Способ для измерения сопротивления изоляции в незаземленной электрической сети постоянного тока и для локализации замыкания на землю и двухполюсное устройство ввода тока
Изобретение относится к измерению сопротивления изоляции в незаземленной электрической сети постоянного тока и локализации замыкания на землю. Сущность: двухполюсное устройство (12) ввода тока включают между отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8) или между заземляющим выводом (8) и положительным выводом (3) сети. Двухполюсное устройство (12) имеет емкость (20) и диод (15). Вводят ток в сеть и сохраняют состояние напряжения сети относительно заземляющего вывода для приближения к условиям работы при отсутствии замыкания на землю. Сопротивление изоляции сети определяют как отношение напряжения постоянного тока, измеряемого между двумя выводами (13, 14) двухполюсного устройства, и постоянного тока, протекающего через устройство. В сетях с замыканием на землю через большое сопротивление замыкание локализуют посредством поддержания восстановленного напряжения и отслеживания постоянного тока, введенного в сеть из устройства. Технический результат: обеспечение быстрого измерения сопротивления изоляции в находящихся под напряжением незаземленных цепях постоянного тока с большой емкостью относительно земли, возможность определения местоположения замыкания через высокое сопротивление или нескольких замыканий, одновременно возникающих в таких сетях. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу измерения сопротивления изоляции в незаземленной электрической сети постоянного тока и локализации замыкания на землю, который лучше всего применим к сетям постоянного тока с большой емкостью относительно земли с целью локализации одного или более одновременно возникающих замыканий на землю через большое сопротивление. Кроме того, изобретение относится к двухполюсному устройству ввода тока, предпочтительно применяемому для реализации способа.
Уровень техники
В настоящем описании изобретения использование термина «сети постоянного тока с большой емкостью относительно земли» применяется к сетям с емкостью относительно земли, составляющей 1000 мкФ или больше, тогда как «замыкание на землю через большое сопротивление» относится к повреждениям изоляции в диапазоне 50-100 кОм.
Одно из преимуществ незаземленных (изолированных от земли) электрических сетей постоянного тока состоит в том, что в сети малого масштаба с точки зрения безопасности для жизни возникают допустимые параметры тока и напряжения в случае случайного прикосновения к высоковольтному проводнику. Другое преимущество состоит в том, что замыкание на землю, вызывающее отключение источника питания, не приводит к прекращению подачи электроэнергии потребителю. Еще одно преимущество в таких сетях состоит в том, что в управляющих и рабочих цепях сети замыкания, происходящие в цепях с нормально открытыми контактами, могут также быть обнаружены на сетевом выводе положительной полярности.
Однако даже в незаземленных сетях постоянного тока при втором замыкании на землю может возникнуть чрезмерно высокое контактное напряжение, при этом второе замыкание на землю вызовет двойное замыкание на землю, что приведет к прекращению подачи электроэнергии потребителям во время восстановления сети. Таким образом, важно быстро локализовать первое замыкание на землю и восстановить сеть.
Применение хорошо известных и широко используемых встроенных устройств для контроля состояния изоляции незаземленных сетей постоянного тока, если ухудшение изоляции сети достигнет определенного заранее заданного значения, будет обеспечивать информацию о том, возникло ли замыкание на землю на положительном выводе, обычно шине L+, или на отрицательном выводе, обычно шине L-. Некоторые устройства будут также отображать значение замыкания в омах.
Существуют другие устройства контроля изоляции, которые могут способствовать обнаружению места замыкания на землю посредством выбора ветви замыкания на землю, после чего в выбранной ветви замыкание может быть найдено при помощи переносного устройства. Эти устройства создают прямоугольный сигнал переменного тока между одним из выводов сети и заземляющим выводом, при этом, посредством регистрации магнитного поля переменного тока при помощи обмотки трансформатора тока или токоизмерительных клещей можно обнаружить место замыкания. На силу созданного тока и время, необходимое для измерения, существенно воздействует емкость сети относительно земли. В случае большой емкости время измерения значительно возрастает. Величина емкости относительно земли зависит от характера сети и ее эксплуатационного состояния переключателя, и может изменяться в диапазоне от нескольких мкФ до нескольких тысяч мкФ.
Существует несколько известных способов измерения сопротивления изоляции незаземленных сетей постоянного тока. Общая особенность одной группы этих способов состоит в том, что посредством использования напряжения проверяемой сети или посредством использования внешнего источника напряжения скачок напряжения прямоугольного сигнала создается между одним из выводов сети и заземляющим выводом и обычно подключается к сети через омическое сопротивление. Затем, посредством измерения полученных токов и напряжений и осуществления сложных вычислений определяют сопротивление изоляции сети.
Этот способ раскрыт применительно к измерению сопротивления изоляции, описанному в EP 0654673 B1, и в этом способе, в результате резкого скачка напряжения из-за подаваемого в сеть напряжения прямоугольного сигнала, емкость сети заряжается за счет подключения ступенчатого напряжения, а затем разряжается через сопротивление изоляции. В сетях постоянного тока для измерения требуется время, достаточное для затухания возникающего резкого скачка напряжения, поскольку величину сопротивления изоляции вычисляют на основе стабилизированных значений. Генератор напряжения прямоугольного сигнала подключен между заземляющим выводом и средней точкой присоединения омических сопротивлений между положительным и отрицательным выводами, таким образом, в одном цикле измерения поочередно подают положительное, затем отрицательное напряжение через заданные интервалы.
Недостаток этого способа измерения состоит в том, что в сети с большой емкостью относительно земли при замыкании на землю через большое сопротивление более сильный ток, необходимый для идентификации ветви замыкания на землю, не может быть подан без риска одновременного срабатывания размыкающего реле защиты от замыкания на землю, тем самым, выявление повреждения ограничено.
