RU2806402C1 - Method for continuous monitoring of insulation resistance in double current electrical network with isolated neutral - Google Patents
Method for continuous monitoring of insulation resistance in double current electrical network with isolated neutral Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806402C1 RU2806402C1 RU2023116143A RU2023116143A RU2806402C1 RU 2806402 C1 RU2806402 C1 RU 2806402C1 RU 2023116143 A RU2023116143 A RU 2023116143A RU 2023116143 A RU2023116143 A RU 2023116143A RU 2806402 C1 RU2806402 C1 RU 2806402C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- voltage
- test voltage
- signal
- controlled network
- resistance
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и релейной защите и предназначено для повышения безопасности в электрических сетях двойного рода тока с изолированной нейтралью. The present invention relates to electrical measuring equipment and relay protection and is intended to improve safety in dual current electrical networks with an isolated neutral.
Известны способы непрерывного контроля сопротивления изоляции в электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью, основанные на измерении тока утечки от вспомогательного источника тестового напряжения, при которых в контролируемую сеть через звезду резисторов подают тестовое напряжение в виде периодической последовательности разнополярных импульсов, производят измерение тока утечки в течение части времени действия импульса, соответствующей заряженной до постоянного напряжения емкости контролируемой сети, производят вычисление сопротивления изоляции, сравнивают полученное значение с допустимым значением и при уменьшении измеренного сопротивления изоляции ниже допустимого значения производят отключение электрической сети (Патент РФ №2144679. МКИ G01R 27/18, Н02Н 3/16 - Опубл. 20.01.2000. Бюл. №2; Патент РФ №2321008, МПК G01R 27/16, 2006 г.; Патент РФ №2437109, МПК G01R 27/18, 2011 г.; Патент РФ №2722468. МПК G01R 27/18; Н02Н 3/16. Патент РФ №2725898. МПК G01R 27/18. Опубл. 07.07.2020. Бюл. №19; Опубл. 01.06.2020. Бюл. №16; Авторское свидетельство СССР №1737363, МПК G01R 27/18, 1992 г.).There are known methods for continuous monitoring of insulation resistance in a double-current electrical network with an isolated neutral, based on measuring the leakage current from an auxiliary test voltage source, in which a test voltage is supplied to the controlled network through a resistor star in the form of a periodic sequence of opposite-polarity pulses, and the leakage current is measured in During the part of the pulse action time corresponding to the capacitance of the controlled network charged to a constant voltage, the insulation resistance is calculated, the obtained value is compared with the permissible value, and when the measured insulation resistance decreases below the permissible value, the electrical network is disconnected (RF Patent No. 2144679. MKI G01R 27/18 , Н02Н 3/16 - Published January 20, 2000. Bulletin No. 2; RF Patent No. 2321008, IPC
В известных способах измерение сопротивления изоляции производится циклически с использованием источника тестового напряжения в виде периодической последовательности разнополярных импульсов специальной формы. В каждом цикле предусматривается два основных этапа: заряд емкости сети до заданного постоянного напряжения и непосредственное измерение тока утечки в установившемся для измерительного постоянного тока режиме в электрической сети. Далее по измеренным значениям токов утечки при положительном и отрицательном напряжениях вычисляют сопротивление изоляции, которое сравнивают с допустимым значением. При уменьшении сопротивления ниже допустимого значения производят отключение электрической сети.In known methods, insulation resistance is measured cyclically using a test voltage source in the form of a periodic sequence of differently polarized pulses of a special shape. Each cycle involves two main stages: charging the network capacitance to a given constant voltage and direct measurement of the leakage current in the established mode for the measuring direct current in the electrical network. Next, based on the measured values of leakage currents at positive and negative voltages, the insulation resistance is calculated, which is compared with the permissible value. If the resistance decreases below the permissible value, the electrical network is disconnected.
Для обеспечения помехоустойчивого измерения время непосредственного измерения тока утечки обычно принимается равным одному или нескольким периодам контролируемой сети. В автономных электрических системах, например, в карьерных автосамосвалах с дизель-генераторами, а также локальных электрических сетях переменного тока, частота напряжения изменяется. При этом усреднение сигнала, пропорционального току утечки, происходит на интервале времени, не кратном периоду напряжения контролируемой сети. В результате этого возрастают погрешности измерения тока утечки и вычисления сопротивления изоляции, и снижается надежность защиты электрической сети.To ensure noise-resistant measurement, the time of direct measurement of leakage current is usually taken equal to one or several periods of the controlled network. In autonomous electrical systems, for example, in mining dump trucks with diesel generators, as well as local AC electrical networks, the voltage frequency changes. In this case, the averaging of the signal proportional to the leakage current occurs over a time interval that is not a multiple of the voltage period of the controlled network. As a result, the errors in measuring leakage current and calculating insulation resistance increase, and the reliability of the protection of the electrical network decreases.
Кроме этого известные способы не позволяют определить участок электрической цепи, в котором произошло нарушение изоляции.In addition, known methods do not allow determining the section of the electrical circuit in which the insulation failure occurred.
Следовательно, недостатками известных способов непрерывного контроля сопротивления изоляции в электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью являются: низкие точность измерения сопротивления изоляции и надежность защиты при изменении частоты напряжения контролируемой сети, а также ограниченные функциональные возможности, т.к. они не позволяют определить участок электрической сети, в котором произошло нарушение изоляции.Consequently, the disadvantages of the known methods for continuous monitoring of insulation resistance in a double-current electrical network with an isolated neutral are: low accuracy of insulation resistance measurement and reliability of protection when the voltage frequency of the controlled network changes, as well as limited functionality, because they do not allow you to determine the section of the electrical network in which the insulation failure occurred.
