Способ измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей

(5115 6 ТЕН ИСАНИЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИ1 РИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники итехнологии(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЕМКОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ(57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивленияизоляции и емкости электрической сети.Цель изобретения - повышение точностиособенно в сетях, имеющих. большие емкости относительно земли при.одновременном повышении быстродействия и динамического диапазона измеряемых параметров. Устройство, реализующее способ, содержит источники 1, 2 измерительного напряжения, аналоговые ключи 3 - 6, элементы 7-9 запоминания, сопротивления 10 и 11, элемент 12 сравнения, пороговый элемент, измеритель 14 временных интервалов, задатчики 15 и 16 временных интервалов, вычислитель 17, индикаторы 18 и 19, индикатор 20 аварийности, развязывающий блок 21, одновибратор 22, блок 23 формирования пауз, блок 24 искусственной нулевой точки, элемент 25 задержки, Подавая одновременно два скачка измерительного напряжения разной амплитуды, обеспечивают а ускоренный заряд емкости сети до напряжения, равного амплитуде скачка измерительного напряжения. 2 ил.2,О 1ОЗ - и(1 -- ) - и -- 11 О 2 О Изобретение относится к электроизме- О - измеренное время достижения изрительной технике и может быть использо- мерительным напрлжением на импедансевано для измерения сопротивления изоляции амплитуды единичного скачка изизоляции и емкости электрических сетей, мерительного напряжения меньшего уровЦельа изабрегенил является повыше ня;ние точности измеренил сопротивления 12 - априорна заданное время в периодизоляции и емкости электрических сетей, разряда емкости сети ат момента началаособенно имеащих большие емкости атно- разряда;сительно земли, при одновременном павы- Я 1 - величина сопротивления, через кошении быстродействия и динамического 10 торое единичный скачок измерительногодиапазона измеряемых параметров. напряжения большего уровня поступает наУказанная цель достигается тем, что в импеданс изоляции.способе измерения сопротивления изолл- Благодаря предлагаемому процессу выции и емкости электрических сетей, при ко- полнения взаимосвязанных действий доторам падают в контролируемую сеть 15 стигается повышение точности иединичный скачок измсрительного напря- быстродействил определения величин сожения постоянного тока, прерывают по- противления изоляции и емкости сети приступление на импеданс изоляции одновременном расширении динамическоизмерительного напряженил, формируют го диапазона измеряемых параметров.за ний фронт этого измерительного напрл Сущность способа заключается в том,женил и через априорно заданное время от что подавая одновременно два едини ньхдуказанноо момента измеряют мгновенное скачка измерительного напряжения разнойзначение измерительного напрлжения на амплитуды, обеспечивают ускоренный заимпедансе изоляции в процессе разряда ряд емкости сети да напряжения, равногоемкости сети, дополнительно одновремен амплитуде единичного скачка меньшегоно с первым единичным скачком измери- уровня,тельного напряжения подают параллельно При этом измеряется время 11 достижевторой единичный скачок измерительного нияуказанногоуровня,Затемчерезаприорнапряжения большей амплитуды, фиксиру- но заданный отрезок времени 12 измеряютют и измеряют время достижения измери мгновенное значение измерительного нательным напряжением на импедансе пряжения на импедансе изоляции в процесизоляции уровня напрлкенил первого еди- се разряда емкости сети Оз, Таким образом,ничногоскачкагленьшейамплитуды,преры- определив указанное время т 1 и величинувают в этот момент поступление на измерительного напряжения Оз и заранееимпеданс изоляции обоих измерительных 35 введя в вычислитель значения постоянныхнапряжений и определяют величины сопро- величин источников напряжения постоянтивления изоляции и емкости сети по выра- ного тока О 1 и О 2 и значение априорно заданного времени с 2, обеспечиваютвозможность определить значения сопроО 1 40 тивления изоляции и емкости сети,1 и (1 О ) достижение цели базируется на том обйх В 1 1 О, 1стоятельстве, чта заряд емкости сети едиц 1 и1 ничным скачком измерительногонапряжения большей амплитуды до уровня,12 45 равного значению источника измерительноСх - го напряжения меньшей амплитуды (соотношение между амплитудами обоихисточников может составлять несколько десятков раз), ускоряется ао много раз, что.