Способ контроля сопротивления изоляции электрооборудования троллейбуса и оценки условий его безопасной эксплуатации

Изобретение относится к электроизмерительной технике и электробезопасности электрифицированного транспорта. Способ основан на шунтировании сопротивления изоляции между корпусом и токоведущей шиной с отрицательным потенциалом поочередно первым и вторым сопротивлениями известной величины и измерении напряжений между каждой токоведущей шиной и корпусом, измерении напряжений между каждой токоведущей шиной и корпусом без шунтовых сопротивлений, определении падения напряжения в сети от подстанции до токоприемника троллейбуса. Кроме того вычисляют сопротивления изоляции шин с положительным и отрицательным потенциалами, переходное сопротивление между корпусом троллейбуса и землей, потенциал корпуса относительно земли и возможный ток утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса. После этого сравнивают полученные значения с допустимыми. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей контроля сопротивления изоляции, увеличение точности оценки потенциальной опасности поражения электрическим током в случае прикасания к корпусу троллейбуса и повышение надежности защиты пассажиров. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для защиты людей от поражения электрическим током на электрифицированном пассажирском транспорте.

Известны способы контроля сопротивления изоляции сети постоянного тока, основанные на шунтировании сопротивления изоляции между корпусом и токоведущими шинами и измерении напряжений между токоведущими шинами и корпусом (А.с. №561149 (СССР), МКИ G 01 R 27/18, 1976 г.; А.с. №1597773 (СССР), МКИ G 01 R 27/18, 1990 г.).

При реализации известных способов сопротивление изоляции сети оценивается путем сравнения напряжений между корпусом и токоведущей шиной с допустимым значением при шунтировании сопротивления изоляции резистором известной величины. Такие способы обеспечивают простой и надежный контроль сопротивления изоляции и, следовательно, защиту людей от поражения электрическим током, в стационарных электроустановках. В системах электрифицированного пассажирского транспорта, например, троллейбусного, электробезопасность определяется не только сопротивлением изоляции электрооборудования, но и другими факторами, основными из которых являются переходное сопротивление между корпусом и землей и потенциалы положительного и отрицательного полюсов токоприемника в месте нахождения троллейбуса.

Следовательно, недостатками известных способов контроля сопротивления изоляции электрооборудования троллейбуса и оценки условий его безопасной эксплуатации являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием адекватной оценки потенциальной опасности поражения электрическим током в случае прикасания к корпусу, и, следовательно, низкая надежность защиты пассажиров.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока, основанный на шунтировании сопротивления изоляции между токоведущей шиной с отрицательным потенциалом и корпусом и сопротивления изоляции между токоведущей шиной с положительным потенциалом и корпусом сопротивлениями известной величины, измерении величины напряжения между каждой токоведущей шиной сети постоянного тока и корпусом, включении дополнительного источника напряжения, определении величины изменения напряжения между токоведущей шиной и корпусом и сравнении полученной величины с допустимым значением (А.с. №1788478 (СССР), МКИ G 01 R 27/18, 1993 г.).

При реализации известного способа обеспечивается надежный контроль сопротивления изоляции и малое время измерения в группе потребителей. Однако такой способ обеспечивает эффективный контроль сопротивления изоляции и, следовательно, защиту людей от поражения электрическим током, в стационарных электроустановках. В системах электрифицированного пассажирского транспорта, например, троллейбусного, электробезопасность определяется не только сопротивлением изоляции электрооборудования, но и другими факторами, основными из которых являются переходное сопротивление между корпусом троллейбуса и землей и потенциалы положительного и отрицательного полюсов токоприемника относительно земли. В существующих троллейбусных сетях питание контактной сети осуществляется напряжением U=720 В, падение напряжения в сети от центра питания до места нахождения троллейбуса изменяется от 0 до 160 В, а переходное сопротивление между корпусом троллейбуса и землей находится в диапазоне от 2,5 кОм до 100 кОм.

Следовательно, недостатками известного способа контроля сопротивления изоляции являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием адекватной оценки потенциальной опасности поражения электрическим током в случае прикасания к корпусу, и, следовательно, низкая надежность защиты пассажиров. Кроме того, известный способ имеет сложную реализацию, требующую дополнительного источника питания, а соединение шины с положительным потенциалом с корпусом в троллейбусе может стать причиной электротравмы для персонала или пассажиров, что недопустимо.

Таким образом, недостатки известного способа контроля сопротивления изоляции - ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием адекватной оценки потенциальной опасности поражения электрическим током в случае прикасания к корпусу, и, следовательно, низкая надежность защиты пассажиров.

