Измерение сопротивления изоляции ЩПТ

1. Введение.
2. Теория.
3. Блок-схема.
4. Метал.
5. Софт.
6. Настройка.
7. Итого.

1. Введение.

Это страничка расскажет о моём небольшом хобитском проекте. Существует несколько методов измерения сопротивления изоляции шин постоянного тока (далее ЩПТ), и ничего революционного я не привнесу. Метод лаколизован для напряжения 220-240В (180-260В)  Он не претендует готовое отточенное изделее скорее это учёбьно тренировочный полигон, однако приносящий пользу. 
 Отдельные благодарности: Бесарабу Валентину Федоровичу, Сергею Блощиненко и Сергею Якореву.
 Фото макета.

2. Теория.

Существует несколько распространенных методов измерения сопротивления изоляции ЩПТ:
- Метод наложения сигналов переменного тока малой частоты порядка 1 - 10 Гц.
- Метод компенсации постоянной составляющей напряжения фазы относительно земли.
- Метод наложения сигналов постоянного двухполярного тока.
- Метод наложения сигналов постоянного однополярного двухступенчатого тока.

Метод примененный в данном проекте:
На рисунке 1 приведена принципиальная схема измерения сопротивления изоляции.

Рис. 1 Принципиальная схема.
R_из1 и R_из2 - искомые сопротивления изоляции, на каждой из линий относительно земли;
R_д1 и R_д2 - измерительные сопротивления для определения силы тока в плече;
K₁ и K₂ - коммутационные ключи.

Программа измерения:
1. Измеряем напряжение между шинами(+/-), принимаем его как E₀;
2. Замыкаем ключ К₁ и измеряем падение напряжения на  R_д1;
3. Замыкаем ключ К₂ (К₁ возвращён)и измеряем падение напряжения на  R_д2;
4. Рассчитываем общее сопротивление изоляции по формуле 1

Для опыт обычно измерительные сопротивления принимаются равными, поэтому в формуле они заменены на R_д.
5. Определяется взаимная электрическая удалённость точки земли от шин по отношению напряжений U₁ и U₂.

3. Блок-схема.

Для реализации данного измерения используется модель на базе промышленного микроконтроллера ее блок-схема приведена на рисунке 2.

ЦПУ
ШИНА ДАННЫХ
FLASH Память программ	RAM Память данных	ADC Аналого-цифровой преобразователь 10bit	PORT 1 Регистр-защёлка 8 бит	PORT 2 Регистр-защёлка 8 бит	PORT 3 Регистр-защёлка 8 бит	USART Последовательный приёмо-передатчик

Рис. 2 Блок-схема.

Присутствие памяти программ и данных не требует комментариев. ADC(АЦП) необходим для замеров напряжения соответственно алгоритму. Порты 1 и 2 используются для индикации результатов на семисегментных индикаторах, катоды и аноды соответственно. Порт 3 необходим для выхода во внешний мир (телемеханика и т.д.) для индикации критических параметров: падение напряжения на шинах и низкое значение сопротивления изоляции. USART необходим для вывода данных в систему телеизмерений.

4. Метал.

Устройство выполнено на базе микроконтроллера фирмы MicroChip - 16F877. Основными аргументами при выборе контроллера явились: доступная цена, надёжность, доступность информации и программаторов, набор необходимых интегрированных модулей.
Все устройство я разбил на три модуля: блок питания +5 и +14 В, коммутационный блок, центральный блок. Межблочная схема приведена на рисунке 3:

Линии связи Ах это аналоговые каналы служат для измерения трёх основных параметров по методике, электрические сигналы приведены к стандарту 0 - +5В. Линии Rх это управления коммутационными реле.

Блок питания: понятны причины почему он выделен в отдельный юнит, т.к. для того чтобы получить максимальнцю мобильность нам необходимо напитываться с самих же шин постоянного тока что требует импульсного блока питания. Я использовал первый попавшийся имевший два напряжения +5 и +14В, рассчитывать новый ИБП для данного случая пока неимел смысла. Двойное питание необходимо т.к. коммутационные реле работают более высоком напряжении чем контроллер.

Коммутационный модуль: служит для коммутации и преобразования к стандартизованному виду аналоговых сигналов для передачи их АЦП. Принципиальная и монтажная схемы здесь: comm.sch.gif, comm.sch, comm.pcb.gif, comm_2.pcb.gif, comm.pcb. Для данного модуля в комментариях нуждается работа реле. Как видно из схемы в нормальном режиме подключен канал измерения напряжения на шинах. Ноль АЦП подключена к шине '-', измерительный канал через резистивный делитель к шине '+'.
  - Для выполнения шага 2 из методике подключаются реле 1. При этом оно отключает от АЦП канал измерения U шин контактами 1D, подключает измерительную цепь "шина '-' - земля"  контактами 1B, и подключает эту цепь к АЦП контактами 1С. Ноль АЦП подключена к шине '-', измерительный канал через резистивный делитель к 'земле'.
  - Для выполнения шага 3 реле 1 отключается, а реле 2 подключается. При этом оно подключает измерительную цепь "шина '+' - земля"  контактами 2B, и подключает эту цепь к АЦП контактами 2С. И тут один момент - необходимо перебросить ноль АЦП с шины '-' на 'землю', но случае если шина '+' пробила на землю, то произойдет переброс 240 вольт постоянки, что потенциально опасно для АЦП (емкостные токи) и перебросом дуги через контакты реле, для предотвращения этого переброс происходит в два этапа: сначала R3 отключает от '-' и отключает цепь измерения U шин от АЦП  потом R4 подключает на 'землю'.
Реле применены типа РЭС 22 (какие были под рукой :) ),  питание реле разведено на плате, а контактные линии навесом по этой схеме.

Чего то обленился дальше давать описание, поэтому пока в кратце. Будут вопросы расскажу . . . 

Центральный модуль: Принципиальная и монтажная схемы здесь: main.sch.gif, main.sch, main.pcb.gif, main_2.pcb.gif, main.pcb.

5. Софт.

Архив с исподниками лежит здесь.

6. Настройка.

Вся настройка сводиться к тому чтобы без установленного процессора подобрать подстроенными резисторами делители напряжения. Далее провести более точную настройку опытным путем включая известное сопротивление поочередно в одно плечё.

7. Итого.

Итого получили устройство пригодное к промышленной эксплуатации. Пути развития - остался не задействованным последовательный порт, и не реализована функция самописца (часы + EEPROM). Ну а там как фантазия пойдёт . . .