Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Профилактический контроль и испытания изоляции электрооборудования 18
1.1. Общие замечания 18
1.2. Старение изоляции и основные дефекты в ней 19
1.3. Методы контроля состояния изоляции 24
1.4. Технические решения для создания устройств контроля изоляции по абсорбционным характеристикам 51
1.5. Выводы 66
Глава 2. Теоретический анализ процессов в неоднородной изоляции 69
2.1. Анализ процессов при заряде изоляции от идеального источника испытательного напряжения 69
2.2. Анализ процессов при измерении возвратного напряжения и напряжения саморазряда идеальным вольтметром 97
2.3. Анализ процессов при заряде изоляции от источника, имеющего конечную мощность 102
2.4. Анализ процессов при измерении напряжения саморазряда и возвратного напряжения неидеальным вольтметром 108
2.5 Анализ переходных процессов в неоднородной изоляции на цифровых и аналоговых моделях 112
2.6. Определение структурных параметров двухслойной изоляции по экспериментальным данным 120
2.7. Исследование новой функции распределения вероятностей, имеющей свойства нормального закона распределения 132
2.8. Выводы 139
Глава 3. Разработка и экспериментальное исследование устройств для контроля изоляции 142
3.1. Стационарное автоматизированное устройство для контроля изоляции электрооборудования электровозов 142
3.2 Переносные приборы для контроля состояния изоляции 150
3.3. Высоковольтные источники питания устройств для контроля изоляции электрооборудования 166
3.4. Схемы коммутаторов электрических цепей 177
3.5. Экспериментальные исследования абсорбционных характеристик изоляции 188
3.6 Устройства, обеспечивающие бесперебойное питание пунктов технической диагностики и информационно-вычислительных центров 214
3.7. Выводы 224
Глава 4. Перенапряжения в электрических системах и защита от них 227
4.1. Классификация перенапряжений 227
4.2. Защита электрооборудования с помощью вентильных разрядников и нелинейных ограничителей перенапряжений 237
4.3 Существующие устройства для испытания вентильных разрядников 252
4.4. Схемы для испытания вентильных разрядников, разработанные в РГОТУПС 257
4.5. Устройства для измерения остающегося напряжения 291
4.7. Выводы 299
Глава 5. Теоретические и экспериментальные исследования процессов в устройствах для испытания вентильных разрядников 301
5.1. Анализ процессов в магнитно-тиристорном регуляторе напряжения 301
5.2. Анализ процессов в тиристорном регуляторе напряжения. Тирорезонанс напряжений. 314
5.3. Анализ погрешностей при косвенных измерениях токов утечки 323
5.4. Применение микро-ЭВМ для управления процессом испытания вентильных разрядников 332
5.5. Экспериментальные исследования процессов в тиристорных регуляторах напряжения 337
5.6. Выводы 348
Заключение 350
Литература 353
Приложения
Приложение 1. Программа на языке турбо-Паскаль для измерения параметров изоляции 381
Приложение 2. Технические акты внедрения 413
- Методы контроля состояния изоляции
- Анализ процессов при измерении возвратного напряжения и напряжения саморазряда идеальным вольтметром
- Переносные приборы для контроля состояния изоляции
- Схемы для испытания вентильных разрядников, разработанные в РГОТУПС
Введение к работе
з
Актуальность темы. Для безаварийной работы тяговых электродвигателей (ТЭД) и другого электрооборудования электровозов изоляция их должна быть надежной. В процессе эксплуатации происходит старение электрической изоляции, свойства ее ухудшаются, электрическая прочность снижается. Иногда ухудшение свойств изоляции носит необратимый характер и завершается пробоем. Однако, в большинстве случаев последствия старения могут быть устранены путем восстановительного ремонта изоляции. В связи с этим, чтобы избежать внезапных пробоев изоляции и поддерживать необходимую надежность работы электрооборудования, состояние изоляции периодически контролируется, и ухудшение ее свойств компенсируется системой планово-предупредительных ремонтов. При этой системе профилактические и ремонтные работы производятся по времени наработки.
Так, например, согласно Правилам ремонта электрических машин электроподвижного состава ТЭД электровозов после пробега каждых 350 тыс.км. от начала эксплуатации обязаны пройти определенный вид ремонта: текущий, средний или капитальный. Текущий ремонт изоляции включает в себя ее чистку, а иногда пропитку и сушку. Средний ремонт изоляции всегда включает в себя ее чистку, пропитку и сушку, а капитальный ремонт - полную замену изоляции. Стоимость капитального ремонта практически на порядок выше стоимости среднего ремонта.
Как показала практика, система поддержания надежности изоляции по пробегу не является оптимальной. Если оценивать реальное состояние изоляции, то можно с меньшими затратами продлить ее срок службы без снижения надежности ее работы. Такая постановка вопроса становится актуальной в связи с острым дефицитом меди и изоляционных материалов.
Такое же положение сложилось во многих отраслях народного хозяйства, где значительная часть электрооборудования эксплуатируется за пределами
расчетного срока службы. В связи с этим значительные силы и средства затрачиваются на поддержание надежности оборудования на нормальном уровне за счет проведения планово-предупредительных ремонтов на основе ремонтного цикла с назначенным межремонтным ресурсом, который не учитывает реальных условий эксплуатации. Поэтому и в этих отраслях с целью ресурсосбережения также актуальной становится задача перехода от существующей системы ремонта к1 альтернативной системе ремонта по техническому состоянию.
