Z E S Z Y T Y N A U K O W E PO LITE C H N IK I ŚLĄSKIEJ Seria: E L E K T R Y K A z. 156
1996 N r kol. 1329
B ru n o n S Z A D K O W SK I Eligiusz P A S E C K I
P O M IA R W S P Ó Ł C Z Y N N IK A A BSO R PC JI R«,/R1S
IZ O L A C JI T R A N S F O R M A T O R Ó W I M A SZY N E LE K T R Y C Z N Y C H
Streszczenie. W artykule przedstaw iono opis przyrządu do pom iaru w spółczynnika R ^ /R ,, o raz w ybrane wyniki badań przeprow adzonych na w ykonanym m odelu.
M E A S U R E M E N T O F IN SU L A TIO N A BSO R PT IO N C O E FF IC IE N T R ^ /R ,, O F T R A N S F O R M E R S A N D ELE C TR IC M A C H IN ES
Sum m ary. Description o f an instrument for R ^/R ,, coefficient m easurem ent has been presented in the paper. Some investigation results obtained for the executed m odel have been given as well.
1. W P R O W A D Z E N IE
Podczas pom iarów rezystancji i izolacji transformatorów i maszyn elektrycznych obserw uje się zjawisko narastania wartości tej rezystancji w miarę upływu czasu, licząc od chwili załączenia napięcia pom iarow ego (stałego). Stosunek rezystancji I W R ^ zm ierzonych odpow iednio po 60 s oraz 15 s od chwili załączenia napięcia nazywany jest współczynnikiem absorpcji i je st jednym ze w skaźników stosow anych do oceny stopnia zawilgocenia badanej izolacji [1, 2], S tosuje się ró w n ież w skaźnik R j^ /R ^ ,b ę d ą c y stosunkiem rezystancji zm ierzonych po 300 s o raz 60 s.
Ponadto w skaźnikam i stopnia zaw ilgocenia izolacji są także w spółczynnik strat dielektrycznych tgó, bezw zględna w artość rezystancji badanej izolacji lub inne param etry fizykochem iczne.
D la izolacji suchej, w skaźnik R «/R is przyjmuje w artości w iększe niż 1 (jednak na o g ó ł nie p rze k ra c z a ją c e 2), natom iast dla izolacji zawilgoconej — odpow iednie w artości zaw ierają się w przedziale 1 + 1,5. Szczegółowe w artości om aw ianego wskaźnika, pow yżej których uznaje się izolację z a w ystarczająco suchą (tzn. w artości najmniejsze dopuszczalne) zależą od tem peratury izolacji i określone są w odpow iednich przepisach [3],
A ktualnie, pom iary w spółczynnika absorpcji R ^ /R ,, w ykonuje się najczęściej m e to d ą p o śred n ią, za p o m o cą m egaom om ierza i czasomierza, dokonując odczytów z m egaom om ierza o d p o w ie d n io p o 15 s oraz 60 s od chwili rozpoczęcia pom iaru. M etoda m egaom om ierza i czasom ierza jest jednak dość niew ygodna i mało dokładna. P ożądana w tych pom iarach stało ść napięcia zasilania, zwłaszcza w przypadku często stosowanych m egaom om ierzy induktorow ych, nie je st w ystarczająca. W ydaje się zatem celowe podjęcie prac zmierzających do o p raco w an ia p rz y rz ą d u pom iarow ego pozw alającego na bezpośrednie pom iary om aw ianego w spółczynnika i o d znaczającego się korzystnym i właściwościami metrologicznym i oraz eksploatacyjnymi.
D o b u d o w y opisanego w dalszym ciągu przyrządu pom iarow ego w ykorzystano ko n cep cję pom iaru prądu ładow ania I, płynącego przez badaną izolację ( R J po przyłączeniu stałego napięcia zasilania U . O gólny schem at odpow iedniego układu pom iarow ego przedstaw iono na rys. 1.
Rys. 1. O gólny schem at układu do pom iaru współczynnika absorpcji R ^ /Rh
Fig. 1. G eneral diagram o f th e circuit for measurem ent o f absorption coefficient R^/R-is
W przedstaw ionym układzie pom iarow ym — pomiar prądu I zrealizow any jest pośrednio p o przez p o m iar napięcia U N n a w zorcow ym rezystorze RN. Czasow y przebieg prądu ład o w an ia (a w ię c tak że napięcia U N) je st zło żo n ą funkcją różnych param etrów badanej izolacji (w tym ró w n ie ż param etrów jej stanu fizykochemicznego) i w ogólnym ujęciu jest to przebieg rozpoczynający się w chwili załączenia napięcia skokowym w zrostem , a następnie opadający — aż do osiągnięcia pewnej wartości ustalonej [4], Dokonując kolejnych pom iarów napięcia U N: U N15 o ra z UN60 (odpow iednio po 15 s i 60 s od chwili załączenia napięcia zasilania U ), a następnie obliczając stosunek tych napięć — otrzymujemy z dobrym przybliżeniem
!»
