Устройство для измерения сопротивления изоляции сети постоянного тока

(19) (1) СОКИ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК дв С 01 К 27/18 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И.ОТНРЬ 1 ТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(72) В.Н.Брызгало,. В.М.Машенков, В.К.Потапкин и Л.В.Семеновская (71) Витебский завод электроизмерительных приборов им.60-летия Великого Октября и Всесоюзный научноисследовательский институт электро- измерительных приборов(53) 621.317.333 (088.8) (56) 1: Моховиков А.С. Измерительный преобразователь сопротивления изоляции сети постоянного тока. "Известия ВУЗов, Приборостроение", том Х, У 5, 1967.2. Авторское свидетельство СССР У 828118, кл, О 01 К 27/18, 28.06.79 прототип).(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯСОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее генератор прямоугольных импульсов, первый раздели.тельный конденсатор, первый вывод:которого соединен с входной клеммойустройства, второй вывод - с входомвысокоомного повторителя, второйразделительный конденсатор, первыйвывод которого соединен с входнойклеммой устройства, выход генераторапрямоугольных импульсов соединен спервым входом блока управления, первый выход которого соединен с входомсинхронизации генератора прямоугольных импульсов и с управляющим входомпервого ключа, включенного в цепьобратной связи первого интегратора,выход которого через параллельновключенные второй и третий ключисоединен с двумя входами аналоговогодифференциального блока памяти,выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с выходной клеммойустройства., второй и третий выходы.блока управления соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего кЛючей, вход первогоинтегратора соединен с вторым входом блока управления, о т л и ч а ющ .е е с я тем, что, с целью повы-шения точности измерения, введенывторой интегратор, четвертый 1 ключ,дифференциальный усилитель, балансный резистор, первый вывод которогосоединен свыходом генератора пря"моугольных импульсов, второй вывод.с вторым выводом второго разделительного конденсатора, выход высокоомного повторителя соединен с входом второго интегратора и с первымвходом дифференциального усилителя,второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, а выход - с входом первого интегратора,.в цепь обратной связи второго интегратора включен четвертый ключ,управляющий вход которого подключенк первому выходу блока управления.Изобретение относится к электроизмерительной технике и может бь.тьиспользовано в телеметрических системах измерения и контроля состоя"ния .изоляции электрических сетейпостоянного тока, находящихся подпостоянным рабочим напряжением илиобесточенных, на энергетическихобъектах различного назначения.Известен измерительный преобразо" 10ватель сопротивления изоляции сетипостоянного тока, содержащий генератор тестового энакопеременного напряжения прямоугольной формы, соединенный через балансный резистор с 15контролируемой сетью, которая черезразделительный конденсатор соедине"на с входом измерительного блока,состоящего из амплитудного детектора,собранного на двух диодах и двух 20конденсаторах таким образом, что эаодин цикл измерения на нем выделяется двойная амплитуда сформированного в сети информационного сигнала,измерительный блок содержит также 25выходной нормирующий усилитель постоянного тока, собранный,например,по -схеме: И;ды 1,Принцип измерения. основан на том,что установившееся (амплитудное) З 0значение информационного сигнала,выделенного на импедансе изоляции,в первом приближении пропорционально сопротивлению изоляции и не зависит от емкости сети.35Недостатками известного преобра-.зователя являются низкие точность.измерения вследствие нелинейностиуравнения преобразования, и быстродействие вследствие отсутствия автоматической перестройки частотытестового генератора в зависимостиот скорости переходного процессаинформационного сигнала в сети, Кро-.