автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Быстродействующие устройства контроля и измерения сопротивления изоляции для систем управления электроэнергетическими объектами

На правах рукописи

Ж-

Нгуен Куок Уи

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность: 05.13.05 — Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

3 КЮН 2015

Новочеркасск 2015

005569864

005569864

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и телемеханика» ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Лачин Вячеслав Иванович

Официальные оппоненты:

Прокопенко Николай Николаевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационные системы и радиотехника» института сферы обслуживания и предпринимательства (филиал) ДГТУ в г. Шахты.

Полуянович Николай Константинович кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электротехника и мехатроника» института радиотехнических систем и управления (ИРТСиУ) федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Южный федеральный университет».

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения».

Защита состоится «30» июня 2015 г. в 13— ч. на заседании диссертационного Совета Д212.304.02 при ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» в аудитории № 149 главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск Ростовской обл., ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГПУ (НПИ) http://www.npi-tu.ru/index.php?id=4615.

Автореферат разослан > 0$> 2015 г.

Ученый секретарь совета, профессор, к.т.н.

Иванченко А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение безаварийности, долговечности, качества и надежности работы целого ряда электроэнергетических объектов (ЭО) является одной из основных задач при эксплуатации таких объектов. ЭО могут подвергаться механическим, электрическим, тепловым, атмосферным воздействиям. Перечисленные воздействия постепенно ведут к снижению уровня технического состояния объекта. В связи с этим встаёт задача качественного контроля параметров ЭО, так как нерегулярный и некачественный контроль может привести к нарушению работы объекта, поражению людей электрическим током, возникновению пожара и т.п. К таким ЭО относятся электрические сети постоянного тока, переменного тока или двойного рода тока в шахтах, в метро, на кораблях; сети оперативного тока электростанций и подстанций; обмотки размагничивания кораблей; электродвигатели; электрогенераторы; силовые и распределительные трансформаторы; аккумуляторные и солнечные батареи и другое подобное электрооборудование.

Одним из основных параметров ЭО, от которых зависит безопасность, бесперебойность и надежность работы ЭО, является эквивалентное сопротивление изоляции ЭО. В процессе функционирования конфигурация ЭО и параметры ЭО могут изменяться, и для оперативного и непрерывного их контроля необходимо создание быстродействующих устройств контроля и измерения. Непрерывный контроль, в отличие от периодического, дает возможность следить за сопротивлением изоляции в течении всего срока эксплуатации ЭО и при снижении уровня сопротивления изоляции (увеличении проводимости) принять соответствующие меры. Причем такие устройства контроля сопротивления изоляции могут использоваться как самостоятельно, так и входить в состав систем управления ЭО. В таких системах управления в случае снижения сопротивления изоляции ниже допустимых величин происходит защитное отключение или изменение режима работы ЭО. Для многих объектов управление заключается в определении неисправного участка и проведении технических работ, направленных на уменьшение значения проводимости изоляции.

В настоящее время имеется большое число методов и устройств контроля сопротивления изоляции ЭО, однако нет чёткой градации их достоинств и недостатков, не очерчены области их применимости, а также не обозначены границы параметров контролируемых объектов. Одной из важных проблем является учёт при построении устройств контроля такого параметра, как ток абсорбции. Указанный ток достаточно сильно проявляются при диагностике ЭО большой мощности - электрических сетей кораблей, метрополитена, шахт; генераторов, электродвигателей, силовых и распределительных трансформаторов и т.п. Переходный процесс спадания абсорбционного тока длится достаточно долго. Так, при приложении напряжения к изоляции мощных генераторов длительность процесса может составлять один час и более, поэтому, чтобы измерить сопротивление изоляции с достаточной точностью, необходимо увеличивать время измерения. Существуют методы и устройства контроля состояния ЭО, учитывающие ток абсорбции. Однако нет достаточно чёткого экспериментального подтверждения применимости тех или иных функций, описывающих изменение

тока абсорбции во времени. Таким образом, задача разработки быстродействующих методов измерения эквивалентного сопротивления изоляции и устройств, их реализующих, в том числе и с учетом влияния токов абсорбции, является важной и актуальной. Исследования велись в соответствии с научным направлением ЮжноРоссийского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова «Теория и методы построения устройств и систем управления, контроля и диагностики», утвержденным 28.09.2011 г.

Степень разработанности темы диссертации

Необходимость измерения сопротивления изоляции различных объектов существует уже более ста лет. Несмотря на кажущуюся простоту процесса измерения, возникают все новые аспекты этой проблемы, которые не решены до настоящего времени. Количество авторов, которые посвящали свои работы тематике измерения сопротивления изоляции, только в России исчисляется сотнями. В последние годы увеличивается число публикаций, связанных с изучением токов абсорбции или использованием информативных параметров тока абсорбции для определения состояния контролируемого объекта. Резко возрастает количество изобретений и полезных моделей, связанных с измерением сопротивления изоляции. В первой главе достаточно подробно описаны известные методы и устройства контроля и измерения сопротивления изоляции. При проведении обзора сделано около 40 ссылок на литературные источники.

Цель работы. Разработка быстродействующих методов и устройств контроля и измерения эквивалентных значений сопротивления изоляции ЭО любого рода тока, учитывающих влияние токов абсорбции, предназначенных для работы в составе систем управления ЭО и обеспечивающих бесперебойную и надежную работу ЭО. Для достижения цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

— разработать методы измерения эквивалентных значений сопротивления изоляции ЭО любого рода тока с допустимой погрешностью, в том числе с учетом влияния токов абсорбции, и повысить быстродействие устройств контроля;

— провести теоретический анализ предложенных методов;

— разработать методику выбора метода измерения сопротивления изоляции конкретных ЭО;

— реализовать предложенные методы в конкретных устройствах.

