С разрешения авторов, электронная копия статьи:
Система контроля параметров изоляции электрооборудования в рабочих режимах/ Н.В. Клиначев, Д.В. Коробатов, А.И. Согрин, А.С. Кульмухаметова //Механика и процессы управления. Том 2. – Материалы XXXXI Всероссийского симпозиума. – М.: РАН, 2011. – 201-206 с.

Клиначев Н.В., Коробатов Д.В.,
Согрин А.И., Кульмухаметова А.С.
г. Челябинск, ФГБОУ ВПО ЮУрГУ

УДК 62-791

Система контроля параметров изоляции
электрооборудования в рабочих режимах

К современному электрооборудованию предъявляются высокие требования по надежности, живучести и безопасности его работы. Особенно актуальны эти требования при автоматизации технологических процессов, связанных с повышенной опасностью, например, в химической, нефтегазовой или атомной промышленности. Причем на автоматику возлагается не только решение задач управления электрооборудованием, но и функции контроля его состояния, диагностики и прогнозирования выхода из строя, способного привести к катастрофическим последствиям.

Необходимость непрерывного контроля состояния изоляции обусловлена тем, что как бы ни были тщательно проведены периодические эксплуатационные измерения изоляции и ремонт электроустановки в течение периода времени между двумя очередными эксплуатационными испытаниями, изоляция может оказаться в аварийном состоянии. Кроме того, специфика некоторых производств не допускает остановку технологического процесса для проведения проверок.

Задача непрерывного контроля состояния изоляции приводного двигателя была сформулирована при разработке электропривода запорной арматуры для атомной промышленности [1]. Система, реализующая мониторинг состояния изоляции, должна осуществлять измерение параметров изоляции обмоток двигателя относительно его корпуса в режимах эксплуатации (под рабочим напряжением), сравнение измеренных параметров с их эталонными значениями, определение тенденции изменения состояния изоляции, сигнализацию о возможном выходе изоляции из строя. К системе предъявляются повышенные требования надежности и отказоустойчивости.

Проведенный анализ показал, что несмотря на большую важность вопросов непрерывного контроля изоляции как по технологическим условиям, так и по условиям безопасности, промышленностью выпускается весьма небольшое количество различных типов приборов непрерывного контроля изоляции для электроустановок напряжением до 1000 В [2]. Отечественная промышленность выпускает такие приборы в основном для сетей с изолированной нейтралью угольных шахт и рудников. Существующие, как отечественные, так и зарубежные приборы зачастую сигнализируют об опасности лишь тогда, когда сопротивление изоляции снизилось до критического уровня, т.е. не пригодны для постоянного мониторинга электрооборудования в рабочих режимах и в течение всего срока эксплуатации. Следовательно, для достижения поставленной цели необходимо разработать принципы контроля и прогнозирования состояния изоляции, и спроектировать систему, реализующую эти принципы.

Одним из наиболее эффективных методов контроля является измерение тангенса угла диэлектрических потерь $\tg δ$ [3]. Во-первых, этот метод не причиняет вреда изоляции, так как испытательное напряжение значительно ниже рабочего, во-вторых, имеется возможность прогнозировать состояние изоляции путем ведения статистических наблюдений в течение длительного периода. При резком увеличении $\tg δ$ по сравнению с предыдущим измерением можно сделать вывод, что оборудование нуждается либо в ремонте, либо в замене.

20110507_02.png, 2,5KB
Рис. 1. К определению параметров изоляции

Таким образом, информацию о состоянии изоляции предлагается получать, оценивая величины её активного и емкостного сопротивлений. С этой целью к изоляции двигателя прикладывается напряжение ($U_{ген}$) и измеряется напряжение на токовом шунте ($R_ш$). Шунт и схема замещения изоляции образуют пассивное дифференцирующее звено (см. рис. 1), чьи параметры можно определить по частотным свойствам. Типовые значения сопротивления изоляции таковы, что идентифицировать активную составляющую целесообразно на постоянном токе, ёмкостную – на переменном. Решение второй задачи прокомментируем. При изготовлении любого двигателя, сохранить абсолютную симметрию его фаз невозможно. По этой причине, кроме полезного сигнала на шунте всегда присутствует шум амплитудой 5..20 В, чей спектр определен диапазоном регулирования частоты вращения вала и частотой преобразования инвертера. Всилу данного обстоятельства необходимо: подавить помехи (методами цифровой обработки сигнала), и принять меры в отношении сохранения уровня полезного сигнала (при возможной вариации емкостного сопротивления стареющей изоляции для производимой номенклатуры изделий). Решением является следующая методика выполнения измерения. Меняя частоту источника переменного напряжения, прибор осуществляет поиск такого состояния идентифицируемой цепи, при котором падение напряжения на шунте составит некоторую часть от воздействия (допустим четверть). Искомое состояние отмечено точкой на ЛАЧХ (рис. 1). Измерение завершается аналитическим вычислением постоянной времени высокочастотного сопрягающего полюса и номинала $X_c$.

Устойчивое увеличение емкости изоляции относительно начального значения (определенного для исправного двигателя), является признаком ухудшения ее качества и надежности. Это позволяет своевременно принять меры по предотвращению аварий в электроприводе.