Другой известный способ раскрыт в JP 2007240426 A и может применяться к сетям с низкой емкостью относительно земли в транспортных средствах. Изменения напряжения, возникающие вследствие динамических изменений в транспортном средстве (ускорение, торможение), неблагоприятно воздействуют на измерение изоляции. Чтобы избежать этого, используют напряжение от заряжающегося и разряжающейся емкости. Этот способ не может применяться к распределительным электрическим сетям, поскольку их емкость относительно земли значительно больше, чем в описанной схеме, использующей подключаемую напрямую емкость для измерения изоляции.
Устройство определения сопротивления изоляции транспортного средства, включающее в себя блок генерирования циклического сигнала, раскрыто в EP 2613162 A1. Адаптивный импульс используется для аналогичных целей в документе Aditi Rathi «Контроль изоляции и определение замыканий на землю в 3-фазных 3-проводных незаземленных системах», ХР002596526.
Способ, раскрытый в US 2012/0119754А1, предназначен для контроля состояния изоляции в энергораспределительных сетях постоянного тока, в которых пульсирующее напряжение двойной полярности подают между заземляющим выводом и другим выводом сети. Также в способе, раскрытом в ЕР 1586910 B1, сеть контролируют посредством подключения пульсирующего напряжения между выводом сети и заземляющим выводом, а также начального смещения постоянной составляющей, величина которого согласована с сетью. В обоих способах значение сопротивления изоляции вычисляют, используя показания (т.е. считанные значения, значения измерения), снятые после спадания пульсирующего напряжения. Недостаток обоих способов состоит в том, что скачок подключаемого пульсирующего напряжения в сетях с большой емкостью относительно земли с высоким сопротивлением изоляции спадает очень медленно, вследствие чего измерение занимает продолжительное время, тогда как для выявления замыкания подается недостаточно различимый ток, что делает его непригодным для нахождения замыканий на землю через большое сопротивление.
В способе, раскрытом в US 2012/0126839 A1, генератор, обеспечивающий сумму чередующихся напряжений постоянного и переменного тока, подключен - через измерительное сопротивление и другие соединительные сопротивления, подключенные к нему последовательно - к заземляющему выводу и положительному и отрицательному выводам сети постоянного тока, или между заземляющим выводом и положительным выводом. Сопротивление изоляции вычисляют, используя показания напряжения постоянного тока и величины постоянного тока, подключенных к сети. Недостаток этого способа состоит в том, что в случае некоторых типов замыкания, например, замыкания на землю между управляющими контактами на положительном конце размыкающего реле защиты сети и катушкой размыкающего реле на отрицательном конце, сопротивление и генератор, подключенные к положительному выводу, создают такое напряжение на катушке размыкающего реле, действуя в качестве активного сопротивления в месте замыкания, которое активирует размыкающее реле защиты от замыкания на землю и вызывает ложное срабатывание. Если, с другой стороны, чтобы избежать ошибочного размыкания, ток ограничивают, увеличивая соединительное сопротивление, протекание тока к месту замыкания не будет больше различимым, и замыкание нельзя будет локализовать.
В другой группе способов измерения изоляции значение сопротивления изоляции определяют на основе изменений напряжения и тока контрольных сопротивлений, поочередно подключаемых между положительным выводом сети постоянного тока и заземляющим выводом, и отрицательным выводом и заземляющим выводом.
Такой способ измерения раскрыт в патенте RU 2281521, где сопротивление изоляции определяется как отношение разности напряжений до и после подключения контрольного сопротивления и тока, протекающего через контрольное сопротивление. Один из недостатков способа состоит в том, что выявление замыкания нельзя осуществить на незапитанной части сети. Другой заключается в том, что при выявлении замыкания в сетях, содержащих цепи управления, замыкание на землю в катушке любого размыкающего реле защиты в сети будет вызывать ложное срабатывание, если реле на контрольном сопротивлении, присоединенном к положительному выводу, принимает ток, превышающий его ток отклика, поскольку при этом будет образована замкнутая цепь от заземляющего вывода через катушку реле к отрицательному выводу, тем самым, ошибочно активируя размыкающее реле.
Известно устройство, рекомендуемое компанией Schneider Electric Company (Франция) для измерения сопротивления изоляции в сетях постоянного тока. Устройство подключают к положительному и отрицательному выводам сети, а также к заземляющему выводу. Устройство, которое рекомендуется для выявления замыкания в сетях постоянного тока, включает в себя переносной генератор, приемный блок и токоизмерительные клещи зондового типа. При выявлении замыкания генератор вводит в сеть постоянного тока переменный ток 2,5 Гц, 2,5 мА, который может быть считан переносным приемным блоком с питанием от токоизмерительных клещей. Применимость этого устройства ограничена, поскольку, в случае замыкания на землю через большое сопротивление, например, замыкания на землю, произошедшего через катушку реле, обнаруживаемый переменный ток в поврежденной ветви значительно меньше, чем ток, отводимый через емкости относительно земли других ветвей, вследствие чего определение места замыкания является сомнительным.
Другой известный способ раскрыт в DE 3819880 C2, в котором обнаружение проводника, через который происходит замыкание на землю, предлагается выполнять посредством введения электрической нагрузки между выбранным выводом сети и заземляющим выводом. Ток, протекающий через нагрузку, прерывают во второй или пятой субгармонике переменного напряжения и, посредством измерения импульсного магнитного поля, создаваемого током, находят замыкание. Недостаток этого решения состоит в том, что в случае замыкания на землю через большое сопротивление переменный ток, протекающий в поврежденной ветви, и его магнитное поле значительно меньше, чем переменный ток, протекающий через ветви с большой емкостью относительно земли, и их магнитное поле, вследствие чего поврежденную ветвь невозможно выбрать.
