способ измерения эквивалентного сопротивления изоляции электрической сети

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ, включающий поочередное шунтирование резистором полюсов сети, измерение мгновенных напряжений U₁, U₂ на шунтирующем резисторе в момент каждого шунтирования и определение величины эквивалентного сопротивления изоляции по расчетной формуле, отличающийся тем, что после шунтирования положительного полюса сети устанавливают верхний и нижний уровни пороговых напряжений, равные U₁ - U_оп и U₁ - 2U_оп, где U_оп - опорное напряжение, измеряют интервалы времени между моментом шунтирования и моментами совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с верхним и нижним уровнями пороговых напряжений, после подключения шунтирующего резистора к отрацательному полюсу сети также устанавливают верхний и нижний уровни пороговых напряжений, равные U₂ + U_оп и U₂ + 2U_оп, измеряют интервалы времени между моментом шунтирования и моментами совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с верхним и нижним уровнями пороговых напряжений, определяют величину эквивалентного сопротивления изоляции по формуле

R_э= R -1, ,

где R_ш - сопротивление шунтирующего резистора;

U_с - напряжение измеряемой сети;

U_оп - опорное напряжение;

U₁ - мгновенное напряжение на шунтирующем резисторе в момент подключения его к положительному полюсу сети и корпусу;

U₂ - мгновенное напряжение на шунтирующем резисторе в момент подключения его к отрицательному полюсу сети и корпусу;

t₁ - интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к положительному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с верхним уровнем порогового напряжения;

t₂ - интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к положительному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с нижним уровнем порогового напряжения;

t₃ - интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к отрицательному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с верхним уровнем порогового напряжения;

t₄ - интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к отрицательному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с нижним уровнем порогового напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения эквивалентного сопротивления изоляции электрических сетей. При этом большое значение имеет измерение или контроль сопротивления изоляции низковольтных систем автоматики, например, на современных судах с разветвленной кабельной связью, связывающей потребителей с источниками электроэнергии. Особое значение приобретает задача уменьшения времени измерения сопротивления изоляции.

Известен способ трех отсчетов вольтметра измерения сопротивления изоляции электрических сетей постоянного тока под напряжением, включающий измерение напряжения между полюсами электрической сети, поочередное шунтирование резистором сопротивлений полюсов сети, измерение установившихся напряжений на шунтирующем резисторе, вычисление эквивалентного сопротивления изоляции как произведение величины шунтирующего резистора на отношение напряжения измеряемой сети к сумме установившихся напряжений на шунтирующем резисторе, умешенного на единицу.

Недостатком этого способа является необходимость измерения на шунтирующем резисторе установившихся напряжений, время установления которых зависит от параметров измеряемой электрической сети, т. е. емкости и сопротивления изоляции, что приводит к большому времени измерения эквивалентного сопротивления изоляции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ измерения сопротивления изоляции электрических сетей, включающий поочередное шунтирование резистором полюсов сети, измерение мгновенных значений напряжений на шунтирующем резисторе в момент подключения шунтирующего резистора к одному из полюсов сети и в два последующих момента времени через равные интервалы времени, затем в момент подключения шунтирующего резистора к другому полюсу сети и в два последующих момента времени, через равные интервалы времени, определение эквивалентного сопротивления изоляции по следующей формуле:

R_э= R -1 (1) где R_э - эквивалентное сопротивление изоляции электрической сети;

R_ш - шунтирующее активное сопротивление (резистор);

U_с - напряжение контролируемой электрической сети;

V₁. . . . V₆ - соответственно мгновенные значения напряжений в шести указанных моментах времени через заданный постоянный интервал времени t.

В известном способе, выбранном за прототип, удается повысить быстродействие измерений эквивалентного сопротивления изоляции, задаваясь предварительно интервалом времени t, исходя из предполагаемого наибольшего возможного значения емкости и сопротивления изоляции измеряемой электрической сети. При этом для сетей с меньшими значениями емкости и сопротивления изоляции время проведения измерений не уменьшается, так как оно определяется выбранным заранее интервалом времени t.