Одновременно с определением емкостной составляющей необходимо измерять активное сопротивление изоляции двигателя. Снижение этого сопротивления ниже определенного уровня служит признаком наличия механических дефектов изоляции и служит поводом для аварийного отключения электроустановки.

Методика содержит следующие шаги.

1. Подать постоянный ток на измеряемую цепь (в этом случае ёмкостная составляющая сопротивления изоляции не влияет на работу цепи).

2. Измерить падение напряжения на шунте. Зная его и величину поданного напряжения определить сопротивление утечки:

(1)

$R_1=(U_{ген}-U_ш)/I_ш$,

где: $U_{ген}$ – напряжение генератора;
$U_ш$ – падение напряжения на шунте;
$I_ш$ – ток шунта, который находится по формуле:

(2)

$I_ш=U_ш/R_ш$,

Если ток шунта мал, и измерить его не удается, значит, механических повреждений изоляции нет, но необходимо определить тенденцию ухудшения её состояния через определение емкостной составляющей её сопротивления.

3. Найти круговую частоту высокочастотного сопрягающего полюса:

(3)

$ω=4×2πf$,

где $f$ – частота, при которой отношение напряжений $U_{ген}$ и $U_ш$ равно 4.

4. Вычислить постоянную времени $T_4$:

(4)

$T_4=1/ω$,

5. Найти ёмкость изоляции следующим образом:

(5)

$C ≈ T_4 / R_ш$.

Функциональная схема прибора представлена на рисунке 2. Главными модулями являются: программируемый генератор переменного напряжения (реализованный на микросхеме прямого цифрового синтеза), Фурье-фильтр и управляющий микроконтроллер. Прибор функционирует в соответствии с принципом действия АЦП последовательного приближения. Программным способом в микроконтроллере реализованы задатчик амплитуды (сигнала на шунте), компаратор, и регистр последовательного приближения (контролирующий частоту генератора переменного напряжения). Компаратор выполняет сравнение желаемого уровня сигнала с измеренным посредством Фурье-фильтра, реализованном на усилительной схеме (с контролем инверсии сигнала) и усредняющем ΣΔ-АЦП. Фильтр скользящего среднего (ФСС), входящий в состав ΣΔ-АЦП, решает задачу подавления помех, вырезая все частоты в спектре сигнала, кратные 10 герцам (окно фильтра равно 0.1 сек). Это свойство ΣΔ-АЦП учитывается при установке частоты генератора переменного напряжения (шаг кратен 10 герцам). Для подавления помех, чей период больше или не кратен окну ФСС, сигнал, заполоняющий буфер последнего, взвешивается оконной функцией Блэкмана, посредством усилителя с программируемым коэффициентом передачи (с R-2R-ЦАП-ом на входе). В микроконтроллере имеются две таблицы соответствия. Первая – позволяет по коду регистра последовательного приближения установить частоту генератора переменного напряжения с логарифмическим шагом. Вторая – по частоте генератора позволяет уточнить номинал ёмкости. Регистр последовательного приближения – восьмиразрядный. Прибор настроен на идентификацию номинала ёмкости в пределах 2.5 декад (сто значений на декаду; ряд E96).

20110507_01.png, 7,5KB
Рис. 2. Функциональная схема измерителя параметров изоляции

При подключении к системе нового двигателя необходимо выполнить калибровку, при которой значения активного и емкостного сопротивлений исправной изоляции сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера. В процессе эксплуатации прибор выполняет одно измерение в минуту. При десятикратном увеличении емкостного сопротивления или десятикратном уменьшении активного подается сигнал об ухудшении изоляции.

Для подтверждения работоспособности описанной системы проведены эксперименты с её математической моделью, процессы в которой рассчитывалась при помощи программы численного моделирования Jigrein, созданной одним из авторов статьи. Результаты расчетов и саму модель можно увидеть в [4].

В заключение можно отметить, что результаты измерений, полученные с помощью предлагаемой методики можно использовать не только для контроля состояния изоляции, но и для получения информации о параметрах среды, в которой находится электроустановка. Например, электрическая емкость изоляции известным образом зависит от влажности, от температуры, от наличия ионизирующих излучений и т.д. Таким образом, область применения рассмотренной системы, может быть в дальнейшем расширена.

Источники информации

  1. Интеллектуальный мехатронный модуль для управления технологическими процессами в атомной промышленности: Отчет по НИР № 1 (промежуточ.), ЮУрГУ, рук. Воронин С.Г.; исполн.: Д.В. Коробатов и др., г. Челябинск, 2010г. – 88 с. №ГР. 01201062035
  2. Руководство по эксплуатации, паспорт. Устройство для контроля изоляции «Орион-КИ» М.: ЗАО «РАДИУС Автоматика».
  3. Цапенко Е.Ф. Контроль изоляции в сетях до 1000 В./ Е.Ф. Цапенко – 2-е изд., пере-раб. – М: Энергия, 1972 г. – 152 с.
  4. Казарновский Д.М. Испытания электроизоляционных материалов./ Д.М. Казарновский, Б.М. Тареев Ленингр. отд. издательства «Энергия», 1969 г. – 216 с.
  5. Модель измерителя емкостного сопротивления. – Website: http://model.exponenta.ru/k2/Jigrein/md_089.htm

07.05.2011