Пристрій для визначення дільниці із зниженим опором ізоляції в мережі постійного струму

Устройство для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока, содержащее источник переменного напряжения, разделительный фильтр, датчик тока, блок выделения активной составляющей тока утечки с двумя входами и одним выходом, блок задания уставки, блок сравнения с двумя входами и одним выходом, выходной орган и клемму для подключения объекта контроля, причем первый вывод источника переменного напряжения через разделительный фильтр соединен с клеммой для подключения объекта контроля, датчик тока установлен на контролируемом участке, выход датчика тока соединен с первым входом блока выделения активной составляющей тока утечки, второй вход которого соединен с клеммой для подключения объекта контроля, выход блока выделения активной составляющей тока утечки соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока задания уставки, вход упомянутого блока задания уставки соединен с клеммой для подключения объекта контроля, а выход блока сравнения соединен с выходным органом, отличающееся тем, что в него введен блок полного электрического сопротивления, причем первый вывод блока полного электрического сопротивления соединен со вторым выводом источника переменного напряжения и общей точкой элементов устройства, а второй вывод блока полного электрического сопротивления соединен с контуром заземления О 1 ю Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к области контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока относительно земли, и может быть использовано в системах электропитания постоянным оперативным током электрических станций и подстанций Известно устройство для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока [1], содержащее источник переменного напряжения, датчик тока и клемму для подключения объекта контроля В этом устройстве датчик тока, установленный на контролируемом участке, выполнен дифференцирующим, а источник переменного напряжения вырабатывает напряжение треугольной формы Благодаря этому на выходе датчика тока формируется сигнал прямоугольной формы переменного знака, среднее за период значение кото вш рого обратно пропорционально величине сопротивления изоляции контролируемого участка В этом устройстве в значительной мере удается отстроиться от емкости сети и получить полезный сигнал, определяемый в основном сопротивлением изоляции Недостатками устройства являются -большая сложность источника переменного напряжения, который должен обеспечить линейно нарастающее и линейно спадающее напряжение с высокой степенью линейности во всем диапазоне емкостей сети, -недостаточная помехоустойчивость, обусловленная тем, что датчик тока является дифференцирующим и воспринимает как регулярные, так и нерегулярные электромагнитные помехи, так что среднее за период значение выходного сигнала датчика тока может существенно уменьшиться 41957 и не позволит определить снижение сопротивления изоляции Известно также устройство для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока [2] , содержащее источник переменного напряжения, датчик тока, выходной орган и клемму для подключения объекта контроля В это устройство введены модулятор и задающий генератор, частота которого отличается от частоты источника переменного напряжения В модуляторе смешиваются сигналы от датчика тока и от задающего генератора, а затем поступают через усилитель на узкополосный фильтр, настроенный на сумму или разность указанных частот Такое техническое решение повышает помехоустойчивость устройства и расширяет его возможности (например, позволяет применять его в сети не только постоянного, но и переменного тока) Однако рассматриваемое устройство не обеспечивает требуемой чувствительности и селективности при использовании его в сети постоянного тока, так как на величину измеряемого сигнала влияют емкость контролируемого участка (и всей сети в целом), а также колебания величины напряжения источника переменного напряжения Ближайшим решением (прототипом) к заявляемому изобретению является устройство для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока [3], содержащее источник переменного напряжения, разделительный фильтр, датчик тока, блок выделения активной составляющей тока утечки с двумя входами и одним выходом, блок задания уставки, блок сравнения с двумя входами и одним выходом, выходной орган и клемму для подключения объекта контроля, причем первый