Также известны устройство контроля изоляции и сенсорное устройство для отображения повреждений изоляции компании Bender Company (Германия). Для выявления замыкания путь контрольного тока, введенного устройством контроля изоляции, отслеживают при помощи колец или токоизмерительных клещей переменного тока. Контрольный ток создается напряжением 40 В, вводимым через сопротивление 180 кОм с цикличностью, при которой чередуются положительный сигнал продолжительностью 2 с, прерывание 4 с, отрицательный сигнал 2 с, прерывание 4 с, с формированием, в конечном счете, тока частотой 0,16 Гц. Применимость устройства ограничена, так как при емкости относительно земли величиной 150 мкФ может быть определено место замыкания с макс, значением 7 кОм, поскольку при замыканиях через большее сопротивление ток также замыкается через любые параллельные емкости относительно земли и дает ошибочный сигнал.
Общий недостаток раскрытых способов состоит в том, что они ограничены при измерении сопротивления изоляции в находящихся под напряжением незаземленных цепях постоянного тока с большой емкостью относительно земли, требуя длительного времени для измерения и являясь непригодными для локализации замыканий на землю через большое сопротивление.
Раскрытие изобретения
Таким образом, нашей целью стала разработка способа, который, избегая перечисленных недоработок и недостатков, позволяет обеспечить решение для быстрого измерения сопротивления изоляции в находящихся под напряжением незаземленных цепях постоянного тока с большой емкостью относительно земли, и позволяет определить местоположение замыкания через высокое сопротивление или нескольких замыканий, одновременно возникающих в таких сетях, например, в случаях, когда замыкание на землю возникает на положительном выводе сети, в то время как другое замыкание на землю одновременно возникает на отрицательном выводе сети.
Основание для изобретения состоит в том, что в незаземленных сетях постоянного тока при отсутствии замыкания на землю емкости относительно земли по существу заряжаются до половины напряжения сети. При возникновении замыкания на землю происходит утечка тока из емкостей относительно земли как накопителей электроэнергии через место замыкания на землю к заземляющему выводу, тем самым, уменьшая напряжение на выводе сети, отягощенной замыканием на землю.
Настоящее изобретение основано на понимании того факта, что, если при возникновении замыкания на землю через большое сопротивление ток, утекающий из емкостей относительно земли, постоянно пополняется вводом тока, то, при непрерывной подзарядке емкостей относительно земли, с одной стороны, состояние напряжения сети относительно заземляющего вывода может быть восстановлено путем приближения к состоянию при отсутствии замыкания. С другой стороны, можно генерировать и поддерживать ток утечки, необходимый для локализации замыкания на землю через большое сопротивление без риска ложного срабатывания защитных реле сети. Если измерить постоянное напряжение на выводах устройства ввода тока и постоянную составляющую его тока, сопротивление замыкания можно вычислить на основе показаний в, а замыкание можно локализовать посредством отслеживания тока утечки.
Согласно первому аспекту цель настоящего изобретения достигается при помощи способа по п. 1.
Согласно варианту осуществления способа настоящего изобретения в случае, когда асимметричное напряжение, предполагающее замыкание на землю, не возникает между положительным выводом сети и заземляющим выводом или отрицательным выводом сети и заземляющим выводом, возможность симметричного замыкания на землю, воздействующего на оба вывода, и значение сопротивления изоляции определяют посредством включения двухполюсного устройства ввода тока между отрицательным выводом сети и заземляющим выводом и измерения тока, протекающего через устройство, тогда как результирующее сопротивление изоляции определяется как отношение изменения напряжения постоянного тока, вызванного вводом тока из двухполюсного устройства, и измеренного постоянного тока, по следующей формуле:
RisoPN=(UF-poli=-UF-pol=)/I=,
где
RisoPN представляет собой значение результирующего сопротивления изоляции
UF-poli = представляет собой напряжение постоянного тока, измеренное между отрицательным выводом сети и заземляющим выводом при вводе,
UF-pol = представляет собой постоянный ток, измеренный между отрицательным выводом сети и заземляющим выводом без ввода,
I= представляет собой ток, протекающий из двухполюсного устройства ввода тока через отрицательный вывод сети к заземляющему выводу.
В предпочтительном варианте осуществления способа настоящего изобретения напряжение постоянного тока, подаваемое двухполюсным устройством ввода тока, не превышает 75% номинального напряжения сети постоянного тока.
Другой эффективный вариант осуществления настоящего изобретения реализуется, когда ток, подаваемый двухполюсным устройством ввода тока для заряда сетевых емкостей относительно земли, прерывают, предпочтительно с интервалами 5-12 с, в частности, с интервалом 8 с.
Другой предпочтительный вариант осуществления способа применяется при определении места замыкания на землю в сети; в конкретных ветвях сети измеряют постоянный ток, протекающий через двухполюсное устройство ввода тока, предпочтительно с использованием трансформатора постоянного тока или токоизмерительных клещей постоянного тока, и в ветви, демонстрирующей резкое отличие измеряемых значений, измерение продолжается, предпочтительно с использованием трансформатора постоянного тока или токоизмерительных клещей постоянного тока, с целью обнаружения места замыкания в следующей точке, демонстрирующей резко отличающееся значение.
Один вариант осуществления способа применяется к любому устройству с питанием от сети постоянного тока, в котором происходит замыкание на землю, для локализации замыкания на землю с целью выполнения необходимых ремонтных работ; после отключения устройства от сети локализация в нем продолжается посредством подключения одного из выводов двухполюсного устройства ввода тока к заземляющему выводу, а другого его вывода к выводу проверяемого устройства, вызывающего замыкание на землю, при этом замыкание локализуют посредством отслеживания пути тока.
Еще один эффективный вариант осуществления настоящего изобретения реализуется, когда в ветвях сети, используя датчики тока, включенные для считывания тока замыкания, показания, зависящие от сопротивления изоляции, сравнивают друг с другом и визуально отображают на одном или более дисплее.
Согласно второму аспекту изобретение относится к двухполюсному устройству ввода тока по п. 8.
