способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети

Формула изобретения

Способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанный на измерении тока утечки от вспомогательного источника измерительного напряжения, отличающийся тем, что дополнительно формируют измерительное напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида



где U(t) - измерительное напряжение;

U₁, U₂ - постоянные напряжения, U₁ > U₂;

- временной интервал;

T - период питающей электрической сети, < T,

измеряют ток утечки I₁ в интервале времени T < t 2T и ток утечки I₂ в интервале 3T < t 4T путем интегрирования падения напряжения на эталонном сопротивлении за период питающей сети вычисляют сопротивление изоляции по формуле



где r_T - внутреннее сопротивление источника, сравнивают полученное значение с двумя уставками R₁ и R₂, R₁ < R₂, при r_из R₁ повторяют измерение n₁ раз, а при R₁ < r_из R₂ повторяют измерение n₂ раз (n₁ n₂), и при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n₁ или n₂ раз производят отключение сети.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и релейной защите систем электроснабжения и предназначено для использования в электрических сетях переменного тока, содержащих полупроводниковые выпрямительные установки.

Известны способы контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанные на измерении тока утечки от вспомогательного источника измерительного напряжения, при которых в контролируемую сеть подают единичный скачок измерительного напряжения постоянного тока, в течение переходного процесса установления измерительного напряжения на импедансе изоляции сети в заданный момент времени от начала этого процесса измеряют и запоминают первое мгновенное значение измерительного напряжения на импедансе изоляции сети, после прерывания процесса заряда емкости сети и запоминания существовавшего при этом на импедансе изоляции мгновенного значения измерительного напряжения в переходном процессе фиксируют второе мгновенное значение измерительного напряжения в переходном процессе разряда емкости сети через время, равное заданному времени заряда емкости сети, и вычисляют сопротивление изоляции (А. с. N 1707569 (СССР), МКИ G 01 R 27/18, 1992 г.; А.с. N 1541533 (СССР), МКИ G 01 R 27/18, 1990 г.).

При реализации известных способов сопротивление изоляции сети определяется путем вычисления по мгновенным значениям падения напряжения на сопротивлении изоляции в определенные моменты времени переходных процессов заряда и разряда емкости сети. При подключениях или отключениях дополнительных участков сети в течение этих переходных процессов происходит искажение результатов измерений и, как следствие, возможны ложные срабатывания защиты.

Следовательно, недостатками известного способа контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети являются низкая помехоустойчивость измерений и, следовательно, низкая надежность защиты.

Из известных способов наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанный на измерении ток утечки через изоляцию от вспомогательного источника измерительного напряжения, при котором производят заряд емкости сети относительно земли постоянным током неизменного значения до величины заданного напряжения, затем отключают источник тока неизменного значения, подключают источник измерительного постоянного значения напряжения и производят измерение тока утечки, затем повторяют цикл измерения с изменением полярности напряжения.

Согласно предлагаемому способу цикл измерения состоит из двух интервалов. В первом осуществляется заряд емкости сети постоянным током до заданного напряжения, во втором производится измерение тока утечки при подключении к сети относительно земли источника постоянного напряжения. Время заряда емкости постоянным током до заданного напряжения зависит от величины емкости. Поэтому время цикла измерения не постоянно, а изменяется случайным образом. Вследствие этого время срабатывания защиты также является случайной величиной, что служит причиной низкой надежности защиты. Кроме этого, переходные процессы, возникающие при коммутации участков сети при измерениях, служат причиной искажений результатов. Следовательно, известный способ не обеспечивает высокой помехоустойчивости контроля сопротивления изоляции.

Таким образом, недостатки известного способа контроля сопротивления изоляции - низкая помехоустойчивость измерений и низкая надежность защиты.