Целью изобретения является уменьшение времени измерения эквивалентного сопротивления изоляции.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в подключении шунтирующего резистора к положительному полюсу сети, установлении верхнего и нижнего уровней пороговых напряжений равных V₁-U_оп и V₁-2U_оп, где U_оп - опорное напряжение; V₁ - мгновенное значение напряжения в момент шунтирования, измерении интервалов времени между моментом шунтирования и моментами совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с верхним и нижним уровнями пороговых напряжений, после подключения шунтирующего резистора к отрицательному полюсу сети также установлении верхнего и нижнего уровней пороговых напряжений, равных V₂-U_оп и V₂-2U_оп, где V₂ - мгновенное значение напряжения в момент шунтирования отрицательного полюса сети, измерении интервалов времени между моментом шунтирования и моментами совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с верхним и нижним уровнями пороговых напряжений, определении эквивалентного сопротивления изоляции по формуле

R_э= R -1, (2)

где R_ш - сопротивление шунтирующего резистора;

U_c - напряжение измеряемой сети;

U_оп - опорное напряжение;

V₁ - мгновенное напряжение на шунтирующем резисторе в момент подключения его к положительному полюсу сети и корпусу;

V₂ - мгновенное напряжение на шунтирующем резисторе в момент подключения его к отрицательному полюсу сети и корпусу;

t₁ - интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к положительному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с верхним уровнем порогового напряжения;

t₂ - интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к положительному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с нижним уровнем порогового напряжения;

t₃ - интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к отрицательному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с верхним уровнем порогового напряжения;

t₄ - интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к отрицательному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе с нижним уровнем порогового напряжения.

Поясним сущность предлагаемого изобретения, которая основана на определении установившихся значений напряжений U₁ и U₂ по измерения на начальном участке переходного процесса V₁, t₁, t₂ и V₂, t₃, t₄ при поочередном шунтировании сопротивлением резистора полюсов сети. При этом пороговые напряжения U_пв⁽¹⁾, U_пн⁽¹⁾, которым соответствуют интервалы времени t₁, t₂ и пороговые напряжения U_пв⁽²⁾, U_пн⁽²⁾, которым соответствуют интервалы времени t₃, t₄, выбираем так, чтобы

U⁽¹_ПВ⁾= V₁-U_оп

U⁽¹_ПН⁾= V₁-2U_оп

U⁽²_ПВ⁾= V₂-U_оп

U⁽²_ПН⁾= V₂-2U_оп

Обоснуем выбор опорного напряжения U_оп.

Так как шесть напряжений:

- напряжение на шунтирующем резисторе в момент подключения шунтирующего резистора к положительному (отрицательному) полюсу сети V₁, V₂ и корпусу.

U_пв⁽¹⁾, U_пв⁽²⁾ - верхние уровни порогового напряжений,

U_пн⁽¹⁾, U_пн⁽²⁾ - нижние уровни пороговых напряжений,

используются для определения сопротивления изоляции, при этом необходимо, чтобы устройство, реализующее предлагаемый способ, устойчиво отличало эти напряжения, т. е. V₁, U_пв^(1), U_пн⁽¹⁾ (V₂, U_пв^(2), U_пн^(2),друг от друга, поэтому они задаются через равные опорные напряжения,

т. е. U⁽¹_ПВ⁾= V₁-U_оп

U⁽¹_ПН⁾= U⁽¹_ПВ⁾-U_оп

U⁽²_ПВ⁾= V₂-U_оп

U⁽²_ПН⁾= V₂-2U_оп

Величина опорного напряжения выбирается больше уровня помех в несколько раз.

Разница между двумя соседними напряжениями V₁, U_пв^(1), U_пн⁽¹⁾ или V₂, U_пв⁽²⁾, U_пн⁽²⁾ есть величина опорного напряжения U_оп. Опорное напряжение U_оп должно выбираться с одной стороны возможно меньшим (так как при этом уменьшается и время измерения сопротивления изоляции), а с другой стороны, не настолько малым, чтобы устройство не различало между собой упомянутые выше напряжения, при этом должно выполняться условие измерения эквивалентного сопротивления изоляции электрической сети в предлагаемом диапазоне изменения постоянной времени сети и уровня помех.

Поясним формулу (2). Известно, что переходный процесс на шунтирующем резисторе описывается выражением

(3)

где U₁(U₂) - установившееся значение напряжения на шунтирующем резисторе при подключении его к положительному (отрицательному) полюсу сети и корпусу;

t - время;

e - функция-экспонента;

- постоянная времени измеряемой сети.

Рассмотрим вывод формулы для определения установившихся значений напряжений U₁ и U₂ по результатам измерений V₁, t₁, t₂ и V₂, t₃, t₄.

Определим выражение для установившегося значения напряжения U₁ по измеренным значениям V₁, t₁, t₂ в следующем порядке.

Подставляя в (3) вместо t величины t₁ и t₂, получаем следующую систему уравнений:

(4)

Для определения U₁ следует исключить неизвестный параметр .

Предварительно из системы (4) легко получаем равносильную систему уравнений в более удобном виде

= (5)

Возведем первое уравнение в (5) в степень

- _e^- _{= e}^- .

