Устройство для измерения сопротивления изоляции сетей переменного тока

Устройство для измерения сопротивления изоляции сетей переменного тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для измерения сопротивления изоляции электрических сетей переменного тока, находящихся под напряжением и изолированных от земли.

Известно устройство для измерения сопротивления изоляции сети [А.С. СССР №118896, кл. 21е, 29₀₁, 21e, 36₁₀, 59 г.], работа которого основана на нахождении эквипотенциальных точек на потенциометре, включаемом между проводами сети, при помощи высокоомного измерительного прибора, который включен в электрическую цепь последовательно со вспомогательным источником постоянного тока и движком указанного потенциометра.

В этом устройстве с помощью движка потенциометра отыскивается нулевой потенциал, благодаря чему напряжение сети не оказывает влияния на измерительную цепь.

Однако недостатком данного устройства является большое время измерения в случае, если емкость фаз относительно земли большая. При очень большой емкости фаз относительно земли измерения становятся нецелесообразными, следовательно, устройство имеет ограниченные функциональные возможности. В процессе измерения, после подключения вспомогательного источника постоянного тока, необходимо выждать время, пока зарядятся емкости фаз сети относительно земли. Постоянная времени цепи заряда емкостей зависит от величины суммарной емкости фаз и от сопротивления потенциометра. Для получения маленькой постоянной времени, на первый взгляд, можно уменьшить сопротивление потенциометра, при этом возрастает ток, текущий через потенциометр, возрастает мощность, рассеиваемая на потенциометре, снижается надежность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототип) является устройство [Иванов Е.А., Кузнецов С.Е. Методы контроля изоляции судовых электроэнергетических систем. Учебное пособие. - СПб.: «Элмор», 1999. с.49, 50] для измерения сопротивления изоляции в сетях переменного тока, принцип действия которого основан на использовании метода наложения постоянного измерительного напряжения. Устройство содержит индуктивный или емкостный фильтр R₁, C_f, источник измерительного напряжения E, миллиамперметр А. Фильтр R₁, C_f необходим в связи с тем, что в точке подключения к контролируемой сети действует переменная составляющая напряжения, а для проведения измерений необходимо устранить влияние переменной составляющей напряжения на измерительные цепи.

Недостатком данного устройства является большое время измерения в случае, если емкости фаз сети относительно земли большие. При очень большой емкости фаз относительно земли измерения становятся нецелесообразными, следовательно, устройство имеет ограниченные функциональные возможности. Длительность переходных процессов, возникающих при накладывании постоянного измерительного напряжения, прямо пропорциональна сопротивлению R₁ и емкости фаз сети относительно земли. Если для уменьшения времени измерения уменьшить сопротивление R₁ для уменьшения времени переходного процесса, то за счет того, что к нему приложено большое переменное напряжение, возрастет рассеиваемая на нем мощность. При этом снижается надежность. Кроме этого, если снижать сопротивление R₁, то будет возрастать влияние переменной составляющей напряжения на измерительные цепи, то есть возрастет переменная составляющая тока в измерительной цепи, при этом будет возрастать погрешность.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей. Технический результат заключается в уменьшении погрешности и времени измерения сопротивления изоляции.

Поставленная задача достигается за счет того, что в устройство для измерения сопротивления изоляции сетей переменного тока, содержащее источник измерительного напряжения, миллиамперметр, дополнительно введены блок гальванической развязки, блок вычитания, блок управления, управляемый источник переменного напряжения, первый ключ, второй ключ, токоограничивающий резистор, причем два входа блока гальванической развязки подключены к двум фазам контролируемой сети, между которыми действует переменное напряжение, выход блока гальванической развязки подключен ко второму входу блока управления, выход блока управления подключен к входу управляемого источника переменного напряжения, первый выход которого подключен к второму выводу токоограничивающего резистора, первый вывод которого подключен ко второму выходу источника измерительного напряжения, второй выход управляемого источника переменного напряжения подключен через миллиамперметр к земле, первый выход источника измерительного напряжения через первый ключ подключен к любой фазе контролируемой сети, первый вход блока вычитания подключен к первому выходу управляемого источника переменного напряжения, выход блока вычитания через второй ключ подключен к первому входу блока управления.

На фиг.1 приведена схема устройства 1, подключенного к контролируемой сети 2. На фиг.2 и фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип действия предлагаемого устройства 1.

Устройство 1 содержит блок гальванической развязки 3, блок вычитания 4, блок управления 5, управляемый источник переменного напряжения 6, миллиамперметр 7, источник измерительного напряжения 8, токоограничивающий резистор 9, первый ключ 10, второй ключ 11. Контролируемая сеть 2 содержит источники напряжения 12, 13, 14 сопротивления нагрузки 15, 16, 17, сопротивления изоляции каждой фазы 18, 19, 20, емкости каждой фазы 21, 22, 23. Два входа блока гальванической развязки 3 подключены к двум фазам контролируемой сети 2, между которыми действует переменное напряжение. Выход блока гальванической развязки 3 подключен ко второму входу блока управления 5. Выход блока управления 5 подключен к входу управляемого источника переменного напряжения 6, первый выход которого подключен ко второму выводу токоограничивающего резистора 9, второй выход управляемого источника переменного напряжения 6 подключен через миллиамперметр 7 к «земле». Первый вывод токоограничивающего резистора 9 подключен ко второму выходу источника измерительного напряжения 8. Первый выход источника измерительного напряжения 8 через первый ключ 10 подключен к любой фазе контролируемой сети 2. Первый вход блока вычитания 4 подключен к первому выходу управляемого источника переменного напряжения 6, выход блока вычитания 4 через второй ключ 11 подключен к первому входу блока управления 5.