Um , . As . U _
^60 ^ 1 5
U
Z przedstaw ionego rów nania w ynika, że w celu zmierzenia w spółczynnika absorpcji R ^ /R u — w ystarczy zm ierzyć stosunek napięć U N15/U N60.
Pomiary współczynnika absorpcji.. 7
Z astosow ane w układzie z rys.l przetw orniki próbkująco-pam iętające S& H w raz z układem sterującym U S um ożliw iają pobranie próbek napięcia UN w odpow iednich chw ilach czasow ych i n astępnie przekazanie pobranych próbek do układu dzielącego U D w celu bezpośredniego w yznaczania interesującego nas stosunku R ^ /R ,,.
W dalszym ciągu przedstaw ione zostanie bliższe om ów ienie opracow anego układu p o m iaro w eg o , działającego w edług koncepcji podanej na rys. 1.
2. O PIS W Y K O N A N E G O U K ŁAD U PO M IA R O W EG O
P o m ia r stosunku dw óch rezystancji m oże być zrealizow any za p o m o cą przetw ornika a n alo g o w o -cy fro w eg o (a/c) o podw ójnym całkow aniu. C yfrow y sygnał w yjściow y takiego przetw ornika jest proporcjonalny do stosunku dw óch napięć analogow ych, d o p row adzonych do wejść przetw ornika w czasie pierwszego i drugiego całkowania [5]. Przy pom iarze w spółczynnika absorpcji R « /Ri5 do w ejść tego przetw ornika należy doprow adzić napięcia zapam iętane w u k ła d z ie próbkująco-pam iętającym , odpow iednio po 15 s i 60 s od chwili w łączenia napięcia pom iarow ego.
R ys.2. U kład do pom iaru współczynnika absorpcji R ^/R is
Fig. 2. P ractical circuit fo r absorption coefficient R « /R 15 m easurem ent
N a ry s.2 przedstaw iony jest układ do pom iaru w spółczynnika absorpcji R ^ /R ,,, w którym funkcję u kładu dzielącego spełnia przetw ornik a/c o podw ójnym całkow aniu typu IC L 7107.
U k ła d próbkująco-pam iętający, składający się z kondensatorów C, i C 2 oraz przełączników K[
i Kj, służy do zapam iętania wartości napięcia UN w chwilach próbkow ania. P o załączeniu napięcia zasilającego układ pom iarow y, stan wszystkich przełączników je st taki, ja k przedstaw iono na rys.2. D o wejścia referencyjnego U R przetw ornika a/c doprow adzone jest napięcie U w, a w ejście integracyjne U, po łączo n e jest z m asą analogow ą. Stan wyjściowy przetw ornika a/c je st zerow y.
Cykl pom iaru rozpoczyna się od w łączenia impulsem STA R T napięcia pom iarow ego U. Po 15 s i 60 s od chwili włączenia tego napięcia, układ sterujący U S pow oduje kolejno w łączanie na czas próbkow ania przełączników K, i K2. Stałe czasowe ładow ania kondensatorów pam iętających C, i C2 są znacznie krótsze od czasu próbkowania. N a kondensatorach C, i C2 zostają zapam iętane napięcia UN15 i UN60 proprocjonalne do prądów I,5 i 1«, płynących przez rezystor R* po 15 s i 60 s od chwili w łączenia napięcia U. P o zakończeniu cyklu próbkow ania, układ sterujący pow oduje zm ian ę stanu przełącznika P. W ów czas do wejścia integracyjnego przetw ornika a/c do p ro w a
dzona jest zapam iętana wcześniej w artość napięcia U N15, a do wejścia referencyjnego -— w artość napięcia U N60. A zatem w skazanie W w skaźnika w yjściowego będzie określone zależnością
UK UMC RiS
gdzie: K — w spółczynnik proporcjonalności.
R ezy stan cje w ejściow e zastosow anego w tórnika napięciow ego o raz w ejścia integracyjnego p rzetw o rn ik a a/c są bardzo duże (rzędu 1012 O), zatem stałe czasow e rozładow ania k o nden
s a to ró w pam iętających są na tyle długie, że w skazanie układu pom iarow ego nie ulega zm ianie n aw et po kilku m inutach.
