УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Полезная модель относится к технике электрических измерений и предназначена для профилактических испытаний изоляции электрических машин и аппаратов.
Известно устройство для контроля качества электрической изоляции [1]. Недостатком его является то, что с его помощью нельзя определить наличие частичных разрядов в изоляции и поэтому оценка качества изоляции не полная и не вполне объективная.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является устройство для контроля качества электрической изоляции, содержащее источник испытательного напряжения, зарядный и разрядный ключи, разрядный и эталонный резисторы, добавочный резистор и добавочный ключ, масштабный преобразователь напряжения, выходные выводы, для подключения испытуемого объекта и заземления, в котором один выходной вывод источника испытательного напряжения присоединен к первому контакту зарядного ключа, второй контакт зарядного ключа соединен с первым входом масштабного усилителя и с первым выводом добавочного резистора, второй вывод добавочного резистора соединен с первым выводом разрядного ключа и первым выходным выводом устройства, добавочный ключ подключен параллельно добавочному резистору, второй вывод разрядного ключа подключен к первому выводу разрядного резистора, второй вывод масштабного преобразователя напряжения соединен с первым выводом эталонного резистора и вторым выходным выводом, к которому подключают заземление [2]. С помощью этого устройства за счет включения добавочного резистора можно определить наличие частичных разрядов в изоляции и сделать оценку качества изоляции более объективной.
Однако указанное устройство имеет ряд недостатков. При замыкании разрядного ключа в процессе контроля качества изоляции крупных электрических машин, трансформаторов и кабелей, обладающих большой электрической емкостью на «землю», возникает импульс тока с крутым передним фронтом. Этот импульс тока создает мощные электромагнитные высокочастотные помехи, могущие привести к сбою электронных элементов системы управления.
При коротких замыканиях в объекте испытания высоковольтный зарядный ключ имеет малое быстродействие и поэтому отключается недостаточно быстро, что может вызвать выход из строя источник испытательного напряжения. Кроме того, в момент пробоя напряжение на эталонном резисторе, пропорциональное току короткого замыкания может повыситься до недопустимых значений, могущих вызвать порчу измерительных элементов.
При измерении параметров изоляции крупных электрических машин и кабелей время измерения необходимо увеличивать с одной минуты до 10 минут, что требует изменения алгоритма функционирования устройства и изменения формулы для определения коэффициента абсорбции, что в данном устройстве вызывает определенные трудности. Устройство не позволяет наглядно отображать полученную в результате измерений диагностическую информацию.
Цель полезной модели - улучшение электромагнитной совместимости устройства, повышение надежности его работы, а также более высокий уровень автоматизации и более удобная обработка и отображение полученных результатов измерения.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля качества электрической изоляции, содержащее источник испытательного напряжения, зарядный и разрядный ключи, разрядный и эталонный резисторы, добавочный резистор и добавочный ключ, масштабный преобразователь напряжения, выходные выводы для подключения испытуемого объекта и заземления, в котором один выходной вывод источника испытательного напряжения присоединен к первому контакту зарядного ключа, второй контакт зарядного ключа соединен с первым входом масштабного усилителя и с первым выводом добавочного резистора, второй вывод добавочного резистора соединен с первым выводом разрядного ключа и первым выходным выводом устройства, добавочный ключ подключен параллельно добавочному резистору, второй вывод разрядного ключа подключен к первому выводу разрядного резистора, второй вывод масштабного преобразователя напряжения соединен с первым выводом эталонного резистора и вторым выходным выводом устройства, к которому подключают «землю», введены два управляющих входа источника испытательного напряжения - один вход для установки значения выходного напряжения и второй вход для быстродействующего отключения источника питания, бесконтактное токовое реле, индуктивная катушка, ограничитель напряжения, двухвходовой управляемый коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, программируемый контроллер с двумя каналами ввода информации, двумя каналами вывода информации, дискретным каналом управления коммутатором и аналоговым каналом управления напряжением источника питания, устройство ручного ввода информации, устройство сопряжения с объектом управления, устройство отображения информации, причем второй вывод источника питания соединен с первым выводом бесконтактного токового реле, второй вывод которого соединен с вторым выводом эталонного резистора и первым входом двухвходового управляемого коммутатора, второй вход которого соединен с выходом масштабного преобразователя напряжения, выход бесконтактного токового реле соединен с входом быстродействующего отключения источника питания, первый вывод индуктивной катушки соединен с вторым выходным выводом устройства, а второй вывод катушки соединен с вторым выводом разрядного резистора, выход двухвходового управляемого коммутатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым каналом ввода информации программируемого контроллера, второй канал ввода информации программируемого контроллера соединен с выходом устройства ручного ввода информации, первый канал вывода информации программируемого контроллера (канал вывода управляющих команд) соединен с входом устройства сопряжения с объектом управления, выходы которого соединены с управляющими входами соответствующих ключей, второй канал вывода информации соединен с входом устройства отображения информации, аналоговый выходной канал для управления напряжением источника питания соединен с соответствующим входом источника питания, а дискретный выходной канал программируемого контроллера для управления коммутатором соединен с управляющим входом двухвходового коммутатора, ограничитель напряжения присоединен параллельно эталонному резистору.
