Устройство для измерения сопротивления изоляции сети постоянного тока

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее генератор прямоугольИых импульсов, первьШ разделительный конденсатор, первый вывод которого соединен с входнойклеммой устройства, второй вывод - с входом высокоомного повторителя, второй разделительный конденсатор, первый выиод которого соединен с входной клеммой устройства, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первым BXOJ40M блока управления, первый выход которого соединен с входом синхронизации генератора прямоугольных импульсов и с управляющим входом первого ключа, включенного в цепь обратной связи первого интегратораj 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 соответст венно с управляющими входами второго и третьего ключей, вход первого интегратора соединен с вторым входом блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, уведены второй интегратор, четвертый ключ, дифференциальный усилитель, балансС ный резистор, первый вывод которого С соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, второй вывод с вторым выводом второго разделительного конденсатора, вьпсод высоN9 X) коомного повторителя соединен с входом второго интегратора и с первым входом дифференциального усилителя, ;о второй вход которого соединен с вы|аь ходом второго интегратора, а выход - с входом первого интегратора, в цепь обратной связи второго интегратора включен четвертый ключ, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления.

(19) 01) СОКИ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3(5l) С 01 R 27/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И.ОТНРЬ1ТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3594604/24-21 (22) 06.05.83 (46) 07.12.84. Бюл.У 45 (72) В.Н.Брызгало,. В.M.Ìàøåíêîâ, В.К.Потапкин и Л.В.Семеновская (71) Витебский завод электроизмерительных приборов им.60-летия Великого Октября и Всесоюзный научноисследовательский институт электроизмерительных приборов (53) 621.317.333 (088.8) (56) 1:.. Моховиков А.С. Измерительный преобразователь сопротивления изоляции сети постоянного тока.

"Известия ВУЗов, Приборостроение", том Х, И 5, 1967.

2. Авторское свидетельство СССР

У 828118, кл, G 01 R 27/18, 28.06.79 (прототип). (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее генератор прямоугольных импульсов, первый разделительный конденсатор, первый вывод

:которого соединен с входной клеммой устройства, второй вывод — с входом высокоомного повторителя, второй разделительный конденсатор, первый

:вывод которого соединен с входной клеммой устройства, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом блока управления, 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 которого соединен с выходной клеммой устройства., второй и третий выходы. блока управления соединены соответст венно с управляющими входами второго и третьего кЛючей, вход первого интегратора соединен с вторым входом блока управления, о т л и ч а ющ .е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, введены второй интегратор, четвертый.. ключ, дифференциальный усилитель, балансный резистор, первый вывод которого соединен с выходом генератора пря" моугольных импульсов, второй вывод.с вторым выводом второго разделительного конденсатора, выход высо{ коомного повторителя соединен с входом второго интегратора и с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с выходом второго интегратора, а выход — с входом первого интегратора,. в цепь обратной связи второго интег ратора включен четвертый ключ, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления.

1128194 2

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может бь.ть использовано в телеметрических системах измерения и контроля состояния изоляции электрических сетей постоянного тока, находящихся под постоянным рабочим напряжением или обесточенных, на энергетических объектах различного назначения.

Известен измерительный преобразо" 10 ватель сопротивления изоляции сети постоянного тока, содержащий генератор тестового энакопеременного нап. ряжения прямоугольной формы, соединенный через балансный резистор с 15 контролируемой сетью, которая через разделительный конденсатор соединена с входом измерительного блока, состоящего из амплитудного детектора, собранного на двух диодах и двух 20 конденсаторах таким образом, что эа один цикл измерения на нем выделяется двойная амплитуда сформированного в сети информационного сигнала, измерительный блок содержит также 25 выходной нормирующий усилитель постоянного тока, собранный, например, по - схеме: м-дм j1) .

Принцип измерения. основан на том, что установившееся (амплитудное) значение информационного сигнала, выделенного на импедансе изоляции, в первом приближении пропорционально сопротивлению изоляции и не зависит от емкости сети.

Недостатками известного преобра-. зователя являются низкие точность. измерения вследствие нелинейности уравнения преобразования, и быстродействие вследствие отсутствия автоматической перестройки частоты тестового генератора в зависимости от скорости переходного процесса информационного сигнала в сети. Кро-. ме того, устройство гальванически связано с контролируемой сетью через балансный резистор, вследствие чего оно шунтирует сопротивление изоляции, уменьшая его, а рабочее напряжение сети воздействует на иэмери" тельный блок, что снижает надежность устройства, особенно при больших напряжениях сети.

Наиболее близким по технической ,сущности к изобретению является уст- 55 ройство для измерения, сопротивления изоляции сети, постоянного тока, содержащее генератор прямоугольных импульсов, первый рг эделите льный кон1 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 конденсатора 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 f2) .