вывод источника переменного напряжения через разделительный фильтр соединен с клеммой для подключения объекта контроля, датчик тока установлен на контролируемом участке, выход датчика тока соединен с первым входом блока выделения активной составляющей тока утечки, второй вход которого соединен с клеммой для подключения объекта контроля, выход блока выделения активной составляющей тока утечки соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока задания уставки, вход упомянутого блока задания уставки соединен с клеммой для подключения объекта контроля, а выход блока сравнения соединен с выходным органом В этом устройстве выделение активной составляющей тока утечки обеспечивает, в значительной мере, исключение влияния емкости контролируемого участка на величину измеряемого сигнала, а задание уставки срабатывания, пропорциональной напряжению на объекте контроля, создаваемому источником переменного напряжения, позволяет уменьшить влияние емкости всей сети и уменьшить влияние колебаний напряжения источника переменного напряжения на работу устройства Техническое решение, реализованное в рассматриваемом устройстве, не предъявляет специальных требований к источнику переменного напряжения, в качестве которого может быть даже использован трансформатор, питающийся от сети собственных нужд переменного тока (это возмож но при небольшой емкости сети постоянного тока) Кроме того, датчик тока в рассматриваемом устройстве может работать в режиме трансформатора тока, то есть его помехоустойчивость будет значительно выше, чем у дифференцирующего датчика тока Недостатком устройства является ограничение функциональных возможностей, так как с его помощью невозможно определить участок со сниженным сопротивлением изоляции при малых значениях указанного сопротивления Действительно, напряжение на объекте контроля (сети постоянного тока), создаваемое источником переменного напряжения, может быть определено по выражению (в символической форме) BY n U= где U - напряжение на объекте контроля, Е- э д с источника переменного напряже ния, Yo-полная проводимость ветви, содержащей источник переменного напряжения и разделительный фильтр, Yi-полная проводимость изоляции сети постоянного тока относительно земли без проводимости изоляции контролируемого участка относительно земли, Y2-пoлнaя проводимость изоляции контролируемого участка относительно земли Из (1) следует, что при уменьшении сопротивления изоляции контролируемого участка (или общего сопротивления сети постоянного тока) относительно земли, что соответствует возрастанию проводимости, напряжение на объекте контроля уменьшается, стремясь в пределе к нулю при глухом замыкании на землю Это приводит к уменьшению (а в пределе - к исчезновению) управляющего сигнала на втором входе блока выделения активной составляющей тока утечки и нарушению его работы Следует отметить, что при уменьшении сопротивления изоляции контроли* руемого участка, ток утечки (І2) контролируемого участка, определяемый по выражению l2=Y2 U, (2) которое, с учетом (1), преобразуется к виду E-Yn (3) возрастает, стремясь в пределе к величине І2к= Ё Yo (4) Но этот, значительный по величине, ток утечки не обрабатывается устройством, так как блок выделения активной составляющей тока утечки не работает, поскольку напряжение на его втором входе равно нулю, то есть устройство не 41957 определяет участок со сниженным сопротивлением изоляции при малых значениях указанного сопротивления, в том числе, при глухом замыкании на землю Следовательно, рассматриваемое устройство имеет ограничение функциональных возможностей, так как с его помощью невозможно определить участок со сниженным сопротивлением изоляции при малых значениях указанного сопротивления Этот недостаток приводит к снижению достоверности и информативности устройства для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока, а, следовательно, к снижению надежности диагностирования сети постоянного тока в целом В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока, в котором введением дополнительных элементов и установлением связей имеющихся и вновь введенных элементов обеспечивается расширение функциональных возможностей устройства, за счет этого повышается достоверность и информативность устройства, и повышается надежность диагностирования сети постоянного тока в целом Поставленная задача решается тем, что в устройство для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока, содержащее