Способ измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивления изоляции и емкости электрической сети. Цель изобретения - повышение точности особенно 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 ускоренный заряд емкости сети до напряжения , равного амплитуде скачка измерительного напряжения. 2 ил. сл

C0l03 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

PECIlYbl1NK (sl)s G 01 R 27/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4825328/21 (22) 14.05.90 (46) 30.08,92. Бюл. ¹ (71) Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники и технологии (72) Л.Н,Карпиловский и В,С,Любарский (56) Авторское свидетельство СССР № 519648, кл. G 01 R 37/18

Авторское свидегельство СССР № 1638660, кл. 6 01 R 27/18, 1989. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ И ЕМКОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивления изоляции и емкости электрической сети.

Цель изобретения — повышение точности особенно в сетях, имеющих. большие емко,, Я2„„1758592 А1 сти 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 ускоренный заряд емкости сети до напряжения, равного амплитуде скачка измерительного напряжения. 2 ил.

1758592

Изобретение относится к электроиэмерительной технике и может быть использовано для измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей, Целью изобретения является повышение точности измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей, особенно има ощих большие емкости относительно земли, при одновременном повышении быстродействия и динамического диапазона измеряемых параметров.

Указанная цель достигается тем, что в способе измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей, при котором падагот в контролируемую сеть единичный скачок иэмсрительного напряжения постоянного тока, прерывают поступление на импеданс изоляции измерительного напряжения, формируют задний фронт этого измерительНОго напря>кения и через априорно заданное время от указанного момента измеряют м новенное значение измерительного напряжения на импедансе изоляции в процессе разряда емкости сети, дополнительно одновременно с первым единичным скачком измерительного напряжения подают параллельно второй единичный скачок изглерительного напряжения большей амплитуды, фиксируют и измеряют время достижения измерительным напряжением Ifa импедансе изоляции уровня напря>кения первого единичного скачка гленьшей амплитуды, прерывают в этот момент поступление на импеданс изоляции обоих измерительных напряжений и определяют величины coflpo" тивления изоляции и емкости сети по выражениям

tz где 01 — амплитуда единичного скачка измерительного напряжения меньшего уровня;

U2 — амплитуда единичного скачка измерительного напряжения большего уровня;

0з — измеренное (зафиксированное} мгновенное значение измерительного напряжения в процессе разряда емкости сети через априорно заданное время;

t1 — измеренное время достижения измерительным напряжением»а импедансе изоляции амплитуды единичного скачка измерительного напряжения меньшего уров5 ня;

tz — априорно заданное время в период разряда емкости сети от момента начала разряда;

Я1 — величина сопротивления, через ко10 торое единичный скачок измерительного напряжения большего уровня поступает на им и еда нс и золя ции.

Благодаря предлагаемому процессу выполнения взаимосвязанных действий до15 стигается повышение точности и быстродействия определения величин сопрогивления изоляции и емкости сети при одновременном расширении динамического диапазона измеряемых параметров.

20 Сущность способа заключается в том, что подавая одновременно два единичных скачка измерительного напряжения разной амплитуды, обеспечивают ускоренный заряд емкости сети до напряжения. равного

25 амплитуде единичного скачка меньшего уровня.

При этом измеряется время t1 достижения указанного уровня. Затем через априорно заданный отрезок времени т2 измеряют

30 мгновенное значение измерительного напряжения на импедансе изоляции в процессе разряда емкости сети Оз. Таким образом, Определив указанное время t1 и величину измерительного напряжения 0з и заранее

35 введя в вычислитель значения постоянных величин источников напряжения постоянного тока 01 и Uz и значение априорно заданного времени 2, обеспечивают возможность определить значения сопро40 тивления изоляции и емкости сети, Достижение цели базируется на том обстоятельстве, что заряд е.икости сети единичным скачком измерительного напряжения большей амплитуды до уровня, 45 равного значению источника измерительного напряжения меньшей амплитуды (соотношение между амплитудами обоих источников может составлять несколько десятков раз}, ускоряется ао много раз, что.