Для того чтобы перейти от системы обслуживания по'пробегу (наработке) к системе обслуживания по реальному техническому состоянию, необходимо разработать новые методы контроля и оценки технического состояния изоляции электрооборудования. Передовые фирмы мира в последние годы активно внедряют в практику новые методы диагностики с минимальной разборкой электрооборудования.
Эффективность диагностики обеспечивается только комплексным характером результатов контроля с целью выявления наиболее вероятных причин обнаруженных и прогнозируемых неисправностей электрооборудования.
Внедрение системы1 диагностирования технического состояния оборудования требует создания баз данных (архивов) для анализа динамики состояния изоляции и составления экспертного прогноза, что является необходимой предпосылкой для перехода от обслуживания по сроку к обслуживанию по техническому состоянию. В дальнейшем необходимо создать сеть диагностических пунктов с компьютерным обеспечением и с единым центром обработки, ' хранения и анализа информации. Очевидно, что совершенствование методов контроля с целью повышения надежности работы электрооборудования является одним из перспективных направлений технической науки. Имеющиеся сегодня в распоряжении эксплуатационного персонала технические средства диагностики не удовлетворяют полностью перечисленным выше требованиям. Сегодня нет сравнительно просто реализуемых на практике надежных критериев для заключения о состоянии изоляции.
Несмотря на имеющуюся обширную литературу и многочисленные ежегодные публикации до сих пор отсутствует систематическое рассмотрение основных физических явлений и идей, используемых для целей диагностики. Многие вопросы еще не освещены в литературе или освещены не совсем правильно. Таким образом, отсутствие надежных технических средств и их теоретического обеспечения подтверждают актуальность исследований в направлении решения этой важной научной проблемы. Решение этих вопросоа требуется для повышения квалификации кадров и для включения в программы; обучения студентов, а также для нужд практики и производства.
Системный подходок-решению задачи повышения надежности работы изоляции при меньших затратах ресурсов требует и создания автоматизированных установок для испытания аппаратов, защищающих изоляцию от перенапряжений - вентильных разрядников (ВР), которые за неимением специальных испытательных средств или вообще не испытываются на пробой или ис-пытываются не всегда удовлетворительно.
Цель и задачи работы. Основной целью диссертационной работы является теоретическое исследование процессов в изоляции, связанных с явлением абсорбции, экспериментальное измерение абсорбционных параметров и оценка возможности их применения для целей диагностики, создание устройств для определения состояния изоляции по результатам комплексного измерения параметров, а также создание' устройств испытания аппаратов для защиты изоляции (вентильных разрядников).
Для достижения этой цели автор решает задачи в следующих направлениях.
-
Анализ процессов в изоляции с использованием явления абсорбции и определение диагностических параметров.
-
Разработка устройств контроля изоляции с применением микро-ЭВМ, удовлетворяющих современным требованиям.
-
Разработка устройств, обеспечивающих бесперебойное питание диагностических и информационно-вычислительных центров.
4. Анализ стационарных процессов в тиристорном регуляторе переменного
напряжения, работающем на индуктивно-емкостную нагрузку. "5. Разработка устройств для испытания на пробой вентильных разрядников.
Методы проведення исследований: В работе были использованы: метод классического и операторного решения дифференциальных уравнений, метод Эйлера и метод Рунге-Кутта 4-го порядка для численного решения дифференциальных уравнений, метод стадий и метод припасовывания, метод непрерывной и дискретной математической логики, метод математического моделирования логических функций, метод математического моделирования на ЦВМ и ABtvt, метод планируемого эксперимента, метод наименьших квадратов, интегрированная среда MCAD 7-PRO.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов работы подтверждена многократными экспериментальными исследованиями опытных образцов, а также внедрением и практическим использованием разработанных устройств. Достоверность базируется также на строг_> доказанных и корректно использованных выводах математического анализа, теории вероятностей, математической статистики и математического моделирования.
На защиту выносится следующая научная новизна:
-
Аналитически установлена и практически подтверждена функциональная зависимость сопротивления изоляции от времени при подключении изоляции к источнику постоянного напряжения. Установлено, что эта зависимость имеет точку перегиба и значение сопротивления в этой точке равно половине установившегося значения, что не было известно ранее. Предложен новый способ ускоренного определения установившегося значения сопротивления изоляции, на который получен патент РФ.
-
Установлено методом математического анализа, что разность двух напряжений саморазряда после длительного и кратковременного, зарядов дает
значение возвратного напряжения. Уточнена методика определения заряда абсорбции.
1 3. На основании проведенного анализа сформулирована математическая
теорема: "Функция, обратная сумме постоянной величины и затухающей экспоненты имеет одну единственную точку перегиба и значение функции в этой точке равно половине асимптоты".
4. С помощью метода планируемого эксперимента определено количест
во необходимых измерений для определения постоянной времени заряда изо
ляции. Показано, что количество измерений должно быть четным числом. На
основании исследований сформулирована теорема:"Если функция аппрокси
мируется прямой линией, и значения аргумента этой функции берутся с посто
янным шагом, то при определении параметров функции по методу наименьших
квадратов значение углового коэффициента не изменится, если при нечетном
количестве значений аргумента исключить средние значения аргумента и
функции."