г е 01 - ампли да единичного скачка изнап лкения меньшего ов естественно, уменьшает время всего цикла(по б )О 2 - амплитуда единичного скачка из- Указанное мокно проиллюстрировать расмерительного напряжения большегоР ., бал щего уров- смотрением эквивале;тной схемы измерительной цепи одного из вариантов(заф ксированное) 55 устройств, реализующих предлагаемый споОз - измеренное (зафиксированное)мгновенное значение измерительного на- соб, представленной на фиг, 1, где Я 1= 81.пряжения в процессе разряда емкости сети Известно, что процесс заряда емкостичерез априорно заданное время; такой цепи описывается выражением40 откуда6 ртр с 6 " 45 и 2 О. 0(1) = О (1- е ") (1) Вх В 1+ Вх где Оо - амплитуда напряжения единичного скачка измерительного напряжения (мень шего уровня);В 1 ВхВо = + сопротивление цепиВ 1+ Вхзаряда емкости.Следовательно, достижение одного и 10 того же уровня заряда емкости сети от источников разновеликого напряжения Оо и пОо запишется так: Од= " пО (1-е ф"), (2) Вх, а х 15 В 1+ Вх гОд = Оо (1- е ф), (3)20где и 1. Обозначим + через М. ТогдаВхВ 1+ Вхзти выражения можно переписать следующим образом;25 Не вызывает сомнения, что левая часть уравнения(4) больше левой части уравнения (5), так как -1. Поэтому1и т,е. время достижения в переходном процессе одного и того же заданного уровня 50 заряда емкости сети (при прочих равных условиях) для переходного процесса от источника повышенного напряжения меньше, чем для переходного процесса от источника меньшего напряжения. 55Таким образом, тангенс угла наклона кривой, описывающей переходный процесс на кваэилинейном, начальном участке заряда емкости сети для переходного процесса от источника большего напряжения будет больше, чем для процесса от источника меньшего напряжения, т.е. кривая в первом случае пойдет более круто, чем во втором.Оперирование большими по уровню измерительными сигналами чем в прототипе, позволяет улучшить соотношение сигнал/помеха, что ведет к повышению точности измерения.Обеспечение фиксации мгновенного значения измерительного напряжения именно в течение переходного процесса обеспечивает как повышение достоверности измерения, так и расширение динамического предела измеряемых величин в сторону малых емкостей.Для диапазона реально измеряемых величин сопротивлений изоляции Вх, находящихся обычно в пределах от 10 до 10000 кОм и величине резистора в зарядной цепи В 1(с учетом сопротивления блока искусственной нулевой точки), не превышающей обычно 1ВхкОм, выражение + стремится к 1.В 1+ ВхПоэтому в пределах допустимой погрешности измерения с учетом того, что описывается участок переходного процесса в его начале, можно записать выражение (1) в следующем виде:О(1) = Оо (1 - е "). Выражение для определения текущих мгновенных значений измерительного напряжения при разряде емкости записывается как где Од- напряжение на емкости Сх в начальный момент времени разряда, фиксируемое в момент прерывания поступления измерительного напряжения на импеданс изоляции,Уравненид.,(6) и (7) при фиксации первого и второго мгновенных значений принимают вид (для рассматриваемого случая):ф01= Од= пО (1 - е ") =- к= 02(1 - е ф") (8)6 сОз" 01 е (9) Не трудно показать, что решая совместно указанные уравнения при измеренных значениях т 1 и Оэ и априорно заданных значЕниЯх 01, 02, Ь, выРажениЯ Вх и Сх бУДУт выглядеть следующим образом:(13)- и 0,9 - и тг, Оз ц О 1 Знак(-) в выражениях(11) и(13) исчезает при проведении вычислений, так как логарифм числа, меньшего единицы, всегда отрицателен,На фиг. 1 изображена измерительная цепь предлагаемого устройства; на фиг. 2 - один из вариантов устройства. реализующего предлагаемый способ.