Janusz T O K A R S K I, B runon SZ A D K O W SK I, R yszard B O G A C Z Instytut M etrologii i A utom atyki E lektrotechnicznej
Politechniki Śląskiej
M IERNIK N A PIĘ C IA PO W R O T N E G O
S treszczen ie. W artykule przedstaw iono o ryginalną konstrukcję m iernika napięcia pow rotnego, charak tery zu jącą się przede w szystkim sk u teczn ą k o m p en sacją uplyw ności izolacyjnych o raz zastosow aniem m ikroprocesorow ego sterow ania pom iaram i i cyfrow ej rejestracji w yników pom iarow ych.
RECOVERY VOLTAGE METER
S um m ary. T he p aper presents a n ew construction o f a recovery voltage m eter w hich ensures the exceptionally effective com pensation o f insulation leakage conductances. A m icroprocessor used in the m eter controls m easurem ents. The m easu rem en t results are digitally recorded.
1. W P R O W A D Z E N IE
Pom iary n apięć pow rotnych stosow ane s ą w diagnostyce u kładów izolacyjnych trans
form atorów i m aszyn elektrycznych [2, 3, 7, 8], przy czym w łaściw ości diagnostyczne takich pom iarów nie są je s z c z e całkow icie poznane [7, 9, 10], a oferta rynkow a odpow iednich przy
rządów pom iaro w y ch je s t bardzo skrom na i nieatrakcyjna cenow o. N ieznane je s z c z e m ożli
w ości m etody pom iarow ej oraz niew ystarczająca baza sprzętow a s ą pow odem dużego zainte
resow ania pom iaram i napięć pow rotnych różnych ośrodków badaw czych, służb zajm ujących się diag n o sty k ą izolacji oraz konstruktorów przyrządów pom iarow ych.
Proces p om iaru napięcia pow rotnego składa się z trzech faz. D w ie pierw sze fazy stanow ią przygotow anie do pom iaru, w arunkujące w ystąpienie napięcia pow rotnego, natom iast trzecia faza - to w łaściw y pom iar [1, 3, 5, 8, 9, 10]. Przebieg poszczególnych faz je s t następujący (rys. la):
I - ładow anie badanej próbki izolacji napięciem stałym U | (o w artości setek w oltów lub w yż
szym ), przez ściśle określony czas ładow ania t|,
84 J. Tokarski, B. Szadkowski., R. Bogacz
II - rozładow yw anie próbki w czasie tr (w najprostszym przypadku je s t to zw arcie elektrod badanej próbki), rów nież przez ściśle określony czas rozładow ania tr,
III - pom iar (rejestracja) napięcia pow rotnego U p (na rozw artych zaciskach badanej próbki), trw ający na tyle długo, aby m ożliw e było zaobserw ow anie m aksim um tego napięcia.
T y p o w ą charakterystykę napięcia pow rotnego U p przedstaw iono na ry s .Ib [1, 6, 8, 10].
a ) b ) jup
R y s .l. S chem at procesu pom iaru napięcia pow rotnego: (a) - schem at ideow y układu do po
m iaru napięcia pow rotnego U p, (b) - typow a charakterystyka napięcia pow rotnego w funkcji czasu t
Fig. 1. D iagram o f the recorvery voltage m easuring process: (a) - schem atic diagram o f the circuit for recovery voltage Up m easurem ent, (b) - typical w aveform o f the recovery voltage
N apięcie pow rotne początkow o narasta, następnie osiąga m aksim um i w końcu m aleje do zera. N ajbardziej interesujące z punktu w idzenia diagnostyki izolacji param etry to: m ak
sym alna w artość napięcia pow rotnego U pmax, czas osiągnięcia m aksim um tpmax oraz począt
kow a szybkość narastania napięcia pow rotnego dU p/dt (dla t = 0). N a ogół w ym aga się prze
p row adzenia całej serii pom iarów napięcia pow rotnego dla czasów ładow ania ą zm ieniają
cych się w granicach od kilkudziesięciu m ilisekund do kilku tysięcy sekund [1, 2, 3, 6, 7, 8], W celu przeprow adzenia takiej serii pom iarów w rozsądnych granicach czasow ych, przyjm uje się w ykładniczy w zrost czasu t| w każdym kolejnym pom iarze. Z biór w yników z całej serii pom iarów pozw ala w yznaczyć m iędzy innym i tzw. w idm o polaryzacji układu izolacji, zaw ie
rające inform acje o stanie i jakości izolacji [8, 9].