Научная новизна работы:

— предложена расширенная классификация существующих методов и устройств измерения сопротивления изоляции ЭО, отличающаяся от известных подразделением известных методов и устройств на две группы: с учётом токов абсорбции и без учёта тока абсорбции, позволяющая в зависимости от поставленной задачи оптимально осуществлять выбор необходимого метода или устройства измерения сопротивления изоляции;

— разработан быстродействующий метод контроля параметров ЭО постоянного тока, отличающийся от известных применением аппроксимации экспоненциальной функции по трем ее значениям, измеренным в определенные моменты времени, позволяющий, не дожидаясь окончания переходного процесса,

вычислить установившиеся значения тока и напряжения, и тем самым сократить время измерения сопротивления изоляции;

- разработан адаптивный метод контроля параметров ЭО, который, в отличие от существующих, обеспечивает адаптацию времени измерения сопротивления изоляции к величине эквивалентной ёмкости контролируемого ЭО.

- разработан быстродействующий метод измерения сопротивления изоляции ЭО с учётом токов абсорбции, отличающийся от известных применением экстраполяции тока абсорбции разработанной математической моделью, позволяющий уменьшить время и погрешность измерения сопротивления изоляции.

- предложены новые структуры быстродействующих устройств контроля и измерения сопротивления изоляции, в которые, в отличие от известных, интегрированы блок вычисления производных тока, блок формирования интервалов времени, позволяющие уменьшить время и погрешность измерения сопротивления изоляции.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы обусловлена, прежде всего, тем, что содержащиеся в ней результаты теоретических исследований могут быть использованы при разработке устройств контроля и измерения сопротивления изоляции. В частности, могут использоваться выведенные автором формулы, по которым производится экстраполяция, а также результаты расчета методической погрешности, которую дают эти формулы.

Практическая ценность: разработанные методы измерения сопротивления изоляции ЭО, новая структура разработанных устройств, методика выбора метода измерения позволяют создавать быстродействующие устройства контроля, учитывающие влияние токов абсорбции на процесс измерения и предназначенные для ЭО любого рода тока.

Методология и методы диссертационного исследования.

В диссертационном исследовании использовались методы теории электрических цепей, теории автоматического управления, математического моделирования, математической статистики с использованием пакетов прикладных программ Micro-Cap, MathCAD, MATLAB.

Основные положения, выносимые на защиту:

-метод определения эквивалентных значений сопротивления изоляции ЭО постоянного тока, использующий экстраполяцию экспоненциальной функции по трем её значениям, измеренным в определенные моменты времени;

- быстродействующий адаптивный метод измерения эквивалентных значений сопротивления изоляции ЭО любого рода тока, основанный на измерении ёмкости ЭО в начале каждого цикла измерения и установлении времени цикла измерения с учетом величины ёмкости ЭО;

- быстродействующий метод измерения эквивалентных значений сопротивления изоляции ЭО, учитывающий влияние токов абсорбции и основанный на экстраполяции степенной функции по трем её значениям, измеренным в определенные моменты времени;

- классификация существующих методов и устройств контроля параметров ЭО и инженерная методика выбора метода измерения с учетом параметров ЭО;

- алгоритмы функционирования, структурные схемы и схемотехнические решения разработанных устройств;

Степень достоверности результатов диссертационного исследования.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, корректностью допущений, принимаемых при математическом моделировании и теоретическом анализе предложенных методов, использованием метрологически аттестованного оборудования при проведении испытаний разработанных устройств.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы:

- при выполнении госбюджетной работы в соответствии с научным направлением Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова «Теория и методы построения устройств и систем управления, контроля и диагностики», утвержденного 28.09.2011 г., что отражено в списке исполнителей работы;

- в учебном процессе кафедры «Автоматика и телемеханика» ЮжноРоссийского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова;

- результаты диссертационной работы предполагаются к использованию в разработках ОАО «Приборостроительный» завод «Вибратор» (г. Санкт-Петербург);

Апробация работы. Основные результаты, полученные в работе, были доложены, обсуждены и одобрены на: XIII Международной научно-практической конференции "Моделирование. Теория, методы и средства" (г. Новочеркасск, 2013 г.); XIII и XIV Международных научно-практических конференциях "Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения" (г. Новочеркасск, 2013 г. и 2014 г.); XI и XV Международных научно-практических конференциях "Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем" (г. Новочеркасск, 2013 г. и 2015 г.); XXVI Международной научной конференции ММТТ-26 (Н. Новгород 2013 г.); XIV Международной научно-практической конференции " Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике : материалы " (г. Новочеркасск, 2014 г.); XII Международной научно-практической конференции " Современные энергетические системы и комплексы и управление ими " (г. Новочеркасск, 2014 г.); Региональной научно-технической конференции (конкурса научно-технических, работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области "Студенческая весна" (г. Новочеркасск, 2014 г.); VI Международной научно-технической конференции " Микро и нанотехнологии в' электронике" (Нальчик, 2014г.); XV Международной научно-практической конференции "Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики" (г. Новочеркасск, 2015 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 1 патент РФ на полезную модель, 4 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 103 наименований и 7 приложений. Общий объем работы 230 страниц, включая 45 страниц приложений и 97 иллюстраций.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность диссертационной работы, определены ее цели и задачи.

