели, - повышение скорости, надежности и точности проведения измерений, обеспечение измерения сопротивления заземления на переменном токе промышленной частоты в режиме реального времени без вмешательства в схему заземления электроустановки.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для измерения сопротивления заземления, содержащем источник питания, выпрямительные устройства, удаленный электрод, заземляющее устройство электроустановки, блок измерения и измерительный прибор, вход которого подсоединен к выходу блока измерения, согласно заявленному устройству в качестве источника питания использованы фазовая и нулевая шина сети, введены блок формирования тестового тока и блок управления, фазовая и нулевая шина подсоединена к блоку формирования тестового тока, при этом шина заземления, подсоединенная к заземляющему устройству электроустановки, также подсоединена к входам выпрямительных устройств посредством их быстроразъемных соединителей, блок измерения выполнен из канала измерения напряжения, канала измерения тока и делителя, выходы выпрямительных устройств соответственно по отдельности подсоединены к входу канала измерения напряжения и к входу канала измерения тока блока измерения, удаленный электрод соединен с опорным вводом выпрямительного устройства, подсоединенного к входу канала измерения напряжения, канал измерения напряжения и канал измерения тока выполнены обеспечивающими компенсацию фонового напряжения и фонового тока, соответственно, выход канала измерения напряжения подсоединен к первому входу делителя, выход канала измерения тока - ко второму входу делителя, выход которого служит выходом блока измерения, управляющий выход блока управления соответственно подсоединен к управляющим входам блока формирования тестового тока, блока измерения и измерительного прибора.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- в качестве быстроразъемного соединителя выпрямительного устройства, выход которого подсоединен к входу канала изменения напряжения, был использован электрозажим «Крокодил», а в качестве быстроразъемного соединителя выпрямительного устройства, выход которого подсоединен к входу канала изменения тока, был использован трансформатор тока - клещи;
- блок управления был выполнен из таймера и пускового ключа, подсоединенного к нему;
- блок формирования тестового тока был выполнен из первого ключа и балластного резистора, последовательно подсоединенных к фазовой и нулевой шине, а управляющий вход первого ключа служит управляющим входом блока формирования тестового тока;
- выпрямительные устройства для канала измерения напряжения и канала измерения тока блока измерения были идентичны, и каждый из них выполнен из нормирующего усилителя, полосового фильтра, выпрямителя, соединенных последовательно, а выходы выпрямителей служат выходами выпрямительных устройств;
- вход «плюс» (+) нормирующего усилителя выпрямительного устройства, выход которого соединен с входом канала измерения напряжения блока измерения соединен электрозажимом «Крокодил» с шиной заземления, а опорный ввод «минус» (-) соединен с удаленным электродом;
- вход «плюс» (+) и вход «минус» (-) нормирующего усилителя служит входом выпрямительного устройства, выход которого соединен с входом канала измерения тока блока измерения, и соединен с шиной заземления посредством трансформатора тока - клещей;
- канал измерения напряжения и канал измерения тока блока измерения были идентичны, и каждый из них выполнен из второго ключа, запоминающего устройства, инвертирующего усилителя и сумматора, соединенных последовательно, вход второго ключа служит входом соответствующего канала измерения, выход инвертирующего усилителя соединен с первым входом сумматора, вход второго ключа - со вторым входом сумматора, а управляющий вход второго ключа служит управляющим входом блока измерений для каждого из каналов измерений;
- измерительный прибор был выполнен из соединенных последовательно индикатора и третьего ключа, вход которого служит входом измерительного прибора, а управляющий вход третьего ключа служит управляющим входом измерительного прибора.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
Фигура 1 изображает функциональную схему устройства.
Устройство для измерения сопротивления заземления (фиг. 1) содержит источник питания 1, выпрямительные устройства 2, 3 (ВУ), удаленный электрод 4, заземляющее устройство 5 электроустановки (ЗУЭ), блок 6 измерения (БИ) и измерительный прибор 7 (ИП), вход которого подсоединен к выходу БИ 6. В качестве источника питания 1 использованы фазовая шина L и нулевая шина PEN трансформатора питания проверяемой электроустановки. Введены блок 8 формирования тестового тока (БФ) и блок 9 управления (БУ). Фазовая L и нулевая РЕК шина подсоединена к БФ 8. Нулевая шина PEN, подсоединенная шиной заземления к ЗУЭ 5, также подсоединена к входу ВУ 2, 3 посредством их быстроразъемных соединителей. БИ 6 выполнен из канала 10 измерения напряжения (КИН), канала 11 измерения тока (КИТ) и делителя 12 (Д). Выходы ВУ 2, 3 соответственно по отдельности подсоединены к входу КИН 10 и к входу КИТ 11 блока 6 измерения. Удаленный электрод 4 подсоединен к опорному вводу «минус» ВУ 2, подсоединенного к входу КИН 10. КИН 10 и КИТ 11 выполнены обеспечивающими компенсацию фонового напряжения и фонового тока, соответственно. Выход КИН 10 подсоединен к первому входу делителя 12, выход КИТ 11 - ко второму входу делителя 12, выход которого служит выходом БИ 5. Управляющий выход БУ 9 соответственно подсоединен к управляющим входам БФ 8, БИ 6 и ИП 7.
