УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЖИДКОГО ДИЭЛЕКТРИКА

Изобретение относится к области контрольно измерительной техники и может быть использовано для контроля качества жидкого диэлектрика (ЖД) по измеренной зависимости - тангенса угла диэлектрических потерь ЖД (tgδ ЖД) от температуры ЖД, т.е. зависимости tgδ=f(T).
В маслонаполненном электрооборудовании ЖД выполняет электроизоляционные функции. Нормативные документы устанавливают методы контроля качества ЖД, среди которых важное место занимает измерение зависимости tgδ=f(T).
Известно устройство (ГОСТ 6581-75. «Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний»), которое содержит измеритель tgδ ЖД, например, мост переменного тока, Р-5079, эталонный воздушный конденсатор, высоковольтный источник испытательного напряжения, термостат с размещенными в его внутреннем объеме испытательной ячейкой (ИЯ) и термометром. Измерение зависимости tgδ=f(T) ЖД выполняют у залитого в ИЯ ЖД при трех фиксированных температурах: Т=(20±5)°С, Т=70°С и Т=90°С, с двадцатиминутной выдержкой ЖД при Т=70°С и Т=90°С перед измерением tgδ ЖД.
Недостатком устройства является его компоновка из отдельных приборов, некоторые из которых требуют значительной доработки для использования в составе устройства.
Кроме того, установку температуры в термостате, контроль времени выдержки ИЯ с пробой ЖД на ступенях температуры (Т=70°С и Т=90°С) и измерения значений tgδ выполняет оператор, что определяет вероятность влияния человеческого фактора на результат измерений.
Более того, результаты измерений являются исходными для вычислений значения tgδ ЖД по стандартным формулам (см. ГОСТ 6581-75. «Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний»).
Наиболее близким по технической сути является выпускаемое ООО НПО «Техносервис-Электро» устройство (Комплект испытательной аппаратуры для измерения тангенса угла диэлектрических потерь и удельного объемного электрического сопротивления трансформаторных масел в полевых и лабораторных условиях». «Руководство по эксплуатации аппаратуры»), содержащее источник испытательного напряжения, измеритель tgδ ЖД, термостат, во внутреннем объеме которого размещены нагреватель, датчик температуры ЖД, стандартная
ИЯ с ЖД. Эксплуатация устройства осуществляется следующим образом. Исходные сигналы поступают на два входа измерителя tgδ ЖД с двух эталонных резисторов, один из которых подключен последовательно эталонному конденсатору, второй эталонный резистор подключен последовательно ИЯ с пробой ЖД. В измерителе поступившие с эталонных резисторов сигналы усиливают, оцифровывают, программными средствами процессора вычисляют значение tgδ ЖД, которое выводятся на индикатор.
Устройство-прототип скомплектовано из отдельных элементов, каждый из которых предназначен для контроля качества жидких диэлектриков, например, термостат, специально разработанный для измерения зависимости tgδ=f(T). Но, как и в случае аналога, работа устройства в целом может осуществляться только при поддержании оператором взаимосвязи между составляющими установку элементами.
Кроме того, температура ЖД, залитого в цилиндрическую ИЯ, измеряется термометром, удаленным почти на 10 см от зоны измерения tgδ ЖД, что требует термостабилизации пробы ЖД в течение 20 минут при температурах и Т=70°С и Т=90°С. Но, как известно, («Инструкция по оценке состояния свежих и эксплуатационных трансформаторных масел на основе измерения их удельного объемного электрического сопротивления (ρv) и тангенса угла диэлектрических потерь (tgδ)». Научно-инженерная фирма «Диатранс», Москва, 2000 г) длительная выдержка пробы ЖД при высокой температуре приводит к заметному снижению значений tgδ ЖД за счет испарения влаги и иных летучих компонент из объема ЖД, что приводит к завышенной оценке качества ЖД.
МАКС
НОРМ
И, наконец, на ветви снижения температуры ЖД от Т до Т измерение tgδ=f(T) с устройством-прототипом не выполняют, из-за больших затрат времени (более 12 часов).
Задачей данной полезной модели является повышение надежности и оперативности оценки качества жидкого диэлектрика.
