Устройство для контроля тока утечки

 

Устройство относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля тока утечки с объектов, подключенных к источникам электрического напряжения, например для измерения тока утечки через кузов троллейбуса на землю. Технический результат - снижение погрешности измерения тока утечки - достигается за счет косвенного измерения не доступного для непосредственного измерения сопротивления между кузовом троллейбуса и землей, измерения напряжения между кузовом и землей и вычисления тока по закону Ома. Для этого сигналами с генератора 17 синхронно коммутируют ключи 8, 12, 13; ключом 8 подключают и отключают резистор 7 с сопротивлением R_Д между кузовом и землей. Одновременно измеряют напряжение на кузове 4 с помощью измерителя 2, содержащего делитель-ограничитель 6, выпрямитель 9, сигналы с которого поступают на фильтры-преобразователи 11, 14, 15 через ключи 12, 13 и разделительный элемент 10. В результате на входы множительно-делительного устройства 16 поступают сигналы, пропорциональные: U_К - напряжению на кузове 4 при разомкнутом ключе 8; U_К-ΔU - напряжению на кузове при замкнутом ключе (ΔU - уменьшение напряжения U_К при подключении сопротивления R_Д к кузову); ΔU•R_Д - напряжению разности между U_К и (U_К-ΔU) с учетом коэффициента пропорциональности, линейного с сопротивлением R_Д. На выходе устройства 16 формируется напряжение где В - постоянный коэффициент, значение которого выбирают из соображений удобного уровня сигналов в элементах измерителя 2. Напряжение U₁₆ в определенном масштабе отображает через индикатор 5 значение полного тока утечки с кузова на землю. 4 ил.

Заявляемое устройство относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для контроля тока утечки с объектов, подключенных к источникам электрического напряжения, например для измерения тока утечки через кузов троллейбуса на землю. Может быть использовано в депо, контрольных и диспетчерских пунктах для своевременного обнаружения опасного значения тока утечки с целью предотвращения поражения человека и животных, прикасающихся к элементам кузова троллейбуса.

Известен бортовой сигнализатор тока утечки троллейбуса (см. журнал "Вестник городского электрического транспорта России" 6 (15), 1996 г., стр. 7. . . 10), содержащий источник компенсирующего напряжения с измерительным устройством, блок управления и сигнализации. Однако его можно использовать только в системах электроснабжения транспорта с заземленным отрицательным полюсом. Это относится к недостатку известного сигнализатора, т.к. в последние годы во вновь вводимых троллейбусных хозяйствах применяют систему питания с изолированными от земли полюсами (см. книгу Д.К. Томлянович, В.П. Чубуков. Защита устройств электроснабжения М.: Транспорт, 1980 г., стр.11... 13, а также стр. 88...96).

Наиболее близким, принятым за прототип, является устройство для измерения тока утечки с заземлителем (см. Типовую инструкцию по обеспечению безопасности пассажиров троллейбусов от токов утечки. M. 1996 г. Министерство транспорта РФ, Департамент автомобильного транспорта, стр.16, рис.1). Наиболее близкое известное устройство относится к тому же классу, что и заявляемое, а именно с заземлением кузова на время измерения. Оно содержит контрольный щуп, шунтируемый ключом резистор и измеритель тока - миллиамперметр. К недостаткам этого устройства относится большая погрешность измерения тока утечки, связанная с тем, что не учитывается составляющая тока утечки, проходящая через шины.

В реальных системах электроснабжения как с заземленной отрицательной шиной, так и с изолированными шинами (см. журнал "Вестник городского электрического транспорта России" 6 (33), 1999 г., стр.4, рис.1; стр.5, рис.3) всегда имеет место утечка тока через сопротивление шин, которая через измеритель известного устройства не протекает, т.е. измерительное устройство занижает показания тока утечки, а это может привести к случаю, когда троллейбус с повышенным током утечки может оказаться на линии.

Предлагаемое устройство позволяет уменьшить погрешность измерения тока утечки. Это достигается за счет того, что в устройстве, содержащем измеритель, который по входу через щуп соединен с объектом, а по выходу - с индикатором, измеритель выполнен в виде делителя-ограничителя с подключенной к нему параллельно по входу цепочкой из резистора и последовательно соединенного с ним первого ключа. По выходу делитель соединен со входом выпрямителя, выход которого через разделительный элемент соединен со входом первого фильтра-преобразователя и непосредственно с информационными входами второго и третьего ключей, выходы которых соответственно через второй и третий фильтры-преобразователи соединены со вторым и третьим входами множительно-делительного устройства, первый вход которого соединен с выходом первого фильтра-преобразователя, а выход - с выходом измерителя. Кроме того, введен генератор, прямой выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей, а инверсный выход - с управляющим входом третьего ключа. Введен также блок питания, выход которого соединен с измерителем и индикатором.

На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства.