В качестве быстроразъемного соединителя ВУ 2, выход которого подсоединен к входу КИН 10, может быть использован электрозажим «Крокодил», а в качестве быстроразъемного соединителя ВУ 3, выход которого подсоединен к входу КИТ 11, может быть использован трансформатор 13 тока - клещи.
БУ 9 выполнен из таймера 14 и пускового ключа 15, подсоединенного к нему.
БФ 8 выполнен из первого ключа 16 (электронного, нормально разомкнутого) и балластного резистора 17, последовательно подсоединенных к фазовой L и нулевой PEN шине, а управляющий вход первого ключа 16 служит управляющим входом БФ 8.
ВУ 2, 3 для КИН 10 и КИТ 11 блока 6 измерения выполнены идентичными, и каждый из них выполнен из нормирующего усилителя 18 (НУ), полосового фильтра 19 (ПФ), выпрямителя 20 (В), соединенных последовательно. Выходы В 20 служат выходами ВУ 2, 3.
Вход «плюс» НУ 18 (+) ВУ 2 для КИН 10 блока 6 измерения соединен электрозажимом с шиной заземления в точке ее соединения с шиной PEN. Опорный ввод «минус» НУ 18 (-) соединен с удаленным электродом 4 для задания опорного уровня напряжения.
Вход НУ 18 ВУ 3 для КИТ 11 блока 5 измерения соединен с шиной заземления посредством трансформатора 13 тока с разъемным сердечником - клещей.
КИН 10 и КИТ 11 блока 6 измерения выполнены идентичными. Каждый из них выполнен из второго ключа 21 (электронного), запоминающего устройства 22 (ЗУ), инвертирующего усилителя 23 (ИУ) и сумматора 24 (С), соединенных последовательно. Вход второго ключа 12 служит входом соответствующего канала измерения КИН 10 и КИТ 11. Выход ИУ 23 соединен с первым входом С 24, вход второго ключа 21 - со вторым входом С 24. Управляющий вход второго ключа 21 служит управляющим входом БИ 6 для каждого из каналов измерений КИН 10 и КИТ 11.
Измерительный прибор 7 выполнен из соединенных последовательно третьего ключа 25 (электронного) и индикатора 26. Вход третьего ключа 25 служит входом ИП 7, а управляющий вход третьего ключа 26 служит управляющим входом ИП 7.
Работает устройство для измерения сопротивления заземления (фиг. 1) следующим образом.
Для подключения заявленного устройства БФ 8 подсоединяют к фазовой шине L и нулевой шине PEN в точке соединения ее с шиной заземления, к этой же точке подключен вход «плюс» (+) НУ 18 ВУ 2 с помощью электрозажима типа «Крокодил». Ввод «минус» (-) НУ 18 ВУ 2 подключают к удаленному электроду 4, расположенному на расстоянии, многократно превышающем характерный размер ЗУЭ 5. Трансформатор 13 тока (клещи), устанавливают на шине заземления, выход которого подключен к входу нормирующего усилителя 18 ВУ 3.
Выбор точки расположения удаленного электрода 4 зависит от реальных технических условий на местности, но расстояние от него до ЗУЭ 5 должно заведомо превышать характерные геометрические размеры этого заземляющего устройства желательно более чем в 10 раз, т.к. сопротивление заземляющего устройства определяется сопротивлением растекания тока в грунте, влияние которого может повлиять на точность измерения.
Последовательность проведения измерений определяется таймером 14 БУ 8, по установленной в нем программе. БУ 8 служит для управления первым ключом 17, вторыми ключами 21 КИН 10 и КИТ 11, третьим ключом 25 ИП 7 и формирует сигнал управления, продолжительностью 
t, в момент срабатывания ПК 15. Выбор длительности отрезка времени t, в течение которого происходит измерение, зависит от времени срабатывания электронных ключей и постоянной времени измерительных цепей. Управляющий выход БУ 9 работает только на подключение электронных ключей, и при снятии управляющего сигнала с выхода БУ 9 электронные ключи: первый ключ 17, вторые ключи 21 КИН 10 и КИТ 11, третий ключ 25 ИП 7 автоматически переходят в исходное состояние, причем ключи 17 и 25 являются нормально разомкнутыми, а ключи 21 КИН 10 и КИТ 11 нормально замкнутыми.