В данном способе предпринимается попытка восстановления напряжения между выводом, через который происходит замыкание на землю, и заземляющим выводом, уменьшающегося вследствие замыкания на землю, при помощи вспомогательного напряжения постоянного тока до значения напряжения при отсутствии замыкания. Эти состояния высокого напряжения, стремящиеся к нормальному режиму работы при отсутствии замыкания на землю, непрерывно поддерживаются посредством пополнения к току утечки, протекающему через место замыкания на землю, при помощи двухполюсного устройства ввода тока, заряжающего емкости сети относительно земли непрерывным постоянным током, и при этом поддерживается ток утечки, требующийся для локализации замыкания на землю через большое сопротивление.
Наблюдая за током, подаваемым двухполюсным устройством ввода тока, которое включается между заземляющим выводом и одним или другим из полюсных выводов сети, а также за напряжениями постоянного тока между выводами сети и заземляющим выводом, можно определить одиночное замыкание на землю, а также многократные замыкания на землю на любой стороне сети.
В случае замыкания на землю значения сопротивления замыкания на землю определяют как отношение напряжения постоянного тока, создаваемого посредством ввода тока, и значения постоянного тока, вводимого при помощи устройства.
Для выбора ветви, в которой происходит замыкание на землю, и локализации замыкания на землю путь введенного тока определяют и отслеживают с использованием известных способов.
В нашем способе для отслеживания пути тока можно использовать измеритель постоянного тока или трансформатор тока, предпочтительно токоизмерительные клещи постоянного тока, датчик или устройство, определяющее магнитное поле.
В соответствии с принципом данной процедуры, если замыкание на землю отсутствует, ввод тока прекращается после того, как сетевые емкости относительно земли были заряжены, поскольку тока, утекающего через емкости относительно земли к заземляющему выводу, больше не существует.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем в настоящем документе суть способа согласно изобретению и двухполюсное устройство ввода тока будут представлены подробнее при помощи предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 показаны общая типовая схема незаземленной сети постоянного тока и части сети переменного тока, подключенные через инвертор, вместе со схемой измерительной цепи, подключенной к сети постоянного тока.
На фиг. 2 показана принципиальная схема двухполюсного устройства ввода тока, предусмотренного в составе измерительной цепи.
Осуществление изобретения
Как показано на фиг. 1, незаземленная сеть постоянного тока имеет источник 1 электропитания постоянного тока, например, аккумулятор, к отрицательному выводу которого подключен отрицательный вывод 2 сети постоянного тока, чаще всего, шина L-, тогда как к его положительном выводу подключен положительный вывод 3 сети, чаще всего, шина L+. На чертеже заземляющий вывод, или заземленный вывод, или среда заземления, относительно которой может произойти замыкание на землю, обозначен как заземляющий вывод 8.
Выводы 2 и 3 сети постоянного тока подключены к потребителям электроэнергии, имеющим различные типы нагрузок; первый тип представляет ветвь 44, второй тип представляет ветвь 45, и третий тип представляет ветвь 46. Ветви потребителей иллюстрируют различные возможные замыкания. Также подключен инвертор 47, через который подключены часть 48 сети переменного тока или блоки переменного тока, особенно электродвигатели и/или генераторы.
На изображении сети постоянного тока, для положительного вывода 3 сети, чаще всего, шины L+, его сопротивление RisoP изоляции относительно земли представлено сопротивлением 29, его емкость относительно земли представлена емкостью 31, тогда как для отрицательного вывода 2 сети, чаще всего, шины L-, его сопротивление RisoN изоляции относительно земли представлено сопротивлением 30, его емкость относительно земли представлена емкостью 32.
Для защиты сети постоянного тока от перенапряжений защитные диоды 27 и 28 включены, соответственно между выводами 2 и 3 и заземляющим выводом 8.
На фиг. 1 показаны три типовых ветви потребителей, 44, 45 и 46. В этих ветвях потребители 33, 40 и 43 подключены, соответственно, между выводами 2 и 3 сети. В отдельных ветвях 44, 45 и 46 между положительным выводом 3 сети и ее отрицательным выводом 2 и заземляющим выводом 8 показаны емкости 35, 37 и 41, а также 36, 38 и 42. В ветви 44 замыкание на землю положительного вывода 3 представлено сопротивлением 34, в ветви 45 короткое замыкание на землю отрицательного вывода 2 представлено сопротивлением 39, и это замыкание на землю происходит на участке между разомкнутым контактом 58 и катушкой 57 размыкающего реле. Помимо этого, на чертеже показано сопротивление 49, представляющее замыкание на землю, воздействующее на одну из фаз части 48 сети переменного тока.
Для осуществления способа согласно настоящему изобретению двухполюсное устройство 12 ввода тока включено с измерительной схемой 4 между двумя выводами 2 и 3 сети. Двухполюсное устройство 12 ввода тока имеет вывод 13 и вывод 14, между которыми имеется диод, определяющий направление тока, который делает возможным только ввод постоянного тока. Измерительная схема 4 включает в себя двухполюсное устройство 12 с амперметром 11 постоянного тока, подключенным последовательно с двухполюсным устройством 12, и вольтметр 10 постоянного тока, а также двухпозиционный переключатель 9 на три направления.
Вывод 5 измерительной схемы 4 подключен к положительному выводу 3 сети, ее вывод 6 подключен к отрицательному выводу 2 сети, а ее вывод 7 подключен к заземляющему выводу 8.
Измерительная схема 4 выполнена таким образом, что двухполюсное устройство 12 и амперметр 11, подключенный последовательно с ним, в одном из положений переключателя 9, представляющем собой правое положение в соответствии с чертежом, включены между отрицательным выводом 2 и заземляющим выводом 8. В другом положении переключателя 9, представляющем собой левое положение в соответствии с чертежом, оно включено между заземляющим выводом 8 и положительным выводом 3 таким образом, чтобы одни из выводов 13 двухполюсного устройства 12, к которому подключен диод, определяющий направление тока, был подключен к более положительному выводу сети в обоих положениях переключателя 9.
Вольтметр 10 подключен, независимо от напряжения, падающего на амперметре 11, так, чтобы в обоих положениях переключателя 9 всегда измерять напряжение вывода двухполюсного устройства 12, которое по абсолютной величине совпадает с напряжением между заданным полюсным выводом 2 или 3 сети и заземляющим выводом 8.
