УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УВЛАЖНЕННОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к устройствам для определения электрических свойств оборудования, преимущественно к устройствам для измерения степени увлажненности изоляции электродвигателей, и может быть использована для контроля увлажненности изоляции тяговых электродвигателей (ТЭД), а также вспомогательных электрических машин (ВЭМ) электроподвижного состава (ЭПС).
Известен способ определения влажности изоляции, основанный на измерении ее емкости и заключающийся в том, что испытуемый объект заряжают от источника постоянного напряжения и затем однократно разряжают, при этом разряд производят на цепь с заданной временной характеристикой и измеряют максимальное значение напряжения на этой цепи, например, при помощи вольтметра запоминающего типа. (SU, №101171, G01N 27/22, опубл. 01.01.1955).
Способ основан на использовании зависимости абсорбционных составляющих емкости изоляции от ее увлажненности.
Ограничением этого способа является недостаточно большая точность измерения увлажненности из-за измерения только одной составляющей емкости, а именно абсорбционной.
Более точными способами являются методы, основанные на измерении геометрической и абсорбционной составляющих электрической емкости измеряемого объекта.
Метод «емкость-частота» заключается в том, что сначала измеряют емкость C50 на частоте 50 Гц, когда проявляется только геометрическая емкость, независимо от того, сухая или увлажненная изоляция испытываемого оборудования. Затем измеряют емкость C2 на частоте 2 Гц, при которой у сухой изоляции будет проявляться только геометрическая емкость, а для увлажненной изоляции в результате измерения будет входить и абсорбционная емкость. Поэтому отношение C2/C50 для сухой изоляции близко к единице, а для увлажненной - соответственно 1,2-1,3. (Камнев В.Н., Пусконаладочные работы при монтаже электроустановок. Москва, 1977. §34. стр. 29-30).
Ограничением этого метода для его использования непосредственно на локомотиве, моторном вагоне электропоезда или в условиях локомотивных и мотор-вагонных депо, локомотиворемонтных заводов является то, что его точность сильно зависит от температуры окружающей среды. При температурах ниже +10°C метод «емкость-частота» использовать невозможно.
Метод «емкость-время» заключается в том, что сначала заряжают емкость испытываемого объекта (трансформатора), а затем осуществляют двукратный ее разряд: быстрый, закорачивая сразу после окончания заряда, и медленный - через 1 с после окончания заряда. Прирост ΔC общей емкости C за счет абсорбционной емкости у сухой изоляции будет незначителен (ΔCсух=0,02C÷0,08C), а для увлажненной изоляции ΔC намного больше. (Камнев В.Н., Пусконаладочные работы при монтаже электроустановок. Москва, 1977. §34. стр. 29-30).
Степень увлажненности изоляции оценивается по соотношению между абсорбционной и геометрической составляющим электрической емкости.
Преимуществом метода «емкость-время» является меньшая зависимость точности измерения увлажненности изоляции от температуры окружающей среды, кроме того, изменение прироста емкости в зависимости от температуры легко пересчитывается с помощью температурных коэффициентов пересчета (http://leg.co.ua/transformatori/praktika/metody-ocenki-sostoyaniya-izolyacii-silovyh-transformatorov-emkost-chastota-i-emkost-vremya.html).
Оба метода в основном применяются для измерения степени увлаженности изоляции трансформаторов.
Известны устройства для определения степени увлажненности как залитых, так и не залитых маслом силовых трансформаторов на монтажной площадке и в полевых условиях, содержащие аппаратуру питания, коммутационную аппаратуру, выполненную с возможностью измерения степени увлажненности изоляции по соотношению между абсорбционной и геометрической составляющим электрической емкости изоляции, вольтметр, электрически соединенные параллельно. (Камнев В.Н., Пусконаладочные работы при монтаже электроустановок. Москва, 1977. §34. стр. 29-30, приборы ПКВ-8 и ЕВ-3).
Прибор ПКВ-8 имеет коммутационную аппаратуру, выполненную с возможностью измерения степени увлажненности изоляции по соотношению между абсорбционной и геометрической составляющим электрической емкости изоляции методами «емкость-частота» и «емкость-время». Прибор ЕВ-3 использует только метод «емкость-время».
Наиболее близким является прибор ЕВ-3.
Это устройство содержит аппаратуру питания, коммутационную аппаратуру, выполненную с возможностью измерения степени увлажненности изоляции по соотношению между абсорбционной и геометрической составляющим электрической емкости изоляции методом «емкость-время», вольтметр, электрически соединенные параллельно. (Камнев В.Н., Пусконаладочные работы при монтаже электроустановок. Москва, 1977. §34. стр. 29-30) или (http://leg.co.ua/transformatori/praktika/metody-ocenki-sostoyaniya-izolyacii-silovyh-transformatorov-emkost-chastota-i-emkost-vremya.html).