Popraw ny p o m iar napięcia pow rotnego musi odbyw ać się w układzie całkow icie izolo
w anym , bez ucieczki prądu na zew nątrz badanego układu izolacji. K lasyczny układ pom iaro
wy (ry s .la ) [1, 3, 5, 6], zaw ierający źródło napięcia U|, przełącznik oraz elem ent pomiarowy, stw arza bardzo duże trudności konstrukcyjne, polegające przede w szystkim na konieczności
zapew nienia, aby p rąd upływ u był na poziom ie w ielokrotnie niższym n iż w łasny prąd badanej izolacji. W ym agało to stosow ania trudno dostępnych i bardzo drogich, w ysoko-napięciow ych elem entów elektronicznych.
W pracy [10] zaproponow ano n o w ą koncepcję układu do pom iaru napięcia pow rotnego, w którym uzyskano sk u teczn ą kom pensację prądów upływ u. D ziałanie odpow iedniego ob
wodu kom pensacyjnego po leg a n a doprow adzeniu do w ysokonapięciow ej elektrody badanej próbki izolacji dodatkow ego prądu, kom pensującego w szystkie prądy upływ u (zarów no od strony źródła zasilania, ja k i przełączników oraz elem entu pom iarow ego). Zastosow anie w zm acniacza operacyjnego z zam k n iętą p ę tlą ujem nego sprzężenia zw rotnego zapew nia cał
kowicie autom atyczne działanie kom pensacji.
Ideę now ego rozw iązania układu pom iarow ego (kom pensacji p rąd ó w upływ u) przed
stawiono na rys.2 .
Rys.2. K oncepcja kom pensow ania prądów upływ u w ysokopotencjałow ej elektrody badanej próbki izolacji: a) - układ b ez kom pensacji , b) - układ z kom pensacją. (Iu - sum a p rądów upływ u, Ip - prąd polaryzujący w ejście w zm acniacza, I0 - prąd w yjściow y w zm acniacza, W1 - niskonapięciow y w zm acniacz o ekstrem alnie m ałym prądzie po
laryzacji, W2 - w ysokonapięciow y stopień w yjściow y w zm acniacza)
Fig.2. Idea o f com pensating leakage currents o f the high-voltage electrode o f the tested sam ple: a) - the circuit w ithout com pensation, b) - the circuit w ith com pensation. (Iu -th e sum o f leakage curents, Ip - t h e current polarizing the am plifier input, I0 -th e am plifier o u tp u t current, W1 - t h e low -voltage am plifier w ith extrem ally sm all polarization cu
rent, W2 - th e high-voltage output stage o f the am plifier)
P rzy k ład o w ą realizację poszczególnych faz pom iaru napięcia pow rotnego z uw zględnieniem koncepcji podanej na rys.2 przedstaw iono na rys.3. Ł adow anie i rozłado
wanie odbyw a się w układzie z o tw artą p ę tlą sprzężenia zw rotnego, przy czym ładow anie odbyw a się p rzez w ym uszenie na w ysokonapięciow ym w yjściu w zm acniacza m aksym alnej w artości napięcia, uzyskanej w w yniku przesterow ania niew ielkim napięciem ujem nym (- 10 m V ). N atom iast rozładow anie odbyw a się przez w ym uszenie na w yjściu w zm acniacza
86 J. Tokarski, B. Szadkow ski., R. B ogacz
m inim alnej w artości napięcia (równej potencjałow i m asy), uzyskanej w w yniku przesterow a- n ia niew ielkim napięciem dodatnim (10 mV). W fazie trzeciej następuje w łączenie badanej próbki izolacji w obw ód ujem nego sprzężenia zw rotnego w zm acniacza operacyjnego poprzez rozw arcie w yłącznika łączącego próbkę z m asą. W ów czas następuje skom pensow anie w szystkich p rąd ó w upływ u poszczególnych elem entów przyłączonych do w ysokopotencja- łowej elektrody badanej próbki izolacji.
R ys.3. Fazy pom iaru napięcia pow rotnego: (a) ładow anie, (b) rozładow anie, (c) pom iar Fig.3. Stages o f recovery voltage m easurem ent: (a) charging, (b) discharging, (c) m easure
m ent
2. O PIS K O N STR U K C JI M IER N IK A
O p isan ą w p .l (oraz w pracy [10]) koncepcję rozw iązania układu pom iarow ego w yko
rzystano w now o opracow anej, cyfrow ej konstrukcji m iernika napięcia pow rotnego. O dpo
w iedni schem at blokow y w ykonanego m iernika przedstaw iono na rys.4.
W celu um ożliw ienia realizacji szerszego zakresu badań, zdecydow ano się nadać m ier
nikow i cechy rejestratora, um ożliw iającego oprócz pam iętania najw ażniejszych w yników pom iarow ych, rów nież pełną, cy fro w ą rejestrację w ybranych charakterystyk czasow ych na
pięcia pow rotnego. O pcja ta zdeterm inow ała strukturę m ikroprocesorow ej części sterującej m iernika, zaw ierającej odpow iednio d u ż ą pojem ność pam ięci danych, zegar czasu rzeczyw i
stego (um ożliw iający lokalizację przeprow adzonej rejestracji w czasie) oraz układ buforow e
go zasilania - podtrzym ujący zaw artość pam ięci i pracę zegara po w yłączeniu zasilania.