Предпочтительный вариант осуществления двухполюсного устройства 12 ввода тока показан на фиг. 2. Двухполюсное устройство 12 имеет диод 15, ограничительное сопротивление 16, емкость 20 и нагрузочное сопротивление 18, подключенные последовательно между выводами 13 и 14 устройства 12. Катод диода 15 подключен к выводу 13, переключатель 19 с перекрывающими контактами подключен параллельно ограничительному сопротивлению 16, сопротивление 17 подключено параллельно емкости 20, и второй диод 21 подключен параллельно нагрузочному сопротивлению 18, при этом диод 21 подключен с таким же направлением полярности, что и диод 15.
Двухполюсное устройство 12, кроме того, имеет источник 26 напряжения, обеспечивающий напряжение постоянного тока. Один из выводов 24 источника 26 напряжения подключен либо напрямую, либо с возможностью переключения при помощи переключателя 23, а также через выпрямительный диод 22 к общему выводу емкости 20 и нагрузочного сопротивления 18, тогда как другой вывод 25 подключен либо напрямую, либо через переключатель, предпочтительно через переключатель 23 на несколько направлений, к другому выводу 14 двухполюсного устройства 12.
В дальнейшем в настоящем документе будет описан более подробно способ согласно изобретению.
Известно, что замыкания на землю в одной точке, как правило, приводят к значительному асимметричному напряжению между заземляющим выводом 8 и выводами 2 и 3 сети. Из заключения, послужившего основой для данного способа, следует, что при включении двухполюсного устройства 12 ток течет только в том случае, если он коммутируется между выводом сети с более низким напряжением и заземляющим выводом 8, и не течет, если он коммутируется между выводом с более высоким напряжением и заземляющим выводом.
Известно также, что при отсутствии замыкания на землю в сети значительная асимметрия напряжений в сети между выводами 2 и 3 и заземляющим выводом 8 отсутствует. Из заключения, послужившего основой для данного способа, следует, что в этом случае ток не течет через двухполюсное устройство 12, когда оно включено в цепь со стороны любого полюса.
Если при отсутствии асимметрии напряжений между выводами 2 и 3 сети и заземляющим выводом 8 ток все же протекает через двухполюсное устройство 12, с какой бы стороны оно не было включено, значит, имеет место двойное замыкание на землю. Чтобы избежать ложных срабатываний размыкающих реле защиты на отрицательном полюсе сети, наличие двойного замыкания на землю определяют путем включения двухполюсного устройства 12 между отрицательным выводом 2 сети или, например, шиной L-, и заземляющим выводом 8.
Для различных, замыканий на землю значение сопротивления изоляции представляет собой отношение разности напряжений, вызванной включением двухполюсного устройства, и его током в соответствии со следующим.
А. /Определение наличия двойного замыкания на землю, воздействующего на положительный вывод 3, в данном случае шину L+, и отрицательный вывод 2, в данном случае шину L-, или замыкания на землю на среднем выводе аккумулятора, и его измерение.
1. В соответствии с фиг. 1 переключатель 9 переключают в правое положение, при этом двухполюсное устройство 12 включается между шиной L- и заземляющим выводом 8.
2. При помощи вольтметра 10 измеряют напряжение постоянного тока UF+pol = между шиной L+ и заземляющим выводом 8.
3. При помощи вольтметра 10 измеряют напряжение постоянного тока UF-pol = между шиной L- и заземляющим выводом 8.
4. При помощи переключателя 23 включают источник 26 напряжения двухполюсного устройства 12 ввода тока, тем самым вводя ток в отрицательный полюс сети.
5. При помощи вольтметра 10 измеряют напряжение постоянного тока UF-Poli = между шиной L- и заземляющим выводом 8, которое равно напряжению, измеряемому на выводах двухполюсного устройства 12 при вводе тока.
6. При помощи амперметра 11 измеряют постоянный ток I=, протекающий между двухполюсным устройством 12 через шину L- к заземляющему выводу 8.
7. Если значения вышеперечисленных измерений представляют собой почти идентичные величины напряжения, то есть асимметрия мала, и ток по-прежнему протекает, несмотря на это, значит, имеет место двойное замыкание на землю.
8. Значение результирующего сопротивления изоляции RisoPN, величина которого может приводить к выводу о двойном замыкании на землю или замыкании на землю на среднем выводе аккумулятора, определяют по следующей формуле:
RisoPN=(UF-poli=- UF-pol=)/I=
В. /Измерение замыканий, возникающих в аккумуляторе, на отрицательном выводе 2, в данном случае шине L-, или сопротивления изоляции подключаемой части сети переменного тока.
1. В соответствии с фиг. 1 переключатель 9 переключают в правое положение, при этом двухполюсное устройство 12 включается между шиной L- и заземляющим выводом 8.
2. При помощи вольтметра 10 измеряют напряжение постоянного тока UF-pol=между шиной L- и заземляющим выводом 8.
3. При помощи переключателя 23 включают источник 26 напряжения двухполюсного устройства 12 ввода тока, тем самым, вводя ток в отрицательный полюс сети.
4. При помощи вольтметра 10 измеряют напряжение постоянного тока UF-poli = между шиной L- и заземляющим выводом 8, которое равно напряжению, измеряемому на выводах двухполюсного устройства 12 при вводе тока.
5. При помощи амперметра 11 измеряют постоянный ток L, протекающий между двухполюсным устройством 12 через шину L- к заземляющему выводу 8.
6. Значение сопротивления изоляции отрицательного вывода 2 сети, который представляет собой шину L-, вычисляют по следующей формуле:
RisoN=(UF-poli=-UF-pol=)/I=
7. Для быстрого выявления замыкания сопротивление изоляции отрицательного вывода 2, в данном случае шины L-, может быть определено с хорошим приближением, когда выключатель 19 двухполюсного устройства 12 замкнут, по следующей формуле:
RisoN=UF-poli=/I=
С. /Измерение сопротивления изоляции положительного вывода 3, в данном случае шины L+.
