СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫХ ЦЕПЕЙ Российский патент 1994 года по МПК G01R31/02 G01R27/18 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения параметров электровзрывных цепей (ЭВЦ).

В электроизмерительной технике известны способы определения комплексной проводимости изоляции относительно земли в сети с изолированной нейтралью (см. например, а. с. N 1226345, кл. G 01 R 27/18, 31/02, 1986, или а.с. N 1239635, кл. G 012 R 27/18, 31/12, 1986).

Однако способы нельзя использовать в электровзрывных сетях, так как они не обеспечивают безопасность взрывания, а также трудоемки и требуют дополнительных вычислений.

Известен способ контроля сопротивления изоляции ЭВЦ (см. Захаренко В.В. Взрывобезопасный фотоэлектрический индикатор Ю-140, Безопасность труда в промышленности, N 3, 1986, с. 42). Неисправность цепи (разрыв жилы и изоляции провода) по этому способу определяют так: к зажиму измерительного прибора со знаком "плюс" подключают накоротко соединенные концевые провода смонтированной цепи, а к зажиму со знаком "минус" - металлический штырь или оголенный кусок провода, который вводят во влажный грунт, и по отклонению стрелки прибора (происходит утечка тока) судят о неисправности цепи.

Недостатком способа является то, что он не обеспечивает безопасность испытаний изоляции ЭВЦ.

Известен способ контроля параметров ЭВЦ, заключающийся в определении сопротивления изоляции и сравнении этого сопротивления к контрольным значением (см. Безопасность взрывных работ в промышленности, Кутузов Б.М. и др. М.: Недра, 1977). В данном способе определяют сопротивление между заземляющим штырем и собранной ЭВЦ. Для этого закорачивают концы ЭВЦ и измеряют сопротивление между ними и заземлением (заземляющим штырем). Измеренное сопротивление будет равно суммарному сопротивлению растекания заземлителя и сопротивлению изоляции ЭВЦ.

R = R_p + R_из;
R_из = R - R_p, где R_из - сопротивление изоляции ЭВЦ относительно земли (сравнивают с контрольным значением), Ом;
R - величина измеренного сопротивления изоляции ЭВЦ, Ом;
R_p - сопротивление растекания заземлителя, Ом.

Недостаток данного способа, взятого за прототип, заключается в том, что он не обеспечивает безопасности измерения. При измерении сопротивления изоляции ЭВЦ относительно земли один из входных зажимов прибора должен быть соединен с заземляющим штырем; если при этом и контролируемая ЭВЦ в каком-либо месте будет иметь контакт с землей (повреждение изоляции сети), то через измерительный прибор создается замкнутая цепь для протекания блуждающих токов. Причем при гальваническом контакте в измерительную систему будут попадать токи любой частоты. При большой разности потенциалов между точками контакта измерительного прибора и ЭВЦ (т.е. места повреждения изоляции) с грунтом токи, протекающие под воздействием этой разности потенциалов через электродетонаторы, могут достигнуть опасной величины, что приведет к срабатыванию электродетонаторов, т.е. к преждевременному взрыву.

Недостатками способа также являются: низкая точность (вследствие втекания в измерительную цепь блуждающих токов и их влияния на результат измерения); необходимость дополнительных операций по определению сопротивления растекания заземлителя и дополнительных трудозатрат по созданию заземления (вбивание металлического штыря в грунт, а когда это невозможно, то и бурение).

Целью изобретения является повышение безопасности испытаний изоляции ЭВЦ.

Цель достигается тем, что в известном способе испытаний изоляции ЭВЦ, заключающемся в том, что закорачивают выводы электровзрывной цепи, подают на электровзрывную цепь испытательное напряжение, измеряют контролируемый параметр, характеризующий состояние изоляции испытуемой электровзрывной цепи, сравнивают измеренную величину контролируемого параметра с эталонным значением и по результатам сравнения судят о состоянии изоляции электровзрывной цепи, испытательное напряжение подают через вспомогательную цепь между выводами закороченной электровзрывной цепи и землей, а ток и частоту испытательного напряжения выбирают из соотношений:
l_и ≅ I_б/з; f_и ≥ 10f_б.т, где I_и и f_и - ток и частота испытательного напряжения;
I_б - безопасный ток электродетонаторов испытуемой цепи;
f_б.т - максимальная частота блуждающего тока, способного проникнуть из земли в электровзрывную цепь, причем в качестве вспомогательной цепи используют настроенный в резонанс на частоту источника испытательного напряжения последовательный LC-контур.

