устройство для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока

Формула изобретения

Устройство для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока, содержащее первый и второй измерительные резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, датчик напряжения сети и блок индикации, отличающееся тем, что дополнительно введен микроконтроллер и два диода, подключенные анодами к первой и второй шинам сети, а катодами - к вторым выводам соответственно первого и второго измерительных резисторов, первый вход микроконтроллера подключен к выходу датчика напряжения, а два других - к катодам соответственно первого и второго диодов, выход микроконтроллера соединен с входом блока индикации.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и релейной защите электрооборудования и предназначено для использования в электрических сетях постоянного тока с регулируемым напряжением при переменной его полярности, например в системах электроприводов горных машин.

Известны устройства для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока, содержащие первый и второй измерительные резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, датчик напряжения сети и блок индикации (Патент РФ № 2279099, МКИ G01R 27/18, 2004 г.; Иванов Е.А., Галка В.Л., Малаян К.Р. Безопасность электроустановок и систем автоматики. - С.-Пб.: Элмор, 2003. - С.92-96, рис.5.6).

В электроустановках с регулируемым напряжением, в том числе при изменении его полярности, устройство не обеспечивает точного контроля сопротивления изоляции и надежной защиты электрооборудования и персонала.

Следовательно, недостатком известных устройств является низкая точность контроля сопротивления изоляции и, следовательно, низкая надежность защиты при регулируемом напряжении.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является устройство для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока, содержащее первый и второй измерительные резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, датчик напряжения сети и блок индикации, а также чувствительный элемент, связанный с блоком индикации и выполненный на основе двух операционных усилителей, инвертирующий вход первого и неинвертирующий вход второго операционных усилителей подключены соответственно к первому и второму измерительным резисторам, точка соединения последних соединена с общей точкой операционных усилителей, а инвертирующий вход второго и неинвертирующий вход первого операционных усилителей соединены через входные делители напряжения с корпусом устройства (А.с. № 561149 (СССР), МКИ 27/18, 1977 г.).

В известном устройстве при одинаково высоком сопротивлении изоляции обеих шин на выходах операционных усилителей, работающих в релейном режиме, действуют сигналы отрицательной полярности. При снижении сопротивления изоляции одной или обеих шин до значения порога переключения операционного усилителя происходит изменение потенциала на его выходе и включение блока индикации.

Однако в электроустановках с регулируемым напряжением, в том числе при изменении его полярности, устройство не обеспечивает надежной защиты, т.к. пороговые элементы имеют настройку на постоянное пороговое значение. Следовательно, известное устройство не обеспечивает высокой точности контроля сопротивления изоляции при регулируемом напряжении.

Таким образом, недостатки известного устройства для контроля сопротивления изоляции - низкая точность измерений и низкая надежность защиты при регулируемом напряжении.

Цель предлагаемого изобретения - повышение точности контроля сопротивления электрической сети при регулируемом напряжении.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока, содержащее первый и второй измерительные резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, датчик напряжения сети и блок индикации, дополнительно введены микроконтроллер и два диода, подключенные анодами к первой и второй шинам сети, а катодами - к вторым выводам соответственно первого и второго измерительных резисторов, первый вход микроконтроллера подключен к выходу датчика напряжения, а два других - к катодам соответственно первого и второго диодов, выход микроконтроллера соединен с входом блока индикации.

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

- микроконтроллер;

- два диода.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения повышается точность и надежность контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети. Это обеспечивается совокупностью следующих технических решений, реализуемых в предлагаемом способе:

- измерении токов утечки двух шин раздельно при положительном напряжении на соответствующей шине;

- вычислении сопротивления изоляции в зависимости от напряжения сети и тока утечки с помощью микроконтроллера.

Реализация таких измерений эффективна для сетей с регулируемым напряжением при изменении его полярности, что характерно для регулируемых приводов, например, горных машин.

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

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

Известны микроконтроллеры в устройствах для контроля сопротивления изоляции электрической цепи постоянного тока (Патент РФ № 2144679. МКИ G01R 27/18, Н02Н 3/16, 2000 г.).

В предлагаемом устройстве микроконтроллер реализует новый алгоритм вычисления сопротивления изоляции при разных полярностях питающего напряжения.

