Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Контроль качества изоляции кабельных изделий высоким напряжением 14
1.1 Описание объекта контроля 15
1.1.1 Технологический процесс наложения изоляции 15
1.1.2 Дефекты изоляции кабеля 17
1.1.3 Электрическая схема замещения кабеля 18
1.2 Контроль качества изоляции кабеля высоким напряжением 20
1.2.1 Процессы в изоляционных материалах при приложении высокого напряжения 21
1.2.2 Процесс контроля качества изоляции напряжением 23
1.3 Приборы для контроля качества изоляции кабельных изделий высоким напряжением методом на проход 25
1.3.1 Аппараты сухих испытаний, разработанные НПО «Электросигнал», г. Ташкент 31
1.3.2 Высоковольтные испытатели изоляции кабельных изделий, выпускаемые предприятием «Эрмис+» г. Томск 34
1.3.3. Приборы электроискрового контроля зарубежных производителей 36
1.3.4 Измерение испытательного напряжения 38
1.3.5 Обеспечение безопасности обслуживающего персонала 43
Выводы по главе 1 48
Глава 2 Измерение испытательного напряжения в импульсных аппаратах сухих испытаний «ИАСИ» 50
2.1 Снижение погрешности измерения испытательного напряжения путем построения измерительной цепи с АЧХ выходной части высоковольтного испытателя 62
2.2 Способ снижения погрешности измерения испытательного напряжения за счет введения дополнительного дросселя первичной обмотки высоковольтного трансформатора 68
2.3 Способ снижения погрешности измерения испытательного напряжения путем вычисления поправки di[ (t)/dt 75
Выводы по главе 2 80
Глава 3 Обеспечение элетробезопасности в аппаратах сухих исытании с переменным напряжением звуковой частоты «ЗАСИ» 82
3.1 Способ защиты от поражения электрическим током по характеру тока в первичной обмотке высоковольтного трансформатора 87
3.2 Способ защиты от поражения электрическим током по периодическому отключению 95
Выводы по главе 3 101
Глава 4 Разработка и реализация схем измерения испытательного напряжения и защиты от поражения электрическим током 103
4.1 Разработка микропроцессорного блока измерений испытателя изоляции типа ИАСИ 103
4.2 Реализация схемы определения знака фазы (СОЗФ) 111
4.3 Устройство временного отключения генерации высокого напряжения 120
Заключение 121
Список используемой литературы
- Контроль качества изоляции кабеля высоким напряжением
- Приборы электроискрового контроля зарубежных производителей
- Способ снижения погрешности измерения испытательного напряжения за счет введения дополнительного дросселя первичной обмотки высоковольтного трансформатора
- Способ защиты от поражения электрическим током по периодическому отключению
Введение к работе
Актуальность работы.
При производстве кабельных изделий на различных этапах необходимо контролировать качество электрической изоляции. Основным способом контроля являются испытания "на проход" высоким напряжением в соответствии с ГОСТ 2990. Данный способ испытаний относится к электроискровым способам неразрушающего контроля [1]. Испытания происходят следующим образом: при движении кабеля по экструзионной линии (производственная линия) или при перебухтовке жила кабеля заземляется, а к поверхности изоляции прикладывается высокое напряжение посредством специальных электродов. В момент прохождения дефектного места изоляции кабеля через электродный узел возникает пробой изоляции. Пробой фиксируется по возрастанию тока, протекающего через изоляцию * кабеля от электродного узла на заземлённую токове дущую жилу кабеля. При этом «здоровая» изоляция не повреждается, а место с дефектной изоляцией помечается прогаром от электрического пробоя. Испытательное напряжение, как правило, находится в пределах от 1 до 50 кВ, амплитудного значения [2]. Форма испытательного напряжения может быть различной: синусоидальной, пилообразной, импульсной, а также напряжением постоянного тока.
На данный момент на предприятиях России и стран СНГ большей частью используются приборы, произведенные во времена Советского Союза. Основным разработчиком и производителем этих приборов был НПО «Электросигнал» г. Ташкент. Также в ограниченном количестве приборы производились для собственных нужд рядом кабельных заводов: Азовкабель, Москабель, и др. Приборы импортного производства поступали, как правило, в составе готовых производственных линий. В настоящее время на k отечественном рынке приборов контроля кабельного производства представлены производители из стран западной Европы [3-5], а также России
5 [6], значительно реже США [7].