Структурная схема предлагаемого устройства для контроля качества электрической изоляции представлена на рисунке 1. Устройство содержит источник испытательного напряжения 1 с управляющим входом 2, по которому устанавливается значение выходного напряжения источника испытательного напряжения и входом 3 для быстродействующего отключения источника, бесконтактное токовое реле 4, эталонный резистор 5, ограничитель напряжения 6, зарядный ключ 7, масштабный преобразователь напряжения 8, дополнительный резистор 9, дополнительный ключ 10, разрядный ключ 11, разрядный резистор 12, индуктивную катушку 13, выходные выводы 14 и 15 устройства, к которым подключают «землю» и объект испытания, представляющий собой параллельное соединение конденсатора, емкость которого равна емкости испытуемого объекта, и резистора, представляющего собой сопротивление утечки изоляции испытуемого объекта, двухвходовой управляемый коммутатор 16 с первым 17 и вторым 18 информационными входами и управляющим входом, аналого-цифровой преобразователь 19, устройство ручного ввода информации от органов управления (клавиатура) 20, программируемый контроллер (комплексный цифровой элемент высшего функционального уровня) с двумя каналами ввода информации 22 и 23 (22 - канал ввода диагностической информации, 23 - канал ввода информации от органов ручного управления - клавиатуры), двумя каналами 24 и 25 вывода информации (24 - канал вывода управляющих команд, 25 - канал вывода диагностической информации), аналоговым выходным каналом 26 управления напряжением источника питания, дискретным выходным каналом 27 управления двухвходовым коммутатором, устройство сопряжения 28 с объектом управления (обмотками включения высоковольтных реле), устройство отображения информации 29.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии ключ 11 замкнут, а ключ 7 и ключ 10 разомкнуты и электрическая емкость объекта испытания разряжаются на «землю» через разрядный резистор 12 и индуктивную катушку 13. Необходимость введения индуктивной катушки вызвана соображениями электромагнитной совместимости, так как в разрядной цепи при малом значении разрядного резистора 12 в момент замыкания разрядного ключа 11 возникают экстратоки с крутым передним фронтом, высокочастотные электромагнитные помехи от которых могут приводить к сбою электронной аппаратуры. Включение индуктивной катушки делает передний фронт тока более пологим и тем самым снижает уровень высокочастотных помех. В установившемся режиме катушка не оказывает сопротивления протеканию тока.
После разряда емкости изоляции в течение одной минуты в соответствии с Правилами устройства электроустановок программируемый контроллер 21 по каналу 26 подает на вход источника питания сигнал на установку требуемого значения напряжения источника питания. Далее через канал 24 и устройство сопряжения с объектом 28 подаются сигналы сначала на размыкание ключа 11 и затем на замыкание ключей 7 и 10. При указанном положении ключей 7, 10 и 11 начинается процесс заряда емкости изоляции объекта испытания. При этом сигнал, пропорциональный току, протекающему через испытуемый объект, снимаемый с эталонного резистора 5, подается на первый вход 17 коммутатора 16. Сигнал с выхода масштабного преобразователя 8, пропорциональный напряжению на объекте испытании, подается на второй вход 18 коммутатора сигналов 16. Сигнал, подаваемый с выхода 27 программируемого контроллера 21 периодически с большой скоростью переключает каналы двухвходового коммутатора 16 и на его выходе поочередно появляются сигналы пропорциональные напряжению и току. Эти сигналы преобразуются аналого-цифровым преобразователем 19 и через первый канал ввода информации подаются в программируемый контроллер 21, где по известной формуле, называемой законом Ома рассчитывается значение сопротивления изоляции R объекта испытаний и коэффициент абсорбции, как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к его пятнадцатисекундному значению. На дисплее строится зависимость сопротивления изоляции от времени и выводятся результаты расчета. Далее зарядный ключ 7 выключается, ключ 10 остается замкнутым, а ключ 11 разомкнутым и начинается процесс саморазряда изоляции, который продолжается также как и заряд изоляции в течение одной минуты [3].