Podstaw ow ym elem entem części sterującej m iernika je s t m ikrokontroler typu 80C32, należący do intelow skiej rodziny M C S 5 1. Program m ikrokontrolera um ieszczono w pam ięci trwałej E P R O M o pojem ności 32 kB. D o przechow yw ania w spółczynników korekcyjnych, stałych param etrów i ew entualnych popraw ek w ykorzystano reprogram ow alną pam ięć trw ałą
EEPROM o niew ielkiej pojem ności rów nej 256 B. Pam ięć danych o pojem ności przekracza
jącej objętość przestrzeni adresow ej m ikrokontrolera podzielono z konieczności na cztery przełączalne banki po 32 kB każdy. Pam ięć ta m oże pom ieścić ponad 50 tysięcy pojedyn
czych w yników pom iarow ych, pogrupow anych w serie zaopatrzone w dodatkow e inform acje, zawierające nastaw ione dla danej serii w artości param etrów , datę i czas jej przeprow adzenia oraz ew entualny kom entarz. D atę i czas odm ierza kw arcow y zegar czasu rzeczyw istego typu R TC72421A , połączony bezpośrednio z m ag istralą m ikrokontrolera. Pracę zegara po w yłą
czeniu zasilan ia podtrzym uje akum ulatorow y układ zasilania buforow ego, um ożliw iający również długoczasow e podtrzym anie zaw artości pam ięci danych. U kład zarządzający blokuje dostęp do zegara i pam ięci danych w czasie w łączania i w yłączania zasilania głów nego, chro
niąc je przed p rzy p ad k o w ą z m ia n ą zaw artości, w w arunkach silnego zakłócenia tow arzyszą
cego w łączaniu i w yłączaniu.
W yniki p rzeprow adzonych pom iarów (rejestracji) m o g ą być odczytane za pom ocą kom putera, po uprzednim przesłaniu ich łączem szeregow ym R S232C . Do utw orzenia inter
fejsu szeregow ego w m ierniku w ykorzystano port szeregow y m ikrokontrolera, oddzielony od zew nętrznych linii sygnałow ych buforem z optoizolacją, zapew niającą bezpieczne połączenie z kom puterem w każdych w arunkach.
B U F O R Ł Ą C Z A S Z E R E G O W E G O R S -2 3 2
M IK R O K O N T R O L E R
8 0 C 3 2 :
P A M IĘ Ć P R O G R A M U (3 2 k B )
P A M I Ę Ć D A N Y C H (1 2 8 k B )
M
R E P R O G R A M O W A L N A P A M IĘ Ć E E P R O M
W
Z E G A R C Z A S U R Z E C Z Y W IS T E G O
M
T V
U K Ł A D Z A R Z Ą D Z A J Ą C Y
T --- Z A S IL A N IE B U F O R O W E
M W M W
W Y Ś W IE T L A C Z L C D I K L A W IA T U R A
P R Z E T W O R N IK C /A (1 2 -B IT O W Y )
P R Z E T W O R N IK A /C (1 2 -B IT O W Y )
B U F O R S Y G N A Ł Ó W S T E R U J Ą C Y C H
\ L A D
/ _ \ R O Z
/ \ PO M
/ U K Ł A D P OP
1
n iA R O W Y
P R O G R A M O W A N Y S T A B IL IZ A T O R N A P .
P R Z E T W O R N IC A N A P IĘ C IA (1 2 V /lk V )
Rys.4. S chem at blokow y m iernika napięcia pow rotnego Fig.4. B lock diagram o f the recovery voltage m eter
88 J. Tokarski, B. Szadkow ski., R. Bogacz
U kład kom unikacji przyrządu z operatorem zaw iera cztery klaw isze funkcyjne oraz al
fanum eryczny w yśw ietlacz LCD z podśw ietlaniem ekranu. W yśw ietlacz um ożliw ia w yśw ie
tlenie dw óch w ierszy po 16 znaków alfanum erycznych. G órny w iersz w yśw ietla zaw sze in
form ację o stanie m iernika lub aktualnie w ybranej opcji. N atom iast dolny w iersz um ożliw ia zm ianę opcji, nastaw ę w artości param etrów pom iaru, odczyt w yników itd. C ztery klaw isze o funkcjach: akceptacja, rezygnacja, zw iększanie lub przeglądanie w przód oraz zm niejszanie lub przeglądanie w stecz, um ożliw iają ustaw ienie w szystkich param etrów i trybów pracy przy
rządu. T ow arzyszące ustaw ianiu inform acje na w yśw ietlaczu sp ra w ia ją że czynność ta jest bardzo prosta i nie w ym aga specjalnego przygotow ania.