В первой главе «Методы и устройства контроля и измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов и их классификация» произведен обзор, анализ и классификация существующих методов и устройств контроля параметров различных ЭО. Рассмотренные ЭО представляют собой группу последовательно включенных источников энергии (аккумуляторные, солнечные батареи), которые подключены к нагрузке, либо группу последовательно включенных приёмников электрической энергии, т.е. нагрузок (обмотки размагничивания кораблей), либо совокупность первой и второй групп, либо группу фидеров, которые подключены к одному источнику энергии. К ним относятся ЭО постоянного и переменного тока на судах, в шахтах, обмотки размагничивания кораблей, электролизные серии в цветной металлургии, сети оперативного тока электростанций и подстанций, электрохимические генераторы, сети двойного рода тока, представляющие собой сеть переменного тока, соединённую с сетью постоянного тока через выпрямитель.

Устройства контроля сопротивления изоляции, как правило, работают в составе системы управления и контроля параметров ЭО. Показано, что это могут быть как простые системы управления, которые отключают или подключают какие-либо участки электрической сети, так и сложные системы управления технологическими процессами. Один из самых простых алгоритмов управления ЭО заключается в отключении участков электрической сети, сопротивление изоляции которых меньше допустимой нормы. В случае снижения сопротивления изоляции система управления реагирует, например, осуществляет защитное отключение или изменяет режим работы ЭО и выдает сообщение оператору или в вышестоящую систему управления (ЭВМ). Непрерывный контроль, в отличие от периодического, дает возможность следить за сопротивлением изоляции в течение всего срока эксплуатации ЭО и при снижении уровня сопротивления изоляции принять соответствующие меры.

Приведены и проанализированы различные характеристики ЭО. Отмечено, что контролировать состояние ЭО можно по ряду параметров, однако основным параметром для контроля состояния ЭО является эквивалентное сопротивление изоляции. Этот параметр зависит от количества источников и приёмников энергии, входящих в объект, и их сопротивления изоляции. Современные ЭО имеют

большую ёмкость относительно земли, которая является распределённой величиной. При анализе состояния объекта её заменяют эквивалентной ёмкостью, складывающейся из ёмкости токоведущих элементов относительно корпуса -электрических проводников, обмоток электрических машин, трансформаторов, реле и т.п. и ёмкостью фильтров защиты электрооборудования от помех. При значительном увеличении эквивалентной ёмкости ЭО (100 мкФ и более) значение сопротивления изоляции, измеренное существующими в настоящее время устройствами, имеет большую погрешность. Это обусловлено влиянием токов абсорбции. В связи с этим встаёт вопрос учёта такого параметра, как ток абсорбции. Указанный ток достаточно сильно проявляется при диагностике ЭО большой мощности — электрических сетей кораблей, метрополитена, шахт; генераторов, электродвигателей, силовых и распределительных трансформаторов и т.п. Переходный процесс спадания абсорбционного тока длится достаточно долго. Так, при приложении напряжения к изоляции мощных генераторов длительность процесса может составлять один час и более, поэтому, чтобы измерить сопротивление изоляции с достаточной точностью необходимо увеличивать время измерения.

Известно большое число работ по контролю сопротивления изоляции ЭО, однако нет их чёткой классификации, что затрудняет использование тех или иных методов контроля. Проведенный обзор и анализ позволил разработать классификацию, приведенную на рис.1. Все методы и устройства измерения сопротивления изоляции можно условно разделить на две группы: без учёта токов абсорбции и с учётом токов абсорбции. В свою очередь, методы и устройства первой группы можно разделить на две подгруппы: без использования и использованием дополнительных источников измерительного напряжения. Методы и устройства второй подгруппы подразделяются на обычные и ускоренные. Все методы и устройства второй группы также подразделяют на две подгруппы: с учетом закономерности изменения во времени тока абсорбции или с аппроксимацией токов абсорбции для ускорения измерения. Причем используют, как правило, аппроксимацию экспоненциальной или степенной функцией. Использование данной классификации поможет правильно выбрать тот или иной метод измерения сопротивления изоляции ЭО. Кроме того, обзор и анализ известных методов и устройств измерения сопротивления изоляции электрических сетей позволяет сделать следующие выводы:

• большинство известных методов и устройств измерения сопротивления изоляции имеют низкое быстродействие, не учитывают влияния токов абсорбции в случае большой ёмкости сети относительно земли и непригодны для использования в сетях любого рода тока;

• практически отсутствуют методы, позволяющие одновременно измерять сопротивление изоляции и ёмкости сети относительно земли, обладающие высоким быстродействием и учитывающие влияние токов абсорбции. Сформулированы задачи дальнейших исследований.

Рис.1. Классификация методов и устройств измерения сопротивления изоляции ЭО

Во второй главе «Разработка и теоретический анализ быстродействующих методов и устройств контроля и измерения параметров ЭО без учёта токов абсорбции» предложены новые методы ускоренного измерения и контроля параметров ЭО, дано теоретическое обоснование этих методов.