Жесткая конкуренция с ведущими западноевропейскими производителями заставляет отечественных производителей улучшать технико-экономические показатели выпускаемой продукции.
В существующих высоковольтных испытателях изоляции кабеля можно выделить следующие недостатки способов построения: - в большинстве высоковольтных испытателях изоляции измерение высокого выходного напряжения происходит по низковольтной стороне при помощи дополнительной измерительной обмотки высоковольтного трансформатора. В соответствии с ГОСТ 2990, в течение испытания значение испытательного напряжения следует поддерживать с отклонением не более 5%, В приборах с импульсным испытательным напряжением приходится проводить измерения по высоковольтной стороне с помощью высоковольтных делителей напряжения. Обычное измерение напряжения по первичной низковольтной стороне приводит к существенным погрешностям, значение которых превышает установленные ГОСТ 2990 значения. Это происходит потому, что высоковольтный трансформатор обладает большой индуктивностью рассеяния, а импульсы напряжения высокой скоростью нарастания, вследствие чего происходит существенное отличие напряжения на первичной обмотке и пересчитанного в первичную обмотку выходного испытательного напряжения. ^ Наличие высоковольтного делителя усложняет конструкцию испытателей за счет добавления еще одного высоковольтного узла. При испытательных напряжениях от 1 до 50 кВ такое изменение требует существенных затрат. К тому же экономически выгодно, чтобы для большинства типов испытателей применялся унифицированный корпус. В связи с этим необходимо разработать методы измерения высокого импульсного напряжения по низковольтной стороне с уровнями погрешностей, удовлетворяющим требованиям стандарта; 1 - уровень максимального выходного тока испытателей превышает безопасный уровень, установленный ГОСТ 12.1.038. Снижение мощности испытателя не может быть решением проблемы, так как основной ток через изоляцию кабеля является емкостным, а при попадании человека под высокое напряжение ток имеет активный характер. Поэтому необходимо разработать способы снижения выходного активного тока высоковольтных испытателей изоляции при сохранении уровня емкостного тока. Цель работы.
Теоретические и экспериментальные исследования высоковольтных испытателей изоляции кабеля, создание методики их расчета и оптимизации режима работы.
Методы исследования.
На разных этапах исследования применялись дифференциальное и интегральное исчисления, спектральный анализ и др. Для решения поставленных задач использовались методы оптимизации и машинного моделирования. Проверка теоретических результатов осуществлялась с помощью экспериментальных исследований.
Научная новизна: - доказано, что измерять амплитуду испытательного напряжения в импульсных приборах контроля изоляции кабеля в соответствии с ГОСТ 2990 можно по низковольтной стороне, используя цепочку, имитирующую цепь высоковольтного трансформатора и испытуемой изоляции. При этом вход цепочки должен быть подключен параллельно первичной обмотке высоковольтного трансформатора, а с выхода цепочки снимается сигнал измерительной информации. В результате моделирования показано, что данный способ прост в реализации, имеет невысокую эффективность и может быть использован только в испытателях, работающих на изоляцию кабеля, параметры которого изменяются в небольших пределах; - доказано, что эффективным способом снижения погрешности измерения амплитуды испытательного напряжения в импульсных аппаратах является уменьшение скорости изменения тока через индуктивность рассеяния высоковольтного трансформатора dxT (/) за счет введения дополнительного дросселя в цепь между накопительным конденсатором и первичной обмоткой высоковольтного трансформатора. Показано, что для обеспечения требуемой ГОСТ 2990 точности измерения индуктивность дополнительного дросселя должна быть Z,d„„»s (пересчитанная в первичную обмотку индуктивность рассеяния) и составлять единицы мГн; - доказано, что еще одним способом измерения амплитуды испытательного напряжения косвенным способом по низковольтной стороне является способ вычисления испытательного напряжения по току первичной обмотки и напряжению на ней при известных значениях индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния, а так же межвитковой емкости вторичной обмотки высоковольтного трансформатора. Итоговая формула имеет вид: U (t) = ^- и ,(0 } + к_ rwA2 di,(t) или после группировки постоянных величин для конкретного типа трансформатора dis(t) ижя(о = кґи1(о-к2