источник переменного напряжения, разделительный фильтр, датчик тока, блок выделения активной составляющей тока утечки с двумя входами и одним выходом, блок задания уставки, блок сравнения с двумя входами и одним выходом, выходной орган и клемму для подключения объекта контроля, причем первый вывод источника переменного напряжения через разделительный фильтр соединен с клеммой для подключения объекта контроля, датчик тока установлен на контролируемом участке, выход датчика тока соединен с первым входом блока выделения активной составляющей тока утечки, второй вход которого соединен с клеммой для подключения объекта контроля, выход блока выделения активной составляющей тока утечки соединен с первым входом блока сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока задания уставки, вход упомянутого блока задания уставки соединен с клеммой для подключения объекта контроля, а выход блока сравнения соединен с выходным органом, согласно изобретению, введен блок полного электрического сопротивления, причем первый вывод блока полного электрического сопротивления соединен со вторым выводом источника переменного напряжения и общей точкой элементов устройства, а второй вывод блока полного электрического сопротивления соединен с контуром заземления Именно за счет того, что в устройство для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока введен блок полного электрического сопротивления, причем первый вывод блока полного электрического сопротивления соединен со вторым выводом источника переменного напряжения и общей точкой элементов устройства, а второй вывод блока полного электрического сопротивления соединен с контуром заземления, достигается расширение функциональных возможностей устройства, заключающееся в возможности определения участка со сниженным сопротивлением изоляции при малых значениях указанного сопротивления, втом числе и при глухом замыкании на землю Это обеспечивается тем, что на входы элементов устройства поступает сумма напряжения на объекте контроля относительно земли, создаваемого источником переменного напряжения, и падения напряжения на блоке полного электрического сопротивления, обусловленного протеканием тока утечки На чертеже показана схема электрическая функциональная устройства для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока Устройство для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока содержит источник переменного напряжения 1, разделительный фильтр 2, датчик тока 3, блок 4 выделения активной составляющей тока утечки с двумя входами, первым 5 и вторым 6, и одним выходом 7, блок 8 задания уставки, блок сравнения 9 с двумя входами, первым 10 и вторым 11, и одним выходом 12, выходной орган 13, клемму 14 для подключения объекта контроля, блок 15 полного электрического сопротивления В свою очередь, блок 4 выделения активной составляющей тока утечки содержит усилитель 16, полосовой фильтр 17, фазочувствительный выпрямитель 18 и фильтр среднего значения 19 Кроме того, в блок выделения активной составляющей тока утечки входят разделительный конденсатор 20, делитель напряжения 21, полосовой фильтр 22, фазовращатель 23 и нуль-орган 24 Блок 8 задания уставки содержит разделительный конденсатор 25, выпрямитель 26, фильтр среднего значения 27 и делитель напряжения 28 Элементы, характеризующие объект контроля - сеть постоянного тока, представлены резисторами 29 и 30 и конденсаторами 31 и 32, причем резистор 30 и конденсатор 32 представляют собой сопротивление и емкость контролируемого участка относительно земли, а резистор 29 и конденсатор 31 представляют собой сопротивление и емкость остальной сети постоянного тока относительно земли В устройстве для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока первый вывод источника переменного напряжения 1 через разделительный фильтр 2 соединен с клеммой 14 для подключения объекта контроля, выход датчика тока 3 соединен с первым входом 5 блока 4 выделения активной составляющей тока утечки, второй вход 6 которого соединен с клеммой 14 для подключения объекта контроля, выход 7 блока 4 выделения активной составляющей тока утечки соединен с первым входом 10 блока сравнения 9, второй вход 11 которого соединен с выходом блока 8 задания уставки, вход упомянутого блока 8 задания уставки соединен с клеммой 14 для подключения объекта контроля, а выход 12 блока сравнения 9 соединен с выходным органом 13 Первый вывод блока 15 полного электрического сопротивления соединен