Устройство с микропроцессорным управлением для диагностики изоляции электрооборудования

Д. А. СЕМЕНОВ

УСТРОЙСТВО С МИКРОПРОЦЕССОРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

Ключевые слова: диагностики высоковольтной изоляции, заряд абсорбции, ток абсорбции, напряжение саморазряда, возвратное напряжение постоянные времени саморазряда, схема замещения корпусной изоляции трансформатора, износ изоляции.

Аннотация. Предложено устройство для диагностики состояния корпусной изоляции распределительных трансформаторов по напряжению саморазряда и возвратному напряжению.

Электрические установки могут нормально работать лишь с исправной изоляцией. В процессе эксплуатации из-за увлажнения, перегрева, динамических нагрузок и перенапряжений происходит общее старение изоляции, т.е. ухудшение ее физико-химических характеристик. В изоляции возникают распределенные и местные дефекты, которые в конечном итоге приводят к пробою изоляции.

Ресурс изоляции, как правило, определяет и ресурс электрооборудования. Многочисленные исследования показали, что в подавляющем числе случаев причиной отказов электрооборудования является нарушение работы его изоляционной системы. При этом основная доля отказов приходится на долю корпусной или главной изоляции.

© Семенов Д. А.

Чтобы своевременно выявлять развивающиеся дефекты и не допускать внезапных пробоев электрической изоляции, приводящих к авариям, свойства ее в процессе эксплуатации периодически проверяют. Такие мероприятия обеспечивают поддержание необходимой степени надежности электрооборудования в процессе его эксплуатации. Периодический контроль с целью прогнозирования расходования ресурса электрооборудования необходим и для обоснования выбора очередности замены этого оборудования. Это особенно важно на современном этапе эксплуатации энергетических установок.

Периодичность и нормы испытаний устанавливаются действующими стандартами, правилами технической эксплуатации и ведомственными инструкциями для каждого вида оборудования. При такой системе обслуживания контроль и ремонт оборудования производят по заранее нормированному времени эксплуатации.

Как показывает практика, в нашей стране и за рубежом такая система технического обслуживания и ремонта не является оптимальной. Большие резервы повышения эффективности эксплуатации электрооборудования заложены в системе обслуживания по реальной потребности или по реальному техническому состоянию. Переход к такой системе невозможен без использования современных приборных средств, основанных на надежных и научно обоснованных методах выявления дефектов и оценки технического состояния изоляции. Эти вопросы решает техническая диагностика [1,2]. Именно диагностика является тем основным инструментом, с помощью которого можно обоснованно продлить «срок жизни» электрооборудования, предупредить аварии в энергосистемах и снизить затраты на ремонты электрооборудования.

В технической диагностике настоящее время различают два направления развития: диагностика оборудо-

вания в отключенном состоянии - тестовая диагностика и диагностика оборудования под рабочим напряжением в процессе его функционирования - функциональная или рабочая диагностика.

Эти два направления различаются между собой методами и аппаратурой для их реализации.

Известно, что о состоянии изоляции и степени ее старения судят по току утечки и по току абсорбции, или точнее, по коэффициенту абсорбции, который определяют как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к пятнадцатисекундному ее значению. В зарубежной практике вместо коэффициента абсорбции вводят индекс поляризации, который определяют как отношение десятиминутного значения сопротивления изоляции к одноминутному ее значению. В некоторых случаях наряду с индексом поляризации нормируют коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR), вычисляемый как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к тридцатисекундному ее значению.

Коэффициент абсорбции и индекс поляризации дают объективную оценку состояния изоляции, так как учитывают заряд абсорбции, поглощенный в системе изоляции. Однако контроль заряда абсорбции по току абсорбции неудобен тем, что ток абсорбции мал и промышленные помехи сильно искажают его. Поэтому удобнее пользоваться другими методами обнаружения явления абсорбции. Так, например, на практике можно применить метод измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения. Рассмотрим подробнее эти явления.

С учетом электропроводности и поляризации схема замещения диэлектрика как участка изоляции в простейшем случае может быть представлена параллельным соединением резистора R и конденсатора С (рис. 1).

Рисунок 1 - Структурная схема устройства для измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения: ВИП - высоковольтный источник питания с напряжением 1000 В и 2500 В, ОИ - объект испытания, Р1, Р2 -высоковольтные управляемые реле, И1 - измеритель тока, И2 - измеритель напряжения, МК - программируемый микроконтроллер, БС - блок сопряжения, ЖКД - жидкокристаллический дисплей, ОУ - органы управления

В действительности главная или корпусная изоляция силовых трансформаторов представляет собой сложную систему изоляции, которая состоит из нескольких изоляционных элементов, различных по конструкции и по электрическим параметрам. Комбинация нескольких диэлектриков с разными электрическими параметрами позволяет получить наиболее благоприятные свойства изоляционной конструкции. Это обстоятельство делает главную изоляцию неоднородной. Поэтому корпусная изоляция представляется схемой замещения, состоящей не из одного слоя, а из нескольких слоев (трех и более), каждый из ко-

торых имеет свое сопротивление, емкость и постоянную времени (рис.2).