Ограничения для использования прибора ЕВ-3 измерения увлажненности изоляции ТЭД, а также ВЭМ электроподвижного состава следующие:
- прибор выполнен в едином корпусе, что ухудшает его ремонтопригодность (невозможно быстро заменять отдельные блоки при выходе из строя какой-либо аппаратуры, находящейся в одном корпусе);
- прибор имеет встроенный электронный вольтметр с низкой точностью измерений, поскольку внутреннее сопротивление электронных вольтметров не более 1 Мом (влияние внутреннего сопротивления на точность, см. Камнев В.Н., Пусконаладочные работы при монтаже электроустановок. Москва, 1977. §34. стр. 20);
- прибор служит для измерения увлажненности изоляции силовых трансформаторов и не приспособлен для измерения степени увлажненности изоляции электродвигателей, что приводит к неудобству его использования для ТЭД и, следовательно, увеличивается время проведения измерений.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик при контроле изоляции ТЭД и/или ВЭМ ЭПС.
Технический результат, который получен при выполнении заявленной полезной модели - уменьшение времени измерения увлажненности изоляции электродвигателей, повышение точности, улучшение ремонтопригодности.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном устройстве для измерения увлажненности изоляции, содержащем аппаратуру питания, коммутационную аппаратуру, выполненную с возможностью измерения степени увлажненности изоляции по соотношению между абсорбционной и геометрической составляющим электрической емкости изоляции методом «емкость-время», вольтметр, электрически соединенные параллельно, согласно заявленной полезной модели аппаратура питания, коммутационная аппаратура, вольтметр выполнены в виде отдельных блоков - блока питания, коммутационного блока, блока вольтметра, размещенных в автономных корпусах, снабженных быстроразъемными соединителями для их соединения-отсоединения, блок вольтметра выполнен с внутренним сопротивлением не менее 300 МОм, введены дополнительные соединители, выполненные из проводов, подсоединенных к коммутационному блоку, снабженных зажимами «Крокодил», которые служат для подсоединения к противоположным концам обмотки якоря и обмотки возбуждения электродвигателя, введена перемычка, которая выполнена из провода, снабженного с двух его концов зажимами «Крокодил», которые служат для подсоединения зажимов «Крокодил» к обращенным концам обмотки якоря и обмотки возбуждения электродвигателя.
Возможен дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целесообразно, чтобы быстроразъемные соединители для параллельного соединения блоков, были выполнены из проводов, снабженных наконечниками под винт.
Указанные преимущества полезной модели, а так же ее особенности поясняются с помощью варианта ее выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 изображает общий вид заявленного устройства (без блока вольтметра);
Фиг. 2 - принципиальную схему соединения блоков;
Фиг. 3 - функциональную схему устройства;
Фиг. 4 - то же, что фиг. 3, при разряде емкостей;
Фиг. 5 - то же, что фиг. 3, при заряде емкости изоляции;
Фиг. 6 - то же, что фиг. 3, при кратковременном подключении емкости изоляции к эталонному конденсатору.
Устройство для измерения увлажненности изоляции (фиг. 1, 2) содержит аппаратуру питания, коммутационную аппаратуру, выполненную с возможностью измерения степени увлажненности изоляции по соотношению между абсорбционной и геометрической составляющим электрической емкости изоляции методом «емкость-время», вольтметр, электрически соединенные параллельно.
Аппаратура питания, коммутационная аппаратура, вольтметр (фиг. 1, 2) выполнены в виде отдельных блоков - блока 1 питания (БП), коммутационного блока 2 (КБ), блока 3 вольтметра с внутренним сопротивлением не менее 300 Мом - вольтметр с большим внутренним сопротивлением (ВБВС). БП 1, КБ 2, ВБВС 3 размещенных в автономных корпусах, снабженных быстроразъемными соединителями 4 для их соединения. Введены дополнительные соединители 5, выполненные из проводов 6, подсоединенных к КБ 2, снабженных зажимами «Крокодил», которые служат для подсоединения к противоположным концам Я и КК обмотки якоря и обмотки возбуждения (ОВ) электродвигателя, например, ТЭД. Введена перемычка 7, которая выполнена из провода 6, снабженного с двух его концов зажимами «Крокодил», которые служат для подсоединения зажимов «Крокодил» к обращенным концам ЯЯ и К обмотки якоря и обмотки возбуждения электродвигателя.
Кроме того, быстроразъемные соединители 4 для параллельного соединения БП 1, КБ 2, ВБВС 3 могут быть выполнены из проводов 6, снабженных наконечниками 8 под винт (фиг. 1). Быстроразъемные соединения X1-X8 (фиг. 2) показаны в виде кружков с косой чертой.
