Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью

Представлена работа разных вентильных схем измерения сопротивления изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью. Приведены формулы для вычисления эквивалентного сопротивления изоляции при асимметрии линейных напряжений сети. Предложены способы устранения недостатков этих схем с исполь...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2016
Автор:	Olszowiec, P.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2016
Назва видання:	Електротехніка і електромеханіка
Теми:	Електричні станції, мережі і системи
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147047
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью / P. Olszowiec // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 2. — С. 43-46. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-147047
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1470472019-02-14T01:26:25Z Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью Olszowiec, P. Електричні станції, мережі і системи Представлена работа разных вентильных схем измерения сопротивления изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью. Приведены формулы для вычисления эквивалентного сопротивления изоляции при асимметрии линейных напряжений сети. Предложены способы устранения недостатков этих схем с использованием однофазных выпрямителей. Показаны возможности реализации системы сигнализации о понижении сопротивления изоляции и поиска места замыкания на землю Представлена робота різних вентильних схем вимірювання опору ізоляції мереж низької напруги з ізольованою нейтраллю. Наведено формули для обчислення еквівалентного опору ізоляції при асиметрії лінійної напруги мережі. Запропоновано способи усунення недоліків цих схем з використанням однофазних випрямлячів. Показано можливості реалізації системи сигналізації про зниження опору ізоляції та пошуку місця замикання на землю Purpose. In the paper there are described few systems of insulation resistance continuous measurement using an imposed DC test signal delivered by diode rectifiers. Drawbacks of this technique are pointed out and ways of these shortcomings removal are proposed. Methodology. An improved version of measuring circuit based on a single-phase diode rectifier is presented. Application of logometric measuring devices is suggested. Results. A new insulation resistance continuous measuring system is insensitive to network voltages variation and asymmetry. Modified circuit enables also implementation of a simple device for alarming the monitored network’s insulation deterioration and/or earth-fault protection. Originality. Formulas describing performance of diode rectifiers under asymmetrical supply have not been available so far. Both innovations (i.e. single-phase diode rectifier and logometric meter) have not been applied widely for implementation of continuous insulation monitoring in live AC IT networks. Practical value. Use of both innovations will allow to eliminate unrequired dependence of measurement results on variable network voltages as well as their possible asymmetry. Exploitation of diode rectifier circuits for earth fault location is also possible. 2016 Article Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью / P. Olszowiec // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 2. — С. 43-46. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2016.2.08 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147047 621.317 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні станції, мережі і системи Електричні станції, мережі і системи
spellingShingle	Електричні станції, мережі і системи Електричні станції, мережі і системи Olszowiec, P. Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью Електротехніка і електромеханіка
description	Представлена работа разных вентильных схем измерения сопротивления изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью. Приведены формулы для вычисления эквивалентного сопротивления изоляции при асимметрии линейных напряжений сети. Предложены способы устранения недостатков этих схем с использованием однофазных выпрямителей. Показаны возможности реализации системы сигнализации о понижении сопротивления изоляции и поиска места замыкания на землю
format	Article
author	Olszowiec, P.
author_facet	Olszowiec, P.
author_sort	Olszowiec, P.