Из известных способов наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому техническому решению является способ непрерывного контроля сопротивления изоляции в электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью, при котором измеряют период напряжения контролируемой сети Тс, формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов видаOf the known methods, the closest in terms of the achieved result to the proposed technical solution is the method of continuous monitoring of insulation resistance in an electrical network of double current with an isolated neutral, in which the voltage period of the controlled network T c is measured, a test voltage is generated in the form of a periodic sequence of pulses of the form
где U1, U2 - постоянные напряжения, U1≥U2; τ - временной интервал, Т - период следования импульсов тестового напряжения, ; период следования импульсов тестового напряжения устанавливают равным четному числу периодов напряжения контролируемой сети Т=kTc, где k=2,4,…, измеряют падение напряжения на измерительном сопротивлении, включенном последовательно с источником тестового напряжения, формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении Т на интервал сигнал, вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении, преобразуют полученный при этом сигнал uи(t) путем коррекции в сигналwhere U 1 , U 2 are constant voltages, U 1 ≥U 2 ; τ - time interval, T - repetition period of test voltage pulses, ; the repetition period of the test voltage pulses is set equal to an even number of periods of the voltage of the controlled network T=kT c , where k=2.4,..., the voltage drop across the measuring resistance connected in series with the test voltage source is measured, a delay with respect to the voltage drop across the measuring voltage is formed resistance T per interval signal, subtract the delayed signal from the voltage drop across the measuring resistance, convert the resulting signal u and (t) by correction into a signal
где ε - малый интервал времени, ΔT≤ε<τ; ΔT - максимальное значение приращения периода тестового напряжения, вычисляют скользящее среднее значение сигнала uк(t) на интервале, равном периоду Тс напряжения контролируемой сети, вычисляют сопротивление изоляции по формулеwhere ε is a small time interval, ΔT≤ε<τ; ΔT - maximum increment value of the test voltage period, calculate the moving average value signal u to (t) over an interval equal to the period T from the voltage of the controlled network, the insulation resistance is calculated using the formula
где rт - внутреннее сопротивление источника; r0 - сопротивление измерительного резистора, сравнивают полученное значение с уставкой R0 и при rиз≤R0 производят отключение электрооборудования, при этом выход источника тестового напряжения подключают через звезду резисторов к шинам переменного тока контролируемой сети (Патент РФ №2732790. МПК G01R 27/18(2020.05); Н02Н 3/00(2020.05). Опубл. 22.09.2020. Бюл. №27).where r t is the internal resistance of the source; r 0 is the resistance of the measuring resistor, compare the obtained value with the setting R 0 and when r from ≤R 0 , turn off the electrical equipment, while the output of the test voltage source is connected through a resistor star to the AC buses of the controlled network (RF Patent No. 2732790. IPC
Время непосредственного измерения тока утечки обычно принимается равным одному или нескольким периодам напряжения контролируемой сети с целью обеспечения помехоустойчивого измерения. В автономных электрических системах, например, в карьерных автосамосвалах с дизель-генераторами, а также локальных электрических сетях переменного тока, частота напряжения изменяется. При этом усреднение сигнала, пропорционального току утечки, происходит на интервале времени, не кратном периоду напряжения контролируемой сети. В результате этого возрастают погрешности измерения тока утечки и вычисления сопротивления изоляции и снижается надежность защиты электрической сети.The time for direct measurement of leakage current is usually taken equal to one or several periods of the voltage of the controlled network in order to ensure noise-resistant measurement. In autonomous electrical systems, for example, in mining dump trucks with diesel generators, as well as local AC electrical networks, the voltage frequency changes. In this case, the averaging of the signal proportional to the leakage current occurs over a time interval that is not a multiple of the voltage period of the controlled network. As a result, the errors in measuring leakage current and calculating insulation resistance increase and the reliability of protection of the electrical network decreases.
Следовательно, недостатками известного способа непрерывного контроля сопротивления изоляции в электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью являются низкие точность измерения сопротивления изоляции и надежность защиты при изменении частоты напряжения контролируемой сети, а также ограниченные функциональные возможности, т.к. они не позволяют определить участок электрической сети, в котором произошло нарушение изоляции.Consequently, the disadvantages of the known method for continuous monitoring of insulation resistance in a double-current electrical network with an isolated neutral are low accuracy of insulation resistance measurement and reliability of protection when the voltage frequency of the controlled network changes, as well as limited functionality, because they do not allow you to determine the section of the electrical network in which the insulation failure occurred.
