Спосіб діагностики ізоляції електрообладнання

1. Спосіб діагностики ізоляції електрообладнання шляхом знімання шумової напруги з потенціальної шини електрообладнання відносно заземлення, фільтрування її та визначення відхилення узагальненої міри якості ізоляції від норми стану ізоляції, порівняння з шумами якісної ізоляції, який відрізняється тим, що перед визначенням відхилення узагальненої міри якості ізоляції від норми стану ізоляції, отриману шумову напругу піддають високочастотній фільтрації почергово з шумовою напругою зразкової резистивної міри в смузі частот спектра теплових шумів з низькою 3 діагностики. Крім того для реалізації способу потрібен зразковий конденсатор з малими втратами на кожну з робочих напруг, при яких працює різноманітне електрообладнання. Відомий спосіб діагностики ізоляції електрообладнання [см. Сви П.М. Контроль изоляции оборудования высокого напряжения. 2-е изд. - М.: Энергия, 1988, с.87-90], заснований на вимірюванні інтенсивності електричних шумів, виникаючих в результаті часткових розрядів в локальних неоднорідностях ізоляції, які знаходиться під робочою напругою. Однак у цьому способі присутня низька завадозахищеність через вплив на результат контролю перешкод, виникаючих в результаті коронувальних розрядів на елементах, які випробовуються, та шинах розподільчих пристроїв, а також діючих засобів зв'язку. Відомий також спосіб діагностики ізоляції електрообладнання [см. Сидоренко Н.Г., Швец Е.Я., Юзачев А.В. и др. Исследование возможностей непрерывного контроля изоляции действующих электроустановок без вывода их из эксплуатации. // Праці Луганського відділення міжнародної академії інформатизації, №1 (10), 2005, с.87-90], шляхом знімання шумової напруги з потенціальної шини електрообладнання відносно заземлення, фільтрування її та визначення відхилення узагальненої міри якості ізоляції від норми стану ізоляції, порівняння з шумами якісної ізоляції. Крім того спосіб включає операції, які направлені на знаходження та вимірювання інтенсивності акустичних шумів, створених частковими розрядами в ізоляції, а також зниження низькочастотних завад від струмів промислової частоти та їх гармонік. Використання у відомому способі комбінації двох діагностичних ознак (виникнення електричних та акустичних шумів) підвищує чутливість і достовірність діагностики по фізико-хімічних змінам ізоляції та шкідливим впливам навколишньої середовища (зволоження, забруднення, механічне пошкодження і т.п.). Однак відсутність електричної зразкової міри, з якою би порівнювалися шумові характеристики ізоляції діючого електрообладнання, та притаманні сигнали впливу власних шумів та широкосмугових завад апаратури для досліджування на результат контролю не забезпечує високої достовірності діагностичного контролю ізоляції за їх шумовими характеристиками в процесі неперервної роботи електрообладнання. В основу корисної моделі покладена задача створити такий спосіб діагностики ізоляції електрообладнання, в якому шляхом введення нових операцій з шумовими сигналами, забезпечилось би підвищення достовірності оцінки стану ізоляції електрообладнання та прийняття рішення про можливість подальшого його використання. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб діагностики ізоляції електрообладнання, в якому шляхом знімання шумової напруги з 30321 4 потенціальної шини електрообладнання відносно заземлення, фільтрування її та визначення відхилення узагальненої міри якості ізоляції від норми стану ізоляції, порівняння з шумами якісної ізоляції, згідно з корисною моделлю, перед визначенням відхилення узагальненої міри якості ізоляції від норми стану ізоляції, отриману шумову напругу піддають високочастотній фільтрації почергово з шумовою напругою зразкової резистивної міри в смузі частот спектра теплових шумів з низькою частотою повторення, отримують високочастотні складові спектра, що відповідають високочастотній шумовій напрузі, яку підсилюють, модулюють за амплітудою та квадратично детектують, виділяють низькочастотну напругу огинаючої модульованої напруги, яку підсилюють та синхронно детектують, отримують випрямлену напругу, з якої виділяють її постійну складову за якою визначають відхилення узагальненої міри якості ізоляції