Цель предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей контроля сопротивления изоляции, увеличение точности оценки потенциальной опасности поражения электрическим током в случае прикасания к корпусу троллейбуса и повышение надежности защиты пассажиров.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, основанном на шунтировании сопротивления изоляции между корпусом и токоведущей шиной с отрицательным потенциалом сопротивлением известной величины и измерении напряжений между каждой токоведущей шиной и корпусом, отличающийся тем, что дополнительно повторно шунтируют сопротивление изоляции между корпусом и токоведущей шиной с отрицательным потенциалом другим сопротивлением известной величины, измеряют напряжение между каждой токоведущей шиной и корпусом, измеряют напряжение между каждой токоведущей шиной и корпусом без шунтовых сопротивлений, определяют падение напряжения в сети от подстанции до токоприемника троллейбуса, вычисляют сопротивление изоляции между шинами с положительным и отрицательным потенциалом, переходное сопротивление между корпусом троллейбуса и землей, потенциал корпуса относительно земли и возможный ток утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса соответственно по формулам:

ϕ_к=U₂+ΔU;

где R_Э1, R_Э2 - значения шунтовых сопротивлений;

U₁, , - напряжения между токоведущей шиной с положительным потенциалом и корпусом при измерениях соответственно без шунтового сопротивления, с первым и вторым шунтовыми сопротивлениями;

U₂, , - напряжения между токоведущей шиной с отрицательным потенциалом и корпусом при измерениях соответственно без шунтового сопротивления, с первым и вторым шунтовыми сопротивлениями;

ΔU - падение напряжения в питающей сети от подстанции до токоприемника троллейбуса;

ϕ_к - потенциал корпуса троллейбуса относительно земли;

R_y - расчетное сопротивление утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса;

, и сравнивают полученные значения с допустимыми.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (операции):

- повторно шунтируют сопротивление изоляции между корпусом и токоведущей шиной с отрицательным потенциалом другим сопротивлением известной величины и измеряют напряжение между каждой токоведущей шиной и корпусом;

- измеряют напряжение между каждой токоведущей шиной и корпусом без шунтовых сопротивлений;

- определяют падение напряжения в сети от подстанции до троллейбуса;

- вычисляют сопротивления изоляции шин с положительным и отрицательным потенциалами, переходное сопротивление между троллейбусом и землей, потенциал корпуса относительно земли и возможный ток утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса соответственно по формулам:

ϕ_к=U₂+ΔU;

где .

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения расширяются функциональные возможности контроля сопротивления изоляции, увеличивается точность оценки потенциальной опасности поражения электрическим током в случае прикасания к корпусу троллейбуса и повышается надежности защиты пассажиров. Это обеспечивается совокупностью следующих технических решений, реализуемых в предлагаемом способе:

- измерением всех составляющих сопротивления изоляции электрооборудования троллейбуса: сопротивлений изоляции между корпусом и обеими токоведущими шинами и переходного сопротивления между корпусом троллейбуса и землей;

- измерением потенциала корпуса троллейбуса относительно земли;

- оценкой возможного тока утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области измерительной техники, электротехники и релейной защиты.

Известны операции поочередного шунтирования токоведущих шин и нулевой шины и вычисления сопротивлений изоляции по формулам. (А.с. №1597773 (СССР), МКИ G 01 R 27/18, 1990 г.).

Однако в известном способе осуществляется шунтирование токоведущих шин и нулевой шины. В предлагаемом способе осуществляется повторное шунтирование сопротивления изоляции токоведущей шины с отрицательным потенциалом и корпусом сопротивлением известной величины.

Известны операции вычисления сопротивлений изоляции по формулам (А.с. №1597773 (СССР), МКИ G 01 R 27/18, 1990 г.). Однако в предлагаемом способе используются другие, принципиально отличные вычислительные формулы.

