Содержание к диссертации
Введение
1 Методы и устройства контроля и измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов и их классификация 15
1.1 Общая характеристика электроэнергетических объектов 15
1.2 Характеристика параметров электроэнергетических объектов 19
1.3 Обзор и анализ методов и устройств измерения сопротивления изоляции ЭО
1.3.1 Методы и устройства измерения сопротивления изоляции без учёта токов абсорбции 26
1.3.2 Методы с использованием дополнительных источников напряжения без учёта токов абсорбции
1.4 Методы и устройства, основанные на аппроксимации токов абсорбции.. 42
1.5 Методы и устройства, основанные на анализе формы тока абсорбции 47
1.6 Классификация методов и устройств измерения сопротивления изоляции ЭО 54
1.7 Постановка задачи исследования 55
1.8 Выводы по главе 1 56
2 Разработка и теоретический анализ ббістродеиствующих методов и устройств контроля и измерения параметров ЭО без учёта токов абсорбции 57
2.1 Быстродействующий метод контроля и измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов постоянного тока 57
2.2 Быстродействующий адаптивный метод контроля и измерения параметров электроэнергетических объектов 68
2.3 Повышение помехозащищенности адаптивного метода 80
2.4 Выводы по главе 2 83
3 Разработка и теоретический анализ ббістродействующих методов и устройств контроля и измерения параметров ЭОС учётом токов абсорбции 85
3.1 Влияние тока абсорбции на процесс измерения сопротивления изоляции 85
3.2 Исследование зависимости тока абсорбции от значения емкости изоляции
3.3 Интеллектуализация измерения сопротивления изоляции с учетом токов абсорбции 97
3.4 Анализ метода ускоренного измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов 103
3.5 Проверка адекватности моделей токов абсорбции 107
3.6 Быстродействующий метод измерения сопротивления изоляции ЭО 119
3.7 Выводы по главе 3 125
4 Методика выбора метода измерения и реализация методов измерения сопротивления изоляции 126
4.1 Методика выбора метода измерения сопротивления изоляции 126
4.2 Универсальное устройство измерения сопротивления изоляции 130
4.3 Алгоритм работы микроконтроллера универсального устройства 139
4.4 Адаптивное устройство измерения сопротивления изоляции с функцией определения ёмкости
4.5 Устройство измерения сопротивления изоляции электрических сетей постоянного тока без учета тока абсорбции 155
4.6 Устройство измерения сопротивления изоляции электрических объектов переменного тока 159
4.7 Устройство измерения сопротивления изоляции электрических сетей с учетом токов абсорбции без экстраполяции 165
4.8 Выводы по главе 4 168
Заключение 170
Список литературы 173
- Обзор и анализ методов и устройств измерения сопротивления изоляции ЭО
- Быстродействующий адаптивный метод контроля и измерения параметров электроэнергетических объектов
- Исследование зависимости тока абсорбции от значения емкости изоляции
- Адаптивное устройство измерения сопротивления изоляции с функцией определения ёмкости
Обзор и анализ методов и устройств измерения сопротивления изоляции ЭО
Рассмотрим эквивалентную схему замещения изоляции проводника относительно корпуса ЭО на рисунке 1.6. При приложении к проводнику напряжения U через него будет протекать ток: ток заряда (ток мгновенной поляризации), 12 - ток абсорбции и /ск - ток утечки (ток сквозной проводимости). Наличие геометрической ёмкости С\ и абсорбционной ёмкости (ёмкости медленной поляризации) С2 объясняет способность изоляции накапливать электрические заряды.
Геометрическая ёмкость С\, через которую протекает ток мгновенной поляризации 1\, характеризует продолжительность броска тока при приложении к изоляции постоянного напряжения. Если к изоляции приложено переменное напряжение, то её наличие объясняется возникновением ёмкостного тока. Величина геометрической ёмкости определяется геометрическими размерами изоляции и расположением изоляции как диэлектрика между проводящими элементами. Отметим, что данная схема является упрощенной эквивалентной схемой ЭО, причем С\ в этом случае равна сумме геометрической емкости изоляции и эквивалентной емкости ЭО.