title	Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью
title_short	Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью
title_full	Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью
title_fullStr	Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью
title_full_unstemmed	Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью
title_sort	модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Електричні станції, мережі і системи
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147047
citation_txt	Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью / P. Olszowiec // Електротехніка і електромеханіка. — 2016. — № 2. — С. 43-46. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT olszowiecp modifikaciiventilʹnyhshemnepreryvnogokontrolâizolâciisetejnizkogonaprâženiâsizolirovannojnejtralʹû
first_indexed	2025-07-11T01:14:36Z
last_indexed	2025-07-11T01:14:36Z
_version_	1837311181494157312
fulltext	Електричні станції, мережі і системи ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 43 © Piotr Olszowiec УДК 621.317 doi: 10.20998/2074-272X.2016.2.08 P. Olszowiec МОДИФИКАЦИИ ВЕНТИЛЬНЫХ СХЕМ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ СЕТЕЙ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Представлена робота різних вентильних схем вимірювання опору ізоляції мереж низької напруги з ізольованою нейт- раллю. Наведено формули для обчислення еквівалентного опору ізоляції при асиметрії лінійної напруги мережі. Запро- поновано способи усунення недоліків цих схем з використанням однофазних випрямлячів. Показано можливості реалі- зації системи сигналізації про зниження опору ізоляції та пошуку місця замикання на землю. Бібл. 6, рис. 9. Ключові слова: мережі низької напруги з ізольованою нейтраллю, опір ізоляції, діодний випрямляч, сигналізація про зниження опору ізоляції, пошук місця замикання на землю. Представлена работа разных вентильных схем измерения сопротивления изоляции сетей низкого напряжения с изо- лированной нейтралью. Приведены формулы для вычисления эквивалентного сопротивления изоляции при асиммет- рии линейных напряжений сети. Предложены способы устранения недостатков этих схем с использованием одно- фазных выпрямителей. Показаны возможности реализации системы сигнализации о понижении сопротивления изо- ляции и поиска места замыкания на землю. Библ. 6, рис. 9. Ключевые слова: сети низкого напряжения с изолированной нейтралью, сопротивление изоляции, диодный выпря- митель, сигнализация о понижении сопротивления изоляции, поиск места замыкания на землю. Введение. Для безопасной и надежной эксплуа- тации электрических сетей первостепенной задачей является контроль изоляции. В сетях низкого напря- жения с изолированной нейтралью довольно широкое применение получили вентильные схемы измерения сопротивления изоляции. Однако в последнее десяти- летия, несмотря на многочисленные достоинства этой технологии, ведущее место заняли устройства кон- троля изоляции на базе наложенного тестового сигна- ла постороннего источника. Именно этим новым ме- тодам посвящено большинство материалов в техниче- ской литературе [1]. Тем не менее, считается целесо- образным напомнить традиционные вентильные схе- мы измерения изоляции и рассмотреть возможные пути их совершенствования. Постановка задачи. Главными достоинствами схем с диодными выпрямителями являются простота, отсутствие постороннего источника наложенного тока, быстрота и высокая точность работы, а также незави- симость результата измерения от емкостей сети [2]. До сих пор реализовано несколько вентильных схем не- прерывного и периодического определения эквива- лентного сопротивления изоляции сетей относительно земли. Однако эти разработки имеют также сущест- венные недостатки, ограничивающие их применение. Целью данной статьи является анализ сущест- вующих систем и предложенных автором усовершен- ствованных схем на базе простейших однофазных выпрямителей. Существующие разработки. Схема А. Наиболее распространенной схемой непрерывного контроля изоляции сети без постороннего источника является система с двухполупериодным мостовым выпрямите- лем (рис. 1), питаемым от данной сети. Линейное напряжение контролируемой сети пи- тает трансформатор – его вторичная обмотка включе- на через выпрямитель и резистор R0 между одним из проводов сети и землей. Этот резистор ограничивает ток однофазного глухого замыкания на землю. Вы- прямленный ток на выходе моста является тестовым сигналом для определения эквивалентного сопротив- ления Ri изоляции сети относительно земли. Среднее значение напряжения U0-mean на резисторе R0, равное i bcmean RR R EU   0 0 0 2 , (1) дает однозначную информацию об искомом парамет- ре Ri. Его значение определяется формулой mean meanbc i U UE RR    0 0 0 2 . (2) Рис. 1. Схема А измерения сопротивления изоляции трех- фазной сети: TS – разделительный трансформатор, DR – двухполупериодный мостовой выпрямитель, R0 – токоограничивающий резистор, Ea, Eb, Ec – фазные напряжения источника, Сa, Cb, Cc – емкости изоляции фаз, Ga, Gb, Gc – проводимости изоляции фаз Так как в установившемся режиме среднее зна- чение за период всех токов заряда и разряда емкостей сети относительно земли равно нулю, то результат измерений не зависит от уровня этих параметров (т.