УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ
DEVICE FOR QUALITY CONTROL OF ELECTRIC INSULATION

Изобретение относится к технике электрических измерений, в частности к измерениям параметров изоляции электрооборудования и может быть использовано для контроля качества электрической изоляции электрических машин и аппаратов, имеющих большую постоянную времени.
Известно устройство для контроля качества электрической изоляции [1], с помощью которого качество изоляции определяют по одной точке кривой напряжения саморазряда. Недостатком этого устройства является то, напряжение саморазряда зависит от времени заряда изоляции. У электрических машин и аппаратов с большой постоянной времени процесс заряда изоляции не успевает закончиться через одну минуту, что приводит к погрешностям при измерении напряжения саморазряда.
Наиболее близким техническим решением - прототипом к предлагаемому изобретению является устройство для контроля качества электрической изоляции, 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, вольтметр, устройство слежения-хранения, два суммирующих усилителя, 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 первым входом делителя напряжений [2]. Суть его заключается в том, что с его помощью измеряют коэффициент абсорбции и одноминутные значения сопротивления изоляции без подавления частичных разрядов и с подавлением их. Недостаток этого устройства тот же, что и в устройстве [1], а именно - неполный заряд изоляции после заданного времени в одну минуту, что приводит к значительным погрешностям при измерениях.
При профилактических испытаний 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 [3]. 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 [4].
Цель изобретения - сокращение времени при измерении параметров электрической изоляции, по которым оценивается ее качество за счет определения параметров изоляции по трем замерам, сделанным через равные интервалы времени.
Процесс определения параметров электрической изоляции поясняется рисунком 1. На нем показан ток i заряда изоляции, состоящий из двух слагаемых:
<mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>i</mi><mi>a</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mfrac><mi>t</mi><mi>T</mi></mfrac></mrow></msup><mo>.</mo><mtext>              (1)</mtext></mrow>
y
a
ам
a
Здесь I - установившееся значение тока утечки, i - ток абсорбции, I - максимальное значение тока абсорбции в начальный момент времени при t=0. Т - постоянная времени заряда изоляции. Как следует из формулы (1), ток абсорбции i с течением времени t уменьшается по экспоненциальному закону, стремясь к нулю. Если измерить ток i в трех точках через равные промежутки времени Δt, то получим следующие выражения для токов:
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac></mrow></msup><mo>;</mo><mtext>              (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac></mrow></msup><mo>;</mo><mtext>              (3)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mfrac><mrow><mn>3</mn><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac></mrow></msup><mo>;</mo><mtext>              (4)</mtext></mrow>
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac></mrow></msup><mo>=</mo><mi>x</mi><mo>.</mo><mtext>              (5)</mtext></mrow>
Обозначим
Тогда с учетом (5) выражения (2)-(4) запишутся:
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mi>x</mi><mtext>;                 (6)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mtext>;                 (7)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup><mtext>;                 (8)</mtext></mrow>
Из уравнений (6)-(8) получим соотношения:
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mi>x</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>          (9)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><msup><mi>x</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>x</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext>          (10)</mtext></mrow>
<mrow><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mi>T</mi></mfrac></mrow></msup><mo>=</mo><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>.</mo></mrow>
Отсюда
Из формулы (9) определим максимальное значение тока абсорбции:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext>                              (11)</mtext></mrow>
Установившееся значение тока утечки согласно формулам (2) и (6) равно:
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>у</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mi>x</mi><mo>=</mo><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>а</mi><mi>м</mi></mrow></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mi>Τ</mi></mfrac></mrow></msup><mo>.</mo><mtext>                 (12)</mtext></mrow>
Постоянная времени Т определяется из соотношения:
<mrow><mi>T</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mrow><mo>−</mo><mi>ln</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>i</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>i</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>13</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Зная указанные выше параметры, можно определить всю кривую изменения тока в процессе заряда изоляции. Эти же параметры характеризуют качество электрической изоляции.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля качества электрической изоляции, 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, вольтметр, устройство слежения-хранения, два суммирующих усилителя, 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 соединен с первым входом делителя напряжений, дополнительно введены два устройства слежения хранения, три слаботочных управляемых ключа, три делителя напряжений, блок умножения напряжений, два суммирующих усилителя, блок логарифмирования, блок возведения в квадрат и переключатель на четыре положения, причем первый вывод масштабного преобразователя напряжения соединен с первым выходным выводом устройства, подвижные контакты трех слаботочных управляемых ключей соединены с общей точкой источника испытательного напряжения и эталонного резистора, неподвижные контакты первого, второго и третьего слаботочных управляемых ключей соединены соответственно с входами первого, второго и третьего устройств слежения-хранения, выход первого устройства слежения-хранения соединен с прямым входом первого суммирующего усилителя и прямым входом третьего суммирующего усилителя, выход второго устройства слежения-хранения соединен с неинвертирующим входом второго суммирующего усилителя и с инвертирующим входом первого суммирующего усилителя, выход третьего устройства слежения-хранения соединен с инвертирующим входом второго суммирующего усилителя, выход первого суммирующего усилителя соединен с вторым входом второго делителя напряжений, и первым входом третьего делителя напряжений, первый вход второго делителя напряжений соединен с выходом второго суммирующего усилителя, выход второго делителя напряжений соединен с входом блока возведения в квадрат, с первым входом блока умножения напряжений, с прямым входом четвертого суммирующего усилителя и инвертирующим входом блока логарифмирования, инвертирующий вход четвертого суммирующего усилителя соединен с выходом блока возведения в квадрат, выход четвертого суммирующего усилителя соединен с вторым входом третьего блока деления напряжений, выход которого соединен с вторым входом блока умножения напряжений и третьим неподвижным контактом переключателя на четыре положения, выход блока умножения напряжений соединен с инвертирующим входом третьего суммирующего усилителя, выход которого соединен с вторым входом первого делителя напряжений и вторым неподвижным контактом переключателя на четыре положения, выход первого делителя напряжений соединен с четвертым неподвижным контактом переключателя на четыре положения, выход блока логарифмирования соединен с вторым входом четвертого делителя напряжений, на первый вход которого подано постоянный сигнал, пропорциональный промежутку времени Δt, через который производятся измерения тока, выход четвертого делителя напряжений соединен с первым неподвижным переключателем на четыре положения, подвижный контакт которого соединен с входом вольтметра.