Сопротивление Rj в эквивалентной схеме замещения изоляции проводника относительно корпуса ЭО определяет значение сопротивления изоляции и силу тока сквозной проводимости (тока утечки) /Ск Цепь, образуемая абсорбционная ёмкостью С2 и сопротивлением R2, характеризует явление абсорбции (поглощению) электрической энергии в диэлектрике. Значение сопротивления R2 зависит от степени однородности изоляции - чем меньше в ней расслоений и пустот, тем больше R2. Ток, протекающий через эту цепь, называется током абсорбции /2, который возникает в момент приложения к сети постоянного напряжения из-за перераспределения зарядов между внутренними неоднородными слоями изоляции, и затем уменьшается во времени ( рисунок 1.7). Время окончания тока абсорбции зависит от величины постоянной времени заряда абсорбционной ёмкости т, равной:
Поэтому при высокой степени однородности изоляции и большом значении абсорбционной ёмкости С2 время затухания тока абсорбции увеличивается и, следовательно, в течение достаточно долгого времени ток /2 соизмерим с током утечки /ск.
Контролировать состояние ЭО можно по ряду параметров: С((о) -зависимость ёмкости от частоты, по которой можно судить о степени увлажнённости изоляции; Ка - коэффициент абсорбции; Кр - коэффициент диэлектрического разряда; Е - электрическая прочность изоляции; Ки -коэффициент поляризации (индекс поляризации); UB03B - возвратное напряжение; ищзр - напряжение саморазряда; tg д - тангенс угла диэлектрических потерь; Яш - эквивалентное сопротивление изоляции относительно земли; Сэ - ёмкость сети относительно земли. Так, используя зависимость ёмкости изоляции от частоты можно судить о степени увлажнённости изоляции: где Сі - геометрическая ёмкость, Сг - абсорбционная ёмкость, ю - частота приложенного напряжения.
Коэффициент абсорбции также характеризует увлажнённость изоляции и определяется отношением значений сопротивлений изоляции, измеренных через 15 и 60 секунд после приложения напряжения:
Согласно действующим правилам коэффициент абсорбции для неувлажненной изоляции должен быть не менее чем 1.3 (при температуре 10-20 С). Для увлажненной изоляции коэффициент абсорбции близок к единице [3].
Коэффициент диэлектрического разряда характеризует эффект остаточной поляризации и вычисляется следующим образом: где U- поляризующее напряжение. /бо ток деполяризации, измеренный через 60 секунд после снятия поляризующего напряжения. Сэ - эквивалентная ёмкость сети. Электрическая прочность изоляции Е характеризует способность изоляции сохранять свои свойства при приложении к ней напряжения, превышающего номинальное напряжение. Коэффициент поляризации (индекс поляризации) Ки показывает способность заряженных частиц перемещаться в диэлектрике под воздействием электрического поля, что определяет степень старения изоляции. Коэффициент поляризации определяется как отношение десятиминутного значения сопротивления изоляции к его одноминутному значению:
Изменение значения возвратного напряжения используется для диагностики изоляции и оценки степени ее старения, т.е. определяет остаточный ресурс изоляции. Напряжение саморазряда позволяет рассчитать коэффициент абсорбции и постоянную времени заряда изоляции, которые в зависимости от степени старения изоляции существенно различаются.
Тангенс угла диэлектрических потерь является важной характеристикой технического состояния изоляции, его величина определяет мощность диэлектрических потерь и температурный режим. Формула для определения тангенса угла диэлектрических потерь выглядит следующим образом: где /а и /р - активная и реактивная составляющие тока. Ухудшение состояния изоляции характеризуется ростом значения tg 5, по величине которого можно судить о её увлажнении и загрязнённости.
Эквивалентное сопротивление изоляции является основным параметром для контроля состояния ЭО. Этот параметр зависит от количества источников и приёмников энергии, входящих в объект, и их сопротивления изоляции. Так как обычно все сопротивления включаются параллельно, то эквивалентное сопротивление изоляции вычисляется по формуле: из где п - количество источников и приёмников энергии, a Rmi - сопротивление изоляции источника или приёмника энергии.
Ёмкость сети относительно земли является распределённой величиной, однако при анализе состояния объекта её заменяют эквивалентной ёмкостью складывающейся из ёмкости токоведущих элементов относительно корпуса -электрических проводников, обмоток электрических машин, трансформаторов, реле и т.п. и ёмкостью фильтров защиты электрооборудования от помех. Так, применение помехоподавляющих конденсаторов может существенно увеличить суммарную ёмкость сети (ёмкость каждого из фильтров может принимать значения от 0.047-10 мкФ) и, соответственно, ухудшить изоляционные параметры, понизив эквивалентное сопротивление изоляции, при исправном техническом состоянии ЭО. При значительном увеличении эквивалентной ёмкости ЭО (100 мкФ и более) значение сопротивления изоляции, измеренное существующими в настоящее время устройствами, имеет большую погрешность. Это обусловлено влиянием токов абсорбции.