-
Предложена функция распределения вероятностей для параметров изоляции, подчиняющихся нормальному закону. В отличие от распределения Гаусса первообразная предложенного закона распределения выражается через элементарные функции, а не с помощью бесконечных рядов и таблиц. Проведено исследование этой функции распределения.
-
Впервые открыто и исследовано специфическое явления в цепи "Тиристор-емкостная нагрузка", названное тирорезонансом. На основании результатов исследования выбраны параметры устройства для испытания на пробой вентильных разрядников.
-
Дан новый вывод формулы для определения коэффициентов Фурье для основной гармоники с помощью метода наименьших квадратов.
Практическая полезность работы заключается в следующем: 1. Определены диагностические параметры для оценки состояния высоковольтной изоляции по абсорбционным процессам.
2. Разработаны высоковольтные стабилизированные источники питания для испытания электрической изоляции.
З.Разработаны переносные и стационарные устройства с применением микро-ЭВМ для контроля состояния высоковольтной изоляции.
4. Проделан комплекс экспериментальных работ на Московском элек
тромеханическом ремонтном заводе (МЭМРЗ). На основании проведенных ис
следований Департамент локомотивного хозяйства МПС разрешил МЭМРЗ в
виде эксперимента для ТЭД, имеющих пробег более 1400 тыс.км. при доста
точно высоких значениях возвратного напряжения, выполнять вместо капи
тального ремонта средний и увеличивать пробег этих ТЭД до следующего пла
нового ремонта. Анализ эксплуатации таких двигателей показал, что от локо
мотивных депо не было получено рекламаций по ремонту изоляции указанных
двигателей и ни один из них не поступил на МЭМРЗ в неплановый ремонт.
Проведенная экспериментальная работа показывает, что предложенные критерии являются надежными для оценки состояния изоляции , и приборы, позволяющие производить такую оценку, целесообразно внедрить на электро-возоремонтных заводах и в локомотивных депо сети железных дорог.
Результаты исследований были доложены и получили одобрение на секции локомотивного хозяйства НТС МПС, где было рекомендовано разработать, изготовить и внедрить в локомотивных депо устройства для контроля изоляции тяговых двигателей по возвратному напряжению (протокол N 2 от 8 июня 1993 г, утвержден зам. министра Салатовым К.Х.).
Такое стационарное устройство с применением ПЭВМ типа IBM PC было разработано в НФ РГОТУПС и внедрено в пункте технической диагностики цеха ТР-1 локомотивного депо Горький-Сортировочный для контроля изоляции электрооборудования электровозов ВЛ 80с и в локомотивном депо Москва-Сортировочная.
5. Разработано простое помехозащищенное устройство для определения
частичных разрядов в изоляции. На устройство получен патент РФ.
.6. Разработаны оригинальные регуляторы напряжения для испытания на пробой вентильных разрядников РВЭ-25, РВС-35, РВС-110 и вплоть до испытательного напряжения 700 кВ. Устройства 'снабжены'бесконтактным тири-сторным регулятором и цифровым измерителем. Создано микропроцессорчс? устройство управления с автоматической обработкой результатов измерения.
7. Разработано устройство, обеспечивающее бесперебойное питание диагностических пунктов и ИВЦ ж.д. Устройство удостоено грамоты и премии ЦНТО железнодорожного транспорта.
8 Для решения поставленных задач предложены оригинальные технические решения, защищенные 30 авторскими свидетельствами СССР и 2 патентами РФ. Устройство для контроля качества изоляции и устройство для обеспечения бесперебойного питания ЭВМ при переключениях синхронных генераторов демонстрировались на ВВЦ и были удостоены трех медалей ВВЦ.
За разработку и внедрение указанных выше устройств, имеющих важное значение для железнодорожного транспорта, указанием МПС РФ № 162 от 1 июля 1997г. автору присвоено, звание "Лучший изобретатель железнодорожного транспорта". За большой вклад в развитие научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте приказом Министра путей сообщения РФ N 32 от 7 февраля 2000г. автор награжден знаком 'Почетному железнодорожнику"
Материалы исследований легли в основу написанных автором учебных пособий по дисциплине "Техника высоких напряжений": "Изоляция электроустановок высокого напряжения", "Профилактический контроль и испытание изоляции" , "Перенапряжения в электрических системах и -защита от них" и "Высоковольтные испытательные установки".
. Реализация результатов работы. Устройства для контроля изоляции внедрены:
в- Нижегородском метрополитене, в локомотивном депо Горький-Сортировочный, в локомотивном депо Москва-Сортировочная, на Московском
электромеханическом ремонтном заводе (МЭМРЗ), Октябрьской, Свердловской, Юго-Западной и Юго-Восточной ж.д.
Устройства для испытания на пробой вентильных разрядников внедрены: в локомотивных депо Горький-Сортировочный и Горький-Московский, на Великолукском заводе высоковольтной аппаратуры (ВЗВА) для испытания на пробой выпускаемых разрядников РВЭ-25, РВС-35, РВС-110 и крупногабаритных вентильных разрядников в сборе с испытательными напряжениями 350/700/ кВ при использовании каскада "TUR". В 1981 г. по предложенной разработке на ВЗВА была выпущена партия устройств для измерения пробивных напряжений ВР в процессе их производства и контроля.
