Метод повышения точности контроля сопротивления изоляции при испытаниях системы электропитания космического аппарата

Введение. Одной из особенностей системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА) является связь силовой токоведущей шины (обычно шины «минус») с корпусом. В ходе испытаний электрооборудования КА возможно нарушение целостности изоляции шин и замыкание их на корпус. При этом напряжение 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 оборудования, 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 энергопреобразующей 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 эквивалентное сопротивление изоляции всех линий относительно корпуса, но отсутствует информация о сопротивлении 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 положен принцип измерения дифференциальных токов каждой из шин питания, появляющихся при снижении сопротивления изоляции [9]. На каждую из контролируемых 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 R ут, 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 сопротивление утечки R ут [10].

Структура предлагаемого устройства. Структура рабочего места испытаний ЭПА с устройством контроля сопротивления изоляции на основе предлагаемого 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 контролировать сопротивление изоляции плюсовых шин в имитаторах первичных источников электроэнергии (ИПИЭ) ИБС1–ИБС4, ИАБ и нагрузках Н1–Н4 в процессе испытаний, а также соединительных кабелей на участках от модулей ИПИЭ до ДНТУ и от нагрузки до ДНТУ. Контроль производится на основании показаний датчиков напряжения и токов утечки, расположенных на каждой из линий питания. При этом измеряются 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 сопротивлении изоляции каждой линии позволяет уменьшить время поиска участка сети со сниженным сопротивлением изоляции, что уменьшает общую вероятность возникновения аварийной ситуации, что особенно актуально для систем большой мощности [11].

Метод повышения точности. Особенностью предлагаемого метода является блок ПТКЗ, устанавливающийся в месте связи шины «минус» с корпусом и выполняющий три функции:

• -    обеспечение работы СЭП в процессе испытания в следующих режимах: шина «минус» связана с корпусом 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 рассчитанного 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 возникновения утечки в этом случае невозможно, однако можно оценить сопротивление изоляции, основываясь на известных напряжениях всех линий.

Результаты испытаний. Авторами был разработан, 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 следующие 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 изоляции: 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 лабораторный блок питания, для имитации нагрузки – резистивный 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 сопротивления 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 показания устройства контроля изоляции, после чего производился расчет относительной погрешности измерения сопротивления изоляции.

Оценка погрешности контроля сопротивления изоляции производилась для четырех напряжений: 20, 60, 100, 120 В, при этом СЭП работала в режиме «минус» 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 разработан метод повышения точности контроля сопротивления изоляции, на основе метода было разработано устройство, уменьшающее погрешность контроля сопротивления изоляции с 30 % [14] до менее чем 20 %, как показали испытания. Разработанное устройство внедрено на рабочем месте ЛОИ СЭП КА в АО «ИСС» [15]. Дальнейшими направлениями исследований являются разработка улучшенных датчиков тока с меньшей погрешностью измерения и применение интеллектуальных алгоритмов фильтрации 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

^^ 1 МОм

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

Acknowledgements. This study was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (Government Contract 14.577.21.0082, unique identifier RFMEFI57714X008) and JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”.