Кроме того, в качестве контролируемого параметра выбирают ток через электровзрывную цепь, а об исправности изоляции электровзрывной цепи судят по непревышению измеренного значения тока относительно эталонной величины; или сдвиг фаз (угол ϕ) между током через электровзрывную цепь и напряжением на ней, а об исправности изоляции электровзрывной цепи судят по совпадению измеренного сдвига фаз с его эталонной величиной.

Сущность предлагаемого способа испытания изоляции электровзрывных цепей заключается в следующем. Приведенные выше условия: ток I_и ≅ I_б/з и частота f_и ≥ 10f_б.т испытательного напряжения предотвращают возникновение преждевременного взрыва. Если испытательный ток I_и будет более одной трети безопасного тока электродетонатора (1/3 I_б), то при неблагоприятном стечении обстоятельств (дефекты в электродетонаторе или ЭВС; накопление в измерительной цепи энергии, достаточной для воспламенения электродетонатора, и возможность передачи этой энергии электродетонатору; наличие в ЭВС электродетонатора повышенной чувствительности с минимальным импульсом воспламенения и др.) возможно преждевременное (несанкционированное) срабатывание электродетонатора и преждевременный взрыв со всеми вытекающими катастрофическими последствиями (см. отчеты по НИР: "Исследование влияния электротяговых блуждающих токов на электровзрывные сети при проходке подготовительных выработок угольных шахт". Отчет СКГМИ, 1978; научн. руководитель доц. Петров Ю. С. "Повышение безопасности и безотказности электровзрывных работ на предприятиях горнохимической промышленности". Отчет СКГМИ, 1979; научн. руководитель доц. Петров Ю.С. "Исследование блуждающих токов на предприятиях треста "Союзвзрывпром" и разработка мер по повышению безопасности электровзрывания". Отчет СКГМИ, 1980, научн. руководитель доц. Петров Ю.С. ).

Если частота f_и испытательного напряжения будет менее, чем десятикратная максимальная частота блуждающего тока, то в испытательной цепи и в ЭВЦ могут появиться блуждающие токи, которые будут отрицательно влиять как на точность (и достоверность) измерения, так и на его безопасность, а также на безопасность и безотказность взрывания в целом.

Действительно, предположим, что последовательный LC-контур настроен на частоту испытательного напряжения, мало отличающуюся от частоты основных составляющих блуждающего тока (постоянной или близкой к 50 Гц). Тогда в измерительную (испытательную) цепь и электродетонаторы будут беспрепятственно проникать блуждающие токи, искажая результат измерения и создавая с одной стороны угрозу преждевременного взрыва, а с другой стороны - условия для возникновения отказов.

Если частоту испытательного напряжения заведомо выбрать такой, чтобы она существенно отличалась от частот гармоник, составляющих блуждающий ток, то резонансный LC-контур будет представлять собой для таких частот большое сопротивление. При частоте испытательного напряжения, не менее чем в 10 раз превышающей максимальную частоту блуждающего тока (максимальную частоту составляющие его гармоник высоких порядков), он не может проникнуть в ЭВС и повлиять на результат испытания, безопасность и безотказность электротвзрывных работ.

Таким образом невыполнение приведенных выше соотношений (I_и ≅ I_б и f_и ≥10f_б.т) создает возможность преждевременного взрыва, снижает безотказность электровзрывных работ и достоверность измерительных операций.

Контакт измерительной системы с землей и создание замкнутого пути для протекания испытательного тока осуществляются за счет вспомогательной цепи, представляющей собой настроенный в резонанс на частоту источника испытательного напряжения последовательный LC-контур, в котором в качестве емкости используют собственную емкость измерительного прибора относительно земли. Для обеспечения достаточной мощности измерительного сигнала эту емкость увеличивают, введя изолированный от земли проводящий элемент, затем подключают ее в измерительную цепь, которую настраивают в резонансный режим. Причем между землей и ЭВС подают напряжение высокой частоты с обязательным выполнением указанных выше величин тока и частоты испытательного напряжения.

