CC BY
48
УДК 621.317.333.6
ВЛИЯНИЕ ТОКА АБСОРБЦИИ НА ПРОЦЕСС ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ
© 2013 г. В.И. Лачин, К.Ю. Соломенцев, Нгуен Куок Уи
Лачин Вячеслав Иванович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Автоматика и телемеханика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: lachinv/@mail.ru
Соломенцев Кирилл Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автоматика и телемеханика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: [email protected]
Lachin Viatcheslav Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, head of department «Automation and Telemechanics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: lachinv/@mail.ru
Solomencev Kirill Yurievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Automation and Tele-mechanics», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: [email protected]
Нгуен Куок Уи - аспирант, кафедра «Автоматика и телеме- Nguyen Quoc Uy - post-graduate student, department ханика», Южно-Российский государственный политехниче- «Automation and Telemechanics», Platov South-Russian ский университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: State Polytechnic University (NPI). E-mail: nguyen-nguyenquocuy_1102@yahoo. com quocuy_1102@yahoo. com
Проведены исследования влияния тока абсорбции на процесс измерения сопротивления изоляции при различных типах и величинах емкости конденсаторов. Для минимизации влияния конденсаторов на процесс измерения сопротивления изоляции необходимо использовать конденсаторы с минимальной величиной тока абсорбции.
Ключевые слова: ток абсорбции; измерение сопротивления изоляции; конденсаторы; сопротивление изоляции; емкость; электроэнергетический; электрическая сеть; электробезопасность; измерение; контроль; эксплуатация; быстродействие; точность; погрешность; мегомметр.
In the paper investigated the influence of current absorption on the process of measurement insulation resistance in different types and values of the capacitors. To minimize the effects on the process of capacitor insulation resistance, it's necessary to use capacitors with a minimum amount of current absorption. Keywords: current absorption; measure resistance insulation; capacity; electric; electric network; electric safety; measurement; control; usage; speed; accuracy; inaccuracy; megaohmmeter.
Электрическая изоляция токоведущих частей -одна из наиболее важных частей различного электрооборудования и от ее состояния зависит надежность и безопасность эксплуатации электрооборудования. О состоянии изоляции судят по величине ее активной составляющей, т. е. по току утечки в установившемся режиме.
При контроле сопротивления изоляции обесточенных сетей или сетей, находящихся под постоянным напряжением, трехфазных сетей с изолированной нейтралью или сетей двойного рода тока используют различные методы, причем одними из наиболее распространенных являются методы, связанные с воздействием на контролируемый объект постоянного или коммутируемого напряжения [1].
При измерении больших величин сопротивления изоляции (1 - 10 МОм) токи утечки очень малы и составляют, как правило, единицы или десятки микроампер. При приложении к изоляции постоянного напряжения через нее будет протекать ток, содержащий 3 составляющих: ток заряда, ток абсорбции и ток утечки (рис. 1). Ток заряда зависит от геометрических размеров изоляции и проводящих элементов, как правило, он быстро затухает [2].
Ток абсорбции зависит от степени однородности изоляции и ее диэлектрических свойств, и его величина может достигать единиц и десятков микроампер.
тока в изоляции
Для достоверного определения сопротивления изоляции измерение тока нужно производить лишь после того как ток абсорбции спадет до нуля или до значительно меньшей величины, чем установившееся значение тока утечки. Время измерения существенно возрастает, если в контролируемых сетях установлены конденсаторы для защиты от радиопомех. Значения этих емкостей могут достигать сотен микрофарад. При этом увеличивается ток абсорбции и время установления тока в цепи становится очень большим.
Авторами проведены исследования влияния тока абсорбции на процесс измерения сопротивления изоляции при различных типах и величинах емкости конденсаторов и кабелей.
Исследования проводили, используя схему, приведенную на рис. 2.
БА1
г
Ra
RiI
г
Рис. 2. Схема для исследования тока абсорбции: Яиз - эквивалентное сопротивление изоляции контролируемого объекта; Яогр - внутреннее сопротивление источника измерительного напряжения; Сэкв - эквивалентная емкость исследуемого объекта
Для исследования тока абсорбции необходимо обеспечить быстрый заряд конденсатора. При этом по окончании заряда в цепи протекает преимущественно ток абсорбции. Для этого используем малое сопротивление ^огр, чтобы время переходного процесса т было мало:
т =
R R C
огр из экв R | R
огр из
В описанных экспериментах использовался резистор Яогр = 1 Ом. Емкость всех исследуемых объектов была равна Сэкв = 200 мкФ. Сопротивление изоляции Яш во всех случаях составляло более 10 МОм. При этом постоянная времени цепи примерно равна т ~ 200 мкс. При таких параметрах через 2 мс 10 т) после замыкания ключа 1 ток заряда равен нулю и в цепи протекает только ток абсорбции и ток утечки.