Погрешность данного метода будет определятся начальной точностью измерения I , L's, С'мв , а так же точностью измерения мгновенных значений i}(t) и Ui(t) и точностью преобразования их в цифровой вид; - показано, что попадание человека под высокое выходное напряжение испытателя можно определить по смене характера нагрузки относительно зажимов первичной обмотки высоковольтного трансформатора. В рабочем
8 режиме, когда нагрузкой испытателя является испытуемая изоляция кабеля, характер нагрузки относительно зажимов первичной обмотки высоковольтного трансформатора является активно-емкостным, а при попадании человека под напряжение - активно-индуктивным; - экспериментально доказано, что при попадании эквивалента человека под напряжение (замена сопротивлением 1 кОм в соответствии с ГОСТ 12.1.038) испытатель фиксирует это факт как пробой изоляции. В результате предложен способ, суть которого заключается в периодическом отключении, высокого напряжения при приходе активного сигнала со схемы пробоя. При этом паузу можно сделать такой, чтобы полностью соответствовать требованиям стандарта на электробезопасность. Достоинством данного способа является его простота, по сравнению с другими. Недостатком его является то, что образуются большие длины неконтролируемого кабеля, так как во время отключения испытательного напряжения кабель продолжает двигаться с прежней скоростью.
Краткое содержание работы.
В первой главе диссертационной работы приводится описание объекта контроля и обзор существующих средств испытания изоляции кабеля высоким напряжением методом «на проход». По итогам обзора ставится задача дальнейших исследований, и намечаются методы решения поставленных задач.
Во второй главе предложены способы измерения амплитуды импульсного испытательного напряжения в высоковольтных испытателях изоляции кабеля.
Показано, что измерять амплитуду испытательного напряжения можно по низковольтной стороне используя цепочку, имитирующую цепь высоковольтного трансформатора и испытуемой изоляции.
Так же доказано, что эффективным способом снижения погрешности измерения амплитуды испытательного напряжения в приборах с импульсным
9 выходным напряжением является уменьшение скорости изменения тока через diL (t) индуктивность рассеяния высоковольтного трансформатора —-— за счет введения дополнительного дросселя в цепь между накопительным конденсатором генератора импульсов и первичной обмоткой высоковольтного трансформатора.
Еще одним способом измерения амплитуды испытательного напряжения косвенным способом по низковольтной стороне является способ вычисления испытательного напряжения по току первичной обмотки и напряжению на ней при известных значениях индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния, а так же межвитковой емкости вторичной обмотки высоковольтного трансформатора.
Проанализированы достоинства и недостатки каждого метода.
Третья глава посвящена разработке методов защиты обслуживающего персонала высоковольтных испытателей от поражения электрическим током.
Предложены способы защиты от поражения электрическим током при работе с высоковольтными испытателями изоляции кабеля: по анализу характера нагрузки относительно зажимов первичной обмотки высоковольтного трансформатора; по периодическому отключению высокого напряжения при приходе активного сигнала со схемы пробоя.
Проанализированы достоинства и недостатки каждого метода, определены границы их применения.
В четвертой главе приводится реализация технических решений, полученных по результатам теоретических и экспериментальных исследований.
Приведена схема определения знака фазы (СОЗФ) и диаграммы ее работы. Задача, которую решает схема СОЗФ заключается в том, чтобы при активно-емкостном характере нагрузки относительно первичной обмотки высоковольтного трансформатора испытателя изоляции выдавать логический
10 сигнал низкого уровня, а при активно-индуктивном характере нагрузки - выдавать логический сигнал высокого уровня. При этом схема устойчива к промышленным помехам, и выставляет сигнал, если знак фазы повторяется подряд в нескольких периодах.
Показано, что задача разработки микропроцессорного блока измерений испытателя изоляции типа ИАСИ (импульсные аппараты сухих испытаний) может быть с успехом решена при помощи микроконтроллера. Измерения производятся по двум каналам, вычисления производятся по установленным ранее зависимостям и выдается результат измерения на индикацию. Приведен алгоритм программы микроконтроллера к схеме с вычислением правки.