Разработан быстродействующий метод измерения и контроля сопротивления изоляции ЭО постоянного тока. В известном методе измерения цикл измерения состоит из двух этапов - воздействие положительного напряжения и воздействие отрицательного напряжения на ЭО. На каждом из этапов трижды производятся измерения значений тока через равные промежутки времени и вычисляются

установившиеся значения тока г'усть /уСТ2- Сопротивление изоляции вычисляется по формуле:

В предлагаемом методе на каждом из этапов трижды производятся измерения значений тока в определенные моменты времени и вычисляются установившиеся значения тока /уст|, г'уп2. На каждом из этапов, измерения производятся в моменты времени Ь, Н и получены соответствующие значения тока /¡,/2''з •

На рис. 2 приведена временная диаграмма тока. Рассмотрим определение установившихся значений на примере измерения тока для случаев, когда измерения произведены в моменты времени Ь, Ц. В диссертации доказано, что погрешность измерения не зависит от выбора первого момента /ь поэтому целесообразно выбрать значение /] = 0, тогда Г2 = А/, г3=(я + 1)-ЛГ. В эти моменты получены соответствующие значения тока , /2,/3 . С помощью экстраполяции экспоненциальной функции получены выражения для установившегося значения тока /ус|. для трех разных соотношений промежутков времени: при и = 2, п= 1 и п = 0.5, где п = (г3 — ■ Наиболее эффективно использовать п—2, тогда установившиеся значения тока /уст1, г'уст2 необходимо вычислять, используя значения /,, /2, /3, по

При «= 1 получаем: /уст = (/22 - /', ■ /3) 1(2 • /2 - ц- /3).

„ „ (Зг,2 — 2/.г,-г'.2) + ^(г. —г, )3(г. + 3г, — 4г',)

При 77 = 2 получаем: г =—-131 ^ 1——!-?-—.

2(3/'2 —2/, — г3)

(1) (2)

При п= 0.5 получаем:;' =

(2/1/3 + /З2 " 3'22) - л/('3"'2)3 (/3+3/2-4/1)

УСТ 2(2г3 + г, - Зг2 )

Методическая погрешность вычисления установившегося значения Дг'уст зависит от погрешности измерения токов /'1,/2,/3 и общего времени измерения Погрешность результата определяется с помощью частных производных функции по переменным. Так как необходимо учитывать только случайную составляющую погрешности измерения токов (систематические погрешности устраняются за счет двукратного измерения), оценка абсолютной погрешности определяется выражением:

Д'уст = А/12+(^1)2Д/22+(^)2Д/32).

ОТ] от2 0/3

Погрешности измерения токов /,, /2, г'3 будем считать одинаковыми и равными А/ = А/, = Д/2 = Л;'3. С учетом этого, получаем уравнение:

10

А/,

дк

дк

ди,

Л/ ]/ ОЦ 012 013

Полученные зависимости проанализированы с использованием ППП МаЛсас) 14. Особый интерес вызывает зависимость методической погрешности от времени измерения. Так как ёмкости ЭО могут быть разными, постоянная времени переходного процесса т тоже будет различной. График зависимости отношения погрешностей А/уст / Л/

от значения /3 / т для разных значений п показан на рис. 3.

Проведенный анализ показывает, что увеличение п либо ведет к

Рис. 3. Зависимость отношения А/

уст '

от значения /3 / т

уменьшению погрешности при одинаковом времени измерения, либо ведет к уменьшению времени измерения при одинаковой погрешности. Используя полученные результаты, построим зависимости относительной погрешности

М. Д/.

уст/Д/ от отношения интервалов времени измерения тока п = (/3 — Г2)//2 при

уст

Дг

фиксированном значении /3 / Т , (рис. 4). Проведенный анализ показывает, что чем больше п тем лучше результат измерения. При одинаковом времени измерения, при увеличении п > 2, погрешность измерения практически не уменьшается. Поэтому рекомендуется использовать значение п = 2. При (/3/ т) = 2 методическая погрешность

измерения установившегося тока будет соизмерима с погрешностью измерения токов /,, /2, /3 .

В конце измерительного цикла измеренное значение сопротивления изоляции сравнивается с пороговым значением (которое устанавливается эксплуатирующей организацией); если измеренное значение меньше, то включается сигнализация, в этом заключается функция контроля.

Предложенный метод позволяет также определить эквивалентную ёмкость электроэнергетического объекта Сэкв. Получим выражение для т:

1

1 \ ! \ 1\/ Ц /1.5 ' г 'з — =2 / т

\ Ч» а . 4.558) / Ь—----- /3,4.447) /

\ V- ^/2; 2.716» ^(3; 2.611)

с- г ^<2; 1.254) /3: 1.191)

/7

Рис. 4. Зависимости Д/усх / Д/ от п

при разных значении /3

Н/т

1п[(/, - /уст)/(/2 -/уст)] = Д//х, где М = 3

п + \

• Т = Ы /1п[(/| - 'уст)/02 - 'уст )]■

Зная Л01.р и т, можно вычислить эквивалентную ёмкость ЭО:

С

<■ 1 1 Л

= (-+-)т.

о /?

огр 1-13

(3)

Полученные результаты используются в методике инженерного расчета устройств контроля параметров ЭО постоянного тока. Предложенный метод является быстродействующим и позволяет осуществлять контроль параметров электроэнергетических объектов постоянного тока (вычислять сопротивление изоляции и эквивалентную ёмкость электроэнергетических объектов) за время, соизмеримое с постоянной времени переходного процесса. Разработан быстродействующий адаптивный метод контроля параметров ЭО. Существующие ЭО имеют существенно различающиеся параметры, в частности, ёмкости таких ЭО могут отличаться во много раз. Для того, чтобы достоверно измерять сопротивление изоляции таких ЭО, применяемые устройства измерения должны быть рассчитаны

541

Г"