со вторым выводом источника переменного на 41957 пряжения 1 и общей точкой элементов устройства, а второй вывод блока 15 полного электрического сопротивления соединен с контуром заземления В блоке 4 выделения активной составляющей тока утечки первый вход 5 соединен со входом усилителя 16, выход которого через полосовой фильтр 17 соединен с входом фазочувствительного выпрямителя 18, второй вход 6 через разделительный конденсатор 20 соединен с делителем напряжения 21, выход которого соединен со входом полосового фильтра 22, выход полосового фильтра 22 соединен со входом фазовращателя 23, выход которого соединен со входом нульоргана 24, а выход нуль-органа 24 соединен с управляющим входом фазочувствительного выпрямителя 18, выход фазочувствительного выпрямителя 18 соединен со входом фильтра среднего значения 19, выход которого соединен с выходом 7 блока 4 выделения активной составляющей тока утечки Полосовые фильтры 17 и 22 настроены на частоту источника переменного напряжения 1, а фазовые погрешности передачи сигналов компенсируется фазовращателем 23 В блоке 8 задания уставки первый вывод разделительного конденсатора 25 соединен со входом блока, а второй вывод упомянутого конденсатора 25 соединен со входом выпрямителя 26, выход которого через фильтр среднего значения 27 соединен с делителем напряжения 28, выход последнего является выходом блока 8 задания уставки Блок 8 задания уставки обеспечивает преобразование переменного напряжения на входе в постоянное напряжение на выходе с требуемым коэффициентом пропорциональности Разделительный конденсатор 20 в блоке 4 выделения активной составляющей тока утечки и разделительный конденсатор 25 в блоке 8 задания уставки обеспечивают гальваническую развязку устройства от сети постоянного тока Элементы, характеризующие объект контроля резистор 29 и конденсатор 31, которые соединены с клеммой 14 для подключения объекта контроля непосредственно, а резистор 30 и конденсатор 32 соединены с клеммой 14 для подключения объекта контроля через входную цепь датчика тока 3 Работа устройства для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции в сети постоянного тока заключается в следующем Для определения участка со сниженным сопротивлением изоляции напряжение источника переменного напряжения 1 через разделительный фильтр 2 прикладывается к объекту контроля сети постоянного тока Напряжение между клеммой 14 для подключения объекта контроля и контуром заземления обеспечивает протекание переменного тока по параллельно включенным резисторам 29 и 30 и конденсаторам 31 и 32 На вторичной обмотке датчика тока 3 возникает переменный сигнал, пропорциональный току утечки контролируемого участка, т е сумме токов в резисторе 30 и конденсаторе 32, этот сигнал поступает на вход 5 блока 4 выделения активной составляющей тока утечки, усиливается усилителем 16 и через полосовой фильтр 17 поступает на вход фазочувствительного выпрямителя 18 Одновременно напряжение между клеммой 14 для под ключения объекта контроля и общей точкой элементов устройства прикладывается к входу 6 блока 4 выделения активной составляющей тока утечки Указанное напряжение через разделительный конденсатор 20 прикладывается к делителю напряжения 21, а часть упомянутого напряжения, снимаемая с выхода делителя напряжения 21, поступает через полосовой фильтр 22 и фазовращатель 23 на вход нуль-органа 24 Последний превращает переменное напряжение на входе в импульсы положительной полярности, соответствующие положительным полупериодам входного напряжения, указанные импульсы с выхода нуль-органа 24 поступают на управляющий вход фазочувствительного выпрямителя 18 Во время действия положительного импульса на управляющем входе фазочувствительного выпрямителя 18 на выход его поступает напряжение со входа, таким образом, на выходе имеется сигнал только при положительном сигнале на управляющем входе, т е на выходе формируется сигнал, пропорциональный части тока утечки контролируемого участка, совпадающей по фазе с напряжением на упомянутом участке Сигнал с выхода фазочувствительного выпрямителя 18 сглаживается фильтром средних значений 19, в результате на выходе последнего имеет место постоянный сигнал, пропорциональный активной составляющей тока утечки контролируемого участка Этот сигнал поступает на вход 10 блока сравнения 9 В то же время, переменное напряжение между клеммой 14 для подключения объекта контроля и общей точкой элементов устройства прикладывается