Поставленная задача реализована в устройстве контроля качества жидкого диэлектрика (ЖД), содержащем источник испытательного напряжения термостат, во внутреннем объеме которого размещают нагреватель, испытательную ячейку с ЖД, датчик температуры ЖД, при этом выход источника напряжения соединен с потенциальным электродом испытательной ячейки и выводом эталонного конденсатора, входы усилителя связаны с двумя эталонными резисторами, один резистор подключен последовательно измерительному электроду ячейки, второй резистор подключен последовательно эталонному конденсатору, два выхода усилителя связаны с двумя входами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), два выхода АЦП связаны с двумя входами процессора, выход которого связан с входом индикатора, благодаря тому, что в устройство введены дешифратор, таймер, линия задержки, два программно управляемых
коммутатора, а датчик температуры ЖД размещен в объеме измерительного электрода, выход датчика температуры соединен с третьим входом АЦП, третий выход АЦП связан с третьим входом процессора, четвертый выход АЦП связан с входом дешифратора, выход дешифратора соединен с входом таймера, первый выход которого соединен с первым коммутатором, вход которого соединен с выходом источником питания, выход первого коммутатора соединен с входом источника испытательного напряжения, второй выход таймера связан с входом линии задержки, выход которой связан с входом процессора, второй выход которого связан со вторым коммутатором, вход которого соединен с выходом источника питания, выход второго коммутатора соединен с входом нагревателя.
Корпус термостата может быть изготовлен из электроизоляционного, термостойкого материала, например, фторопласта.
Корпус термостата может быть снабжен вентиляционными отверстиями.
В память дешифратора занесен набор значений температуры ЖД, при которых на ветви подъема и ветви снижения температуры ЖД выполняют измерения значений tgδ ЖД.
Совокупность использованных в предлагаемом устройстве технических решений позволяет повысить оперативность и надежность контроля качества ЖД.
В частности, введение в состав устройства дешифратора с внесенными в его память значениями температуры ЖД, при которых должны выполнять измерения tgδ ЖД и температуры завершения испытаний пробы ЖД, исключает дальнейшее участие оператора в процессе измерения tgδ=f(T) ЖД на ветви подъема и снижения температуры ЖД и, как следствие, исключает влияние человеческого фактора на результат измерений.
Кроме того, таймер устанавливает продолжительность измерения каждого значения tgδ ЖД, что резко снижает влияние высокого напряжения на состояние ЖД.
К положительному результату приводит измерение tgδ ЖД в программно-управляемом режиме, что позволяет получить подробную зависимость tgδ=f(T) на ветви подъема и на ветви снижения температуры ЖД. Например, при шаге температуры между измерениями tgδ ЖД ΔТ=1,0°С при подъеме температуры ЖД от Т=20°С до Т=90°С и последующим снижением температуры ЖД от Т=90°С до Т=20°С выполняют 140 измерений, по которым строят и выводят на дисплей графическую зависимость tgδ=f(T).
На фиг.1 представлено заявляемое устройство.
На фиг.2 приведена графическая зависимость tgδ=f(T), полученная с помощью предлагаемого устройства при измерении значений tgδ ЖД с шагом температуры ΔТ=1,0°С на ветви подъема (кривая 1) и снижения (кривая 2) температуры ЖД.
Устройство контроля качества жидкого диэлектрика содержит источник высоковольтного испытательного напряжения 1, помещенную в термостат 4 заполненную пробой жидкого диэлектрика (ЖД) 10 стандартную цилиндрическую трех электродную измерительную ячейку (ИЯ), состоящую из потенциального 6б, охранного 7 электрода и измерительного 9 электрода, в технологическом отверстии которого закреплен электронный датчик температуры 8. ИЯ с пробой ЖД 10 размещена на пластинчатом высоковольтном электроде 6а, закрепленном на внутренних стенках термостата 4, в нижней части которого размещен нагреватель 5. Выход высоковольтного источника 1 соединен с выводом эталонного конденсатора 3 и электродом 6а, который контактирует с электродом 6б ИЯ. Входы Д1 и Д2 усилителя 12 связаны с эталонными резисторами 2 и 11, при этом резистор 2 соединен последовательно с эталонным конденсатором 3, а резистор 11 - с ИЯ. Выход усилителя 12 и выход датчика 8 связаны с входами АЦП Д1, АЦП Д2 и АЦП Т аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 14. Выходы АЦП 14 связаны с входами ПР Д1, ПР Д2, ПР Т процессора 20 и входом дешифратора 15. Выход дешифратора 15 связан с входом таймера 16, выходы которого связаны с входом линии задержки 18 и с управляющим элементом коммутатора 17 (К1), вход которого соединен с выходом источника питания 19, выход коммутатора 17 соединен с входом источника 1. Процессор 20 программными средствами обрабатывает поступившие на его измерительные входы измеренные сигналы и, как конечный результат, выводит на вход индикатора 21 графическую зависимость tgδ=f(T). Второй выход процессора 20 связан с управляющим элементом коммутатора 13 (К2), вход которого соединен с выходом источника 19, выход коммутатора 13 соединен с нагревателем 5.