Цель предлагаемого изобретения - повышение помехоустойчивости контроля сопротивления электрической сети.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанном на измерении тока утечки от вспомогательного источника измерительного напряжения, дополнительно формируют измерительное напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида



где U(t) - измерительное напряжение; U₁, U₂ - постоянные напряжения, U₂>U₂; - временной интервал, Т - период питающей электрической сети, < T, измеряют ток утечки I₁ в интервале времени T<t2T и ток утечки I₂ в интервале 3T<t4T путем интегрирования падения напряжения на эталонном сопротивлении за период питающей сети, вычисляют сопротивление изоляции по формуле



где r_T - внутреннее сопротивление источника, сравнивают полученное значение с двумя уставками R₁ и R₂, R₁<R, при r_изR₁ повторяют измерения n₁, а при R₁<rR₂ повторяют измерения n₂ раз (n₁n₂), и при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n₁ или n₂ раз производят отключение сети.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (операции):

- формируют измерительное напряжение в форме периодической последовательности импульсов вида



U(t) - измерительное напряжение; U₁, U₂ - постоянные напряжения, U₁>U₂; - временной интервал, T - период питающей электрической сети;

- измеряют ток утечки I₁ в интервале времени T<t2T и ток утечки I₂ в интервале 3T<t4T путем интегрирования падения напряжения на эталонном сопротивлении за период питающей электрической сети;

- вычисляют сопротивление изоляции по формуле



где r_T - внутреннее сопротивление источника;

- сравнивают полученное значение r_из с двумя уставками R₁ и R₂, R₁<R;

- при r_изR₁ повторяют измерения n₁ раз, а при R₁<rR₂ повторяют измерения n₂ раза (n₁<n);

- при последовательном подтверждении факта снижения изоляции n₁ или n₂ раз производят отключение сети.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предлагаемого изобретения повышается помехоустойчивость и надежность контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети. Это обеспечивается совокупностью следующих технических решений, реализуемых в предлагаемом способе:

- постоянством времени измерения, задаваемом периодическим измерительным сигналом;

- помехоустойчивым измерением тока утечки путем интегрирования падения напряжения на эталонном измерительном сопротивлении строго за период питающей сети, при котором обеспечивается фильтрация всех гармонических составляющих с частотами, пропорциональными частоте сети;

- подтверждением факта снижения сопротивления изоляции n₁ или n₂ раз в зависимости от величины измеренного пониженного сопротивления (чем меньше сопротивление, тем опаснее аварийная ситуация и, следовательно, должно быть минимальным время срабатывания защиты);

- формированием измерительного напряжения специальной формы, при которой обеспечивается форсированный заряд емкостей сети и гарантированный интервал измерения, равный периоду питающей сети, в установившемся режиме.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области измерительной техники и релейной защиты.

Известны операции формирования измерительного напряжения в виде периодического сигнала, а также форсирования измерительного сигнала (А.с. N 1224744, МКИ G 01 R 27/18, 1986 г., А.с. N 1541533, G 01 R 27/18, 1990 г.).

Однако в известных способах формирование двухполярного измерительного сигнала и напряжения ускоренного заряда осуществляется раздельно. В предлагаемом способе измерительное напряжение и напряжение форсированного заряда емкостей формируются в виде единого тестового сигнала. Использование для этой цели микропроцессорного задающего устройства позволяет обеспечить высокую точность измерений и повысить надежность защиты.

Известны операции измерения тока утечки через изоляцию при положительном и отрицательном измерительных напряжениях (А.с. N 1737363 (СССР), МКИ G 01 R 27/18, 1992 г. ). В предлагаемом способе также производится измерение тока при положительном и отрицательном напряжениях, но измерение производится путем интегрирования сигнала строго за период питающей сети. Это позволяет повысить помехоустойчивость измерений и надежность защиты.

Операции вычисления сопротивления изоляции по формуле



где r_T - внутреннее сопротивление источника и сравнения полученного значения с двумя уставками R₁ и R₂, R₁<R, повторение измерений n₁ раз при r_изR₁ и n₂ раз при R₁<rR₂ и отключения сети при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n₁ или n₂ раз в известных способах аналогичного назначения не обнаружены.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию "существенные отличия".

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная принципиальная схема трехфазной электрической сети, поясняющая способ контроля сопротивления изоляции сети при наличии в сети вентильного преобразователя П, на фиг. 2 приведена эквивалентная однолинейная схема электрической сети, на фиг. 3 показана диаграмма измерительного напряжения.

На фиг. 1 обозначено: e_A, e_B, e_C - напряжения фаз контролируемой сети; U_T - напряжение источника тестового сигнала; r_T2, r_T3 - сопротивления добавочных резисторов, r_и - эталонный измерительный резистор; r_A, r_B, r_C - сопротивления изоляции фаз соответственно А, В и С контролируемой сети; C_A, C_B, C_C - емкости фаз А, В и С; П - вентильный преобразователь; r_п1, r_п2 - сопротивления изоляции сети постоянного тока (для фидеров, подключенных к положительному и отрицательному полюсам выпрямителя П); C_п1, C_п2 - емкости сети постоянного тока; Z_п - комплексное сопротивление нагрузки преобразователя.