е. емкостей) изоляции. Зато получаемое значение пара- метра Ri зависит одновременно от двух напряжений (Ebc и U0) контролируемой сети, что является главным недостатком этого, как, впрочем, и всех других мето- дов подобного рода. Следует подчеркнуть, что фор- мула (1) верна при всяком возможном искажении формы (рис. 2) выпрямленного напряжения U0. 44 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 Рис. 2. Осциллограмма напряжений в схеме А измерения сопротивления изоляции трехфазной сети (пример): A – напряжение U0, B – линейное напряжение Схема Б. Измерительная схема Б (рис. 3) также обеспечивает непрерывный контроль изоляции сети от- носительно земли. Конденсатор емкостью С периодиче- ски пополняет свой заряд от фаз B и C через диод D. Ко- гда диод закрыт, конденсатор разряжается через цепь последовательно соединенных элементов: токоограничи- вающего резистора R0 и сопротивлений изоляции сети. Рис. 3. Схема Б системы измерения сопротивления изоля- ции трехфазной сети: D – диод, С – конденсатор, R0 – токоограничивающий резистор Как и в схеме А, среднее значение напряжения U0-mean на резисторе R0 равно i meanCmean RR R UU    0 0 0 , (3) откуда получается искомый параметр Ri mean meanmeanC i U UU RR     0 0 0 , (4) причем UC-mean – среднее значение напряжения на конденсаторе. Примерная осциллограмма напряжений в данной схеме показана на рис. 4. На нем виден периодиче- ский процесс заряда и разряда конденсатора. Рис. 4. Осциллограмма напряжений в схеме Б измерения сопротивления изоляции трехфазной сети (пример): A – напряжение U0, B – линейное напряжение При правильном выборе значений С и R0, т.е. для достаточно большой постоянной времени измери- тельного контура, можно обеспечить практически постоянное напряжение источника тестового сигнала, которым является конденсатор. Для этого должно выполняться условие СR0 >> T (T – период напряже- ния сети). В этом случае формула (4) принимает вид mean meanbc i U UE RR    0 0 0 2 (5) Схема В. Схема трехфазного выпрямителя с ну- левым выводом принадлежит к наиболее популярным системам контроля изоляции (рис. 5) [3]. Рис. 5. Схема В системы измерения сопротивления изоляции трехфазной сети: D – диоды, R0 – токоограничивающий резистор В этой схеме открыт этот диод, анод которого имеет в данный момент наивысший потенциал. Пере- ход тока с одного диода на другой наступает мгновен- но, когда их фазные напряжения становятся равными. Для выведения формулы, определяющей среднее значение напряжения U0 на резисторе R0 при произ- вольной несимметричной системе напряжений Еа, Еb, Ес источника питания сети, удобно воспользоваться выражением для выходного напряжения мостовой схемы (рис. 6) [4]:    cabcab mean EEE U   2 12 . (6) Рис. 6. Мостовая схема трехфазного диодного выпрямителя системы: D1 ... D6 – диоды выпрямителя, G1 – проводимость утечки изоляции положительного полюса В этой же схеме среднее значение [5] напряжения положительного полюса относительно земли равно 2 12 1 1 mean i i mean U GG G U      . (7) Из (6) и (7) получается формула для среднего значения напряжения U0-mean на резисторе R0 в схеме В   i cabcab mean RR REEE U     0 0 0 2 2  , (8) откуда определяется искомая величина   0 0 1 2 2 R U EEE R mean cabcab i              . (9) ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 45 Устранение недостатков схем А, Б, B. Главным недостатком методов А, Б, B (кроме отсутствия само- контроля исправности) является зависимость вычис- ляемого параметра Ri одновременно от линейных на- пряжений контролируемой сети и от напряжения U0. Эти напряжения, разумеется, взаимно пропорцио- нальны, но при использовании формул (2) и (4) надо знать текущие значения обоих величин. В случае ко- лебаний напряжений источника питания необходимо проводить одновременные отсчеты двух вольтметров. Градуировать шкалу вольтметра U0 в единицах сопротивления можно только при постоянном, из- вестном значении данного напряжения сети. В схеме B дополнительную трудность вносит возможная асимметрия напряжений источника пита- ния. Для точного определения искомого параметра Ri по формуле (9) следует