O gniw em pośredniczącym pom iędzy m ikroprocesorow ą częścią sterującą a układem pom iarow ym s ą dw a 12-bitow e przetw orniki: analogow o-cyfrow y typu M A X 187 [12] oraz cyfrow o-analogow y typu M A X 538 [13]. Szybki, kom pensacyjny przetw ornik a/c w raz z układem śledząco-pam iętającym i rezystancyjnym , pom iarow ym dzielnikiem napięcia, za
pew nia praw idłow e przetw orzenie w artości m ierzonego napięcia pow rotnego na postać cy
frow ą. P rzetw ornik c/a, poprzez generację napięcia referencyjnego d la stabilizatora w ysokie
go napięcia, zapew nia nastaw ienie odpow iedniej w artości napięcia ładow ania U|.
B ufory sygnałów cyfrow ych d opasow ują sygnały sterujące, w ypracow ane przez m ikro
kontroler, do poziom ów w ym aganych przez układ pom iarow y. P rzetw ornica w ysokiego na
p ięcia d o starcza niestabilizow anego napięcia o w artości około 1 kV i m ocy w yjściow ej około 3 W. U rucham iana je s t tylko na czas trw ania pom iaru, ze w zględu na oszczędność mocy (przew idziano p rzen o śn ą w ersję przyrządu z zasilaniem akum ulatorow ym ) i bezpieczeństw o.
R ów nież ze w zględów bezpieczeństw a, stan aktyw ny przetw ornicy i w ysokie napięcie na jej w yjściu sygnalizow ane je s t św ieceniem ostrzegaw czej diody elektrolum inescencyjnej.
B liższego om ów ienia w ym aga przedstaw iony na schem acie z rys.4 - blok „układ po
m iarow y” , zintegrow any z program ow anym stabilizatorem napięcia ładow ania U|. B lok ten stanow i zasadniczy elem ent części pom iarow ej przyrządu. O dpow iedni schem at w spom nia
nego bloku układu pom iarow ego przedstaw iono na ry s.5.
W zm acniacze W1 i W 2 oraz tranzystor T l stanow ią łącznie w zm acniacz regulujący potencjał w ysokonapięciow ej elektrody badanego system u izolacji. W zm acniacz W1 (L M C 6082), połączony w układzie w tórnika napięciow ego, zapew nia ekstrem alnie m ałą w artość p rąd u polaryzacji (10 fA w tem peraturze pokojow ej [11]). P onadto sygnał w yjściow y tego w zm acniacza różniący się od potencjału w ejścia tylko o w artość napięcia niezrów now a- żenia (m aksym alnie 150 |LV w tem peraturze pokojow ej [11]), służy do polaryzacji ekranu E l, otaczającego niskonapięciow y w ęzeł badanej próbki. W zm acniacz operacyjny W 2 (OP27) stanow i w łaściw e ogniw o w zm acniacza regulacyjnego. W zm acniacz ten, podobnie ja k W l, należy do grupy w zm acniaczy precyzyjnych, posiadających duże w zm ocnienie przy otw artej pętli sprzężenia zw rotnego, m a łą w artość napięcia niezrów now ażenia oraz m inim alny dryft tem peraturow y. Sum a napięć niezrów now ażenia w zm acniaczy W l i W 2 oraz napięcia steru
jącego stanow i różnicę napięć pom iędzy elek tro d ą n iskonapięciow ą a potencjałem m asy i w przypadku zastosow anych w zm acniaczy nie przekracza dziesiątych części m iliw olta. W yso
konapięciow e w yjście w zm acniacza zrealizow ano w postaci pojedynczego, w ysokonapięcio
wego tran zy sto ra polow ego m ocy T l. T en sam tranzystor całkow icie otw arty um ożliw ia podanie napięcia ładow ana U | w pierw szej fazie pom iaru i całkow icie zw arty um ożliw ia roz
ładow anie badanej próbki dielektryka w fazie rozładow ania. R ezystor R6 w obw odzie źródła tranzystora T l o granicza jeg o w zm ocnienie napięciow e w stanie aktyw nym i jednocześnie ogranicza prąd ro zładow ania do w artości 2 m A w przypadku pełnego w ysterow ania.