Нормирующий усилитель 18 ВУ 2 и ВУ 3 служит для обеспечения заданного уровня сигналов и для согласования входных и выходных элементов блоков. К основным его техническим показателям относятся входное и выходное сопротивления, коэффициент усиления, перегрузочная способность, линейные и нелинейные искажения, отношение сигнал-шум, динамический диапазон, стабильность показателей. Поскольку он является первым каскадом в тракте, то его шумовые свойства существенно влияют на достижимый динамический диапазон всего устройства в целом.
В заявленном устройстве нормирующий усилитель может быть выполнен на базе микросхемы AD 623 производства фирмы Analog Devices.
Полосовой фильтр 19 ВУ 2 и ВУ 3 настроен на центральную частоту 50 Гц и может быть выполнен на базе микросхемы OP196 производства фирмы Analog Devices. Полосовой фильтр служит для исключения паразитных частотных составляющих сигналов.
В качестве выпрямителей 20 ВУ 2 и ВУ 3 может быть, например, использован двухполупериодный детектор на базе микросхемы ОР296 производства фирмы Analog Devices.
На выходе выпрямительных устройств 2 и 3 получают сигналы постоянного напряжения, пропорциональные уровню переменных сигналов на их входах, напряжения или тока соответственно.
Работа устройства основана на использовании двух измерительных каналов КИН 10 и КИТ 11, которые служат для измерения напряжения на ЗУЭ 5 относительно опорного удаленного электрода 4, и тока протекающего по шине заземления к заземляющему устройству 5.
В течение не менее 10-ти секунд до включения тестового тока, формируемого БУ 9, производится измерение фонового напряжения Uфон и фонового тока Iфон.. Сигналы Uфон и Iфон поступают на ВУ 2 и ВУ 3 и через замкнутый второй ключ 21 сохраняются в ЗУ 22 при отключенном первом ключе 16 БФ 8 и третьем ключе 25 ИП 7. Фоновые величины напряжения и тока являются очень важными параметрами, зависящими от очень многих факторов: конкретных электротехнических устройств, их мощности, типа УЗЭ 5, состояния помещений и грунтов и т.п. При этом Uфон и Iфон изменяются в широких пределах даже для одинаковых заземляющих устройств. Коэффициент усиления инвертирующего усилителя 23 выбирается соответствующим уменьшению уровней сигналов во втором ключе 21 и ЗУ 22. ЗУ 22 и ИУ 23 может быть выполнен на базе микросхемы ОР196 производства фирмы Analog Devices, а ключ 21 может быть выполнен на микросхеме 74НС4066 фирмы Pilips Semiconductors. После замыкания оператором ПК 15 с таймера 14 БУ 8 поступает управляющий сигнал на управляющий вход БФ 8, который подключает балластный резистор к фазовой шине L и нулевой шине PEN при помощи первого ключа 17 и отключает вторые ключи 21 КИН 10 и КИТ 11 на интервал времени t. В результате в сети протекает тестовый ток.
Ток распределяется между линией электропередачи, заземляющим устройством 5 и заземляющим устройством питающего трансформатора в соответствии с их сопротивлениями.
Вследствие этого на PEN, шине заземления и, соответственно, ЗУЭ 5 возникает бросок напряжения U, порождающий ток I через шину заземления.
Напряжение U+Uфон проходит через ВУ 2 и поступает на вход КИН 10, а ток I+Iфон через ВУ 3 - на вход КИТ 11. Поскольку вторые ключи 21 КИН 10 и КИТ 11 отключены, то выпрямленные сигналы поступают на второй вход С 24, а на первый вход С 24 с выхода ИУ 23 поступают инвертированные сигналы Uфон и I фон соответственно для КИН 10 и КИТ 11. Следовательно на выходе С 24 КИН 10 получают сигнал U, а на выходе С 24 КИТ 11 - I (чистые, не загрязненные фоновыми параметрами). С выхода С 24 КИН 10 сигнал U поступает на первый вход Д 12, с выхода С 24 сигнал I - на второй вход Д 12 блока 6 измерений. С выхода Д 12 получают сигнал пропорциональный сопротивлению Rз заземления. Третий ключ 25 также замкнут на время I и величина сопротивления Rз заземления отображается индикатором 26.
