УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ИЗОЛЯЦИИ БРОНИРОВАННОГО КАБЕЛЯ Российский патент 2025 года по МПК G01R31/58 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для электрических испытаний изоляции бронированного кабеля, и может быть использовано при производстве и ремонте бронированных кабельных линий, например, кабелей на предприятиях нефтедобычи.

Известен стенд для испытаний изоляции погружного кабеля «ИДИЗ-3» [Измерения электрических параметров погружного кабеля «ИДИЗ-3» Руководство по эксплуатации, ООО «Научно-технический центр «Электроник» - г. Омск, 2008. - 24 с., Приложение 1, с. 23], содержащий персональный компьютер, соединенный через радиомодем с микропроцессорным блоком управления, к которому подключены высоковольтный генератор, высоковольтный коммутатор, к которому через соединительные кабели подключена клеммная коробка для подключения испытуемого объекта.

Высоковольтный генератор вырабатывает напряжение от 1 кВ до 25 кВ, величину которого устанавливает оператор в программе персонального компьютера. Напряжение через блок высоковольтного коммутатора подают на испытуемый кабель. Программное обеспечение задает последовательность переключения токопроводящих жил кабеля, величину испытательного напряжения, скорость нарастания, время испытания и представляет результаты в требуемой для отчета форме.

Недостатком стенда является низкая надежность из-за частых сбоев в работе программного обеспечения, а также сложность обслуживания использованных элементов конструкции.

Известен стенд для испытания изоляции погружного кабеля [Апалишин B.C. Разработка комплекса технических средств по испытанию погружной кабельной линии, Национальный Исследовательский Томский Политехнический Университет, г. Томск, 2017 г., 115 с., магистерская диссертация, Рис. 5, с. 29, Приложение В, с. 100], принятый за прототип. Стенд содержит персональный компьютер, подключенный через USB-адаптер к контроллеру. Выходы контроллера подключены к соответствующим первым выводам катушек промежуточных реле, вторые выводы которых объединены и подключены к источнику питания постоянного напряжения +24 В. Первые контакты промежуточных реле объединены и подключены к первому выводу сети переменного напряжения 220 вольт 50 Гц. Вторые контакты промежуточных реле соединены по отдельности с первыми выводами катушек магнитных пускателей переменного тока. Вторые выводы катушек магнитных пускателей переменного тока объединены и подключены к второму выводу сети переменного напряжения 220 вольт 50 Гц. К источнику переменного напряжения 220 вольт 50 Гц подключены источник питания постоянного напряжения +24 В, управляемый высоковольтный источник постоянного напряжения, высоковольтный коммутатор.

Высоковольтный коммутатор содержит корпус, внутри которого расположены магнитные пускатели переменного тока, которые погружены в трансформаторное масло. Первые выводы контактов магнитных пускателей переменного тока соединены и подключены к первому выходу управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения. Вторые выводы контактов магнитных пускателей переменного тока предназначены для подключения через соединители к жилам испытуемого кабеля. Второй выход управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения соединен с заземлителем брони кабеля (зажимом защитного заземления).

После запуска с персонального компьютера программы испытания кабеля начинается цикл испытания изоляции жилы бронированного кабеля. Контроллер через контакты промежуточного реле выдает сигнал подключения первой жилы кабеля, включая первый магнитный пускатель переменного тока высоковольтного коммутатора, который своим контактом подключает выход управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения к соединителю жилы испытуемого кабеля. Затем управляемый высоковольтный источник постоянного напряжения поднимает напряжение на испытываемой жиле кабеля до заданного в программе уровня. После окончания времени выдержки кабеля под испытательным напряжением контроллер снимает сигнал управления через промежуточные реле с катушки магнитного пускателя переменного тока и высоковольтный коммутатор разъединяет жилу кабеля и управляемый высоковольтный источник постоянного напряжения. Величина тока утечки в первой жиле кабеля фиксируется в памяти персонального компьютера для оценки качества изоляции. Далее цикл испытаний изоляции бронированного кабеля повторяют с каждой из n жилой кабеля, где n - число жил испытываемого кабеля.

