ДАТЧИК ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОГО КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ ПРОВОДОВ
SENSOR FOR CONTINUOUS MONITORING OF WIRE INSULATION FAULTS

Изобретение относится к технике электрических испытаний и может быть использовано для контроля качества изоляции проводов.
Известен способ контроля дефектности изоляции проводов, описанный в [1].
2
4
В упомянутом способе в качестве датчика для непрерывного контроля изоляции проводов используют две фетровые пластины погруженными в электролитический раствор сернокислого натрия NaSOв воде (концентрация 30 г/л). При этом между жилой провода и раствором, соединенными в единую электрическую цепь, прикладывают испытательное напряжение постоянного тока (50±3) В при разомкнутой цепи. В соответствии с этим способом при помощи упомянутого датчика определяют целостность изоляции, которая выражается числом точечных повреждений изоляции провода, зафиксированных с помощью электрического испытательного устройства. Точечные повреждения фиксируют соответствующим реле со счетчиком. Счетчик должен срабатывать при сопротивлении изоляции провода менее 10 кОм в течение не менее 0,04 с. Счетчик не должен срабатывать при сопротивлении 15 кОм и более. Цепь для определения повреждений должна работать со скоростью срабатывания (5±1) мс, обеспечивая регистрацию с частотой (500±25) повреждений в минуту при протягивании провода без изоляции.
Недостаток указанного датчика заключается в том, что, во-первых, электролитический состав в течение работы может изменять свою концентрацию, а его электропроводимость зависит от температуры контроля, что влечёт за собой изменение сопротивления в контакте между датчиком точечных повреждений, и влияет на точность и информативность контроля. Кроме того, чувствительность датчика низка, поэтому его используют только для контроля изоляции тонких проводов, диаметр которых не превышает 0,5 мм.
Наиболее близким к заявляемому датчику является датчик для непрерывного контроля изоляции проводов, описанный в работе [2].
Датчик - прототип для непрерывного контроля изоляции проводов, выполненный в виде двух роликов из нержавеющей стали, имеющих U-образную проточку по образующей, диаметр роликов лежит в диапазоне 10÷16 мм, причем ролики помещают в корпус, который выполнен в виде швеллера, между параллельными стенками которого закреплена диэлектрическая основа для размещения элементов датчика, также выполненная в виде швеллера, параллельные стенки указанной основы закреплены крепежными деталями к параллельным стенкам корпуса датчика, а основание упомянутой основы расположено перпендикулярно к основанию корпуса датчика, в датчик дополнительно введены два металлических коромысла, четыре магнита, два скользящих контакта, два вывода для подсоединения источника питания, две направляющие втулки, причем коромысла выполнены в виде металлических пластин, на одном конце каждой из которых жестко закреплены перпендикулярно плоскости пластины цилиндрические оси под подшипники, на другом конце каждой пластины коромысла выполнены перпендикулярно плоскости коромысел отверстия под оси, которые жестко закреплены на диэлектрической основе для размещения элементов датчика, вращающихся роликов, прижатых с помощью магнитов друг к другу образующими поверхностями в точке соприкосновения, лежащей на вертикальной оси симметрии указанных роликов, рабочая часть которых выполнена из проводящей резины, по образующим поверхностям роликов выполнены проточки, лежащие при соприкосновении роликов друг против друга и служащие для фиксации и ограничения движения провода в поперечном направлении, в центральную часть роликов впрессованы подшипники, насаженные на упомянутые выше цилиндрические оси, жестко закрепленные на подвижном конце коромысел, неподвижные концы коромысле, имеющимися на них отверстиями надеты на оси, механически закрепленные на диэлектрической основе для размещения элементов датчика, ролики прижаты друг другу своими образующими поверхностями при помощи четырех магнитов, два из которых механически закреплены на коромыслах, а два других магнита закреплены механически к диэлектрической основе для размещения элементов датчика, причем стороны магнитов, закрепленных на коромыслах, и обращенные к ним стороны магнитов, закрепленных на диэлектрической основе, имеют взаимно противоположные магнитные полюса, за счет чего притягиваются друг к другу, напряжение к рабочим поверхностям роликов подводится скользящими контактами, выполненными в виде упругих пластинчатых пружин, один конец которых прижат к осям роликов, другой конец электрически и механически соединен к концу с выводами для подсоединения источника питания, в стенках корпуса датчика закреплены направляющие втулки, продольные оси симметрии которых совпадают с осью провода.
Недостатком прототипа является, во-первых то, что при контроле дефектности изоляции проводов на датчик требуется подавать высокое напряжение в 2-5 кВ.