В связи с этим встаёт вопрос учёта такого параметра, как ток абсорбции. Указанный ток достаточно сильно проявляются при диагностике ЭО большой мощности - электрических сетей кораблей, метрополитена, шахт; генераторов, электродвигателей, силовых и распределительных трансформаторов и т.п. Переходный процесс спадания абсорбционного тока длится достаточно долго. Так, при приложении напряжения к изоляции мощных генераторов длительность процесса может составлять один час и более, поэтому, чтобы измерить сопротивление изоляции с достаточной точностью необходимо увеличить время измерения.
Быстродействующий адаптивный метод контроля и измерения параметров электроэнергетических объектов
В [36] предложен метод измерения сопротивления изоляции электроэнергетических объектов (ЭО), основанный на наложении на контролируемую сеть измерительного напряжения чередующейся полярности. Метод заключается в том, что к измерительной точке, в качестве которой может быть использован один из зажимов, либо средняя точка делителя напряжения, подключенного к зажимам контролируемого ЭО, через ограничительное сопротивление R0Tp подключается регулярно-коммутируемый вспомогательный источник постоянного напряжения. После каждой коммутации через промежуток времени, достаточный для перезаряда конденсаторов ЭО, проводят измерение напряжения в измерительной точке относительно земли Un( и тока іуст\через ограничительное сопротивление), а затем производят следующую коммутацию. Измеряют установившиеся значения тока /уст2 и напряжения Un- Сопротивление изоляции і?из вычисляется по формуле:
После каждой коммутации источника измерительного напряжения измеряемые величины - ток и напряжение изменяются во времени по экспоненциальному закону и достигают установившегося значения за относительно длительное время ґуст (10..15)т, где т - постоянная времени переходного процесса. В [26] предложено для повышения быстродействия метода вычислять установившиеся значения токов и напряжений не дожидаясь окончания переходного процесса, а производя экстраполяцию экспоненциальной функции по трем ее значениям, измеренным через равные промежутки времени. БПН- блок подключения измерительного напряжения с сопротивлениями подключения Ru R2; Предлагаемый метод позволяет либо обеспечить меньшую погрешность измерения за то же время, что и предыдущий, либо получить меньшее время измерения при одинаковой погрешности. Производят воздействие на контролируемый ЭО измерительного постоянного напряжения чередующейся полярности. Цикл измерения состоит из двух этапов - воздействие положительного напряжения и воздействие отрицательного напряжения.
Как на первом, так и на втором этапах в ЭО происходит переходный процесс, во время которого емкости ЭО заряжаются под воздействием источника измерительного напряжения. Напряжение Uy в измерительной точке, а также ток /уст1 изменяются по экспоненциальному закону. На каждом из этапов трижды производятся измерения значений тока и напряжения в определенные моменты времени и вычисляются установившиеся значения тока /усті, /уст2 и напряжения UJXJJYI-Сопротивление изоляции і?из вычисляется по формуле (2.1). На рисунке 2.2 приведена временная диаграмма тока. і(0 і
Временная диаграмма тока Рассмотрим определение установившихся значений на примере измерения тока для случаев, когда измерения произведены в моменты времени t\, t2, Ц, причём t\ = О, тогда, t2 = At и t3 =(n + \)At и получены соответствующие значения тока іх,і2,ц (на рисунке 2.3). На данном рисунке приведен один этап измерительного процесса.
Искомая величина /уст вычисляется с помощью функции трех аргументов, поэтому оценку погрешности следует делать по методикам, применимым для косвенных измерений, изложенным в [49,50]. Погрешность результата определяется с помощью частных производных функции по переменным:
Однако вероятность получить при измерениях максимальное значение погрешности очень мала. Теория показывает, что наиболее вероятная оценка абсолютной погрешности при косвенных измерениях определяется выражением: произведем, используя ППП Mathcadl4. Аналогичным образом получим выражения для установившегося значения тока /уст и методическую погрешность установившегося значения А/уст в зависимости от погрешности измерения А/ токов ц, i2, /3 и общего времени измерения этапа t3 для п = 0.5 ии=1. При п = 0.5 получаем:
Проведенный анализ показывает, что увеличение п ведет либо к уменьшению погрешности при одинаковом времени измерения, либо ведет к уменьшению времени измерения при одинаковой погрешности. Используя полученные зависимости, расширим полученные результаты, построив зависимости относительной погрешности —-— от отношения интервалов А/ времени измерения тока п = при фиксированном значении
Исследование зависимости тока абсорбции от значения емкости изоляции
Существующие ЭО имеют существенно-различающиеся параметры, в частности, емкости таких ЭО могут отличаться в несколько раз. Для того, чтобы достоверно измерять сопротивление изоляции таких ЭО, применяемые устройства измерения должны быть рассчитаны на максимальную ёмкость, которая может присутствовать в контролируемой сети. Кроме тог, в целом ряде ЭО в процессе работы их емкость может изменяться в несколько раз за счет подключения или отключения тех или иных потребителей.