Rys.5. U proszczony schem at układu pom iarow ego (por. rys.4 - blok „układ pom iarow y”) Fig.5. Sim plified schem atic diagram o f the m easuring circuit (com pare Fig.4 - the błock
„układ pom iarow y”
Jako przełącznik S w ykorzystano przekaźnik kontaktronow y. O bydw a styki otw artego w fazie trzeciej kontaktronu s ą n a zerow ym potencjale i naw et niezbyt d uża w artość rezystan
cji pom iędzy stykam i pow oduje znikom o m ały prąd upływ u. Przełącznik ES je s t elektronicz
nym kluczem podającym n a w ejście w zm acniacza regulacyjnego niew ielkie (około 10 mV) napięcie ujem ne lub dodatnie, odpow iednio w fazie ładow ania i rozładow ania, pow odując odcięcie lub m aksym alne w ysterow anie tranzystora T l .
P rzyjm ując m aksym alny skok napięcia na w yjściu w zm acniacza T2 (rów ny około 10 V) i m aksym alny skok na w yjściu tranzystora w ysokonapięciow ego (rów ny około 1 kV ), m oże
my oszacow ać m inim alne w zm ocnienie napięciow e stopnia końcow ego na około 100 V/V.
Zatem następuje stukrotne zw iększenie w zm ocnienia w układzie regulacji (przy otw artej pętli sprzężenia zw rotnego).
P oniew aż kom pensacja częstotliw ościow a w zm acniacza W 2 uw zględnia tylko jego w łasne w zm ocnienie, to stukrotne zw iększenie tego w zm ocnienia m oże być p rzyczyną nie
90 J. Tokarski, B. Szadkowski., R. Bogacz.
stabilności i zm u sza do dodatkow ej kom pensacji częstotliw ościow ej zarów no w zmacniacza W 2, ja k i tranzystora polow ego T l. M aksym alne i m inim alne napięcia na w ysokonapięcio
w ym w yjściu w zm acniacza s ą nieprecyzyjnie określone. W artość napięcia m aksymalnego zależy w prost od w artości niestabilizow anego napięcia w yjściow ego z przetw ornicy oraz od p odziału napięcia dzielnikiem R3 oraz R4 + R5. W artość napięcia m inim alnego w głównej m ierze zależy od napięcia ujem nego Us i stosunku rezystancji R3 do R6. Z tego względu rów nolegle do w yjścia w ysokonapięciow ego w zm acniacza przyłączono dw a układy, precy
zyjnie określające m aksym alną i m inim alną w artość napięcia.
M inim alna w artość napięcia pow inna w ynosić 0 V, co odpow iada zw arciu elektrod system u izolacji w fazie rozładow ania. Z a ograniczenie napięcia na poziom ie 0 V odpow iada układ złożony z w zm acniacza W3 oraz diody D l. N apięcie w ysokonapięciow ej elektrody, podzielone pom iarow ym dzielnikiem rezystancyjnym R4 i R5, porów nyw ane je s t przez w zm acniacz W3 z potencjałem m asy. D opóki je s t ono w iększe od zera, w ysokonapięciow a dioda D l spolaryzow ana je s t zaporow o i układ ogranicznika nie w ykazuje żadnego wpływu na p o zo stałą część układu pom iarow ego. Próba obniżenia potencjału w ysokonapięciow ego w ęzła poniżej zera spow oduje pojaw ienie się na w yjściu w zm acniacza W3 napięcia dodatnie
go, co z kolei spow oduje spolaryzow anie diody D l w kierunku przew odzenia i ostatecznie - utrzym anie potencjału na poziom ie potencjału masy.
M aksym alna w artość napięcia w ysokopotencjałow ej elektrody je s t program ow ana na
pięciem w yjściow ym przetw ornika c/a. W zm acniacz W 4, w ysokonapięciow y tranzystor T2 oraz dzielnik pom iarow y R4 i R5 stanow ią układ precyzyjnego porów nania w yjściow ego na
pięcia przetw ornika c/a i podzielonego dzielnikiem pom iarow ym napięcia w ysokopotencja
łowej elektrody. M niejsze od zadanego napięcie w ysokopotencjałow ej elektrody pow oduje ujem ne przesterow anie w zm acniacza U 4, całkow ite odcięcie tranzystora T2 i w konsekw encji brak w pływ u ogranicznika na układ pom iarow y. Zw iększenie potencjału w ysokonapięciow ej elektrody do w artości zadanej pow oduje w ejście w zm acniacza W 4 i tranzystora T2 w obszar aktyw ny i ostre ograniczenie dalszego w zrostu napięcia.
Sterow anie układem pom iarow ym polega na nastaw ieniu odpow iedniej w artości napię
cia ładow ania Ui na przetw orniku c/a, uruchom ieniu przetw ornicy w ysokiego napięcia oraz na w ygenerow aniu sygnałów sterujących kluczem elektronicznym ES i przekaźnikiem kontak- tronow ym S. Z astosow anie w układzie elem entu elektrom echanicznego, jak im je s t przekaź
nik, bardzo pożądanego ze w zględu na w yjątkow o d u ż ą rezystancję rozw artych styków , p o w oduje pew ne opóźnienie jeg o zadziałania w stosunku do podanego sygnału sterującego.
