УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ
DEVICE TO MEASURE RESISTANCE OF ELECTRIC INSULATION

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для профилактических испытаний изоляции крупных электрических машин и аппаратов, имеющих большую постоянную времени.
Одной из важнейших оценок состояния изоляции электрооборудования является величина сквозного тока утечки, которая определяет установившееся значение сопротивления изоляции. При профилактических испытаниях изоляции электрических машин и аппаратов за установившееся значение сопротивления изоляции согласно правилам устройства электроустановок принимают одноминутное значение сопротивления изоляции, измеренное на 60-й секунде после начала измерения. Однако не всегда к 60-й секунде переходный процесс заряда изоляции, особенно для электрических машин большой мощности, успевает полностью закончиться. Поэтому на 60-й секунде сопротивление изоляции у крупных машин не успевает достичь установившегося значения, что приводит к ошибкам при оценке состояния изоляции. В то же время, чтобы использовать результаты измерений сопротивления изоляции для целей диагностики, они должны быть приведены к одинаковым базовым условиям, к сопоставимому виду [1]. Следовательно, для объективной оценки состояния изоляции требуется знать именно установившееся значение сопротивления изоляции. Чтобы зафиксировать установившееся значение сопротивления изоляции в этих случаях, на измерение приходится затрачивать значительное время - до одного часа и более [2].
Известен способ ускоренного измерения установившегося, значения сопротивления изоляции [3, 4]. Суть способа, как это доказано в [3, 4], заключается в том, что зависимость сопротивления изоляции от времени для неоднородной изоляции - в простейшем случае для двухслойного диэлектрика (рисунок 1) имеет точку перегиба (рисунок 2). Значение сопротивления в точке перегиба равно половине установившегося значения. Следовательно, измерив значение сопротивления в точке перегиба и удвоив его, можно определить установившееся значение сопротивления изоляции. Момент времени, в который может наблюдаться точка перегиба кривой сопротивления от времени зависит от соотношения максимального тока абсорбции к установившемуся значению тока утечки. Если максимальное значение тока абсорбции больше установившегося значения тока утечки, то точка перегиба реально существует. При меньших значениях максимального значения тока абсорбции точка перегиба на реальной (положительной) оси времени не наблюдается. Она лежит в мнимой области (на отрицательной оси времени). У крупных электрических машин и аппаратов с нормальной изоляцией, как показано в [4], точка перегиба наблюдается практически всегда. Способ, описанный в [3, 4] помогает в этом случае сократить время определения установившегося значения сопротивления изоляции. Однако в [3 и 4] не дана техническая реализация этого способа.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для контроля качества электрической изоляции [5], содержащее источник испытательного напряжения, эталонный резистор, зарядный ключ, испытуемый объект, разрядный ключ, разрядный резистор, выходные выводы, к которым подключают испытуемый объект, масштабный преобразователь напряжения, делитель напряжений, переключатель на два положения, вольтметр, индикатор и источник питания цепей управления с двумя выводами, в котором первый вывод источника испытательного напряжения через зарядный ключ соединен с первым выводом масштабного преобразователя напряжения, второй вывод источника испытательного напряжения через эталонный резистор присоединен ко второму выводу масштабного преобразователя напряжения, первый вывод разрядного ключа подключен к первому выходному выводу устройства, а второй вывод разрядного ключа через разрядный резистор подключен ко второму выходному выводу устройства, второй вывод масштабного преобразователя напряжения соединен со вторым выходным выводом устройства, выход масштабного преобразователя напряжения соединении с один входом делителя напряжений, а второй вход делителя напряжений соединен с общей точкой эталонного резистора и источника испытательного напряжения, вход вольтметра соединен с подвижным контактом переключателя на два положения.
Принимаем за прототип [5]. Недостаток его заключается в том, что оно не позволяет измерить установившееся значение сопротивления изоляции ускоренным способом в соответствии с [3, 4].