Принцип измерения основан на том что в контролируемой сети возбуждают апериодические экспоненциальные затухающие сигналы и измеряют их вольт-секундную площадь, которая

3 112 пропорциональна контролируемому соп" ротивлению изоляции и не зависит от емкости сети во всем диапазоне измерения.

Однако точность измерения данна .го устройства. при работе с реальны ми сетями постоянного тока оказываI ется невысокой в ре зультате sвлияния на уравнение преобразования передаточной функции 10 разделительной RC -цепи.

Кроме того, по переднему фрон гу коммутационных "всплесков":и "провалов" рабочего напряжения сети, а также при включении напряжения сети происходят значительные всплески тока через второй разделительный конденсатор на низкое выходное сопротивление генератора прямоугольных импульсов. Это, с одной стороны, создает неблагоприятное для нормальной эксплуатации импульсное шунтирование источников электропитания сети, а с другой — ужесточает условия работы самого разделительного конденсатора и генератора импульсов, что значительно снижает надежность работы устройства и требует применение более дорогого, усиленного по мощности генератора. Так как ем- 30 кость этого конденсатора при работе с 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 выхода генератора импульсов необходимо обеспечить значительный импульсный 40 ток, что затруднительно при микроэлектронном:исполнении устройства.

При недостаточной крутизне информационного сигнала уравнение пре" образования становится нелинейным и точность измерения уменьшается.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения {) сопротивления изоляции .сети постоян. ного тока, содержащее генератор прямоугольных импульсов, первый раз .делительный конденсатор, первый вывод которого соединен с входной у клеммой устройства, второй вывод— с входом высокоомного повторителя, второй разделительный конденса8194 4 . тор, первый вывод которого соединен. с входной клеммой устройства, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с первым входом блока управ

l ления,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

1 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 вход которого соединен с выходом второго интегратора, а выход - с входом первого интегратора, в цепь обратной. свя зи второго интегратора включен четвертый ключ, управляющий вход которого подключен к первому выходу блока управления.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для измерения сопротивления изоляции сети постоянного тока; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений в измерительном тракте устройства.

Устройство содержит генератор 1 прямоугольных импульсов, соединенный последовательно через балансный резистор 2 и второй разделительный конденсатор 3 с контролируемой сетью 4, имеющей сопротивление R и емкость С>, которая соединена так" же через первый разделительный конденсатор 5 и высокоомный повтори-. тель 6 с входом второго интегратора 7 и неинвертирующим входом1дифференциальиого усилителя 8 ° инвертируФ щий вход .которого соединен с выхокорни характеристического уравнения (1);

Во временной форме напряжение

U>(t) имеет вид р ««х

Выделенное на импедансс изоляции импульсное напряжение U (t)

Вольт-секундная площадь S этого через разделительный конденсатор (С х 40 5 напряжения при достаточном для за- . 5, предназначенный для развязки уствершения в сети переходного процесса . ройства от постоянного напряжения времени интегрирования TÄ>z запишется сети, и высокоомный повторитель 6 поступает в измерительный тракт

Ео 1 е е ®ч устройства. При этом, если входное

РС -х к

izCx Х -х2 "1 а сопротивление:повторителя 6 (R ) н

0 P л постоянная времени л = R-С =. 1/х о 4 о 5,,9 .Е С,К„, () то напряжение на выходе повторитех < 2

Й С х х ля 6 запишется

1 о (х,-хдх„е -(х„-х 1х,е 4(x,-õç) х е

"2 - х (x,-x,1 1х,-х ) (х2 - x ) .S 1128194 а дом 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- 5 ход которого соединен с вторым вхоравляющими входами первого 11 и чет- дом второго 22 элемента И, выходы вертого 12 ключей, включенных в цепи элементов И вЂ” с вторым и третьим обратной связи первого 9 и второго 7 выходами блока 10 управления, вхоинтеграторов соответственно, а так- ды 24 и 25 блока 10 управления, выже с входом синхронизации генерато- 10 ходы 26 — 28, источник 29 опорного ра 1, а второй и третий выходы бло- напряжения. ка 10 управления соединены с управ- Устройство работает следующим обляющими входами второго 13 и третье- разом.. го 14 ключей, включенных параллель- . Тестовое напряжение прямоугольно и соединяющих выход. интегратора 9 15 ной формы амплитудой Е от генератос входами аналогового дифференциайь- ра 1 (фиг.l) через балансный ного блока 15 .:памяти, выход кото- резистор 2 и разделительный рого соединен с входом усилителя 16 конденсатор 3 поступает в постоянного тока. Блок 10 управления контролируемую сеть 4. При этом содержит, соединенный с вторым вхо- 2о на импедансе изоляции (К„С>)контдом двухполупериодный выпрямитель 17, ролируемой сети 4 выделяется импульс. выход которого соединен с первым ный апериодический затухающий сиг.. входом компаратора 18, а выход через нал U>(t) (фиг.2), напряжение котопервый 19 и второй 20 одновибрато- рого в операторной форме запишется ры соединен с первым выходом бло- 25 о. < ка 10 управления, причем выход пер- 1„®= () вого одновибратора 19 соединен так- "2Сx (P " 1(Р-хi) же с первыми входами первого 21 и г;;.: („C„+ 2 С, Ся -4lkxC>+R2(C> C„)) fRxС„Я С5

2l1ÄC„Я,С

Из (4) видно, что вновь введенный балансный резистор 2 не повлиял на

35 линейность уравнения преобразования известного устройства.