БП 1, КБ 2, ВБВС 3 могут быть расположены в одном корпусе 9 (фиг. 2) с сохранением быстроразъемных соединителей 4 между ними.
Принцип работы заявленного устройства поясняется с помощью функциональной схемы (фиг. 3).
На фиг. 3 условно показаны БП 1, КБ 2, ВБВС 3.
1) В исходном состоянии подвижный контакт переключателя K1 находится в положении «0», контакты выключателя K2 - в положении «разомкнуто» (фиг. 3).
2) Емкости испытуемой изоляции Cx электродвигателя и эталонного конденсатора Cэ предварительно должны быть разряжены. Для этого подвижный контакт переключателя К1 должен быть переведен из положения «0» в положение «2», а контакт выключателя К2 - замкнут (фиг. 4). Процесс разряда емкостей Cх и Cэ длится 2…3 мин. В качестве эталонных используются конденсаторы с малой величиной коэффициента абсорбции.
По окончании процесса разряда емкостей Cх и Cэ необходимо вернуть контакты переключателей К1 и К2 в исходное положение (фиг. 3).
3) Далее необходимо электрическую емкость изоляции Cх зарядить от источника Eо стабилизированного напряжения величиной Uo. Для этого подвижный контакт переключателя К1 переводят из положения «0» в положение «1» и выдерживают в таком положении в течение одной минуты (фиг. 5).
Для завершения процесса заряда емкости Cх изоляции эту емкость необходимо отключить от источника Eо, для чего переводят подвижный контакт переключателя К1 из положения «1» в положение «0».
4) После завершения процесса заряда емкости Cх изоляции эту емкость необходимо кратковременно подключить к эталонному конденсатору Cэ. Данное подключение реализуется путем перевода подвижного контакта переключателя К1 из положения «0» в положение «2» на время ~5…10 мс (фиг. 6).
За указанное выше время эталонному конденсатору Cэ успевает отдать заряд только геометрическая составляющая Cг электрической емкости изоляции. Величина емкости Cэ эталонного конденсатора выбирается из условия Cэ>>Cг, напряжение Uэ на этом конденсаторе оказывается практически пропорциональным Cг:
Геометрическая составляющая Cг электрической емкости изоляции:
Напряжение Uэ на эталонном конденсаторе измеряется с помощью вольтметра В с большим входным сопротивлением R (R>300 Мом) - ВБВС 3. Напряжение U′э прямо пропорционально геометрической составляющей емкости изоляции Cг.
5) Перед измерением величины абсорбционной составляющей электрической емкости изоляции ΔC емкости Cх и Cэ должны быть разряжены в течение 2…3 минут (положения контактов ключей КБ 3 соответствует фиг. 4).
6) Для измерения абсорбционной составляющей электрическая емкость ΔC изоляции заряжается в течении одной минуты от источника Eо постоянным напряжением Uo (положение ключа К1 - фиг. 5 при разомкнутом К2).
7) После окончания заряда емкости Cх изоляция должна быть отключена от источника Eо и замкнута накоротко на время 5…10 мс выключателем К2 (фиг. 7). За это время электрического заряда лишается только геометрическая составляющая Cг указанной выше емкости.
8) Далее, емкость Cх за одну секунду соединяется с эталонным конденсатором Cэ. Для этого подвижный контакт переключателя К1 должен быть переведен из положения «0» в положение «2» на время, равное одной секунде (положение элементов - фиг. 6). После перевода подвижного контакта переключателя К1 из положения «0» в положение «2» на эталонном конденсаторе Cэ появится напряжение U″э, пропорциональное величине абсорбционной составляющей емкости изоляции ДС, при этом коэффициент абсорбции Ка=U″э/U′э.
По результатам сравнения величин ΔC и Cг (по величине Ка) делается заключение о степени увлажненности изоляции ТЭД.
9) По окончании процесса измерения ΔC и Cг (до отключения цепей приборов от ТЭД) Сх и Сэ должны быть разряжены; для этого электрические цепи прибора необходимо привести к виду, изображенному на фиг. 4.
Принципиальная схема разработанного КБ 2 соответствует функциональной (фиг. 3). Для разряда емкостей и заряда Cх могут быть, например, использованы выключатели типа Тумблер ТП1-2, для кратковременного разряда емкости Cх - Выключатель кнопочный ПКн6-1.
Для достижения необходимой точности измерений ВБВС 3, подключаемый к эталонному (образцовому) конденсатору Cэ, должен оказывать, возможно, меньшее влияние на напряжение на этом конденсаторе за время измерения, т.е. ВБВС 3 должен иметь значительное входное сопротивление.