Приведена схема устройства временного отключения генерации высокого напряжения.
Основные положения, выносимые к защите: - снижение погрешности измерения амплитуды испытательного напряжения по низковольтной стороне в импульсных аппаратах можно достичь уменьшением скорости изменения тока через индуктивность рассеяния высоковольтного трансформатора за счет введения дополнительного дросселя в цепь между накопительным конденсатором и первичной обмоткой высоковольтного трансформатора; способом измерения амплитуды испытательного напряжения косвенным способом по низковольтной стороне является способ вычисления испытательного напряжения по току первичной обмотки и напряжению на ней при известных значениях индуктивности намагничивания и индуктивности рассеяния, а так же межвитковой емкости вторичной обмотки высоковольтного трансформатора; - попадание человека под высокое выходное напряжение испытателя можно определить по смене характера нагрузки относительно зажимов первичной обмотки высоковольтного трансформатора; - обеспечение электробезопасности обслуживающего персонала при работе с высоковольтными испытателями изоляции можно с помощью периодического отключения высокого напряжения при формировании схемой пробоя активного уровня сигнала.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: - IX Международной научно - практической конференции «Современные техника и технологии» Томск, 2003 г.; VIII Международной научно — практической конференции «Качество — стратегия XXI века», г. Томск, 2003 г.; X Международной научно - практической конференции «Современные техника и технологии», Томск, 2004 г.
Неоднократно выступала на заседаниях научно-методического семинара кафедры физических методов и приборов контроля качества Томского политехнического университета.
Положения диссертационной работы изложены в следующих опубликованных работах:
1 Л.А. Редько, В.В. Редько. К вопросу об обеспечении электробезопасности обслуживающего персонала при работе с высоковольтными испытателями изоляции кабеля «на проход»// Труды IX ш международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». - Томск, 2003. -Т.П. - С. 137 - 139.
Л.А. Редько, В.В. Редько. Высоковольтные испытатели изоляции кабеля. Схемы регистрации пробоев// Труды IV международной конференции «Актуальные проблемы науки». - Самара, 2003. - С- 20 - 22.
Л.А. Редько, В.В. Редько. Контроль качества изоляции кабельных изделий// Материалы VIII Международной научно—практической конференции «Качество - стратегия XXI века». — Томск, 2003. — С. 133 - 134.
4 Л.А. Редько, В.В. Редько. Приборы контроля качества изоляции кабельных изделий// Труды X международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии». — Томск, 2004. - ТЛІ - С. 337-338.
5 В.В. Редько, Л.А. Редько. Способ защиты от поражения электрическим током в высоковольтных испытателях изоляции кабельных изделий// Электричество. - 2004. - № 8. - С. 65-67.
6 В.В. Редько, Л.А. Редько. Высоковольтный испытатель изоляции кабеля методом «на проход// Датчики и системы. - 2004. - № 9. - С. 43-46.
7 Л.А. Редько. Проблемы измерения амплитуды выходного напряжения импульсных высоковольтных испытателей// Сборник докладов Российской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения». — Томск, 2004.
8 В.В. Редько, Л.А. Редько. Высоковольтный испытатель изоляции постоянным напряжением «КОРОНА-ПН»// Сборник докладов Российской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы приборостроения и машиностроения». — Томск, 2004.
Практическая ценность и реализация результатов работы: разработан и внедрен способ обеспечения электробезопасности высоковольтных испытателей изоляции по периодическому отключению высокого напряжения. Способ внедрен на ООО «Эрмис+» г. Томск; разработан и внедрен способ обеспечения точности измерения амплитуды испытательного напряжения в соответствии с ГОСТ 2990 в импульсных испытателях путем включения дополнительного дросселя в цепь между генератором импульса и первичной обмоткой высоковольтного трансформатора. Способ внедрен на ООО «Эрмис+» г. Томск.
13 Структура и объем работы.
Диссертация состоит из 4-х глав и 3-х приложений, содержит 132 страницы, включая 43 иллюстрации, 5 таблиц и список литературы из 72 наименований.