Подача испытательного напряжения через вспомогательную цепь между выводами закороченной ЭВЦ и землей исключает втекание в ЭВЦ блуждающего тока опасной величины, так как, во-первых, отсутствует гальванический контакт всей испытуемой системы с землей, во-вторых, в измерительную цепь включен последовательный LDC-контур, настроенный в резонанс на частоту источника испытательного напряжения. Блуждающие токи от источника постоянного напряжения не попадут в испытательную систему из-за отсутствия гальванического контакта измерительной системы с землей; блуждающие токи промышленной (и близкой к ней) частоты не проникают в измерительную систему из-за большого (10⁴ - 10⁵ Ом) реактивного сопротивления LC-контура на этой частоте.

В качестве контролируемого параметра для оценки состояния изоляции ЭВЦ выбирают ток через ЭВЦ. При исправном состоянии изоляции ток (при определенном фиксированном напряжении) не может превышать заранее заданной величины. Эта величина равна отношению U_исп/R_норм, где U_исп - испытательное напряжение; R_норм - нормированное значение сопротивления изоляции, так как измеренное значение тока I_измер при исправном состоянии изоляции должно быть
I_измер≅
Если это соотношение не выполняется, то сопротивление изоляции будет меньше нормы, так как увеличение тока при фиксированном значении U_испыт будет означать уменьшение сопротивления изоляции по сравнению с нормированным значением R_норм .

В качестве контролируемого параметра может быть выбран и сдвиг фаз (угол ϕ) между током через ЭВЦ и напряжением на ней. Действительно, замкнутая цепь для протекания тока на участке между землей и ЭВЦ образуется активной g (резистивной) и реактивной b (емкостной) проводимостями ЭВЦ относительной земли. Соотношение между этими проводимостями определяет угол ϕ = arctg b/g между током и напряжением на входе цепи, так как, во-первых, сопротивление рассматриваемого участка ЭВЦ на несколько порядков больше сопротивления оставшейся части цепи; во-вторых, оставшаяся часть цепи является резистивной, что достигается взаимной компенсацией индуктивности L и емкости С, использованных в последовательном резонансном контуре.

Соотношение между активной g и реактивной b проводимостями зависит от частоты испытательного напряжения и состояния изоляции ЭВЦ (т.е. от ее величины, так как g = 1/R_из). На высокой частоте (несколько десятков килогерц) при исправном состоянии изоляции емкостная проводимость существенно больше активной и угол ϕ имеет значение 70 : 80^о и более. Нарушение изоляции ЭВЦ, т. е. возникновение контакта ее проводов с землей, сопровождается, с одной стороны, существенным увеличением активной проводимости, а с другой стороны - резким уменьшением емкости ЭВЦ (и, следовательно, емкостной проводимости) относительно земли. Это приводит в свою очередь к существенному изменению отношения b/g, т.е. к изменению угла ϕ, однозначно определяемого этим отношением. Величина угла ϕ (вследствие значительного преобладания активной проводимости перед емкостной) уменьшается, достигая 0^о при замыкании проводов ЭВЦ на влажную землю.

Таким образом, при исправном состоянии изоляции электровзрывной цепи проводимость испытуемой цепи относительно земли имеет на частоте измерений емкостный характер (угол близок к 90^о), а при нарушении изоляции в комплексной проводимости испытуемой цепи относительно земли основную часть составляет активная составляющая (угол ϕ < < 90^о).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается тем, что с целью повышения безопасности испытаний испытательное напряжение подают через вспомогательную цепь между выводами закороченной ЭВЦ и землей, а ток и частоту испытательного напряжения выбирают из соотношения
I_и ≅ I_б/з; f_и ≥ 10f_б.т.
Причем в качестве вспомогательной цепи используют настроенный в резонанс на частоту источника испытательного напряжения последовательный LC-контур, где емкостью контура является собственная емкость измерительного прибора относительно земли. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена схема, с помощью которой реализуется способ.