Устройства, обеспечивающее бесперебойное питание информационно-вычислительных центров ж.д. при переключениях синхронных генераторов "Синхрон-1М" внедрены: на Горьковской, Куйбышевской, Приволжской, Западно-Казахстанской, Северной, Свердловской ж.д., а также на авиастроительном предцриятии "Сокол" (Н.Новгород).
Апробация работы. Основные результаты, выводы и рекомендации работы рассматривались на следующих научно-технических конференциях:
на 2-й Всесоюзной конференции по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем. Ташкент 1967;
на научно-технической конференции "Перспективы и средства автоматизации систем электропривода и электроэнергетики", Горький 1971;
на. Всесоюзном научно-техническом совещании "Применение электронной технологии в промышленности", Информэлектро, Москва, 1973;
на 8-й научно-технической конференции Томского университета по вопросам автоматизации производства, Томск. 1974;
на 5-й Всесоюзной конференции по теории и методам расчета нелинейных электрических цепей и систем. Ташкент 1975;
. -на научно- технической конференции ЛПИ и Ленинградского НПО
11 "Электрокерамика" "Применение нелинейных ограничителей перенапряжений в высоковольтных установках", Ленинград, 1977;
на научно-технической конференции МИИТ "Техническая диагностика электроподвижного состава и устройств электроснабжения", Москва, 1981;
на 3-й, 4 и 5-й межвузовских научно-методических конференциях РГО-ТУПС, Москва, 1998, 1999, 2000 г.;
на заседании секции локомотивного хозяйства Научно-технического совета МПС РФ 8 июня 1993г.;
на совещании-семинаре руководителей служб подвижного состава метрополитенов России с стран СНГ, входящих в хозяйственную ассоциацию «Метро". С-Петербург, 2000г.;
на международной научно-практической конференции под эгидой транспортной академии Украины "Удовлетворение потребностей в перевозках населения крупных городов", Харьков, 2000г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 113 работ. Из них 30 авторских свидетельств СССР и 2 патента РФ.
Структура н объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 288 стр. основного текста, 173 рисунка, 13 таблиц, 28 стр. списка использованной литературы из 266 наименований, 58 стр. приложения
Методы контроля состояния изоляции
Для контроля состояния изоляции могут быть использованы многие методы физического и химического анализа, однако на практике применяются главным образом электрические методы неразрушающих испытаний, которые базируются на двух основных явлениях, возникающих в диэлектриках под действием слабых электрических полей: электропроводности и электрической поляризации.
Контроль изоляции по величине тока утечки или сопротивлению изоляции. Электропроводность технических диэлектриков и изоляционных конструкций носит, как правило, примесный характер, т.е. обусловлена движением свободных ионов, образующихся при диссоциации примесей, или движением заряженных коллоидных частиц (в жидкостях). Чем больше в изоляции загрязняющих примесей, тем выше ее электропроводность и ниже электрическая прочность [246]. Поэтому проводимость или обратная ей величина - сопротивление утечки Ry изоляции - могут служить косвенным показателем степени загрязнения и, следовательно, общего состояния изоляции [71,158]. Измерение сопротивления изоляции выполняется с помощью переносных приборов - мегаомметров [141]. О качестве изоляции судят как по абсолютному значению сопротивления R o, так и по отношению ka — R c/R-iss которое называют коэффициентом абсорбции.
Недостатком контроля изоляции по сопротивлению утечки является то, что на результаты измерения сильное влияние могут оказать утечки по поверхности твердых диэлектриков, которые не всегда правильно отражают состояние изоляции. Как показано в [222] оценивать состояние изоляции на основании только одного измерения сопротивления изоляции очевидно нельзя. Кроме того, измерение сопротивления изоляции может обнаружить как правило лишь грубые дефекты в изоляции. На протекание процессов при измерении сопротивления изоляции оказывает влияние внутреннее сопротивление источника испытательного напряжения мегаомметра. При испытании от разных приборов получаются разные результаты. Фактически в этом случае оценивается не столько объект измерения сколько параметры системы "объект измерения - измерительный прибор".
Хотя измерение сопротивления изоляции применяется очень давно, не все процессы при измерении изучены полностью. Например, в [ПО] указано, что при правильных измерениях зависимость сопротивления изоляции от времени не должна иметь точки перегиба. Однако теоретические и практические исследования автора показывают, что такой перегиб должен существовать и по этому перегибу можно судить о качестве изоляции [63]. Несмотря на то, что измерение сопротивления изоляции не может дать полной картины состояния изоляции, все же и в настоящее время появляются рекомендации по использованию его для целей диагностики. В [63] предлагается оценивать состояние изоляции по величине его сопротивления в соответствии со следующими критериями: если отношение R/UHOM lQ кОм/В, то изоляция считается хорошей; если более 1 кОм/В -удовлетворительной, если менее этого значения - неудовлетворительной.
