УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТОКА УТЕЧКИ В НАГРУЗКЕ ОДНОФАЗНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для автоматического бесконтактного определения наличия в реальном масштабе времени тока утечки в нагрузке однофазного мостового выпрямителя переменного тока при уменьшении величины ее сопротивления изоляции.

Наличие тока утечки считается крайне нежелательным явлением в электрооборудовании. Он возникает в случае существенного снижения сопротивления изоляции в токонесущих жилах кабелей электроустановок (нагрузки). Данный факт ухудшает энергетические характеристики оборудования. Если же ток утечки продолжает возрастать (по причине уменьшения сопротивления изоляции), то может произойти короткое замыкание между токонесущими жилами или одной из жил и корпусом, что может привести к выходу из строя всей аппаратуры.

В этой связи проблема своевременного выявления факта наличия токов утечки в электроустановках является весьма актуальной. Особенно эта задача важна для специального оборудования, эксплуатация которого связана с риском возникновения аварийных ситуаций с тяжелыми последствиями. Например, появление потенциала (тока утечки) на корпусе электроустановок, работающих с агрессивными жидкостями или взрывоопасными веществами, может привести к нарушению процессов управления и защиты, образованию ложных цепей срабатывания аппаратуры, появлению искрообразования и т.д., что, в свою очередь, может привести к катастрофическим последствиям.

На практике в подавляющем большинстве случаев возникает необходимость определения именно факта появления данного паразитного тока. И только после этого в отдельных случаях возникает необходимость непосредственно измерения значения тока утечки или значения соответствующего сопротивления изоляции.

В качестве измерителей малых токов в электрооборудовании широко применяются различного рода гальванометры, механические (электростатические) и динамические электрометры [1]. Наряду с высокой точностью измерений и высокой чувствительностью отличительной особенностью этих устройств является сложность конструкций и алгоритмов реализации измерений, дороговизна, а также необходимость электрического контакта измерительных цепей приборов с объектом контроля.

Известен способ определения сопротивления путей утечки тока на землю в электрических системах [2], в котором предполагается целый ряд замеров токов утечки на землю и общего тока системы, составление громоздкой системы линейных уравнений по количеству электрических цепей с последующим ее решением, в ходе которого определяется ток утечки. Недостатками способа являются сложность реализации алгоритма определения сопротивления изоляции, а также необходимость обеспечения гальванической связи между контролирующей аппаратурой и электрической системой.

Известен способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети [3], в котором предполагается наличие дополнительного источника измерительного напряжения в форме периодической последовательности импульсов определенной формы, измерение тока утечки за два соответствующих интервала, вычисление сопротивления изоляции по формуле, сравнение полученного значения с заданными значениями сопротивлений. Недостатками способа являются также сложность реализации и необходимость наличия гальванической связи между контролирующей аппаратурой и электрооборудованием.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ обнаружения токов утечки, возможности их появления и поиска мест их возникновения в системах электроснабжения [4]. Изобретение предназначено для обнаружения токов утечки и поиска мест их возникновения в системах электроснабжения, имеющих разветвленные участки. Устройство, реализующее данный способ, состоит из генератора сигналов звуковой частоты, индукционного датчика и датчика тока. Способ предполагает, в частности, измерение дисбалансов токов в подводящем кабеле электропитания и отходящих кабелях электропитания нагрузок. Достоинством способа является относительная простота его реализации, т.к. он не измеряет значение тока утечки или сопротивление изоляции, а только лишь определяет факт наличия этого тока.

Недостатком прототипа является контактный способ обнаружения тока утечки в кабеле, т.е. необходимость обеспечения гальванической связи устройства, реализующего способ, с объектом контроля.

Целью изобретения является контроль наличия тока утечки в нагрузке однофазного мостового выпрямителя бесконтактным способом в режиме реального времени.

Известно [5], что бесконтактные способы контроля работоспособности тех или иных устройств обладают целым рядом существенных достоинств по сравнению с контактными способами:

- в контролируемых устройствах не происходит каких-либо изменений, влияющих на их основные параметры и характеристики;

- появляется возможность по косвенным признакам обнаруживать в устройствах скрытые дефекты либо выявлять особенности, влекущие за собой потенциальные неисправности контролируемых устройств;

- появляется возможность получать информацию о техническом состоянии объекта контроля в реальном масштабе времени.

Кроме того, устройство [6], реализующее один из бесконтактных способов, позволяет достичь высокой точности измерения параметров токов и напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве производится анализ информационного содержания выходных сигналов двух датчиков напряженности внешнего магнитного поля, размещенных на токоподводящем и токоотводящем проводах, подключающих нагрузку к однофазному мостовому выпрямителю, при этом в качестве информационного параметра используются амплитуды спектральных составляющих сигналов датчиков, равных 2ω (ω - частота питающего выпрямителя входного напряжения), которые после усиления выделяются с помощью узкополосных фильтров. Факт появления на выходе устройства сравнения разностного сигнала амплитуд спектральных составляющих сигналов датчиков напряженности и будет свидетельствовать о появлении тока утечки в нагрузке однофазного мостового выпрямителя.