Недостатком данного технического решения является низкая надежность работы испытательного стенда, обусловленная сбоями контролера, персонального компьютера и ускоренным износом контактов промежуточных реле, которые возникают в моменты выключения катушек магнитных пускателей переменного тока высоковольтного коммутатора. В момент размыкания контактов промежуточного реле энергия катушки магнитного пускателя рассеивается в контуре питающей цепи (второй вывод катушки магнитного пускателя переменного тока, подключенный к второму выводу сети переменного напряжения 220 вольт 50 Гц, первый вывод сети переменного напряжения 220 вольт 50 Гц, первый вывод контакта промежуточного реле, второй вывод контакта промежуточного реле, второй вывод катушки магнитного пускателя переменного тока). Конструктивное исполнение связей между перечисленными элементами контура выполнено соединительными проводами суммарной длиной 0,5-1,0 метр и более. В момент коммутации цепи питания катушки магнитного пускателя переменного тока генерируется радиопомеха, которая сбивает работу контролера и персонального компьютера, а в контактах реле возникает искрение, которое приводит к ускоренному износу контактов.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности работы устройства для испытания изоляции бронированного кабеля.

Предложенное устройство для испытания изоляции бронированного кабеля так же, как в прототипе, содержит персональный компьютер, соединенный с управляемым высоковольтным источником постоянного напряжения и с контроллером с релейными контактами, высоковольтный коммутатор, в корпусе которого расположены магнитные пускатели переменного тока, погруженные в диэлектрическую жидкость, причем первые выводы контактов магнитных пускателей переменного тока соединены и подключены к первому выходу управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения, а вторые выводы контактов магнитных пускателей по отдельности подключены через соответствующие соединители с жилами испытуемого кабеля с заземленной броней. Второй выход управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения заземлен. Первые выводы релейных контактов контроллера с релейными контактами объединены. Вторые выводы релейных контактов соединены по отдельности с первыми выводами катушек магнитных пускателей. Вторые выводы катушек магнитных пускателей объединены и подключены к первому выводу сети переменного напряжения.

Согласно изобретению, первый вывод первого резистора подключен ко второму выводу сети переменного напряжения, а второй вывод первого резистора соединен с анодом диода, катод которого подключен к узлу соединения первых выводов релейных контактов контроллера, первый вывод второго резистора и первый вывод конденсатора подключены к узлу соединения первых выводов релейных контактов контроллера, второй вывод второго резистора и второй вывод конденсатора соединены с первым выводом сети переменного напряжения, при этом в высоковольтном коммутаторе параллельно каждой катушке магнитного пускателя подключен диод, катод которого подключен к первому выводу катушки магнитного пускателя, а анод соединен со вторым выводом катушки магнитного пускателя.

При использовании предложенного устройства цикл испытания изоляции жилы кабеля аналогичен циклу прототипа. По сигналу контроллера контакты реле подключают заряженный конденсатор к первому выводу катушки магнитного пускателя. Ток разряда конденсатора через катушку намного больше тока заряда конденсатора через первый резистор и диод от сети переменного напряжения. Конденсатор разряжается до напряжения удержания магнитного пускателя. К концу времени выдержки жилы под высоким напряжением согласно ГОСТ Р 51777-2001 к моменту отключения магнитного пускателя высоковольтного коммутатора напряжение на его катушке снижено до напряжения удержания. Так как это напряжение на постоянном токе в десятки раз ниже номинального, то, соответственно, снижен и ток удержания.

Мощность радиопомехи в момент размыкания цепи питания катушки магнитного пускателя определяется запасенной в катушке энергией. Так как к этому моменту в устройстве снижен размыкаемый ток, то снижена и энергия в катушке, а следовательно, и энергия радиопомехи.

Подключение диода непосредственно к выводам катушки магнитного пускателя сокращает контур протекания тока до пространства самой катушки, исключая этим внешнюю протяженную связь излучения радиопомехи и исключает электроэрозию релейных контактов контроллера.