Контроль качества изоляции кабеля высоким напряжением
Кабельные изделия должны отвечать многочисленным и разносторонним требованиям в отношении характеристик изоляции и их стабильности во времени: механической прочности, электропроводности токопроводящих жил, герметичности металлических оболочек коррозионной стойкости и т. д.
Это обусловливает исключительно широкое разнообразие видов испытаний кабельных изделий, включающих механические и химические испытания, определение электропроводности металла, измерения емкости, сопротивления изоляции, тангенса угла диэлектрических потерь, пробивного напряжения [13]. проницаемость и электрическая Для качества электроизоляционных резин и полихлорвиниловых пластикатов основную и решающую роль играют их электроизоляционные свойства. Основными показателями, характеризующими электроизоляционные свойства этих материалов служат удельное объемное сопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая прочность [14].
Основным требованием, предъявляемым к качеству изоляции, является отсутствие включений, засоров, пор, трещин и других нарушений однородности и целостности, вызывающих отказ кабельного изделия в эксплуатации. Существующее состояние однородности исходного сырья -материалов и стабильности технологии наложения изоляции не могут гарантировать изготовление без названных дефектов. Поэтому после наложения, изоляции обязательными технологическими операциями являются проверка ее качества (однородности, целостности) и устранение выявленных дефектов.
Контроль качества изоляции кабеля высоким напряжением является основным видом контроля и предусмотрен стандартами и техническими условиями на кабельные изделия. Данный способ контроля относится к электроискровым способам неразрушающего контроля [1].
Все диэлектрики могут работать при напряжениях, не превышающих предельных значений, характерных для них в определенных условиях и состоянии, при превышении предельного значения наступает пробой диэлектрика [15].
Электрическая прочность - важнейшая характеристика изолированных кабельных изделий. Для ее определения кабели провода и шнуры испытывают повышенным напряжением.
Если плотность тока проводимостей через диэлектрик, находящийся под напряжением в рабочих условиях, очень мала, то при превышении напряжения ток резко возрастает - внезапно образуется проводящий канал между электродами, т. е. изоляционные свойства материала ухудшаются, а затем наступает пробой. Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением Unp [11].
Наиболее важными факторами, влияющими на пробивное напряжение всех видов диэлектриков, являются: форма поля, длительность приложения напряжения, род тока, климатические условия, температура, барометрическое давление для газов, вид материала и его толщина.
За меру электрической прочности в однородном поле принимают пробивную напряженность - величину напряженности, при которой произошел пробой, Епр [13]: где d —- толщина образца, см или мм; U„p - пробивное напряжение, кВ. Пробивное напряжение измеряют обычно в киловольтах (кВ). Электрическую прочность определяют величиной пробивного напряжения, приходящегося на единицу толщины изоляции в наиболее напряженном ее участке. На практике электрическую прочность выражают в кВ/мм или кВ/см, в системе СИ - В/и. Электрическую прочность удобно выражать в МВ/м — кратных производным единицам системы СИ, так как при этом получаются числовые значения, совпадающие с привычными для практики величинами электрической прочности в кВ/мм [13].
При определении электрической прочности пользуются постоянным, переменным и импульсным напряжением.
Имеются два основных метода контроля изоляции напряжением: длительное приложение испытательного напряжения к изоляции одновременно вдоль всей длины испытуемого изделия (категория ЭИ-1), и кратковременное -к небольшому участку (по длине) испытуемого изделия (категория ЭИ-2) [2]. Исходя из условий приложения напряжения, первый метод испытаний проводится на всей длине неподвижного изделия, а второй - «на проход» - во время движения, на участке испытуемого изделия, находящемся в электроде.
Основным методом контроля качества изоляции в процессе производства, скрутки и перемотки кабеля является контроль повышенным напряжением «на проход» согласно ГОСТ 2990. Величина испытательного напряжения в каждом случае устанавливается соответствующим стандартом или техническими условиями на кабельное изделие в зависимости от рабочего напряжения и условий эксплуатации изделия и находится в пределах от 1 до 50 кВ [2].
Основные требования к испытательному оборудованию при испытании кабельных изделий напряжением, к методике испытаний, а также к технике безопасности регламентированы ГОСТ 2990.