Напряжение от источника U_T через звезду добавочных резисторов r_Т1, r_Т2, r_Т3 поступает в контролируемую трехфазную сеть. Ток, протекающий в контуре: "источник тестового сигнала" U_Т - добавочные резисторы r_Т1, r_Т2, r_Т3 - сопротивление изоляции - земля, контролируется по величине падения напряжения на измерительном резисторе r_и. Величина сопротивления изоляции вычисляется в зависимости от измеренного тока и известного тестового напряжения.

Алгоритм идентификации сопротивления поясняется с помощью эквивалентной однолинейной схемы, показанной на фиг. 2, где обозначено: C_э, r_э - эквивалентные емкость и сопротивление изоляции контролируемой сети; C_п, r_п - -эквивалентная емкость и сопротивление изоляции в сети постоянного тока; U_п - постоянная составляющая напряжения.

Источник тестового сигнала в течение интервала времени < t 2T формирует постоянное напряжение U_Т= U₂. В установившемся режиме ток этого источника равен



где r_из - эквивалентное сопротивление изоляции сети, r_из = r_э||r_п.

В течение интервала времени 2T+ < t 4T источник тестового сигнала формирует напряжение U_Т=U₂. В этом случае ток источника равен



Решение системы уравнений (1) и (2) относительно r_из дает формулу



инвариантную относительно величины постоянного напряжения U_п в предположении U_Т=const в интервале измерения.

Форма тестового сигнала показана на фиг. 3. Тестовое напряжение представляет собой последовательность разнополярных импульсов специальной формы. В интервале времени 0 < t напряжение U_Т = U₁ и обеспечивает ускоренный процесс перехода электрической системы в установившееся состояние (форсированный заряд емкостей C и C_п). Для исключения влияния на результаты измерения переменной составляющей, обусловленной протеканием через измерительный резистор r_и токов, вызванных источниками e_A, e_B, e_C, измерения токов I₁ и I₂ осуществляются в установившемся режиме путем интегрирования падения напряжения на r_и за период сети.

Алгоритм формирования сигнала аварийного отключения предусматривает сравнение вычисленного значения эквивалентного сопротивления изоляции с двумя уставками R₁ и R₂ (например, 1 кОм и 10 кОм), и повторные измерения с целью подтверждения полученного результата. В первом случае (при r_изR₁) производится n₁ повторное измерение, во втором случае (при r_изR₂) n₂ повторные измерения.

На фиг. 4 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Она содержит драйвер 1 питания микроконтроллера 3, кварцевый резонатор 2, микроконтроллер 3, цифроаналоговый преобразователь 4, усилитель 5, блок питания 6, элементы индикации 7, 9, 10 и 17, исполнительный усилитель 8, интегратор 11, измерительный резистор 12, реле блокировки 13, устройство блокировки 14, детектор тестового сигнала 15, формирователь 16 сигнала об исправной работе устройства и нарушении изоляции, добавочные резисторы 18, 19 и 20, исполнительное устройство 21, кнопку 22, резистор 23 и разъем 24 для подключения устройства.

Тестовый сигнал формируется с помощью микроконтроллера 3 и с него поступает в виде последовательного кода на цифроаналоговый преобразователь 4. Аналоговый тестовый сигнал с выхода ЦАП 4 усиливается усилителем мощности 5 и через звезду добавочных резисторов 18, 19, 20 подается в контролируемую трехфазную сеть.

Ток утечки контролируется с помощью измерительного резистора 12, напряжение с которого подается на один из входов интегратора 11, который является элементом аналогоцифрового преобразователя, реализованного в микроконтроллере 3.

Обработка измерительной информации, состоящая в определении и запоминании значений токов I₁ и I₂, вычислении сопротивления изоляции в соответствии с формулой (3), сравнении результата с уставками, запоминании результата и организации повторных измерений при выполнении условий r_изR₁ или r_изR₂, а также формировании сигналов аварийного отключения и снижении сопротивления изоляции до критических значений, выполняется с помощью микроконтроллера 3.

Процедуры формирования тестового сигнала, вычислений значения сопротивления изоляции и сравнения результата с уставками осуществляются в режиме реального времени с дискретностью, равной 4Т.