Таким образом, надежность работы устройства повышена за счет снижения энергии помехи, локализации пространства ее рассеяния и исключения электроэрозии релейных контактов контроллера.

На фиг. 1 представлена схема устройства для испытания изоляции бронированного кабеля.

Устройство для испытания изоляции бронированного кабеля содержит персональный компьютер 1 (ПК), который через USB-разветвитель 2 (USB-p) соединен с контроллером с релейными контактами 3 (КРК) и с управляемым высоковольтным источником постоянного напряжения 4 (ВВП). Высоковольтный коммутатор 5 содержит корпус, внутри которого расположены магнитные пускатели переменного тока, которые погружены в диэлектрическую жидкость, например, в трансформаторное масло.

Первые выводы релейных контактов контроллера с релейными контактами 3 (КРК) объединены, а вторые выводы релейных контактов соединены по отдельности с первыми выводами катушек магнитных пускателей переменного тока 6.1, 6.2, …, 6.n, где n - число жил испытываемого кабеля. Вторые выводы катушек магнитных пускателей переменного тока 6.1, 6.2, …, 6.n подключены к первому выводу сети переменного напряжения 7. Первые выводы контактов магнитных пускателей переменного тока 6.1, 6.2, …, 6.n подключены к первому выводу управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения 4 (ВВИ). Вторые выводы контактов массива магнитных пускателей переменного тока по отдельности подключены через соответствующие соединители с жилами испытуемого кабеля. Второй вывод управляемого высоковольтного источника 4 (ВВИ) подключен к клемме заземления 10. Второй вывод сети переменного напряжения 8 подключен к первому выводу первого резистора 11, второй вывод первого резистора 11 соединен с анодом диода 12, катод которого подключен к узлу соединения первых выводов контактов реле контроллера с релейными контактами 3 (КРК). К узлу соединения первых выводов контактов реле контроллера с релейными контактами 3 (КРК) подключены первый вывод второго резистора 13 и первый вывод конденсатора 14, второй вывод второго резистора 13 и второй вывод конденсатора 14 соединены с первым выводом сети переменного напряжения 7. Параллельно катушкам магнитных пускателей переменного тока 6.1, 6.2, …, 6.n подключены диоды 15.1, 15.2, 15.п, катод каждого из которых подключен к первому выводу соответствующей катушки магнитного пускателя переменного тока, а аноды соединены со вторыми выводами катушек магнитных пускателей.

В качестве управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения 4 (ВВИ) использован источник питания НТ-20000 (компания «Мантигора», Новосибирск). В качестве контроллера с релейными контактами 3 (КРК) использован контроллер фирмы CFsunbird LCUS-8 (Channel USB Relay Module Intelligent Control Switch Module For Smart Home, Mainland China). В качестве магнитных пускателей переменного тока использованы магнитные пускатели КМИ-49512 95А с катушкой 230 В (компания «ИЭК», Москва).

Испытание бронированного кабеля проводят под высоким напряжением в соответствии с ГОСТ Р 51777-2001. Барабан с бронированным кабелем помещают в заземленную ванну с солевым раствором и подключают соединители 9 к каждой жиле кабеля 16. Клемму заземления 10 и броню испытуемого кабеля 16 подключают к контуру заземления 17. На каждую жилу кабеля 16 поочередно подают испытательное напряжение, в 3-4 раза превышающее номинальное. После нормированной выдержки времени под испытательным напряжением с помощью микроамперметра или датчика тока измеряют величину тока утечки. Сравнивая измеренную величину с величиной, приведенной в ГОСТ Р 51777-2001 или ТУ завода изготовителя, делают заключение об уровнях токов утечки изоляции жил кабеля, и, соответственно, о качестве изоляции бронированного кабеля.

В исходном состоянии перед испытанием соединители 9 подключают к жилам испытуемого бронированного кабеля 16. Клемму заземления 10 и броню испытуемого кабеля 16 подключают к контуру заземления 17. Выводы сети 7 и 8 подключают к сети переменного тока 220 вольт. Конденсатор 14 заряжается через резистор 11 и диод 12 до близкого к амплитудному значению напряжения питающей сети Контакты реле контроллера 3 (КРК) разомкнуты. Контакты магнитных пускателей переменного тока 6.1, 6.2, …, 6.n высоковольтного коммутатора 5 (ВВК) разомкнуты.