Зависимости суммы этих токов от времени для разных типов конденсаторов приведены на рис. 3.
Ток аб сорбции, мкА
150
100
50
0
Z2
у i3
1
МЫ'Ч.
К 76-4
1 1 К73-17
2 4 6 8 Время, с
Рис. 3. Временные диаграммы токов: i2, i3, i4 - суммы токов абсорбции и утечки для разных типов конденсаторов
Из полученных графиков следут, что ток абсорбции очень сильно завит от типа применяемх конденсаторов. Для минимизации его влияния на процесс измерения сопротивления изоляции необходимо использовать конденсаторы с минимальной величиной тока абсорбции. При этом, однако, следует иметь в виду, что такие кондесаторы дороже.
Построим временную диаграмму тока абсорбции в логарифмическом масштабе для разных типов конденсаторов. При этом от каждой точки отнимем известное значение тока утечки и получим только ток абсорбции.
Для конденсатора типа К73-17, при измерении через 1 ч после начала эксперимента, ток утечки менее 10 нА. Временная диаграмма в логарифмическом масштабе приведена на рис. 4.
Ток абсорбции, мкА 3
1
0 -1
-2
0 1 2
Время, с
Рис. 4. Временная диаграмма тока абсорбции в логарифм-логарифмическом масштабе для конденсатора типа К73-17
Для конденсатора типа К76-4, при измерении через 1 ч после начала эксперимента, ток утечки составил 0,45 мкА. Временная диаграмма суммы тока утечки и тока абсорбции и временная диаграмма тока абсорбции в логарифмическом масштабе приведены на рис. 5.
Ток абсорбции, мкА 3
0
log(/0 - 0,45, 10)
log(/0, 10)
-2
-1
0
1 2 Время, с
Рис. 5. Временные диаграммы для конденсатора типа К76-4
2
2
1
Из графиков следует, что эти зависимости имеют линейный характер, их можно аппроксимировать следующим образом.
По временной диаграмме можно получить:
- /уСТ) = -п ^ t + т =>
=> Ю10^-*^) — 10п *+т => => * - ¿уст — А=>
=> * — *уст + At-П .
Отсюда получаем формулу изменения во времени тока абсорбции ¿а = At-п = UCDt-п, где и - приложенное напряжение; С - емкость конденсатора; D - коэффициент, который зависит от различных факторов, например, от типа илоляции, состояния изоляции, температуры А = UCD^, п - константа, характеризующая наклон линии в логарифм-логарифмическом масштабе (п > 0).
Полученные результаты аналогичны результатам американских исследований тока абсорбции, приведенным в [3 - 5]. Они построили временные диаграммы тока абсорбции в логарифм-логарифмическом масштабе при разных напряжениях. Результаты приведены на рис. 6. Эти зависимости имеют линейный характер, и значение тока абсорбции прямо пропор-ционнально значению прикладываемого напряжения.
Определим численные значения функции изменения во времени тока абсорбции. Для суммы тока абсорбции и тока утечки используем функцию
(1)
значением является среднеквадратичное отклонение с экспериментальных значений тока от значений, вычисленных по формуле (1):
Е (i - f (ti))2
p
Е (ii -'уст -Щ - tc)-")2
i = iycT + A(t - tc)-" = f (t):
где ^ - условный момент начала тока абсорбции, который обычно не совпадает с моментом замыкания ключа SA1.
Это связано с тем, что напряжение на конденсаторе появляется не мгновенно, а увеличивается с постоянной времени т. Для нахождения численных значений А, п, ¿уст будем использовать оптимизацию. При этом А, п, ¿уст - факторы, а минимизируемым
Ток
Р
где ст - среднеквадратичное отклонение; * - изменяемый индекс; Р - число точек в временной диаграмме; ¿уст - установившееся значение тока или значение тока утечки; - измеряемое значение тока в момент времени ti.
Для этого будем использовать пакет прикладных программ (ППП) MathCad14, в котором есть функция тттйеО. Чтобы определить параметры функции (1), используем функцию тШт1хе( ст , а, п, ¿уст), результатом выполнения которой являются значения параметров (а, п, ¿уст), соответствующие наименьшему значению ст .
В качестве примера приведем результаты обработки кривой тока конденсатора типа К73-17 емкостью 200 мкФ. После обработки получаем: Р = МШт1хе( ст , а, п, ¿уст) = = (15,39, 0,799, -1,079, 0,0073).
