Измерения в сетях двойного рода тока

В современных сетях переменного тока обычно присутствуют полупроводниковые выпрямители, подключенные непосредственно к фазам сети (без применения трансформаторов). В подобных сетях величина эквивалентного сопротивления изоляции определяется пятью составляющими: сопротивлениями изоляции r_a, r_h, r_с фаз цепей переменного тока и сопротивлениями изоляции R₁и R₂ полюсов цепи постоянного тока.

Рассмотренные выше методы измерений в сетях переменного тока оказываются непригодными для сетей двойного рода тока. Это объясняется тем, что в сети двойного рода тока полюса цепи постоянного тока имеют определенные постоянные напряжения относительно земли (корпуса судна) – в зависимости от значения их сопротивления изоляции.

Через полупроводниковый выпрямитель эти напряжения в определенной закономерности переносятся на цепи переменного тока. Так, в простейшем случае, при использовании трехфазного неуправляемого выпрямителя, собранного по схеме Ларионова, среднее значение напряжения между фазами сети переменного тока и землей определяется выражением

,

(178)

где U_тф – амплитуда фазного напряжения на входе выпрямительного моста;

R₁, R₂– сопротивления изоляции полюсов цепи постоянного тока;

R=, R~ – эквивалентные сопротивления изоляции цепей постоянного и переменного тока соответственно.

Из этого выражения следует, что при равенстве величин R₁ и R₂ имеет место U_ср = 0 и никаких искажений в работу приборов контроля не вносится. Равномерное изменение сопротивления изоляции обоих полюсов характерно для небольших по размерам потребителей, так как в этом случае наиболее вероятно равномерное воздействие внешней среды на объект в целом.

Для мощных потребителей, имеющих большие размеры и разветвленные кабельные связи, создаются предпосылки для неравномерного внешнего воздействия на изоляцию положительного и отрицательного полюсов. Поэтому в общем виде R₁не равно R₂,соответственно U_ср не равно 0. В предельных случаях при однополюсном замыкании на корпус (R₁ << R₂или R₂ << R₁)постоянная составляющая напряжения между фазами и землей U = ±0,5 U (U – среднее значение напряжения на выходе выпрямительного моста).

Таким образом, постоянная составляющая напряжения между фазой и землей может произвольно изменять как величину, так и знак, по абсолютному значению достигая половины рабочего напряжения цепи постоянного тока.

В трехфазных сетях напряжением 380 В U = 510 В. В приборах контроля изоляции измерительное напряжение Е существенно меньше (обычно оно равно 150 В), поэтому напряжение U_ср оказывает существенное влияние на силу тока и напряжение в измерительной цепи, мешая работе прибора. Стрелка мегаомметра может занимать любое положение на рабочем участке шкалы, независимо от измеряемого значения сопротивления изоляции. Она может даже зашкаливать за отметки «0» и « », показывая лишенные физического смысла величины R < 0 и R > .

В сетях переменного тока можно применять метод, сущность которого заключается в следующем. К фазам сети переменного тока подключается трехфазный выпрямительный мост, собранный на полупроводниковых диодах по схеме Ларионова (рис. 189). Вольтметром магнитоэлектрической системы поочередно измеряют три напряжения: U_ср – на выходе моста, U1 – между положительным полюсом моста и корпусом, U2 – между отрицательным полюсом моста и корпусом. Расчет сопротивления изоляции сети выполняют по формуле

(179)

для метода трех отсчетов вольтметра. Существенно, что в подобных случаях измерения должны производиться вольтметром именно магнитоэлектрической системы, так как носителем информации о величине сопротивления изоляции являются только средние значения напряжений. Предел измерений вольтметра должен соответствовать величине U_ср, то есть для трехфазных сетей 380 В пригодны вольтметры со шкалой 0–600 В. Внутреннее сопротивление вольтметра выбирается в соответствии с рекомендациями, приведенными выше, применительно к сетям постоянного тока.

Рис. 189. Измерение сопротивления изоляции сети двойного рода тока

Одной из причин снижения сопротивления изоляции судового электрооборудования является ее увлажнение. Высушивание изоляции нагревом горячим воздухом или током нагрузки приводит к ускоренному старению изоляции. Этого недостатка лишен электроосмотический метод удаления влаги.

Электроосмос – явление протекания жидкости через пористый (изоляционный) материал под действием постоянного электрического поля, которое создается при подключении положительного полюса специального источника к жиле провода, а отрицательного – к корпусу судна или к корпусу электрической машины. Под действием этого поля в местах утечки тока происходит перемещение заряженных частиц, ионов жидкости. Ионы в силу наличия трения и межмолекулярного сцепления увлекают за собой нейтральные молекулярные слои жидкости. В результате происходит направленное перемещение капиллярной влаги от внутренних слоев изоляционного материала к наружным, что приводит к высушиванию изоляции, а следовательно, к увеличению ее сопротивления.

Разработаны различные модификации приборов ЭСКИ (электроосмотическая сушка и контроль изоляции), которые позволяют не только контролировать состояние изоляции, но и без значительных затрат энергии повышать ее сопротивление до требуемых норм.