Операции определения падения напряжения в сети от подстанции до троллейбуса, вычисления переходного сопротивления между корпусом троллейбуса и землей, потенциала корпуса троллейбуса относительно земли и возможного тока утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса в известных способах аналогичного назначения не обнаружены.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором показана упрощенная принципиальная схема электропитания троллейбуса, поясняющая способ контроля сопротивления изоляции электрооборудования троллейбуса и оценки условий его безопасной эксплуатации. На чертеже обозначено: В - выпрямительный агрегат, размещенный на подстанции; КС - контактная сеть; U - напряжение контактной сети на подстанции; ϕ₁, ϕ₂ - потенциалы шин с положительным и отрицательным потенциалами на токоприемнике троллейбуса; ϕ_к - потенциал корпуса троллейбуса относительно земли; R₁, R₂ - сопротивления изоляции шин соответственно с положительным и отрицательным потенциалами; R₃ - переходное сопротивление между корпусом троллейбуса и землей; R_Э1, R_Э2 - первый и второй шунтовые резисторы; U₁, U₂ - напряжения соответственно между шиной с положительным потенциалом и корпусом и между шиной с отрицательным потенциалом и корпусом; S1, S2 - первый и второй ключи. Отрицательный полюс выпрямителя на подстанции заземлен.

При разомкнутых ключах S1 и S2 потенциал ϕ_к корпуса троллейбуса относительно земли определяется выражением

где ; - проводимости изоляции соответственно положительного и отрицательного полюсов;

- переходная проводимость между корпусом троллейбуса и землей.

Потенциалы шин ϕ₁ и ϕ₂ соответственно равны

где ΔU - падение напряжения в сети от подстанции до токоприемника троллейбуса.

Напряжения U₁ и U₂, доступные для измерения, связаны с потенциалами ϕ₁, ϕ₂ и ϕ_К соотношениями

Подстановка выражений (2) и (3) в соотношение (1) с учетом (4) и (5) дает уравнение

При замкнутом ключе S1 потенциал ϕ_К корпуса троллейбуса относительно земли определяется выражением

где - проводимость первого шунтирующего сопротивления.

Так как ; ϕ₂=ΔU; ,

где , - напряжения между соответственно положительным и отрицательным полюсами и корпусом троллейбуса при замкнутом ключе S1, то уравнение (7) можно представить в виде

Аналогичным образом можно получить уравнение электрической цепи при замкнутом ключе S2 в виде

где - проводимость второго шунтирующего сопротивления.

Для приближенного решения уравнений (6), (8) и (9) применен итерационный метод, основанный на построении последовательности приближений начиная с некоторого начального приближения. Приводим подробный вывод приближенных формул для оценивания сопротивлений изоляции.

Рассмотрим уравнения (6) и (8). Определим их совместное решение для и

при допущении Δu≈0. Физически это вполне оправдано, т.к. обычно ΔU≪U₁; ΔU≪U₂. В результате путем решения системы уравнений

получаем формулы:

Так как в электрических сетях обычно R₁≈R₂ и сопротивление изоляции проводов с положительным и отрицательным потенциалами происходит аналогично, в уравнении (6) примем g₁≈g₂ и представим его в виде

В результате решения (6'') относительно получаем

Из уравнения (10) определяем R₂:

По найденным значениям R₂, R₃, R_∑ находим уточненное значение R₁ путем решения уравнения (9). В результате получаем приближенную формулу:

Далее итерационная процедура может быть продолжена. Однако, формулы (11), (12) и (13) дают достаточные для практики по точности результаты.

Потенциал корпуса троллейбуса относительно земли определяется выражением

В случае прикасания человека, стоящего на земле, к корпусу троллейбуса, ток утечки равен

где R_y - сопротивление тела человека, в расчетах оно принимается равным 1 кОм.

По условиям электробезопасности ток, протекающий через тело человека, не должен превышать 3 мА. Из уравнения (15) следует, что ток утечки зависит от сопротивлений изоляции положительного и отрицательного полюсов, переходного сопротивления между корпусом троллейбуса и землей, а также падения напряжения в питающей сети.

Реализация предлагаемого способа сводится к следующей совокупности операций.

Измеряют напряжения между шиной с положительным потенциалом и корпусом и шиной с отрицательным потенциалом и корпусом U₁ и U₂.

Шунтируют сопротивление изоляции между шиной с отрицательным потенциалом и корпусом сопротивлением известной величины R_Э1 и измеряют напряжения между шиной с положительным потенциалом и корпусом и шиной с отрицательным потенциалом и корпусом и .

Шунтируют сопротивление изоляции между шиной с отрицательным потенциалом и корпусом другим сопротивлением известной величины R_Э2 и измеряют напряжения между шиной с положительным потенциалом и корпусом и шиной с отрицательным потенциалом и корпусом и .

Определяют падение напряжения в питающей сети ΔU. Эта операция может быть выполнена путем вычисления падения напряжения по известной величине напряжения в центре питания U и измеренным значениям U₁ и U₂ по формуле

ΔU=0,5(U-U₁-U₂).