Цель предлагаемого изобретения - повышение точности непрерывного контроля электрического сопротивления изоляции и надежности защиты электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью при изменении частоты контролируемой сети и расширение функциональных возможностей путем определения участка электрической сети, в котором произошло нарушение изоляции.The purpose of the present invention is to increase the accuracy of continuous monitoring of electrical insulation resistance and the reliability of protection of an electrical network of double current with an isolated neutral when the frequency of the controlled network changes and to expand functionality by determining the section of the electrical network in which an insulation failure occurred.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе непрерывного контроля сопротивления изоляции в электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью, при котором измеряют период напряжения контролируемой сети Тс, формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов видаThis goal is achieved by the fact that in the known method of continuous monitoring of insulation resistance in an electrical network of double current with an isolated neutral, in which the voltage period of the controlled network T c is measured, a test voltage is generated in the form of a periodic sequence of pulses of the form
где U1, U2 - постоянные напряжения, U1≥U2, τ - временной интервал, T - период следования импульсов тестового напряжения, период следования импульсов тестового напряжения устанавливают равным четному числу периодов напряжения контролируемой сети Т=kTc, где k=2, 4, …, измеряют падение напряжения на измерительном сопротивлении, включенном последовательно с источником тестового напряжения, формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении Т на интервал сигнал, вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении, преобразуют полученный при этом сигнал uи(t) путем коррекции в сигналwhere U 1 , U 2 - constant voltages, U 1 ≥U 2 , τ - time interval, T - repetition period of test voltage pulses, the repetition period of the test voltage pulses is set equal to an even number of periods of the voltage of the controlled network T=kT c , where k=2, 4, ..., the voltage drop across the measuring resistance connected in series with the test voltage source is measured, a delayed one with respect to the voltage drop across the measuring resistance is formed resistance T per interval signal, subtract the delayed signal from the voltage drop across the measuring resistance, convert the resulting signal u and (t) by correction into a signal
где ε - малый интервал времени, ΔT≤ε<τ; ΔT - максимальное значение приращения периода тестового напряжения, uк(t), вычисляют скользящее среднее значение сигнала uк(t) на интервале, равном периоду Тс напряжения контролируемой сети, вычисляют сопротивление изоляции по формулеwhere ε is a small time interval, ΔT≤ε<τ; ΔT - maximum value of the test voltage period increment, u to (t), calculate the moving average value signal u to (t) over an interval equal to the period T from the voltage of the controlled network, the insulation resistance is calculated using the formula
где rт - внутреннее сопротивление источника; r0 - сопротивление измерительного резистора, сравнивают полученное значение с уставкой R0 и при rиз≤R0 производят отключение электрооборудования, дополнительно подключают выход источника тестового напряжения через резисторы к полюсам цепи постоянного тока, тестовое напряжение синхронизируют с напряжением одной из фаз контролируемой сети, измеряют скользящее среднее за период тестового напряжения значение сигнала и идентифицируют участок нарушения изоляции: при - цепь переменного тока; при - шина участка постоянного тока с положительным потенциалом; при - шина постоянного тока с отрицательным потенциалом.where r t is the internal resistance of the source; r 0 - resistance of the measuring resistor, compare the obtained value with the setting R 0 and when r from ≤R 0 , turn off the electrical equipment, additionally connect the output of the test voltage source through resistors to the poles of the DC circuit, the test voltage is synchronized with the voltage of one of the phases of the controlled network, measure a moving average during the test voltage period the signal value and identify the area of insulation failure: when - AC circuit; at - DC bus with positive potential; at - DC bus with negative potential.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением предлагаемое техническое решение имеет следующие новые признаки (операции):Compared to the closest similar solution, the proposed technical solution has the following new features (operations):
- подключают выход источника тестового напряжения через резисторы к полюсам цепи постоянного тока;- connect the output of the test voltage source through resistors to the poles of the DC circuit;
- тестовое напряжение синхронизируют с напряжением одной из фаз контролируемой сети;- the test voltage is synchronized with the voltage of one of the phases of the controlled network;
- измеряют скользящее среднее за период тестового напряжения значение сигнала u(t);- measure the moving average during the test voltage period, the value of the signal u(t);
- идентифицируют участок нарушения изоляции: при - цепь переменного тока; при - шина участка постоянного тока с положительным потенциалом; при - шина постоянного тока с отрицательным потенциалом.- identify the area of insulation failure: when - AC circuit; at - DC bus with positive potential; at - DC bus with negative potential.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».Consequently, the claimed technical solution meets the “novelty” requirement.
При реализации предполагаемого изобретения повышаются точность контроля сопротивления изоляции и надежность защиты электрооборудования при изменениях частоты питающей электрической сети переменного тока. Повышение точности измерения достигается компенсацией помех при алгебраическом суммировании сигналов, пропорциональных току утечки, но сдвинутых во времени, и усреднением результата суммирования на скользящем интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети. При этом интервал задержки и интервал усреднения регулируются пропорционально периоду Тс напряжения контролируемой сети, а тестовое напряжение синхронизируется с напряжением одной из фаз контролируемой сети. Благодаря этому достигается высокий уровень компенсации помех при усреднении сигнала на скользящем интервале, строго равном периоду напряжения контролируемой сети. На основании результата измерения скользящего среднего за период тестового напряжения значение сигнала u(t) определяется участок нарушения изоляции: при - цепь переменного тока; при - шина с положительным потенциалом участка постоянного тока; при - шина с отрицательным потенциалом постоянного тока.When implementing the proposed invention, the accuracy of monitoring the insulation resistance and the reliability of the protection of electrical equipment are increased when the frequency of the AC power supply network changes. An increase in measurement accuracy is achieved by compensating for interference during the algebraic summation of signals proportional to the leakage current, but shifted in time, and by averaging the summation result over a sliding interval equal to the voltage period of the controlled network. In this case, the delay interval and the averaging interval are adjusted in proportion to the period T from the voltage of the controlled network, and the test voltage is synchronized with the voltage of one of the phases of the controlled network. Thanks to this, a high level of interference compensation is achieved by averaging the signal over a sliding interval strictly equal to the voltage period of the controlled network. Based on the moving average measurement result During the test voltage period, the value of the signal u(t) determines the area of insulation failure: when - AC circuit; at - bus with positive potential of the direct current section; at - bus with negative DC potential.
Следовательно, предлагаемый способ обеспечивает повышение точности контроля электрического сопротивления изоляции и надежности защиты электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью при изменениях напряжения контролируемой сети, а также позволяет идентифицировать участок электрической сети с поврежденной изоляцией.Consequently, the proposed method improves the accuracy of monitoring the electrical insulation resistance and the reliability of protection of a double-current electrical network with an isolated neutral when the voltage of the controlled network changes, and also makes it possible to identify a section of the electrical network with damaged insulation.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».Consequently, the claimed technical solution meets the requirement of “positive effect”.
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области измерительной техники и релейной защиты.For each distinctive feature, a search was carried out for well-known technical solutions in the field of measuring technology and relay protection.