1. В соответствии с фиг. 1 переключатель 9 переключают в левое положение, при этом двухполюсное устройство 12 включается между шиной L+ и заземляющим выводом 8.
2. При помощи вольтметра 10 измеряют напряжение постоянного тока UF+pol = между шиной L+ и заземляющим выводом 8.
3. При помощи переключателя 23 включают источник 26 напряжения двухполюсного устройства 12 ввода тока, тем самым вводя ток в положительный полюс сети.
4. При помощи вольтметра 10 измеряют напряжение постоянного тока UF+poli = между шиной L+ и заземляющим выводом 8, которое равно напряжению, измеряемому на выводах двухполюсного устройства 12 при вводе тока.
5. При помощи амперметра 11 измеряют постоянный ток I=, протекающий из двухполюсного устройства 12 к шине L+.
6. Значение сопротивления изоляции положительного вывода 3 сети, который представляет собой шину L+, вычисляют по следующей формуле:
RisoP=(UF+poli=-UF+pol=)/I=
7. Для быстрого выявления замыкания сопротивление изоляции положительного вывода 3 сети, в данном случае шины L+, может быть определено с хорошим приближением, когда выключатель 19 двухполюсного устройства 12 замкнут, по следующей формуле:
RisoP=UF+poli/I=
D. /Локализация замыкания на землю
После того, как значение сопротивления при замыкании на землю становится известным, наш способ позволяет локализовать замыкание.
Замыкая переключатель 19 двухполюсного устройства 12, уменьшают внутреннее сопротивление двухполюсного устройства 12, тем самым увеличивая величину тока, вводимого в сеть. При полном замыкании на землю с использованием аккумулятора 220 В максимальный вводимый ток составляет приблизительно 50 мА. Токи масштаба миллиамперов легко определяются, например, при помощи токоизмерительных клещей.
Ток, вводимый устройством, зависит от значения сопротивления в месте замыкания. При хорошей изоляции сети замыкание на землю в направлении заземляющего вывода после того, как емкости относительно земли были заряжены, отсутствует, и постоянный ток фактически не протекает.
Согласно фиг. 1, когда переключатель 9 находится в левом положении, шина L+ стабилизируется относительно заземляющего вывода 8 при значении введенного напряжения.
Если замыкание на землю на положительном полюсе возникает в ветви 44, это по существу приводит к короткому замыканию шины L+ с заземляющим выводом 8 через сопротивление 34 места короткого замыкания, что запускает разряд емкостей 31, 35, 37 и 41 между шиной L+ и заземляющим выводом 8, и напряжение между шиной L+ и заземляющим выводом 8, имеющее такое же значение, как напряжение между выводами 13 и 14 двухполюсного устройства 12, уменьшается.
Двухполюсное устройство 12 пытается восстановить величину заряда, утекающего из емкости относительно земли, и вводит ток в сеть. Ток, введенный устройством 12, протекает по поврежденной ветви к месту замыкания, и оттуда через заземляющий вывод 8 обратно к двухполюсному устройству 12.
Согласно фиг. 1, когда переключатель 9 находится в правом положении, напряжение на шине L- стабилизируется относительно заземляющего вывода 8 при значении питающего напряжения. Если замыкание на землю на отрицательном полюсе возникает в ветви 45, это по существу приводит к короткому замыканию шины L- с заземляющим выводом 8 через сопротивление 39 места короткого замыкания, что запускает разряд емкостей 32, 36, 38 и 42 между шиной L- и заземляющим выводом 8, и напряжение между шиной L- и заземляющим выводом 8, имеющее такое же значение, как напряжение между выводами 13 и 14 двухполюсного устройства 12, уменьшается.
Двухполюсное устройство 12 пытается восстановить величину заряда, утекающего из емкости относительно земли, и вводит ток в сеть. Ток, введенный устройством 12, протекает по поврежденной ветви к месту замыкания, и оттуда через заземляющий вывод 8 обратно к двухполюсному устройству 12, при этом путь тока показан на фиг. 1 пунктирной линией 59 и стрелками.
Для локализации замыкания на землю путь тока, протекающего через двухполюсное устройство 12 ввода тока, измеряют посредством перемещения вдоль шин L+, L- сети в отдельных ветвях сети, как отмечено на отдельных ветвях токоизмерительными клещами 50, 51, 52, 53 и 54 постоянного тока. Для любых ветвей, демонстрирующих резкое изменение показаний, в данном примере в ветви 45, измерение продолжается вдоль ветви, как показано при помощи токоизмерительных клещей 56 постоянного тока, локализуя замыкание на землю - в данном примере показанное сопротивлением 39 - в месте, где показания снова демонстрируют резкие изменения.
Измерение выполняют при помощи токоизмерительных клещей постоянного тока, амперметра, определяющего величину магнитного поля, трансформатора постоянного тока или любого другого устройства, способного регистрировать введенный ток.
Способ согласно настоящему изобретению и двухполюсное устройство можно использовать для непрерывного контроля изоляции, а также для определения и локализации замыкания на землю и его выявления.
Наибольшее преимущество способа согласно настоящему изобретению состоит в том, что он позволяет быстро измерять сопротивление изоляции незаземленных высоковольтных сетей постоянного тока с большой емкостью относительно земли, и может определять местоположение замыкания в сети высокого сопротивления с замыканием на землю. Таким образом, при помощи данного способа можно определить место, например, замыканий на землю с сопротивлением приблизительно 100 кОм, происходящих через катушки реле, или даже определить место замыканий на землю с сопротивлением 100 кОм в сетях с емкостью относительно земли, составляющей 5000 мкФ.
Другое преимущество способа согласно настоящему изобретению состоит в том, что его применение позволяет распознавать и локализовывать двойные замыкания на землю, воздействующие на положительный и отрицательный полюс сетей постоянного тока, в которых в случае двойного замыкания на землю отсутствует асимметрия напряжений между заземляющим выводом и положительным и отрицательным выводами сети.