В качестве ВБВС 3 может быть использован вольтметр электростатической системы. Время установления показаний такого вольтметра не превышает 10 с. В дальнейшем будем считать, что одно измерение проводится в течение 15 с.
Примем, что напряжение на эталонном конденсаторе Cэ за время измерения не должно снизиться более, чем на 5% от исходного значения.
э
Как известно, при разряде конденсатора на активное сопротивление напряжение на конденсаторе U изменяется по следующей формуле:
э
0
-t/τ
U=U·e,
0
где U - начальное значение напряжения на конденсаторе Cэ, В;
Uэ - текущее значение напряжения на конденсаторе (в момент времени t), В;
t - время, отсчитываемое с момента начала разряда, с;
e ~ 2,72 - основание натурального логорифма;
τ - постоянная времени цепи разряда, с;
вх
в свою очередь τ=R·Cэ
вх
где R - входное сопротивление ВБВС 3, Ом;
Cэ - емкость эталонного конденсатора, Ф.
-6
Пусть наименьшая емкость Cэ эталонного конденсатора равна 1 мкФ (10 Ф).
э
э
0
-6
Учитывая, что C=10 Ф, t=15 с и U/U=0,95 нетрудно убедиться, что τ ~ 20t, т.е. τ=300 с.
вх
э
8
Таким образом, учитывая указанную выше формулу R=C/τ=3·10 Ом=300 Мом.
вх
На основании вышеописанного, в качестве ВБВС может быть использован электростатический вольтметр C 503 с пределом измерения 30 В, с классом точности 0,5, имеющий R превышающее 300 МОм.
Таким образом, известные приборы ПКВ-8 и ЕВ-3 не удовлетворяют требованиям для определения степени увлажненности ТЭД.
Кроме того, при использовании стандартных выходных щупов этих приборов (двухпроводных) приходится по отдельности измерять степень увлажненности изоляции ТЭД для обмотки якоря и обмотки возбуждения, подсоединяя щупы раздельно к этим обмоткам. Мало того, что удерживать эти щупы в процессе проведения цикла всего замера одному специалисту, проводящему измерения, неудобно (т.к. надо одновременно переключать органы управления приборов), но даже если снабдить эти щупы стандартными зажимами типа «Крокодил», то все равно пришлось бы измерения для одного ТЭД производить два раза.
Поэтому в заявленное устройство (фиг. 1, 2) введены дополнительные соединители 5, выполненные из проводов 6, подсоединенных к КБ 2, снабженных зажимами «Крокодил», которые служат для подсоединения к противоположным концам Я и КК обмотки якоря и обмотки возбуждения (ОВ) ТЭД. Введена перемычка 7, которая выполнена из провода 6, снабженного с двух его концов зажимами «Крокодил», которые служат для подсоединения зажимов «Крокодил» к обращенным концам ЯЯ и К обмотки якоря и обмотки возбуждения электродвигателя.
За счет использования перемычки 7 обмотка якоря и обмотка возбуждения ТЭД соединяются последовательно, и осуществляется определение степени увлажненности изоляции ТЭД в целом. Это уменьшает время измерения в два раза по сравнению с аналогами.
2
Перемычка 7 служит для получения быстроразъемного электрического соединения между зажимами обмотки якоря и ОВ испытуемого ТЭД. Данная перемычка 7 представляет собой отрезок гибкого изолированного провода марки ПуГв длинной примерно 600 мм с токоведущей жилой сечения 1,0 мм, армированный по своим концам зажимами X7 и X8 типа «Крокодил». Зажимы припаяны к токоведущей жиле провода припоем ПОС-61.
Быстроразъемные соединители 4 (X1, X2, X5, X6) для соединения БП 1, КБ 2, ВБВС 3 (фиг. 2) выполнены из провода 6 марки ПуГв, снабжены наконечниками 8 под винт. Это позволяет при возникшей неисправности одного из блоков осуществить его быструю замену, что повышает надежность и улучшает ремонтопригодность устройства.
Места соединения токоведущих жил с зажимами «Крокодил» и с наконечниками 8 под винт обмотаны липкой ПХВ изоляционной лентой с напуском намотки на изоляцию провода 6 величиной примерно 15 мм (по длине). Такая намотка выполняет функцию электрической изоляции мест соединения, а также существенно повышает устойчивость данного соединения к изгибам за счет практически полного снятия механических нагрузок с паяного соединения и получения плавного изменения жесткости проводника.
Наиболее успешно заявленное устройство для измерения увлажненности изоляции промышленно применимо для контроля степени увлажненности изоляции ТЭД и ВЭМ электроподвижного состава, которые непосредственно эксплуатируются на локомотиве, в моторном вагоне электропоезда или находятся в локомотивных депо в запасе или на ремонте.