від норми. Доцільно, щоб в якості узагальненої міри якості ізоляції використовують добуток активної складової комплексного опору ізоляції на її температуру. Доцільно, щоб в якості норми стану ізоляції використовують добуток значення опору високоомної резистивної міри, яка перебуває при нормальній температурі ізоляції діючого електрообладнання, на її температуру. Введення операцій порівняння напруг теплових шумів електрообладнання з тепловими шумами зразкової резистивної міри шляхом почергового, з низькою частотою повтору, подачі цих напруг через один і той же високочастотний смуговий фільтр і підсилювач високої частоти на квадратичний детектор, виділення низькочастотної огинаючої модульованої напруги, яку після підсилення низькочастотним підсилювачем синхронно детектують, згладжують та вимірюють постійну складову випрямленої напруги дозволяє виключити вплив нестабільності коефіцієнтів перетворення ланцюгів одноканального тракту порівняння на результат порівняння, який отримують у вигляді різниці шумових напруг узагальненої міри якості ізоляції та норми, яка представлена тепловими шумами високоомного резистора, що забезпечує більш достовірну оцінку стану ізоляції електрообладнання та прийняття рішення про можливості подальшого його використання. А також, використання як узагальненої міри якості ізоляції добутку активної складової комплексного опору ізоляції на її температуру є більш інформативним параметром, який відображає зміни в ізоляції електрообладнання за фізико-хімічними складовими, що впливають як на зміну комплексного опору ізоляції так і на температуру. Разом з цим як норму стану ізоляції необхідно використовують добуток значення опору зразкової резистивної міри, що перебуває при номінальній температурі ізоляції електрообладнання, на її температуру, що забезпечує більш достовірну оцінку стану ізоляції електрообладнання та прийняття рішення про можливості подальшого його використання. 5 На креслені представлена функціональна схема оперативного випробування ізоляції робочого електрообладнання за запропонованим способом. В схемі наведені електрообладнання 1, яке знаходиться під напругою, заземлення електрообладнання 2, розподільний конденсатор 3, автоматичний перемикач 4, зразкова резистивна міра 5, високочастотний смуговий фільтр 6, генератор низької частоти 7, підсилювач високої частоти 8, квадратичний детектор 9, фільтр верхніх частот 10, підсилювач низької частоти 11, синхронний детектор 12, фільтр нижніх частот 13 і вольтметр 14. До потенціальної шини електрообладнання 1, відносно заземлення 2, підключається розподільний конденсатор 3 вихід якого підключений до першого входу автоматичного перемикача 4, а до другого входу підключена зразкова резистивна міра 5. Вихід автоматичного перемикача 4 з'єднаний з входом високочастотного смугового фільтра 6, вихід якого з'єднаний з входом підсилювача високої частоти 8, а вихід якого з'єднаний з входом квадратичного детектора 9, вихід якого з'єднаний з входом фільтра верхніх частот 10, вихід якого з'єднаний з входом підсилювача низької частоти 11, вихід якого з'єднаний з входом синхронного детектора 12, вихід якого з'єднаний з входом фільтра нижніх частот 13 до виходу якого підключений вольтметр 14. Керуючий вхід автоматичного перемикача 4 з'єднаний з керуючим входом синхронного детектора 12, які підключені до виходу генератора низької частоти 7. Спосіб діагностики ізоляції діючого електрообладнання здійснюється наступним чином. З потенціальної шини робочого електрообладнання 1 через розподільний конденсатор 3 відносно заземлення 2 знімають напругу електричних шумів, в тому числі і напругу теплових шумів, які виникають в ізоляції електрообладнання 1 внаслідок нагріву та наявності дисипативних втрат у діелектричному середовищі ізоляції. Відокремлення теплових шумів від інших шумів (низькочастотного флікершуму, дробового шуму і т.п.) здійснюється за допомогою високочастотного смугового фільтра 6. Згідно з формулою Найквіста середній квадрат напруги (дисперсія) теплових шумів: 2 (1) U1 = 4kTDf Re Z, де k - стала Больцмана; Т - термодинамічна температура ізоляції; ∆f - смуга частот, в якій виділяється тепловий шум; ReZ - активна складова комплексного опору Z ізоляції. Спектр теплових шумів досить широкий (від одиниць кГц до сотень МГц). В зв'язку з цим, високочастотна фільтрація забезпечує надійне відокремлення теплового шуму від інших електричних шумів. 