Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции

 

Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции в электрических жгутах и кабелях сетей, находящихся под напряжением постоянного тока, относится к электроизмерительной технике, в частности к автоматизированным системам контроля, и применяется при контроле сопротивления изоляции электрических цепей электро- и радиотехнических изделий. Суть изобретения заключается в том, что параллельно измеряемой цепи подключается конденсатор известного номинала, измеряется постоянная времени переходного процесса и, с учетом измеренных начального и конечного значений напряжений, в контролируемых точках определяются параметры изоляции цепи. Технический результат заключается в обеспечении гальванической развязки измеряемой и измерительной цепей и достигается за счет применения в качестве шунтирующего элемента конденсатора известной емкости и простоты способа вычисления параметров измеряемой цепи. 5 ил.

Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей, находящихся под напряжением постоянного тока, относится к электроизмерительной технике, в частности к автоматизированным системам контроля, и применяется при контроле сопротивления изоляции электрических цепей электро- и радиотехнических изделий.

Известны устройства для контроля и измерения сопротивления изоляции электрических линий постоянного тока, в частности, сигнализаторы понижения изоляции по А.С. СССР №378776, 1972 г. Комплект сигнализатора состоит из потенциометра, составляющего с сопротивлениями изоляции каждой линии контролируемой сети мост постоянного тока, и следящей системы, включающей усилители, исполнительный двигатель и блоки программных реле. Устройства эти не измеряют абсолютных значений сопротивления изоляции, имеют большое время измерения и сложны по конструкции.

Известно устройство для контроля изоляции и защиты двухпроходных сетей постоянного тока по А.С. СССР №353214, 1971 г, содержащее мост, образованный двумя плечами потенциометра и сопротивлениями изоляции шин линии, схему сравнения, включенную в диагональ моста, и чувствительный элемент в виде блокинг - генератора.

Это устройство имеет большую инерционность, низкую чувствительность и не позволяет измерять текущее значение сопротивления изоляции каждой шины линии при наличии больших емкостей утечки между шиной и корпусом.

Известно устройство измерения сопротивления изоляции двухпроводной линии постоянного тока по А.С. СССР №744339, БИ 24, 1980 г. Устройство измерения сопротивления изоляции содержит измерительный мост, в состав которого входят сопротивления изоляции контролируемых шин, цифроуправляемый резистор, источник питания линии, источник компенсационного напряжения, а также схему сравнения, блок управления, коммутатор и цифровой индикатор, цифроуправляемый резистор одним выводом соединен через нормально разомкнутый контакт первой группы и нормально замкнутый контакт второй группы коммутатора соответственно с плюсом и минусом источника компенсационного напряжения, другим выводом - с входом схемы сравнения и землей, а управляющим выводом - через блок управления с выходом схемы сравнения, второй вход которой соединен через нормально замкнутый контакт третьей группы коммутатора с нормально замкнутым контактом первой и минусом источника питания линии, плюс которого соединен с нормально разомкнутыми контактами второй и третьей групп коммутатора.

Недостатком этого устройства является большой цикл измерения и наличие влияния на измеряемую цепь путем подключения измерительных резисторов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является устройство по заявке №5005490, от 1991.07.16, публ. 1995.01.09, авторов Банщикова Ю.А. и Наумина В.А. Сущностью работы устройства является то, что проводятся в выявляемые моменты времени измерения эквивалентного сопротивления изоляции полюсов контролируемой сети по отношению к корпусу, перед каждым из которых проводят балансировку измерительного моста, два плеча которого представляют составляющие сопротивления изоляции, а два других - плечи управляемого резистивного делителя напряжения, причем для каждого измерения в диагональ моста с сигнальным резистором с помощью коммутационного элемента подключают источник напряжения постоянного тока.

Недостатком этого устройства является низкое быстродействие, которое не позволяет эффективно его использовать в сетях имеющих большие емкости с корпусом, а также отсутствие возможности обеспечения гальванической развязки контролируемых цепей в процессе измерения.