Структурная схема устройства для контроля качества электрической изоляции представлена на рисунке 2.
Г
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, управляемые слаботочные ключи: первый 8, второй 9, третий 10, устройства слежения-хранения: первое 11, второе 12, третье 13, суммирующие усилители: первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17, делители напряжений: первый 18, второй 19, третий 20, четвертый 21, блок логарифмирования 22 с инвертированием знака, блок возведения в квадрат 23, умножитель напряжений 24, переключатель на четыре положения 25 и вольтметр 26, выходные выводы 27 и 28 устройства, конденсатор 29 представляющий собой геометрическую емкость С испытуемого объекта, резистор 30, представляющий собой сопротивление утечки изоляции R испытуемого объекта, конденсатор 31, представляющий собой емкость ΔC, обусловленную поглощенным зарядом испытуемого объекта и резистор 32, представляющий собой внутреннее сопротивление r в схеме замещения испытуемого объекта. В этой схеме по резистору 30 протекает установившийся ток утечки, а по ветви, содержащей конденсатор 31 и резистор 32 во время переходного процесса заряда изоляции протекает ток абсорбции, создающий заряд внутреннего поглощения. В блоках деления напряжений принято, что на первый вход подается делимое, а на второй вход - делитель.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии ключ 4 замкнут, а ключ 2 разомкнут и электрические емкости 29 и 31 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 29 и 31 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 29 и 31 объекта испытания 3. При этом конденсатор 29 заряжается очень быстро, а конденсатор 31 - медленно с постоянной времени Т. Изменение ток от времени в процессе заряда изоляции представлено на рис.1.
1
2
3
Спустя очень малый промежуток времени после замыкания зарядного ключа 2, когда затухает экстраток заряда конденсатора 29, блок управления посылает сигналы на включение слаботочных управляемых ключей 8, 9 и 10 и входы трех устройств слежения-хранения 11, 12 и 13 подключаются к входу датчика тока, которым служит эталонный резистор 7. Напряжение на эталонном резисторе пропорционально току заряда изоляции. Через первый заданный промежуток времени Δt ключ 8 выключается и первое устройство слежения-хранения 11 переходит в режим хранения. Оно запоминает и хранит сигнал, пропорциональный току i. Через промежуток 2Δt размыкается ключ 12 и второе устройство слежения-хранения 12 переходит в режим хранения. Оно запоминает значение тока i. Через промежуток времени 3Δt размыкается ключ 10 и третье устройство слежения-хранения 13 переходит в режим хранения. Оно запоминает значение тока i.
У
У
ам
После этого выключается ключ 2 и замыкается ключ 4. Процесс измерения заканчивается. На выходе суммирующего усилителя 16 присутствует сигнал, равный установившемуся значению тока утечки I, а на выходе делителя напряжений 18 - установившемуся значению сопротивления изоляции R. На выходе делителя напряжений 21 сигнал равен значению постоянной времени Т заряда изоляции, а на выходе делителя напряжений 20 - максимальному значению тока абсорбции I. Указанные параметры измеряют вольтметром 26, переключая переключатель 25 на четыре положения.
Технико-экономический эффект определяется уменьшением времени и повышением точности измерения параметров для контроля качества электрической изоляции крупных электрических машин, имеющих большую постоянную времени.
Источники информации
1. Авт. св. 1749845, кл. G01R 27/02
2. Патент РФ 2122215, кл. G01R 27/02.
3. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. - М.: Энергоатомиздат, 1992.
4. Кулаковский В.Б. Работа изоляции в генераторах. Возникновение и методы обнаружения дефектов. - М.: Энергоатомиздат, 1981.