Z m iana stanu p rzekaźnika następuje w m om encie rozpoczęcia fazy pom iaru (rozw arcie sty
ków ) i w m om encie jej zakończenia (zw arcie styków ). O późnienie zw arcia styków nie je st krytyczne, po n iew aż odbyw a się zaw sze po zakończeniu pom iarów . N atom iast opóźnienie rozw arcia styków pow oduje w ydłużenie czasu rozładow ania tr o czas reakcji przekaźnika, którego w artość w ynosi kilka m ilisekund. D la najkrótszych czasów rozładow ania je st to w artość znacząca i dlatego sygnał sterujący przekaźnikiem podaw any je s t z w yprzedzeniem uw zględniającym je g o bezw ładność.
3. W Y B R A N E W Ł A ŚC IW O ŚC I U ŻY T K O W E I M E T R O L O G IC Z N E M IER N IK A
M iernik napięcia pow rotnego um ożliw ia w ybór jednej z trzech podstaw ow ych opcji, określających jeg o tryb pracy. Przyjęto następujące nazw y tych opcji:
. P A R A M E T R Y ,
• P O M IA R ,
• T R A N SM ISJA .
O pcja P A R A M E T R Y um ożliw ia nastaw ienie (w ybór) w artości różnych w ielkości, określających w arunki w ykonania pom iaru, a w ięc um ożliw ia w stępne przygotow anie pom ia
ru. W tej opcji m ożna nastaw ić w artości następujących w ielkości:
• U| — w artość napięcia ładow ania, w zakresie od 1 V do 800 V z rozdzielczością IV ;
• t| - w artość czasu ładow ania w dw óch podzakresach:
- w sekundach od 0,02 s do 99,99 s z rozdzielczością 0,01 s, - w m inutach od 0,01 m in do 99,99 m in z rozdzielczością 0,01 m in;
• tr - w artość czasu rozładow ania w dw óch podzakresach:
- w sekundach od 0,01 s do 99,99 s z rozdzielczością 0,01 s, w m inutach od 0,01 m in do 99,99 m in z rozdzielczością 0,01 min;
• tz : ą - stosunek czasu zerow ania tz (stanow iącego czas pom iędzy zakończeniem je d nego cyklu pom iarow ego i rozpoczęciem now ego, niezbędny do pow rotu badanej próbki dielektryka do stanu początkow ego) do czasu ładow ania ą w zakresie od 1,0 do 9,9 z ro zd zielczo ścią 0,1;
• kn+i : tin - stosunek czasów ładow ania w kolejnych pom iarach cyklu autom atycznego w zakresie od 1,0 do 9,9 z rozd zielczo ścią 0,1;
• N - ilość pom iarów w cyklu autom atycznym w zakresie od 2 do 99.
W om aw ianej opcji PA R A M E T R Y zn ajd u ją się rów nież podopcje nastaw iania daty (roku, m iesiąca i dnia) oraz czasu (godziny, m inuty i sekundy).
O pcja P O M IA R um ożliw ia określenie sposobu przeprow adzenia pom iaru oraz sposobu rejestracji w yników p o przez w ybór jed n ej z podopcji:
• C Y K L PO JE D Y N C Z Y , . C Y K L A U T O M A T Y C Z N Y
Po w ybraniu opcji C Y K L PO JE D Y N C Z Y , m iernik urucham ia kolejno: ładow anie zgodnie z zadanym i w artościam i napięcia Ut i czasu ą, rozładow anie zgodnie z zad an ą w arto
ścią tr oraz pom iar w artości chw ilow ych napięcia pow rotnego U p w raz z ich p e łn ą rejestracją.
Cykl pojedynczy trw a aż do ręcznego zatrzym ania. Z atrzym anie je s t m ożliw e w każdej chwili od ro zpoczęcia cyklu, rów nież w fazie ładow ania i rozładow ania. Z atrzym anie pow o
duje przejście m iernika do stanu zerow ania (identycznego z fa z ą rozładow yw ania), trw ające
go aż do ponow nego rozpoczęcia pom iarów w cyklu pojedynczym (lub autom atycznym ).
W czasie trw an ia cyklu pojedynczego na w yśw ietlaczu w yśw ietlana je s t na bieżąco w artość napięcia pow rotnego U p.
