CC BY
38УДК 621.311.69
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ БЕСКОНТАКНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОСТОЯННОГО ТОКА В УСТРОЙСТВЕ контроля сопротивления изоляции
Н. В. Штабель*, Л. А. Самотик, Е. А. Мизрах
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Авторами проведено исследование феррозондовых датчиков малых токов для применения в устройствах контроля сопротивления изоляции сетей постоянного тока, предложен метод коррекции характеристики датчиков с целью повышения точности.
Ключевые слова: феррозонд, ток утечки, сопротивление изоляции, датчик тока утечки.
ACCURACY IMPROVEMENT METHOD FOR CONTACTLESS DIFFERENTIAL DIRECT CURRENT
MEASUREMENT IN INSULATION RESISTANCE MONITORING SYSTEM
N. V. Shtabel*, L. A. Samotik, E. A. Mizrakh
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
*E-mail: [email protected]
Authors study fluxgate current sensors for insulation resistance measurement in direct current circuits; the research proposes characteristic correction method to improve accuracy.
Keywords: fluxgate, leakage current, insulation resistance, leakage current sensor.
Нарушение целостности изоляции токоведущих шин и замыкание их на корпус является одной из основных причин отказа электрооборудования космического аппарата (КА) [1]. В настоящее время широко применяется контроль сопротивления изоляции с помощью мега- и тераомметров до начала проведения испытаний, но этого может быть недостаточно, поскольку увеличение токов утечки часто связано с деградаци-онными процессами и их можно отнести к проявлению постепенных отказов. Непрерывный контроль сопротивления изоляции в процессе испытаний позволяет обнаружить такие скрытые постепенные отказы и предотвратить аварию или сбой.
Для обнаружения токов утечки в устройстве контроля сопротивления изоляции [2] на каждой из контролируемых линий устанавливаются датчики напряжения и токов утечки (ДНТУ), включающие в себя бесконтактный датчик тока, датчик напряжения и микроконтроллер, который обрабатывает измерения. К особенностям устройства контроля сопротивления изоляции можно отнести широкий диапазон напряжений на контролируемых линиях (0-200 В) и токов линий (0-150 А). При этом устройство контроля сопротивления изоляции должно обеспечивать погрешность измерения сопротивления не более чем 20 % [3].
Датчик, применяемый для измерения малых токов, устанавливается на каждой контролируемой линии и измеряет разность токов, протекающих из источника в нагрузку и обратно (т. е. дифференциальный постоянный ток), при этом величина тока может состав-
лять от единиц микроампер до сотен миллиампер. Выбранный датчик малых токов [4] основан на принципе магнитной модуляции [5]. Для оценки погрешности измерения токов утечки и динамических характеристик датчика было произведено исследование датчика.
В ходе испытаний датчика была обнаружена дополнительная погрешность, обусловленная током нагрузки, протекающим в прямом и обратном направлении. Для оценки погрешности был проведен отдельный эксперимент, при этом через датчик пропускались плюсовой и минусовой провода от источника, источник работал в режиме стабилизации тока. Был исследован диапазон токов от 0 до 150 А, при этом исследовалось как прямое протекание тока, так и обратное (когда ток в плюсовом и минусовом проводниках менял направление). Результаты исследования показаны на рис. 1.
Из рис. 1 видно, что при протекании больших токов приведенная погрешность измерения дифференциального тока может составлять более 5 %, при этом собственная погрешность датчика, заявленная производителем, составляет 1 %.
Также были произведены исследования частотных характеристик датчика.
Частота среза датчика равна 2 Гц, что соответствует частоте заявленной производителем. При этом, линейность АЧХ в пределах полосы пропускания составляет не более 0,5 дБ.
Для коррекции смещения нуля была предложена модернизированная схема датчика напряжения и токов утечки, показанная на рис. 3.