Строя зависимость R = f(U) (рис 1.1), можно определить напряжение пробоя изоляции в случае, если зависимость R=f(U имеет линейный характер [63]. Если же эта характеристика нелинейная, то это говорит о неудовлетворительном состоянии изоляции. На рис. 1.1 кривая 1 снята для новой изоляции тягового двигателя типа Е541, 500 кВт, 3000 В, а кривая 2 -для изношенной изоляции. Более объективной оценкой является отношение максимального значения тока абсорбции к сквозному току. Однако практически провести эти два указанных измерения очень трудно. Поэтому измерения производят просто через два определенных промежутка времени после приложения напряжения, ставя условие, чтобы первый промежуток был бы значительно меньше второго. В России приняты промежутки 15 и 60 секунд, а в американской практике промежутки 1 10 минут после приложения напряжения.. С помощью этого отношения, называемого коэффициентом абсорбции, оценивают увлажненность изоляции Так, для увлажненной изоляции отношение IWR-is близко к единице, а для неувлажненной изоляции оно может достигать значений 2-3 и более. По коэффициенту абсорбции можно судить и об изношенности изоляции. Например, как указано в [230] у хорошей изоляции коэффициент абсорбции составляет 1,5, а у изношенной изоляции он близок к 1. Контроль изоляции по емкостным характеристикам Существует несколько методов проверки качества изоляции по емкостным характеристикам. Метод "емкость — температура" основывается на измерении емкости при увеличении температуры. Опытным путем установлено, что если при повышении температуры на 50С емкость увеличивается не более чем на 10%, то изоляцию можно считать нормальной, в противном случае -увлажненной. При методе "емкость - частота" емкость изоляции измеряют на частотах 2 и 50 Гц и определяют отношение С2/С50, которое служит показателем качества изоляции. Опытным путем установлено, что отношение С2/С50 для нормальной изоляции трансформаторов близок к единице. Если же отношение С2/С5.0 1,2-1,3» то изоляция увлажненная и ее надо сушить. Измерение емкости производят при температуре 10-30С. Для измерения емкостей Сг и С50 используют прибор, получивший название прибора контроля влажности (ПКВ). Принципиальная схема его в упрощенном виде приведена на рис. 1.3
Переключатель П периодически подключает испытуемую изоляцию Сх к источнику постоянного напряжения U0 (в положении 1 емкость Сх заряжается), а затем к измерителю И с малым входным сопротивлением (в положении 2 емкость Сх разряжается). Среднее количество заряда, переносимого через измеритель И в единицу времени, или средний ток і измерителя И пропорционален емкости Сх. Система управления переключателем П обеспечивает два режима работы: с частотой 2 Гц и 50 Гц.
В методе "емкость - время" измеряют емкости: Сг (геометрическую) и АС (емкость, отражающую процесс накопления заряда абсорбции з неоднородной изоляции). Критерием качества изоляции является отношение АС/СГ. Опытным путем установлено, что для нормальной изоляции отношение АС/Сгне превышает 0,1, а для увлажненной изоляции отношение АС/СГ 0,1. Принципиальная схема прибора для измерения емкостей Сх и АС показана на рис. 1.4.
Анализ процессов при измерении возвратного напряжения и напряжения саморазряда идеальным вольтметром
Измерение возвратного напряжения. Опыт, в котором наблюдается возвратное напряжение, состоит в следующем. Неоднородная изоляция, которую для простоты будем считать двухслойной, заряжается в течение одной минуты при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции. Затем изоляция отключается от источника постоянного напряжения и ее электроды замыкаются накоротко на очень малый промежуток времени At, после чего вновь размыкаются. [223]
За время At геометрическая емкость Сг полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный на границе слоев, остается практически неизменным. В период времени At емкости слоев Сі и С2 включены параллельно (рис.2.4) и заряд абсорбции Qa6c =Q2 =QX распределится на обе емкости и зарядит их до напряжения
После размыкания внешних электродов изоляции емкости Сі и Сг вновь оказываются соединенными последовательно и заряженными до одинакового напряжения Uo, но разной полярности. Напряжения на слоях будут: U2o=+Uo а Uio=-Uio. Поэтому в момент размыкания электродов (примем его за t=0) напряжение на изоляции, как сумма напряжений на слоях, будет равна нулю. Однако далее емкости Сі и Сг будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев Ri и R.2 с разной скоростью, т.к. постоянные времени слоев RjCi и R2C2 неодинаковы. Если считать сопротивление вольтметра Rv = со, то на изоляции появится напряжение ив, равное разности двух экспонент (рис.2.11):
В качестве примера рассчитаем величину возвратного напряжения двухслойного диэлектрика с параметрами: R]=l МОм, R2=4 МОм, Сі=1 мкФ, С2=3 мкФ и заряженного от источника постоянного напряжения U=1000 В.
Как показали исследования, проведенные в Нижегородском филиале РГОТУПС, наиболее информативным параметром является значение возвратного напряжения, измеренное на 30-й-секунде после начала измерения, которое обозначается ивзо Измерение напряжения саморазряда.. После отключения изоляции от источника постоянного напряжения U (рис.2.2) заряженные емкости слоев Сі и С2 неоднородной изоляции будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев Ri и R2, т.е. будет происходить постепенный саморазряд изоляции. . Если считать сопротивление вольтметра Rv=x , то напряжение на изоляции будет равно сумме напряжений на отдельных слоях изоляции, т.е. будет равно сумме экспонент.