ме того, устройство гальваническисвязано с контролируемой сетью черезбалансный резистор, вследствие чегооно шунтирует сопротивление изоляции, уменьшая его, а рабочее напряжение сети воздействует на иэмери"тельный блок, что снижает надежностьустройства, особенно при большихнапряжениях сети,Наиболее близким по технической ,сущности к изобретению является уст ройство для измерения. сопротивления изоляции сети, постоянного тока, содержащее Генератор прямоугольных импульсов, первый ргэделительный кон 1 денсатор, первый вывод которого соенен с входной клеммой устройства, второй вывод " с входом высокоомного повторителя, второй раэделительный конденсатор, первый вывод которого соединен с входной клеммой устройства, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом блока управления, первый выход которого сбединен с входом синхронизации генератора прямоугольных импульсов и с управляющим входом первого ключа, включенного в цепь обратной связи интегратора, выход которого ,через параллельно включенные второй и третий ключи соединен с двумя входами аналогового дифференциального блока памяти, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с выходной клеммой устройства, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего ключей, вход интегратора соединен с вто рым входом блока управления, второй вывод второго разделительного кондедсатора соединен с выходом генера тора прямоугольных импульсов, .выход высокоомнога повторителя соединен с входом интегратора.В известном устройстве блок управления содержит инвертор, первый и второй элементы И, последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель, компаратор, первый и второй одновибраторы, причем вход инвертора соединен с первым входом блока управления и с первым входом второго элемента И, второй вход которого соединен с вторым входом первого элемента И и с выходом первого одновибратора, вход двухполупериодного выпрямителя соединен с вторым входом блока: управления, первый выход которого соединен с выходом второго одновибратора, второй и третий выходы - соответственно с выходами первого и второго элемента И, второй вход компаратора соединен с выходом источника опорного напряжения 2 .Принцип измерения основан на том что в контролируемой сети возбуждают апериодические экспоненциальные затухающие сигналы и измеряют их вольт-секундную площадь, которая3 112пропорциональна контролируемому соп"ротивлению изоляции и не зависитот емкости сети во всем диапазонеизмерения.1Однако точность измерения данна.го устройства. при работе с реальными сетями постоянного тока оказывается невысокой в результатевлияния на уравнение преобразования передаточной функции . Оразделительной КС -цепи,Кроме того, по переднему фрон 1 укоммутационных "всплесков":и "провалов" рабочего напряжения сети,а также при включении напряжениясети происходят значительные всплески тока через второй разделительныйконденсатор на низкое выходное сопротивление генератора прямоугольных импульсов. Это, с одной стороны,создает неблагоприятное для нормальной эксплуатации импульсное шунтирование источников электропитаниясети, а с другой - ужесточает условия работы самого разделительногоконденсатора и генератора импульсов,что значительно снижает надежностьработы устройства и требует применение более дорогого, усиленного помощности генератора. Так как емкость этого конденсатора при работес сетями с большой емкостью полюсов относительно земли необходи"мо выбирать большой, то для обеспечения крутого переднего фронта информационного сигнала, возбужденного на импедансе изоляции от перепада тестового напряжения, с выходагенератора импульсов необходимообеспечить значительный импульсный 40ток, что затруднительно при микроэлектронном исполнении устройства.При недостаточной крутизне информационного сигнала уравнение пре"образования становится нелинейным 45и точность измерения уменьшается.Целью изобретения является повышение точности измерения.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройство для измерения 50сопротивления изоляции .сети постоян.ного тока, содержащее генераторпрямоугольных импульсов, первый раз.делительный конденсатор, первый вывод которого соединен с входной уклеммой устройства, второй вывод -с входом высокоомного повторителя, второй разделительный конденса 8194 4тор, первый вывод которого соединен с входной клеммой устройства, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом блока управlления,первый выход которого соединен с входом синхронизации. генератора прямоугольных импульсов и с управляющим входом первого ключа, включенного в цепь обратной связи первого интегратора, выход которого через параллельно включенные второй и третий ключи соединен с двумя входами аналогового дифференциального блока памяти, выход которого соединен с входом усилителя постоянного тока; выход которогс соединен с выходной клеммой устройства, второй и третий выходы блока управления соединены соответственно с управляющими входами второго и третьего ключей, вход первого интегратора соединен с вторым входом блока управления, введены второй интегратор, четвертый ключ, дифференциальный усилитель, балансный резистор, первый вывод которосо соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, второй вывод - с вторым выводом второго разделительного конденсатора, выход высокоомного повторителя соединен с входом второго интегратора и с первым входом дифференциального усилителя, второй входкоторого соединен с выходом второгоинтегратора, а выход - с входом пер"восо интегратора, в цепь обратной. свя зи второго интегратора включен четвертый ключ, управляющий вход которого подключен к первому выходублока управления.