30321 6 Еквівалентна електрична схема ізоляції електрообладнання є конденсатор з діелектричними втратами та провідниковими витіками. При паралельній схемі заміщення конденсатора з дисипативними втратами ідеальною ємністю С0 та опором R0 активна складова комплексного опору Z: R0 tgd = Re Z = , (2) 2 weC0 1 + tg2d 1 + (wR0C0 ) де ε - діелектрична проникність ізоляції; tgd - тангенс кута втрат; w - центральна колова частота виділяємої смуги частот теплових шумів. Із співвідношення (2) слідує, що активна складова комплексного опору ізоляції пропорційна тангенсу кута втрат і збільшується по мірі старіння ізоляції. При цьому згідно з (1) росте і дисперсія теплових шумів. З іншої сторони збільшення тангенсу кута втрат ізоляції призводить до росту розсіювання електричної потужності змінного струму, на якому працює електрообладнання 1, яке діагностується. Це явище додатково підвищує температуру ізоляції, що згідно (1) ще більше збільшує рівень теплового шуму. В зв'язку з цим, результуючий ріст теплового шуму відображає як погіршення діелектричних властивостей самої ізоляції, так і ріст температури ізоляції, викликаний підвищеними втратами в зношеній ізоляції. Таким чином, сумарний рівень теплового шуму повністю відображає рівень старіння та зношування ізоляції діючого електрообладнання. Узагальненою мірою старіння та зношування ізоляції можна прийняти добуток із рівняння (1) [ ] [ ( )] 2 U (3) . 4k Df Зразковою мірою стану ізоляції може бути така дисперсія теплового шуму, яка властива роботі цього ж електрообладнання з якісною ізоляцією. В якості фізичної зразкової міри можна використовувати високоомний резистор, який знаходиться при номінальній температурі ізоляції електроустановки, тобто добуток, який відповідає нормальній роботі електрообладнання: T Re Z = 2 U0 (4) T0R0 = , 4kDf де Т0 номінальна термодинамічна температура ізоляції електрообладнання; R0 - опір високоомного резистора зразкової міри; 2 U0 - дисперсія теплового шуму нормально діючого електрообладнання. Для порівняння теплового шуму діагностуємого електрообладнання з тепловим шумом зразкової міри використовується одноканальна вузькосмугова схема з автоматичним перемикачем 4, один вхід якого з'єднаний з конденсатором 3, а другий вхід з'єднаний з зразковою резистивною мірою 5, в якості якої обрано високоомний резистор. При верхньому положенні перемикача 4 через високочастотний смуговий фільтр 6 з смугою 7 30321 пропускання Δf на підсилювач високої частоти 8 поступає високочастотний тепловий шум діючого електрообладнання 1. Так як тепловий шум робочого електрообладнання 1 не корельований з власними шуми підсилювача високої частоти 8, то середньоквадратичне значення напруги підсиленого шуму становить: æ 2 2ö (5) U2 = K1K 2 ç U1 + U3 ÷, ç ÷ è ø де К1 - коефіцієнт передачі високочастотного смугового фільтра 6; K2 - коефіцієнт підсилення підсилювача високої частоти 8; 2 U3 - дисперсія власних шумів підсилювача високої частоти 8 в смузі його пропускання. В нижньому положенні автоматичного перемикача 4 підсилюється високочастотний тепловий шум зразкової резистивної міри 5 в той же смузі Δf смугового фільтра 6. Середньоквадратичне значення напруги шуму підсиленого підсилювачем високої частоти 8: æ 2 2ö (6) U4 = K1K 2 ç U0 + U3 ÷. ç ÷ è ø При безперервній роботі автоматичного перемикача 4, який перемикається прямокутною напругою генератора 7 низької частоти, на вхід квадратичного детектора 9 поступає змінна за амплітудою шумова напруга, яка складається з пакетів шумових напруг U2 та U4 . Ця напруга є модульованою за амплітудою високочастотною шумовою напругою з прямокутною огинаючою частотою перемикань. Якщо напруги U2 та U4 нерівні, то на виході квадратичного детектора 9 з'являється прямокутна напруга огинаючої низької частоти відповідної частоті генератора низької частоти 7. При цьому амплітуда низькочастотної напруги визначається напив різницею дисперсій порівнюваємих напруг (5) і (6): 2 2 U2 - U4 (7) , 2 де S1 - крутизна перетворення квадратичного детектора 9. Низькочастотна напруга U5 