Устройство для контроля качества электрической изоляции
ELECTRICAL INSULATION QUALITY MONITORING DEVICE

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для профилактических испытаний и диагностики высоковольтной изоляции электрических машин, силовых масляных трансформаторов и кабелей с бумажно-масляной изоляцией, в частности для интегральной оценки старения высоковольтной изоляции, ее увлажнения и оставшегося ресурса работы на основании измерения напряжения саморазряда и возвратного напряжения (RVM- анализа).
Оценить качество электрической изоляции, степень ее старения и оставшийся ресурс ее работы 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 (RC-анализ и RVM- анализ), какой является изоляция высоковольтных электрических машин, масляных трансформаторов и высоковольтных бумажно-масляных кабелей [1, стр. 89-108].
Известно устройство для контроля качества электрической изоляции [2], позволяющее измерять абсорбционные характеристики изоляции и напряжение саморазряда. 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 с замыкающим и размыкающим блок-контактами, испытуемый объект, разрядный ключ с замыкающим блок-контактом, 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, блок управления с выходами «Заряд», «Разряд», «Пуск» и «Установка нуля», органы управления двухканальным цифровым измерителем с запоминающим устройством, блок дифференцирования, нуль-компаратор, световой индикатор, пиковый детектор, счетчик времени, блок умножения напряжений, два масштабных преобразователя и цифровой индикатор, 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, 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, а также к входу дифференцирующего элемента и входу 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, управляющие входы зарядного и разрядного ключей соединены соответственно с выходами «Заряд» и «Разряд» блока управления.
р
U
t
s
B MAX
max
Недостатком этого устройства является то, что оно не позволяет измерять -коэффициент, который рассчитывается на основании существенных параметров формы возвратного напряжения: максимального значения возвратного напряжения , момента времени максимума напряжения и начального фронта  кривой возвратного напряжения.
р
U
t
s
.
B MAX
max
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства и повышение эксплуатационной надежности высоковольтного испытуемого электрооборудования, в частности кабелей с бумажно-масляной изоляцией и масляных трансформаторов за счет более объективной оценки состояния электрической изоляции с учетом измеренного -коэффициента на основании существенных параметров формы возвратного напряжения: максимального значения возвратного напряжения , момента времени максимума напряжения и начального фронта (рисунок 1)
Поставленная цель достигается тем, что в устройство для контроля качества электрической изоляции, содержащее источник испытательного напряжения, эталонный резистор, зарядный ключ с замыкающим и размыкающим блок-контактами, испытуемый объект, разрядный ключ с замыкающим блок-контактом, 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, блок управления с выходами «Заряд», «Разряд», «Пуск» и «Установка нуля», органы управления двухканальным цифровым измерителем с запоминающим устройством, блок дифференцирования, нуль компаратор, световой индикатор, пиковый детектор, счетчик времени, блок умножения напряжений, два масштабных преобразователя и цифровой индикатор, 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, 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, а также к входу дифференцирующего элемента и входу 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, управляющие входы зарядного и разрядного ключей соединены соответственно с выходами «Заряд» и «Разряд» блока управления, дополнительно введены второй пик-детектор, второй блок умножения напряжений, блок деления напряжений и второй цифровой индикатор, причем вход второго пик-детектора подключен к выходу блока дифференцирования, а его выход - к первому входу второго блока умножения напряжений, второй вход второго блока умножения подключен к выходу счетчика времени, вход «числитель» блока деления напряжений подключен к выходу первого пик-детектора, а вход «знаменатель» - к выходу второго блока умножения напряжений, выход блока деления напряжения подключен к входу второго цифрового индикатора, обнуляющий вход второго пикового детектора соединен с выходом «Установка нуля» блока управления.
Суть изобретения 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, и по коэффициенту абсорбции, который определяют как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции к пятнадцатисекундному значению ее.
c15
в30
Коэффициент абсорбции (или индекс поляризации в США) 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 и увлажненной изоляции время наступления максимального возвратного напряжения уменьшается.
p-
p
В зарубежной практике для оценки состояния бумажно-масляной изоляции кабелей по возвратному напряжению пользуются следующим соотношением существенных параметров формы возвратного напряжения, которое называюткоэффициентом или -параметром (рисунок 1):
,
t
s -
t
s
p
p
max
где  - максимальное значение возвратного напряжения;  - время, при котором наблюдается максимум возвратного напряжения, начальный фронт кривой возвратного напряжения; ' - время, при котором прямая, проведенная под углом начального фронта  кривой возвратного напряжения, достигнет значения максимального возвратного напряжения . Коэффициент  увеличивается с увлажнением и со старением изоляции. Эта тенденция наблюдается у кабелей с бумажно-масляной изоляцией и у силовых масляных трансформаторов. По опыту установлено, что если кабель пропитан влагой, то -коэффициент имеет значение выше чем 0,2.
p
Итак, о старении изоляции без ее разрушения, как показали исследования, можно судить по характеру процессов поляризации, а именно по характеру изменения возвратного напряжения, как ни по одному другому параметру. С увеличением срока эксплуатации изоляция изнашивается, ее электрическая прочность снижается. С ростом эксплуатации изменяется и кривая возвратного напряжения. Введение нового критерия -параметра позволяет сделать оценку качества изоляции более объективной.