Цель изобретения - сокращение времени при измерении установившегося значения сопротивления изоляции крупных электрических машин и аппаратов.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее источник испытательного напряжения, эталонный резистор, зарядный ключ, испытуемый объект, разрядный ключ, разрядный резистор, выходные выводы, к которым подключают испытуемый объект, масштабный преобразователь напряжения, делитель напряжений, переключатель на два положения, вольтметр, индикатор и источник питания цепей управления с двумя выводами, в котором первый вывод источника испытательного напряжения через зарядный ключ соединен с первым выводом масштабного преобразователя напряжения, второй вывод источника испытательного напряжения через эталонный резистор присоединен ко второму выводу масштабного преобразователя напряжения, первый вывод разрядного ключа подключен к первому выходному выводу устройства, а второй вывод разрядного ключа через разрядный резистор подключен ко второму выходному выводу устройства, второй вывод масштабного преобразователя напряжения соединен со вторым выходным выводом устройства, выход масштабного преобразователя напряжения соединении с один входом делителя напряжений, второй вход делителя напряжений соединен с общей точкой эталонного резистора и источника испытательного напряжения, вход вольтметра соединен с подвижным контактом переключателя на два положения, введены первый и второй дифференциаторы, первый и второй компараторы, первый и второй RS-триггеры, первый и второй двухвходовые элементы И, замыкающие блок-контакты зарядного ключа, управляемый ключ, устройство слежения-хранения и одновибратор, причем первый вывод масштабного преобразователя напряжения соединен с первым выходным выводом устройства, выход делителя напряжений соединен с входом первого дифференциатора и первым неподвижным контактом переключателя на два положения, а также через контакты управляемого ключа с входом устройства слежения-хранения, выход которого соединен со вторым неподвижным контактом переключателя на два положения, выход первого дифференциатора соединен с входом второго дифференциатора, выход которого соединен с входами первого и второго компараторов, выход первого компаратора соединен с устанавливающим входом S первого RS-триггера, прямой выход первого RS-триггера, соединен с первым входом первого двухвходового элемента И, второй вход которого соединен с выходом второго компаратора, вывод источника питания через блок-контакт зарядного ключа соединен с входом одновибратора и одними входом второго двухвходового элемента И, выход одновибратора соединен с устанавливающим входом S второго RS-триггера и восстанавливающим входом R первого RS-триггера, прямой выход второго RS-триггера соединен с входом управляемого ключа, а инверсный выход соединен с вторым входом второго двухвходового элемента И, выход которого соединен с входом индикатора, выход первого двухвходового элемента И соединен с восстанавливающим входом R второго RS-триггера.
Структурная схема устройства для измерения сопротивления электрической изоляции представлена на рисунке 3.
L
У
Устройство содержит источник испытательного напряжения 1, зарядный ключ 2, испытуемый объект 3, разрядный ключ 4, разрядный резистор 5, масштабный преобразователь напряжения 6, эталонный резистор 7, делитель напряжений 8, первый дифференциатор 9, второй дифференциатор 10, первый компаратор 11 и второй компаратор 12, первый RS-триггер 13 и первый двухвходовой элемент И 14, управляемый ключ 15, устройство слежения-хранения 16, переключатель на два положения 17, вольтметр 18, замыкающий блок-контакт 19 зарядного ключа 2, одновибратор 20, второй RS-триггер 21, второй двухвходовой элемент И 22, индикатор 23, выходные выводы 24 и 25 устройства, конденсатор 26, представляющий собой геометрическую емкость С испытуемого объекта, резистор 27, представляющий собой сопротивление утечки изоляции R испытуемого объекта, конденсатор 28, представляющий собой емкость ΔС, обусловленную поглощенным зарядом испытуемого объекта и резистор 29, представляющий собой внутреннее сопротивление г в схеме замещения испытуемого объекта, источник питания 30 цепей управления. В этой схеме по резистору 27 протекает установившийся ток утечки, а по ветви, содержащей конденсатор 28 и резистор 29 во время переходного процесса заряда изоляции протекает ток абсорбции.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии ключ 4 замкнут, а ключ 2 разомкнут и электрические емкости 26 и 28 объекта испытания 3 разряжаются через разрядный резистор 5, имеющий малое сопротивление. Необходимость введения разрядного резистора 5 вызвана соображениями электромагнитной совместимости, так как в разрядной цепи без разрядного резистора 5 в момент замыкания разрядного ключа 4 возникают большие экстратоки, электромагнитные помехи от которых могут приводить к сбою электронной аппаратуры.
После разряда конденсаторов 26 и 28 в течение одной минуты в соответствии с правилами устройства электроустановок блок управления (на схеме не показан) подает сигнал сначала на размыкание ключа 4 и затем на замыкание ключа 2. При указанном положении ключей 2 и 4 начинается процесс заряда конденсаторов 26 и 28 объекта испытания 3. При этом конденсатор 26 заряжается очень быстро, а конденсатор 28 - медленно. Блок-контакт 19 подает сигнал от источника питания цепей управления на один вход второго элемента И и на вход одновибратора 20. Одновибратор 20 вырабатывает кратковременный сигнал, который восстанавливает первый RS-триггер по входу R в нулевое состояние, а второй RS-триггер по входу 5 устанавливает в единичное состояние, при котором на прямом выходе второго RS-триггера сигнал становится равным логической единице, а на инверсном выходе при этом сигнал становится равным нулю. Единичный сигнал поступает на вход управляемого ключа 15. Ключ 15 замыкается и через его контакты сигнал с выхода делителя напряжений 8, пропорциональный значению измеряемого сопротивления изоляции подается на вход устройства слежения-хранения 16 и на первый неподвижный контакт переключателя 17 на два положения. Далее сигнал через подвижный контакт переключателя 17 при любом его положении подается на вход вольтметра 18, по которому можно наблюдать за значение сопротивления изоляции в процессе его измерения. На выходе второго двухвходового элемента И сигнал равен логическому нулю, так как на одном его входе присутствует нулевой сигнал, поданный с инверсного выхода второго RS-триггера. Индикатор 23 при этом неактивен.
