CC BY
32
УДК 621.316.92
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ТОКОВ УТЕЧКИ И СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЦЕПЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА1
Н. В. Штабель, И. О. Нефедьев
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматривается система, обеспечивающая контроль снижения сопротивления изоляции в сетях постоянного тока с несколькими источниками, что актуально при наземных испытаниях электрооборудования космических аппаратов.
Ключевые слова: ток утечки, сопротивление изоляции, аварийное отключение, система электропитания, датчик токов утечки.
SPACECRAFT POWER SUPPLY SYSTEM LEAKAGE CURRENT AND INSULATION RESISTANCE DETECTION AND MEASUREMENT SYSTEM
N. V. Shtabel, I. O. Nefedev
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
Keywords: leakage current, insulation resistance, emergency shutdown, power supply system, sensor leakage currents.
This paper considers the system, which provides detection of the insulation resistance in DC circuits with multiple sources, which is important during ground tests of spacecraft power system.
В ходе испытаний электрооборудования космического аппарата (КА) возможно нарушение целостности изоляции токоведущих шин и замыкание их на корпус. Это может угрожать жизни и здоровью персонала, а также привести к аварийной ситуации и повреждению дорогостоящего оборудования, поэтому обнаружение токов утечки и нарушения целостности изоляции необходимо для обеспечения безопасности жизни персонала и предотвращения сбоя или аварии системы электропитания КА.
Для обнаружения токов утечки в сетях переменного тока давно и успешно используется устройство защитного отключения (УЗО), а также реле контроля изоляции (РКИ), основанные на хорошо отработанных методах [1; 2] однако для сетей постоянного тока с большим количеством источников и потребителей защитные устройства мало распространены из-за сложности обнаружения и измерения токов утечки. К недостаткам указанных методов также относится гальваническая связь между силовыми и измерительными цепями.
Предлагаемая система измерения и контроля токов утечки, и сопротивления изоляции (СКТУ) основана на применении бесконтактных датчиков малых токов на основе эффекта Холла, и позволяет обнаруживать снижение сопротивления изоляции на нескольких линиях, работать в сетях с объединенными минусовыми шинами, защищать источники при коротком замыкании шин на корпус. Структура системы электропитания с установленной СКТУ показана на рис. 1.
СКТУ состоит из: датчиков напряжения и тока утечки (ДНТУ), энергопреобразующей аппаратуры КА (ЭПА), прерывателя тока короткого замыкания (ПТКЗ), блока управления, контроля
4 Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0082).
Уникальный идентификатор КРМЕР157714Х0082.
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1
и сигнализации (БУКС), энергосберегающего комплекса модульного типа (ЭСКМТ). ЭСКМТ включает в себя имитатор солнечной батареи (ИСБ), имитатор аккумуляторной батареи (ИАБ), нагрузочное устройство (НУ). ЭПА может работать в двух режимах: с гальванически развязанной от корпуса шиной «-»; с шиной «-» соединенной с корпусом. СКТУ обеспечивает измерение токов утечки и сопротивлений изоляции в обоих режимах.
Рис. 1. Структурная схема системы в пакете Micro-Cap
БУКС представляет блок сбора данных с ДНТУ (до 16 каналов) и вычисления значений сопротивления изоляции и тока утечки на каждой из контролируемых линий, которые впоследствии передаются на управляющий ПК. После получения данных оператор может увидеть снижение сопротивления изоляции на конкретной линии и своевременно принять меры по устранению аварий.
ПТКЗ предназначен для отключения тока превышающего допустимую величину протекающего при замыкании любой из шин «+», на корпус, что исключает возможность повреждений оборудования при коротких замыканиях. Время срабатывания ПТКЗ не превышает 20 мкс. ПТКЗ содержит ДТУ, а также датчик больших токов, ключи К1 и К2, необходимые для переключения режимов испытаний ЭПА.
Структура ДНТУ показана на рис. 2, ДНТУ состоит из: микроконтроллера (МК), датчика малых токов на основе эффекта Холла (ДТУ), блока питания (БП), делителя напряжения (ДН), модуля связи по CAN-шине (CAN), реле и резисторов К1...К4, R1...R4. МК получает данные с ДТУ и ДН, которые затем передаются в БУКС в цифровом виде по шине CAN. Реле К1-К4 с дополнительными сопротивлениями R1-R4 предназначены, для создания контура протекания токов утечки, при некоторых режимах работы (например, при гальванически развязанных от корпуса шинах «+» и «-»).
Рис. 2. Структурная схема ДНТУ
В ходе проектирования была разработана модель СКТУ в пакете Micro-Cap, с помощью которой были отработаны алгоритмы определения снижения сопротивления изоляции и вычисления его величины на любой из контролируемых шин. Разработан макет ДНТУ на основе микроконтроллера CypressCY8C4247AZI [3].
На рис. 1 показан пример измерения тока утечки СКТУ на выходной шине ЭПА (Яут = 200 кОм), смоделированный в пакете Micro-Cap. При снижении сопротивления изоляции Яут. разность токов в шинах «+» и «-» данной линии станет отличной от нуля, так как ток утечки через Яут. протекает по цепи «шина+»-«корпус»-ПТКЗ-«шина-», минуя ДНТУ. БУКС получив показания ПТКЗ и значения напряжения линии ЭПА (иЭПА = 100 В) и тока утечки ДТУ (1дту = 499,99 мкА) с ДНТУ4 вычислит значение сопротивление изоляции на линии по формуле: ЯУТ = иИБС/1ДтУ = = 100/499,99-10-6 = 200 кОм.
Разработанная система может быть использована не только при испытаниях СЭП КА, но и в других разветвленных сетях постоянного тока для защиты человека и потребителей от возникновения токов утечки и снижения сопротивления изоляции.
Библиографические ссылки
1. Новости электротехники. № 6(69). [Электронный ресурс]. URL: http://www.news.elteh.ru/ arh/2002/13/22.php (дата обращения 22.03.2016).
2. Способ измерения сопротивления изоляции в цепях постоянного тока: пат. 2384855 Рос. Федерации. МПК51 G01R27/18/ заявитель и патентообладатель С. В. Романов. № 2008150009/28 ; заяв. 17.12.2008; опубл. 20.03.2010. Бюл. № 8. 8 с.
3. CYPRESS [Электронный ресурс]. URL: http://www.cypress.com/part/cy8c4247azi-m485 (дата обращения: 22.03.2016).
© Штабель Н. В., Нефедьев И. О., 2016