Для того чтобы разработанное устройство измерения сопротивления изоляции могло работать как с большими, так и с малыми емкостями, необходимо установить жесткий интервал времени, в течение которого происходит ожидание окончания переходного процесса. Этот интервал должен быть рассчитан на максимальную ёмкость, которая может присутствовать в контролируемой сети. Таким образом, в случае если контролируемая сеть имеет самую большую емкость, время измерения и точность близкие к оптимальным. Но при малой емкости устройство работает неоправданно медленно, то есть время измерения слишком большое.
Таким образом, существующие устройства имеют недостаток, который заключается в том, что при малых емкостях сети время измерения слишком большое. Отсюда следуют ограниченные функциональные возможности, если в сети может присутствовать как малая, так и большая емкость.
К контролируемой сети подключают источник регулируемого постоянного тока, производят заряд емкости сети до наперед заданного значения, затем уменьшают значение тока до такой величины, чтобы среднее значение напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети оставалось постоянным, запоминают эти значения тока и напряжения, затем повторяют эти операции с изменением направления тока источника регулируемого постоянного тока, запоминают новые значения тока и среднего напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети и обрабатывают результаты измерений по формуле, вычисляя величину сопротивления изоляции сети.
Однако у данного способа есть недостатки. В процессе заряда емкостей сети измерительным напряжением неизбежно возникают переходные процессы. Можно выделить два переходных процесса, которые происходят при заряде. Первый процесс это заряд емкостей током неизменной величины до наперед заданного значения напряжения. При этом напряжение растет по линейному (почти линейному) закону.
Как следует из описания способа, окончание этого переходного процесса происходит, как только напряжение достигнет заданного значения. Второй переходный процесс это снижение тока до такой величины, чтобы среднее значение напряжения в точке подсоединения к контролируемой сети оставалось постоянным. В описании способа нет сведений о том, как именно это реализовать. Как бы то ни было, этот переходный процесс можно считать экспоненциальным переходным процессом, с постоянной времени, зависящей от эквивалентной (суммарной) ёмкости контролируемой сети и от эквивалентного сопротивления, которое в основном определяется выходным сопротивлением источника, создающего измерительное напряжение. Как показывает практика, в большинстве случаев второй переходный процесс во много раз превышает по времени первый переходный процесс. Например, при заряде ёмкости 100 мкФ током 25 мА до значения 50 В требуется время 0,2 с, а на реализацию второго переходного процесса в реальных устройствах, разработанных авторами, тратится время от единиц до десятков секунд. Для того чтобы разработанное устройство, реализующее данный способ, могло работать как с большими, так и с малыми емкостями, необходимо установить жесткий интервал времени, в течение которого происходит ожидание окончания переходного процесса. Этот интервал должен быть рассчитан на максимальную ёмкость, которая может присутствовать в контролируемой сети.
Таким образом, способ имеет недостаток, который заключается в том, что при малых емкостях сети время измерения слишком большое. Отсюда следуют ограниченные функциональные возможности, если в сети может присутствовать как малая, так и большая емкость способ прототип использовать нецелесообразно. Наиболее близким по технической сущности к рассмотренному способу является устройство измерения сопротивления изоляции электрических сетей [53], содержащее блок управления, первый блок управляемого тока, блок подсоединения, регулируемый источник напряжения, блок фильтрации, второй блок управляемого тока, блок измерения тока и выходное устройство. Причем выходы блока управления подключены к входам блоков управляемых токов, а блоки управляемых токов включены между выходами блока подсоединения и блоком измерения тока, блок присоединения подключен к контролируемой сети, выход регулируемого источника напряжения подключен к одному входу блока управления, а ко второму входу блока управления подключен выход блока фильтрации, вход которого подключен к средней точке блока подсоединения, а выходы блока фильтрации и блока измерения тока подключены к входам выходного устройства. На рисунке 2.7 приведена схема устройства.