Таким образом, КИН 10 и КИТ 11 выполнены обеспечивающими компенсацию фонового напряжения и фонового тока, что повышает надежность и точность измерений сопротивления заземления. Вход ВУ 3 подсоединен посредством трансформатора 13 тока (клещами) непосредственно к шине заземления, поэтому также повышается надежность и точность проведения измерения и, кроме того, за счет введения БФ 8 обеспечивается измерение сопротивления заземления на переменном токе промышленной частоты в режиме реального времени без вмешательства в схему заземления электроустановки. Повышение скорости проведения измерений по сравнению с ближайшим аналогом достигается за счет исключения второго удаленного электрода, и сопутствующего проведения измерений напряжения и тока дважды с переменой на клеммах проводов потенциального и токового электродов с повторной регулировкой измерительного прибора.
На фиг. 1 функциональная схема устройства приведена в аналоговом виде, однако алгоритм управления измерениями может быть реализован в цифровом виде с использованием аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и микропроцессора.
Наиболее успешно заявленное устройство может быть промышленно применимо для измерения с высокой точностью и скоростью сопротивления заземляющих устройств зданий и сооружений на переменном токе промышленной частоты в режиме реального времени без вмешательства в схему электроустановки.
1. Устройство для измерения сопротивления заземления, содержащее источник питания, выпрямительные устройства, удаленный электрод, заземляющее устройство электроустановки, блок измерения и измерительный прибор, вход которого подсоединен к выходу блока измерения, отличающееся тем, что в качестве источника питания использованы фазовая и нулевая шины сети, введены блок формирования тестового тока и блок управления, фазовая и нулевая шины подсоединены к блоку формирования тестового тока, при этом шина заземления, подсоединённая к заземляющему устройству электроустановки, также подсоединена к входам выпрямительных устройств посредством их быстроразъемных соединителей, блок измерения вьшолнен из канала измерения напряжения, канала измерения тока и делителя, выходы вьшрямительных устройств соответственно по отдельности подсоединены к входу канала измерения напряжения и к входу канала измерения тока блока измерения, удаленный электрод соединен с опорным вводом выпрямительного устройства, подсоединенного к входу канала измерения напряжения, канал измерения напряжения и канал измерения тока выполнены обеспечивающими компенсацию фонового напряжения и фонового тока соответственно, выход канала измерения напряжения подсоединен к первому входу делителя, выход канала измерения тока - ко второму входу делителя, выход которого служит выходом блока измерения, управляющий выход блока управления соответственно подсоединен к управляющим входам блока формирования тестового тока, блока измерения и измерительного прибора.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве быстроразъемного соединителя выпрямительного устройства, выход которого подсоединен к входу канала изменения напряжения, использован электрозажим "Крокодил", а в качестве быстроразъемного соединителя выпрямительного устройства, выход которого подсоединен к входу канала изменения тока, использован трансформатор тока - клещи.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок управления выполнен из таймера и пускового ключа, подсоединенного к нему.
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок формирования тестового тока выполнен из первого ключа и балластного резистора, последовательно подсоединенных к фазовой и нулевой шинами, а управляющий вход первого ключа служит управляющим входом блока формирования тестового тока.
5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что выпрямительные устройства для канала измерения напряжения и канала измерения тока блока измерения идентичны, и каждый из них выполнен из нормирующего усилителя, полосового фильтра, выпрямителя, соединенных последовательно, а выходы выпрямителей служат выходами выпрямительных устройств.
6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что вход "плюс" (+) нормирующего усилителя выпрямительного устройства, выход которого соединен с входом канала измерения напряжения блока измерения, соединен электрозажимом "Крокодил" с шиной заземления, а опорный ввод "минус" (-) соединен с удаленным электродом.
7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что вход "плюс" (+) и вход "минус" (-) нормирующего усилителя служат входом выпрямительного устройства, выход которого соединен с входом канала измерения тока блока измерения и соединен с шиной заземления посредством трансформатора тока - клещей.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что канал измерения напряжения и канал измерения тока блока измерения идентичны и каждый из них выполнен из второго ключа, запоминающего устройства, инвертирующего усилителя и сумматора, соединенных последовательно, вход второго ключа служит входом соответствующего канала измерения, выход инвертирующего усилителя соединен с первым входом сумматора, вход второго ключа - со вторым входом сумматора, а управляющий вход второго ключа служит управляющим входом блока измерений для каждого из каналов измерений.
9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что измерительный прибор выполнен из соединенных последовательно индикатора и третьего ключа, вход которого служит входом измерительного прибора, а управляющий вход третьего ключа служит управляющим входом измерительного прибора.