и, приравнивая левые части уравнений в (5), получим

, (6)

обозначим ₁= .

Для нахождения в явном виде выражения для установившегося значения напряжения U₁ из (6) учтем, что так как измерения проводятся на начальном участке переходного процесса, то можно считать, что 1 и воспользоваться разложением в биноминальный ряд.

Известно, что

(1-x) = 1-₁x+ x²

Следовательно,

⁺ (7)

Подставляем (7) в (6)

1- = 1- + -1 .

Получим

- + -1 = -2 (8)

или перенеся _- в правую часть и умножив обе части (8) на выражение , получим

-1= -2+ (9)

Решая (9) относительно U₁, получим

= (₁-2)

или

₌

V₁-U₁=

U₁= V₁- U_оп (10) при ₁=

Подставляя значение ₁ в (10) и проведя некоторые упрощения, получим

U₁= V₁_ (11)

При подключении шунтирующего резистора к отрицательному полюсу формула (II) примет следующий вид:

U₂= V₂_

Следовательно, эквивалентное сопротивление изоляции определится по следующей формуле:

R_э= R -1=

= R -1 При исследовании патентной и другой научно-технической информации заявителем не были обнаружены источники/ в которых были бы приведены сведения о технических решениях/ содержащих совокупность отличительных предлагаемого способа/ хотя и известны технические решения/ содержащие отдельно признаки заявляемого объекта/ однако свойства и эффект/ которые указанные признаки сообщают этим объектам иные/ чем в предлагаемом решении/ поэтому указанные отличия являются существенными.

На фиг. 1 представлена функциональная схема; на фиг. 2 - временная диограмма/ иллюстрирующая принцип работы предлагаемого способа; на фиг. 3 - временная диограмма реализации способа измерения эквивалентного сопротивления изоляции; на фиг. 4 представлен алгоритм определения эквивалентного сопротивления изоляции; на фиг. 5 представлены два переходных процесса с разными постоянными времени измеряемой электрической сети/ иллюстрирующие преимущества предлагаемого способа.

На фиг. 1 представлен пример устройства/ реализующий предлагаемый способ измерения эквивалентного сопротивления изоляции/ где 1 - клеммы для подключения фаз полюсов электрической сети/ 2 - делитель напряжения/ 3/ 4 - ключи/ 5 - шунтирующий резистор/ 6 - буферное устройство/ 7 - однокристальная ЭВМ КМ 1813 ВЕI/ 8 - преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный/ 10 - блок индикации/ 11 - шина запуска/ 12 - источник опорного напряжения.

Способ реализуется в устройстве/ содержащем клеммы I для подключения фаз полюсов сети/ к которым через первый и третий выводы подключен делитель 2 напряжения, четвертый и пятый выводы которого соединены с первыми выводами ключей 3 и 4, вторые выводы которых соединены соответственно с 6 и 5 выводами ЭВМ 7, третьи выводы ключей 3 и 4 соединены с первым выводом шунтирующего резистора 5, с вторым выводом буферного усилителя 6 согласования и первым выводом шунтирующего резистора 5, второй вывод которого соединен с корпусом, второй вывод делителя 2 напряжения соединен с семнадцатым выводом ЭВМ 7, двадцать шестой, двадцать седьмой, двадцать восьмой и первый выводы которой соединены с входом преобразователя 8 двоичного кода в двоично-десятичный код, выход которого соединен с входом преобразователя 9 двоично-десятичного кода в семисегментный код, выход которого соединен с входом блока 10 индикации, вход шины 11 запуска соединен с четырнадцатым входом ЭВМ 7, выход источника 12 опорного напряжения соединен с десятым входом ЭВМ 7.

На фиг. 2 представлена временная диаграмма переходного процесса на шунтирующем резисторе, иллюстрирующая принцип работы предлагаемого способа. Из фиг. 2 видно, что время переходного процесса начинают измерять от момента шунтирования резистором положительного полюса сети до совпадения текущего напряжения U(t) на шунтирующем резисторе с верхним и нижним уровнями пороговых напряжений U_пв⁽¹⁾, U_пн⁽¹⁾ и U_пв⁽²⁾, U_пн⁽²⁾ при подключении шунтирующего резистора к отрицательному полюсу сети.

При совпадениях уровней текущего напряжения U(t) с уровнями пороговых напряжений производится измерение временных интервалов t₁, t₂, t₃, t₄, которые будут использованы для определения установившихся значений напряжений и эквивалентного сопротивления изоляции измеряемой электрической сети.