Операции:Operations:
- тестовое напряжение синхронизируют с напряжением одной из фаз контролируемой сети;- the test voltage is synchronized with the voltage of one of the phases of the controlled network;
- измеряют скользящее среднее за период тестового напряжения значение сигнала u(t);- measure the moving average during the test voltage period, the value of the signal u(t);
- идентифицируют участок нарушения изоляции: при - цепь переменного тока; при - шина с положительным потенциалом участка постоянного тока; при - шина с отрицательным потенциалом постоянного тока в технических решениях аналогичного назначения не обнаружены.- identify the area of insulation failure: when - AC circuit; at - bus with positive potential of the direct current section; at - a bus with a negative DC potential has not been found in technical solutions for a similar purpose.
Операция:Operation:
1. Подключают выход источника тестового напряжения через резисторы к полюсам цепи постоянного тока известна в устройствах контроля сопротивления изоляции в электрических сетях постоянного тока (Olszowiec Р. Insulation Measurement and Supervision in Live AC and DC Unearthed Systems. Lecture Notes in Electrical Engineering, Springer, 2014, pp. 99 - 108. doi: 10.1007/978-3-642-29755-7). В устройствах контроля сопротивления изоляции в электрических сетях двойного рода тока подключение источника тестового напряжения к шинам постоянного тока через добавочные резисторы не обнаружено.1. Connect the output of the test voltage source through resistors to the poles of the DC circuit known in devices for monitoring insulation resistance in DC electrical networks (Olszowiec R. Insulation Measurement and Supervision in Live AC and DC Unearthed Systems. Lecture Notes in Electrical Engineering, Springer, 2014 , pp. 99 - 108. doi: 10.1007/978-3-642-29755-7). In devices for monitoring insulation resistance in dual current electrical networks, the connection of the test voltage source to the DC buses through additional resistors was not detected.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».Thus, these features ensure that the claimed technical solution meets the “significant differences” requirement.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана упрощенная принципиальная схема электрической сети двойного рода тока, поясняющая способ контроля сопротивления изоляции и защитного отключения в трехфазной электрической сети с выпрямителем В. На фиг. 2 показаны осциллограммы тестового напряжения и диаграммы сигналов, формируемых при обработке данных в микроконтроллере 14.The essence of the proposed invention is illustrated by drawings. In fig. 1 shows a simplified schematic diagram of a dual current electrical network, explaining the method of monitoring insulation resistance and protective shutdown in a three-phase electrical network with rectifier B. FIG. Figure 2 shows oscillograms of the test voltage and diagrams of signals generated during data processing in
На фиг. 1 обозначено: 1 - источник трехфазного переменного напряжения Ес; 2, 4 и 6 - сопротивления изоляции фаз А, В и С контролируемой сети соответственно rA, rB, rC; 3, 5 и 7 - емкости фаз А, В и С контролируемой сети соответственно СА, CB, CC; 8 - датчик напряжения контролируемой сети; 9 - выпрямитель; 10 - источник тестового напряжения uт(t); 11 - измерительный резистор сопротивлением r0; 12 и 13 - добавочные резисторы, сопротивления добавочных резисторов rт1=rт2=rт; 14 - усилитель; 17 - микроконтроллер; 15 и 18 - сопротивления изоляции сети постоянного тока (для фидеров, подключенных к положительному и отрицательному полюсам тиристорного выпрямителя ТВ) соответственно rп1, rп2; 16 и 19 - емкости сети постоянного тока; Сп1, Сп2, 20 - блок индикации; 21 - исполнительное реле ИР; 22 - комплексное сопротивление нагрузки выпрямителя Zн.In fig. 1 is indicated: 1 - source of three-phase alternating voltage E c ; 2, 4 and 6 - insulation resistance of phases A, B and C of the controlled network, respectively r A , r B , r C ; 3, 5 and 7 - capacitances of phases A, B and C of the controlled network, respectively C A , C B , C C ; 8 - voltage sensor of the controlled network; 9 - rectifier; 10 - test voltage source u t (t); 11 - measuring resistor with resistance r 0 ; 12 and 13 - additional resistors, resistance of additional resistors r t1 =r t2 =r t ; 14 - amplifier; 17 - microcontroller; 15 and 18 - insulation resistance of the DC network (for feeders connected to the positive and negative poles of the thyristor rectifier TV), respectively r p1 , r p2 ; 16 and 19 - DC network capacity; C p1 , C p2 , 20 - display unit; 21 - executive relay IR; 22 - complex resistance of the rectifier load Z n .
Датчик напряжения контролируемой сети 8, подключенный входом к фазам А и В сети, формирует сигнал, пропорциональный напряжению контролируемой сети. Этот сигнал поступает на вход микроконтроллера 17. Диаграмма напряжения контролируемой сети показана на фиг. 2а. В микроконтроллере 17 выполняется измерение периода напряжения контролируемой сети Тс и формирование сигнала управления источником тестового напряжения 10. Форма тестового сигнала показана на фиг. 2б. Тестовое напряжение uт(t) представляет собой последовательность разнополярных импульсов специальной формы. Период следования импульсов тестового напряжения устанавливается микроконтроллером 17 равным четному числу периодов измеренного напряжения контролируемой сети Т=kTc, где k=2,4,…. Тестовое напряжение синхронизируется с напряжением контролируемой сети, т.е. момент начала тестового напряжения совпадает с моментом перехода через 0 напряжения контролируемой сети. При таком формировании тестового напряжения результаты измерений инвариантны относительно изменений частоты контролируемой сети.The voltage sensor of the controlled
Напряжение от источника 10 через добавочные резисторы 12 и 13 поступает в цепь постоянного тока контролируемой электрической сети. Ток, протекающий в контуре: «источник тестового сигнала» uт(t) - добавочные резисторы 12 и 13 - сопротивление изоляции - земля, контролируется по величине падения напряжения на измерительном резисторе 11 (r0). Напряжение с измерительного резистора 11 через усилитель 14 поступает на вход микроконтроллера 17. Величина сопротивления изоляции вычисляется в зависимости от измеренного падения напряжения на измерительном резисторе 11 и известного тестового напряжения. Исполнительное реле ИР 21, управляющий вход которого соединен с выходом микроконтроллера МК 17, предназначено для отключения защищаемого участка сети. Блок индикации 20 отображает значение сопротивления изоляции и участок сети, в котором произошло снижение сопротивления изоляции.The voltage from
В интервале времени 0<t≤τ тестовое напряжение равно uт(t)=U1 и обеспечивает ускоренный процесс перехода электрической системы в установившееся состояние, а именно, форсированный заряд емкостей в цепях переменного и постоянного тока. В момент времени t=τ напряжение на емкости достигает значения uе(τ)≈U2. В интервале времени источник тестового напряжения 10 формирует напряжение uт(t)=U2.In the
При 0<t≤τ, т.е. при ускоренном заряде емкости ток, протекающий через измерительный резистор, равенAt 0<t≤τ, i.e. with accelerated charging of the capacitance, the current flowing through the measuring resistor is equal to
где - постоянная времени цепи заряда;Where - time constant of the charging circuit;
Uп - напряжение участка сети постоянного тока;U p - voltage of the DC network section;
- составляющая тока утечки, вызванная напряжениями фаз контролируемой сети. - component of the leakage current caused by the phase voltages of the controlled network.