50 естественно, уменьшает время всего цикла измерения (повышает быстродействие).

Указанное гло>кно проиллюстрировать рассмотрением эквивалентно;1 схемы измерительной цепи одного из вариантов

55 устройств, реализующих предлагаемый способ, представленной на фиг, 1, где R1= R1.

Известно. что процесс заряда емкости такой цепи описывается выражением

1758592

1 0А

1 —— =е и М0о (4) +-ю с „

30 (5) 1 — 0
MUo (6) U(t) = UA e

1 (Я—

E + +x ф

Я " «

40 откуда

6р т ус„

t2 > t1.

U(t)= Uo (1-e ") (1)

Rõ 1 + х где 0о — амплитуда напряжения единичного скачка измерительного напряжения (мень- 5 шего уровня);

R1 Rx

R> = + сопротивление цепи и1+ пх заряда емкости.

Следовательно, достижение одного и 10 того же уровня заряда емкости сети от источников разновеликого напряжения Vo u п0о запишется так:

UA= + п0о(1-е " "), (2)

Rх . „с. „ 15 1+ х

UA= „+ Uo(1-e - " ), (3)

20 где и >1.

Обозначим + через М. Тогда

Rx 1+ х зти выражения можно переписать следующим образом: 25

Не вызывает сомнения, что левая часть уравнения (4) больше левой части уравнения (5), так как — < 1. Поэтому

1 и 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. 55

Таким 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 Rx, находящихся обычно в пределах от 10 до 10000 кОм и величине резистора в зарядной цепи В1(с учетом сопротивления блока искусственной нулевой точки), не превышающей обычно 1

Rx кОм, выражение + стремится к 1. 1 + х

Поэтому в пределах допустимой погрешности измерения с учетом того, что описывается участок переходного процесса в его начале, можно записать выражение (1) в следующем виде:

U(t) = Uо (1 - е ).

Выражение для определения текущих мгновенных значений измерительного напряжения при разряде емкости записывается как где UA- 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): к

01=UA=nU (1-е ") = к

= 0г(1 - е ""), (8)

Ес

0з-01е (9) Не трудно показать, что решая совместно указанные уравнения при измеренных значениях t1 и 0э и априорно заданных значениях U1, 0г,, выражения Rx u CX будут выглядеть следующим образом:

1758592! п(1 — — ) U1

Rx =R1 з

t1 In U

1 ), (10) тг

Cx = СА Из (11) In (1 — — } — In — t1 02 U1

Сх (13) — In 0,9 — In

12 Uz

11 U1

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. реалиэующего 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- 40 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 иэа- 45 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 2932.

Кроме того, на фиг. 2 изображены отрезок трехфазной сети 33, сопротивления изо- 55

ЛЯЦИИ И ЕМКОСТИ фаз СЕТИ RxA Вхн, йха И

C A, Схв и Схс, параллельное соединение которых дает эквивалентное сопротивление изоляций сети R> и эквивалентную емкость

Так как соотношение величин U1 и U2 вы10 бирается разработчиком заранее. та для конкретных применений формулы (10) и (11) могут быть упрощены, Например, если

U2 = 10U1, 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 постояннаготока присоединен к земле.

Первый выход источника 2 измерительного напряжения постоянного тока через последонательно соединенные нормально разомкнутый аналоговый кл оч 4 и сопротивление 10 соединен с входом блока 24 искусственной нулевой точки и входом разнязынающего блока 21. Второй вход источника 2 измерительного напряжения l10 стоянного тока соединен с землей, Клемма 27, к которой подведена напряжение постоянного тока, через последовательно соединенные выкл очатель 27, конденсатор 28 и первый вход элемента

