УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Устройство контроля изоляции высоковольтных электродвигателей с полупроводниковым преобразователем относится к области электротехники и может быть использовано в системах плавного пуска асинхронных и синхронных электродвигателей насосов, вентиляторов, компрессоров, шаровых мельниц, конвейеров, а также других аналогичных производственных механизмов, где в качестве питающей сети для поочередного пуска электродвигателей используется выходное напряжение полупроводниковых преобразователей с фазовым или частотным регулированием.
Плавные пуски высоковольтных электродвигателей от полупроводникового тиристорного или транзисторного преобразователя позволяют уменьшить пусковые токи, просадки напряжения в сети и исключить ударные моменты в механизмах. При этом перед включением электродвигателя в работу необходима полная информация о его готовности, в частности, о состоянии его изоляции. Причем контроль изоляции должен проводиться перед каждым пуском в автоматическом режиме без участия человека, так как в высоковольтных установках по правилам техники безопасности эта работа должна проводиться по наряду с выполнением организационных и технических мероприятий, что требует больших затрат времени.
Известно устройство контроля состояния изоляции сети, связанной с вторичными обмотками силового трансформатора, в электроустановках высокого напряжения 6-10 кВ (см. рис.29, 30 в книге Кораблева В. П. «Устройства электробезопасности», Москва, Энергоатомиздат, 1985 г.), содержащее высоковольтный измерительный трансформатор напряжения и измерительную цепочку, состоящую из дросселя, добавочного резистора, реле, измерительного прибора и источника постоянного напряжения, включенную между нулевой точкой трансформатора и «Землей». Данное устройство контролирует одновременно изоляцию вторичных обмоток сетевого трансформатора и всех присоединенных к зажимам сети потребителей электроэнергии, в том числе и высоковольтных электродвигателей. При снижении сопротивления высоковольтной изоляции сети ниже допустимого значения реле срабатывает и выдает замыкающимся контактом сигнал об ухудшении изоляции во внешнюю цепь. Данное устройство принято за аналог.
60
15
К недостаткам аналога следует отнести низкое качество контроля изоляции высоковольтных электродвигателей из-за малой чувствительности реле, которое срабатывает лишь при значительном аварийном ухудшении изоляции всей системы, а также отсутствие возможности дистанционной передачи информации о промежуточных ее значениях, что не позволяет определить качество изоляции высоковольтных электродвигателей, характеризующейся двумя параметрами: величиной одноминутного сопротивления изоляции и коэффициентом абсорбции (увеличивается по мере высыхания изоляции), равным отношению одноминутного сопротивления изоляции к 15-и секундному ее значению R/R при температуре измерения 10-30°С. Он должен быть не менее 1,2-1,3 в зависимости от группы электродвигателей (группа электродвигателей определяется по условиям возможности их подключения к сети без предварительной сушки).
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство контроля изоляции шин 6-10 кВ, связанных по сети с вторичными обмотками силового трансформатора, с микропроцессорным комплексом «Бреслер-01-07.180», выпускаемое фирмой НПП «Бреслер», (см. www.bresler.ru/products/hardware/bresler_0107_180_info, каталог фирмы НПП «Бреслер» издание 7/2012, стр.73).
Микропроцессорный комплекс «Бреслер-01-07.180» состоит из микропроцессорного терминала «Бреслер-01-07.180», измерительной вставки, устанавливаемой на измерительном трансформаторе напряжения системы шин, и датчиков тока фидеров (специализированных трансформаторов тока нулевой последовательности), устанавливаемых на кабельные вставки. Измерительная вставка содержит измерительный резистор Rд, ключ K1 и источник постоянного напряжения, которые включаются между нулевой точкой измерительного трансформатора напряжения и «Землей».
Принцип действия микропроцессорного комплекса контроля изоляции основан на наложении на нейтраль сети, связанной с вторичными обмотками силового трансформатора, импульсов испытательного напряжения постоянного тока через нейтраль измерительного трансформатора напряжения ТН. По результатам измерения импульсов испытательного напряжения и тока через добавочный резистор в микропроцессорном терминале рассчитывается активное сопротивление изоляции секции шин сети.