Устройство для измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей, реализующее предлагаемый способ, содержит источники 1 и 2 измерительного напряжения постоянного тока, аналоговые ключи 3-6, элементы запоминания (например, статические триггеры) 7-9, сопротивие ния (резисторы) 10 и 11, элемент 12 сравнения, пороговый элемент 13, измеритель 14 временных интервалов, эадатчики 15 и 16 временных интервалов, вычислитель 17, индикаторы 18 и 19 сопротивления иэо ляции и емкости соответственно, индикатор 20 аварийности, развязывающий блок 21, адновибратор 22, блок 23 формирования пауз (например, одновибратор), блок 24 искусственной нулевой точки, элемент 25 задержки, логический элемент ИЛИ 26, выключатель 27, конденсатор 28, клеммы 29- 32.Кроме того, на фиг. 2 изображены отрезок трехфазной сети ЗЗ, сопротивления изо ляции и емкости фаэ сети йхд, Вхв, йхс и СхА, Схв и Схс, параллельное соединение которых дает эквивалентное сопротивление изоляций сети Вх и эквивалентную емкость Так как соотношение величин О 1 и Ог вы 10 бирается разработчиком заранее, та для конкретных применений формулы (10) и (11) могут быть упрощены, Например, если О 2 = 10 О 1, то выражение (10) и (11) запишутся следующим образом: 15 Сх сети, величины которых и представляют интерес,Первый выход источника 1 измерительного напряжения постоянного тока через последовательно соединенные нормально разомкнутый аналоговый клепач 3 и сопротивление 10 соединен с входом блока 24 искусственной нулевой точки, выходы которого подсоединены к клеммам 30, 31 и 32, Второй выход источника 1 измерительного напряжения постоянноготока присоединен к земле.Первый выход источника 2 измерительного напряжения постоянного тока через последовательно соединенные нормально разомкнутый аналоговый кл оч 4 и сопротивление 10 соединен с входам блока 24 искусственной нулевой точки и входом разоязывающего блока 21. Второй вход источника 2 измерительного напряжения постоянного тока соединен с землей,Клемма 27, к которой подведено напряжение постоянного тока, через последовательно соединенные оыклачатель 27, конденсатор 28 и первый вход элемента ИЛИ 26 соединена с первыми входами элементов запоминания (статических триггеров) 7 и 8, первым входом измерителя 14 временных интервалов и входом задатчика 16 временного интервала. Вторые входы элементов запоминания (статических триггеров) 7 и 8 соединены с выходом порогового элемента 13, вторым входом измерителя 14 временных интероалоо, входом задатчика 15 временного интервала и первым входом элемента запоминания (статическога триггера) 9. Вход порогового элемента 13 соединен с выходом элемента 12 сравнения, первый оход которого подклочен к выходу аналогового ключа 3, а отарой вход - к входу блока 24 искусственной нулевой точки. Вы .ходы элементов запоминания (статических триггеров) 7-9 подключены к вторым(управляемым) входам аналогооых ключей 3, 4 и 6 соответственно. Выход измерителя 14 временных интероалоо соединен с первым входом вычислителя 17, второй вход которого через последовательно соединенные аналоговый ключ 5 и разоязыоающий блок 21 соединен с входом блока 24 искусственной нулевой точки. Первый и отарой выходы оычислителя 17 соединены с входами индикато-.4ра 18 сопротивления изоляции и индикатора 19 емкости сети соответственно, Выход задатчика 15 временного интервала соединен с входом блока 23 формирования пауз непосредственно и через одновибратор 22 с вторым (управляемым) входам аналогового ключа 5 и входомэлемента 25 задержки, выход которого соединен с третьим входом вычислителя 17,Выход блока 23 формирования пауз соединен с вторым входом элемента ИЛИ 26 и вторым входом элемента запоминания (статического триггера) 9, выход которого соединен и с вторым входом задатчика 16 временного интервала, выход которого через нормально замкнутый аналоговый ключ 6 соединен с входом индикатора 20 аварийности.Работа устройства происходит следующим образом.