Приборы электроискрового контроля зарубежных производителей
Реализация преимуществ автоматизированного производства кабельных изделий возможна при выполнении автоматической системой контроля качества следующих функций: сплошной (по длине или по бухтам) контроль качества изделий в процессе изготовления; непрерывный (или при соответствующем обосновании периодический) контроль параметров технологического процесса; регистрация числа и характера дефектов изготовляемых изделий (в том числе по длине), нарушений технологического процесса, а также автоматизированная обработка поступающих данных в части оценки доли дефектов на 1 км выпускаемых изделий, точности и стабильности технологического процесса; исключение из выпускаемой продукции дефектных изделий по любому контролируемому параметру; автоматизированная печать, хранение и выдача обобщенной информации о качестве изделий, а так же стабильности технологических процессов; самоконтроль правильности работы автоматической системы контроля качества, тестовый контроль системы в целом и отдельных механических средств контроля, а так же исключение несанкционированного доступа к их регулировке.
На рисунке 1.3.4 приведены схемы основных методов измерения высокого испытательного напряжения [33]. Погрешность измерения, согласно ГОСТ 2990, не должна превышать 5 %. а - измерение на стороне низкого напряжения; б - измерение напряжения на отпайке вторичной обмотки высоковольтного трансформатора; в -измерение напряжения включением вольтметра через дополнительное сопротивление (А), омический делитель (Б) или емкостной делитель (В) А) Измерение на стороне низкого напряжения.
Основным способом измерения напряжения является измерение на стороне низкого напряжения (Рисунок 1.3.4а) [13]. Подсчет величины испытательного напряжения производится по коэффициенту трансформации. При испытании объектов с большой емкостью напряжение на высоковольтной обмотке испытательного трансформатора за счет емкостного тока несколько возрастает. Поэтому на низковольтную обмотку следует подавать пониженное напряжение [33]. Б) Измерение напряжения на отпайке обмотки высокого напряжения трансформатора
При применении специальных трансформаторов измерение напряжения следует производить при помощи отпайки от высоковольтной обмотки трансформатора {Рисунок 1.3.46). Для обеспечения необходимой точности измерения напряжения потребление вольтметра не должно превышать 5 % номинального тока высоковольтной обмотки трансформатора. В) Измерение напряжения включением вольтметра через дополнительное сопротивление или омический делитель
При измерении испытательного напряжения путем включения низковольтного вольтметра через дополнительное сопротивление (А на рисунке 1.3.4в), или омический делитель (Б на рисунке 1.3.4в) возникает необходимость в громоздких дополнительных сопротивлениях на высокое напряжение. Г) Измерение напряжения включением вольтметра через емкостные делители [13].
Применение электростатических вольтметров позволяет использовать не только омические, но и более простые емкостные делители (В на рисунке 1.3.4в).
Чтобы влияния внешних электростатических полей не исказили результат измерения, емкость делителя должна быть достаточно большой (100 пФ и более в зависимости от силы влияющих полей). Коэффициент деления делителя в случае применения электростатического вольтметра должен быть таким, чтобы низшее измеряемое напряжение было примерно равно четверти предела измерения на данной шкале.
В высоковольтных испытателях типа ЗАСИ производства НПО «Электросигнал» г. Ташкент измерение испытательного напряжения производилось на стороне низкого напряжения (Рисунок 1.3.5). Блок измерения испытательного напряжения подключен к первичной обмотке высоковольтного трансформатора и обеспечивает при изменении нагрузки от нуля до максимума измерение высокого напряжения с погрешностью не более 5 % [9, 18-19, 39].
В приборе типа ЗАСИ производства «Эрмис+» г. Томск блок измерения испытательного напряжения представляет собой схему амплитудного диодного вольтметра с открытым входом (Рисунок 1.3.7). Измерение пикового значения испытательного напряжения основано на измерении напряжения на дополнительной низковольтной обмотке высоковольтного трансформатора Т1. Значение емкости конденсатора С1 выбирается из условия обеспечения минимальной погрешности в диапазоне рабочих частот [31].