На фиг, 1 изображена блок-схема устройства для измерения сопротивления изоляции сети постоянного тока; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений в измерительном тракте уст"ройства. Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, соединенный последовательно через балансный резистор 2 и второй разделительный конденсатор 3 с контролируемой сетью 4, имеющей сопротивление К и емкость С, которая соединена так" же через первый разделительный конденсатор 5 и высокоомный повтори-. тель 6 с входом второго интеграто. ра 7 и неинвертирующим входом 1 дифференциальиого усилителя 8инвертируФ щий вход .которого соединен с выхокорни характеристического уравнения (1);Во временной форме напряжение ЙХ(Е) имеет видр М х,Выделенное на импедансс изоляции импульсное напряжение П(й)Вольт-секундная площадь 8 этого через разделительный конденсатор (С40 У напряжения при достаточном для за, предназначенный для развязки уст" вершения в сети переходного процесса ройства от постоянного напряжения времени интегрирования Т запишется сети, и высокоомный повторитель 6поступает в измерительный трактЕо 1 е 1 еэчустройства. При этом, если входноеоС -ЙгС Х-у "1 х сопротивление:повторителя 6 (К ) н0 Рлпостоянная времени л = К-С =. 1/хо 4 о 9, 9 фоСз 1 к 1 (ч) то напряжение на выходе повторите гС хля 6 запишется1Е (х-х 1 х е" -(х -1 х ех ( -х ) х"г.х х Х 2 Ъ ,Х х)(Хг -Хэ)1128194 адом интегратора 7, а выход - с вхо- второго 22 элементоь И, причем вто.дом первого интегратора 9 и вторым рой вход первого 21 элемента И соевходом блока 10 управления, первый динен с первым входом блока 10 упвход которого соединен с выходом равления и входом инвертора 23, вы.генератора 1, первый выход - с уп ход которого соединен . вторым вхоравляющими входами первого 11 и чет- дом второго 22 элемента И, выходывертого 12 ключей, включенных в цепи элементов И - с вторым и третьимобратной связи первого 9 и второго 7 выходами блока 1 О управления, вхоинтеграторов соответственно, а так- ды 24 и 25 блока 10 управления, выже с входом синхронизации генерато ходы 26 - 28, источник 29 опорногора 1, а второй и третий выходы бло" напряжения.ка 10 управления соединены с управ- Устройство работает следующим обляющими входами второго 13 и третье- разомго 14 ключей, включенных параллель- . Тестовое напряжение прямоугольно и соединяющих выход. интегратора 9 15 ной формы амплитудой Е от генератос входами аналогового дифференциаль- ра 1 (фиг.1) через балансныйного блока 15 .:памяти, выход кото- резистор 2 и разделительныйрого соединен с входом усилителя 16 конденсатор 3 поступает впостоянного тока. Блок 10 управления контролируемую сеть 4. При этомсодержит, соединенный с вторым вхо О на импедансе изоляции (КСх)контдом двухполупериодный выпрямитель 17, ролируемой сети 4 выделяется импульсвыход которого соединен с первым ный апериодический затухающий сиг входом компаратора 18, а выход через нал 11(С) (фиг.2), напряжение котопервый 19 и второй 20 одновибрато- рого в операторной форме запишетсяры соединен с первым выходом блоо.ка 10 управления, причем выход пер"1 Р 1:вого одновибратора 19 соединен так- "гсх Й хИР-"Йже с первыми входами первого 21 и г.:х Сгс СА.ЯСх+йг С 5 СХЯ фйх СгС 52 СЯ,С,Из (4) видно что вновь введенныйбалансный резистор 2 не повлиял на35линейность уравнения преобразованияизвестного устройства, Анализ выражений (3)и (5) показывает, что информационное напряжение 0(й), поступающее на обработку 55 в измерительный тракт устройства, затухает быстрее, чем напряжение на импедансе изоляции ЦХ(С)и еговольт-секундная площадь 8 эа период Ти меньше чем. 8 на величину вольт-секундной площади ошибки 8 я (фиг.2). При этом их разница тем больше, чем меньше постоянная временил1128194 ЗО40 О И 1 - О ац М ОМ- ь 1 Ц;СуАппаратурно напряжение ошибки (б) определяют на выходе интегратора 7, а коррекцию (8)информационного сигналаосуществляют посредством дифференциального усилителя 8, иа выходе которого будем иметь напряжение, ,описанное уравнением (8). Инверсное включение напряжен я коррекции 611 х с выхода интегратора 7 на дифференциальный усилитель 8 обус. ловлено тем, что реальные интеграто 0 В данном устройстве осуществляется компенсация влияния передаточной функции разделительной цепи, состоящей из входнаго : сопротивления повторителя, б и конденсатора 5, на уравнение преобразования. Принцип компенсации заключается в следую. щем.