Л01

®

на максимальную ёмкость, которая может присутствовать в контролируемой сети. Кроме того, в целом ряде ЭО в процессе работы их ёмкость может существенно изменяться в несколько раз за счет подключения или отключения тех или иных элементов схемы. Для того чтобы разработанное устройство измерения сопротивления изоляции могло работать как с большими, так и с малыми ёмкостями, необходимо установить жесткий интервал времени, в течение которого происходит ожидание окончания переходного процесса. Этот интервал должен быть рассчитан на максимальную ёмкость, которая может присутствовать в контро-лируемой сети. Таким образом, в случае если контролируемая сеть имеет самую большую ёмкость, время измерения и точность близкие к оптимальным. Но при малой ёмкости устройство работает неоправданно долго. Для достижения оптимального соотношения между быстродействием и погрешностью измерения в самом начале цикла измерения необходимо определить жесткий интервал времени и ёмкость сети относительно земли. В самом начале измерительного цикла к контролируемой сети прикладывается постоянное измерительное напряжение Ензм, (рис. 5) (в данном случае током абсорбции пренебрегаем).

Способ измерения жесткого интервала времени основан на измерении напряжения на ёмкости в процессе ее заряда, измерении этих значений напряжений и аппроксимация этих точек экспоненциальной функцией, (рис. 6). Выполнив аппроксимацию экспоненциальной функцией, получаем значение постоянной времени т, с помощью которого можно вычислить эквивалентное значение общей у ёмкости по формуле (3). Полученное значение ёмкости СЭкв используется для ц настройки параметров измерительного ц процесса, а также для предварительной оценки тока абсорбции, что необходимо для реализации дальнейшего алгоритма у измерения. В случае, если в контролируемой сети имеется постоянная составляющая напряжения, например, сеть двойного рода тока, то производится два иолуцикла измерений - при положительном и отрицательном измерительных напряже-

Рис. 5. Упрощённая схема измерения без учета тока абсорбции

Рис. 6. Экспериментальные точки и аппроксимирующая кривая

ниях. Далее метод реализуется аналогично предыдущему. При положительном напряжении получаем значения 11\, (устЬ при отрицательном - 1/2, /уСт2-Сопротивление изоляции вычисляется по формуле: Яиз = (£/, -С/2)/(густ1 - густ2).

В третьей главе «Разработка и теоретический анализ быстродействующих методов и устройств контроля и измерения параметров ЭО с учётом токов абсорбции» рассмотрено влияние тока абсорбции на процесс измерения сопротивления изоляции и исследованы особенности измерения сопротивления изоляции ЭО с учетом влияния ёмкостей. При приложении к изоляции постоянного напряжения через нее будет протекать ток, содержащий 3 составляющих: ток заряда, ток абсорбции и ток утечки (рис. 7). Ток абсорбции зависит от степени однородности изоляции, ее диэлектрических свойств и его величина может

Для достоверного определения сопротивления изоляции, измерение тока нужно производить лишь после того как ток абсорбции спадет до нуля или до значительно меньшей величины, чем установившееся значение тока утечки. Время измерения существенно возрастает, если в контролируемых сетях установлены конденсаторы для защиты от радиопомех. Значения этих емкостей могут достигать сотен микрофарад. При этом увеличивается ток абсорбции, и время установления тока в цепи становится очень большим. Проведены исследования влияния тока абсорбции на процесс измерении сопротивления изоляции при различных типах и величинах ёмкости конденсаторов и кабелей. Зависимости суммы токов абсорбции и утечки от времени (после затухания тока заряда) для разных типов конденсаторов приведены на рис. 8.

Из полученных графиков следует, что ток абсорбции очень сильно завит от типа применяемых конденсаторов. Для минимизации его влияния на процесс измерения сопротивления изоляции необходимо использовать конденсаторы с минимальной величиной тока абсорбции. При этом следует иметь ввиду, что такие конденсаторы дороже.

Для суммы тока абсорбции и тока утечки используются функции:

'='уст +а-е~'"' ; / = густ + ^ ; I = /усг + а ■ е"* + а ■ е""2'; г = /уст + а.Г",

достигать единиц и десятков микроампер.

составляющих тока в изоляции

/а+/'у,

мкА

100

/1

¡2 ¡3

/

К73-17

К76-4

50

0

МБГЧ

У

а также предложенная функция: г = / + Л • (/ - . Был проведен

сравнительный анализ и проверка адекватности предложенной и существующих математических моделей аппроксимации токов абсорбции различных ЭО. Для всех случаев проведена проверка адекватности математической модели с помощью статистического аппарата. Был применен критерий Фишера и показано, что с целью повышения быстродействия и уменьшения погрешности измерения аппроксимацию кривой спадания абсорбционного тока лучше проводить предложенной степенной функцией.

Для нахождения численных значений А, /0> 'уст будем использовать оптимизацию. При этом А, 10, п, г'уст - факторы, а минимизируемым значением является среднеквадратичное отклонение а экспериментальных значений тока от значений, вычисленных по предыдущей формуле:

2 4 6 8 Время. С

Рис. 8. Временные диаграммы суммы токов абсорбции и утечки для разных типов конденсаторов

ст =

>1,2

/=1 _

где: о - среднеквадратичное отклонение; г - изменяемый индекс; Р - число точек в временной диаграмме; /уст — установившееся значение тока или значение тока утечки; г,- - измеряемое значение тока в момент времени /,; - условный момент начала тока абсорбции;

В качестве примера приведем результаты обработки кривой тока конденсатора типа К73-17 ёмкостью 200 мкФ. Используем пакет прикладных программ (ППП) МаЛсаёМ. Функция изменения во времени тока имеет вид:

/(/) = густ + А.(1 -10)~" = [15.39.(' "0.799)"' 079 +0.0073] мкА.

