IMPROVEMENT OF INSULATION RESISTANCE MEASUREMENT ACCURACY DURING SPACECRAFT POWER SYSTEM TESTS

全文:

Введение. Одной из особенностей системы электро- питания (СЭП) космического аппарата (КА) является связь силовой токоведущей шины (обычно шины «минус») с корпусом. В ходе испытаний электрообо- рудования КА возможно нарушение целостности изо- ляции шин и замыкание их на корпус. При этом на- пряжение на силовых шинах может достигать 200 В, величина токов при коротком замыкании может составлять до 100-150 А. Это может угрожать жизни и здоровью персонала, а также привести к аварийной ситуации и повреждению дорогостоящего оборудова- ния, поэтому обнаружение токов утечки и контроль целостности изоляции необходимы для обеспечения безопасности персонала и предотвращения повреждения оборудования КА и испытательного оборудования [1]. В настоящее время при испытаниях энергопреобра- зующей аппаратуры (ЭПА) КА широко применяется контроль сопротивления изоляции, проводимый до начала испытаний с помощью внешних источников контрольного тока, например мегаомметром [2]. Однако такой метод имеет ограниченное применение, так как при наличии в системе электропитания ключей для коммутации источников питания и нагрузок такой метод позволяет лишь оценить сопротивление изоляции соединительных проводов и не охватывает возможные утечки в полезной нагрузке и первичных источниках питания. Существуют методы контроля сопротивления изоляции, основанные на измерении напряжения между плюсовыми шинами системы и корпусом, однако их область применения также ограничена, поскольку в этом случае определяется только экви- валентное сопротивление изоляции всех линий отно- сительно корпуса, но отсутствует информация о сопро- тивлении изоляции каждой линии, следовательно, локализовать аварийную линию затруднительно [3-6]. Также этот класс методов не позволяет получить информацию о сопротивлении между шиной «минус» и корпусом. Предлагаемый метод контроля сопротивления изоляции основан на бесконтактном измерении токов утечки с помощью датчиков постоянного тока на основе магнитной модуляции [7; 8]. В основу метода поло- жен принцип измерения дифференциальных токов каждой из шин питания, появляющихся при снижении сопротивления изоляции [9]. На каждую из контроли- руемых шин питания устанавливается датчик, через магнитопровод которого продеваются плюсовая и минусовая шины так, что датчик измеряет разность токов, протекающих в нагрузку из источника и обратно. В случае возникновения электрической связи между плюсовой шиной и корпусом через сопротивление изоляции Rут, ток утечки будет протекать в источник через корпус, следовательно, ток, протекающий из нагрузки в источник, окажется меньше - датчик покажет разность токов. Зная величину тока утечки и напряжения линии, можно вычислить сопротивле- ние утечки Rут [10]. Структура предлагаемого устройства. Структу- ра рабочего места испытаний ЭПА с устройством контроля сопротивления изоляции на основе предла- гаемого метода показана на рис. 1. Рис. 1. Структура рабочего места испытаний ЭПА с устройством контроля сопротивления изоляции Fig. 1 Structure of spacecraft energy conversion equipment test bench with automatic insulation resistance continuous monitoring device В составе рабочего места используются ИБС1- ИБС4 - имитаторы солнечной батареи, ИАБ - имитатор аккумуляторной батареи, Н1-Н4 - нагрузки, ЭПА - испытываемая энергопреобразующая аппаратура. Устройство контроля сопротивления изоляции состоит из следующих модулей: ДНТУ1-ДНТУ10 - датчики напряжения линий и токов утечки; ПТКЗ - прерыватель тока короткого замыкания; БУКС - блок управления, контроля и сигнализации. Предлагаемый метод позволяет непрерывно кон- тролировать сопротивление изоляции плюсовых шин в имитаторах первичных источников электроэнергии (ИПИЭ) ИБС1-ИБС4, ИАБ и нагрузках Н1-Н4 в про- цессе испытаний, а также соединительных кабелей на участках от модулей ИПИЭ до ДНТУ и от нагрузки до ДНТУ. Контроль производится на основании пока- заний датчиков напряжения и токов утечки, располо- женных на каждой из линий питания. При этом изме- ряются напряжения и токи утечки на каждой линии, затем они передаются в блок управления, контроля и сигнализации, где производится расчет сопротивления изоляции каждой из линий. Информация о сопротив- лении изоляции каждой линии позволяет уменьшить время поиска участка сети со сниженным сопротив- лением изоляции, что уменьшает общую вероятность возникновения аварийной ситуации, что особенно актуально для систем большой мощности [11]. Метод повышения точности. Особенностью пред- лагаемого метода является блок