В процессе саморазряда измеряется только напряжение саморазряда на объекте испытания. Рассчитываются необходимые данные (емкость С) и на дисплее 29 строится кривая напряжения саморазряда - зависимость напряжения саморазряда от времени. Через одну минуту снова включается зарядный ключ 7, ключ 10 остается замкнутым, а ключ 11 разомкнутым и снова в течение одной минуты происходит повторный заряд изоляции. При этом повторяются те же измерения, что и при первом замере. Необходимость повторного заряда изоляции необходима для того, чтобы перед измерением возвратного напряжения компенсировать убыль заряда в изоляции, которая произошла в процессе саморазряда. Эта убыль всегда различная и начальные условия для процесса измерения возвратного напряжения также были бы различными и их нельзя было бы сравнивать друг с другом. После окончания повторного заряда на короткое время размыкается дополнительный ключ 10 и в цепь испытуемого объекта вводится дополнительный резистор 9 известного значения. Измеряя сопротивление изоляции с введенным и выведенным добавочным сопротивлением, можно судить об отсутствии или наличии частичных разрядов в изоляции и их интенсивности [2].
После определения наличия частичных разрядов все ключи отключаются и в течение короткого времени (это время выбрано равным 5 секунд) геометрическая емкость изоляции разряжается через разрядный ключ 11, разрядный резистор 12 и индуктивную катушку 13 на «землю)), а поглощенный внутри изоляции заряд абсорбции на «землю» стечь не успевает. Через 5 секунд разрядный ключ 11 размыкает, а ключ 10 замыкает свои контакты, процесс разряда прекращается и начинается процесс измерения возвратного напряжения, которое возникает на изоляции за счет поглощенного заряда абсорбции, который постепенно заряжает разряженную геометрическую емкость. Процесс саморазряда длится одну минуту, в течение которой измеряется возвратное напряжение и на дисплее строится его зависимость от времени. По окончании одной минуты разрядный ключ 11 замыкает свои контакты. Процесс измерения заканчивается и оставшийся в изоляции заряд разряжается на «землю»..
Если производится испытание крупных машин или трансформаторов, обладающих большой емкостью, которая не успевает полностью зарядиться через одну минуту, то в этом случае следует пользоваться стандартом США - заряжать изоляцию в течение 10 минут и коэффициент абсорбции (по стандарту США индекс поляризации) определять как отношение десятиминутного значения сопротивления изоляции к одноминутному значению.
В некоторых случаях (за рубежом) наряду с индексом поляризации нормируют коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR), вычисляемый как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к тридцатисекундному ее значению. Программируемый контроллер позволяет измерять сопротивление изоляции по указанным выше программам и выдавать информацию на дисплей.
Вход 2 регулируемого источника испытательного напряжения позволяет устанавливать требуемые значения напряжения в зависимости от номинального напряжения объекта испытания. При коротких замыканиях в объекте испытания бесконтактное токовое реле подачей сигнала на вход 3 источника питания обеспечивает быстрое снятие напряжения. Ограничитель напряжения 6 при коротких замыканиях ограничивает уровень сигнала, снимаемого с эталонного сопротивления и тем самым предохраняет коммутатор и АЦП от повреждений при коротких замыканиях.
Технико-экономический эффект от предложенной полезной модели определяется улучшение электромагнитной совместимости устройства, повышением надежности его работы, а также более высоким уровнем автоматизации и более удобной формой обработки и отображения полученных результатов измерения.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР на изобретение №767667 «Устройство для контроля качества электрической изоляции», кл. G01R 27/02. БИ №36,1980 г.
2. Патент РФ на изобретение №2122215 «Устройство для контроля качества электрической изоляции», кл. G01R 27/02. БИ №32, 1998 г.
3. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 280 с.