Задачей заявляемого изобретения является создание быстродействующего устройства для измерения изоляции электрических сетей (в том числе и на корпус), находящихся под напряжением, имеющих большие емкости утечки и обеспечение гальванической развязки контролируемых цепей в процессе измерения. Это достигается путем реконфигурации измеряемой цепи с помощью дополнительного конденсатора и оценки по виду переходного процесса измеряемых параметров.

Суть изобретения заключается в том, что параллельно измеряемой цепи подключается конденсатор известного номинала, измеряется постоянная времени переходного процесса и с учетом измеренных начального и конечного значений напряжений в контролируемых точках определяются параметры изоляции цепи. То есть для измерения сопротивления утечки между одним из проводов и корпусом подключают измерительный конденсатор известной емкости (в дальнейшем все рассуждения приведены для случая измерения по отношению к корпусу), в результате чего происходит перераспределение зарядов между емкостями утечки и измерительной емкостью. По параметрам переходного процесса вычисляют значения сопротивлений утечки и емкостей утечки. При этом обеспечивается гальваническая развязка измеряемой и измерительной цепей. В случае, если требуется уточнение результатов при относительно малых значениях емкостей утечки, определенных так как описано выше, используется способ попеременного подключения измерительных резисторов к положительным и отрицательным цепям шины и по девиации потенциала корпуса вычисляются уточненные сопротивления утечки.

Технический результат достигается за счет применения в устройстве переключаемых с помощью демультиплексора набора конденсаторов и точного измерения с помощью дифференциального усилителя и аналогового запоминающего устройства параметров переходного процесса с последующим вычислением результата.

Возможность осуществления изобретения подтверждается тем, что авторами проведено моделирование процессов измерения и уже разработан и опробован макет устройства.

На фиг.1 приведена эквивалентная схема измерения; на фиг.2 - переходные процессы, возникающие в результате коммутации измерительных конденсаторов.

На схеме (фиг.1) приняты следующие обозначения:

Е - источник напряжения в контролируемой цепи,

R₁, R₂ - сопротивления изоляции первого и второго участков цепи по отношению к корпусу,

C₁, C₂ - емкости утечки первого и второго проводов шины по отношению к корпусу,

С₀ - измерительный конденсатор известной емкости,

S₁, S₂ - ключи для соответствующей коммутации С₀,

R_p - разрядный резистор,

U_упр1, U_упр2 - сигналы управления ключами S₁ и S₂ соответственно,

R_д1, R_д2 - сопротивления делителя, обеспечивающие потенциал сравнения,

U_k - разность потенциалов между точкой сравнения и шиной корпуса.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

U_k1(t)=F(R₁, R₂, C₁, C₂ и C₀₁) и U_k2(t)=F(R₁, R₂, C₁, C₂ и C₀₂) - функции переходных процессов в точке К, отличающиеся значением емкости измерительных конденсаторов C₀₁ и С₀₂,

U₁₁, U₁₂ и U₂₁, U₂₂ - значения потенциалов U_k0 точки К по отношению к точке А, снятые в соответствующие моменты времени t₁₁, t₁₂, и t₂₁, t₂₂ для C₀₁ и С₀₂ сооветственно.

В исходном состоянии конденсатор С₀ разряжают до нуля вольт, например, путем замыкания контакта S₂. Измеряют потенциал точки А по отношению к точке К (корпуса). После этого подключают к одному из проводов (в зависимости от того, какой знак потенциала точки А) конденсатор С₀ через контакт S₁, предварительно разомкнув контакт S₂, и измеряют параметры переходного процесса. При этом обеспечивается отсутствие связи по постоянному току контролируемой цепи с корпусом.

Переходной процесс (фиг.2) описывается выражением:

По двум парам замеров U₁₁(t₁₁), U₁₂(t₁₂) и U₂₁(t₂₁), U₂₂(t₂₂) для С₀₁ и С₀₂, соответственно, и напряжению до коммутации U_k0 можно определить:

Постоянные времени переходного процесса для С₀₁ и C₀₂:

Тогда выражения для R₁, R₂ и C₁+C₂ примут вид:

Начальный скачок:

На фиг.3 приведена эквивалентная схема измерения сопротивлений утечки с помощью измерительного резистора R₀. Измерение сопротивлений утечки R₁ и R₂ производится по двум замерам U_K. В случае, когда подключен резистор R₀ ключом S₂ к положительному проводу шины, измеряют установившееся значение U_K1, а когда подключен резистор R₀ ключом S₁ к отрицательному проводу шины, измеряют U_K2. Вычисляют значение разности

Δ=U_K1-U_K2

и по известным U_K и Е вычисляют R₁ и R₂ по формулам, которые получаются из следующих выражений.

Потенциал U_K без подключения R₀ равен

разность потенциалов при разных подключениях R₀ будет:

после преобразований

тогда

а

или

где - нормированное значение перепада разности потенциалов,

- нормированное значение потенциала корпуса до коммутации R₀.

На фиг.4 представлена структурная схема устройства, в состав которой входят:

1 - узел делителей УД, обеспечивающий формирование потенциала сравнения каждой из N шин, содержащий N пар резисторов,

2 - первый мультиплексор шин MS1,

3 - второй мультиплексор потенциалов сравнения шин MS2,

4 - переключатель полярности MS3 (третий мультиплексор),

5 - переключатель измерительного входа MS4 (четвертый мультиплексор) дифференциального усилителя, обеспечивающий цепь для измерения либо напряжения между положительным и отрицательным проводом n_i-ой шины, либо между корпусом и шиной срединного потенциала,

6 - дифференциальный усилитель ДУ,

7 - первый демультиплексор DMS 1 для подключения одного из L резисторов (формирует цифроуправляемый резистор),

8 - аналоговое запоминающее устройство АЗУ,

9 - аналого-цифровой преобразователь АЦП,

10 - блок вычисления результатов БВР измерения,

11 - второй демультиплексор DMS2 для подключения одного из М конденсаторов (формирует цифроуправляемый конденсатор),

12 - узел индикации результатов УИР измерения,

13₁-13_L - измерительные резисторы R₁-R_L,

14₁-14_M - ключи K₁-К_M,

15₁-15_M - разрядные резисторы R_p1-R_рм,

16₁-16_M - измерительные конденсаторы C₁-С_M,

17 - блок управления БУ,

18₁₁ и 18₁₂-18_N1 и 18_N2 - пары резисторов узла делителей R₁₁ и R₁₂-R_N1 и R_N2,

19₁₁ и 19₁₂-19_N1 и 19_N2 - пары проводов шин F₁₁ и F₁₂-F_N1 и F_N2,

20 - шина "Пуск",

21 - шина корпуса объекта.

Выходы узла 1 делителей подключены соответственно ко входам первого мультиплексора шин MS₁ 2 и ко входам второго мультиплексора потенциалов сравнения MS₂ 3. Пара выходов мультиплексора 2 соединена со входами переключателя полярности МS₃ 4 и парой входов переключателя измерительных входов MS₄ 5 дифференциального усилителя DY 6. Ко второй паре входов мультиплексора MS₄ 5 подключены выход мультиплексора MS₂ 3 и шина корпуса объекта 21. Выход MS₃ 4 соединен со входами демультиплексоров DMS₁7 и DMS₂11, а пара выходов MS4 5 через DY 6 ко входу АЗУ 8. Выход АЗУ 8 через АЦП 9 подключен к вычислителю БВР 10, выход которого соединен с УИР 12. Выходы DMS₁ 7 подключены к соответствующим входам измерительных резисторов, выходы которых подключены к шине корпуса объекта 21. Выходы DMS₂ 11 соединены с входами соответствующих измерительных конденсаторов 16₁...16_M и через ключи 14₁...14_M к входам разрядных резисторов 15₁...15_M. Выходы резисторов 15₁...15_M и конденсаторов 16₁... 16_M подключены к шине корпуса объекта 21. В узле деления 1 к входным шинам 19₁ и 19₁₂...19_N1 и 19_N2 подключены соответственно последовательно соединенные резисторы 18₁ и 18₁₂...18_N1 и 18_N2. Выходы блока управления БУ 17 подсоединены к соответствующим управляющим входам следующих узлов: MS₁ 2, MS₂ 3, МS₃ 4, MS₄ 5, DMS₁ 7, DMS₂ 11, АЗУ8, АЦП 9 и БВР 10, ко входу БУ17 подключена шина "ПУСК" 20.

Устройство работает по алгоритму, определяемому БУ17. Укрупненная блок-схема алгоритма приведена на фиг.5, где приняты следующие обозначения:

1 - "Начало работы ",

2 - n=0, m=0, 1=0 (приведение счетчиком номеров шин n, номеров измерительных конденсаторов m и номеров измерительных резисторов 1 в нулевое состояние),

3 - n_i+1:=n_i+1 (увеличить номер измеряемой шины на единицу),

4 - n_i>N, где N - количество шин,

5 - провести измерение значения потенциала корпуса по отношению к потенциалу сравнения шины U_k,

6 - Uk<Ukдоп., где Ukдоп. - минимальный скачок Uk, достаточный для обеспечения требуемой чувствительности измерений,

7 - m_i+1:=m_i+1,

8 - провести измерение максимального отклонения U_n потенциала корпуса после мутации С_oi,

9 - Un<Umax, где Umax - это мах. значение, достаточное для проведения измерений сопротивления и емкости утечки,

10 - проведение измерений и вычислений R_1,2 и C_1,2 с помощью переключаемых конденсаторов,

11 - m_i>M, где М - количество измерительных конденсаторов,

12 - σ_ci<σ_{с доп}, где σ_ci и σ_{с доп} - текущая и допустимая погрешности измерения,

13 - l_i+1:=l_i+1,

14 - проведение измерения R с помощью переключаемых резисторов,

15 - σ_Ri<σ_{R доп}, где σ_Ri и σ_{R доп} - текущая и допустимая погрешности измерения,

16 - l_i>L, где L - количество измерительных резисторов,

17 - индикация результатов,

18 - проверка наличия команды "STOP",

19 - конец.

В исходном состоянии N шин двухпроводной сети подключены ко входу устройства, причем все мультиплексоры и демультиплексоры находятся в нулевом состоянии, т.е. все коммутируемые цепи разорваны. По команде "Пуск" БУ17 осуществляет через MS₁2 подключение пары проводов первой шины ко входам МS₃4 и MS₄5. Одновременно подключается на третий вход MS₄5 через MS₂3 потенциал сравнения делителя 18₁₁ и 18₁₂. По команде БУ17 MS₄5 подключает к измерительным входам ДУ6 пару проводов измеряемой шины. АЦП9 производит измерение разности потенциалов между проводами шины E₁ и заносит результат преобразования в БВР10. Каждое измерение осуществляется в следующей последовательности. Измеряемый сигнал через дифференциальный усилитель ДУ6, обеспечивающий подавление синфазной составляющей помехи, поступает на вход АЗУ8, которое фиксирует входной сигнал на время измерения. После этого АЦП9 производит измерение. Результат, полученный с задержкой на выходе АЦП9, точно соответствует входному сигналу в момент перехода АЗУ8 из состояния слежения в режим хранения, что исключает динамическую составляющую погрешности измерения.

После измерения напряжения между проводами пары первой шины MS₄5 переключает измерительные входы ДУ6 к выходу MS2 (где подключен потенциал сравнения первой шины) и шине корпуса, а АЦП измеряет разность потенциалов U₀ между ними. В БВР10 проводится оценка уровня U₀₁ и, если он в пределах допустимого U_{0 доп} (это определяется соотношением R₁, R₂ и R_1,2доп), то по соответствующей команде БУ17 MS₁2 обеспечит подключение на измерение параметров пары проводов второй шины сети.

Измерения E₂ и U₀₂ как и Е_i и U_0i остальных N-1 шин производятся в той же последовательности.