Устройство 1 работает следующим образом. Устройство 1 периодически подключается к контролируемой сети 2, производит измерение эквивалентного сопротивления изоляции сети, затем отключается. В отключенном состоянии первый ключ 10 разомкнут, второй ключ 11 замкнут. В подключенном состоянии первый ключ 10 замкнут, второй ключ 11 разомкнут.

Рассмотрим работу устройства 1 в отключенном состоянии, при этом происходит подготовка к измерению. На вход блока гальванической развязки 3 поступает переменное напряжение с частотой сети. (Блок гальванической развязки 3 может быть выполнен, например, в виде трансформатора или в виде схемы оптронной развязки.) С выхода блока гальванической развязки 3 синхронизирующий сигнал поступает на второй вход блока управления 5. Этот сигнал в простейшем случае может иметь синусоидальную форму, но в общем случае может отличаться от синусоиды, и быть, например, прямоугольными импульсами. Блок управления 5 формирует управляющий сигнал для управляемого источника переменного напряжения 6, который может создавать синусоидальное напряжение, с изменяющимися в широких пределах амплитудой и фазой. Блок управления 5 вырабатывает такой сигнал управления на своем выходе, чтобы напряжение управляемого источника переменного напряжения 6 стало точно равным по амплитуде и фазе напряжению в точке подключения относительно земли U_c (напряжение сети), фиг.2. Для того чтобы можно было сравнить напряжение управляемого источника переменного напряжения 6 с напряжением сети U_c, предназначен блок вычитания 4. На его выходы подаются эти два напряжения, блок вычитания производит вычитание мгновенных значений этих двух напряжений, на его выходе образуется сигнал, равный разности этих двух напряжений. Сигнал с выхода блока вычитания 4 через второй ключ 11 поступает на первый вход блока управления 5. Таким образом, в отключенном состоянии устройства 1 производится подготовка к измерению, заключающаяся в том, что напряжение управляемого источника переменного напряжения 6 E_пер становится точно равным напряжению U_c. Алгоритм, по которому работает блок управления 5, выходит за рамки настоящего изобретения. Здесь отметим, что сигнал на выходе блока управления 5 формируется путем преобразования синхронизирующего сигнала, поступающего на второй вход. При этом блок управления стремится свести к минимуму разность U_c и E_пер.

Рассмотрим работу устройства 1 в подключенном состоянии, при этом происходит измерение эквивалентного сопротивления изоляции. Второй ключ 11 размыкается, следовательно, на первый вход блока управления 5 не поступает сигнал, равный разности U_c - E_пер. В результате амплитуда и фаза управляемого источника переменного напряжения 6 в течение времени измерения остаются неизмененными. После замыкания первого ключа 10 возникает переходный процесс с очень маленькой постоянной времени τ, которая в основном зависит от сопротивления токоограничивающего резистора 9 и суммарной емкости фаз сети 21, 22, 23 относительно земли. Сопротивление токоограничивающего резистора 9 очень мало (менее 1 Ом), поэтому постоянная времени переходного процесса тоже мала. Следовательно, уменьшается время измерения. Уменьшение сопротивления токоограничивающего резистора 9 стало возможным (по сравнению с прототипом), так как на нем не падает большое переменное напряжение, поэтому он не греется, кроме этого в измерительной цепи не возникает большой переменной составляющей тока. Через замкнутый первый ключ 10 осуществляется воздействие на контролируемую сеть 2. Напряжение воздействия равно сумме E_пер+E_изм, где E_изм - постоянное напряжение, которое вырабатывает источник измерительного напряжения 8. В результате, в каждый момент времени в точке подключения напряжение U_c на величину E_изм больше, чем напряжение U_c в свободном состоянии сети, фиг.3. Следовательно, к сопротивлениям изоляции 18, 19, 20 помимо переменного напряжения, обусловленного параметрами сети, приложено постоянное напряжение E_изм. В результате, через миллиамперметр 7 будет протекать постоянный ток, обусловленный напряжением E_изм и эквивалентным сопротивлением изоляции сети. Так как переменная составляющая напряжения U_c точно равна переменной составляющей напряжения U_c до замыкания первого ключа 10, протекающий через миллиамперметр 7 ток практически не имеет переменной составляющей с частотой сети. Благодаря этому уменьшается погрешность измерения сопротивления изоляции.

Таким образом, обеспечивается расширение функциональных возможностей.

Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения сопротивления изоляции и в уменьшении времени измерения сопротивления изоляции сетей переменного тока.

Устройство для измерения сопротивления изоляции сетей переменного тока, содержащее источник измерительного напряжения, миллиамперметр, отличающееся тем, что дополнительно введены блок гальванической развязки, блок вычитания, блок управления, управляемый источник переменного напряжения, первый ключ, второй ключ, токоограничивающий резистор, причем два входа блока гальванической развязки подключены к двум фазам контролируемой сети, между которыми действует переменное напряжение, выход блока гальванической развязки подключен ко второму входу блока управления, выход блока управления подключен к входу управляемого источника переменного напряжения, первый выход которого подключен к второму выводу токоограничивающего резистора, первый вывод которого подключен ко второму выходу источника измерительного напряжения, второй выход управляемого источника переменного напряжения подключен через миллиамперметр к земле, первый выход источника измерительного напряжения через первый ключ подключен к любой фазе контролируемой сети, первый вход блока вычитания подключен к первому выходу управляемого источника переменного напряжения, выход блока вычитания через второй ключ подключен к первому входу блока управления.