С выхода повторителя 6 напряже/ние Бх(Г,) . поступает на интегратор 7., напряжение на выходе которого описывается выражениемх -х,е-(х.х,1 е +(х,-х,ех 1 х х 1х(х,-х,1(х,-х 1(х- х 1 где 77 - постоянная времени интегратора .С другой стороны, разница напряжений 0 (й) и Б т.е. ошибка д Ух(с)(фиг,2), вносимая в информационный сигнал, описывается выражениемЕо ее х 11 хч = ОЧ- О(Ч =ВСх,-х Р 1.к 11 х.е-О,.х 4 х,ек, хрвоехуд х 1С учетом (6) будем иметьь 11,Ч = 6,К). . ФТаким образом, иэ выражения (6) видно, что влияние передаточной функции цепи, состоящей из входного сопротивления повторителя 6 и конденсатора 5, на уравнение преобразования (4) прямо пропорционально вольт-секунднойплощади сигнала Цх(С). Функцию коррекции информационного сигнала запишем тогда 5 10 15 20 ры работают с инверсией входного сигнала. Это напряжение (8) полностью тождественно выделенному в сети импульсному сигналу Ух(С), вольт-секундная площадь Б х которого пропорциональна контролируемому сопротивлению изоляции Кх и не зависит от емкости сети Сх во всем диапазоне измерения. Величину вольт- секундной площади этого напряжения, равную Ях, будем иметь на выходе интегратора 9Тжи Тим ТизмЯ ви+ оими: эсщ:а .О о-"х К ", ю 3 где Г - постоянная времени интегратора .Таким образом, полученное скоррек( тированное по величине емкости контролируемой сети 4 уравнение преобра"эования (9) свя.ывает линейной зависимостью выходное напряжение интегратора 9 (в конце цикла измерения Тм ) и сопротивление изоляции К контролируемой сети 4 и инвариантно к изменениям величины емкости сети 4 (Сх) во всем диапазоне измерения. Синхронизацию процесса обработки информационного сигнала Ух на прстяжении всего измерительного тракта устройства осуществляет блок 10 управления. В конце периода измерения Тр . по команде с второго или третьего выходов блока 10 управления соответственно, в четные или не-четные периоды работы генератора 1,через ключи 13 или 14 напряжение с выхода интегратора 9, пропорциональ ное сопротивлению Кх, посупит на соответствующие входы аналогового дифференциального блока 15 памяти,а через усилитель 1 б постоянного то.Гка на выход устройства. В следующий такт работы блока 10 управления приходит разрешение на сброс интеграторов 7 и 9 в нулевое состояние посредством ключей 12 и 11 соответственно, чем они подготавливаются к следующему .периоду измерения, а также осуществляется запуск генератора 1 - начинается но-,вый цикл измерения. Блок 10 управления осуществляет также адаптивную настройку длительности цикла измерения в функции отдлительности переходного процесса информационного сигнала на импедансе изоляции. Это обеспечивает высокую оператйвность опроса состояния изоля- Ции,особеннопри малых ее значениях ..Адаптивная настройка блоком 10 управления осуществляется путем срав нения текущего значения напряжения выпрямительного (посредством двух- . полупериодного выпрямихеля 17) сиг О кала /0(й)/ с опорным Бна входах компаратора 18. Вход выпрямителя 17 соединен с вторым входом 25 блока 10 управления. В момент равенства этих напряжений перепадом 5 напряжения с выхода компаратора 18 последовательно запускается два одновибратора 19 и 20. Импульс с первого одновибратора проходит также через один из. элементов И 21 или 22. 20 в зависимости от полярности тесто" вого напряжения на выходе генератора 1 и поступает на второй 27 или третий 28 выхопы блока 10 управ ления. Определение полярности тес тового напряжения осуществляется инвертором 23. Преимуществом изобретения является увеличение точности измерения за счет компенсации влияния емкости сети на уравнение преобразования (9) устройства. Кроме того, полученная ц,высокая линейность преобразования позволяет значительно уменьшить постоянную времени входной разделительной цепи. устройства, состоящей иэ входного сопротивления и конденсатора, до нескольких десятков и даже единиц секунд, что позволяет на несколько порядков уменьшить время отработки устройством коммутационных переходных процессов в сети, на время которых измерение становится невозможным, Возможность уменьшить величину разделительного конденсатора с нескольких сотен до единиц микрофарад при сохранении достигнутой в известном устройстве точности измерения обеспечивает также значительное уменьшение габаритов устройства одновременно с увеличением его надежности, так как этот кондея- сатор работает под "высоким рабочим напряжением сети.,112894 Составитель Л Теехред С. Леге а Корректор,О. Вила С. Патрушева едак Заказ 9024/34 ВНИомитета СССРи открытий ушская наб., д.4/5