Устройство для испытания изоляции силового кабеля и твердого диэлектрика

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для испытания электрических сетей. Устройство состоит из источника питания, резисторов и делителя высоковольтного напряжения, генератора импульсов переменной частоты, схемы управления транзисторным мостом, транзисторного моста, высоковольтного трансформатора, умножителя напряжения, высоковольтного кабеля, усилителя обратной связи по току, буферного прецизионного усилителя, усилителя обратной связи по напряжению, измерителя тока нагрузки, измерителя высокого напряжения, регулятора высоковольтного напряжения, датчика тока нагрузки, резистора защиты умножителя от короткого замыкания, делителя высоковольтного напряжения, образованного соединенными последовательно друг с другом верхним и нижним плечами. Технический результат изобретения состоит в расширении диапазона измеряемого сопротивления изоляции испытываемого объекта и определении его электрической прочности. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для испытания изоляции силовых кабелей и твердых диэлектриков.

Известен аппарат для испытания изоляции силовых кабелей и диэлектриков выпрямленным напряжением, а также для испытания твердых диэлектриков (Паспорт на аппарат типа АИД-70. ОАО "Мосрентген", Московская обл., Ленинский район, поселок Мосрентген, 2000 г.).

Аппарат выполнен в виде переносного пульта управления и источника испытательного напряжения. Источник испытательного напряжения включает в себя трансформатор высоковольтный, выключатель высоковольтный, резисторы высоковольтные и выпрямительные столбы, помещенные в бак, заполненный трансформаторным маслом.

Испытательное напряжение из бака выводится посредством специального высоковольтного изолятора, к которому подсоединяется испытываемый объект.

Под кожухом источника испытательного напряжения находится электромагнит замыкателя, конденсаторы и разрядники.

Пульт управления включает в себя регулятор испытательного напряжения, печатную плату, разъемы для подсоединения сетевого кабеля и кабелей источника испытательного напряжения, компенсационный трансформатор, предохранители и другие элементы электрической схемы.

На панели пульта управления расположены измерительные приборы, сигнальные лампы, ручка регулятора напряжения, кнопка, шунтирующий микроамперметр, кнопки включения и отключения испытательного напряжения, тумблер переключения градуировки киловольтметра при работе на выпрямленном напряжении.

В пульте управления предусмотрен переключатель вида испытательного напряжения и включения аппарата в сеть.

Недостатками известного аппарата являются следующие: - относительно высокая стоимость аппарата из-за необходимости использования дорогостоящих трансформаторов; - относительно большая масса аппарата и наличие двух блоков, которые невозможно объединить в один модуль из-за того, что испытательный блок высокого напряжения максимально удаляют от блока индикации из-за опасности поражения работника высоким напряжением в процессе испытаний; - относительно низкая точность измерения постоянной напряжения, которая необходима для получения сведений о состоянии изоляции силового кабеля.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство, представленное в патенте на изобретение РФ 2148264, G 01 R 31/02, 31/14, 2001 г.

Устройство для контроля сопротивления изоляции протяженных подземных объектов содержит входные зажимы, добавочное сопротивление, конденсатор, резистор, схему гиратора, пороговый блок, сигнальный блок и источник напряжения. В устройстве состояние изоляции определяется потенциалом, снимаемым с добавочного сопротивления, образующего совместно с контролируемым сопротивлением изоляции величиной до 150 МОм делитель напряжения, поступающим через фильтр низких частот, построенный на основе гиратора, с высоким входным сопротивлением и с постоянной времени до 10 с, на пороговый блок, сигнал с которого поступает на блок сигнализации.

Недостатками данного устройства являются: - ограниченный диапазон измерения сопротивления изоляции испытываемого объекта; - отсутствие возможности определения электрической прочности изоляции испытываемого объекта.

Задачами изобретения являются устранения указанных недостатков, а именно - расширение диапазона измерения сопротивления изоляции испытываемого объекта (от 0 до 10¹²Ом); - определение электрической прочности испытываемого объекта.