проходить через фільтр 10 верхніх частот, який подавляє низькочастотні шуми квадратичного детектора, та підсилюється підсилювачем 11 низької частоти перемикань. Підсилена напруга випрямляється синхронним детектором 12, який керується напругою низької частоти від генератора 7. Випрямлена напруга згладжується фільтром 13 нижніх частот та вимірюється вольтметром 14. Виміряну постійну напругу з урахуванням вказаних операцій можна представити в наступному вигляді: U5 = S1 2 2 U2 - U4 (8) , 2 де К3 - коефіцієнт передачі фільтра 10 верхніх частот; U6 = K 3K 4K 5S2S1 8 К4 - коефіцієнт підсилення підсилювача 11 низької частоти; К5 - коефіцієнт передачі фільтра 13 нижніх частот; S2 - крутизна перетворення синхронного детектора 12. 2 2 Підставивши в (8) вирази для U2 та U4 з (5) та (6), отримуємо: 2ö 1 2 2 æ 2 (9) K1K 2K 3K 4K 5S1S2 ç U1 - U0 ÷, 2 è ø Результат порівняння згідно з (9) не залежить U7 = 2 від рівня власних шумів U3 підсилювача 8 високих частот та зовнішніх завад. Підставив у вираз (9) значення дисперсій 2 2 шумів U1 та U0 з виразів (1) та (4) отримуємо вимірювальну постійну напругу в наступному вигляді: 2 U8 = 2kK1K 2K 3K 4K 5S1S2 Df (T Re Z - T0R0 ). (10) 2 Якщо представити добуток коефіцієнтів одноканальної схеми порівняння через результуючу крутизну перетворення 2 (11) S0 = 2kK1K 2K 3K 4K 5S1S2Df, 2 то результат порівняння буде мати вид: (12) U9 = S0 (T Re Z - T0R0 ). З отриманого вираження (12) виміряна постійна напруга пропорційна різниці між узагальненою мірою якості ізоляції електрообладнання, яке діагностуємо, та установленою нормою (T0R0). Якщо виміряна напруга U9 перевищує встановлене значення для електрообладнання, то робиться висновок о недоцільності експлуатації цього електрообладнання. Завдяки виключенню впливу власних шумів підсилювача високої частоти на результат порівняння стає можливим діагностика електрообладнання навіть з якісною ізоляцією, яка має низький рівень теплових шумів. Використання принципу одноканального вузько смугового порівняння теплових шумів електрообладнання, яке діагностуємо, і теплових шумів зразкової міри (норми) дозволяє виключити нестабільність нульового значення випробувальної схеми на результат порівняння. Дійсно, завдяки почерговому періодичному порівнянню двох напруг теплових шумів за допомогою одних і тих же перетворювальних ланцюгів зміни параметрів цих ланцюгів в однаковій мірі спотворюють обидві напруги. Таким чином, при рівності порівнювальних напруг зміна любого параметра одноканальної схеми порівняння (К1, К2, К3, К4, К5, S1, S2 або Δf) не викликає дрейфу нуля. В результаті можлива високоточна діагностика навіть при малих відхиленнях в параметрах ізоляції різноманітного електрообладнання відносно встановленої норми. Дослідження показали, що рівень високочастотного теплового шуму електричної ізоляції, який виділяється в смузі частот фільтра 9 Δf=100кГц на середній частоті f=5-10МГц, дуже малий і відповідає середньоквадратичним значенням шумових напруг 0,1-0,5мкВ. Це потребує великого коефіцієнта підсилення на високій частоті до 80-100дБ і до 50-60дБ на низькій частоті (частота огинаючої 0,5-1кГц). Крім того потрібен захист вхідного кола схеми порівняння від зовнішніх перешкод та завад. Однак, цього можемо досягти екрануванням, так як власні шуми підсилювачів та низькочастотні завади в запропонованому способі не впливають на результат вимірювання шумових напруг теплового характеру. При великих рівнях порівнюваних шумів зменшують коефіцієнт підсилення підсилювача високої частоти, завдяки послабленню в одноканальному тракті. Для досягнення малого значення порогу чутливості одноканальної схеми порівняння (менше 0,05%) частоту перемикання вибирають достатньо більшою (0,5-1кГц) при часі усереднення синхронно випрямленої напруги до 3-5с. Похибка вимірювання різницевої напруги, пропорційної відхиленню від норми, не перевищує ±2%, що прийнято для оцінки допустимих відхилень за узагальненим параметром TReZ. В якості зразкової міри використовується високоомні резистори 10МОм-1ГОм в залежності від типу ізоляції і рівня її теплового шуму. Високоомні резистори розміщені в термостаті з номінальною температурою електрообладнання і перемикаються в залежності від типу ізоляції. 30321 10