одновременно измерять все три линейные напряжения. От этого последнего за- труднения можно избавиться простым способом, предложенным автором. В схеме трехфазного выпрямителя с нулевым выводом достаточно оставить лишь два диода питае- мые любым линейным напряжением [6] (рис. 7). Рис. 7. Модифицированная схема непрерывного измерения эквивалентного сопротивления изоляции трехфазной сети с помощью двух диодов Пусть выпрямитель питается линейным напря- жением фаз b, c tEtetete bccbbc sin2)()()(  , а напряжение фазы а выражено функцией )sin(2)(   tEte aa , причем параметры Ea, Ebc, α могут принимать произвольные значения. Переход тока с одного диода на другой наступа- ет при нулевом значении напряжения ebc(t). В интер- вале 0<t<T/2 открыт диод Db. Баланс токов утечки на землю представляет уравнение       .0 )( )( 000 0000       dt ueed C dt ued C dt du C eeuGueGuGG ba a bc cb ababccb (10) В интервале T/2<t<T открыт диод Dc       .0 )( )( 000 0000       dt ueed C dt ued C dt du C eeuGueGuGG ca a bc bc acabcbc (11) Обозначив Gi = Ga + Gb + Gc и Ci = Ca + Cb + Cc, оба уравнения можно записать так         ;0 )( 0 00       dt ed CeG dt eed C eeG dt du CuGG bc cbcc ba a baaii (12)     .0 )( 0 00     dt de CeG dt eed C eeG dt du CuGG bc bbcb ca a caaii (13) После интегрирования уравнения (12) в пределах 0<t<T/2 и (13) в пределах T/2<t<T надо их почленно сложить. Так как интегралы всех емкостных токов за период T равны нулям и среднее значение любой си- нусоидальной функции тоже равно нулю, получается следующее уравнение i bc meani T i G E UGGdtu T GG      2 )( 1 )( 00 0 00 , (14) откуда вытекает . 2 1 0 0 0 mean mean bc i i U U E R G R      (15) В этом методе результат вычисления зависит от значения линейного напряжения Еbс избранных двух фаз сети. Затем возможная несимметрия векторов фазных напряжений источника Еа, Еb и Ес, ни количе- ство фаз сети уже не играют роли. Основной недостаток всех представленных схем (необходимость одновременного отсчета напряжения контролируемой сети и напряжения U0), можно уст- ранить в системе реализующей деление значений двух напряжений. Так, например, для совершенство- вания схемы В можно использовать логометр, кото- рый выполняет функцию деления напряжений mean bc U E   0 2  и meanU 0 поступающих на его входы (обмотки) 1 и 2 (рис. 8). Поэтому его показание соответствует величине данной формулой (15). Дру- гим способом устранения рассматриваемого недос- татка является применение стабилизированного на- пряжения выпрямленного тока. Рис. 8. Применение логометра (LM) для непрерывного измерения эквивалентного сопротивления изоляции с помощью диодного выпрямителя Дополнительные достоинства схем А, Б, B. Представленные схемы непрерывного измерения эк- вивалентного сопротивления изоляции сетей с помо- щью диодных выпрямителей имеют несколько цен- ных достоинств, до сих пор не в полной мере исполь- зованных на практике. Первым из них является возможность реализа- ции сигнализации о понижении сопротивления изоля- ции. Для этого в каждой из схем достаточно к рези- стору R0 подключить параллельно реле постоянного напряжения (DC). При пороге срабатывания U0-set оно будет выявлять падение сопротивления изоляции ни- же уставки, равной set set seti U UE RR      0 0 0 , (16) 46 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2016. №2 где Е – напряжение источника тестового выпрямлен- ного тока. Например, в схеме на рис. 8: .5.0 2 12 mean bc U E E     (17) К сожалению, недостатком этой простейшей сис- темы является зависимость порога сигнализации о по- нижении сопротивления изоляции от колебаний напря- жения сети (Е) при данной уставке срабатывания реле U0-ср. Разумеется, этот недостаток можно устранить в системе, реализующей деление значений напряжений или применяя стабилизацию напряжения выпрямленно- го тока. Другим выходом является использование реле напряжения реагирующего на знак разницы seti mean RR R EU     0 0 0 , что вытекает из (16). Вторая ценность вентильных схем контроля изоля- ции – это пригодность для реализации поиска места за- мыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью. Место повреждения изоляции можно выявлять, измеряя тестовый выпрямленный ток с помощью токовых кле- щей (тока DC, например Kyoritsu или Fluke). Процедура поиска замыканий на землю представлена на рис. 9. Рис. 9. Применение схемы непрерывного измерения эквива- лентного сопротивления изоляции на базе диодного выпря- мителя для поиска замыканий на землю: M – устройство определения сопротивления изоляции сети, ТК – клещи постоянного тока Так как среднее значение напряжения относи- тельно земли одинаково для всех проводов сети, то средние значения токов утечки этих проводов про- порциональны проводимостям их изоляции. При по- иске повреждений изоляции клещами можно пооче- редно охватывать отдельные провода или много- жильные кабеля. Микропроцессорное устройство М определяет по формуле (15) эквивалентное сопротив- ление изоляции целой сети и по формуле meanx meanx x x I U G R   1 (18) сопротивление изоляции отдельного провода или кабеля «x». Выводы. 