Во-вторых, разрешающая способность датчика-прототипа относительно велика и составляет (8÷12) мм. При этом если в изоляции провода имеются несколько дефектов, и указанные дефекты находится на расстоянии друг от друга меньшем, чем (8÷12) мм, то сколько бы ни было дефектов на указанном отрезке провода, все они будут посчитаны как 1 дефект, что снижает точность контроля количества дефектов на контролируемом отрезке провода.
Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение состоит в снижении напряжения контроля, в придании датчику большей универсальности, за счет расширения функциональных возможностей, большей разрешающей способности и информативности и точности контроля.
Задача решается тем, что в датчике для непрерывного контроля изоляции проводов, включающим в себя коронирующий электрод, который выполняют из электропроводного кольца, по внутренней поверхности которого радиально располагают электропроводные микронити, равномерно распределенные по внутренней образующей кольца, оси которых перпендикулярны оси контролируемого провода, при этом концы микроигл лежат на окружности, диаметр D которой связан с диаметром контролируемого провода d соотношением d ≤ D ≤ 1,2d, кольцо снабжают сквозными отверстиями, напротив которых располагают ультрафиолетовые светодиоды, закрепленные на диэлектрическом кольце, охватывающим кольцо коронирующего электрода, и механически присоединенное к нему диэлектрическими стяжками.
На фиг. 1 приведена конструкция датчика. На фиг. 2 приведена осциллограмма сигнала с датчика-прототипа, а на фиг. 3 - с заявляемого датчика. Фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 служат для пояснения сущности изобретения.
На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1 - микронити; 2 - коронирующий электрод; 3 - отверстия; 4 - диэлектрические стяжки; 5 -диэлектрическое кольцо, 6 - ультрафиолетовый светодиод; 7 - изоляция провода; 8 - жила провода; 9 – крепежные детали; позицией 10 обозначена окружность, на которой завершаются концы микронитей.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем.
Известно, что коронный разряд воздухе зажигается тогда, когда напряженность поля достигает некоторого критического значения Екр≈30 кВ/см. В однородном поле такую напряженность электрического поля можно достичь при относительно высоких напряжениях, зависящих от расстояния между электродами. При расстояниях между электродами в несколько миллиметров это напряжение оценивается величиной в несколько киловольт. В резко неоднородных полях такую напряженность можно получить при напряжениях на порядки меньших. Так как провод представляет собой круглое протяженное тело, покрытое изоляционной пленкой 7, движущееся относительно первичного преобразователя (коронирующего электрода 2), а дефект в изоляции 7 может находиться в любой точки поверхности этого тела, то для обеспечения одинаковости условий по обнаружению любого из дефектов, нужно, чтобы все точки поверхности провода были равноудалены от поверхности первичного преобразователя дефектов, роль которого выполняют микронити 1. Для выполнения этого условия концы микронитей должны лежать на окружности диаметром D охватывая контролируемый провод диаметром d и удовлетворять условию d ≤D≤ 1,2d. Это условие обусловлено стремлением к максимальному снижению напряжения контроля. Дело в том, что напряженность в области конца микронитей при любом постоянном напряжении зависит от двух факторов: от расстояния между концом микронити 1 и жилой контролируемого провода 8, и от коэффициента усиления поля, зависящего от геометрических размеров микронитей. При этом, как уменьшение упомянутого расстояния, так и уменьшение геометрических размеров микронитей, в частности их диаметра, приводит к возрастанию напряженности поля. Поэтому наименьшее расстояние между жилой провода и концами микронитей обеспечивается при D= d. При неизменном диаметре провода d увеличение величины D приводит к снижению напряженности поля в области вершин микронитей. Поэтому увеличивать величину D за пределы 1,2d нецелесообразно.
р
c
р
р
с
На фиг. 2 приведена осциллограмма с выхода датчика - прототипа дефектов, снятая без ультрафиолетовой подсветки, при прохождении через него поврежденного участка изоляции провода. Поврежденный участок изоляции провода 7 представлял себя точечный дефект, искусственно созданный путем прокола иглой упомянутой изоляции до жилы провода 8. Сигнал, приведенный на фиг. 2, был получен при прохождении упомянутого дефектного участка изоляции под датчиком-прототипом, на который было подано напряжение 2 кВ. Из фиг. 2 видно, что сигнал имеет сложную структуру и нечетко выраженные фронты. При подходе и выходе дефекта из зоны действия датчика разряд может многократно загораться и погасать. Сигнал с датчика дефектов имеет длительность t. В сигнале можно выделить относительно стабильную зону горения сигнала (время t), и три нестабильные зоны 11, 12, 13 во время которых разряд погасает и зажигается вновь. Сигнал, приведенный на фиг. 2 снят с датчика - прототипа, при отсутствии ультрафиолетовой подсветки. Так как количество дефектов в изоляции контролируемого провода подсчитывают по количеству импульсов, приходящих в счетчик количества дефектов с выхода датчика дефектов, то использование сигнала, приведенного на фиг. 2 приведет к значительным ошибкам. Например, по сигналу, приведенному на фиг. 2 счетчик количества дефектов посчитает не один дефект, а как минимум 4. Кроме того из-за высокой нестабильности времени t, изменяющейся от дефекта к дефекту, с таким датчиком весьма проблематично проконтролировать протяженности дефектов. Нестабильность сигнала в датчике- прототипе во многом зависит от того, имеются ли в зазоре между датчиком и жилой провода в дефектном месте изоляции свободные электроны, способные инициировать коронный разряд. Появление таких свободных электронов носит статистический характер, что определяет и статистический характер момента зажигания коронного разряда. Это, при многократном протягивании одного и того же дефектного участка через датчик-дефектов, приводит к разбросу времен t и t.