При замыкании выключателя 27 перепад напряжения поступает от клеммы 29 через конденсатор 28 и элемент ИЛИ 26 на первые входы статического триггера 7 и 8, переводя их в состояние "2", при которых замыкаютсл аналоговые ключи 3 и 4 соответственно, и на первый вход измерителя 14 временных интервалов, в котором начинается отсчет времени. Замыкание аналоговых ключей 3 и 4 ведет к тому, что в контролируемую сеть 33 начнут одновременно поступать единичные скачки двух измерительных напрлжений О 1 и О 2, что вызовет переходный процесс установления измерительного напряжения на импедансе изоляции сети (параллельном соединении сопротивления изоляции Вх и емкости сети Сх), связанный с зарядом емкости сети СхВ связи с тем, что уровень напряжения О 2 во много раз, например на порядок, выше, чем напряжение О 1, то практически скорость заряда емкости сети Сх будет определяться именно этим напряжением и уровень напряжения О 1 на импедансе изоляции будет достигнут за время, во много раз меньше, чем в том случае, когда бы второе измерительное напряжение отсутствовало.В этот момент уровни напряжений на входах элемента 12 сравнения станут равными, и на его выходе появится сигнал, который повлечет появление сигнала на выходе порогового элемента 13, Этот сигнал поступит на вторые входы элементов запоминания (статических триггеров) 7 и 8, переводя их в исходное состояние "1", что вызовет размыкание аналоговых ключей 3 и 4 и прекращение поступления измерительного напряжения обоих единичных скачков на импедансе изоляции.Одновременно сигнал с выхода порогового элемента 13 поступит на первый вход элемента запоминания (статического триггера) 9, переводя его в состояние "2", при котором аналоговый ключ 6 размыкается. Тем самым предотвращается поступление 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 сигнала от задэтчика 16 временного интервала на индикатор 20 аварийности. Сигнал с выхода элемента запоминания (статического триггера) 9 поступает и на второй вход задатчикэ 16 временного интервала, переводя его в исходное состояние.Если величина сопротивления изоляции Вх сети находится много ниже допустимого уровня и, естественно, много меньше величины зарядного сопротивления 10, например, при режиме короткого замыкания на землю, зарядить емкость сети до величины напряжения источника 1 напряжения постоянного тока (меньшего уровня) не представляется возможным, так как емкость шунтирована (практически закорочена) низкоомным сопротивлением, Поэтому, для этого случая предусмотрена контрольная линия аварийности, состоящая иэ эадатчика 16 временного интервала, нормально замкнутого аналогового ключа 6 и индикатора 20 аварийности, Если по истечении априорно заданного в эадатчике 16 временного интервала сигнал с выхода порогового элемента 13 на первый вход элемента запоминания (статического триггера) 9 не поступит и ключ 6 не разомкнется, то сигнал с выхода задатчика 16 временного интервала поступит на индикатор 20 аварийности, что будет означать нецелесообразность и некорректность дальнейших измерительных операций.Априорно заданное время в задэтчике 16 выбирается таким образом, чтобы оно превышало максимально возможное (исходя из величин емкости сети и зарядного сопротивления 10) время уравнивания указанных уровней.Так как сигнал с порогового элемента 13 поступает и на второй вход измерителя 14 временных интервалов, то на его выходе появляется напряжение, величина которого несет информацию о времени, прошедшем от начала единичных скачков до момента уравнивания уровня заряда емкости сети с уровнем напряжения на выходе источника 1. Это напряжение с выхода измерителя 14 временных интервалов поступает на первый вход вычислителя 17, Поступление сигнала с выхода порогового элемента 13 на вход зэдатчика 15 временного интервала обеспечивает начало отсчета априорно заданного временного интервала, в течение которого происходит частичный разряд емкости сети Сх через сопротивление изоляции Вх По истечении этого заданного времени сигнал на выходе задатчика 15 временного интервала переведет одновибратор 22 в неустойчивое положение, при котором замкнется аналоговый ключ 5 и мгновенное значение напряжения в пере 1758592 12ходном процессе разряда емкости сети Схчерез развяэывающий блок 21 и аналоговыйключ 5 поступит на второй вход вычислителя17.Так как в вычислитель 17 заранее введены постоянные, характеризующие величины напряжения источников 1 и 2напряжения постоянного тока 01 и 02 и априорно заданного временного отрезка т 2, то. через время, обусловленное элементом 25задержки, сигнал с выхода одновибратора22, поступающий на третий вход вычислителя 17 является командой на определениевеличин Вх и Сх по заложенным в памятьвычислителя 17 выражениям и вывода этихопределенных величин на индикаторы 18 и19 соответственно.