Вычисленная оценка установившегося значения тока близка к экспериментально полученному значению. Была также исследована зависимость тока абсорбции от величины ёмкости конденсатора. Исследования показали, что токи абсорбции прямо пропорционально зависят от эквивалентной ёмкости конденсаторов. По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- для минимизации влияния тока абсорбции на процесс измерения сопротивления изоляции необходимо применять высококачественные конденсаторы, имеющие меньшую величину тока абсорбции;

- при невозможности использования высококачественных конденсаторов и при измерении больших величин сопротивления изоляции необходимо так выбирать время измерения, чтобы влияние тока абсорбции на погрешность измерения было минимальным;

- для уменьшения времени измерения сопротивления изоляции при больших величинах тока абсорбции необходимо использовать методы измерения, учитывающие влияние токов абсорбции на процесс измерения;

- в случае, когда ёмкость ЭО, определяемая ёмкостью кабельных линий ЭО и ёмкостью конденсаторов, устанавливаемых специально для защиты от радиопомех, невелика, то токи утечки значительно больше токов абсорбции и последними можно пренебречь;

Однако, в случае больших емкостей ЭО (100 мкФ и более) и необходимости контролировать большие величины сопротивления изоляции (1 МОм и более) величина тока абсорбции становится соизмерима с величиной токов утечки. Кроме того, длительность установления переходного процесса тока абсорбции может быть очень большой. Поэтому существующие в настоящее время устройства измерения сопротивления изоляции эффективны только для ЭО с малой ёмкостью относительно «земли». При ёмкости более 100 мкФ они дают большую погрешность результата измерения. Предложено интеллекту ал изировать процесс измерения сопротивления изоляции, т.е. для уменьшения общего времени измерения использовать экстраполяцию значений тока абсорбции, чтобы вычислить оценку установившегося значения тока.

Предложен быстродействующий метод измерения и контроля сопротивления изоляции ЭО, учитывающий влияние токов абсорбции. Для уменьшения времени измерения предлагается в течение измерительного цикла, не дожидаясь уменьшения тока абсорбции до пренебрежимо малых значений, использовать экстраполяцию значений тока абсорбции, чтобы вычислить оценку установившегося значения тока. Метод позволяет уменьшить погрешность измерения при сохранении высокого быстродействия при наличии в контролируемой сети больших емкостей. На рис. 9. приведена упрощенная схема, поясняющая данный метод измерения.

Рис. 9. Функциональная схема устройства, реализующего метод в части воздействия на контролируемую сеть

Так же, как и отмечалось ранее, два полуцикла измерения необходимы для того, чтобы устранить влияние мешающей постоянной составляющей. В каждом полуцикле ёмкости сети заряжаются источником тока 3 до величины заданного значения напряжения, равного Екш. За счет не экспоненциального, а линейного закона изменения напряжения, процесс заряда происходит значительно быстрее. Затем подключается источник напряжения £■„„,. Однако после этого через ёмкости сети продолжает протекать ток абсорбции. При этом нет возможности измерить ток утечки через сопротивление изоляции отдельно от тока абсорбции. Если использовать значение тока, полученное сразу после подключения источника напряжения, то результат измерения сопротивления изоляции будет иметь недопустимо большую погрешность. Выжидать длительное время, необходимое для затухания тока абсорбции нецелесообразно.

Предлагается осуществлять экстраполяцию, то есть вычисление оценки (прогноза) установившегося значения тока не дожидаясь снижения тока абсорбции до пренебрежимо малых значений. Моменты времени Ь, /3, в которые необходимо производить измерения тока ¿1, ь, /3, должны подчиняться соотношению:

Ч _ ~

'.-'о'

.2

Получена формула для экстраполяции: /уст= ———--—. Данная формула

/*1 + /3 - 2/4

идентична формуле (1), используемой для экстраполяции экспоненциальной функции, но физический смысл совсем другой - здесь производится экстраполяция степенной функции, причем формула справедлива только при выполнении условия (4). Экстраполяция проводится как в первом полуцикле, вычисляется значение |)сг1,

так и во втором полуцикле, вычисляется значение /усг2- Сопротивление изоляции вычисляется по формуле: Лиз = ((У, --;уст2).Если измеренное значение меньше порогового, то включается сигнализация.

Предложенный метод позволяет уменьшить погрешность по сравнению с существующими при сохранении высокого быстродействия и при наличии в контролируемом ЭО больших емкостей.

В четвертой главе «Методика выбора метода измерения и реализация методов измерения сопротивления изоляции» разработана методика выбора метода измерения сопротивления изоляции на основе ранее предложенной классификации существующих методов и устройств ее измерения. Алгоритм выбора метода измерения сопротивления изоляции ЭО приведён на рис. 10.

Для ЭО, у которых возможны большие токи абсорбции, разработано универсальное устройство измерения сопротивления изоляции электрических сетей с учетом токов абсорбции. Также разработано несколько упрощенных вариантов устройства. Например, разработано устройство для измерения сопротивления изоляции сетей переменного тока, устройство для измерения сопротивления изоляции с учетом тока абсорбции, не использующее экстраполяцию.