Способ снижения погрешности измерения испытательного напряжения за счет введения дополнительного дросселя первичной обмотки высоковольтного трансформатора
В общем случае существенная зависимость коэффициента трансформации от изменения параметров контролируемого кабеля является следствием того, что высоковольтный трансформатор используется не по своему прямому назначению. Особенность работы высоковольтного испытателя изоляции с импульсным выходным напряжением заключается в том, что высоковольтный трансформатор и изоляция контролируемого кабеля являются частью генератора импульсов, от которой напрямую зависят параметры генерируемого импульса (Рисунки 2.1, 2.4, 2.5, 2.6). Это делается разработчиками испытателей намеренно для упрощения схемы устройства. Однако высоковольтный трансформатор должен только передавать напряжение, а изоляция контролируемого кабеля должна лишь потреблять энергию и никак не влиять на параметры формируемых импульсов (частота, амплитуда).
Еще одной особенностью импульсных испытателей изоляции подобного типа является то, что высоковольтный трансформатор работает с большим запасом по виткам первичной и вторичной (высоковольтной) обмоткам. То есть количество витков выбрано с многократным запасом для длительности генерируемых импульсов. Попытка уменьшить количество витков приводит к уменьшению значения индуктивности рассеяния вторичной обмотки высоковольтного трансформатора. Причем зависимость квадратичная. В свою очередь уменьшение индуктивности рассеяния приводит к увеличению частоты (скорости изменения) импульсов испытательного напряжения. В результате drL(t) величина U\ (t) = L : — остается постоянной с точностью до Ls й dt нелинейных процессов в высоковольтном трансформаторе при прочих равных условиях.
Качественное решение данной проблемы заключается в том, чтобы изменить идеологию работы силового блока (генератора импульсов) высоковольтного испытателя изоляции. Однако это задача силовой электроники и выходит за рамки данной диссертационной работы. К тому же разработанные на сегодняшний день схемы испытателей работают по принципу, при котором высоковольтный трансформатор и изоляции кабеля являются частью генератора импульсов и поэтому необходимо разработать способы измерения амплитуды испытательного напряжения по первичной низковольтной стороне именно для испытателей такого типа.
Предлагается ввести в схему изменения, которые хоть и не исключат высоковольтный трансформатор и изоляцию контролируемого кабеля из цепи формирования импульса, но при этом значительно уменьшат их влияние как на частоту заполнения и на амплитуду импульса [45]. На рисунке 2.2.1 приведена схема включения дросселя Ldon в цепь высоковольтного испытателя.
На рисунке 2.2.2 приведены диаграммы напряжений на индуктивности рассеяния высоковольтного трансформатора и испытательного напряжения без дополнительного дросселя а, и с дополнительным дросселем 6, индуктивностью Ьдоп= 2 мГн. Для используемой модели высоковольтного трансформатора Ьдопы 10 l!s.
Очевидно, что нелинейность коэффициента трансформации возникает из - за падения напряжения U L . Причем известно [41]: di (t) U (t) = Ls V dt (2.2.1) Отсюда можно сделать вывод, что для уменьшения U L , а значит и нелинейности необходимо снижать либо индуктивность рассеяния Ls, либо Уменьшить индуктивность Ls в высоковольтном трансформаторе затруднительно. Это требует изменения конструктивных параметров трансформатора. Например, сближения первичной и вторичной обмоток, т.е. улучшения магнитной связи между обмотками. При этом резко возрастут требования к изоляционным материалам, и усложнится конструкция высоковольтного трансформатора. А это, в свою очередь, приведет к удорожанию высоковольтного трансформатора и высоковольтного испытателя в целом. И это может оказаться недостаточной мерой для получения требуемой точности. Введение в схему дополнительного дросселя Ьдоп приведет к di L (t) снижению скорости изменения тока — , а значит и к уменьшению U L (t) и нелинейности. Из диаграмм, приведенных на рисунке 2.2.2 видно, что наличие дополнительного дросселя действительно уменьшает скорость изменения тока через индуктивность рассеяния. Незначительное уменьшение di (t) і скорости изменения — приводит к значительному уменьшению dt нелинейности, что демонстрирует рисунок 2.2.3. Под относительным коэффициентом трансформации понимается величина /с„„ = — тр к (С =С ) С +с "Г ттр f1 — изол.тах K?CW, min Из приведенных на рисунке 2.2.3 диаграмм можно сделать вывод, что данный способ снижения нелинейности очень эффективен. В этом случае необходимо разработать рабочую методику выбора и расчета величины индуктивности дросселя Ldan.