Анализ выражений (3) и (5) показывает, что информационное напряжеI ние 0 (й), поступающее на обработку 55 в измерительный тракт устройства, затухает быстрее, чем напряжение на импедансе изоляции Uх(t)и его

1 вольт-секундная площадь 8 эа период Т и меньше чем. 8» на величину вольт-секундной площади ошиб ки Я<„ (H .2). При этом их разница тем больше, чем меньше постоянная времени и

1128194

ЗО

45

u„81=0„lt) auÄ()-О„ ®+„" "„ Ц.

С2

Аппаратурно напряжение ошибки (б) определяют на выходе интегратора 7, а коррекцию (8)информационного сигнала осуществляют посредством дифференциального усилителя 8, иа выхо1 де которого будем иметь напряжение, .описанное уравнением (8). Инверсное включение напряженг я коррекции aV„(t) с выхода интегратора 7 на дифференциальный усилитель 8 обус. ловлено тем, что реальные интеграто50

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 напряжеI ние vx(г.) . поступает на интегратор 7., напряжение на выходе которого описывается выражением

В „(И:tU„(tlat=, „° tg (К -Х21Е -(Х -К,1Е +(К,-К,1Е

Х1 К21 xyt

Х (к,- х г1 (к, - к 1 (к 2 — к г 1 г где 77 - постоянная времени интегратора 7.

С другой стороны, разница напряжений И Ä(t) и U„(t) т.е. ошибка ЫЯ„(с)(фиг 2), вносимая в информационный сигнал, описывается выражением

Е е" -е"

ЙЩ=О„И-(1 „(Ч=

82C> Х,-К 11-"11х.е -tI,-õ õ,å i(к,-хрвое

Х,1 Хг( (к,-x2) (х,- к 1(х 2— - x 3) Ер ("1-кг)е -(х -x, 1е г +(х, х,)е ° х, к (x t

Й2Ск" к (kq õ2 (x - к 1(кг — х ) С учетом (6) будем иметь

Ь 0 X 8j = f X Ц.) „, ° (7)

tz

Таким 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-секундной площади сигнала "X (й } .

Функцию коррекции информационного сигнала запишем тогда

20 ры работают с инверсией входного сигнала. Это напряжение (8) полностью тождественно выделенному в сети импульсному сигналу U„(t), вольт-секундная площадь S которого пропорциональна контролируемому сопротивлению изоляции R и не зависит от емкости сети CX во всем диапазоне измерения. Величину вольтсекундной площади этого напряжения, равную S будем иметь на выходе интегратора 9

Т

Ти м Тизм —.„ J Eu „(и .— „ I u „uldt)dt = J „ щ = а .О о

= kgx= ko R5, (3 где à — постоянная времени инте гратора 9.

Таким образом, полученное скоррек ( тированное по величине емкости контролируемой сети 4 уравнение преобразования (9) свя ывает линейной зависимостью выходное напряжение интегратора 9 (в конце цикла измерения T„» ) и сопротивление изоляции Кк контролируемой сети 4 и инвариантно к изменениям величины емкости сети 4 (С ) во всем диапазоне измерения.

Синхронизацию процесса обработки информационного сигнала Ук на прстяжении всего измерительного тракта устройства осуществляет блок 10 управления. В конце периода измерения Ти . 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 RX, пос упит на соответствующие входы аналогового дифференциального блока 15 памяти, а через усилитель 16 постоянного то/ ка на выход устройства. В следующий такт работы блока 10 управления приходит разрешение на сброс интеграторов 7 и 9 в нулевое состоя ние 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 от

1128194

10 длительности 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- 1О нала /U (t)/ с опорным U „ на входах компаратора 18. Вход выпрямитеas 17 соединен с вторым входом 25 блока 10 управления. В момент равенства этих напряжений перепадом !5 напряжения с выхода компаратора 18 последовательно запускается два од- . новибратора 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- 25 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 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 конденсаЪ тора 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..1128194

Составитель Л.Фомина

Редактор С.Патрушева Теехред С.Легеза

Корректор, О. Билак

Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ушгород, ул.Проектная, 4

Заказ 9024/34 . Тирам 710

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий . 113035, Москва, Ж-35,-Раушская наб., д.4/5