CC BY
32Системы управления, космическая навигация и связь
УДК 621.311.69
ВЫБОР ДАТЧИКОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В УСТРОЙСТВАХ ЗАЩИТНОЙ АВТОМАТИКИ
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: shtabnik@gmail.com
Авторами сформулированы требования к датчикам малых постоянных токов, применяемых в устройствах защитной автоматики при испытаниях системы электропитания космического аппарата, проведен анализ серийно выпускаемых датчиков, предложена схема датчика тока, удовлетворяющая требованиям.
Ключевые слова: защитная автоматика, ток утечки, сопротивление изоляции, датчик тока, система электропитания, разностный ток, феррозонд.
SELECTION OF DIRECT CURRENT SENSORS FOR AUTOMATIC PROTECTION DEVICES
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: shtabnik@gmail.com
Authors proposed requirements for small direct current sensors used in automatic protection devices during spacecraft power system test, provide analysis of commercially available sensors, proposed schematics of current sensor which satisfies the requirements.
Keywords: protection devices, leakage current, insulation resistance, current sensor, power system, differential current, fluxgate.
В настоящее время одной из важнейших задач в отрасли является повышение срока активного существования космического аппарата (КА) на орбите. Это достигается сразу несколькими методами, включая резервирование подсистем, повышение коэффициентов запаса при расчетах оборудования, повышением качества наземного тестирования подсистем КА.
Для улучшения массогабаритных характеристик КА за счет снижения массы проводников в системе электропитания (СЭП) предусматривается переход на шину питания 100 В с постепенным отказом от применявшейся ранее шины 27 В. Среди недостатков можно отметить повышенные требования к качеству изоляции токоведущих шин и необходимость контроля сопротивления изоляции на всех этапах испытаний СЭП КА.
Требования к изоляции шин обусловлены применением в платформе КА связи одной из шин питания (обычно минусовой) с корпусом, что сделано в целях исключения пробоя токоведущих шин на корпус при накоплении им потенциала. Однако, это приводит к возможности возникновения нежелательных токов утечки или короткого замыкания при контакте плюсовых шин с корпусом, что может легко произойти в случае повреждения сопротивления изоляции.
С целью контроля сопротивления изоляции авторами было разработано и испытано устройство контроля сопротивления изоляции (УКИЗ) [1], применяемое в стенде для испытаний СЭП КА.
Методика измерения сопротивления изоляции, применяемая в устройстве, основана на измерении разностных токов в каждой из токоведущих шин. При появлении любой утечки на корпус разность токов в плюсовой и минусовой шинах будет отлична от нуля, что позволяет оценить сопротивление изоляции шины и предотвратить аварийную ситуацию.
В УКИЗ в качестве датчиков дифференциального тока используются бесконтактные датчики с кольцевым магнитопроводом [2]. Это позволяет измерять разность токов в двух шинах с высокой точностью, которая достигает десятков микроампер, при этом величина токов, протекающих через шину, практически не имеет значения.
Разработанное устройство на текущий момент обеспечивает только функцию контроля, и предупреждает оператора испытаний об аномальном снижении сопротивления изоляции. Дальнейшим развитием устройства является защитное отключение линии при обнаружении тока утечки или снижения сопротивления изоляции.
Реализация функции защитного отключения требует повышенных требований к датчикам тока утечки, в частности низкого времени переходного процесса. Это связано с требованиями к временной задержке на отключение линии в случае аварии, которая может составлять десятки микросекунд для защиты оборудования от повреждения и десятки миллисекунд [3] для защиты человека при контакте с токоведущими шинами.
Решетневскуе чтения. 2018
Характеристики датчиков тока
Показатели SLD1- LEM LEM CT 100 mA
100 mA CTSR-0.3P CT 0.1-P
Диапазон измеряемых токов 1ном, мА ±100 ±300 ±100 ±100
Минимальный измеряемый ток, мкА 10 500 100 100
Диаметр отверстия, мм 20 20 20 25
Приведенная погрешность отн. 1ном 0,1 % 1,9 % 1,5 % 3 %
Время реакции, мс 500 0,05 60 400
Полоса пропускания, Гц 3 3 500 7 000 20
Авторами был проведен анализ серийно выпускаемых датчиков малых постоянных токов, датчики выбирались исходя из следующих критериев: диапазон измеряемых токов: 0...100 мА; минимальный измеряемый ток: 0.100 мкА; кольцевой магнитопровод диаметром не менее 20 мм; приведенная погрешность не более 5 %.