Время задержки элемента 25 выбирается меньше времени пребывания одновибратора 22 в неустойчивом положении,Сигнал с выхода задатчика 15 временного интервала поступает и на вход блока 23формирования пауз, который может бытьвыполнен и в виде одновибратора. Интервал времени, задаваемый блоком 23 формирования пауз, обеспечивает возвращениеемкости сети к нулевым начальным условиям (по отношению к измерительному сигналу),Сигнал с выхода блока 23 формирования пауз поступает на второй вход элементазапоминания (статического триггера) 9, переводя его в исходное состояние, что обеспечивает замыкание аналогового ключа 6 ивозвращение задатчика 16 временных интервалов в исходное состояние, и через второй вход логического элемента ИЛИ 26 напервые входы элементов запоминания (статических триггеров) 7 и 8, переводя их всостояние "2", первые входы измерителя 14временных интервалов и задатчика 16 временного интервала, начиная тем самым новый цикл измерения,Формула изобретения 1, Способ измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей, при котором подают в контролируемую сеть единичный скачок измерительного напряжения постоянного тока, начиная заряд емкости сети, а в процессе разряда емкости сети через заданное априорно время измеряют мгновенное значение измерительного напряжения на импедансе изоляции сети, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей, особенно имеющих большие емкости относительно земли, при одновременном повышении быстродействия и расширении40где 01 и 02 - амплитуды единичного скачка измерительного напряжения меньшего уровня и большего уровней соответственно;Оз - измеренное (зафиксированное) 45 мгновенное значение измерительного напряжения в процессе разряда емкости сети через априорно заданное время;т - измеренное время достижения момента прекращения заряда емкости сети 50 единичным скачком измерительного напряжения меньшей амплитуды;т 2 - априорно заданное время в периодразряда емкости сети от момента начала разряда;55 В 1 - величина сопротивления, через которое единичный скачок измерительного напряжения большей амплитуды поступает на импеданс изоляции (на заряд емкости сети),динамического диапазона измеряемых параметров, дополнительно одновременно с указанным первым единичным скачком измерительного напряжения подают в контро лируемую сеть второй единичный скачокизмерительного напряжения во много раз большей, например, на порядок, амплитуды, постоянно контролируют факт наличия переходного процесса заряда емкости сети 10 одновременно обоими разновеликими единичными скачками измерительного напряжения и фиксируют момент прекращения заряда емкости сети от единичного скачка меньшей амплитуды, измеряют время, про шедшее от подачи обоих разновеликих единичных скачков измерительного напряжения до указанного момента, и прерывают поступление в контролируемую сеть обоих единичных скачков измерительного 20 напряжения, чем обеспечивают начало разряда емкости сети на сопротивление изоляции сети, и измеренное до укаэанного момента фиксации время заряда емкости сети, а также измеренное в процессе раэря да емкости сети мгновенное значение измерительного напряжения через априорно заданное от начала разряда время используют для определения величины сопротивления изоляции и емкости сети по 30 выражениям14 1758592 13 Составитель Л,Карпиловскийктор С,Лисина Техред М.Моргентал Корректор Т,Палий э 2998 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб.; 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю щи й с я тем, что момент прекращения заряда емкости сети от единичного скачка измерительного напряжения меньшей амплитуды фиксируют по достижении момента равенства падения измерительного напряжения на последовательном соединении сопротивления блока присоединения, например, блока искусственной нулевой точки, для трехфазной сети переменного тока и импе- данса изоляции сети амплитуде меньшего 5 единичного скачка измерительного напряжения, то есть напряжению на выходе его источника напряжения.