ПТКЗ, устанавли- вающийся в месте связи шины «минус» с корпусом и выполняющий три функции: - обеспечение работы СЭП в процессе испытания в следующих режимах: шина «минус» связана с кор- пусом и шина «минус» отключена от корпуса; - измерение токов, протекающих из корпуса на шину «минус»; - размыкание связи шины «минус» с корпусом при коротком замыкании плюсовой шины на корпус для защиты оборудования от протекания больших токов [12]. Введение в схему контроля сопротивления изоляции датчика тока, расположенного в ПТКЗ и рассчитанно- го на измерение малых токов (до 100 мА), позволяет дополнить информацию, получаемую с датчиков напряжения и токов утечки. Так как все токи утечки с плюсовых шин протекают по контуру шина «плюс» - корпус - шина «минус», то датчик тока, расположенный в единственном месте соединения минусовой шины и корпуса, покажет их суммарную величину. Таким образом, основываясь на показаниях датчика тока ПТКЗ и ДНТУ, можно сделать вывод не только об утечках со стороны источников и нагрузок, как отмечалось выше, но и о сопротивлении изоляции в ЭПА и соединительных кабелях от ЭПА до ИПИЭ. Получить точную информацию о месте возникно- вения утечки в этом случае невозможно, однако можно оценить сопротивление изоляции, основываясь на известных напряжениях всех линий. Результаты испытаний. Авторами был разрабо- тан, изготовлен и внедрен в эксплуатацию на рабочем месте лабораторно-отработочных испытаний СЭП (ЛОИ СЭП) опытный образец устройства контроля сопротивления изоляции. Для создания опытного образца были заданы сле- дующие технические характеристики: - количество одновременно контролируемых линий: 10; - диапазон измеряемых токов утечки: от 0,02 до 100 мА; - максимальное значение напряжения линии: 210 В; - максимальный рабочий ток линии: 150 А; - диапазон определения сопротивления изоляции: от 1 до 1000 кОм; - погрешность определения сопротивления изо- ляции: не более 20 %; - время защиты при коротком замыкании: не более 25 мкс [13]. Для оценки погрешности контроля сопротивления изоляции использовалась схема, представленная на рис. 2. Для имитации ИПИЭ используется лабора- торный блок питания, для имитации нагрузки - рези- стивный блок нагрузок. Коробка соединительная имитирует ЭПА. В схеме использованы два ДНТУ, что позволяет проверить все возможные случаи возникновения утечек: со стороны ИП, со стороны нагрузки, а также в ЭПА. В ходе испытаний имитировалось ухудшение со- противления изоляции между точками +ИП, +Н, +КС и корпусом с помощью резисторов номинала 1, 240, 1000 кОм. При этом мультиметром контролировались фактический ток утечки, напряжение линии и показа- ния устройства контроля изоляции, после чего произ- водился расчет относительной погрешности измере- ния сопротивления изоляции. Оценка погрешности контроля сопротивления изоляции производилась для четырех напряжений: 20, 60, 100, 120 В, при этом СЭП работала в режиме «ми- нус» соединен с корпусом». Результаты исследования приведены на рис. 3. На рис. 3 видно, что с увеличением напряжения линии погрешность уменьшается. Это объясняется большими величинами тока утечки и, следовательно, меньшим влиянием погрешности измерения датчика тока утечки на результат измерений. Заключение. В ходе выполнения работы был раз- работан метод повышения точности контроля сопро- тивления изоляции, на основе метода было разрабо- тано устройство, уменьшающее погрешность контро- ля сопротивления изоляции с 30 % [14] до менее чем 20 %, как показали испытания. Разработанное устрой- ство внедрено на рабочем месте ЛОИ СЭП КА в АО «ИСС» [15]. Дальнейшими направлениями исследований являются разработка улучшенных дат- чиков тока с меньшей погрешностью измерения и применение интеллектуальных алгоритмов фильт- рации измерений для автоматизации оповещения оператора об изменениях сопротивления изоляции. Рис. 2. Схема исследования погрешности контроля сопротивления изоляции Fig. 2. Experiment scheme for studying insulation resistance monitoring device measurement error Рис. 3. Зависимость погрешности контроля сопротивления изоляции от напряжения линии: δ - усредненная погрешность для сопротивлений 1,5 кОм, 240 кОм, 1 МОм Fig. 3. Insulation resistance measurement error experimental dependency from line voltage δ - averaged error for insulation resistance of 1,5 k Ω, 240 k Ω, 1 M Ω

作者简介

N. Shtabel

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: shtabnik@gmail.com
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

L. Samotik

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

E. Mizrah

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

参考

补充文件