В рассматриваемом устройстве получение информации о наличии тока утечки производится бесконтактно, на основе анализа спектрального состава выходных сигналов двух датчиков напряженности внешнего магнитного поля, размещенных на токоподводящем и токоотводящем проводах, подключающих схему выпрямления к нагрузке. Для решения этой задачи может быть использован широкий круг магниточувствительных датчиков (индукционных, магнитодиодных, основанных на эффекте Холла и др.). Выбор типа датчика может определяться разными факторами: обеспечения необходимой чувствительности измерений, особенностями и удобством размещения (крепления), стоимостными соображениями и т.п. В качестве такого датчика для реализации предлагаемого изобретения может быть использован универсальный комплексный измерительный преобразователь параметров токов и напряжений при работе электрооборудования различного назначения [6], отвечающий критериям чувствительности, удобства установки и дешевизны.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства контроля тока утечки в нагрузке однофазного выпрямителя. В состав устройства входят два датчика напряженности внешнего магнитного поля 1₁ и 1₂ (Д1 и Д2), каждый из которых состоит из чувствительного элемента (ЧЭ), размещенного в микроиндуктивном соленоиде-концентраторе из нескольких витков провода, намотанного на диэлектрическую цилиндрическую трубку. Данные датчики подключены по схеме трансформатора тока соответственно в токоподводящий и токоотводящий провода, соединяющие однофазный мостовой выпрямитель 2 и нагрузку 3. Выходы чувствительных элементов датчиков 1₁ и 1₂ связаны с соответствующими усилителями 4₁ и 4₂ (У1 и У2), выходы которых подключены к входам узкополосных фильтров 5₁ и 5₂ (Ф1 и Ф2). Выходы узкополосных фильтров связаны соответственно с первым и вторым входами устройства сравнения 6 (УС), выход которого в свою очередь связан с индикатором 7 (И).

Устройство контроля тока утечки в нагрузке однофазного выпрямителя работает следующим образом.

Входное однофазное переменное питающее напряжение ~u_П преобразуется (повышается или понижается) трансформатором Тр и прикладывается к входу мостового выпрямителя 2. Выпрямленный пульсирующий ток протекает по цепи: (+) выпрямителя 2, соленоид-концентратор датчика 1₁, нагрузка 3, соленоид-концентратор датчика 1₂, (-) выпрямителя 2.

В датчике 1₁ провод, образующий соленоид-концентратор, является токоподводящим и по нему протекает ток I_ПОД, а в датчике 1₂ аналогичный провод является токоотводящим и по нему соответственно протекает ток I_ОТВ. Внешние магнитные поля, создаваемые этими токами, индуцируют в датчиках Д1 и Д2 электродвижущую силу (эдс), в результате чего чувствительные элементы датчиков сформируют сигналы, пропорциональные величине протекающих по проводам токов. После усиления в усилителях 4₁ и 4₂ эти сигналы поступают на узкополосные фильтры 5₁ и 5₂, настроенные на частоту 2ω, где происходит выделение амплитуд спектральной составляющей сигналов с данной частотой.

В том случае, если ток утечки в нагрузке отсутствует, т.е. I_ПОД=I_ОТВ (или I_ПОД-I_ОТВ=0), то амплитуды спектральных составляющих с частотой 2ω сигналов датчиков также будут равны, и разностный сигнал на выходе устройства сравнения 6 будет отсутствовать. Индикатор 7 не сработает.

В том случае, если в нагрузке появляется ток утечки I_УТ, то по первому закону Кирхгофа I_ПОД>I_ОТВ или I_ПОД=I_0TB+I_УТ. Тогда величина амплитуды спектральной составляющей с выхода датчика Д₂, размещенного на токоотводящем проводе, будет меньше величины амплитуды спектральной составляющей с выхода датчика Д₁, размещенного на токоподводящем проводе, на величину, пропорциональную значению тока утечки I_УТ. В результате сравнения этих амплитуд на выходе устройства сравнения 6 появится разностный сигнал, фиксируемый индикатором 7. Срабатывание индикатора 7 (например, загорание светодиода или включение источника звука) и означает появление в нагрузке (электрооборудовании, питающемся от выпрямителя) паразитного тока утечки.

Таким образом, предлагаемое устройство с высокой достоверностью и точностью бесконтактно определяет факт наличия тока утечки в электрооборудовании, питающемся от однофазного мостового выпрямителя.

К тому же данное устройство очень просто, а поэтому удобно в эксплуатации: его несложно подключить к уже существующей в объекте системе контроля токов утечки путем простого наматывания соответствующих питающих проводов на датчики напряженности магнитного поля.

Источники информации

1. Грибанов Ю.И. Измерение слабых токов, зарядов и больших сопротивлений. М.-Л., Госэнергоиздат, 1962.

2. Седов А.В., Лачин В.И., Малина А.К. Способ определения сопротивления путей утечки тока на землю в электрических системах. Патент РФ на изобретение №2010247, 1994.

3. Малафеев СИ., Мамай B.C. и др. Способ контроля сопротивления изоляции и защиты электрической сети. Патент РФ на изобретение №2144679, 2000.

4. Григорьев О.А., Петухов B.C., Соколов В.А. Способ обнаружения токов утечки, возможности их появления и поиска мест их возникновения в системах электроснабжения. Патент РФ на изобретение №2208233, 2003 (прототип).

5. Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества. М.: Высшая школа, 1982.

6. Сукиязов А.Г., Просянников Б.Н. и др. Комплексный измерительный преобразователь параметров токов и напряжений при работе электрооборудования различного назначения. Патент РФ на полезную модель №100291, 2010.