Способ согласно настоящему изобретению позволяет получать информацию об одиночных и многократных замыканиях на землю, воздействующих на оба полюса, посредством наблюдения за напряжениями и токами между выводами сети, при этом посредством регистрации пути тока короткого замыкания может быть идентифицирована поврежденная ветвь, а также найдено место замыкания.
Другое преимущество способа согласно настоящему изобретению состоит в том, что при его применении к выявлению замыкания он значительно сокращает время измерения устройствами контроля изоляции, вследствие чего замыкание может быть найдено быстрее. Время измерения известными устройствами измерения изоляции в случае емкости относительно земли СЕ=2000 мкФ может составлять порядка часов, тогда как способ согласно настоящему изобретению сокращает время измерения до нескольких минут, даже при емкости относительно земли СЕ=5000 мкФ.
Другое преимущество способа согласно настоящему изобретению состоит в том, что определение при помощи трансформатора постоянного тока используется для токового считывания в сетях постоянного тока. При отслеживании шины с замыканием на землю определение при помощи трансформатора постоянного тока обеспечивает дополнительную информацию о знаке и направлении помимо измерения значения тока, так как оно показывает направление замыкания. Трансформаторы постоянного тока, установленные на каждой ветви, ускоряют процесс выявления замыкания. Показания индивидуальных датчиков могут передаваться на отдельную или объединенную систему оценки, подключаться для просмотра в реальном времени и отображаться визуально.
Другое преимущество способа согласно настоящему изобретению состоит в том, что после определения замыкания на землю, выявление замыкания может быть продолжено в обнаруженном оборудовании, вызывающем замыкание на землю, например, замыкание на землю может быть локализовано в вызывающем короткое замыкание генераторе или в роторе или статоре демонтированного двигателя для выполнения необходимых ремонтных работ. Для солнечных электростанций замыкания могут быть найдены среди панелей независимо от солнечного света и от того, генерируют ли солнечные элементы электричество, или для аккумулятора, собранного из нескольких сотен элементов, может быть определено, в каком параллельном блоке имеется замыкание на землю и где.
Другое преимущество состоит в том, что возможен ввод постоянного тока с использованием циклического переключателя, например, с включениями и выключениями с интервалом 8-10 с. Это помогает выбрать поврежденную ветвь, поскольку в режиме включено-выключено знак тока, текущего к месту замыкания, не будет изменяться в поврежденной ветви, тогда как в ветвях, содержащих большую емкость относительно земли, емкости относительно земли будут принимать или отдавать постоянный ток с изменяющимися знаками при заряде и разряде. После достижения стабильного состояния постоянный ток не будет протекать через емкость относительно земли.
Ограничение известных устройств выявления замыкания состоит в том, что при некоторых замыканиях, например, при замыканиях на землю, возникающих в размыкающих реле управления между положительным контактом реле и катушкой размыкающего реле, которая оказывается на отрицательной стороне, реле может выполнить ложное размыкание под действием тока, подаваемого устройством выявления замыкания через катушку реле. В случае применения оптронов эта опасность возрастает. Низкое значение допустимого тока делает невозможным определение замыкания, тогда как при вводе более сильного тока существует риск нарушения функционирования. Вариант применения для выявления замыкания в соответствии с настоящим изобретением уменьшает риск ложного срабатывания до минимума, потому что в этом случае ток вводится от отрицательного контакта и является таким низким, в идеальном варианте при половине значения номинального напряжения, что не достигает рабочего диапазона управляющего оборудования сети, и в то же время введенный ток обладает определяемым значением.
Благодаря этому решению может быть достигнут дополнительный результат для выявления замыкания в сетях с большой емкостью относительно земли при замыкании через высокое сопротивление по сравнению с известными способами; больший ток, необходимый для определения вызывающей замыкание ветви, может быть введен без риска нежелательного ложного срабатывания, поскольку односторонний ввод восстанавливает напряжение, сниженное вследствие замыкания между выводом, через который происходит замыкание на землю, и землей, посредством приближения к условиям работы при отсутствии замыкания на землю за счет заряда емкости относительно земли, чего не происходит при использовании известных способов.
При использовании способа настоящего изобретения для замыкания на землю через большое сопротивление на отрицательном полюсе, возникающем между реле управления на положительной стороне размыкающего реле и катушкой размыкающего реле, ввод тока не увеличивает риск ложного срабатывания, поскольку ввод происходит только между отрицательным выводом и заземляющим выводом, и при напряжении, которое не достигает рабочего диапазона управляющего оборудования сети, например, реле защиты сети.
При незапитанном оборудовании переменного тока двухполюсное устройство ввода тока согласно настоящему изобретению может быть включено в цепь между любой точкой вдоль части сети, работающей на переменном токе, и заземляющим выводом для выявления замыкания на землю.