На фиг.2 представлена схема протекания тока утечки в изолированной системе питания троллейбуса.

На фиг. 3 представлена схема протекания тока утечки через сопротивление шин и человека в случае его электрического контакта с кузовом троллейбуса.

На фиг.4 представлены эпюры электрических сигналов для пояснения работы устройства.

Устройство содержит блок питания 1 для питания функциональных элементов устройства, измеритель 2, который посредством щупа 3 подключают электрически к кузову 4, индикатор 5. В состав измерителя 2 входят: делитель 6, параллельно входу которого подключен резистор 7 с сопротивлением R_д через ключ 8 на землю, выпрямитель 9, соединенный по входу с выходом делителя 6. Выход выпрямителя через разделительный элемент 10, например конденсатор, соединен со входом фильтра-преобразователя 11. Непосредственно выход выпрямителя соединен с информационными входами ключей 12 и 13, при этом выходы ключей соединены соответственно с входами фильтров-преобразователей 14 и 15, выходы которых соединены со вторым и третьим входами множительно-делительного устройства (МДУ) 16. Выход МДУ 16 является выходом измерителя, который соединен со входом индикатора 5. Первый вход МДУ 16 соединен с выходом фильтра-преобразователя 11.

В измерителе 2 имеется генератор 17 периодических сигналов, например импульсных, прямоугольной формы и со скважностью 2.

С прямого выхода генератора сигналы поступают на управляющие входы ключей 8, 12, а с инверсного выхода генератора - на управляющий вход ключа 13. Напряжение питания с блока 1 подводится к измерительному блоку 2 и поступает на генератор 17, ключи 12, 13, фильтры-преобразователи 11, 14, 15, МДУ 16, а также на индикатор 5.

Делитель-ограничитель 6 содержит резисторы 18, 19 и ограничитель 20, например, в виде двунаправленного стабилитрона.

Для объяснения работы предлагаемого устройства рассмотрим цепи протекания токов утечки, изображенные на фиг.2, 3, где обозначено: U - источник питания троллейбусной сети; U_П - напряжение положительной шины относительно земли; U_О - напряжение отрицательной шины относительно земли; U_К - напряжение на кузове относительно земли; R₁, R₂ - сопротивление изоляции соответственно положительной и отрицательной шин относительно земли; R_П, R_О - сопротивление изоляции кузова троллейбуса относительно положительной и отрицательной шин соответственно; R_Ш - сопротивление кузова относительно земли;
R_Ч - сопротивление тела человека, стоящего на земле и касающегося кузова.

Ток утечки I_П от шины U_П протекает по цепи +U, R_П, R_Ш параллельно R_Ч, земля, R₂, -U. По аналогичной цепи протекает ток утечки I_О от шины U_О.

В результате на кузове появляется напряжение U_К.

Суммарный ток I_у утечки равен алгебраической сумме I_П и I_О: I_у=I_П+I_О.

В отсутствие человека ток утечки I_у1 протекает только через сопротивление R_Ш. На кузове относительно земли будет напряжение U_К1.

Если человек касается кузова, ток I_у2 утечки протекает по двум параллельным цепочкам: через R_Ш и R_Ч (фиг.3)
Подключая измеритель вместо R_Ч, как это делается в известном устройстве, невозможно измерить составляющую тока I_Ш через R_Ш, хотя именно эта составляющая является объективной характеристикой состояния изоляции троллейбуса.

Рассмотрим работу устройства.

При подаче питания генератор 17 вырабатывает импульсы 21, 22 (фиг.4). Импульсами 21 выключатель 8 и ключ 12 замыкаются при положительных уровнях и размыкаются при отрицательных. В результате резистор 7 подключается или отключается от входа измерителя 2. При отключении R_Д на входе делителя 6 имеется напряжение U_К, а при подключении U_К-ΔU, это иллюстрируется эпюрой U₆ (фиг.4), где ΔU - уменьшение напряжения при подключении нагрузки R_Д.

Делитель-ограничитель 6 предназначен для снижения высокого напряжения, которое в аварийной ситуации может оказаться на кузове троллейбуса, до величины, безопасной для работы устройства.

Независимо от системы электроснабжения, то есть независимо от того, заземлена или изолирована от земли отрицательная шина, напряжение на кузове относительно земли будет U_К при разомкнутом ключе и U_К-ΔU при замкнутом. Соответственно ток утечки I_р при разомкнутом ключе и I_з при замкнутом можно определить по закону Ома по формулам
I_р=U_К/R_Ш; (1)

Для схемы (фиг.2) справедливо также


где - эквивалентное сопротивление параллельно соединенных сопротивлений R_Ш и R_Д.

Но так как R_П>>R_Ш; R_O>>R_Ш и R_Д>>R_Ш, с большой точностью приближения можно считать, что
I_p≈I_з. (5)
Решая (1) и (2) с учетом (5), находим

Подставляем значение R_Ш в (1)

Формула (7) позволяет найти полный ток утечки с кузова на землю через шины, который имеет место в реальном случае.