Разработан интеллектуальный измеритель параметров ЭО. Упрощенная схема этого устройства, подключенного к сети постоянного тока, приведена на рис. 11. В данном устройстве интеллектуализирован процесс измерения сопротивления изоляции, т.е. для уменьшения общего времени измерения, в начале измерительного цикла вычисляют жесткий интервал времени и ёмкость контролируемого объекта

Примем, методы без учета токов абсорбции

^ Нет Да

Примем, методы с учетом токов абсорбции

Рис. 10. Алгоритм выбора метода измерения сопротивления изоляции ЭО

Нагрузка

>Ес

HJ Н) ^

Блок воздействия

Микроконтроллер

АЦП

«{/»

АЦП

«/»

Блок измерения емкости

ЦАП

относительно земли, а затем измеряют сопротивление изоляции. В зависимости от вычисленного значения ёмкости выбирается режим работы устройства, в частности, вычисляются требуемые интервалы времени измерения.

Изготовленное универсальное устройство имеет следующие параметры.

Диапазон измеряемых сопротивлений изоляции от 0 до 5 МОм. Ёмкость может быть в пределах от 0 до 300 мкФ. Устройство предназначено для контроля сетей постоянного тока напряжением до 320 В, переменного тока напряжением до 380 В и двойного рода тока. При ёмкости 100 мкФ и сопротивлении изоляции 2 МОм время измерения составляет около 10 с. А при ёмкости 300 мкФ и сопротивлении изоляции 5 МОм время измерения составляет около 21 с. Погрешность измерения не более 10 %. Устройство имеет два порога аварийной сигнализации - для обесточенной сети и для сети под напряжением, а также два порога предупредительной сигнализации. Пороговые значения могут устанавливаться в пределах от ЮкОм до 500 кОм, конкретные значения устанавливает эксплуатирующая организация.

Характеристики разработанного устройства превосходят существующие аналоги. Наиболее близкими по технической сущности разработанному универсальному устройству измерения сопротивления изоляции являются устройства: ЦМ1628 предприятия ОАО «Приборостроительный завод «Вибратор» (Россия, г. Санкт-Петербург); DCtest2 фирмы Energotest (Польша); IRDH575 фирмы Bender (Германия). В таблице 1 приведены сравнительные характеристики известных устройств.

В заключении приводятся основные результаты, полученные в диссертации.

Рис. 11. Упрощенная схема устройства, подключенного к сети постоянного тока

Таблица 1 -Технические характеристики аналогов универсального устройства

БОе5(2 (Польша) ЦМ1628 (Россия) ПШН575 (Германия)

Диапазон измерения сопротивления изоляции

от 0 до 250 кОм от 0 до 2 МОм от 1 кОм до 10 МОм

Максимальная ёмкость контролируемой сети

100 мкФ 100 мкФ 150 мкФ

Максимальное время измерения

2500 с 24 с 480 с

Максимальная погрешность

15% 10% 20%

В приложениях приведены акты внедрений, таблицы с численными результатами испытаний различных ЭО, результаты аппроксимации тока абсорбции различными функциями, протоколы испытаний разработанного устройства, листинг программы микроконтроллера разработанного устройства, принципиальные схемы разработанных электронных блоков, входящих в состав разработанного универсального устройства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем.

1. Проведен анализ и предложена классификация существующих методов и устройств измерения сопротивления изоляции широкого класса ЭО. Показано, что при больших величинах емкостей ЭО и сопротивлений изоляции существующие средства измерения сопротивления изоляции не обеспечивают требуемого быстродействия и точности. Отсутствуют быстродействующие методы и устройства контроля параметров ЭО, учитывающие влияние токов абсорбции.

2. Предложен быстродействующий метод контроля параметров электроэнергетических объектов постоянного тока, в котором для повышения быстродействия предложено при каждой полярности прикладываемого напряжения производить вычисление установившегося значения измеряемых величин - тока и напряжения, не ожидая окончания переходного процесса. При этом следует применять аппроксимацию экспоненциальной функции по трем ее значениям, измеренным в определенные моменты времени.

3. Проведен теоретический анализ предложенного метода и получены выражения для вычисления погрешностей измерения сопротивления изоляции для различных соотношений времени измерения параметров электроэнергетических объектов. Построены необходимые зависимости, позволяющие создать методику расчета быстродействующих устройств контроля сопротивления изоляции.

4. Разработан адаптивный метод контроля параметров ЭО, который обеспечивает адаптацию времени измерения сопротивления изоляции к величине эквивалентной ёмкости контролируемого объекта.

5. Исследовано влияние токов абсорбции ЭО на процесс измерения сопротивления изоляции и показано, что для уменьшения этого влияния и повышения быстродействия устройств необходимо либо применять высококачественные конденсаторы, имеющие меньшую величину тока абсорбции, либо использовать методы измерения, учитывающие влияние токов абсорбции на процесс измерения.

6. Сравнительный анализ математических моделей аппроксимации тока абсорбции показал, что с целью повышения быстродействия и уменьшения погрешности измерения целесообразно кривую спадания абсорбционного тока аппроксимировать степенной функцией.

7. Разработана методика инженерного выбора метода измерения сопротивления изоляции, учитывающая параметры конкретного ЭО.

8. Разработаны алгоритмы, программы и принципиальные схемы, по которым спроектирован и изготовлен ряд устройств, реализующих предложенные быстродействующие методы измерения сопротивления изоляции, в том числе и учитывающие влияние токов абсорбции. Диапазон изменения сопротивления изоляции 0-5 МОм, ёмкости - 0 — 300 мкФ, погрешность измерений не более 10 %. А время измерительного цикла не превышает 21 с.