В течение интервала времени ток, протекающий через измерительный резистор 11, определяется выражениемDuring the time interval the current flowing through the measuring resistor 11 is determined by the expression
При u(t)≈U2 выражение для тока через измерительный резистор в интервале принимает видWhen u(t)≈U 2 the expression for the current through the measuring resistor in the interval takes the form
где ΔU - разность напряжений заряженной емкости и тестового напряжения U2 в момент времени t=τ;where ΔU is the difference between the voltages of the charged container and the test voltage U 2 at time t=τ;
- составляющая тока, протекающего через измерительный резистор, и обусловленная переходным процессом при переключении тестового напряжения, - component of the current flowing through the measuring resistor and caused by the transient process when switching the test voltage,
Напряжение - монотонно убывающая функция.Voltage is a monotonically decreasing function.
При происходит ускоренный заряд емкости. Ток, протекающий через измерительный резистор 11, равенAt the capacity is charged at an accelerated rate. The current flowing through the measuring resistor 11 is equal to
В течение интервала времени ток, протекающий через измерительный резистор 11, определяется выражениемDuring the time interval the current flowing through the measuring resistor 11 is determined by the expression
При выражение для тока через измерительный резистор 11 в интервале принимает видAt expression for the current through the measuring resistor 11 in the interval takes the form
где ΔU' - разность напряжений заряженной емкости и тестового напряжения -U2 в момент времени .where ΔU' is the difference between the voltage of the charged capacitor and the test voltage -U 2 at a time .
Падение напряжения на измерительном резисторе 11 равноThe voltage drop across the measuring resistor 11 is equal to
u(t)=r0iи(t).u(t)=r 0 i and (t).
Осциллограмма падения напряжения u(t) на измерительном резисторе показана на фиг. 2в. Напряжение u(t) через усилитель 14 поступает на вход контроллера 17. Далее в математических выражениях для упрощения коэффициент передачи усилителя 8 принимается равным 1. В микроконтроллере 17 выполняется обработка данных. Формируется сигнал путем задержки сигнала u(t) на половину периода тестового напряжения. Осциллограмма сигнала uз(t) показана на фиг. 2г. Далее в микроконтроллере 17 вычисляется разностьAn oscillogram of the voltage drop u(t) across the measuring resistor is shown in Fig. 2c. The voltage u(t) through the
uи(t)=u(t)-uз(t).u and (t)=u(t)-u з (t).
Осциллограмма сигнала показана на фиг 2д. Сигнал uи(t) корректируется в соответствии с уравнениемSignal oscillogram shown in Fig. 2d. The signal u and (t) are corrected according to the equation
Осциллограмма скорректированного сигнала uк(t) показана на фиг. 2е. Коррекция выполняется для исключения из процедуры обработки сигнала составляющих, соответствующих заряду емкости сети с учетом изменений периода тестовых импульсов. Для этого при - ε<t≤τ+ε сигналу uк(t) присваивается постоянное значение uи(-ε, зафиксированное в конце второго полупериода предыдущего цикла измерения. При сигналу uк(t) присваивается постоянное значение . Величина 6 выбирается из соотношения ΔT≤ε<τ, где ΔT - максимальное изменение периода тестового напряжения по отношению к k периодам напряжения контролируемой сети.The oscillogram of the corrected signal u to (t) is shown in Fig. 2e. The correction is performed to exclude from the signal processing procedure the components corresponding to the charge of the network capacitance, taking into account changes in the period of the test pulses. To do this, when - ε<t≤τ+ε the signal u to (t) is assigned a constant value u and (-ε, recorded at the end of the second half-cycle of the previous measurement cycle. When signal u to (t) is assigned a constant value .
В интервале сигнал uк(t) равенIn the interval the signal u to (t) is equal to
В случае, если период тестового напряжения Т равен целому четному числу периодов напряжения контролируемой сети Тс, составляющие тока утечки, обусловленные напряжениями фаз контролируемой сети,If the period of the test voltage T is equal to an even integer number of periods of the voltage of the controlled network T c , the components of the leakage current due to the phase voltages of the controlled network are
С учетом (6) и (7) выражение (5) принимает видTaking into account (6) and (7), expression (5) takes the form
Аналогично в интервале сигнал uк(t) равенSimilarly in the interval the signal u to (t) is equal to
С учетом выражений (8) и (9), а также монотонно-убывающего характера функции значения сигнала uк(t) в интервалах 0<t≤τ и при допущении равны соответственно:Taking into account expressions (8) and (9), as well as the monotonically decreasing nature of the function signal values u to (t) in the
Таким образом, за счет операций задержки сигнала, пропорционального току утечки, на половину периода тестового напряжения, и вычитания задержанного сигнала из исходного при строгом соответствии периода тестового напряжения периоду напряжения контролируемой сети обеспечивается, во-первых, инвариантность результата измерения по отношению к изменениям частоты контролируемой сети и напряжению сети постоянного тока, и, во-вторых, компенсация в измерительном сигнале составляющей тока утечки, обусловленной напряжением контролируемой сети.Thus, due to the operations of delaying the signal, proportional to the leakage current, by half the period of the test voltage, and subtracting the delayed signal from the original one, with strict correspondence of the period of the test voltage to the period of the voltage of the controlled network, firstly, the invariance of the measurement result with respect to changes in the frequency of the controlled network and DC network voltage, and, secondly, compensation in the measuring signal for the leakage current component caused by the voltage of the controlled network.