92 J. Tokarski, B. Szadkowski., R. Bogacz.
Po w ybraniu opcji C Y K L A U T O M A T Y C Z N Y m iernik urucham ia kolejno: ładowanie zgodnie z zadanym i w artościam i napięcia U| i czasu ą , rozładow anie zgodnie z zadaną warto
śc ią tr i następnie pom iar w artości chw ilow ych napięcia pow rotnego U p w raz z ich p ełn ą reje
stracją. W trakcie pom iaru porów nyw ane są kolejne w artości chw ilow e aż do w ykrycia mak
sym alnej w artości napięcia pow rotnego U pmax- M iernik rejestruje tę w artość napięcia oraz czas jej osiągnięcia. P om iar w artości chw ilow ych napięcia pow rotnego i rejestracja trwają dalej, aż do czasu, gdy w artość napięcia pow rotnego spadnie do poziom u 0,9U pmax- W tym m om encie rozpoczyna się zerow anie i trw a przez okres czasu tz, w ynikający z zadanej w arto
ści stosunku t2 : t). Po zerow aniu zostaje autom atycznie uruchom iony następny cykl pom iaro
wy o czasach ładow ania, rozładow ania i zerow ania w ynikających z zadanych w artości sto
sunków ttn+i: t|n oraz tz : h„ przy czym rów nocześnie następuje śledzenie i rejestracja chw ilo
w ych w artości napięcia pow rotnego oraz w ykryw anie w artości m aksym alnej. Po zerowaniu uruchom iony zostaje kolejny cykl pom iarow y i tak dalej, aż do w yczerpania zadanej liczby pom iarów N.
W cyklu autom atycznym , podobnie ja k w cyklu pojedynczym , m oże nastąpić ręczne zatrzym anie pom iaru w dow olnym m om encie. R ów nież w czasie trw ania cyklu autom atycz
nego na w yśw ietlaczu w yśw ietlana je s t na bieżąco w artość napięcia pow rotnego U p.
O pcja T R A N S M IS JA urucham ia transfer szeregow y zgrom adzonych w pam ięci w yników rejestracji do sprzężonego z przyrządem kom putera. Param etry transm isji są stale i nie w ym a
g a ją w cześniejszego ustaw ienia. S ą one następujące:
• szybkość transm isji - 4800 bodów ,
• liczba bitów w transm itow anym słow ie - 8,
• k ontrola parzystości - brak,
• liczba bitów stopu - 1.
W celu dośw iadczalnego zw eryfikow ania opracow anej konstrukcji m iernika i spraw dzenia słuszności przyjętych założeń początkow ych - w ykonano pom iary w ybranych jego param etrów . U zyskano następujące wyniki:
• całkow ity prąd upływ u (w III fazie pom iaru) - m niejszy niż 1 pA ,
• zakres pom iaru napięcia pow rotnego - 1000 V,
• niepew ność pom iaru napięcia pow rotnego - m niejsza niż 0, 1% zakresu pom iarow go,
• m aksym alna częstotliw ość próbkow ania napięcia pow rotnego - 10 kLIz,
• niepew ność nastaw ienia napięcia ładow ania Up V 0,5 V,
• niepew ność nastaw ienia czasu ładow ania tp V 0,01 ms,
• niepew ność nastaw ienia napięcia rozładow ania Up V 0,1 V,
• niepew ność nastaw ienia czasu rozładow ania tp V 0,3 ms.
O cenę całkow itego prądu upływ u w III fazie pom iaru napięcia pow rotnego w ykonano pośrednio poprzez pom iar przyrostu napięcia na kondensatorze o znanej pojem ności i zniko
mo małej upływ ności (użyto kondensatora polipropylenow ego M K P 2,2 nF/1,5 kV).
Pom iary napięcia pow rotnego w ykonyw ano na złożonym m odelu RC badanego dielek
tryka, z w ykorzystaniem diod półprzew odnikow ych jako elem entów typu „R ” [10].
LITERATURA
1. Gross B.: O n D ischarge V oltage and R eturn V oltage Curves for A bsorptive Capacitors.
Physical R eview , vol. 62 , nr 1, 15, 1942.
2. Vajda D.: Issledow anja pow reżdienij izolacji. Tłum . z węg., wyd. Energija, M oskw a 1968.
3. N em eth E.: Zerstörungsfreie Prüfung von Isolationen mit der M ethode der Entlade und Rückspannungen. XI Intem atinal W iss. Koll. TH Illm enau 1966.
4. Pluciński M ., Szadkow ska T.: Badanie w arstw ow ych m ateriałów izolacyjnych prądem stałym. Przegląd Elektrotechniczny, n r 10, 1967.
5. Pluciński M ., Szadkow ska T., Szadkow ski B.: U kład do pom iaru napięć pow rotnych.
Zesz. N auk. Pol. Śl. ser. Elektryka, z. 37, G liw ice 1973.