Переносное устройство ДИЭС (диагностика изоляции электрооборудования судов) предназначено для автоматического диагностирования с целью контроля технического состояния и определения причины, вызвавшей неисправность изоляции (старение, механические повреждения, увлажнение). Устройство имеет режим электроосмотического удаления влаги из изоляции электрических машин и судовых сетей с целью повышения электрического сопротивления ее путем высушивания при сопротивлении изоляции выше 10 кОм (рис. 190).

Рис. 190. Функциональная схема устройства ДИЭС-1

Диагностирование изоляции достигается тем, что измеряются переходные процессы тестового (оперативного) сигнала измерительного устройства при определении в изоляции кабеля объемного сопротивления, емкости, поляризации и увлажнения. Известно, что техническое состояние изоляции определяется устройствами с тестовыми (оперативными) сигналами, указывающими в конечном итоге объемное сопротивление, например, мегаомметры, «электроны»

и им подобные приборы. Техническое состояние изоляции характеризуют емкость, поляризация и увлажнение, поэтому только логической обработкой указанных величин или решением системы уравнений можно выполнить техническую диагностику изоляции.

Изменение тест-сигнала по времени при стабилизированном напряжении 500 В постоянного тока зависит от геометрической емкости изоляции элементов судового электрооборудования, которая составляет для объектов (электрических машин, кабельных сетей и распределительных устройств) электрооборудования судов речного флота примерно 0,1–0,2 мкФ. Такая емкость определяет время переходного процесса тест-сигнала изоляции в диапазоне 1–3 с.

Влияние поляризации изоляции на изменение по времени тест - сигнала определяется коэффициентом абсорбции, т.е. отношением сопротивлений постоянному току стабилизированного напряжения, измеренных в моменты времени 15 и 60 с.

Увлажнение изоляции характеризуется изменением во времени электроосмотического процесса за время 12–15 мин.

Устройство работает следующим образом.

Источник оперативного тока БП-1 со стабилизированным напряжением 500 В постоянного тока подключен между корпусом судна (электроустановки) и токопроводящей жилой через датчик тока. «Минус» подключен на корпус, «плюс» – к токопроводящей жиле провода. Датчик тока соединен с аналого-цифровым преобразователем А ЦП через операционный усилитель, работающий в режиме повторителя. Этот преобразователь выполнен на принципе двухтактного интегрирования.

Оперативный ток (тестовый сигнал) определения состояния изоляции включается по сигналу блока управления СУ. Значения оперативного тока, отградуированного по сопротивлению изоляции в моменты времени t₁ – объемного сопротивления, t₂– геометрической емкости, t₃– поляризации, t₄ – электроосмоса, фиксируются в блоке памяти БП. Блок СУ выполняет команду по времени на измерение (дискретных значений) оперативного тока. Степень влияния емкости поляризации и электроосмоса на объемное сопротивление изоляции определяется блоком сравнения БС. Блок управления осуществляет включение цифровой и световой информации. Блок информации БИ при помощи индикаторных ламп высвечивает объемное сопротивление изоляции, замеренное при t₁ равное 60 с.

После выдержки времени переходных процессов оперативного тока при нажатии кнопок на панели «Контроль» индикаторные лампы высвечивают соответствующие сопротивления изоляции. Кроме того, автоматически высвечивается табло на панели «Диагноз», указывающее причину, вызвавшую уменьшение объемного сопротивления изоляции электрооборудования. Причина выявляется сравнением дискретных значений оперативного тока, отградуированного по сопротивлению и, следовательно, тем самым определяются: значение геометрической емкости, которая характеризует отсутствие (или наличие) механических повреждений изоляционного слоя; значение поляризации, которая характеризует физико-химическое строение изоляции, то есть наличие трещин, раковин, разрывов, вызванных тепловым или радиационным старением изоляционных материалов; значение электроосмотического тока, который характеризует степень увлажнения изоляции. Так как емкость, поляризация и электроосмотический ток влияют на объемное сопротивление, а также имеют взаимное влияние, сравнением их значений через соответствующие промежутки времени определяют причину, вызвавшую снижение объемного сопротивления изоляции. Блок питания БП-2 является источником постоянного тока стабилизированного напряжения 5 и 15 В для блоков устройств.

Практически реализация этого способа заключается в следующем. Подключением положительного полюса выхода устройства (штепсельный разъем на задней панели) к обесточенной токопроводящей жиле судового кабеля или к клемме обмотки электрической машины и подключением отрицательного полюса к корпусу судна или к корпусу электрической машины создается постоянное электрическое поле. В этом случае изоляционный слой кабеля или обмотки машины оказывается под действием этого поля. При этом в местах утечки тока происходит передвижение заряженных частиц капиллярной жидкости. Заряженные частицы – ионы увлекают в свое движение вследствие наличия трения и межмолекулярного сцепления нейтральные молекулярные слои жидкости. В результате происходит электроосмос (направленное перемещение капиллярной воды) сорбированной влаги в направлении от внутренних слоев изоляционного материала к наружным. Следствием этого процесса является высушивание изоляционного слоя, а следовательно, уменьшение токов утечки через изоляцию и соответствующее увеличение ее сопротивления. Электроосмотический перенос сорбированной влаги происходит без повышения температуры изоляционного слоя и только в местах утечки тока. Это является основным отличием от теплового способа сушки изоляции судового электрооборудования.