ко входу блока 8 задания уставки, в котором упомянутое напряжение через разделительный конденсатор 25 поступает на вход выпрямителя 26, с выхода которого выпрямленное напряжение поступает на вход фильтра средних значений 27, которым сглаживается и поступает на вход делителя напряжения 28 Часть постоянного напряжения, снимаемая с выхода делителя напряжения 28, представляющая собой выходное напряжение блока 8 задания уставки, поступает на вход 11 блока сравнения 9 Если напряжение на входе 10 блока сравнения 9 превышает напряжение на входе 11 (что соответствует превышению активной составляющей тока утечки нормируемого значения), блок сравнения 9 срабатывает и включает выходной орган 13, который сигнализирует об обнаружении участка со сниженным сопротивлением изоляции Делитель напряжения 21 блока 4 выделения активной составляющей тока утечки позволяет установить уровень сигнала на управляющем входе фазочувствительного усилителя 18 необходимый и достаточный для надежной работы упомянутого фазочувствительного усилителя при наименьшем уровне напряжения между клеммой 14 для подключения объекта контроля и общей точкой элементов устройства Делитель напряжения 28 в блоке 8 задания уставки позволяет установить порог срабатывания блока сравнения 9, соответствующий необходимому уровню контроля активной составляющей тока утечки контролируемого участка (что эквивалентно заданному уровню величины сопротивления изоляции контролируемого участка) 41957 При уменьшении сопротивления изоляции сети постоянного тока относительно земли, напряжение между клеммой 14 и общей точкой элементов устройства также уменьшается, но, в отличие от режимов, имеющих место в устройстве, принятом в качестве прототипа, не может снизиться до нуля даже при глухом замыкании на землю, благодаря падению напряжения от токов утечки на блоке 15 полного электрического сопротивления Действительно, в заявляемом устройстве напряжение на объекте контроля относительно земли определяется по выражению (1), а ток контролируемого участка - по выражению (2) При этом напряжение между клеммой 14 для подключения объекта контроля и общей точкой элемен* тов устройства (1Г) может быть найдено по выражению 1 = U1[1+Z9CY1+Y2)]1 (5) в котором Z g - полное электрическое сопротивление блока 15, а остальные величины соответству* ют имеющимся в выражении (1) Величина U', как явствует из выражения (5), по модулю и фазе от* личается от величины U , причем при уменьшении сопротивления изоляции вплоть до нуля величина * 1Г стремится к некоторому определенному значению Например, для сети постоянного тока общей емкостью относительно земли 10 мкФ, для источника переменного напряжения частотой 6,25 Гц, э д с 100 В, для емкости разделительного фильтра 40 мкФ и для простейшего случая, когда полное электрическое сопротивление блока 15 имеет активный характер и составляет 100 Ом, расчетом получены следующие значения напряжения при изменении сопротивления изоляции сети постоянного тока относительно земли (см таблицу) Кизол-і ОМ и, в и\ в Ф, эл.град 20 000 79,7 80,2 2,24 10 000 79,4 80,2 2,23 5 000 78,6 80,2 2,20 1 000 67,8 74,6 2,04 500 52,5 63,1 1,87 100 14,9 29,8 1,12 50 7,6 22,9 0,75 10 1,6 17,0 0,20 0 0 15,5 0 В таблице Ризол - сопротивление изоляции сети постоянного тока относительно земли, U - модуль напряжения на объекте контроля, U' - модуль напряжения между клеммой для подключения объекта контроля и общей точкой элементов устройства, Ф - угол сдвига фаз между вышеуказанными напряжениями Из данных таблицы видно, что введение блока полного электрического сопротивления позволяет обеспечить функционирование устройства при малых значениях сопротивления изоляции сети постоянного тока относительно земли, так как при указанных значениях сопротивления (вплоть до глухого замыкания на землю) обеспечивается уровень напряжения, прикладываемого к управляющему входу блока выделения активной составляющей тока утечки, достаточный для его нормального функционирования, т е обеспечено расширение функциональных возможностей устройства Вносимая при этом дополнительная фазовая погрешность может быть весьма незначительной по величине (для конкретного примера, рассмотренного выше, она составляет всего 1,24% от длительности полупериода напряжения источника переменного напряжения 1), и, кроме того, она может быть скомпенсирована имеющимся в составе устройства фазовращателем 23 41957 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3