Способ защиты от поражения электрическим током по периодическому отключению
При испытаниях напряжение к изоляции кабеля прикладывается посредством электродного узла, который так же имеет свою емкость. Емкость электродного узла составляет, как правило, единицы и реже десятки пФ. В исследуемых испытателях емкость электродного узла Сэ.у. « 5-И0 пФ. В результате, даже при отсутствии кабеля в электродном узле, т.е. Ст = 0, RH — оо, суммарной емкости электродного узла и межвитковой (Сэу_ + Смя) и 100 пФ достаточно, чтобы ток первичной обмотки 1ех имел активно - емкостной характер.
Точка "Ь" на рисунке 3.1.7 соответствует значению суммарной емкости (Сиэ +Смв + Сэ.у) » 2700 пФ. Эта величина в несколько раз, превышает предельно допустимое значение емкости нагрузки. Следовательно, значение тока Іех в точке "6" будет значительно превышать уровень защиты I3mj (Рисунок 3.1.4), а значит точка "6" выходит за рабочий диапазон.
Следовательно, как показали расчеты, для реальных устройств рабочий режим лежит в диапазоне между точками "я" и "6" (Рисунок 3.1.7). Тогда попадание человека под опасное напряжение можно однозначно определять по одновременному сочетанию следующих параметров: - ток первичной обмотки высоковольтного трансформатора 1ех носит активно - индуктивный характер; - значение тока 1вх больше некоторого установленного значения 1ШЩ2, соответствующему безопасному активному току вторичной обмотки высоковольтного испытателя, пересчитанного в первичную обмотку.
Из приведенного анализа следует, что строить защиту человека от поражения электрическим током, предложенным выше способом, т.е. посредством анализа характера тока, возможно. В четвертой главе приведена схема реализации данного способа и анализ ее работы.
Для обеспечения защиты обслуживающего персонала, работающего с высоковольтными испытателями изоляции кабеля, от поражения электрическим током можно предложить еще один, достаточно простой, способ. При попадании человека под действие высоковольтного испытателя, обязательно срабатывает схема регистрации пробоя изоляции, после чего напряжение с выхода высоковольтного испытателя временно снимается и возобновляется вновь через некоторый промежуток времени [48]. В этом случае уровень тока, протекающего через тело человека может превышать уровень отпускающего тока [37].
Для реализации данного способа защиты необходимо чтобы схема регистрации пробоя срабатывала при попадании человека под напряжение. На нескольких типах высоковольтных испытателей было измерено внутреннее сопротивление. Из технических описаний высоковольтных испытателей разных производителей, в том числе и зарубежных, активное сопротивление изоляции кабеля (нагрузки) составляет, как правило, десятки МОм, а емкостное -единицы МОм на частоте испытательного напряжения. Таким образом, внутренне сопротивление источника высокого напряжения на 1-2 порядка меньше емкостного и активного сопротивления нагрузки, что достаточно для нормальной работы высоковольтного испытателя. Дальнейшее уменьшение внутреннего сопротивления источника высокого напряжения приведет к излишнему увеличению его мощности, а значит и стоимости. Сопротивление человека при напряжении свыше 1 кВ составляет сотни Ом [37]. Сопротивление человека, попавшего под испытательное напряжение отличается от внутреннего сопротивления высоковольтного испытателя на 3-4 порядка, что близко к режиму короткого замыкания. В этом случае схема регистрации пробоя, алгоритм срабатывания которой основан на резком снижении сопротивления изоляции, выдаст сигнал о пробое. В качестве практических доказательств указанных выше предположений были проведены эксперименты на действующих высоковольтных испытателях изоляции кабеля, выпускаемых фирмой «Эрмис+» г. Томск. Эксперименты проводились в высоковольтной лаборатории. На рисунке 3.2.1 показана схема эксперимента.