Пример конкретного выполнения.
Был изготовлен датчик дефектов, схематически изображенный на фиг. 1.
Медные микронити, диаметром 35 мкм, концы которых подтравливались (заострялись) в электролите, и зажимались крепежными винтами 9 между двумя медными кольцами, образующими коронирующий электрод 2. Наружный диаметр колец коронирующего электрода 2 был равен 20 мм, а внутренний диаметр был равен 8 мм. Толщина дисков, образующих коронирующий электрод 2 была равна 6 мм. В каждом из колец было выполнено по 6 радиальных проточек, равномерно распределенных по поверхности. При сжатии упомянутых колец крепежными винтами 9 эти проточки располагались лицевой частью друг к другу, образуя в коронирующем электроде 2 сквозные отверстия 3. Иглы 1 радиально и равномерно распределялись по окружности. Концы микронитей выступали от внутренней окружности электрода 2 в сторону центра колец на 3,55 мм, таким образом, что их концы лежали на окружности 10, диаметр которой D=0,9мм. Напротив каждого сквозного радиального отверстия в коронирующем электроде располагались ультрафиолетовые лампы vfhrb UV-Inspector 2000 [3]. Лампы 6 распределялись на внутренней поверхности диэлектрического кольца 5, выполненного из капролактама. Диэлектрическое кольцо 5 механически прикреплялась стяжками 4 к коронирующему электроду 2. При помощи заявляемого датчика осуществляли контроль изоляции провода диаметром d=0,8 мм. В изоляции провода был создан точечный дефект изоляции, путём её прокола до жилы провода.
Ультрафиолетовая подсветка существенно меняет структуру сигнала дефекта (см. фиг. 3).
р
с
С введением ультрафиолетовой подсветки из сигнала с датчика дефектов исчезают зоны нестабильности, связанные с возможными многократными загораниями и погасаниями разряда между датчиком и дефектом, при прохождении последнего через датчик. Время горения разряда t становится стабильным и равным времени t. Напряжения зажигания разряда в датчике, при прохождении через него дефекта при облучении ультрафиолетом снизилось до 150 Вольт, по сравнению с напряжением зажигания разряда в датчике– прототипе без ультрафиолетовой подсветки, где оно составляло 2 кВ.
Введение в датчик ультрафиолетового светодиодов 6 приводит к снижению напряжения контроля на датчике, и к значительному повышению стабильности сигнала с выхода датчика дефектов, при прохождении через него дефектного участка изоляции. Это происходит за счет того, что ультрафиолет ионизирует газ возле электродов - нитей коронирующего электрода 2, что снижает время запаздывания разряда и облегчает переход несамостоятельного разряда в самостоятельный. Сказанное наглядно подтверждают осциллограммы с датчика дефектов, приведенные на фиг. 2 и фиг. 3.
Разрешающая способность заявляемого датчика была уменьшена с 10 мм до 2 мм.
Таким образом, заявляемый датчик по сравнению с датчиком – прототипом имеет следующие преимущества:
- заявляемый датчик и по сравнению с датчиком - прототипом, существенно упрощён;
- имеет большую универсальность так как позволяет контролировать изоляцию проводов различных диаметров;
- заявляемый датчик не создает никаких механических воздействий на изоляцию контролируемого провода, обеспечивая её сохранность;
- заявляемый датчик имеет в отличии от датчика - прототипа стабильный сигнал дефекта, что позволяет повысить точность контроля количества дефектов;
- заявляемый датчик по сравнению с прототипом позволил снизить напряжение контроля более чем в десять раз, и в 5 раз улучшил разрешающую способность.
Используемые источники
.
1. ГОСТ Р МЭК 60851-5-2008. Провода обмоточные. Методы испытаний. Часть 5. Электрические свойства
(прототип)
2. Патент РФ №2597938. Датчик для непрерывного контроля изоляции проводов // Смирнов Г.В., Смирнов Д.Г. // Опубл. 20.09.2016 Бюл. №26
3. http://www.geo-ndt.ru/catalog-506-yltrafioletovie-lampi.htm