Отличительной особенностью сети на выходе полупроводникового преобразователя, от которой питаются высоковольтные электродвигатели системы плавного пуска, является несимметричное выходное напряжение (чередование двухфазного и трехфазного режимов) и, как следствие, смещение его нулевой точки относительно «Земли». Величина смещения может достигать половины действующего фазного напряжения сети (для сети с действующим напряжением 6 кВ - 1734 В), что значительно превышает величину источника испытательного напряжения прототипа (300 В) и может нарушить его работу.
Кроме того, при работе полупроводникового преобразователя в режиме пуска электродвигателей напряжение и частота на его выходе изменяются. При этом их соотношение U/f=const, которое необходимо для нормальной работы измерительного трансформатора, может не сохраниться, его магнитная система насытиться, ток намагничивания возрасти и обмотки перегреться.
Указанные выше особенности работы сети на выходе полупроводниковых преобразователей не позволяют применить технические решения прототипа для контроля изоляции пусковой сети с подключенными электродвигателями, что сужает его функциональные возможности.
Микропроцессорный комплекс «Бреслер-01-07.180», предназначенный для контроля изоляции действующей сети с уже подключенными электродвигателями, не определяет качество их изоляции перед пуском (не определяет 15-и секундное и 60-и секундное значение изоляции и коэффициент абсорбции).
Все выше перечисленные конструктивные особенности прототипа снижают качество контроля изоляции и ограничивают функциональные возможности устройства.
Технический результат предлагаемого устройства - расширение функциональных возможностей за счет повышения качества контроля изоляции высоковольтной сети.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство контроля изоляции высоковольтных электродвигателей с полупроводниковым преобразователем, входы которого соединены с высоковольтной питающей сетью, а выходы с входами электродвигателя, содержащее измерительную вставку с резистором и источником постоянного напряжения, соединенную с «Землей», блок контроля изоляции, соединенный с измерительной вставкой, введены высоковольтные резисторы, одни зажимы которых соединены с входными зажимами электродвигателя, а другие с измерительной вставкой, и диоды; блок контроля изоляции выполнен со счетчиком времени, блоком 15-и секундного контроля изоляции, блоком 60-и секундного контроля изоляции, блоком контроля коэффициента абсорбции изоляции, блоком аварийного отключения, входы которого соединены с выходами блока 60-и секундного контроля изоляции и блока контроля коэффициента абсорбции изоляции, один введенный диод включен последовательно с измерительной вставкой, а другой параллельно.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании оригинального решения за счет электрической связи измерительной вставки с обмотками статора электродвигателя через введенные резисторы, в формировании в блоке контроля изоляции информации о коэффициенте абсорбции изоляции, а также обеспечении работоспособности измерительной вставки в режиме превышения напряжением смещения нулевой точки пусковой сети (выход полупроводникового преобразователя) над испытательным напряжением источника постоянного тока путем включения 2-х диодов - последовательно и параллельно измерительной вставке.
Благодаря введению указанных выше элементов устройство контроля изоляции в дистанционном режиме выдает информацию о 60-и секундном значении сопротивлении изоляции устройства плавного пуска и ее коэффициенте абсорбции, позволяющие повысить качество контроля, определять состояние изоляции не только сети, но и электродвигателя, расширив тем самым область его применения.
Для пояснения предлагаемого технического решения на фиг. приведена структурная схема заявляемого устройства контроля высоковольтной изоляции.
Устройство контроля изоляции высоковольтного электродвигателя 1 с полупроводниковым преобразователем 2, входы которого соединены с высоковольтной питающей сетью, а выходы с входами электродвигателя 1, содержит измерительную вставку 3 с резистором 4 и источником 5 постоянного напряжения, один из зажимов которой соединен с «Землей», блок 6 контроля изоляции, входы которого соединены с измерительной вставкой 3, введенные высоковольтные резисторы 7, 8, 9, одни зажимы которых соединены с входными зажимами электродвигателя 1, а другие соединены через введенный диод 10 с измерительной вставкой 3 зашунтированной также введенным диодом 11, блок 6 контроля изоляции, выполненный со счетчиком времени 12, блоком 15-и секундного контроля изоляции 13, блоком 60-и секундного контроля изоляции 14, блоком 15 контроля коэффициента абсорбции изоляции, блоком 16 аварийного отключения, входные зажимы которого связаны с выходами блока 60-и секундного контроля изоляции 14 и блока 15 контроля коэффициента абсорбции изоляции.