6. Szadkow ska T.: A naliza m etod pom iaru funkcji charakteryzującej w olnozm ienne polary
zacje dielektryków stałych. R ozpraw a doktorska, W ydz. Elektryczny Politechniki Śląskiej, G liw ice 1975.
7. Bognar A., K alocsai L., Csepes G., N em eth E., Schm idt J.: D iagnostic Tests o f High V ol
tage O il-P aper Insulating System s (in Particular T ransform er Insulation) U sing DC D ie
lectrom etrics. C IG RE Session , report 15/33-08 ,26 th A ugust - 1 th Septem ber, 1990.
8. Schlag A. G.: The Recovery V oltage M ethod for Transform er D iagnosis. Wyd. Tettex Instrum ent, 1994/5.
9. K uenen J. C., M eijer G. C.: M easurem ent o f dielectric absorption o f capacitors and analy
sis o f its effects on V C O ’s. IEEE T rans.on Instr. A nd M eas., V .45, no 1, Febr.1996.
10.Tokarski J., Szadkow ska T., Szadkow ski B.: U kład do pom iaru napięć pow rotnych w die
lektrykach. Zesz. N auk. Pol. Śl. ser. Elektryka, z. 162, G liw ice 1998, s. 11-21.
11.N ational S em iconductor Corporation: LM C6082 Precision CM O S Dual O perational A m plifier. O perational A m plifiers D atabook - 1993 Edition, s. od 1-824 do 1-833, USA 1992.
12.M AXIM : M A X 187 - 5V, Low -Pow er, 12-Bit Serial ADCs. 1995 N ew R eleases D ata Book vol. IV, s. od 7-14 do 7-60, U SA 1994.
13.M A X IM : M A X 538 - 5V, Low -Pow er, V oltage-O utput, 12-Bit Serial D ACs. 1995 New R eleases D ata B ook, vol. IV, s. od 9-39 do 9-52, USA 1994.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Z ygm unt Kuśm ierek
W płynęło do R edakcji dnia 2 czerw ca 1999 r.
Abstract
M easurem ents o f recovery voltages are used in diagnostic o f transform er and electric m achine insulation systems. There are three stages o f the recovery voltage m easurem ent proc
ess: a stage o f charging the tested insulation sam ple w ith a dc voltage, a stage o f discharging the sam ple and a stage o f the recovery voltage m easurem ent betw een the opened term inals o f the tested sam ple. The recovery voltage m easurem ent is correct w hen it is m ade in the circuit
94 J. Tokarski, B. Szadkow ski., R. Bogacz.
insulated entirely so that there is no current leakage, w hich causes considerable constructional problem s in the classical m easuring system circuit and requires the use o f expensive, high- voltage electronic elem ents.
A new idea o f the circuit for recovery voltage m easurem ent ensuring the effective com
pensation o f the leakage currents is proposed in the paper. The principle o f operation o f the com pensating circuit consists in applying an additional current to the high-voltage electrode, w hich is to com pensate all the leakage currents due to the supply source, sw itches and the m easuring elem ent. A n operational am plifier w ith negative feedback loop ensures fully auto
m atic operation o f the com pensating circuit. The essential advantage o f the proposed m eas
uring circuit is decrease in num ber o f com plex, high-voltage elem ents.
The new idea o f the m easuring circuit is used for construction o f a recovery voltage m eter. The m eter except for indicating and storing the m ost im portant m easurem ent results m akes it possible to record digitally the recovery voltage w aveform s. The last type o f opera
tion determ ines the structure o f the m eter m icroprocessor controller, w hich contains the high capacity data m em ory, the real tim e clock and the battery backup sw itching for CM O S RAM and R TC . A sim ple keyboard w ith an alphanum eric display allow s for input o f the recording param eters. A high-voltage converter supplies the m easuring circuit w ith a non-stabilized voltage o f 1 kV value. T he value o f the m easuring voltage is adjusted by m eans o f a C/A con
verter, w hich together w ith an output transistor is a high-voltage stabilizer program m ed in a digital w ay. The recovery voltage m easurem ent is m ade by m eans o f a fast successive ap
proxim ation A /C converter.
The m eter enables m aking and recording the single m easuring cycle or the series o f m easurem ents (in an autom atic w ay) consisting o f m any records o f the recovery voltage for the charging and discharging tim es o f the tested insulation sam ple rising exponentially. The m ost im portant operational properties o f the m eter are:
program m ing o f the m easuring voltage value up to 800 V (1 V resolution),
independent program m ing o f the charging and discharging tim es w ithin the range from 20 m s to 100 min,
- possibility o f recording m ore than 65000 m easurem ent results,
- possibility o f the m easurem ent results serial transfer to a com puter in order to process digitally and visualize.