Если в результате очередного измерения обнаруживается, что сопротивление изоляции r_из менее R₁, это событие запоминается. Если в последующих тактах такой же результат повторяется n₁ раз, на выходе 7 микроконтроллера формируется сигнал с уровнем логической единицы, который усиливается исполнительным усилителем 8 и поступает одновременно на элемент индикации 7 (красный светодиод "Авария"), формирователь сигнала контроля 16, который формирует сигнал о нарушении изоляции для передачи по линии связи на диспетчерский пункт, и через элемент блокировки 14 на исполнительный орган 21.

Если в результате измерения обнаруживается, что сопротивление изоляции R₁r_изR₂, то сигнал в виде логической единицы на выводе 7 микроконтроллера 3 формируется после n2 последовательных подтверждений этого события.

Элементы индикации 9 и 10 (желтые светодиоды "Контроль изоляции") предназначены для визуального контроля факта снижения сопротивления изоляции до первого R₃ и второго R₄ критических значений, не создающих опасности для персонала, но свидетельствующих об ухудшении свойств изоляции.

Устройство блокировки 14 управляется внешним сигналом постоянного тока с помощью реле 13 и предназначено для запрещения срабатывания аварийного отключения в произвольный момент времени, например, при выполнении ответственных технологических операций. В таких случаях отключение производится оператором при появлении сигнала о нарушении изоляции на диспетчерском пункте или непосредственно в устройстве (элемент индикации 7).

Контроль рабочего состояния устройства осуществляется по наличию тестового сигнала на выходе усилителя 5. Для этого тестовый сигнал преобразуется специальным детектором 15, наличие напряжения на выходе которого отображается с помощью элемента индикации 17 (зеленый светодиод "Работа"). Сигнал с выхода детектора 15 поступает на вход формирователя сигнала контроля, осуществляющего передачу сигнала об исправной работе устройства по линии связи на диспетчерский пункт.

Контроль рабочего состояния микроконтроллера осуществляется с помощью сторожевого таймера.

Электропитание устройства производится переменным напряжением 380 В, 50 Гц. Блок питания 6 формирует стабилизированные напряжения +5 В, 20 В и 110 В.

Драйвер 1 питания предназначен для запуска микроконтроллера при достижении напряжением источника заданного уровня (+4 В).

Схема контроля (кнопка 22 "Контроль" и резистор 23) предназначена для оперативной проверки работоспособности устройства путем создания искусственного замыкания на землю.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять контроль сопротивления изоляции и защиту электрической сети и обеспечивает повышенные помехоустойчивость измерений и надежность защиты за счет:

- постоянства времени измерения, задаваемого периодическим измерительным сигналом;

- помехоустойчивым измерением тока утечки путем интегрирования падения напряжения на эталонном измерительном сопротивлении строго за период питающей сети, при котором обеспечивается фильтрация всех гармонических составляющих с частотами, пропорциональными частоте сети;

- подтверждения факта снижения сопротивления изоляции n₁ или n₂ раз в зависимости от величины измеренного пониженного напряжения;

- формирования измерительного напряжения специальной формы, при которой обеспечивается форсированный заряд емкостей сети и гарантированный интервал измерения, равный периоду питающей сети, в установившемся режиме.

Устройство, реализующее предлагаемый способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, успешно прошло испытания в сети 0,4 кВ в условиях полигона Национального научного центра горного производства- Института горного дела им. А.А.Скочинского (ННЦГП-ИГД им. А.А.Скочинского).

Следовательно, использование в предлагаемом способе контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанном на измерении тока утечки от вспомогательного источника измерительного напряжения, дополнительно формирования измерительного напряжения в форме периодической последовательности импульсов вида



измерения тока утечки I₁ в интервале времени T<t2T и тока утечки I₂ в интервале времени 3T<t4T путем интегрирования падения напряжения на эталонном сопротивлении за период питающей сети, вычисления сопротивления изоляции по формуле



сравнения полученного значения R_из с двумя уставками R₁ и R₂, R₁<R, при r_изR₁ повторения измерений n₁ раз, а при R₁<rR₂ повторения измерений n₂ раз (n₁n₂), при последовательном подтверждении факта снижения сопротивления изоляции n₁ или n₂ раз отключения сети, позволяет повысить помехоустойчивость измерений и надежность защиты.