Контроль и испытания ракетно-космической техники
Рис. 1. Составляющая приведенной погрешности, зависящая от величины тока нагрузки
Рис. 2. Частотные характеристики датчика малых токов
Рис. 3. Структурная схема модернизированного датчика напряжения и токов утечки: МК - микроконтроллер; БП - блок питания; ДТ - датчик тока нагрузки; ДТУ - датчик тока утечки; ИНД - индикация; ВВ - устройство ввода
В предложенной схеме дополнительно введен датчик тока нагрузки, по показаниям которого можно скорректировать показания датчика тока утечки используя предварительно полученную нелинейную зависимость смещения сигнала датчика малых токов от тока нагрузки с помощью микроконтроллера.
Предложенная схема коррекции позволяет уменьшить влияние тока нагрузки на погрешность датчика малых токов до ±1 %. При этом возможно использовать датчик тока нагрузки для реализации дополнительных функций, таких как защитное размыкание при превышении током нагрузки заданной величины, что расширяет диапазон реализуемых устройством функций.
Библиографические ссылки
1. Федосов В. В. Надежность систем автоматического управления. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2015. 359 с.
2. Штабель Н. В., Мизрах Е. А., Ушаков А. В. Система контроля токов утечки и сопротивления изоляции для системы электропитания космического аппарата // Решетневские чтения : материалы XX Юбилейной междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева (09-12 нояб.2016, г. Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск,2016. Ч. 1. 676 с.
3. ГОСТ Р МЭК 61557-2-2005. Сети электрические распределительные низковольтные напряжением до 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного тока. Электробезопасность. Аппаратура для испытания, измерения или контроля средств защиты. Ч. 2. Сопротивление изоляции. М. : Стандартинформ, 2006. 4 с.
4. Датчик SLD1 [Электронный ресурс]. URL: http://ldtn.ru/system/product/168/SLD1.pdf (дата обращения: 01.09.2017).
5. Ponjavic M. M., Duric R. M. Nonlinear Modeling of the Self-Oscillating Fluxgate Current Sensor // IEEE Sensors Journal, 2007. Т. 7, № 11. С. 1546-1553.
References
1. Fedosov V. V. Nadezhnost' sistem avtomatiches-kogo upravleniya [Automatic control systems reliability]. Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2015. 359 p. (In Russ.)
2. Shtabel'N. V., Mizrakh E. A., Ushakov A. V. Sistema kontrolya tokov utechki i soprotivleniya izolyatsii dlya sistemy elektropitaniya kosmicheskogo apparata [Spacecraft power supply system leakage current detection and insulation resistance measurement system]. Re-shetnevskie chteniya : materialy XX Yubileynoy mezhdunar. nauch.-prakt. konf., posvyashch. pamyati general'nogo konstruktora raketno-kosmicheskikh sistem akademika M. F. Reshetneva (09-12 noyab. 2016, g. Krasnoyarsk), 2016. Vol. 2. Pat.1. Pp. 466-467.
3. GOST R MEK 61557-2-2005. Seti elektricheskie raspredelitel'nye nizkovol'tnye napryazheniem do 1000 V peremennogo toka i 1500 V postoyannogo toka. Elek-trobezopasnost'. Apparatura dlya ispytaniya, izmereniya ili kontrolya sredstv zashchity [Electrical safety in low voltage distribution systems up to 1000 V a. c. and 1500 V d. c. Equipment for testing, measuring or monitoring of protective measures]. M. : Standartinform Publ., 2015. 34 p.
4. SLD1 sensor [Электронный ресурс]. URL: http://ldtn.ru/system/product/168/SLD1.pdf. (accessed: 01.09.2017).
5. Ponjavic M., R. Duric M. Nonlinear Modeling of the Self-Oscillating Fluxgate Current Sensor // IEEE Sensors Journal, 2007. Vol. 7, No. 11. Рp. 1546-1553.
© Штабель Н. В., Самотик Л. А., Мизрах Е. А., 2017
