ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ИЗМЕРЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ
Методы контроля диэлектрических характеристик изоляции при рабочем напряжении на объекте основаны на измерении тока, протекающего через изоляцию под воздействием фазного напряжения сети. Их можно разделить на три группы. К первой группе относятся методы прямого измерения контролируемой величины, ко второй — методы сравнения между собой характеристик разных объектов данного распределительного устройства (РУ). Методы третьей группы основаны на сравнении измеряемого объекта с известным, принятым в качестве образцового.
Прямым измерением тока через изоляцию можно определить лишь модуль ее комплексной проводимости или (при малых потерях) ее емкость.
Рис. 19. Схема измерения диэлектрических характеристик неравновесно-компенсационным методом:
1—3—объекты контроля; 4— измерительное устройство
Рис. 20. Схема сравнения диэлектрических характеристик двух объектов:
УР —указатель равновесия; R3, R4и С4 - элементы плеч моста
С целью оценки изменения состояния изоляции должно быть определено изменение контролируемого параметра, составляющее доли процента от его значения. Такая точность прямого измерения недостижима в эксплуатационных условиях.
Если на входе измерительного прибора предварительно скомпенсировать ток, протекающий через неповрежденную изоляцию данного объекта, то в дальнейшем будет измерено лишь приращение тока, связанное с изменением диэлектрических характеристик изоляции. Такой метод измерения, названный по аналогии с неравновесными мостовыми методами неравновесно-компенсационным, не предъявляет высоких требований к точности измерительного прибора и может быть применен в условиях эксплуатации.
Одна из схем, реализующих этот метод, основана на измерении суммы трехфазной системы токов, протекающих через изоляцию трех однотипных объектов (рис. 19) [30]. В предположении малых различий характеристик изоляции в исходном состоянии трех одновременно контролируемых объектов можно считать, что измеряемый суммарный ток будет близок к нулю. При увеличении комплексной проводимости изоляции одного из этих объектов увеличится ток через нее и соответственно изменится суммарный ток; приращение этого тока можно измерить любым прямым методом.
Применение такого метода измерений для эксплуатационного контроля изоляции вполне допустимо, ибо ничтожно мала вероятность дефектов изоляции, вызывающих одновременные и одинаковые изменения диэлектрических характеристик всех трех объектов.
К методам второй группы относится соответственное сравнение емкости и tg 6 однотипных объектов одноименных фаз [31]. Сравнение производится при помощи мостовой схемы, обычно мостом Шеринга (рис. 20). При этом измеряется разность углов диэлектрических потерь объектов
Сх и С'х:
В качестве объекта, используемого как образцовая мера, может быть выбран аппарат с малыми и стабильными потерями (например, конденсатор связи). Тогда значения tgδ других объектов, полученные путем сравнительных измерений, будут определены с минимальной погрешностью.
К схемам, реализующим методы третьей группы, относятся мостовая, ваттметровая и компенсационная. В качестве образцовой величины — опорного напряжения — используется, как правило, напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения (TH) той фазы системы шин РУ, к которой присоединен контролируемый объект.
Мостовая схема с использованием TH в качестве источника опорного напряжения (рис. 21) отличается от обычной тем, что на плечо сравнения подается напряжение со вторичной обмотки трансформатора [32].
Схема ваттметровой установки для измерений при рабочем напряжении (рис. 22) практически не отличается от схем установок, применявшихся при испытаниях отключенного оборудования. Цепи напряжения ваттметра питаются от TH соответствующей системы шин. Для компенсации систематической погрешности измерения tgδ, вызванной угловой погрешностью TH, можно в цепь напряжения ваттметра ввести фазосдвигающее устройство — резистор R, часть которого шунтируется конденсатором С. Необходимый фазовый сдвиг обеспечивается изменением емкости конденсатора или сопротивления резистора.
Одна из первых схем, предложенных для реализации методов измерения tgδ изоляции при рабочем напряжении, приведена на рис. 23,а. Опорное напряжение подается со вторичной обмотки TV, а промежуточный трансформатор служит для поворота фазы напряжения на 180°. Ток Ix, протекающий через изоляцию объекта, компенсируется током I0 образцовых мер (емкость Со и резистор Ro).
Рис. 21. Мостовая схема измерения диэлектрических характеристик. Обозначения см. на рис. 20
Рис. 22. Ваттметровая схема измерения диэлектрических характеристик
Рис. 23. Компенсационные схемы измерения диэлектрических характеристик: а — компенсация токов; б— компенсация напряжения
Современные схемы компенсации строятся с применением операционных усилителей (рис. 23,б). Источником опорного напряжения является вторичная обмотка TH. Конденсатор С0, включенный в цепь обратной связи операционного усилителя ОУ1, обеспечивает поворот на 90° фазы входного напряжения, пропорционального току через изоляцию объекта. Сдвиг фаз, соответствующий потерям в изоляции объекта, создается током через резистор. Операционный усилитель ОУ2 обеспечивает поворот фазы напряжения на 180°. Резистор R1 обеспечивает уравновешивание схемы по модулю тока, а резистор R2—по фазе.
Применяется схема, обеспечивающая одновременный контроль трех фаз [47].
Устройство для измерений в такой схеме содержит три образцовых конденсатора и общие для трех фаз компаратор тока и указатель равновесия. Пофазная балансировка схемы (объект — образцовый конденсатор) производится регуляторами, включенными последовательно с образцовыми конденсаторами. Наличие таких регуляторов позволяет использовать устройство как три мостовые схемы с общим указателем равновесия.
Следует уточнить, что методами этой группы при использовании TH также нельзя произвести измерение действительного значения tgδ изоляции объекта, так как угловая погрешность ПТ, используемого в качестве образцового, превышает допустимую погрешность определения угла потерь. Поэтому измеренное значение tgδ будет иметь большую систематическую погрешность, для исключения которой необходимо вносить поправку. Поскольку при контроле изоляции важны лишь изменения параметров, указанное ограничение точности измерений не имеет большого практического значения.
Амплитудная погрешность TH обычно значительно меньше допускаемой погрешности измерения емкости изоляции. Поэтому методы третьей группы обеспечивают измерение действительной емкости объекта.
При контроле под рабочим напряжением принципиально невозможно исключить из результатов измерения токи влияний. За счет этих токов измеренное значение диэлектрических характеристик может отличаться от действительного; изменение токов влияний между двумя измерениями может внести погрешность в их результаты. Значения погрешности от токов влияний и ее стабильность должны быть установлены в каждом конкретном случае.
Измерение диэлектрических характеристик изоляции под рабочим напряжением возможно только при прямой (нормальной) схеме измерительной установки. Поэтому в настоящее время без конструктивных изменений объекта осуществима организация такого контроля лишь при наличии специальных (для устройств измерения напряжения ПИН) или измерительных выводов, а также если имеется изоляция нижнего фланца объекта от земли. Такими объектами являются вводы, трансформаторы тока, конденсаторы связи, реакторы.
