Глава третья
ИЗМЕРЕНИЯ ПРИ РАБОЧЕМ НАПРЯЖЕНИИ
ОРГАНИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Рассматриваются методы, основанные на измерении тока, протекающего через объект контроля под действием рабочего напряжения установки. Контролируемые параметры - диэлектрические характеристики изоляционных конструкций и ток проводимости устройств защиты от перенапряжений. Кроме того, описаны схемы для определения зависимостей характеристик изоляции от напряжения. Измерение частичных разрядов рассматривается в следующей главе.
Измерения при рабочем напряжении на объекте возможны только при прямой схеме включения измерительного устройства. Поэтому контроль осуществим лишь при наличии на объекте низкопотенциального вывода или при изоляции нижней части конструкции от земли. Низкопотенциальными выводами являются заземляемые выводы наружных обкладок изоляционных конструкций (специальные или измерительные выводы вводов и трансформаторов тока), а также выводы экранов.
Обеспечение безопасности. Основным условием обеспечения безопасности персонала и исключения возможности повреждения контролируемого оборудования является создание стационарной схемы подключения измерительных устройств. Подключение к объекту и все переключения в схеме измерений должны производиться в зоне обслуживания вдали от токоведущих частей без подъема на оборудование. При этом должна быть исключена возможность появления высокого напряжения в измерительных цепях. Необходимо специальное устройство присоединения.
Устройства для измерения диэлектрических характеристик изоляции включаются в цепь заземления низкопотенциальной обкладки изоляции объекта. Основная емкость изоляции С0 и емкость низкопотенциальной обкладки относительно заземленных частей объекта Сн образуют делитель напряжения. У вводов со специальным выводом (выводом ПИН) конструктивно обеспечено, чтобы напряжение на емкости Сн было равным 4 кВ. Для объектов с измерительным выводом Сн=(2-:- 3) С0, и поэтому напряжение на изолированной от земли низкопотенциальной обкладке может достигать 25—35 % фазного напряжения сети. При обрыве цепи заземления устройства присоединения указанные напряжения могут появиться в измерительных цепях, что совершенно недопустимо.
Рис. 3.1. Схема устройства присоединения (на одну фазу объекта)
Изоляция измерительного вывода объекта на высокие напряжения не рассчитана, поэтому при обрыве цепи заземления она может повредиться и стать причиной аварийного отключения.
Схема устройства присоединения, обеспечивающая выполнение изложенных требований безопасности (рис. 3.1), состоит из защитного резистора (шунта) 1, устанавливаемого около вывода низкопотенциальной обкладки, и сборки зажимов 2, располагаемой в зоне обслуживания. Шунт и сборка соединяются кабелем 3. Шунт, через который производится заземление низкопотенциальной обкладки изоляции, имеет сопротивление, исключающее возможность появления высоких напряжений на ней при обрыве кабеля. Основная функция шунта - защита объекта контроля. В качестве шунта кроме резистора Rr может быть применен конденсатор Сд. Элементы устройства присоединения выполняют также функции первичных измерительных преобразователей - датчиков. Поэтому шунт, являясь элементом измерительной цепи, должен иметь высокую стабильность параметров; обычно используется резистор. Элементы шунта защищены искровым промежутком FV1.
В сборке зажимов устанавливаются защитный резистор Rr, разрядники FV2 и FV3 и коммутатор цепей измерения SA. Основная функция сборки - защита измерительного устройства и оператора.
При воздействии на изоляцию объекта волны перенапряжения с крутым фронтом первоначально напряжение на низкопотенциальном выводе будет определяться соотношением емкостей Сн и С0 даже при наличии защитного резистора. Если длина кабеля от вывода до разрядника не превышает нескольких метров, то задержкой срабатывания разрядника можно пренебречь. При большей длине кабеля, особенно при подключении к измерительному выводу с низким уровнем изоляции, необходимо ставить искровой промежуток непосредственно вблизи защищаемого вывода. В ряде случаев целесообразна также защита измерительного вывода специальным конденсатором, включаемым параллельно искровому промежутку.
У ограничителей перенапряжений (ОПН) устройство присоединения является частью конструкции. В качестве шунта применен нелинейный элемент, аналогичный рабочим элементам. Это обеспечивает необходимую защиту ОПН и измерительного прибора.
Для дистанционного контроля, когда измерительные приборы располагаются на щите управления, между ними и устройствами присоединения прокладываются линии связи (кабели). Заземляемые выводы объектов и, следовательно, соответствующие жилы кабелей имеют потенциал контура заземления распределительного устройства (РУ). При коротких замыканиях в РУ между его контуром заземления и заземлением щита управления возникает разность потенциалов, которая может достигать нескольких киловольт. При конструировании стационарной схемы контроля необходимо учитывать это обстоятельство, разделив цепи заземления и обеспечив необходимую изоляцию между ними, а также исключив возможность прикосновения на щите к цепям заземления объектов. Защитный корпус прибора должен быть заземлен на месте установки.
