Схемы измерений.
Применяются две схемы (рис. 28): с образцовым конденсатором и с образцовым объектом.
Схема с образцовым конденсатором обеспечивает сравнение тока, протекающего через изоляцию объекта Сх, с током через емкость конденсатора Со, напряжение на который подается с соответствующей фазы трансформатора напряжения (TH) системы шин [32].
Рис. 28. Схемы мостовых измерительных устройств:
а —с образцовым конденсатором; б—с образцовым объектом; 1 — объект контроля; 2 — устройство присоединения; 3 — измерительный мост; 4—разделительный трансформатор и фазовращатель; 5 — трансформатор напряжения системы шин; 6 — образцовый конденсатор; 7 — образцовый объект
Разделительный трансформатор вместе с фазовращающими элементами С и R используется для создания фазового сдвига, компенсирующего систематическую погрешность измерения, и для разделения цепей заземления вторичных обмоток TH и объекта.
В качестве расчетной примем схему на рис. 21. Рассматриваемым методом определяются параметры последовательной схемы замещения изоляции, поэтому для tgδ объекта принята формула (2).
Сравниваемые напряжения плеч моста:
(34>
где Ku — коэффициент трансформации TH.
При равновесии схемы U3=U4. Приравняв соответственно действительные и мнимые составляющие выражений (33) и (34),. после преобразований получим
При расчете приняты допущения: значение
в TH
отсутствуют угловые сдвиги, поэтому коэффициент трансформации в цепи опорного напряжения Ku=Uф/U0.
Чтобы обеспечить требуемую точность измерения, для уравновешивания моста следует использовать не менее трех декад резистора, поэтому необходимо включить шунт плеча. При шунте (рис. 29) через резистор R3 протекает лишь часть тока объекта:
где
—полное сопротивление шунта; —сопротивление части шунта, включенной в цепь объекта.
Отсюда измеренное значение емкости объекта при наличии шунта плеча R3
(35)
Схема с образцовым объектом обеспечивает сравнение тока, протекающего через изоляцию объекта, с током через другой объект, подключенный к той же фазе шин РУ [31, 34]. При этом измеряется разность tgδ изоляции контролируемого объекта и принятого в качестве образцового. Обычно в качестве образцового принимают объект с малым значением tgδ, изменением которого в дальнейшем пренебрегают.
Измеренное в схеме с образцовым объектом значение емкости Cx=C0R4/R3.
Рис. 29. Схема включения шунта плеча R3 моста
Рис. 30. Векторная диаграмма мостовой схемы: δ — действительный угол потерь; δ'— измеренный угол потерь
63
Если объект, выбранный в качестве образцовой меры, будет иметь емкость, существенно превышающую емкость контролируемого объекта, то необходимо применить шунт, снижающий сопротивление плеча R4. Шунт также необходим, если ток образцового объекта превышает допустимый для плеча R4. Рекомендуются сопротивления шунта Rш4=354 Ом (для однотипных объектов) или Rш4= 32,16 Ом (в случае, если СО>СХ). При этом суммарное сопротивление резистора R4 моста становится равным 318,4 Ом или 31,84 Ом, а цена деления шкалы tgδ уменьшается соответственно в 10 или 100 раз.
Погрешности измерения.
Измеряемый мостом ток (рис. 30), кроме подлежащего контролю тока через изоляцию объекта, включает ток влияний и помех Iвл. Напряжение на образцовой мере моста U0 из-за угловых погрешностей рабочего и разделительного трансформаторов напряжения не совпадает по фазе с напряжением на объекте. При использовании в схеме измерений образцового объекта практически невозможно учесть tgδ его изоляции.
Эти факторы приводят к погрешностям измерения tgδ и емкости. В результаты измерения tgδ изоляции объекта войдут, кроме того, и погрешность Δtgδо=wСоR4, вызванная фазовым сдвигом в ветви сравнения моста, а также собственные погрешности мостового измерительного устройства (систем отсчета и уравновешивания моста).
Оценим наибольшие возможные значения составляющих погрешностей, определяемых перечисленными факторами.
Погрешность измерения tgδ, вызванная токами влияний, не может превышать значение коэффициента влияния:
где К'вл — коэффициент влияния, измеренный при напряжении на объекте U';
— фазное напряжение сети.
Коэффициент К'вл определен при измерениях на напряжении 10 кВ [35]. Примем, что наибольшее его значение для рассматриваемых случаев измерений не превышает 0,1.
При этом наибольшее возможное значение погрешности от токов влияний;
Допускаемая угловая погрешность рабочего TH подстанции при классе точности 1 равна 40'; следовательно, наибольшее возможное значение погрешности измерения по этой причине (Δ tgδ)тн=1,2·10-2.
Неконтролируемое значение tgδ объекта, принятого в качестве образцового, определяет возможную погрешность измерения (Δ tg б)овр=(0,3:0,5)·10-2.
В ряде случаев возможно вынужденное построение схемы с образцовым объектом, где элементы схемы заземляются в двух точках — на контролируемом и образцовом объектах (на рис. 28,б показано пунктиром). Это вызвано требованиями безопасности, ибо обрыв кабеля, идущего от образцового объекта к мосту, при отсутствии шунтирующего резистора R'д устройства присоединения приводит к появлению высокого напряжения на низкопотенциальном выводе образцового объекта, которое опасно для персонала и изоляции этого вывода. В такой схеме появляется погрешность, вызванная не эквипотенциальностью точек заземления. Подробно вопросы, связанные с наличием нескольких точек заземления в схеме измерений, будут рассмотрены в § 23.
Есть еще один источник погрешностей измерения — изменение состояния поверхности конструкции объектов измерения из-за загрязнения и увлажнения. Известно, что в изоляционных конструкциях конденсаторного типа (вводы, трансформаторы тока) состояние поверхности фарфоровых покрышек существенно влияет на изменение паразитных связей объекта и, следовательно, на значение tgδ изоляции, полученное при измерении [31]. Поэтому контроль изоляции должен производиться при оптимальных погодных условиях.
Очевидно, что возможная погрешность измерения соизмерима с контролируемой величиной.
При применении схемы с образцовым конденсатором возможна компенсация систематических составляющих рассмотренных погрешностей. Для этого емкость и сопротивление фазосдвигающей цепи при вводе схемы измерения в эксплуатацию выбирают такими, чтобы измеренное при рабочем напряжении на объекте значение tgδ изоляции было равно значению tgδ10, определенному при напряжении 10 кВ [32]. Полученные таким образом значения R и С записываются и устанавливаются каждый раз при повторных измерениях данного объекта.
Существующая система контроля оборудования основана на выявлении изменений состояния изоляции. Следовательно, можно определять лишь изменения контролируемых параметров. При этом систематические составляющие погрешностей исключаются из результатов измерений, а процесс измерения упрощается.
Изменение tg δ изоляции объекта (∆tgδ), контролируемого в схеме с образцовым конденсатором, равно разности между результатами текущего измерения и измерения, проведенного в начале контроля. При измерениях с образцовым объектом к этой разности следует еще прибавить изменение tgδ его изоляции (что не всегда возможно и является источником дополнительной погрешности).
Для сравнения с нормой (предельным значением) принимается расчетное значение tgδP=tg+∆tgδ, где tgδ10 — значение tgδ изоляции контролируемого объекта, полученное при напряжении 10 кВ перед переходом на контроль изоляции под рабочим напряжением. Аналогично определяется и изменение емкости объекта.
Таблица 11. Статистические оценки результатов измерений
• Разность результатов измерений.
Имеющийся опыт измерений дает основания для вывода о достаточной точности полученных результатов. Статистические данные, характеризующие погрешности измерения, были определены по результатам проводившихся в течение 3 лет периодических измерений на объектах одной подстанции 750 кВ. Использовалось мостовое устройство с образцовым конденсатором, входящее в состав стационарной системы контроля изоляции [33]. Для получения данных, характеризующих измерения мостовым устройством с образцовым объектом, вычислялась разность результатов измерений на двух однотипных объектах одноименной фазы; при этом один объект принимался в качестве образцового, а второй — в качестве контролируемого.
Средние значения результатов измерений tgδ изоляции трансформаторов тока 750 кВ находятся в пределах tgδ=(0,9:l,2)·10-2, а измеренные при вводе в эксплуатацию значения tgδ=(0,3—0,4)-10-2. Разность tgδ—tgδ определяет систематическую составляющую погрешности для данного случая:
Δtgδ≈0,7·10-2. Эта составляющая исключена способом контроля по изменению наблюдаемого параметра.
Статистические оценки рассмотренных рядов результатов измерений приведены в табл. 11.
Параметры изоляции контролируемых объектов за рассматриваемый период времени практически не изменились; это подтверждают малые значения ∆tgδ и ∆С/С0. Поэтому результаты измерений можно рассматривать в качестве случайной составляющей погрешности, определяемой помехами.
Полученные распределения результатов измерений достаточно хорошо согласуются с нормальным законом. Исходя из этого для объектов 750 кВ были определены пороги чувствительности метода измерений, соответствующие определенной надежности измерений.
Из данных табл. 11 следует, что по точности обе рассмотренные мостовые схемы практически не отличаются. Такова же точность и метода контроля по разности результатов измерений на двух объектах.