Имеются также блок 17 питания устройства контроля изоляции с ключем 18 для его подключения к цепи управления 220 В и силовые высоковольтные выключатели: головной 19 - для подключения полупроводникового преобразователя к промышленной сети, пусковой 20 - для подключения электродвигателя к пусковой сети (к выходу полупроводникового преобразователя), рабочий 21 - для подключения электродвигателя к промышленной сети после завершения пуска. От одной пусковой сети с полупроводниковым преобразователем 2 поочередно могут запускаться несколько электродвигателей, например, - 1, 22, 23. В этом случае количество пусковых выключателей равно числу электродвигателей - 20, 24, 25, количество рабочих выключателей также равно количеству электродвигателей - 21, 26, 27.
Взамен 3-х резисторов 7, 8, 9 может быть установлен один резистор большей мощности, соединенный с одной из фаз электродвигателя.
и
В исходном состоянии схемы контакты выключателей 18, 19, 21 разомкнуты, а выключателя 20 замкнуты. При включении ключа 18 блока питания 17 на выходе измерительной вставки 3 появляется испытательное напряжение V от измерительного
и
из
и
и
э
и
из15
изб0
абс
из60
из15
ав
источника 5 постоянного тока вставки, которое через диод 10, резисторы 7, 8, 9 и замкнутые контакты выключателя 19 поступает на обмотки статора электродвигателя. Величина испытательного напряжения согласно ГОСТ 11828-86 «Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний» при испытании изоляции электродвигателей на номинальное напряжение свыше 500 В должна быть не менее чем 1000 В. При появлении потенциала на зажимах статора электродвигателя относительно «Земли» через изоляцию двигателя, проводник «Земля», измерительную вставку 3, диод 10, резисторы 7, 8, 9 начинает протекать ток I, который на резисторе 4 измерительной вставки 3 создает падение напряжения, поступающее на вход блока 6 контроля изоляции. По его значению в блоках 13, 14 по формуле R=(U-I∗R)/I определяется величина сопротивления изоляции R и R через 15 и 60 секунд после подключения измерительного напряжения. В дальнейшем в блоке 15 по формуле K=R/R производится расчет коэффициента абсорбции и сравнение в блоке 16 его и 60-и секундного значения сопротивления изоляции с допустимыми их величинами. В случае снижения их значений ниже допустимого уровня (сопротивления изоляции ниже 6 МОм для электродвигателя на 6 кВ и коэффициента абсорбции ниже 1, 2) блок аварийного отключения выдает сигнал U об ухудшении изоляции и запрет на пуск электродвигателя.
При соответствии качества изоляции электродвигателя 1 заданным значениям включается головной выключатель 19 начинается разгон электродвигателя и его скорость увеличивается до номинального значения. В дальнейшем пусковой выключатель 20 отключается и включается рабочий выключатель 21, подключая обмотки статора электродвигателя 1 к промышленной сети. После завершения пуска электродвигателя 1 отключается головной выключатель 19 и ключ 18, отключая полупроводниковый преобразователь 2 от промышленной сети и блок питания 17 с измерительной вставкой 3 и блоком 6 контроля изоляции от цепи управления, подготавливаясь к запуску другого электродвигателя.
Предлагаемое устройство контроля изоляции высоковольтных электродвигателей с полупроводниковым преобразователем предполагается использовать в изготавливаемых ОАО «ВНИИР» устройствах УБПВД-С, ВЦ, предназначенных для поочередного плавного пуска высоковольтных электродвигателей вентиляторов, насосов, шаровых мельниц (до 12 двигателей от одного пускового устройства).