Защита от помех. При дистанционном контроле, когда между датчиком, находящимся на объекте, и измерительным прибором прокладывается линия связи (кабель), возможны помехи, вносящие недопустимые погрешности в результаты измерений.
Основными путями проникновения помех в измерительную цепь являются электрические (емкостные) и электромагнитные связи, а также неэквипотенциальность точек заземления элементов измерительной схемы или общие шины заземления измерительных и силовых цепей.
Для исключения емкостных и электромагнитных наводок линии связи между датчиком и измерительным прибором должны быть экранированы, а провода, идущие от одного датчика, максимально сближены или даже скручены. Кабели связи должны прокладываться как можно дальше от силовых цепей.
Рис. 3.2. Возникновение помехи общего вида и способы ее исключения:
Ιχ — контролируемый ток; Zn — полное сопротивление датчика; ZBX — вводное сопротивление измерительного прибора; гп—сопротивление линии связи; ИП — измерительный прибор
При наличии перекрестных помех из-за взаимного влияния измерительных цепей с разными сигналами эти цепи надо также экранировать друг от друга.
Определенную сложность представляет устранение помех, связанных с неэквипотенциальностью точек заземления элементов измерительной схемы - так называемых помех общего вида. Схема замещения для случая заземления измерительной схемы в двух точках - на датчике и в измерительном приборе (рис. 3.2, а) - показывает, что при этом на входе прибора действует напряжение помехи е, включенное последовательно с сигналом ид.
Действие помехи исключается, если заземлить только датчик (рис. 3.2,б).
Рис. 3.3. Возникновение помехи общего вида в трехфазной схеме и способы ее исключения (обозначения см. на рис. 3.2)
Однако такое решение возможно лишь в случае, если схему измерительного прибора можно изолировать от корпуса, заземленного на месте установки для обеспечения безопасности персонала. В большинстве электронных приборов проще выполнить гальваническое разделение цепей (рис. 3.2, в) при помощи трансформатора, устанавливаемого или на входе измерительного прибора, или около датчика.
При контроле трехфазных объектов надо учитывать, что источники помех общего вида действуют и между заземлениями датчиков фаз (рис. 3.3, а, источники еА, ев и ес). Заземление прибора на объекте решает проблему лишь частично: исключаются помехи от источника е (при заземлении в точке d) и от одного из фазовых источников (например, еА при заземлении в точке а).
Влияние остальных источников помех можно снизить изменением сопротивления датчика. На рис. 3.3, б приведена расчетная схема, где е'п - напряжение эквивалентного источника помех, действующего между точками заземлений измерительного прибора и датчика. Отношение контролируемого тока Iх к току помех Iп на входе прибора
следовательно, понизить влияние помехи общего вида можно, увеличивая сопротивление датчика.
При допустимой относительной погрешности измерения δД0П необходимое сопротивление датчика
Радикальным способом обеспечения высокой помехозащищенности схемы измерений является гальваническое разделение цепей непосредственно на датчиках или на входе прибора. Одна из возможных схем с применением трансформатора, имеющего три первичные обмотки, приведена на рис. 3.3, в; в этом случае ток помех, связанный с неэквипотенциальностью точек заземления, на вход прибора практически не попадает.
В устройствах для периодического контроля, когда низкопотенциальный вывод объекта постоянно заземлен при помощи разъединителя (рубильника), отключаемого лишь при измерениях, можно обойтись без защитных резисторов устройства присоединения. При этом исключается множественность точек заземления в схеме измерений. Для защиты персонала и объекта при обрыве цепей измерительного устройства должно быть предусмотрено автоматическое быстродействующее заземление низкопотенциального вывода объекта.
В Свердловэнерго для этой цели предложено между указанным выводом и заземлением объекта включить два встречно соединенных стабилитрона. При измерениях напряжение на стабилитронах много ниже напряжения срабатывания, а их высокое сопротивление не создает практически значимых помех общего вида. При обрыве измерительной цепи ток объекта замыкается через стабилитроны, а остаточное напряжение на них (несколько вольт) опасности не представляет.
В устройстве присоединения, применяемом в Ленэнерго, также нет защитных резисторов. Постоянное заземление низкопотенциального вывода обеспечивается пружинным контактом, который размыкается соединителем при сборке схемы измерений и автоматически замыкается при его отключении. При применении такого устройства присоединения погрешность от помех общего вида отсутствует, однако защиту персонала при обрыве внешних цепей измерительной схемы нельзя признать удовлетворительной.