9. Разработан ряд упрощенных вариантов устройства - устройство для ЭО постоянного тока с функцией определения ёмкости (без учета тока абсорбции), устройство для ЭО постоянного тока с учетом тока абсорбции, устройство для ЭО переменного тока. Для всех устройств, диапазон изменения сопротивления изоляции при обесточенном ЭО от 0 до 5 МОм, при ЭО под напряжением от 0 до 200 кОм, максимальная ёмкость 300 мкФ. Получен акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс кафедры «Автоматика и телемеханика», а также акт внедрения в разработки ОАО «Приборостроительный завод «Вибратор» (г. Санкт-Петербург).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Лачин, В.И. Быстродействующий метод контроля параметров электроэнергетических объектов постоянного тока / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2013. - № 4. - С. 11-16.

2. Лачин, В.И. Влияние тока абсорбции на процесс измерения сопротивления изоляции / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2013. - № 6. - С. 32-35.

3. Лачин, В.И. Методы и устройства измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов и их классификация / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи и др // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. -2015. -№ 1,- С. 84-89.

4. Лачин, В.И. Быстродействующий метод измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов с учетом токов абсорбции / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, К.У. Нгуен и др. // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего. - 2015. - Т. 1. - № 3(25). - С. 33-38.

Публикации в других изданиях.

5. Соломенцев, К.Ю. Анализ метода ускоренного измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов / К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи, O.A. Новоселова и др.// Моделирование. Теория, методы и средства : материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 27 февр. 2013 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2013. - С. 58-59.

6. Лачин, В.И. Влияние токов абсорбции на измерение сопротивления изоляции / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения : материалы XIII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 23 апр. 2013 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). - Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2013. - С. 31-33.

7. Нгуен Куок Уи. Исследование особенностей измерения сопротивления изоляции электрических сетей / Нгуен Куок Уи, К.Ю. Соломенцев, Д.С. Греховодов // Теория, методы проектирования, программно-техническая платформа корпоративных информационных систем : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 28 мая 2013 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т (НПИ). -Новочеркасск : ЮРГТУ, 2013. - С. 51-53.

8. Лачин, В.И. Ускоренный метод контроля параметров электроэнергетических объектов постоянного тока / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26 : сб. тр. XXVI Междунар. науч. конф., [Н. Новгород, 27-30 мая 2013 г.] : в 10 т. / Саратов, гос. техн. ун-т. - Н. Новгород : Нижегород. гос. техн. ун-т, 2013. - Т. 10. Секц. 12. - С. 71.

9. Лачин, В.И. Интеллектуальное устройство измерения сопротивления изоляции / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи и др // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике : материалы 14-ой Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 14 марта 2014 г. / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ). - Новочеркасск : ЮРГПУ (НПИ), 2014. - С. 10-12.

10. Лачин, В.И. Метод ускоренного измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов на основе экстраполяции тока абсорбции / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи и др // Современные энергетические

системы и комплексы и управление ими : материалы XII Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 25 июня 2014 г. / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ). -Новочеркасск : ЮРГПУ, 2014. - С. 27-29.

П.Лачин, В.И. Устройство измерения сопротивления изоляции и ёмкости электрических сетей / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи и др // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения : материалы XIV Междунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 25 апр. 2014 г. / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ) ; ред. кол.: В.И. Лачин, A.B. Седов. - Новочеркасск : ЮРГПУ (НПИ), 2014. - С. 27-30.

12. Лачин, В.И. Анализ быстродействующего метода измерения установившегося значения тока утечки в электрических проводниках / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи и др // Студенческая научная весна - 2014 : материалы регион, науч.-техн. конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост, обл., 24-25 мая 2014 г. / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ) ; Отв.ред. О. А. Кравченко. - Новочеркасск : ЮРГТУ, 2014. -С. 96-97.

13. Лачин, В.И. Интеллектуальный измеритель параметров электроэнергетических объектов / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи // Микро- и нанотехнологии в электронике. Материалы VI Международной научно-технической конференции — Нальчик: Каб.-Балк. ун-т., 2014. С. 375-379.

14. Лачин, В.И. Повышение быстродействия метода измерения сопротивления изоляции за счет учета токов абсорбции / В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи и др // Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики: материалы 15-ой Междунар. науч-практ. конф., г.Новочеркасск, 26 сент. 2014г./ Юж.-Рос. гос. НПИ- Новочеркасск: ЮРГПУ, 2015.- С. 28-29.

Патент

15. Пат. 149247 РФ на полезную модель, МПК G01R 27/00. Устройство измерения сопротивления изоляции электрических сетей / Лачин В.И., Соломенцев К.Ю., Нгуен Куок Уи, и др. - №2014127026/28; заявл. 02.07,2014;опубл. 27.12.2014, Бюл. № 36. - 7 е.: ил.

Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах:

[1, 5, 7, 8, 9, 12] — разработка математических основ разработанного метода;

[2, 6, 13] — экспериментальные исследования, обработка результатов экспериментов;

[3] - анализ принципов действия существующих методов контроля и измерения сопротивления изоляции;

[4, 17] — разработка принципиальной схемы устройства и программы для микроконтроллера;

[10, 11, 15, 16] — вывод формулы для экстраполяции тока абсорбции;

[14] - разработка алгоритма работы устройства.

Нгуен Куок Уи

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ И ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ДЛЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Автореферат

Подписано в печать 28.04.2015 Формат 60x84 '/ir,. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. неч. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 46-0647.

Отпечатано в издательстве ИД «Политехник» 346428, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru