УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ
INSULATION TESTER

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для профилактических испытаний и диагностики изоляции электрических машин и трансформаторов, в частности для измерения оставшегося ресурса высоковольтной изоляции.
Оценить качество электрической изоляции можно по нескольким параметрам: сопротивлению изоляции, коэффициенту абсорбции, напряжению саморазряда, возвратному напряжению и другим величинам [1]. Наиболее объективно оценить качество изоляции можно путем измерения параметров, обусловленных внутренним поглощенным зарядом в неоднородной изоляции, какой является изоляция высоковольтных электрических машин и трансформаторов [1, стр.89-106].
Известно устройство для контроля качества электрической изоляции [2]. Недостатком этого устройства является то, что оно не позволяет измерять возвратное напряжение.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для контроля качества электрической изоляции [3], содержащее источник испытательного напряжения, эталонный резистор, зарядный ключ, испытуемый объект, разрядный ключ, разрядный резистор, выходные выводы, к которым подключают испытуемый объект, двухканальный цифровой измеритель с запоминающим устройством с двумя информационными и двумя управляющими входами, устройство отображения информации, генератор тактовых импульсов и блок управления с выходами «Пуск» и «Установка нуля», в котором первый вывод источника испытательного напряжения через зарядный ключ присоединен к первому выходному выводу устройства, а второй вывод источника испытательного напряжения через эталонный резистор присоединен ко второму выходному выводу устройства, к выходным выводам устройства параллельно подключены соединенные последовательно разрядный ключ и разрядный резистор, выход двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством соединен с входом устройства отображения информации, выход генератора тактовых импульсов соединен с первым управляющим входом двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством.
Недостаток его заключается в том, что оно не позволяет непосредственно измерить оставшийся ресурс высоковольтной изоляции по параметрам возвратного напряжения.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и повышение эксплуатационной надежности высоковольтного испытуемого электрооборудования за счет более объективной оценки состояния электрической изоляции, в частности за счет непосредственного измерения оставшегося ресурса 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, двухканальный цифровой измеритель с запоминающим устройством с двумя информационными и двумя управляющими входами, устройство отображения информации, генератор тактовых импульсов и блок управления с выходами «Пуск» и «Установка нуля», в котором первый вывод источника испытательного напряжения через зарядный ключ присоединен к первому выходному выводу устройства, а второй вывод источника испытательного напряжения через эталонный резистор присоединен ко второму выходному выводу устройства, к выходным выводам устройства параллельно подключены соединенные последовательно разрядный ключ и разрядный резистор, выход двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством соединен с входом устройства отображения информации, выход генератора тактовых импульсов соединен с первым управляющим входом двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством, введены замыкающий и размыкающий блок-контакты зарядного ключа, замыкающий блок-контакт разрядного ключа, пиковый детектор, дифференцирующий элемент, нуль-компаратор, световой индикатор, счетчик времени, блок умножения напряжений, цифровой индикатор, два масштабных преобразователя и органы управления двухканальным цифровым измерителем с запоминающим устройством, причем входные выводы первого масштабного преобразователя подключены параллельно выходным выводам устройства, а его выход через размыкающий блок-контакт зарядного ключа и замыкающий блок-контакт разрядного ключа подключен к первому информационному входу двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством и к входам дифференцирующего элемента и пикового детектора, выход дифференцирующего элемента подключен к входу нуль-компаратора, выход нуль-компаратора подключен к входу счетчика времени и световому индикатору, выход счетчика времени подключен к первому входу блока умножения напряжений, второй вход которого подключен к выходу пикового детектора, выход блока умножения напряжений подключен к входу второго масштабного преобразователя, выход которого соединен с входом цифрового индикатора, второй вывод источника испытательного напряжения соединен через замыкающий блок-контакт зарядного ключа с вторым информационным входом двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством, вход генератора тактовых импульсов соединен с выходом «Пуск» блока управления, второй управляющий вход двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством соединен с выходом органов управления двухканальным цифровым измерителем с запоминающим устройством, обнуляющие входы пикового детектора и счетчика времени соединены с выходом «Установка нуля» блока управления.
Суть изобретения (рисунок 1) заключается в следующем. Известно, что один из эффективных неразрушающих методов тестового контроля состояния главной изоляции основан на использовании явления абсорбции. 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 значению ее.
c15
в30
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 [1]. По мере старения изоляции напряжение саморазряда и возвратное напряжение уменьшаются. В качестве оценки состояния изоляции предложено использовать напряжение саморазряда u, измеренное на 15 секунде после начала процесса измерения напряжения саморазряда, и возвратное напряжение u, измеренное на тридцатой секунде после начала процесса измерения возвратного напряжения. Как показала практика, по мере старения изоляции изменяется не только максимальное значение возвратного напряжения, но и момент времени его наступления. У состарившейся изоляции время наступления максимального возвратного напряжения уменьшается
На рисунке 1 показаны зависимости возвратного напряжения двух трансформаторов: нового трансформатора при вводе его в эксплуатацию (кривая 1) и трансформатора после 28 лет эксплуатации (кривая 2).
в30
Из рисунка 1 видно, что в течение срока эксплуатации изоляция стареет и возвратное напряжение снижается. Установлено, что возвратное напряжение u снижается примерно на 6-7 В за год. Существенно изменяется и момент времени, при котором наблюдается максимум возвратного напряжения.
в30
Трансформаторы, у которых u меньше 15 В, следует считать изношенными по изоляции более чем на 90% и при возможности заменять их новыми трансформаторами.
В зарубежной практике для оценки состояния бумажно-масляной изоляции кабелей по возвратному напряжению пользуются соотношением существенных параметров формы возвратного напряжения (рисунок 1):
<mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>t</mi><mo>'</mo></mrow><mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
max
max
max
где t - время, при котором наблюдается максимум возвратного напряжения, t' - время, при котором прямая, проведенная под углом начального фронта кривой возвратного напряжения, достигнет значения максимального возвратного напряжения. Коэффициент p увеличивается со старением изоляции. Эта тенденция наблюдается и у трансформаторов. Например, у новой изоляции он составляет 0,3, а у старой - 0,5. Однако это увеличение не такое характерное, так как диапазон изменения p невелик. Авторы предлагают на основе опыта другое соотношение для ресурса изоляции P=U·t. Для новой изоляции ресурс составляет Р=240·25=6000 В·с. Для изоляции, проработавшей 28 лет, Р=200·2=400 В·с. В среднем за год эксплуатации ресурс уменьшается на 200 В·с. При Р<100 В·с изоляцию следует считать изношенной. Определение оставшегося ресурса изоляции важно для практики потому, что ресурс изоляции определяет и ресурс высоковольтных электрических машин и трансформаторов.
Итак, о старении изоляции без ее разрушения, как показали исследования, можно судить по характеру провесов поляризации, а именно по величине возвратного напряжения, как ни по одному другому параметру. Это доказывается следующими положениями.
С увеличением срока эксплуатации изоляция изнашивается, ее электрическая прочность снижается. С ростом эксплуатации уменьшается и возвратное напряжение, которое может характеризовать состояние изоляции даже лучше, чем испытание повышенным напряжением. Дело в том, что пробивное напряжение характеризует лишь кратковременную прочность изоляции и в ряде случаев она может быть достаточно высокой. Однако электрическая прочность при длительном воздействии напряжения оказывается недостаточной из-за ухудшившихся электрических характеристик изоляции. В частности, в процессе старения изоляции увеличиваются диэлектрические потери, которые могут привести к тепловому пробою изоляции при длительном приложении напряжения.
Для каждого вида изоляции существует свой внутренний ресурс, который характеризуется способностью изоляции в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему воздействию процессов, протекающих при этом напряжении.
Внутренний ресурс у каждого вида новой изоляции есть величина постоянная, и естественно он постепенно уменьшается с ростом срока службы. Уменьшается и возвратное напряжение. Следовательно, величина возвратного напряжения в настоящее время лучше, чем какой-либо другой параметр, характеризует изношенность изоляции.
в
2
1
в30
В качестве подтверждения вышесказанного, на рисунке 2 приведены зависимости сопротивления изоляции R и возвратного напряжения u от времени для двух трансформаторов, имеющих одинаковый срок эксплуатации 28 лет. Нагрузка второго трансформатора была больше, чем у первого. Он длительное время работал с перегрузкой. Поэтому его изоляция оказалась более изношенной, чем у первого Если судить о состоянии изоляции этих трансформаторов только по сопротивлению изоляции, то у второго трансформатора оно выше, чем у первого (R=380 МОм > R=145 МОм) и можно сделать ошибочный вывод о том, что состояние изоляции у второго трансформатора лучше, чем у первого. Однако, если рассчитать коэффициенты абсорбции для обоих трансформаторов, то окажется, что у первого трансформатора он выше (145/126=1,15>380/355=1,07). Если же судить о состоянии изоляции по возвратному напряжению u, то видно, что поглощенный заряд абсорбции у второго трансформатора гораздо меньше, чем у первого (16 В < 48 В). Меньше и оставшийся ресурс (Р=100·2,5=250<200·2=400).
По результатам обследования можно сделать следующий вывод. Первый трансформатор может спокойно работать до следующей проверки. Второй же трансформатор требует к себе повышенного внимания и, вероятнее всего, необходимо приготовиться к его замене.
В заключении отметим, что при неразрушающих испытаниях для оценки качества изоляции большое значение имеет изменение ее характеристик во времени. Поэтому с повышением частоты контроля увеличивается вероятность своевременного выявления дефектов.
Структурная схема предлагаемого устройства для контроля качества электрической изоляции представлена на рисунке 3. Устройство содержит источник испытательного напряжения 1, эталонный резистор 2, зарядный ключ 3, разрядный ключ 4, разрядный резистор 5, первый масштабный преобразователь напряжения 6, испытуемый объект 7, размыкающий блок-контакт 8 зарядного ключа, замыкающий блок-контакт 9 зарядного ключа, замыкающий блок-контакт 10 разрядного ключа, двухканальный цифровой измеритель с запоминающим устройством 11, устройство отображения информации 12, дифференцирующий элемент 13, нуль-компаратор 14, световой индикатор 15, пиковый детектор 16, счетчик времени 17, блок умножения напряжений 18, второй масштабный преобразователь 19, цифровой индикатор 20, блок управления 21 с выходами «Пуск» и «Установка нуля», генератор тактовых импульсов 22, органы управления 23 двухканальным цифровым измерителем с запоминающим устройством, выходные выводы 24 и 25.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии ключ 4 замкнут, а ключ 3 разомкнут и электрические емкости объекта испытания 7 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 в течение одной минуты в соответствии с правилами устройства электроустановок блок управления 21 подает сигнал сначала на размыкание ключа 4 и затем на замыкание ключа 3. При указанном положении ключей 3 и 4 начинается процесс заряда изоляции объекта испытания 7. Блок-контакт 9 при этом замкнут и на второй вход двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством 11 подается напряжение, пропорциональное току утечки объекта испытания. Сигнал с выхода «Пуск» блока управления 21 запускает генератор тактовых импульсов 22. Сигналы с выхода генератора тактовых импульсов с частотой 1 с поступают на первый управляющий вход двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством 11 и значения напряжения, пропорциональные току утечки, через каждую секунду (или по желанию через 5 секунд) сохраняются в запоминающем устройстве измерителя 11. Через одну минуту после начала процесса заряда изоляции зарядный ключ 3 отключается. При этом блок-контакт 9 размыкается, а блок-контакт 8 замыкается и напряжение, пропорциональное напряжению саморазряда, подается на первый информационный вход двухканального цифрового измерителя с запоминающего устройства 11. Это напряжение через каждую секунду в течение одной минуты запоминается запоминающим устройством измерителя 11. По окончанию процесса саморазряда ключ 3 снова замыкается на одну минуту, в течение которой изоляция вновь заряжается, пополняя внутренний поглощенный заряд, израсходованный в период саморазряда.
MAX
MAX
MAX
MAX
После этого разрядный ключ 4 замыкается на короткое время Δt, взятое нами равное 5 с, в течение которого геометрическая емкость объекта испытания 7 полностью разряжается до нуля, а емкость, обусловленная внутренним поглощенным зарядом, остается практически неразряженной, так как заряд внутреннего поглощения не может изменяться «мгновенно». Спустя время Δt разрядный ключ 4 размыкается. Зарядный ключ 3 остается разомкнутым. Начинается процесс измерения возвратного напряжения, которое образуется за счет заряда геометрической емкости зарядом внутреннего поглощения. Напряжение, пропорциональное возвратному напряжению, при этом подается через замкнутые блок-контакты 8 и 10 на первый информационный вход двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством 11, которое запоминает измеряемое напряжение через каждую секунду в течение одной минуты. В начале этого измерения сигналом «Установка нуля» обнуляется пиковый детектор и запускается счетчик времени 17. Когда возвратное напряжение достигнет максимума, производная его становится равной нулю и на выходе дифференцирующего элемента 13 сигнал также становится равным нулю и нуль-компаратор 14 срабатывает и останавливает счетчик времени 17, о чем сигнализирует световой индикатор 15. На выходе счетчика времени сохраняется сигнал, пропорциональный измеренному времени t, при котором наступает максимум возвратного напряжения U. Значение максимального возвратного напряжения фиксируется пиковым детектором. Блок умножения перемножает значения U и t и выдает с учетом второго масштабного преобразователя 19 на экране цифрового индикатора 20 значение оставшегося ресурса работы Р изоляции. После этого устройство выключается.
На практике удобно пользоваться относительным оставшимся сроком службы изоляции, оценивая его но отношению к сроку службы новой изоляции, измеренному при вводе высоковольтного электрооборудования в эксплуатацию.
Технико-экономический эффект от предложенного изобретения определяется повышением эксплуатационной надежности высоковольтного испытуемого электрооборудования за счет более объективной оценки состояния электрической изоляции и оценки оставшегося ресурса работы.
Источники информации
1. Серебряков А.С. Электротехническое материаловедение. Электроизоляционные материалы: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 280 с. (стр.104-106).
2. Авторское свидетельство СССР №601632, кл. G01R 27/00, 19.04.76.
3. Авторское свидетельство СССР 767667, кл. G01R 27/02, 1980.