Если изоляция заряжалась в течение длительного времени, то напряжения на слоях в начальный момент времени будут прямо пропорциональны величинам активных сопротивлений слоев:
Если же изоляция после кратковременного подключения к источнику постоянного напряжения тотчас же была отключена и далее не заряжалась, то процесс саморазряда в этом случае будет описываться уравнением:
Для проверки сказанного определим напряжение саморазряда в предыдущем примере для двух случаев: длительного и кратковременного заряда изоляции.
На рис.2.13 приведены зависимости ис и и} , рассчитанные по формулам (2.30) и .(31). Возвратное напряжение получается как разность этих напряжений (на рис.2.13 - это заштрихованная область):
Выражение для возвратного напряжения совпадает с полученным ранее.
Как показали исследования, проведенные в Нижегородском филиале РГОТУПС, в качестве напряжения саморазряда следует брать напряжение, измеренное на 45-ой секунде с момента начала измерения. Его обозначают ис45.
Переносные приборы для контроля состояния изоляции
Для объективной оценки качества электрической изоляции, как было указано выше, необходимо кроме традиционного параметра - сопротивления изоляции измерять новые для практики параметры - напряжение саморазряда и возвратное напряжение. Измерить эти параметры вручную - очень трудоемко. Поэтому и был разработан диагностический комплекс на базе микро-ЭВМ [217]. К нему было разработано программное обеспечение, которое позволяет измерять все указанные выше параметры с выводом на печать результатов измерений и конечной оценки состояния изоляции. Однако такие диагностические комплексы могут устанавливаться только в крупных локомотивных депо. Необходимость же измерения параметров для оценки качества изоляции возникает даже в небольших депо. Чтобы преодолеть это противоречие, необходимо разработать небольшие по объему и весу переносные устройства, которые могли бы измерять диагностические параметры изоляции, но без обработки результатов измерений. Обработку в дальнейшем может выполнить человек на микрокалькуляторе или ПК. Можно также в дальнейшем такие приборы снабдить микропроцессором.
Для создания переносного прибора нужна современная элементная база. Чтобы прибор получился компактным и в то же время обладал бы расширенными функциональными возможностями, схему управления необходимо выполнить на интегральных микросхемах, а схему измерения - на операционных усилителях. Выпускаемые в настоящее время мегаомметры имеют необходимую современную элементную базу. Их измерительные схемы выполнены на операционных усилителях. К таким мегаомметрам относятся в частности, мегаомметры типа Ф4102. Это обстоятельство и позволило модернизировать его, добавив в его конструкцию элементы той же серии, на которых он изготовлен и расширить при этом его функциональные возможности. При этом максимально используются аппаратные средства уже имеющиеся в приборе [50].
На имеющемся в приборе микроамперметре добавлена шкала напряжения и прибор позволяет вместо одного параметра измерять три. Внешний вид панели модернизированного мегаомметра показан на рис.3.5. Принципиальная схема приведена на рис.3.6.
Серийно выпускаемый мегаомметр Ф4102 содержит -.преобразователь высокого напряжения ПВН, измерительный усилитель, выполненный на операционном усилителе ДА1 и измерительный прибор ИП, включенный на выход измерительного усилителя. В качестве измерительного прибора используется микроамперметр М903.
Дополнительно в устройстве смонтированы: делитель напряжения, состоящий из резисторов R4 и R5, разрядный резистор R6, коммутационные реле PI, Р2, усилитель измеряемого напряжения, выполненный на двух операционных усилителях ДА2 и ДАЗ, блок управления БУ и блок индикации БИ.
Для автоматической подачи напряжения от блока питания к преобразователю высокого напряжения ПВН параллельно контактам кнопки ручного измерения подключены замыкающиеся контакты реле Р1. Контакты реле Р1 кроме того переключают измерительный прибор ИП, подключая его или к выходу измерительного усилителя мегаомметра, или к выходу усилителя измеряемого напряжения. Контакты реле Р2 осуществляют замыкание объекта измерения на "землю".
Усилитель измеряемого напряжения выполнен как устройство слежения-хранения (УСХ). Это обеспечивается включением управляемого ключа К между выходом операционного усилителя ДА2 и входом операционного усилителя ДАЗ, а также включением на вход операционного усилителя ДАЗ запоминающего конденсатора С5.
Блок управления БУ содержит задающий таймер, счетчики и дешифраторы. Блок управления обеспечивает замер поочередно следующих параметров: сопротивления изоляции, напряжения саморазряда и возвратного напряжения. О режиме измерения сигнализируют светодиоды блока индикации БИ.
Кроме того, четыре других светодиода блока индикации БИ сигнализируют время измерения 15, 30, 45 и 60 с. При измерении напряжения саморазряда и возвратного напряжения измеренные значения можно считывать в течении времени сигнализации равного 7,5 с, так как показания прибора в этот отрезок времени не изменяются. Это обеспечивается схемой запоминания напряжения.