Схема включает в себя измерительный прибор 1 (миллиамперметр или фазометр в зависимости от того, что выбрано в качестве контролируемого параметра: ток или угол сдвига между испытательным током через ЭВЦ и напряжением на ней); вспомогательную цепь 2, представляющую собой последовательный LC-контур, настроенный в резонанс на частоту источника испытательного напряжения, с индуктивностью 3 и емкостью С, в качестве которой используют собственную емкость измерительного прибора 1, увеличенную металлической пластиной 4, изолированной от земли и электрически соединенной (через индуктивность 3) с корпусом измерительного прибора 1; электровзрывную цепь 5, включающую электродетонаторы 6, эквивалентную емкость ЭВЦ 7 относительно земли, сопротивление изоляции ЭВЦ 8 относительно земли, входное сопротивление 9 ЭВЦ.

П р и м е р 1. В качестве контролируемого параметра был выбран ток через электровзрывную цепь. Для осуществления способа закорачивали концы ЭВЦ 5, в качестве которого было использовано 50 последовательно соединенных электровоспламенителей с выводными проводами длиной 3 м, и присоединяли их к миллиамперметру 1 магистральным проводом длиной 100 м. Для обеспечения достаточной мощности измерительного сигнала собственную емкость миллиамперметра 1 увеличивали введением в прибор металлической пластины 4 с размерами 200х200 мм, изготовленной из листовой стали толщиной 0,5 мм и изолированной пленкой, и подключали ее в измерительную цепь. Увеличить емкость можно было бы введением любого металлического тепла с площадью, необходимой для получения требуемой емкости для резонанса. Последовательно с пластиной 4 включалась катушка 3 индуктивности с L = 15 мГн. Это значение индуктивности соответствовало режиму резонанса на частоте 50 кГц для вспомогательной цепи 2, включающей в себя индуктивность 3 и собственную емкость миллиамперметра 1, увеличенную пластиной 4. Затем через вспомогательную цепь 2 между выводами закороченной электровзрывной цепи и землей подавали переменное синусоидальное напряжение с частотой
f_и = 50 кГц и I_и = 55
Вследствие наличия собственной емкости прибора 1 относительно земли образовалась замкнутая для прохождения тока высокой частоты цепь, состоящая из выходного сопротивления ЭВЦ 9, эквивалентной емкости 7 ЭВЦ относительно земли, сопротивления изоляции 8 ЭВЦ относительно земли и вспомогательной цепи 2, настроенной в резонанс на частоту источника испытательного напряжения. Миллиамперметр 1 показывал значение тока через электровзрывную цепь, равное 3 мА (а во втором опыте, при ухудшении изоляции - 5 мА), которое сравнивали с эталонным значением I_э= 10 мА.

Поскольку измеренное значение тока не превышало эталонной величины, можно говорить об исправности изоляции электровзрывной цепи.

П р и м е р 2. В качестве контролируемого параметра был выбран сдвиг фаз (угол ϕ ) между током через электровзрывную цепь и напряжением на ней. В качестве ЭВЦ 5 было также использовано 50 последовательно соединенных электровоспламенителей с выводными проводами длиной 3 м, концы которых закорачивали и присоединяли к фазометру марки Ф-2-34. Собственную емкость фазометра увеличивали с помощью металлической пластины 4 (размером 200х200 мм как и в предыдущем опыте) из листовой стали, изолированной от земли пленкой, и подключали ее в измерительную цепь. Последовательно с пластиной 4 включали катушку индуктивности 3 с L = 15 мГц, значение которой соответствовало режиму резонанса на частоте 50 кГц. Через образованную между выводами закороченной электровзрывной цепи и землей вспомогательную цепь 2 подавали переменное синусоидальное напряжение с частотой f_и = 50 кГц и I_и = 55 мА. По фазометру 1 определяли величину сдвига фаз между током через электровзрывную цепь и напряжением на ней (угол ϕ = 84^о). Сравнивая полученное значение угла с его эталонной величиной, можно сделать вывод о хорошем удовлетворяющем нормам) состоянии изоляции ЭВЦ, поскольку при исправном состоянии изоляции проводимость испытуемой цепи относительно земли имеет на частоте измерения емкостный характер и угол ϕ близок к 90^о. При нарушении изоляции ЭВЦ в комплексной проводимости испытуемой цепи относительно земли основную часть составляет активная составляющая и угол ϕ < < 90^о и равен 0^о при замыкании проводов ЭВЦ на влажную землю.