Поэтому на схеме замещения система изоляции как объект испытания ОИ представляется последовательным соединением ЯС-цепочек (рис. 1 и рис. 2), причем произведения ЯС для каждого слоя разные, что и делает систему изоляции неоднородной.

Рисунок 2 - Схема замещения трехслойной изоляции при ее разряде на землю

Если зарядить объект испытания, то есть неоднородную изоляцию от источника постоянного напряжения до напряжения и0, а затем отключить от источника и оставить разомкнутой, то заряженные конденсаторы будут постепенно разряжаться на свои резисторы. При этом напряжение на изоляции ис , называемое напряжением саморазряда, будет представлять собой сумму затухающих экспонент с разными постоянными времени Т.

Постоянная времени саморазряда каждого слоя изоляции определяется выражением Т = ЯС. Она измеряется в секундах и равна тому промежутку времени, в течение которого напряжение на конденсаторе С уменьшится в е=2,718 раза. Чем больше постоянная времени, тем медленнее идет процесс саморазряда. Если представить себе,

что в качестве изолятора используется диэлектрик прямоугольной формы, площадь поперечного сечения которого Л, а толщина И, то формула для постоянной времени Т примет вид:

И £0£ ГЛ

Т = ЯС =ру— =£0ег Ру .

Л И

Здесь ру - удельное объемное сопротивление диэлектрика, е0- электрическая постоянная, £г - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. Из формулы (1) следует важный вывод: постоянная времени саморазряда изоляции Т = ЯС не зависит от геометрических размеров изоляции, а определяется исключительно

свойствами изоляции £г и ру. Более строгий анализ показывает, что постоянная времени не зависит и от формы изоляции.

Опыт, в котором наблюдается возвратное напряжение, состоит в следующем. Неоднородная изоляция заряжается в течение одной минуты при постоянном напряжении и на конденсаторах отдельных слоев накапливаются заряды. Причем, заряды на слоях не равны друг другу. Затем изоляция отключается от источника постоянного напряжения и ее электроды замыкаются накоротко на очень малый промежуток времени Л1, после чего вновь размыкаются. За время Л1 емкости слоев не успевают полностью разрядиться. Поглощенный заряд абсорбции практически остается неизменным. После размыкания внешних электродов изоляции конденсаторы вновь оказываются соединенными последовательно и будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев с разными скоростями, т.к. постоянные времени слоев неодинаковы. На изоляции появится напряжение ив, которое называют возвратным

напряжением. По значению и форме возвратного напряжения можно судить о состоянии изоляции.

Для измерения рассмотренных выше параметров: сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции, кривой саморазряда и возвратного напряжения авторами разработано устройство, приведенное на рис.1. Устройство снабжено программируемым микроконтроллером и позволяет измерять каждый из указанных параметров изоляции в течение одной минуты через каждую секунду.

На рис. 3 приведены временные диаграммы процесса измерения параметров изоляции.

Рисунок 3 - Временные диаграммы процесса измерения параметров изоляции

С помощью этого прибора были измерены параметры изоляции различных трансформаторов, которые расположены в РЭС Княгининского района. Результаты испытаний по нескольким трансформаторам д. Урги, проведенные с этим прибором, даны в статье Семенов Д. А. «Мониторинг изоляции трансформаторов в процессе эксплуатации».

ЛИТЕРАТУРА

1. Объем и нормы испытаний электрооборудования / Под общей редакцией Б. А. Алексеева, Ф. Л. Когана Л. Г. Мамиконянца. - М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2001. 256 с.

2. Серебряков А. С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта .М.: Маршрут, 2005. 280 с.

GADGET WITH MICROPROCESSING

MANAGEMENT FOR DIAGNOSTIC ISOLATION OF ELECTRO-EQUIPMENT

Keywords: diagnostics of the high-voltage isolation, charge of absorption, absorption current, voltage of self category, reflexive voltage of constant time of self category, scheme of rechanging of corpus isolation of transformer, wear of isolation.

The summary. The arrangement for diagnostics of a condition of case isolation of distributive transformers on a pressure of the self-category and a returnable pressure is offered.

СЕМЕНОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - преподаватель кафедры «Электрификация и автоматизация», Нижегородский государственный инженерно-экономический институт, Россия, Княгинино, (xxxmy@mail.ru).

SEMENOV DMITRII ALEXANDROVICH - the teacher of the chai-relectrification and automatization, the Nizhniy Novgorod state engineering-economic institute, Russia, Knyaginino, (xxxmy@mail.ru).