СПОСОБ КОНТРОЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электроэнергетики и позволяет проводить диагностику и испытания изоляции повышенным напряжением без ее разрушения.

Известны следующие способы (методы) контроля электрической прочности изоляции:
- метод искусственного стимулирования пробоя при профилактических испытаниях электрооборудования постоянным и переменным напряжением частотой 50 Гц (см. , например, Объем и нормы испытания электрооборудования, "Энергия", Москва, 1975 год);
- метод измерений параметров вольт-амперных характеристик (см., например, а.с. СССР 9/1345);
- релаксационный метод контроля электрической прочности изоляции (см., например, В. М. Рожков "Справочник по импульсной технике, Киев, Техника, 1973 год);
- метод высокочастотной дефектоскопии высоковольтной изоляции измерениями частичных разрядов;
- метод "косинусных прямоугольников" (см. Патент ФРГ N 0231459 от 1986 года) или испытание кабелей токами сверхнизкой частоты;
- метод диагностики анализом возвратного напряжения;
- объемный метод измерений емкости и тангенса угла диэлектрических потерь (см. , например, Измерение диэлектрических потерь в изоляции высоковольтного оборудования, под рабочим напряжением, Ленинград, 1990 год);
- метод анализа растворенных газов в масле;
- тепловизионный метод контроля физических параметров и т.д.

Несмотря на многообразие известных способов, в целом принятая в настоящее время система эксплуатации, испытаний и диагностики не предупреждает и не обеспечивает своевременное выявление дефектов изоляции, развитие которых приводит к аварийным повреждениям электрооборудования.

Наиболее распространенным является метод искусственного стимулирования пробоя при профилактических испытаниях оборудования постоянным, переменным напряжением частотой 50 Гц или импульсным напряжением.

По этому методу предписанный Правилами техники эксплуатации контроль, например, силовых кабелей проводится испытательными установками АИ-70 или АИД-70 при выпрямленном 5-, 6-кратном от номинального (рабочего) напряжения.

Несостоятельность такого традиционного способа испытаний, особенно для кабелей с синтетической изоляцией, признана во всем мире, т.к. приводит к увеличению затрат на ремонт в 1,5-2 раза по сравнению с положением, когда контроль вообще отсутствует и к тому же не дает гарантии надежности кабельных линий электропередач ввиду различия условий пробоя изоляции при воздействии испытательного постоянного и рабочего переменного напряжения.

Объемные методы контроля изоляции, например тангенс угла диэлектрических потерь, неэффективны из-за отсутствия связи между измеряемыми параметрами и надежностью работы электрооборудования.

Остальные известные способы контроля требуют высокоточной и дорогой аппаратуры и в общем то наилучшим образом реагируют только на определенный вид дефектов, находящихся в различных стадиях развития.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому может быть принят способ испытания кабелей частотой 0,1 Гц (токами сверхнизкой частоты) так называемый метод "косинусных прямоугольников", защищенный патентом ФРГ N 0231459 от 1986 года, принадлежащий фирме "Haqenuk" и закрепленный стандартом УДЕ 0276.

Способ включает в себя периодически повторяющиеся при помощи вращающегося выпрямителя операции зарядки испытуемого кабеля и опорного конденсатора, перезарядки на другую полярность, дозарядки для компенсации потерь напряжения путем генерации "косинусно-прямоугольного" напряжения с продолжительностью периода 10 сек.

Кроме вращающегося выпрямителя и опорного конденсатора установка VLF Test System включает в себя блок высокого напряжения со встроенным разрядным устройством и разделительным трансформатором, съемный блок управления и станковый барабан с кабелями высокого напряжения, сетевого питания и заземления общим весом около 150 кг, не считая дополнительного оборудования защитных приспособлений и компьютерной техники, что делает установку дорогостоящей и громоздкой. К тому же возможности установки ограничиваются вырабатываемым напряжением 52 кВ.

Целью изобретения является повышение эффективности испытаний (контроля) изоляции, расширение функциональных возможностей испытательной установки, снижение потребляемой мощности, веса, габаритов и стоимости, а также повышение безопасности персонала.

Поставленная цель достигается тем, что операции периодической зарядки испытуемого кабеля (оборудования), перезарядки на другую полярность, дозарядки для компенсации потерь напряжения в кабеле генерацией "косинусно-прямоугольного" напряжения с требуемой продолжительностью периода (например, 10 сек) обеспечиваются путем подключения к электростатической машине.