При этом ст = 0,014 мкА. Тогда функция изменения во времени тока имеет вид:
f (0 — ¿уст + А( - ^)-п —
— 15,39(t - 0,799)-1,079 + 0,0073 мкА.
Вычисленная оценка установившегося значения тока близка к экспериментально полученному значению (менее 10 нА через 1 ч). Графический результат аппроксимации приведен на рис. 7.
4 5 6 7 8 9 (0 20 30 40 50 60 80 100
Время, минут
Рис. 6. Временные диаграммы тока абсорбции в логарифм-логарифмическом масштабе
а =
а =
15
10
-ло
XXX - I
40
20
0
-ft)
XXX - I
20
40
60
80 t, c
Ток абсорбции, мкА 150
100
50
0
50 100 150 t, с
Рис. 7. Экспериментальные точки и аппроксимирующая кривая для конденсатора типа K73-17
Аналогично, для конденсатора типа МБГЧ емкостью 200 мкФ, получаем результаты аппроксимации: P = Minimize( ст , a, t0, n, /уст) = = (24,862, 0,39, -0,413, 0,397).
При этом ст =0,127 мкА. Тогда функция изменения во времени тока имеет вид:
f (t) = /уст + ^(t - t0)~n =
= 24,862(t - 0,3 9)-0,413 + 0,397 мкА.
Вычисленная оценка установившегося значения тока 0,397 мкА близка к экспериментально полученному значению 0,383 мкА, измеренному через 10 ч после начала эксперимента. Графический результат аппроксимации приведен на рис. 8.
60
Рис. 8. Экспериментальные точки и аппроксимирующая кривая для конденсатора типа МБГЧ
Была также исследована зависимость тока абсорбции от величины емкости конденсатора. Для этого использовался один тип конденсаторов К-76-4 с разными величинами емкостей: 10 мкФ и 0,47 мкФ, емкости отличаются в 21,276 раз. На рис. 9 приведены графики токов для этих двух конденсаторов i1, i3, а также график i2, полученный умножением токов ^ на 21,276. Из рис. 9 видно, что г'1 и i2 практически совпадают, следовательно, можно сделать вывод, что токи абсорбции прямо пропорционально зависят от эквивалентной емкости конденсаторов. Поступила в редакцию
Время, с
Рис. 9. Временная диаграмма токов абсорбции конденсаторов К-76-4: i1 - ток абсорбции в случае, когда емкость C =10 мкФ; i3 - ток абсорбции в случае, когда емкость С = 0,47 мкФ; i2 - ток абсорбции, который равняется 21,276 i3
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
Для минимизации влияния тока абсорбции на процесс измерения сопротивления изоляции необходимо применять высококачественные конденсаторы, имеющие меньшую величину тока абсорбции.
При невозможности использования высокачест-венных конденсаторов и при измерении больших величин сопротивления изоляции необходимо так выбирать время измерения, чтобы влияние тока абсорбции на погрешность измерения было минимальным.
Для уменьшения времени измерения сопротивления изоляции при больших величинах тока абсорбции необходимо использовать методы измерения, учитывающие влияние токов абсорбции на процесс измерения.
Работа выполнена в рамках гос. задания на 2013 г. по заявке 7.4586.2011, поддержанной Минобрнауки РФ.
Литература
1. Лачин В.И., Соломенцев К.Ю. Методы и устройства контроля состояния электроэнергетических объектов с дискретно-распределенными параметрами: монография. Новочеркасск, 2012. 342 с.
2. Иванов Е.А., Кузнецов С.Е. Методы контроля изоляции судовых электроэнергетических систем: учеб. пособие. СПб., 1999. 80 с.
3. Schleif F.R. Corrections for Dielectric Absorption in High Voltage D-C Insulation Tests //AIEE Transactions. 1956. August, Vol. 75, pt. 111.
4. Пат. 4 646 248 U.S., МПК G01R 19/00. Insulation analyzer apparatus and method of use / Peter H. Reynolds, Ambler, Pa. Опубл. 24.02.1987. URL: http://www.google.ru/patents? hl=ru&lr=&vid=USPAT4646248&id=zfU0AAAAEBAJ&oi =fnd&dq=measurement+current+absorption+patent+464624 8&printsec=abstract#v=onepage&q&f=false (дата обращения 28.08.2013).
5. Curdts E.B. Insulation Testing by D-C Methods. 1958, reprinted in 1964 Biddle Technical Publication. 22T1.
24 сентября2013 г.
5
0