При усреднении скорректированного сигнала uк(t) на скользящем интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети, формируется сигналWhen averaging the adjusted signal u to (t) over a sliding interval equal to the voltage period of the controlled network, a signal is generated
Решение уравнения (10) относительно rиз дает формулу для вычисления сопротивления изоляцииSolving equation (10) for r from gives the formula for calculating the insulation resistance
Осциллограмма усредненного сигнала показана на фиг. 2ж.Oscillogram of the averaged signal shown in Fig. 2g.
Процедура вычисления значения сопротивления изоляции в соответствии с формулой (11) выполняется микроконтроллером 17. Микроконтроллер непрерывно формирует сигнал, пропорциональный усредненному за период напряжения контролируемой сети сопротивлению изоляции. При этом задержка в определении факта снижения сопротивления изоляции и, следовательно, срабатывании защиты, не превышает The procedure for calculating the insulation resistance value in accordance with formula (11) is performed by
В микроконтроллере 17 выполняется вычисление среднего значения напряжения на измерительном резисторе 11 за период тестового сигнала. В общем случае среднее значение напряжения равноThe
С учетом соотношений (1) - (4) выражение (12) принимает видTaking into account relations (1) - (4), expression (12) takes the form
Составляющая тока утечки вызванная напряжениями фаз контролируемой сети, - периодическая функция с частотой, кратной частоте тестового напряжения. Следовательно,Leakage current component caused by the phase voltages of the controlled network, is a periodic function with a frequency that is a multiple of the test voltage frequency. Hence,
В выражении .In expression .
В случае нарушения сопротивления изоляции в цепи переменного тока источник постоянного напряжения не входит в контур протекания тока утечки. Следовательно, .In the event of a violation of the insulation resistance in the alternating current circuit, the direct voltage source does not enter the leakage current circuit. Hence, .
При нарушении сопротивления изоляции в цепи постоянного тока среднее значение напряжения на измерительном резисторе 11 за период тестового сигнала в соответствии с уравнением (13) равноIf the insulation resistance in the DC circuit is violated, the average voltage value across the measuring resistor 11 over the period of the test signal in accordance with equation (13) is equal to
Из уравнения (14) следует, что при снижении сопротивления изоляции положительного полюса т.к. Uп>0, а при снижении сопротивления изоляции отрицательного полюса т.к. Uп<0.From equation (14) it follows that when the insulation resistance of the positive pole decreases because U p >0, and when the insulation resistance of the negative pole decreases because U p <0.
Алгоритм формирования сигнала аварийного отключения содержит:The algorithm for generating an emergency shutdown signal contains:
- вычисление значения эквивалентного сопротивления изоляции rиз;- calculation of the value of equivalent insulation resistance r from ;
- сравнение rиз с уставкой R0 (например, 10 кОм);- comparison of r from with the setting R 0 (for example, 10 kOhm);
- формирование сигнала отключения для исполнительного реле 21.- generation of a shutdown signal for
Таким образом, предлагаемый способ контроля сопротивления изоляции и защитного отключения электрической сети обеспечивает повышенные точность измерения сопротивления изоляции, надежность защиты и расширение функциональных возможностей за счет:Thus, the proposed method for monitoring insulation resistance and protective shutdown of the electrical network provides increased accuracy of insulation resistance measurement, reliability of protection and expanded functionality due to:
- регулирования периода тестового напряжения пропорционально периоду напряжения контролируемой сети;- regulation of the test voltage period in proportion to the voltage period of the controlled network;
- компенсации помех при алгебраическом суммировании сигналов, пропорциональных току утечки, но сдвинутых во времени;- compensation of interference during algebraic summation of signals proportional to the leakage current, but shifted in time;
- усреднения результата суммирования на скользящем интервале, равном периоду напряжения контролируемой сети;- averaging the summation result over a sliding interval equal to the voltage period of the controlled network;
- непрерывного вычисления значения сопротивления изоляции в микроконтроллере;- continuous calculation of the insulation resistance value in the microcontroller;
- определения участка электрической сети, в котором произошло нарушение изоляции.- identifying the section of the electrical network in which the insulation failure occurred.
С целью подтверждения положительного эффекта при использовании предлагаемого технического решения выполнено моделирование устройства с помощью MATLAB-Simulink. Параметры моделируемой системы: Ec=220 B; U1=75 В U2=75 В (с целью упрощения принято U1=U2); СА=CB=CC=0,1 мкФ; С+=С-=0,1 мкФ; rт=10 кОм; r0=5 Ом. Период тестового напряжения составляет 0,08 с; τ=0,012 с.In order to confirm the positive effect when using the proposed technical solution, the device was simulated using MATLAB-Simulink. Parameters of the simulated system: E c =220 V; U 1 =75 V U 2 =75 V (for the purpose of simplicity, U 1 =U 2 is assumed); C A =C B =C C =0.1 µF; C + =C - =0.1 µF; r t =10 kOhm; r 0 =5 Ohm. The test voltage period is 0.08 s; τ=0.012 s.