ИЛИ 26 соединена с первыми входами элементов запоминания (статических триггеров) 7 и 8, первым нходам 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 интервалов, входом задатчика 15 временного интервала и первым входом элемента запоминания (статическага триггера) 9. Вход порогового элемента 13 соединен с выходом элемента 12 сравнения, первый вход которого подключен к выходу аналогового ключа 3, а второй вход — v, входу блока 24 искусственной нулевой точки. Выходы элементов запоминания (статических триггеров) 7-9 подключены к вторым (упранJlRBMblM) входам аналоговых ключей 3, 4 и 6 соответственно. Выход измерителя 14 временных интервалов соединен с первым входом вычислителя 17, второй вход которого через последовательно соединенные аналоговый ключ 5 и разнязывающий блок 21 соединен с входом блока 24 искусственной нулевой точки. Первый и второй выходы вычислителя 17 соединены с входами индикато-.

4 ра 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 входом

1758592

10 элемента 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 Ui u Uz. 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 Сх.

В связи с тем, что уровень напряжения

Uz во много раз, например на порядок, выше, чем напряжение U>, то практически скорость заряда емкости сети С> будет определяться именно этим напряжением и уровень напряжения U1 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

55 сигнала от задатчика 16 временного интервала на индикатор 20 аварийности. Сигнал с выхода элемента запоминания (статического триггера) 9 поступает и на второй вход задатчика 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 задатчике

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 задатчика 15 временного интервала обеспечивает начало отсчета априорно заданного временного интервала, в течение которого происходит частичный разряд емкости сети Сх через сопротивление изоляции Rx. 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 пере1758592

12 модном процессе разряда емкости сети С> через развяэывающий блок 21 и аналоговый ключ 5 поступит на второй вход вычислителя

17.

Так как в вычислитель 17 заранее введены постоянные, характеризующие величины напряжения источников 1 и 2 напряжения постоянного тока 01 и U2 u априорно заданного временного отрезка t2, то . через время, обусловленное элементом 25 задержки, сигнал с выхода одновибратора

22, поступающий на третий вход вычислителя 17 является командой на определение величин Rx и Сх по заложенным в память вычислителя 17 выражениям и вывода этих определенных величин на индикаторы 18 и

19 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 23 формирования пауз, который может быть выполнен и в виде одновибратора. Интервал времени, задаваемый блоком 23 формирования пауз, обеспечивает возвращение емкости сети к нулевым начальным условиям (по отношению к измерительному сигналу).

Сигнал с выхода блока 23 формирования пауз поступает на второй вход элемента запоминания (статического триггера) 9, переводя его в исходное состояние, что обеспечивает замыкание аналогового ключа 6 и возвращение задатчика 16 временных интервалов в исходное состояние, и через второй вход логического элемента ИЛИ 26 на первые входы элементов запоминания (статических триггеров) 7 и 8, переводя их в состояние "2", первые входы измерителя 14 временных 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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения сопротивления изоляции и емкости электрических сетей. особенно имеющих большие емкости относительно земли, при одновременном повышении быстродействия и расширении

12 ln(1 — — )

01

02 1

0з

Rx =R1 (t2 тг. In (1 — — ) — In

U1 0з

Г1 02 01

40 где 01 и 02 — амплитуды единичного скачка измерительного напряжения меньшего уровня и большего уровней соответственно;

0з — измеренное (зафиксированное)

45 мгновенное значение измерительного напряжения в процессе разряда емкости сети через априорно заданное время;

t1 — измеренное время достижения момента прекращения заряда емкости сети единичным скачком измерительного напряжения меньшей амплитуды;

t2 — априорно заданное время в период разряда емкости сети от момента начала разряда;

55 R1 — 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 контро5 лируемую сеть второй единичный скачок измерительного 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, про15 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 раэря25 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 выражениям

1758592

Составитель Л,Карпиловский

Редактор С,Лисина Техред M.Moðãåèòàë Корректор Т.Палий

Заказ 2998 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.; 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

2. Способ по п.1, отличающийся 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 импеданса изоляции сети амплитуде меньшего

5 единичного скачка измерительного напряжения, то есть напряжению на выходе его источника напряжения.