После запуска с персонального компьютера 1 (ПК) программы испытания бронированного кабеля 16 сигнал через USB-разветвитель 2 (USB-p) поступает в контроллер с релейными контактами 3 (КРК). Выбранное реле контроллера с релейными контактами 3 (КРК) подключает катушку первого магнитного пускателя переменного тока 6.1 высоковольтного коммутатора 5 к конденсатору 14. За счет энергии, запасенной в конденсаторе 14, срабатывает первый магнитный пускатель переменного тока 6.1. Так как ток заряда конденсатора 14 ограничен резистором 11, напряжение на конденсаторе 14 снижается и устанавливается на уровне удержания первого магнитного пускателя переменного тока 6.1 в сработавшем состоянии. Величина тока в этом состоянии задана параметрами первого резистора 11, диодом 12 и активным сопротивлением R_MП катушки первого магнитного пускателя переменного тока 6.1:

где - ток катушки магнитного пускателя;

k_ф - коэффициент формы переменного напряжения, который для синусоидального напряжения равен 1,41;

Uс14 - напряжение на конденсаторе 14;

R_MП - активное сопротивление катушки магнитного пускателя;

R11 - сопротивление первого резистора 11;

R13 - сопротивление второго резистора 13.

Контакт первого магнитного пускателя переменного тока 6.1 высоковольтного коммутатора 5 подключает выход управляемого высоковольтного источника 4 (ВВИ) к соединителю 9 жил испытуемого кабеля 16. Управляемый высоковольтный источник 4 (ВВИ) поднимает напряжение на испытываемой жиле бронированного кабеля 16 до заданного в программе уровня. После окончания времени выдержки изоляции жилы кабеля 16 под испытательным напряжением контроллер с релейными контактами 3 (КРК) размыкает контакты реле и снимает сигнал управления с катушки первого магнитного пускателя переменного тока 6.1. Первый магнитный пускатель переменного тока 6.1. выключается и отключает управляемый высоковольтный источник 4 (ВВИ) от соединителя нагрузки 9. Далее цикл испытаний повторяют при срабатывании последующего магнитного пускателя 6.2, …, 6.n для каждой жилы бронированного кабеля.

Назначение второго резистора 13 состоит в разряде конденсатора 14 после отключения устройства от питающей сети для безопасности обслуживающего персонала. Величина сопротивления второго резистора 13 должна обеспечивать разряд конденсатора до безопасного уровня за 3 минуты и не влиять на напряжение удержания магнитного пускателя переменного тока во включенном состоянии. Это условие выполняется при его величине не менее 30 ⋅ R11.

Первый резистор 11 предназначен для снижения напряжения на катушке магнитного пускателя переменного тока после его срабатывания и его величину выбирают исходя из условия обеспечения напряжения удержания магнитного пускателя переменного тока во включенном состоянии. При снижении напряжения удержания снижается ток работающей катушки магнитного пускателя переменного тока и, соответственно, снижается магнитная энергия катушки магнитного пускателя:

где W_MП - величина магнитной энергии катушки;

L_MП - индуктивность катушки;

I_мп - значение тока катушки.

Для оценки эффективности перевода работы пускателей одного и того же типа с переменного на постоянное напряжение выполнено экспериментальное сопоставление энергии катушек на момент отключения.

При работе магнитных пускателей на переменном напряжении наибольшая энергия помехи возникает в момент отключения при амплитудном значении тока I_мп. Поэтому в таблице 1 паспортное значение тока удержания увеличено в 1.41 раза.

Для магнитных пускателей переменного тока марки КМИ-49512 с катушкой 230 вольт, амплитудное значение тока удержания, рассчитанное на основе паспортного, для момента отключения приведено в таблице 1. Там же приведены экспериментальные данные этих же магнитных пускателей на постоянном напряжении. Из таблицы 1 видно, что ток удержания магнитного пускателя при переменном напряжении для наихудшего случая из трех (0,024 А) на постоянном в 8,3 раза больше тока при постоянном напряжении. Так как величина магнитной энергии катушки W_мп индуктивности пропорциональна квадрату тока, то магнитная энергия катушки при работе на постоянном напряжении оказывается в момент размыкания в 64 раз меньше, чем на переменном напряжении.