Для сравнения были выбраны 4 датчика: 8ЬБ1-100 шЛ [2], ЬБЫ СТ8Я-0.3Р [4], ЬБЫ СТ 0.1-Р [5], СТ 100 шЛ [6], характеристики датчиков приведены в таблице.
Основным требованием к датчикам является диапазон измеряемых токов, который для измерения сопротивления изоляции величиной 1. 1000 кОм при напряжении линии 100В составляет 0,1.100 мА, а также время реакции, которое должно быть не более 30 мс для защиты человека.
Из данных таблицы видно, что датчики 8ЬБ1-100 шЛ, ЬБЫ СТ 0.1-Р, СТ 100 шЛ обеспечивают достаточный диапазон измерения токов, однако их время реакции больше, чем требуется. В то же время быстродействующий датчик ЬБЫ СТ8Я-0.3Р обеспечивает низкое время срабатывания, однако его рабочий диапазон начинается с 0,5 мА, что ограничивает верхний предел измерения сопротивления изоляции. Для более низких напряжений линии (например, для солнечной или аккумуляторной батареи) нижний рабочий диапазон по токам может быть ещё меньше.
Авторами было принято решение разработать собственный датчик тока, который будет удовлетворять всем требованиям, приведенным выше. После исследования применяемых схем датчиков тока, была выбрана схема на основе магнитной модуляции. К достоинствам схемы можно отнести большую чувствительность по сравнению с датчиками на основе элементов Холла, очень малое смещение нуля, относительную простоту реализации. В разрабатываемом датчике применяется цифровая обработка сигнала для повышения быстродействия. В настоящий момент авторами изготовлен макетный образец датчика, погрешность измерения токов составляет ±50 мкА, время реакции 15 мс, полоса пропускания 100 Гц.
Библиографические ссылки
1. Киселев П. В., Штабель Н. В. Устройство для непрерывного контроля сопротивления изоляции в процессе испытаний системы электропитания космического аппарата // Тез. докл. XXI Науч.-техн. конф. молодых ученых и специалистов РКК «Энергия» имени С. П. Королёва [Электронный ресурс].
URL: https://conf.energia.ru/images/tezis-2.pdf (дата обращения: 01.09.2018).
2. Датчик SLD1 [Электронный ресурс]. URL: http://ldtn.ru/system/product/168/SLD1.pdf (дата обращения: 01.09.2018).
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 LEM CTSR-0.3P [Электронный ресурс]. URL: http ://www .maglem.ru/pdf/CTSR%200. 3-P-SP1 % 20Dev.pdf (дата обращения: 01.09.2018).
5. Датчик LEM CT-0.1P [Электронный ресурс]. URL: http://www.europowercomponents.com/media/ uploads/CT0.4-P.pdf (дата обращения: 01.09.2018).
6. Датчик CT 100 mA [Электронный ресурс]. URL: http://www.cy-sensors.com/CY-LeakageCurrent.htm (дата обращения: 01.09.2018).
References
1. Kiselev P. V., Shtabel' N. V. Ustrojstvo dlya ne-preryvnogo kontrolya soprotivleniya izolyatsii v protsesse ispytanij sistemy ehlektropitaniya kosmicheskogo apparata [Spacecraft power supply system continuous insulation resistance measurement system]. Tezisy dokladov XXI Nauchno-tekhnicheskoj konferentsii molodykh uchenykh i spetsialistov RKK "Energiya" imeni S. P. Korolyova. Available at: https://conf.energia. ru/images/tezis-2.pdf (accessed: 01.09.2018).
2. SLD1 sensor. Available at: http//ldtn.ru/system/ product/168/SLD 1.pdf (accessed: 01.09.2018).
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. LEM CTSR-0.3P sensor. Available at: http://www. maglem.ru/pdf/CTSR%200.3 -P-SP 1%20Dev.pdf (accessed: 01.09.2018).
5. LEM CT-0.1P sensor. Available at: http://www. europowercomponents.com/media/uploads/CT0.4-P.pdf (accessed: 01.09.2018).
6. CT 100 mA sensor. Available at: http://www.cy-sen-sors.com/CY-LeakageCurrent.htm (accessed: 01.09.2018).
© Штабель Н. В., Самотик Л. А., Мизрах Е. А., 2018