При этом отпадает надобность в блоке высокого напряжения со встроенным разрядным устройством и разделительным трансформатором, опорном конденсаторе и выпрямителе; появляется возможность контролировать изоляцию любого класса напряжения без ее разрушения (пробоя) с возможностью диагностики и выполнения других функций техники высокого напряжения, включая поиск неисправностей.

Проведенный патентный поиск показал отсутствие способов контроля изоляции электрооборудования с предлагаемой совокупностью признаков.

Таким образом, в данном случае известные операции и элементы объединены новыми связями и применяются по новому назначению, придают способу новые свойства, проявившиеся в положительных эффектах, вследствие чего решение может быть признано имеющим изобретательский уровень.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показаны возможные схемы испытания электрооборудования на примере кабельных линий электропередач.

Как видно из чертежа, основным элементом испытательной установки является электростатическая машина (ЭСМ).

ЭСМ может быть непосредственно подключена к испытуемой жиле кабеля или фазе другого электрооборудования при необходимости испытаний постоянным током традиционным методом или поиске однофазных повреждений кабельной линии (см. фиг.1а).

Для случая испытаний междуфазной изоляции постоянным током или поиска двухфазных повреждений служит схема, показанная на фиг. 1б.

Для повышения эффективности испытаний повышенным напряжением путем максимального приближения условий испытаний к реальным служит схема (фиг. 1в) генерации "косинусно-прямоугольного" напряжения с требуемой продолжительностью периода, например 10 сек.

Нужная продолжительность периода, а значит, и частота переменного тока испытаний может быть получена при помощи коммутатора К.

Коммутатор К представляет собой кольцо из электропроводящего материала, закрепленное на изолирующем планшете и разделенное на две части, отстоящие друг от друга на расстоянии, рассчитанном на максимальное испытательное напряжение.

На изолирующем планшете также неподвижно закреплено сплошное электропроводное кольцо, соосное с периферийным разделенным, и подвижный, соединяющий их токосъем, который приводится во вращение с требуемой частотой (скоростью) маломощным приводом через изолирующий вал.

При этом частота вращения токосъема, определяющая частоту генерации "косинусно-прямоугольного" напряжения, может быть 0,1 Гц или больше, поскольку мощность, требуемая для операций испытаний (заряд, разряд, дозаряд), может регулироваться разрядным сопротивлением PC и всегда, как и емкость, меньше, чем у прототипа.

Схема фиг. 1г отличается возможностью прямого (одновременного) трехфазного испытания фазной и линейной изоляции за счет наличия на коммутаторе К трех изолирующих планшетов со скользящими токосъемами, сидящими на одном изолирующем валу привода и сдвинутыми на 120^o относительно друг друга.

Разрезанное кольцо коммутатора К подключается к высоковольтным выводам электростатической машины (ЭСМ) различной полярности, а сплошное кольцо - к испытуемым жилам кабеля.

Электростатическая машина (ЭСМ) обладает уникальными возможностями (характеристиками) по генерации высокого напряжения (до миллионов вольт) при одно- или двухпроводном подключении и незначительной мощности ее регулируемого привода благодаря высокому внутреннему сопротивлению. Эти обстоятельства и определяют преимущества предлагаемого способа контроля изоляции и испытательной установки с ЭСМ.

Как известно, на практике два фактора приводят к пробою изоляции: неоднородность электрического поля и частицы примесей с высокой диэлектрической проницаемостью.

Но разряд не перейдет в пробой при высоком сопротивлении цепи! Раньше полного пробоя возникает, а затем прекращается предварительный разряд, не являющийся собственно пробоем. Предварительный разряд имеет место тогда, когда образуется единственный мостик, когда в цепь включено большое электрическое сопротивление.

При этом в газовых пузырьках изоляции выделяется количество тепла, недостаточное для того, чтобы вызвать неограниченное обугливание масла или другой изолирующей среды.

Единственный мостик разрушается вскоре после возникновения, прежде чем сформируется полный разряд.

Таким образом, когда источник высокого напряжения подключен через большое последовательно соединенное сопротивление, добавочного обугливания масла или другой изолирующей среды не происходит и можно наблюдать, что электрическая прочность при последующих пробоях оказывается больше, чем при первом (см. , например, Пробой жидких электроизоляционных материалов. Обзор по одноименной книге И. А. Кона, Энергия, Москва, 1967 год, стр. 6).