Адаптивное устройство измерения сопротивления изоляции с функцией определения ёмкости
При отсутствии необходимости учета токов абсорбции применяют методы без использования дополнительных источников напряжения и методы с использованием дополнительных источников напряжения. Первая группа методов используется в устройствах измерения сопротивления изоляции, осуществляющих контроль электроэнергетических объектов, находящихся под рабочим напряжением. В случае, если необходимо выполнять измерение сопротивления изоляции электроэнергетических объектов, как обесточенных от сети, так и находящихся под рабочим напряжением, то применяют методы с использованием дополнительных источников напряжения [1, 7-25]. В соответствии с [33] методы этих двух групп можно разделить на «обычные» [1, 7-17] и «ускоренные» [1,18-28]. «Обычные» методы применяются в том случае, если время измерения сопротивления изоляции не регламентируется. Если необходимо за короткое время получить информацию о значении сопротивления изоляции, то применяют «ускоренные» методы. Так, в качестве «ускоренных» методов можно предложить быстродействующие методы, описанные в разделах 2.1 и 2.2. Быстродействующий метод измерения параметров ЭО, приведенный в разделе 2.1, позволяет вычислять сопротивление изоляции и эквивалентную емкость электроэнергетических объектов за время, соизмеримое с постоянной времени переходного процесса. В разделе 2.2 описан быстродействующий адаптивный метод контроля параметров ЭО, в котором в начале измерительного цикла осуществляется вычисление емкости сети относительно земли, а затем в зависимости от значения емкости осуществляется настройка параметров измерительного процесса, после чего выполняется измерение сопротивления изоляции.
Если необходимо учитывать ток абсорбции, то в соответствии с классификацией методов и устройств измерения сопротивления изоляции ЭО, приведенной в разделе 1.6, можно применить методы, основанные на аппроксимации токов абсорбции, либо на анализе формы тока абсорбции.
Причем, при применении методов с учетом формы тока абсорбции [37-42] время, в течение которого выполняется оценка технического состояния изоляции, достаточно велико, и для выполнения оценки состояния требуется большое количество данных о контроле реального электрооборудования, эксплуатируемого довольно длительное время, что не всегда бывает неприемлемо. Поэтому, если в техническом задании длительность измерительного цикла ограниченна, то необходимо применять методы на основе аппроксимации токов абсорбции степенной [33, 34,35], либо экспоненциальной [29-32] функциями. Кроме того, для ускоренного измерения сопротивления изоляции можно применить быстродействующий метод, использующий экстраполяцию тока абсорбции степенной функцией, приведенный в разделе 3.5. Применение указанного метода позволяет не дожидаясь окончания протекания тока абсорбции получить значение сопротивления изоляции контролируемого ЭО.
Таким образом, используя предлагаемую методику выбора метода измерения сопротивления изоляции ЭО, на основе требований, выдвигаемых заказчиком, можно осуществить выбор конкретного метода для проектируемого устройства измерения сопротивления изоляции.
Современные электроэнергетические системы становятся всё более сложными и разветвлёнными. Во многих случаях используются электрические сети с изолированной нейтралью. Такие сети обладают большей электробезопасностью, чем сети с заземлённой нейтралью, но при условии, что они находятся в исправном состоянии. Поэтому эксплуатация сетей с изолированной нейтралью допустима только при наличии непрерывного контроля сопротивления изоляции.
К устройствам контроля сопротивления изоляции предъявляются многочисленные требования. При контроле сетей переменного тока важным требованием является способность устройства подавлять помеху переменного тока частотой сетевого напряжения. При контроле сетей постоянного тока важным является способность подавлять постоянную составляющую. Существуют сети двойного рода тока, при этом необходимо решать обе проблемы. Одна из больших проблем, возникающих при измерении сопротивления изоляции, это наличие большой ёмкости контролируемого объекта относительно земли.
Нами предложено универсальное устройство измерения сопротивления изоляции электрических сетей любого рода тока, реализующее рассмотренные в разделах 2.1, 2.1, 3.6 методы. Работа устройства заключается в следующем. К контролируемой сети прикладывают напряжение относительно земли чередующейся полярности, то есть производят два полуцикла измерений. Сначала прикладывают положительное напряжение, причем в процессе создания напряжения сначала осуществляется заряд емкостей сети током неизменной величины до определенного значения, а затем воздействующий узел схемы происходит переход в режим источника напряжения [28]. Производится измерение созданного таким способом напряжения U\. Затем, в зависимости от значения и типа емкости сети, производится или ожидание окончания переходного процесса тока, или вычисление оценки (прогноза) установившегося значения тока /усТ1. На этом первый полуцикл заканчивается. Затем прикладывают отрицательное измерительное напряжение и, аналогично, измеряется напряжение U2 и определяется ток /уст2. Затем сопротивление изоляции вычисляется по формуле (2.1):