С помощью модернизированного мегаомметра можно объективно определять качество изоляции и рассчитать величину ее электрической емкости. По величине электрической емкости и сопротивлению изоляции можно определить увлажнение изоляции и необходимость ее сушки. Применение модернизированного мегаомметра позволит повысить надежность работы тяговых электродвигателей электровозов, тепловозов и электропоездов за счет обнаружения двигателей с малонадежной изоляцией.
Габаритные размеры модернизированного мегаомметра 125x220x305 мм. Масса 4,5 кг. Прибор демонстрировался на ВВЦ России и был удостоен серебряной медали (рис.3.7).
Для объективной оценки состояния изоляции и прогнозирования срока ее безотказной работы кроме величины сопротивления изоляции необходимо знать и величину ее электрической емкости. Это позволяет судить о том, сухая изоляция или увлажненная, а также выбрать мероприятия для ее восстановления. Кроме того, в процессе ремонта и восстановления изоляции величина электрической емкости позволяет судить о качестве ремонта, в частности пропитки изоляции в местах, недоступных другим методам контроля. Промышленностью выпускаются специальные приборы для измерения электрической емкости. К ним относится мост переменного тока Р5026 (мост Шеринга). Однако применение его для оценки емкости изоляции тяговых электродвигателей мало эффективно, так как сама изоляция ТЭД также как и вода является полярным диэлектриком и при частоте измерения 50 Гц эффект поляризации проявляется слабо. По этой причине мост Р5026 не нашел широкого применения для оценки величины емкости ТЭД. Исследования показали, что измерять емкость изоляции ТЭД нужно при инфранизких частотах или при апериодических процессах, например, при измерении напряжения саморазряда изоляции. Устройство, реализующее этот принцип показано на рис.3.8 [27].
Устройство содержит высоковольтный стабилизированный источник испытательного напряжения ВСИН, шунт, представляющий собой калиброванный резистор R1, разрядный резистор R2, зарядный ключ Р1, разрядный ключ Р2, два делителя напряжения, состоящие из резисторов R3, R4 и R5, R6, а также компаратор К, индикатор И, устройство выборки-хранения УВХ, интегратор с запоминанием ИЗ, управляемый ключ УК и измерительный прибор ИП с переключателем П.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии зарядный ключ Р1 разомкнут, а разрядный ключ Р2 замкнут и объект испытания ОИ, представленный параллельным соединением конденсатора С и резистора R, разряжается в соответствии с правилами устройства на "землю" в течение одной минуты, управляемый ключ УК разомкнут.
Схемы для испытания вентильных разрядников, разработанные в РГОТУПС
В 4.3 было показано, что при питании нагрузки с нелинейной вольтамперной характеристикой напряжение на нагрузке при синусоидальном напряжении на выходе регулировочного трансформатора будет несинусоидальным. С целью улучшения формы кривой выходного напряжения при заданном диапазоне регулирования и нелинейной вольтамперной характеристике нагрузки, предложена схема, в которой токоограничивающий элемент выполнен в виде двух встречно-последовательно включенных диодов [4]. На рис.4 17.приведены электрические схемы устройства для двух вариантов выполнения выпрямителя.
Устройство содержит входные выводы 1 и 2, регулировочный автотрансформатор 3, нагрузку 4, диоды 5 и 6 токоограничительного элемента, резистор 7, трансформатор 8 источника опорного напряжения, диоды 9-11 выпрямителя и выходные выводы 13 и 14.
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии движок регулировочного автотрансформатора 3 находится в нижнем положении. На входные выводы 1 и 2 подается напряжение питающей сети, после чего движок начинает перемещаться вверх и выходное напряжение устройства начинает увеличиваться. Одновременно возрастает и напряжение на нагрузке 4. До тех пор, пока ток в нагрузке 4 не превышает значения тока, протекающего через резистор 7, диоды 5 и 6 не оказывают сопротивления при прохождении тока нагрузки. Это происходит потому, что полярность обмоток трансформатора 8 такова, что ток в выпрямителе протекает через тот диод, который включен по отношению к напряжению вторичной обмотки трансформатора 3 встречно. Допустим, что полярность питающего напряжения такова, что вывод 1 имеет положительный потенциал по отношению к выводу 2. В этом случае ток в выпрямителе протекает через диоды 5 и 10 (рис.417,а) или 5,10 и 11 (рис.4.17,6).
Диод 5, включенный встречно по отношению к напряжению регулировочного автотрансформатора. 3, открыт за счет протекания тока выпрямителя. Следовательно, ток нагрузки, если он по абсолютному значению меньше тока выпрямителя, проходит через диоды 5 и 6, так как диод 6 включен по отношению к напряжению сети в проводящем направлении. В следующий пролупериод питающего напряжения ток в выпрямителе протекает через диоды 6 и 9 (рис.4.17,а) или 6, 9 и 12 (рис.4.17,6). Теперь диод 5 включен в проводящем направлении по отношению к напряжению автотрансформатора 3 , а диод 6, включенный встречно , открыт током, протекающим через выпрямитель. Таким образом, диоды 5 и 6 снова пропускают ток нагрузки, не оказывая сопротивления.