Для пробоя изоляции необходим газовый пузырь от электрода до электрода, который образуется только между большим числом мостиков, а для этого нужна значительная мощность источника. Следовательно, выбирая мощность ЭСМ, можно легко управлять этими процессами.

Итак, к пробою приводят два фактора: а) в изоляционном масле всегда имеются следы примесей, которые можно рассматривать как индуцированные электрические диполи с высокой поляризуемостью; б) на электродах или каком-либо определенном месте электрического поля имеется концентрация силовых линий около маленьких неровностей на электродах, в местах случайно адсорбированной влаги, на изоляционной бумаге и т.п.

Они (факторы) действуют следующим образом:
- примеси образуют мостики;
- они разрываются при частичных разрядах (ЧР) и мы наблюдаем предварительный разряд;
- для последующего разряда необходимо трехкратное увеличение местной напряженности электростатического поля;
- при этом, чтобы снова образовались местные мостики, нужно время, т.е. происходит запаздывание пробоя.

Вследствие предварительного разряда с очень слабым током крупные комплексы частиц могут расщепляться. Это сопровождается ростом пробивной напряженности электрического поля. Кроме этого, жидкость может очищаться в результате электролитического отложения примесей на диэлектрически граничных поверхностях или электродах (см. там же, стр. 54).

Таким образом, предложенный способ контроля изоляции позволяет испытывать изоляцию электрооборудования традиционным методом или при пониженных уровнях напряжения, как у прототипа; или исследовать характеристики частичных разрядов и по предварительному определять срок жизни изоляции, т.е. с высокой степенью точности диагностировать повреждения с указанием их конкретного места (см. заявку N 95103568/07).

Регистрация характеристик частичных разрядов позволяет оценивать качество изоляции и выявлять местные дефекты, которые практически невозможно определить обычными испытаниями высоким напряжением или измерениями каких-либо интегральных характеристик изоляции, таких как тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции и др. (см., например, С.Г.Кучинский. Частичные разряды в высоковольтных конструкциях, Ленинград, Энергия, 1979 год).

По характеру частичных разрядов или величине (пороге) предварительного разряда можно судить о сроке жизни изоляции, поскольку между пробивным напряжением U и сроком жизни изоляции существует вполне определенная связь, выраженная формулой

(для частот f до 150 килогерц),
где U-U_о - разность между приложенным напряжением и напряжением зажигания частичных разрядов. При переменном напряжении n=1; при постоянном n=2 или t_в•Uⁿ=const, где n=7-9 (см., например, Пробой жидких электроизоляционных материалов. Обзор по одноименной книге И. А. Кона, Энергия, Москва, 1967 год, стр.72).

Высокое внутреннее сопротивление (десятки мегаом) и малая мощность электростатической машины кроме гарантии целости испытуемой изоляции обеспечивают еще и более благоприятные условия безопасности обслуживающего персонала.

Особенно эффективно применение рассмотренного способа при контроле изоляции классов 35 кВ и выше, где в настоящее время контроль, как правило, отсутствует ввиду сложности и дороговизны его осуществления.

Изобретение относится к электроэнергетике и позволяет проводить диагностику и испытания изоляции повышенным напряжением без ее разрушения. Отличительной особенностью предложенного способа проверки электрической прочности изоляции электрооборудования, например кабельной линии электропередач, повышенным напряжением является то, что кабель периодически заряжают, перезаряжают на другую полярность, дозаряжают для компенсации потерь напряжения генерацией косинусно-прямоугольного напряжения с требуемой периодичностью, например 10 с, путем подключения жил кабеля к электростатической машине. 1 ил.

Способ контроля изоляции электрооборудования, например кабельной линии электропередач, при котором подводят постоянное или переменное повышенное напряжение сверхнизкой частоты к испытуемой жиле, которая при этом заряжается, перезаряжается на другу полярность, дозаряжается для компенсации потерь напряжения генерацией косинусно-прямоугольного напряжения, отличающийся тем, что постоянное или переменное напряжение подводят путем подключения к испытуемой жиле электростатической машины, а срок жизни изоляции определяют по величине предварительного разряда.