1. Традиционные системы непрерывного контроля изоляции на базе многофазных вентильных выпрямите- лей чувствительны к колебаниям линейных напряжений контролируемой сети и их возможной асимметрии. 2. Применение однофазного выпрямителя позволя- ет устранить вышеупомянутые затруднения, испыты- ваемые при эксплуатации данных систем. 3. Вентильные схемы контроля позволяют допол- нительно реализовать сигнализацию о понижении сопротивления изоляции и поиск места замыкания на землю. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Hofheinz W. Protective Measures with Insulation Monitor- ing. VDE Verlag, 1998. 2. Цапенко Е.Ф. Контроль изоляции в сетях до 1000 В, 2-е изд. перераб. – М.: Энергия, 1972. 3. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ, 2-е изд. перераб. М.: Энергоатомиздат, 1986. 4. Olszowiec P. Unconventional Methods of Analyzing Diode Rectifiers with Asymmetrical Supply // Computational Problems of Electrical Engineering. – 2014. – №2. – pp. 33-36. 5. Olszowiec P. O wyznaczaniu napięć trójfazowych prostowników diodowych // Wiadomości Elektrotechniczne. – 2015. – vol.1. – no.10. – pp. 33-34. doi: 10.15199/74.2015.10.8. 6. Olszowiec P. Insulation Measurement and Supervision in Live AC and DC Unearthed Systems. Lecture Notes in Electri- cal Engineering, 2nd edition. Springer, 2014. doi: 10.1007/978- 3-642-29755-7. REFERENCES 1. Hofheinz W. Protective Measures with Insulation Monitor- ing. VDE Verlag, 1998. 2. Tsapenko E.F. Kontrol' izoliatsii v setiakh do 1000 V [Insu- lation monitoring in networks up to 1000 V]. Moscow, Energiya Publ., 1972. (Rus). 3. Tsapenko E.F. Zamykaniia na zemliu v setiakh 6-35 kV [Earth faults in networks 6-35 kV]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1986. (Rus). 4. Olszowiec P. Unconventional Methods of Analyzing Diode Rectifiers with Asymmetrical Supply. Computational Problems of Electrical Engineering, 2014, no.2, pp. 33-36. 5. Olszowiec P. O wyznaczaniu napięć trójfazowych prostowników diodowych. Wiadomości Elektrotechniczne, 2015, vol.1, no.10, pp. 33-34. doi: 10.15199/74.2015.10.8. 6. Olszowiec P. Insulation Measurement and Supervision in Live AC and DC Unearthed Systems. Lecture Notes in Electrical Engineering, 2nd edition. Springer, 2014. doi: 10.1007/978-3- 642-29755-7. Ольшовец Петр, MSc., инженер-электрик, Elporem i Elpoautomatyka Spółka z o.o., 28-200 Staszow, ul. Wschodnia 10/51, Poland, phone +48 606 613 976, e-mail: olpio@o2.pl Piotr Olszowiec, MSc., Electrical Engineer, Elporem i Elpoautomatyka Spółka z o.o., 28-200 Staszow, ul. Wschodnia 10/51, Poland, Modifications of diode rectifier circuits for continuous insulation measurement in live AC IT networks. Purpose. In the paper there are described few systems of insula- tion resistance continuous measurement using an imposed DC test signal delivered by diode rectifiers. Drawbacks of this tech- nique are pointed out and ways of these shortcomings removal are proposed. Methodology. An improved version of measuring circuit based on a single-phase diode rectifier is presented. Ap- plication of logometric measuring devices is suggested. Results. A new insulation resistance continuous measuring system is insensitive to network voltages variation and asymmetry. Modi- fied circuit enables also implementation of a simple device for alarming the monitored network’s insulation deterioration and/or earth-fault protection. Originality. Formulas describing performance of diode rectifiers under asymmetrical supply have not been available so far. Both innovations (i.e. single-phase diode rectifier and logometric meter) have not been applied widely for implementation of continuous insulation monitoring in live AC IT networks. Practical value. Use of both innovations will allow to eliminate unrequired dependence of measurement results on variable network voltages as well as their possible asymmetry. Exploitation of diode rectifier circuits for earth fault location is also possible. References 6, figures 9. Key words: low voltage AC IT networks, insulation resis- tance, diode rectifier, insulation resistance decline alarming, earth fault location.

Модификации вентильных схем непрерывного контроля изоляции сетей низкого напряжения с изолированной нейтралью

Репозитарії

Схожі ресурси