Работа устройства на фиг.1 осуществляется следующим образом.
Пробу испытуемого ЖД 10 заливают в измерительную ячейку, состоящую из цилиндрического по форме потенциального электрода 6б, измерительного 9 и охранного 7 электродов, которые отделены друг от друга деталями из изоляционного термостойкого материала (детали на фиг.1 не показаны). Датчик температуры 8 закреплен в технологическом отверстии электрода 9 и отделен от залитой в измерительную ячейку пробы ЖД 10 металлической стенкой электрода 9 толщиной не более 0,3 мм. Собранную измерительную ячейку с пробой ЖД 10 помещают на пластинчатый высоковольтный электрод 6а, закрепленный во внутреннем объеме термостата непосредственно на его корпус 4, изготовленный из термостойкого электроизоляционного материала, например, фторопласта. В нижней части термостата 4 размещен нагреватель 5. Вывод источника 1 присоединяют к выводу эталонного конденсатора 3 и к электроду 6а, с которым контактирует потенциальный электрод 6б испытательной ячейки. Входы Д1 и Д2 усилителя 12 соединяют с эталонными резисторами 2 и 11. Включают источник питания 22,
который питает, электронный датчик температуры 8, усилитель 12, АЦП 14 (например, 12 разрядное ADS 1271), дешифратор 15 (например, 561 ИД 1), таймер 16 (изготовленный, например, на базе кварцевого генератора), линию задержки 18 (например, ЛЗЯ 101), процессор 20 (например, ATMEGA -128-16AI) с энергонезависимой памятью (например, флеш 25 F 1024N) и оперативной памятью (например, AS7C256), индикатор 21 (например, 12864S2FBLY). Перед началом измерений включают источник питания 22, устанавливают на дешифраторе 15 величину ступени температуры ΔТ, через которую запланировано проводить измерения значений tgδ ЖД при подъеме и снижении температуры ЖД, например: или ΔТ=1,0°С, или ΔТ=5,0°С, или ΔТ=10,0°С, затем источник 22 отключают.
После завершения монтажа схемы первое измерение значения tgδ ЖД выполняют при нормальной температуре Т=(20±5)°С. Включают источник 22, коммутатор 17 (К1), который подключает источник испытательного напряжения 1 к источнику питания 19. С резистора 2 на вход Д1 усилителя 12 поступает значение опорного напряжения, а с резистора 11 на вход Д2 усилителя 12 поступает напряжение, пропорциональное току, протекающему через залитую в испытательную ячейку пробу жидкого диэлектрика 10. С выходов усилителя 12 усиленные сигналы поступают на входы АЦП Д1 и АЦП Д2 аналого-цифрового преобразователя 14 (АЦП), а на его вход АЦП Т поступает измеренное датчиком 8 значение температуры ЖД. С выходов АЦП 14 измеренные сигналы в оцифрованном виде поступают на входы ПР Д1, ПР Д2 процессора 20. По каналу измерения температуры с выхода АЦП 14 на вход ПР Т процессора 20 и вход дешифратора 15 поступает измеренное датчиком 8 значение температуры ЖД. Сигнал с выхода дешифратора 15 запускает таймер 16. Входы ПР Д1, ПР Д2 и ПР Т процессора 20 открывают выходным сигналом линии задержки 18 через 2-3 периода воздействующего на пробу ЖД испытательного напряжения, что исключает влияние на результат измерений tgδ ЖД переходных процессов в устройстве, вызванных включением источника испытательного напряжения 1. Время измерения текущего значения tgδ ЖД устанавливает таймер 16 и оно не превышает 0,4 секунд (20 периодов испытательного напряжения частотой 50 Гц), по истечение которого по команде таймера 16 коммутатор 17 (К1) отключает источник испытательного напряжения 1 от источника питания 19, а по команде процессора 20 коммутатор 13 (К2) подключает нагреватель 5 к источнику питания. Измеренные сигналы обрабатывают программными средствами процессора 20, вычисляют значение  tgδ ЖД и выводят на индикатор 21 в виде первой точки графической зависимости tgδ=f(T).