1. Способ измерения сопротивления изоляции незаземленной электрической сети постоянного тока и, в случае если в сети есть замыкание на землю, локализации замыкания на землю, при этом в сеть включено двухполюсное устройство (12), имеющее два вывода (13, 14), которое обеспечивает напряжение постоянного тока, а сопротивление изоляции определено как отношение напряжения постоянного тока, измеряемого между двумя выводами (13, 14) двухполюсного устройства (12), и постоянного тока, протекающего через двухполюсное устройство (12), отличающийся тем, что
- сеть непрерывно поддерживают в рабочем состоянии под напряжением,
- применяют двухполюсное устройство (12) ввода тока для заряда емкостей сети постоянного тока относительно земли, при этом двухполюсное устройство (12) ввода тока имеет емкость (20) и диод (15), подключенные последовательно между его выводами (13, 14), а также сопротивление (17), подключенное параллельно емкости (20), при этом емкость (20) заряжается напряжением постоянного тока, и при этом
- двухполюсное устройство (12) ввода тока включают либо напрямую, либо с возможностью переключения при помощи переключателя (9) или разъединяемого соединения путем обеспечения подключения диода (15) подключенным в направлении полярности
- между отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8) или
- между заземляющим выводом (8) и положительным выводом (3) сети, и если двухполюсное устройство (12) включено между отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8),
- измеряют напряжение постоянного тока между выводами включенного в цепь двухполюсного устройства (12) и постоянный ток, протекающий через двухполюсное устройство (12), и определяют значение сопротивления изоляции между заземляющим выводом (8) и отрицательным выводом (2) сети по измеренным значениям, и, кроме того,
- в случае замыкания на землю через большое сопротивление
- заряжают емкости относительно земли между отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8) током, созданным двухполюсным устройством (12), для восстановления напряжения на отрицательном выводе (2) сети относительно заземляющего вывода (8) посредством приближения к условиям работы при отсутствии замыкания на землю,
- и локализуют замыкание посредством поддержания восстановленного напряжения и отслеживания постоянного тока, протекающего через двухполюсное устройство (12) ввода тока; а
если двухполюсное устройство (12) включено между заземляющим выводом (8) и положительным выводом (3) сети,
- измеряют напряжение постоянного тока между выводами включенного в цепь двухполюсного устройства (12) и постоянный ток, протекающий через двухполюсное устройство (12), и определяют значение сопротивления изоляции между заземляющим выводом (8) и положительным выводом (3) сети по измеренным значениям, и, кроме того,
- в случае замыкания на землю через большое сопротивление
- заряжают емкости относительно земли между заземляющим выводом (8) и положительным выводом (3) сети током, созданным двухполюсным устройством (12), для восстановления напряжения на положительном выводе (3) сети относительно заземляющего вывода (8) посредством приближения к условиям работы при отсутствии замыкания на землю,
- и локализуют замыкание посредством поддержания восстановленного напряжения и отслеживания постоянного тока, протекающего через двухполюсное устройство (12) ввода тока.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при отсутствии асимметрии напряжений, предполагающей замыкание на землю между положительным выводом (3) сети и заземляющим выводом (8) или отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8), наличие возможного двойного замыкания на землю, воздействующего на оба вывода, и значение сопротивления изоляции определяются посредством включения двухполюсного устройства (12) ввода тока между отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8) и посредством измерения тока, протекающего через двухполюсное устройство (12) ввода тока, при этом результирующее сопротивление изоляции определяют как отношение изменения напряжения постоянного тока, вызванного вводом тока из двухполюсного устройства (12), и измеренного значения постоянного тока по следующей формуле:
RisoPN=(UF-poli=-UF-pol=)/I=,
где
RisoPN представляет собой значение результирующего сопротивления изоляции,
UF-poli= представляет собой напряжение постоянного тока, измеренное между отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8) при вводе,
UF-pol= представляет собой напряжение постоянного тока, измеренное между отрицательным выводом (2) сети и заземляющим выводом (8) без ввода,
I= представляет собой ток, протекающий из двухполюсного устройства (12) ввода тока через отрицательный вывод (2) сети к заземляющему выводу (8).
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что напряжение постоянного тока, обеспечиваемое двухполюсным устройством (12) ввода тока, не превышает 75% номинального напряжения сети постоянного тока.
4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ток, подаваемый двухполюсным устройством (12) ввода тока для заряда сетевых емкостей относительно земли, прерывают, предпочтительно с интервалами 5-12 с, в частности с интервалом 8 с.
5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для определения места замыкания на землю в сети измеряют постоянный ток, протекающий через двухполюсное устройство (12) ввода тока, в конкретных ветвях (44, 45, 46) сети, главным образом, с использованием трансформатора постоянного тока или токоизмерительных клещей (50, 51…54) постоянного тока, и продолжают измерение в ветви (45), демонстрирующей резкое изменение измеренных значений, главным образом, с использованием трансформатора постоянного тока или токоизмерительных клещей (56) постоянного тока, и локализуют замыкание (39) на землю в следующей точке, демонстрирующей резкое изменение измеренных значений.
6. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что для устройства с питанием от сети постоянного тока, в котором имеет место замыкание на землю, продолжают локализацию замыкания на землю с целью выполнения необходимых ремонтных работ в устройстве после его отключения от сети, при этом один вывод двухполюсного устройства (12) ввода тока подключен к заземляющему выводу (8), а другой вывод подключен к одному из выводов устройства, и замыкание локализуют посредством отслеживания пути тока.
7. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в ветвях (44, 45, 46) сети, используя датчики тока, включенные для считывания тока замыкания, показания, зависящие от сопротивления изоляции, сравнивают друг с другом и визуально отображают на одном или более дисплее.
8. Двухполюсное устройство (12) ввода тока, предназначенное, главным образом, для реализации способа по любому из пп. 1-7, имеющее два вывода (13, 14), отличающееся тем, что между выводами (13, 14) последовательно подключены диод (15), ограничительное сопротивление (16), емкость (20) и нагрузочное сопротивление (18), при этом катод диода (15) подключен к одному из выводов (13), переключатель (19) с перекрывающими контактами подключен параллельно ограничительному сопротивлению (16), сопротивление (17) подключено параллельно емкости (20) и второй диод (21) подключен параллельно нагрузочному сопротивлению (18), при этом второй диод (21) подключен в том же направлении полярности, что и диод (15), и, кроме того, устройство имеет источник (26) напряжения, обеспечивающий напряжение постоянного тока и имеющий два вывода (24, 25), при этом один из выводов (24) источника (26) напряжения подключен либо напрямую, либо через первый переключатель, предпочтительно переключатель (23) с несколькими парами контактов, а также через выпрямительный диод (22) к общему выводу емкости (20) и нагрузочного сопротивления (18), тогда как другой вывод (25) источника (26) напряжения подключен либо напрямую, либо через второй переключатель, предпочтительно переключатель (23) с несколькими парами контактов, к другому выводу (14) двухполюсного устройства (12).