Вычисляют сопротивления изоляции шин с положительным и отрицательным потенциалами, переходное сопротивление между корпусом троллейбуса и землей, потенциал корпуса относительно земли и возможный ток утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса соответственно по приближенным формулам (11)-(15).

Сравнивают полученные значения с допустимыми.

В результате моделирования и экспериментальных исследований установлено, что погрешность определения значения сопротивления R₁, снижение которого представляет наибольшую опасность для пассажиров, не превышает 5%, а погрешность определения значений сопротивлений R₂ и R₃ не превышает 15%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет осуществлять контроль сопротивления изоляции электрооборудования троллейбуса и оценивать условия его безопасной эксплуатации. При реализации способа расширяются функциональные возможности контроля сопротивления изоляции, увеличивается точность оценки потенциальной опасности поражения электрическим током в случае прикасания к корпусу троллейбуса и повышается надежность защиты пассажиров. Это обеспечивается совокупностью следующих технических решений, реализуемых в предлагаемом способе:

- измерением всех составляющих сопротивления изоляции электрооборудования троллейбуса: сопротивлений изоляции между корпусом и обеими токоведущими шинами и переходного сопротивления между корпусом троллейбуса и землей;

- измерением потенциала корпуса троллейбуса относительно земли;

- оценкой возможного тока утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса.

Важным достоинством предлагаемого способа является то, что шунтирование сопротивления изоляции между шиной с отрицательным потенциалом и корпусом не вызывает недопустимого повышения потенциала корпуса относительно земли и, следовательно, не представляет опасности для персонала и пассажиров.

Устройство, реализующее предлагаемый способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, успешно прошло испытания в условиях лаборатории электрооборудования экскаваторов и энергетических исследований Национального научного центра горного производства - Института горного дела им. А.А.Скочинского (ННЦГП-ИГД им. А.А.Скочинского).

Следовательно, использование в предлагаемом способе контроля сопротивления изоляции электрооборудования троллейбуса и оценки условий его безопасной эксплуатации дополнительно повторного шунтирования сопротивления изоляции между корпусом и токоведущей шиной с отрицательным потенциалом другим сопротивлением известной величины, измерения напряжения между каждой токоведущей шиной и корпусом, измерения напряжения между каждой токоведущей шиной и корпусом без шунтовых сопротивлений, определения падения напряжения в сети от подстанции до токоприемника троллейбуса, вычисления сопротивления изоляции шин с положительным и отрицательным потенциалами, переходного сопротивления между корпусом троллейбуса и землей, потенциала корпуса относительно земли и возможного тока утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса и сравнения полученных значений с допустимыми позволяет расширить функциональные возможности контроля сопротивления изоляции, увеличить точности оценки потенциальной опасности поражения электрическим током в случае прикасания к корпусу троллейбуса и повысить надежность защиты пассажиров.

Способ контроля сопротивления изоляции электрооборудования троллейбуса и оценки условий его безопасной эксплуатации, основанный на шунтировании сопротивления изоляции между корпусом и токоведущей шиной с отрицательным потенциалом сопротивлением известной величины и измерении напряжений между каждой токоведущей шиной и корпусом, отличающийся тем, что дополнительно повторно шунтируют сопротивление изоляции между корпусом и токоведущей шиной с отрицательным потенциалом другим сопротивлением известной величины, измеряют напряжение между каждой токоведущей шиной и корпусом, измеряют напряжение между каждой токоведущей шиной и корпусом без шунтовых сопротивлений, определяют падение напряжения в сети от подстанции до токоприемника троллейбуса, вычисляют сопротивление изоляции шин с положительным и отрицательным потенциалом, переходное сопротивление между корпусом троллейбуса и землей, потенциал корпуса относительно земли и возможный ток утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса соответственно по формулам

ϕ_к=U₂+ΔU;

где R_Э1, R_Э2 - значения шунтовых сопротивлений;

U₁, , - напряжения между токоведущей шиной с положительным потенциалом и корпусом при измерениях соответственно без шунтового сопротивления, с первым и вторым шунтовыми сопротивлениями;

U₂, , - напряжения между токоведущей шиной с отрицательным потенциалом и корпусом при измерениях соответственно без шунтового сопротивления, с первым и вторым шунтовыми сопротивлениями;

ΔU - падение напряжения в питающей сети от подстанции до токоприемника троллейбуса;

ϕ_к - потенциал корпуса троллейбуса относительно земли;

R_y - расчетное сопротивление утечки в случае прикасания человека к корпусу троллейбуса;

, и сравнивают полученные значения с допустимыми.