Второе и последующие измерения tgδ на ветви подъема температуры ЖД выполняют при подключенном коммутатором 13 (К2) нагревателе 5 к источнику питания 19. Измерение значений tgδ инициирует дешифратор 15, который при достижении показаний датчика температуры
8 ЖД любого установленного на дешифраторе 15 значения температуры, запускает таймер 16, который далее запускает процесс измерения конкретного значения tgδ при конкретной температуре ЖД.
При достижении ЖД максимальной заданной температуры процессор 20 отключает нагреватель 5 и дальнейшие измерения значений tgδ выполняют в приведенной выше последовательности, но после снижения температуры ЖД на установленную на дешифраторе 15 величину ΔТ. На ветви снижения температуры ЖД используют принудительное охлаждение ИЯ с ЖД, например, с помощью вентилятора, через вентиляционные отверстия в корпусе термостата 4 (на фиг.1 не показаны), которые на период нагрева исследуемой пробы ЖД закрываю съемными крышками из термостойкого материала, например, фторопласта. Измерения tgδ ЖД заканчивают при снижении температуры пробы ЖД до установленной на дешифраторе 15 температуры, например, при Т=25°С. Результаты измерений выводят на дисплей в виде графической зависимости tgδ=f(T), которую сравнивают с нормируемой и оценивают качество ЖД.
В предлагаемом устройстве, в сравнении с аналогом и прототипом, значительно снижена погрешность косвенной оценки температуры испытуемой пробы ЖД, поскольку датчик температуры размещен в объеме измерительного электрода и отделен от объема испытуемой пробы ЖД металлической стенкой толщиной менее 0,3 мм. Такое расположение датчика температуры относительно испытуемой пробы ЖД позволяет получить зависимость tgδ=f(T) при измерении температуры ЖД на ±1,0°С, что подтверждают приведенные на фиг.2: кривые, полученные при подъеме (кривая 1) и снижении (кривая 2) температуры ЖД.
исп
Термостат из фторопласта, материала с высокими теплоизоляционными и электроизоляционными характеристиками, обеспечивает упрощение конструкции устройства и сокращает его массогабаритные показатели. В частности, фторопласт, как электроизоляционный материал, позволяет крепить пластинчатый потенциальный электрод непосредственно на корпусе термостата. Такое крепление исключает необходимость изготовления специальных проходных приспособлений для ввода через корпус термостата высокого испытательного напряжения (U=2000 В) к ИЯ, расположенной во внутреннем объеме термостата.
Кроме того, фторопласт, как материал корпуса термостата, позволяет изготовить в нем вентиляционные отверстия, через которые принудительно охлаждают внутренний объема термостата и ИЯ с пробой ЖД, что практически на порядок сокращает время измерений зависимости tgδ=f(T) на ветви снижения температуры ЖД (от Т=90°С до Т=25°С).
К повышению надежности и достоверности результатов измерений tgδ приводит снижение времени измерения каждого значения tgδ ЖД до десятых долей секунды, что, в отличие от аналога и прототипа, исключает влияние на результат измерений tgδ длительности приложения
к ЖД испытательного напряжения. Например, при измерениях tgδ ЖД с шагом температуры Т=1,0°С, общее время воздействия испытательного напряжения на ЖД не превышает 70 с и снижается до 9,0 с при шаге температуры ЖД ΔТ=10,0°С.
Технические решения, реализованные в предлагаемой полезной модели, позволяют сократить с 320 минут до 40 минут время охлаждения ЖД от Т=90°С до Т=20°С и, как следствие, сократить суммарное время измерений зависимости tgδ=f(T) на ветви подъема и снижения температуры пробы ЖД с 360-370 минут до 80-85 минут, что повышает достоверность оценки качества ЖД и более, чем в четыре раза повышает производительность труда при контроле качества жидкого диэлектрика.