Как только ток нагрузки по своей абсолютной величине превысит значение тока, протекающего через выпрямитель, вступает в действие токоограничение. Пусть потенциал вывода 1 положителен по отношению к выводу 2. Диод 6 включен в проводящем направлении, а диод 5 открыт током выпрямителя и проводит ток нагрузки. Как только ток нагрузки становится больше тока, протекающего через выпрямитель, диод 5 закрывается и ток в нагрузке проходит через диод 6, резистор 7, обмотку трансформатора 8 и диод 10 (рис.4.17,а) или через диодб, резистор 7, диод 11, обмотку трансформатора 8 и диод 10 (рис.4.17,6). В следующий период питающего напряжения ток проходит через диод 5, резистор 7, обмотку трансформатора 8 и диод 8 (рис.4.17,а) или через диод 5, резистор 7, диод 12, обмотку трансформатора 8 и диод 9 (рис.4.17,6). Тем самым обеспечивается токоограничение при пробоях и коротких замыканиях и синусоидальная форма напряжения в рабочем режиме при нелинейной вольтамперной характеристике нагрузки.
Недостатком рассмотренного устройства является наличие подвижных механических частей у регулятора напряжения. Если же для регулирования напряжения применить регулировочный резистор, то, как было показано выше, недостатком устройства с линейным регулировочным (или балластным) резистором является искажение формы выходного напряжения в том случае, когда испытываемый элемент имеет нелинейную вольтамперную характеристику. Это объясняется тем, что нелинейность вольтамперной характеристики испытываемого элемента приводит к тому, что ток, протекающий через нелинейный элемент и балластный резистор оказывается несинусоидальным. Следовательно, и падение напряжения на балластном резисторе оказывается несинусоидальным. Напряжение на испытываемом объекте получается как разность напряжения сети и падения напряжения на балластном резисторе. Но разность синусоидальной и несинусоидальной величины дает величину несинусоидальную. Таким образом, несинусоидальность напряжения на нелинейном испытываемом элементе вызвана тем, что балластное сопротивление имеет линейную вольтамперную характеристику.
С целью улучшения формы испытательного напряжения, приближения ее к синусоидальной форме в пределах каждого полупериода при непрерывном нарастании амплитуды от полупериода к полупериоду секции балластного резистора следует выполнять из нелинейных сопротивлений, имеющих вольтамперные характеристики, подобные вольтамперным характеристикам испытываемого нелинейного элемента [ 65 ].
Схема такого устройства приведена на рис.4.18. Устройство содержит секции нелинейных балластных резисторов 1, параллельно которым включены контакты управляемых ключей 2. Нелинейные резисторы подключены последовательно с первичной обмоткой повышающего трансформатора 3 и ограничителем тока 4 к источнику переменного напряжения с зажимами 5 и 6. Ко вторичной обмотке трансформатора 3 подключен испытываемый нелинейный элемент, например, вентильный разрядник.
На рис.4.19 показаны эпюры питающего напряжения и, напряжения на нелинейном элементе иР и тока і, протекающего через нелинейный элемент для двух случаев: когда балластное сопротивление линейное (а) и нелинейное (б). Слева от эпюр даны вольтамперные характеристики нелинейного элемента UP =/(0 и балластного резистора иБ = f(i) также для двух случаев. Для простоты построения вольтамперная характеристика нелинейного элемента представлена в виде двух отрезков прямых, т.е. применена кусочно-линейная аппроксимация.
Устройство работает следующим образом. В процессе испытания управляемые ключи 2 постепенно шунтируют секции 1 нелинейного балластного резистора. Напряжение повышается до тех пор, пока не пробьется вентильный разрядник 7. При пробое разрядника ток ограничивается ограничителем тока 4, отключающим схему. За счет нелинейности вольтамперных характеристик балластного резистора напряжение, прикладываемое к вентильному разряднику, оказывается практически синусоидальным в течение каждого полупериода при непрерывном нарастании его амплитуды. Оно тем ближе к синусоиде, чем ближе приведенные вольтамперные характеристики резистора 1 к вольтамперной характеристике вентильного разрядника 7. В этом случае ток, протекающий по цепи, оказывается несинусоидальным, а падение напряжения от этого тока на нелинейных элементах - синусоидальное.
Из рис.4.19 видно, что в случае применения нелинейных регулируемых резисторов напряжение на испытываемом нелинейном элементе -синусоидальное. Поясним сказанное. Пусть характеристика нелинейного элемента аппроксимируется гиперболическим синусом: / = ocsh(J3up)l
Таким образом, если производная up изменяется во времени по гармоническому закону, то и напряжение на нелинейном элементе также изменяется по гармоническому закону в течение каждого полупериода, но по величине оно в (1+к) раз меньше напряжения питающей сети. Величина к изменяется от полупериода к полупериоду включением управляемых ключей 2. Таким образом, амплитуда напряжения непрерывно возрастает.
Практически нелинейные балластные резисторы можно, например, при регулировании напряжения вентильных разрядников, получить из тех же элементов, из которых собраны вентильные разрядники, но включив отдельные элементы не последовательно, как в вентильном разряднике, а параллельно. Либо их можно выпекать в специальной форме из того же материала (вилит или тервит) по той же технологии одновременно с рабочими дисками вентильных разрядников. При этом балластный резистор и рабочий резистор будут обладать подобными вольтамперными характеристиками.
Похожие диссертации на Методы и средства для диагностики изоляции электрических машин и аппаратов ее защиты