На фиг. 3 показаны осциллограммы тестового напряжения uт(t), скорректированного сигнала uк(t) и текущего среднего значения напряжения на измерительном сопротивлении u(t) при снижении сопротивления изоляции цепи переменного тока в момент времени t=0,08 с скачком с 1 Мом до 20 кОм.In fig. Figure 3 shows oscillograms of the test voltage u t (t), the corrected signal u k (t) and the current average voltage value at the measuring resistance u (t) with a decrease in the insulation resistance of the AC circuit at time t = 0.08 with a jump of 1 MΩ up to 20 kOhm.
На фиг. 4 показаны осциллограммы тестового напряжения uт(t), скорректированного сигнала uк(t) и текущего среднего значения напряжения на измерительном сопротивлении u(t) при снижении сопротивления изоляции шины с положительным потенциалом цепи постоянного тока цепи переменного тока в момент времени t=0,08 с скачком с 1 Мом до 20 кОм.In fig. Figure 4 shows oscillograms of the test voltage u t (t), the corrected signal u to (t) and the current average value of the voltage at the measuring resistance u (t) with a decrease in the insulation resistance of the bus with a positive potential of the direct current circuit of the alternating current circuit at time t = 0 .08 with a jump from 1 Mohm to 20 kOhm.
На фиг. 5 показаны осциллограммы тестового напряжения uт(t), скорректированного сигнала uк(t) и текущего среднего значения напряжения на измерительном сопротивлении при снижении сопротивления изоляции шины с отрицательным потенциалом цепи постоянного тока цепи переменного тока в момент времени t=0,08 с скачком с 1 Мом до 20 кОм.In fig. Figure 5 shows oscillograms of the test voltage u t (t), the corrected signal u k (t) and the current average voltage value at the measuring resistance when the insulation resistance of the bus with a negative potential of the DC circuit of the AC circuit decreases at time t=0.08 with a jump from 1 MΩ to 20 kΩ.
Время переходного процесса для сигнала uк(t) при снижении сопротивления изоляции составляет 0,04 с, т.е. половину периода тестового напряжения.The transition time for the signal u to (t) with a decrease in insulation resistance is 0.04 s, i.e. half the test voltage period.
При нарушении изоляции в цепи переменного тока значение При нарушении изоляции шины с положительным потенциалом цепи постоянного тока значение . При нарушении изоляции шины с отрицательным потенциалом цепи постоянного тока значение .If the insulation in the AC circuit is damaged, the value If the insulation of a bus with a positive potential of the DC circuit is violated, the value . If the insulation of a bus with a negative potential of the DC circuit is violated, the value .
Таким образом, за счет идентификации участка сети со сниженным сопротивлением изоляции обеспечивается расширение функциональных возможностей способа контроля сопротивления изоляции в электрической сети двойного рода тока.Thus, by identifying a network section with reduced insulation resistance, the functionality of the method for monitoring insulation resistance in a dual current electrical network is expanded.
Следовательно, использование в предлагаемом способе непрерывного контроля сопротивления изоляции в электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью, при котором измеряют период напряжения контролируемой сети Тс, формируют тестовое напряжение в форме периодической последовательности импульсов видаConsequently, the use in the proposed method of continuous monitoring of insulation resistance in an electrical network of a double current with an isolated neutral, in which the period of the voltage of the controlled network T c is measured, generates a test voltage in the form of a periodic sequence of pulses of the form
где U1, U2 - постоянные напряжения, U1≥U2; τ - временной интервал, Т - период следования импульсов тестового напряжения, ; период следования импульсов тестового напряжения устанавливают равным четному числу периодов напряжения контролируемой сети Т=kTc, где k=2,4,…, измеряют падение напряжения на измерительном сопротивлении, включенном последовательно с источником тестового напряжения, формируют задержанный по отношению к падению напряжения на измерительном сопротивлении на интервал сигнал, вычитают задержанный сигнал из падения напряжения на измерительном сопротивлении, преобразуют полученный при этом сигнал uи(t) путем коррекции в сигналwhere U 1 , U 2 are constant voltages, U 1 ≥U 2 ; τ - time interval, T - repetition period of test voltage pulses, ; the repetition period of the test voltage pulses is set equal to an even number of periods of the voltage of the controlled network T=kT c , where k=2.4,..., the voltage drop across the measuring resistance connected in series with the test voltage source is measured, a delay with respect to the voltage drop across the measuring voltage is formed resistance per interval signal, subtract the delayed signal from the voltage drop across the measuring resistance, convert the resulting signal u and (t) by correction into a signal
где ε - малый интервал времени, ΔT≤ε<τ; ΔT - максимальное значение приращения периода тестового напряжения, uк(t), вычисляют скользящее среднее значение сигнала uк(t) на интервале, равном периоду Тс напряжения контролируемой сети, вычисляют сопротивление изоляции по формулеwhere ε is a small time interval, ΔT≤ε<τ; ΔT - maximum value of the test voltage period increment, u to (t), calculate the moving average value signal u to (t) over an interval equal to the period T from the voltage of the controlled network, the insulation resistance is calculated using the formula
где rт - внутреннее сопротивление источника; r0 - сопротивление измерительного резистора, сравнивают полученное значение с уставкой R0 и при rиз≤R0 производят отключение электрооборудования, дополнительно подключения выхода источника тестового напряжения через резисторы к полюсам цепи постоянного тока, синхронизации тестового напряжения с напряжением одной из фаз контролируемой сети, измерения скользящего среднего u(t) за период тестового напряжения значение сигнала и идентификации участка нарушения изоляции по признакам: при - цепь переменного тока; при - шина с положительным потенциалом участка постоянного тока; при - шина с отрицательным потенциалом постоянного тока, повышает точность непрерывного контроля электрического сопротивления изоляции и надежность защиты электрической сети двойного рода тока с изолированной нейтралью при изменении частоты контролируемой сети и расширяет функциональные возможности путем определения участка электрической сети, в котором произошло нарушение изоляции.where r t is the internal resistance of the source; r 0 - resistance of the measuring resistor, compare the obtained value with the setting R 0 and when r from ≤R 0 , turn off the electrical equipment, additionally connect the output of the test voltage source through resistors to the poles of the DC circuit, synchronize the test voltage with the voltage of one of the phases of the controlled network, measuring the moving average u(t) over the period of the test voltage signal value and identification of the area of insulation failure by signs: when - AC circuit; at - bus with positive potential of the direct current section; at - a bus with a negative potential of direct current, increases the accuracy of continuous monitoring of electrical insulation resistance and the reliability of protection of an electrical network of double current with an isolated neutral when the frequency of the controlled network changes and expands the functionality by determining the section of the electrical network in which an insulation failure occurred.