На выходе делителя напряжений 8, на один вход которого поступает сигнал, пропорциональный напряжению на испытуемом объекте 3, а на другой вход поступает сигнал, пропорциональный току через испытуемый объект, получается напряжение, пропорциональное значению измеряемого сопротивления. Далее сигнал с выхода делителя напряжений 8 дважды дифференцируется - сначала первым дифференциатором 9, а затем вторым дифференциатором 10, на выходе которого сигнал пропорционален второй производной сопротивления изоляции по времени. Сигнал с выхода второго дифференциатора поступает на входы двух компараторов: первого 11 и второго 12. Если вторая производная больше нуля, то единичный сигнал появляется на выходе первого компаратора 11, а если вторая производная меньше нуля, то единичный сигнал появляется на выходе второго компаратора 12.
Если в начале процесса вторая производная положительная, то единичный сигнал с выхода первого компаратора устанавливает первый RS-триггер 13 по входу S в единичное состояние. Таким образом, первый RS-триггер 13 запоминает то, что вторая производная сопротивления положительна. Это значит, что значение сопротивления не дошло до точки перегиба. Единичный сигнал с выхода первого RS-триггер подается на первый вход первого логического элемента И 14.
Как только вторая производная становится отрицательной, на выходе второго компаратора 12 появляется единичный сигнал и на обоих входах первого двухвходового элемента 14 появляется единичный сигнал. При этом на выходе первого элемента 14 И также появится единичный сигнал, который устанавливает второй RS-триггер 21 по входу R в нулевое состояние. На прямом выходе второго RS-триггера 21 сигнал становится равным нулю и управляемый ключ 15 выключается. Устройство слежения-хранения 16 запоминает значение сопротивления, при котором вторая производная становится равной нулю. Это значение равно половине установившегося значения сопротивления. Сигнал на инверсном выходе второго RS-триггера становится равным единице. На обоих входах второго элемента И 22 появляются единичные сигналы и единичный сигнал на выходе элемента И 22 активизирует индикатор 23. Таким образом, если индикатор 23 становится активным, то можно переключатель 17 на два положения переключить на вход устройства слежения-хранения 16 и умножив показания вольтметра на два, определить установившееся значение сопротивления изоляции. На этом процесс измерения заканчивается.
Если же точка перегиба при измерении не наблюдается, а это происходит, когда максимальное значение тока абсорбции меньше установившегося значения токам утечки, то вторая производная при измерении не будет иметь положительное значение и на выходе первого компаратора 11 не будет возникать единичный сигнал. Первый RS-триггер не будет устанавливаться в единичное состояние. Следовательно, второй RS-триггер во время всего процесса измерения будет оставаться в установленном (единичном) состоянии. На выходе второго элемента И 22 сигнал равен нулю и индикатор 23 не активизируется, управляемый ключ 15 не выключается. Установившееся значение сопротивления изоляции определяется по вольтметру 18 после того, как значение измеряемого сопротивления изоляции перестает изменяться. Переключатель 17 на два положения позволяет производить метрологическую поверку устройства, измеряя значение сопротивления изоляции после активизации индикатора 23 и сравнивая установившееся значение сопротивления изоляции с удвоенным значением сопротивления в точке перегиба.
Технико-экономический эффект определяется уменьшением времени для измерения установившегося значения сопротивления изоляции крупных электрических машин, имеющих большую постоянную времени.
Источники информации
1. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1992.
2. Кулаковский В.Б. Работа изоляции в генераторах. Возникновение и методы обнаружения дефектов. - М.: Энергоатомиздат, 1981.
3. Патент РФ 2101716, кл. G01R 27/02.
4. Серебряков А.С. Способ измерения установившегося значения сопротивления изоляции. - Электричество, 1999, №5, с.40-43.
5. Патент РФ 2122215, кл. G01R 27/02.