Подключение диода 15 непосредственно к выводам катушки магнитного пускателя переменного тока сокращает контур протекания тока после отключения до пространства самой катушки, исключая этим внешнюю протяженную связь с контроллером с релейными контактами 3 (КРК).

Надежность работы устройства повышена за счет снижения энергии помехи, локализации пространства ее рассеяния и устранения электроэрозии контактов реле. Эксплуатация устройства в заводских условиях в течение двух лет подтвердила эффективность описанных выше решений.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для электрических испытаний изоляции бронированного кабеля, и может быть использовано при производстве и ремонте бронированных кабельных линий. Устройство для испытания изоляции бронированного кабеля содержит персональный компьютер, соединенный с управляемым высоковольтным источником постоянного напряжения и с контроллером с релейными контактами; высоковольтный коммутатор, в корпусе которого расположены магнитные пускатели переменного тока, погруженные в диэлектрическую жидкость. Первые выводы контактов магнитных пускателей подключены к первому выходу управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения. Вторые выводы контактов магнитных пускателей по отдельности подключены через соответствующие соединители с жилами испытуемого кабеля, броня которого заземлена. Второй выход управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения заземлен. Первые выводы контроллера с релейными контактами объединены, а вторые выводы релейных контактов каждого реле соединены по отдельности с первыми выводами катушек магнитных пускателей. Вторые выводы катушек магнитных пускателей объединены и подключены к первому выводу сети переменного напряжения. Первый вывод первого резистора подключен ко второму выводу сети переменного напряжения, а второй вывод первого резистора соединен с анодом диода, катод которого подключен к узлу соединения первых выводов релейных контактов контроллера, первый вывод второго резистора и первый вывод конденсатора подключены к узлу соединения первых выводов релейных контактов контроллера, второй вывод второго резистора и второй вывод конденсатора соединены с первым выводом сети переменного напряжения. В высоковольтном коммутаторе параллельно каждой катушке магнитного пускателя подключен диод, катод которого подключен к первому выводу катушки магнитного пускателя, а анод соединен со вторым выводом катушки магнитного пускателя. Технический результат: повышение надежности работы устройства. 1 ил., 1 табл.

Устройство для испытания изоляции бронированного кабеля, содержащее персональный компьютер, соединенный с управляемым высоковольтным источником постоянного напряжения и с контроллером с релейными контактами; высоковольтный коммутатор, в корпусе которого расположены магнитные пускатели переменного тока, погруженные в диэлектрическую жидкость, причем первые выводы контактов магнитных пускателей соединены и подключены к первому выходу управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения, а вторые выводы контактов магнитных пускателей по отдельности подключены через соответствующие соединители с жилами испытуемого кабеля с заземленной броней, второй выход управляемого высоковольтного источника постоянного напряжения заземлен; первые выводы релейных контактов контроллера с релейными контактами объединены, а вторые выводы релейных контактов соединены по отдельности с первыми выводами катушек магнитных пускателей, вторые выводы катушек магнитных пускателей объединены и подключены к первому выводу сети переменного напряжения, отличающееся тем, что первый вывод первого резистора подключен ко второму выводу сети переменного напряжения, а второй вывод первого резистора соединен с анодом диода, катод которого подключен к узлу соединения первых выводов релейных контактов контроллера, первый вывод второго резистора и первый вывод конденсатора подключены к узлу соединения первых выводов релейных контактов контроллера, второй вывод второго резистора и второй вывод конденсатора соединены с первым выводом сети переменного напряжения, при этом в высоковольтном коммутаторе параллельно каждой катушке магнитного пускателя подключен диод, катод которого подключен к первому выводу катушки магнитного пускателя, а анод соединен со вторым выводом катушки магнитного пускателя.