O pracow any układ pom iarow y umożliw ia pom iar w spółczynnika absorpcji R ^ /R ii obiektów o rezystancji izolacji od 10* ii do 1012 il. Błąd pomiaru współczynnika absorpcji rośnie, gdy m aleje w arto ść napięcia U N. D latego cały zakres pom iarow y podzielony jest na cztery podzakresy, dla których rezystancja R N zm ienia się od 10 5 Cl do 10* il przy stałej w artości napięcia pom iarow ego U = 1000 V. Z akresy pom iarow e zm ienia układ sterujący. W układzie tym napięcie UN jest p o ró w n y w a n e z napięciem odniesienia U 0. Jeżeli po 14 s od chwili w łączenia napięcia p o m iaro w eg o napięcie U N < U 0, to układ sterujący pow oduje kolejny dziesięciokrotny w zrost rezystancji R N. W chwili w łączenia napięcia pom iarow ego, napięcie U N je s t duże i przekracza do p u szczaln e napięcia w ejściow e układów elektronicznych. R ezystor R o raz diody D , i D 2 og ran iczają w artość tego napięcia.
Badania laboratoryjne w ykonanego modelu układu pom iarow ego w ykazały, że błąd pom iaru w spółczynnika absorpcji R ^ /R ,, nie przekracza 1,5% (dla badanych obiektów o rezystancji izolacji 10* Q do 1012 il). N a rys.3 przedstaw iono zależność błędu pom iaru w spółczynnika R ^ /R ^ od
Pomiary współczynnika absorpcji.. 9
rezystancji izolacji obiektu badanego, przy podziale całego zakresu pom iarow ego n a cztery podzakresy. B łąd pom iaru m ożna zmniejszyć zwiększając liczbę podzakresów pom iarow ych.
R y s.3. Z ależność błędu pom iaru w spółczynnika absorpcji R ^ /R ^ od rezystancji izolacji F ig .3. D e p e n d e n c e o f the absorption coefficient R ^ /R ,; m easurem ent error on insulation
resistance
3. PO D S U M O W A N IE
P o m ia r w spółczynnika absorpcji R y R , , stosow any je st do oceny stanu izolacji tran sfo rm a to ró w i maszyn elektrycznych. Stosow ane dotychczas pośrednie m etody p o m iaru tego w sp ó łczy n n ik a są niew ygodne i m ało dokładne. O pracow any układ pom iarow y um ożliw ia bezpośredni pom iar współczynnika absorpcji R «/R i5 obiektów, których rezystancja izolacji m ieści się w zak resie od 10* O do 1012 O. W porów naniu z pośrednim i m etodam i p o m iaru tego w spółczynnika, opracow any układ cechuje stosunkow o duża dokładność pom iaru, p rosta ko n stru k cja i łatw a obsługa.
L IT E R A T U R A
1. Jabłoński M .: B adanie transform atorów w przemyśle i eksploatacji. W N T, W arszaw a 1969.
2. L atek W .: B adanie m aszyn elektrycznych w przemyśle. W N T, W arszaw a 1987.
3. W o jd at S .1. Przepisy eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych. Centr. Ośr. Szkol, i Wyd.
S E P , W arszaw a 1994.
4. V ajd a G.: Issledow anija pow reżdienij izolacji. „Energija” , M oskw a 1968.
5. K u lk a Z ., L ibura A., N adachow ski M .: Przetworniki analogow o-cyfrow e i cyfrow o- analogow e. W K iŁ, W arszaw a 1987.
Recenzent: Prof, dr hab. inż. Z ygm unt K uśm ierek
W płynęło do R edakcji dnia 15 lutego 1996 r.
A b s tr a c t
T h e absorption coefficient l ^ R i s determines the insulation condition o f transform ers and electric m achines. T he indirect m ethods which have been used so far fo r this coefficient m e a s u re m e n t are o f low accuracy and low comfort. Description o f the m easuring instrum ent en ab lin g direct m easurem ent o f the absorption coefficient o f objects with insulation resistance within the range from 10® Q to 10I2D has been presented in the paper. A/C co nverter w ith double integration is a dividing circuit in the executed instrum ent (Fig.2). T he value o f voltage U N is hold in th e sam ple-and-hold circuit (consisting o f capacitors and C2 and sw itches K, and K 2) after 1 5 s and 60 s since th e m om ent o f sw itching o f the m easuring voltage U on. T he voltage U N is p ro p o rtio n a l to th e the current I flowing through the m easured resistance R x. T he absorption coefficient m easurem ent error increases if the voltage UN value decreases. T he w hole m easuring range is divided into four sub-ranges in order to reduce this error. T he sub-ranges are chosen by m eans o f a control circuit U s. It causes that the resistance R N is ten times greater w hen the voltage UN < U„ after 14 s since the m om ent o f switching the m easuring voltage on.