Диоды в известных устройствах 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 предлагаемого технического решения. Устройство для контроля сопротивления изоляции электрической цепи постоянного тока содержит первый 5 и второй 7 диоды, первый 6 и второй 8 измерительные резисторы, датчик напряжения сети 9, микроконтроллер 10 и блок индикации 11. На чертеже введены обозначения: 1 и 2 - шины контролируемой сети постоянного тока, 3 и 4 - сопротивления изоляции шин относительно земли, 12 - заземляющая шина. В устройстве один из выводов первого 6 и второго 8 измерительных резисторов соединен с заземляющей шиной 12, диоды 5 и 7 подключены анодами к первой 1 и второй 2 шинам сети, а катодами - к вторым выводам соответственно первого 6 и второго 8 измерительных резисторов, первый вход микроконтроллера 10 подключен к выходу датчика напряжения 9, а два других - к катодам соответственно первого 5 и второго 7 диодов, выход микроконтроллера 10 соединен с входом блока индикации 11.

Устройство для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока работает следующим образом. Напряжение контролируемой электрической сети u преобразуется с помощью датчика напряжения 9, выходной сигнал которого поступает на первый вход микроконтроллера 10. При положительном потенциале шины 1 по цепи: шина 1 - первый диод 5 - измерительный резистор 6 - сопротивление изоляции R_и2 - шина 2 протекает ток

,

где R₀ - сопротивление измерительного резистора;

R_и2 - сопротивление изоляции шины 2;

R_д - сопротивление диода в открытом состоянии.

При этом напряжение на первом измерительном резисторе относительно общей шины равно

.

Напряжение u₁ поступает на второй вход микроконтроллера, который при u>0 по измеренным значениям u и u₁ вычисляет сопротивление изоляции шины 2 по формуле

.

Так как R_д<<R₀ , то сопротивление изоляции шины 2 может быть вычислено по приближенной формуле

.

При положительном потенциале шины 2 по цепи: шина 2 - второй диод 7 - второй измерительный резистор 8 - сопротивление изоляции R_и1 - шина 1 протекает ток

,

где R_и1 - сопротивление изоляции шины 2.

При этом напряжение на втором измерительном резисторе 8 относительно общей шины равно

.

Напряжение u₂ поступает на второй вход микроконтроллера, который при u<0 по измеренным значениям u и u₂ вычисляет сопротивление изоляции шины 2 по формуле

.

Так как R_д<<R₀ , то сопротивление изоляции шины 1 может быть вычислено по приближенной формуле

.

Микроконтроллер 10 выполняет обработку измерительной информации: измерение напряжения u контролируемой сети, измерение напряжений на измерительных резисторах u ₁ и u₂ и вычисление сопротивлений изоляции шин по формулам:

; .

Результаты измерений регистрируются с помощью блока индикации 11, который также формирует сигнал об аварии в случае недопустимого снижения сопротивления изоляции.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет осуществлять контроль сопротивления изоляции и защиту электрической сети постоянного тока при регулируемом напряжении и обеспечивает повышенные точность измерений и надежность защиты за счет:

- измерения токов утечки двух шин раздельно при положительном напряжении на соответствующей шине;

- вычисления сопротивления изоляции в зависимости от напряжения сети и тока утечки с помощью микроконтроллера.

Реализация таких измерений эффективна для сетей с регулируемым напряжением при изменении его полярности, что характерно для регулируемых приводов, например, горных машин.

Важным достоинством предлагаемого устройства является простая и надежная конструкция, а также принципиальная возможность контроля сопротивления изоляции шин постоянного тока при регулируемом напряжении и при изменении его полярности.

Устройство, реализующее предлагаемый способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети, успешно прошло испытания в электроприводе постоянного тока экскаватора ЭШ-40/85 в условиях полигона ООО «Компания «Объединенная Энергия».

Следовательно, использование в предлагаемом устройстве для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока, содержащем первый и второй измерительные резисторы, один из выводов каждого из которых соединен с заземляющей шиной, датчик напряжения сети и блок индикации, дополнительно микроконтроллера и двух диодов, подключенных анодами к первой и второй шинам сети, а катодами - к вторым выводам соответственно первого и второго измерительных резисторов, первый вход микроконтроллера подключен к выходу датчика напряжения, а два других - к катодам соответственно первого и второго диодов, выход микроконтроллера соединен с входом блока индикации, позволяет повысить точность измерений и надежность защиты.

Использование предлагаемого устройства для контроля сопротивления изоляции электрической сети постоянного тока в системах электропитания различного электрооборудования позволит повысить надежность и электробезопасность промышленных установок.