На выходе выпрямителя 9 сигналы U₉ всегда положительны. С выхода выпрямителя 9 через разделительный конденсатор 10 переменная составляющая сигнала ΔU поступает на вход фильтра-преобразователя 11, который преобразует импульсный сигнал ΔU в пропорциональный ему постоянный с учетом значения величины R_Д.

В качестве фильтра-преобразователя 11 можно использовать выпрямитель, аналогичный выпрямителю 9, со сглаживающим RC-фильтром на выходе. А умножение ΔU на постоянную величину R_Д равнозначно подбору коэффициента передачи выпрямителя.

На первый вход делителя МДУ 16 поступает постоянное напряжение, пропорциональное ΔU•R_Д. На информационные входы ключей 12, 13 поступает сигнал U₉. По управляющим входам ключи попеременно замыкаются и размыкаются в противофазе сигналами 21, 22. Происходит синхронное детектирование. В результате на выходе ключа 12 появляются импульсы, амплитуда которых пропорциональна U_К-ΔU, а на выходе ключа 13 - U_К.

Фильтрами-преобразователями 14, 15 эти сигналы преобразуются в постоянные напряжения положительной полярности, которые пропорциональны напряжениям U_К-ΔU и U_К, наблюдаемым на входе измерителя 2. Эти сигналы поступают на второй и третий входы МДУ 16, на выходе которого образуется напряжение

где В - постоянный коэффициент, значение которого выбирают из соображений удобного уровня сигналов в элементах усилителя 2.

Это напряжение поступает на индикатор 5, который отображает его в единицах (миллиамперах) тока утечки в соответствии с формулой (7).

Для проверки работоспособности предлагаемого устройства и экспериментального подтверждения приведенных выкладок был изготовлен опытный образец, в котором в качестве ключа 8 использованы оптотиристоры типа ТО-125 в режиме максимального рабочего тока 0,5 мА, что в несколько раз меньше тока спрямления тиристора. В этом режиме оптотиристоры работают как биполярные транзисторы, они имеют высокое обратное напряжение (1600 В) и развязку от цепей управления.

В качестве выпрямителя 9 и фильтра-преобразователя 11 были использованы схемы, подобные описанным в книге Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей. Пер. с англ. М.: Мир, 1985 год, стр. 241...242, рис. 9.6.

В качестве генератора использована схема, подобная генератору из приведенной выше книги стр. 253, рис. 9.12.

В качестве МДУ использована микросхема типа 525ПС2Б, в качестве индикатора 5 применен АЦП типа 572ПВ2 с индикаторами типа КИПЦЦ 22-2/8к на выходе.

Опытный образец был испытан в течение 1 года в троллейбусном парке Ижевского трамвайно-троллейбусного управления (адрес: 426057, г. Ижевск, ул. Маяковского, д. 7, Гл. инженер Багиров А.М., тел. [phone]). Результат испытаний положительный.

Таким образом, предложенное устройство позволяет контролировать полный ток утечки с кузова троллейбуса на землю, выявлять с большей надежностью неисправные троллейбусы перед выпуском их на линию.

Формула изобретения

Устройство для контроля тока утечки с элементов объекта, подключенного к источнику электрического напряжения, содержащее измеритель, соединенный по входу через щуп с объектом, а по выходу - с индикатором, отличающееся тем, что измеритель выполнен в виде делителя, включенного на входе, а параллельно ко входу делителя подключена цепь из последовательно соединенных нагрузочного резистора и первого ключа, по выходу делитель соединен со входом выпрямителя, введены также первый, второй и третий фильтры-преобразователи, преобразующие импульсные сигналы, поступающие на их входы, в постоянное напряжение, выход же выпрямителя через разделительный элемент соединен со входом первого фильтра-преобразователя и непосредственно с информационными входами второго и третьего ключей, выходы которых соответственно через второй и третий фильтры-преобразователи соединены со вторым и третьим входами множителей множительно-делительного устройства, первый вход делителя которого соединен с выходом первого фильтра-преобразователя, а выход - с выходом измерителя, кроме того, в измеритель введен генератор, прямой выход которого соединен с управляющими входами первого и второго ключей, а инверсный выход - с управляющим входом третьего ключа, введен также блок питания, соединенный по выходу с измерителем и индикатором, при этом на выходе множительно-делительного устройства образуется напряжение U_вых, отображающее в определенном масштабе ток утечки, при этом _вых определяется в соответствии с математическим выражением

где U_К - напряжение на объекте относительно земли при разомкнутом первом ключе;
ΔU - уменьшение напряжения на объекте при замыкании первого ключа;
R_Д - сопротивление нагрузочного резистора;
В - постоянный коэффициент, значение которого выбирают для получения нужного уровня электрических сигналов в устройстве.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4