Изменение возвратного напряжения 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.
Структурная схема предлагаемого устройства для контроля качества электрической изоляции представлена на рисунке 2. 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, первый пиковый детектор 16, второй пиковый детектор 17, счетчик времени 18, первый блок умножения напряжений 19, второй масштабный преобразователь 20, первый цифровой индикатор 21, блок управления 22 с выходами «Заряд», «Разряд», «Пуск» и «Установка нуля», генератор тактовых импульсов 23, органы управления 24 двухканальным цифровым измерителем с запоминающим устройством, второй блок умножения напряжений 25, блок деления напряжений 26, второй цифровой индикатор 27, первый 28 и второй 29 выходные выводы устройства. Первый информационный вход двухканального цифрового измерителя 11 через размыкающий блок-контакт 8 зарядного ключа и замыкающий блок-контакт 10 разрядного ключа соединен с выходом первого масштабного преобразователя напряжения 6. Второй информационный вход двухканального цифрового измерителя 11 через замыкающий блок-контакт 9 зарядного ключа соединен с вторым выходом источника испытательного напряжения. Первый выходной вывод 28 устройства соединен через зарядный ключ 3 с первым выводом источника испытательного напряжения 1.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии на выходе блока управления 22 формируются сигналы, в соответствии с которыми ключ 4 замкнут, а ключ 3 разомкнут и электрические емкости объекта испытания 7 разряжаются через разрядный резистор 5, имеющий малое сопротивление. После разряда конденсаторов объекта измерения 7 в течение одной минуты в соответствии с правилами устройства электроустановок блок управления 22 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 информационный вход двухканального цифрового измерителя с запоминающим устройством 11 подается напряжение, пропорциональное току утечки объекта испытания 7. Сигнал с выхода «Пуск» блока управления 22 запускает генератор тактовых импульсов 23. Сигналы с выхода генератора тактовых импульсов с частотой 1 секунда поступают на первый управляющий вход двухканального цифрового измерителя 11 с запоминающим устройством 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 объекта измерения, подается на второй информационный вход двухканального цифрового измерителя 11 с запоминающего устройства. 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 испытуемой изоляции.
После одной минуты дозаряда изоляции и отключения зарядного ключа 3 разрядный ключ 4 замыкается на короткое время Δt, взятое нами равное 5 с, в течение которого геометрическая емкость объекта испытания 7 полностью разряжается через резистор 5 до нуля, а емкость, обусловленная внутренним поглощенным зарядом, остается практически неразряженной, так как заряд внутреннего поглощения не может изменяться «мгновенно», в данном случае за короткий отрезок времени Δt = 5 с. Спустя время Δt разрядный ключ 4 размыкается. Зарядный ключ 3 остается разомкнутым. Начинается процесс измерения возвратного напряжения, которое образуется за счет заряда геометрической емкости объекта испытания зарядом внутреннего поглощения. Напряжение, пропорциональное возвратному напряжению, при этом подается через замкнутые блок-контакты 8 и 10 на второй 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» на выходе блока управления 22 обнуляются пиковые детекторы 16 и 17 и запускается с нуля счетчик времени 18.
s
t
U
MAX
MAX
Значение максимального возвратного напряжения фиксируется первым пиковым детектором 16. Начальная крутизна возвратного напряжения (максимальное значение производной возвратного напряжения в начальный момент времени на выходе блока дифференцирования 13) запоминается вторым пиковым детектором 17. Когда возвратное напряжение достигнет максимума, первая производная его становится равной нулю и на выходе дифференцирующего элемента 13 сигнал также становится равным нулю, нуль-компаратор 14 срабатывает и останавливает счетчик времени 18, о чем сигнализирует световой индикатор 15. На выходе счетчика времени 18 сохраняется сигнал, пропорциональный измеренному времени , при котором наступает максимум возвратного напряжения .
U
t
Р
s
t
MAX
MAX
MAX
Первый блок умножения 19 перемножает значения  и  и выдает с учетом второго масштабного преобразователя 20 на экране цифрового индикатора 21 значение оставшегося ресурса работы  изоляции. 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. Второй блок умножения 25 перемножает значения  и , Сигналы с выходов блоков 16 и 25 подаются на входы блока 26 деления напряжений. Сигнал с выхода блока деления напряжений 26 подается на вход второго блока индикации 27 и на экране второго цифрового индикатора 27 выводится значение коэффициента . После этого устройство выключается.
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.89-108).
2. Авторское свидетельство СССР 767667, кл. G01R 27/02, 1980.
3. Патент РФ № 2523075 С2 кл. G01R 27.18, 20.07.2014.