Если в процессе измерения параметров i-ой шины не выполняется условие U_K0i<U, то БУ17 переводит устройство в режим измерения R_1,2i с помощью измерительных конденсаторов. Для этого с помощью DMS2 поочередно подключаются измерительные конденсаторы, например, в порядке возрастания номинала. При этом перед подключением очередного конденсатора 16, ключом 14_i отключается разрядный резистор R_Pi. По вышеописанному алгоритму проводятся измерения переходного процесса потенциала корпуса по отношению к потенциалу сравнения i-ой шины. В БВР10 выполняется сравнение начального скачка потенциала U_n связанного с перераспределением заряда между С_1i, С_2i и С₀. Если он превысит U_max, то это означает, что подключение следующего измерительного конденсатора большего номинала обеспечивает получение переходного процесса, измерение параметров которого в соответствии с графиком на фиг.2, и вычисления R_1i и R_2i по формулам (1), (2) и (3) обеспечит требуемую точность результата. Если емкости утечки шины столь велики, что емкость максимального измерительного конденсатора недостаточно для обеспечения скачка соответствующей величины, то расчет R_i и С_i ведется по фактическому переходному процессу. Результаты вычисления параметров утечки R_1i, R_2i и С_i и в первом случае (когда подключение измерительного С_i обеспечивает требуемую точность) и во втором - выводятся на узел индикации результата.

Если емкости утечки проводов малы и при этом сопротивления утечки тоже малы и поэтому переходный процесс от подключения измерительной емкости получается коротким, то измерение проводится путем подключения измерительного резистора 13₁...13_L. БУ17 через DMS1 подключает первый измерительный резистор 13₁ максимального номинала сначала к положительному проводу через МS₃4, а потом к отрицательному. БВР10 оценивает достаточность Δ для обеспечения требуемой точности вычисления (условие 15 фиг.5), и, если оно не выполняется, то БУ17 продолжает подключение следующего, меньшего по номиналу резистора, на котором также проверяется условие 15. Если условие выполняется, то R₁ и R₂ вычисляются по формулам 4 и 5. Результаты индицируются на УИР12.

После этого, если не поступила команда "STOP", процесс контроля шин начинается заново.

Таким образом предлагаемое устройство позволяет измерять параметры утечки контролируемых двухпроводных сетей при наличии больших емкостей утечки за существенно более короткие сроки. Например, чтобы дождаться результата измерения порядка 1%, используя мостовую схему, потребуется 2-3τ, а в нашем случае - 0,1-0,2τ. При этом надо учесть, что τ=R₁·C₁ может составлять: при R₁=10⁴-10⁵ Ом и C₀=10^-3-10^-2 Ф примерно - 10-10² секунд.

Формула изобретения

Устройство для измерения электрического сопротивления изоляции двухпроводных сетей постоянного тока, находящихся под напряжением, содержащее первый мультиплексор, N пар входов которого подключены к соответствующим парам проводов сетей, а выходы которого через третий мультиплексор и первый демультиплексор подключены к первым входам L измерительных резисторов, выходы которых соединены с корпусом, аналого-цифровой преобразователь, узел индикации результатов, шину "Пуск", второй мультиплексор, входы которого подключены к объединенным входам соответствующих пар резисторов делителей, выходы которых соединены с соответствующими парами проводов сети, отличающееся тем, что в него введены блок управления, четвертый мультиплексор, дифференциальный усилитель, М измерительных конденсаторов с ключами и разрядными резисторами, аналоговое запоминающее устройство, блок вычисления результатов и второй демультиплексор, вход которого подключен к выходу третьего мультиплексора, а выходы - к входам измерительных конденсаторов и через соответствующие ключи - к входам разрядных резисторов, выходы которых, как и выходы измерительных конденсаторов, соединены с корпусом, причем первая пара входов четвертого мультиплексора подключена к первому выходу первого мультиплексора и выходу второго мультиплексора соответственно, а вторая пара входов подключена ко второму выходу первого мультиплексора и корпусу соответственно, а выходы четвертого мультиплексора через дифференциальный усилитель и аналоговое запоминающее устройство - ко входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом блока вычисления результатов, первый выход которого подключен к узлу индикации результатов, а второй - к первому входу блока управления, ко второму входу которого подключена шина "Пуск", причем выходы блока управления соединены с соответствующими управляющими входами четырех мультиплексоров, двух демультиплексоров, аналогового запоминающего устройства, аналого-цифрового преобразователя и блока вычисления результатов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5