Использование предлагаемого технического решения в электрических системах различного назначения позволит повысить надежность и безопасность работы электрооборудования.The use of the proposed technical solution in electrical systems for various purposes will improve the reliability and safety of electrical equipment.
Claims (7)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2806402C1 true RU2806402C1 (en) | 2023-10-31 |
Family
ID=
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1586910B1 (en) * | 2004-04-18 | 2009-01-07 | Deif A/S | Method of and device for insulation monitoring |
EP3579002A1 (en) * | 2018-06-06 | 2019-12-11 | ABB Schweiz AG | Apparatus and method of measuring insulating resistance and discharge capacity in the event of a disrupted measurement signal |
RU2722468C1 (en) * | 2020-02-20 | 2020-06-01 | Сергей Иванович Малафеев | Method of controlling insulation resistance and protective switching-off of an electrical network |
RU2725898C1 (en) * | 2020-01-27 | 2020-07-07 | Сергей Иванович Малафеев | Method of monitoring insulation resistance in an electrical network with insulated neutral |
RU2732790C1 (en) * | 2020-02-10 | 2020-09-22 | Сергей Иванович Малафеев | Insulation resistance and electric network protection control method |
RU2747909C1 (en) * | 2020-10-19 | 2021-05-17 | Сергей Иванович Малафеев | Method for control of insulation resistance and protection of electric network with insulated neutral |
RU2757068C1 (en) * | 2020-11-20 | 2021-10-11 | Сергей Иванович Малафеев | Method for monitoring the insulation resistance in a double-current type electric network |
EP4067915A1 (en) * | 2019-11-28 | 2022-10-05 | LS Electric Co., Ltd. | Insulation monitoring device and control method therefor |
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1586910B1 (en) * | 2004-04-18 | 2009-01-07 | Deif A/S | Method of and device for insulation monitoring |
EP3579002A1 (en) * | 2018-06-06 | 2019-12-11 | ABB Schweiz AG | Apparatus and method of measuring insulating resistance and discharge capacity in the event of a disrupted measurement signal |
EP4067915A1 (en) * | 2019-11-28 | 2022-10-05 | LS Electric Co., Ltd. | Insulation monitoring device and control method therefor |
RU2725898C1 (en) * | 2020-01-27 | 2020-07-07 | Сергей Иванович Малафеев | Method of monitoring insulation resistance in an electrical network with insulated neutral |
RU2732790C1 (en) * | 2020-02-10 | 2020-09-22 | Сергей Иванович Малафеев | Insulation resistance and electric network protection control method |
RU2722468C1 (en) * | 2020-02-20 | 2020-06-01 | Сергей Иванович Малафеев | Method of controlling insulation resistance and protective switching-off of an electrical network |
RU2747909C1 (en) * | 2020-10-19 | 2021-05-17 | Сергей Иванович Малафеев | Method for control of insulation resistance and protection of electric network with insulated neutral |
RU2757068C1 (en) * | 2020-11-20 | 2021-10-11 | Сергей Иванович Малафеев | Method for monitoring the insulation resistance in a double-current type electric network |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6601002B1 (en) | Arrangements to detect and respond to disturbances in electrical power systems | |
US9869710B2 (en) | Determining insulation resistance for photovoltaics | |
JP2016003997A (en) | Contactless voltage detection device | |
EP2953225B1 (en) | Method of detection and isolation of faults within power conversion and distribution systems | |
US7969756B1 (en) | Real-time switching regulator monitor | |
CN107210153B (en) | Method for estimating the electrical operating time of a circuit breaker | |
US20190165670A1 (en) | Circuit for Pre-Charging an Intermediate Circuit, and Electric System | |
KR20100127304A (en) | Superconducting coil quench detector and detection method | |
JP2006230050A (en) | Estimation method of power system impedance and device | |
JP2015045553A (en) | Secondary battery charge/discharge device equipped with switching power supply | |
RU2806402C1 (en) | Method for continuous monitoring of insulation resistance in double current electrical network with isolated neutral | |
RU2747909C1 (en) | Method for control of insulation resistance and protection of electric network with insulated neutral | |
US5126678A (en) | A.C. Generator fault detector | |
US9285410B2 (en) | Control circuit, and power generation device having the same | |
RU2722468C1 (en) | Method of controlling insulation resistance and protective switching-off of an electrical network | |
EP0286282B1 (en) | Method for detecting input ac voltage | |
RU2310873C1 (en) | Method for measuring resistance of isolation in electric networks | |
RU2757068C1 (en) | Method for monitoring the insulation resistance in a double-current type electric network | |
RU2437109C2 (en) | Control method of electrical resistance of insulation and protective disconnection of electrical equipment | |
RU2725898C1 (en) | Method of monitoring insulation resistance in an electrical network with insulated neutral | |
WO2022144165A1 (en) | Determination of residual flux in a power transformer | |
RU2732790C1 (en) | Insulation resistance and electric network protection control method | |
KR100896466B1 (en) | Apparatus for detecting electricity failure | |
RU60225U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING RESISTANCE OF ELECTRIC NETWORK INSULATION | |
JP2002286820A (en) | Battery remainder-detecting apparatus |