На фиг. 3 представлена временная диаграмма реализации предлагаемого способа, где показаны управляющие сигналы подключения и отключения шунтирующего резистора между корпусом и полюсами сети.

В соответствии с фиг. 4 описан алгоритм работы устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом. По сигналу, поступающему с шины 11 запуска на вход 14 однокристальной ЭВМ 7, последняя вырабатывает сигнал на выходе 6, который поступает на управляющий вход 2 ключа 3, подключающего через выводы 4 и 1 делителя 2 напряжения первый вход ключа 3 на его третий вход, при этом первый вывод шунтирующего резистора R_ш подключается к положительному полюсу сети 1, второй вывод шунтирующего резистора соединен постоянно с корпусом. Задается уровень опорного напряжения U_оп в источнике 12 опорного напряжения, который поступает на вход 10 однокристальной ЭВМ 7.

В момент подключения шунтирующего резистора R_ш на нем измеряется мгновенное напряжение V₁, затем вычисляются верхний и нижний U_пв⁽¹⁾ и U_пн⁽¹⁾ уровни пороговых напряжений, а после этого измеряются интервалы времени t₁ и t₂ (см. фиг. 2).

Измерение интервалов времени осуществляется следующим образом. Приравнивается к нулю интервал времени между моментом подключения шунтирующего резистора к положительному полюсу сети и моментом совпадения напряжения на шунтирующем резисторе U с верхним уровнем порогового напряжения U_пв⁽¹⁾, т. е. t₁= 0, затем в цикле идет измерение интервала времени t₁= t₁+ , где - время вычислений операций, содержащихся в цикле, включающих измерение напряжения U на шунтиpующем резисторе 5 R_ш, сравнение чисел и суммирование.

Напряжение U, снимаемое с шунтирующего резистора R_ш, сравнивается с верхним уровнем порогового напряжения U_пв⁽¹⁾ до тех пор, пока уровень напряжения U на R_ш не достигнет значения уровня U_пв⁽¹⁾, тогда произойдет выход из цикла измерения с сохранением значения интервала времени t₁, затем интервала времени t₂. Для этого первоначально t₂приравнивают t₁, затем в цикле идет измерение напряжения U, снимаемого с шунтирующего резистора R_ш, сравнение его с ранее вычисленным нижним пороговым напряжением U_пн⁽¹⁾ до тех пор, пока напряжение U на шунтирующем резисторе не достигнет значения нижнего уровня порогового напряжения U_пн⁽¹⁾. Тогда произойдет выход из цикла измерения напряжения U с сохранением значения t₂. Затем ЭВМ 7 вырабатывает сигнал на выходах 5 и 6; с выхода 6 сигнал поступает на управляющий вход 2 ключа 3, отключающего шунтирующий резистор R_ш от положительного полюса сети, а после срабатывания ключа 3 с выхода 5 поступает сигнал на управляющий вход ключа 4 и подключает шунтирующий резистор R_ш к отрицательному полюсу сети, в момент включения которого на нем измеряется мгновенное напряжение V₂, затем вычисляются верхний U_пв⁽²⁾ и нижний U_пн⁽²⁾ уровни пороговых напряжений. Интервалы времени t₃ и t₄ определяются аналогично интервалам времени t₁ и t₂.

После этого с пятого выхода ЭВМ 7 поступает сигнал на второй управляющий вход ключа 4 для отключения шунтирующего резистора 5 R_ш от отрицательного полюса сети, затем идет расчет по формуле эквивалентного сопротивления изоляции по измеренным интервалам времени t₁, t₂, t₃, t₄, заданному значению уровня опорного напряжения U_оп и выбранной величине шунтирующего резистора Rш.

Результаты расчета в двоичном коде выводятся на вход преобразователя 8 двоичного кода в двоично-десятичный код, с выхода которого сигналы поступают на преобразователь 9 двоично-десятичного в семисегментный код и с выхода последнего на вход индикатора 10.

Результаты индицируются на индикаторе 10 до тех пор, пока не поступит сигнал с шины 13 запуска для следующего измерения.

На фиг. 5 представлены два переходных процесса на шунтирующем резисторе с разными постоянными времени. Из фиг. 5 видно, что для определения эквивалентного сопротивления изоляции по способу-прототипу потребовалось бы одинаковое время измерения для обоих переходных процессов, в предлагаемом же способе время измерения с уменьшением постоянной времени переходного процесса значительно сокращается. Как видно из фиг. 5, предлагаемый способ позволяет адаптироваться к переходным процессам разной длительности и обеспечивает возможность измерения эквивалентного сопротивления изоляции за меньшее время по сравнению с временем, рассчитанным для процесса наибольшей длительности.