Таким образом, сравнение предлагаемого способа испытания изоляции электровзрывных цепей с известными, в частности с прототипом, показывает, что предлагаемый способ позволяет повысить безопасность испытаний. Подача испытательного напряжения через вспомогательную цепь между выводами закороченной ЭВЦ и землей, настроенную в резонансный режим с источником испытательного напряжения, и выбор тока и частоты испытательного напряжения из соотношений I_и ≅ I_б/з и f_и ≥ 10f_б.т., исключает втекание в измерительную цепь тока опасной величины как от внешних источников (блуждающих токов), так и от внутренних источников (источников питания измерительной системы).

В известном способе-прототипе вследствие гальванического контакта измерительной системы с землей существует реальная возможность втекания в измерительную систему блуждающих токов любой частоты, в частности постоянного тока и тока промышленной частоты (которые представляют основную опасность), так как их интенсивность во много раз выше интенсивности блуждающих токов высокой частоты). Это делает измерение небезопасным, что и является основной причиной того, что испытания изоляции ЭВЦ до настоящего времени практически не контролировались. Применение предлагаемого способа позволит реализовать безопасную операцию контроля изоляции ЭВЦ. Выполнение в предлагаемом способе условий для I_и и f_и, включение в измерительную цепь собственной емкости прибора относительно земли и невозможность протекания в ней постоянного тока и токов низкой частоты исключают их влияние на точность измерений, предотвращают возможность преждевременного взрыва электродетонаторов, что создает необходимое условие безопасности при контроле изоляции электровзрывной цепи.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и используется для измерения параметров электровзрывных цепей. Цель изобретения: повышение безопасности испытаний. Цель достигается подачей испытательного напряжения через вспомогательную цепь между выводами закороченной электровзрывной цепи и землей, в качестве вспомогательной цепи используют последовательный LC-контур, в котором емкость является собственная емкость измерительного прибора, увеличенная металлической пластиной. Контур настраивают в резонанс на частоту источника испытательного напряжения. Ток и частоту испытательного напряжения выбирают из соотношений: I_п≅ I_б/3; f_п≥ 10f_б.т где I_б-безопасный ток электродетонаторов испытуемой цепи; f_б.т - макс. частота блуждающего тока, проникающего из земли в электровзрывную цепь. В результате исключается втекание в измерительную цепь тока опасной величины от внешних источников блуждающих токов и от источников питания измерительной системы, что повышает безопасность испытаний. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫХ ЦЕПЕЙ, заключающийся в том, что подают на закороченные выводы электровзрывной цепи испытательное напряжение, измеряют контролируемый параметр и сравнивают его с эталонным значением, по результатам сравнения судят о состоянии изоляции, отличающийся тем, что измеряют частоту блуждающего тока, испытательное напряжение подают через вспомогательный последовательный резонансный LC-контур, ток и частоту испытательного напряжения выбирают из соотношения
I_п ≅ I_б / 3 ; f_п ≥ 10f_б.т ,
где I_п, f_п - ток и частота испытательного напряжения;
I_б - безопасный ток электродетонаторов испытуемой цепи;
f_б.т - максимальная частота блуждающего тока, способного проникнуть из земли в электровзрывную цепь. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве контролируемого параметра выбирают ток через электровзрывную цепь, а об исправности изоляции электровзрывной цепи судят по непревышению измеренного значения тока относительно эталонной величины. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве контролируемого параметра выбирают сдвиг фаз (угол ϕ между током через электровзрывную цепь и напряжением на ней), а об исправности изоляции электровзрывной цепи судят по совпадению измерительного сдвига фаз с его эталонной величиной.