Для решения этих задач в устройстве, состоящем из источника питания, резисторов, делителя высоковольтного напряжения, предлагается: - дополнительно использовать генератор импульсов переменной частоты, схему управления транзисторным мостом, транзисторный мост, высоковольтный повышающий трансформатор, умножитель напряжения, высоковольтный кабель, усилитель обратной связи по току, буферный прецизионный усилитель, усилитель обратной связи по напряжению, измеритель тока нагрузки, измеритель высокого напряжения, регулятор высокого напряжения, датчик тока нагрузки, резистор защиты умножителя от короткого замыкания, делитель высокого напряжения, образованный соединенными последовательно друг с другом верхним и нижним плечами; - один выход источника питания, имеющий выходное напряжение 300 В, соединить с верхним плечом транзисторного моста;
- другой выход источника питания, имеющий выходное напряжение ±12 В, соединить с регулятором высокого напряжения, генератором импульсов переменной частоты, схемой управления транзисторным мостом, усилителями обратной связи по току и напряжению;
- выходы транзисторного моста подключить к концам первичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора;
- концы вторичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора соединить соответственно с входами умножителя напряжения и измерителя тока нагрузки;
- выход измерителя тока нагрузки подключить ко входу усилителя обратной связи по току и датчику тока нагрузки;
- входы генератора импульсов переменной частоты соединить соответственно со выходами усилителей обратной связи по току и напряжению;
- выход генератора импульсов переменной частоты соединить со входом схемы управления транзисторным мостом;
- выход схемы управления транзисторным мостом соединить со входом транзисторного моста;
- между выходом умножителя напряжения и высоковольтным кабелем установить резистор защиты умножителя от короткого замыкания;
- верхнее плечо делителя высокого напряжения подключить между резистором защиты умножителя от короткого замыкания и высоковольтным кабелем;
- среднюю точку делителя высокого напряжения соединить со входом буферного прецизионного усилителя;
- выходы буферного прецизионного усилителя соединить соответственно со входами измерителя высокого напряжения и усилителя обратной связи по напряжению;
- выход регулятора высокого напряжения соединить со входом усилителя обратной связи по напряжению;
- свободный конец регулятора высокого напряжения, выход умножителя напряжения, свободный конец нижнего плеча делителя высоко напряжения, измеритель высокого напряжения и экран высоковольтного кабеля соединить с общей электрической шиной;
- устройство в целом заземлить.

В результате достигается требуемый результат.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, а на фиг.2 - вариант исполнения умножителя напряжения.

На фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 - источник питания; 2 - генератор импульсов переменной частоты; 3 - схема управления транзисторным мостом; 4 - транзисторный мост; 5 - высоковольтный повышающий трансформатор; 6 - умножитель напряжения; 7 - высоковольтный кабель; 8 - усилитель обратной связи по току; 9 - буферный прецизионный усилитель; 10 - усилитель обратной связи по напряжению; 11 - измеритель тока нагрузки; 12 - измеритель высокого напряжения; 13 - регулятор высокого напряжения; 14 - датчик тока нагрузки; 15 - резистор защиты умножителя от короткого замыкания; 16 - верхнее плечо делителя высокого напряжения; 17 - нижнее плечо делителя высокого напряжения; 18 - средняя точка делителя высокого напряжения; 19 - проводник высоковольтного кабеля; 20 - изоляция высоковольтного кабеля; 21 - экран высоковольтного кабеля; 22 - испытываемый кабель; 23 - проводник испытываемого кабеля; 24 - изоляция испытываемого кабеля; 25 - экран испытываемого кабеля.

Устройство выполнено следующим образом (фиг.1).

Устройство для испытания силового кабеля и твердого диэлектрика состоит из источника питания 1, генератора импульсов переменной частоты 2, схемы управления транзисторным мостом 3, транзисторного моста 4, высоковольтного повышающего трансформатора 5, умножителя напряжения 6, высоковольтного кабеля 7, усилителя обратной связи по току 8, буферного прецизионного усилителя 9, усилителя обратной связи по напряжению 10, измерителя тока нагрузки 11, измерителя высокого напряжения 12, регулятора высокого напряжения 13, датчика тока нагрузки 14, резистора защиты умножителя от короткого замыкания 15, делителя высокого напряжения, образованного соединенными последовательно друг с другом верхним 16 и нижним 17 плечами.

Один выход источника питания 1, имеющий выходное напряжение 300 В, предназначен для питания транзисторного моста 4 и соединен с его верхним плечом. Другой выход источника питания 1, имеющий выходное напряжение ±12 В, предназначен для питания регулятора высоковольтного напряжения 13, генератора импульсов переменной частоты 2, схемы управления транзисторным мостом 3, усилителя обратной связи по току 8 и усилителя обратной связи по напряжению 10.

Выходы транзисторного моста 4 подключены к концам первичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора 5.

Концы вторичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора 5 соединены соответственно со входами умножителя напряжения 6 и измерителя тока нагрузки 11.

Высоковольтный повышающий трансформатор 5 выполнен на основе ферритовых колец и имеет коэффициент трансформации, примерно равный 25-30.

Умножитель напряжения 6 представляет собой несимметричный выпрямитель - умножитель второго рода, состоящий из 4-10 диодно-емкостных звеньев.

Измеритель тока нагрузки 11 представляет собой стрелочный микроамперметр.

Выход измерителя тока нагрузки 11 подключен ко входу усилителя обратной связи по току 8 и датчику тока нагрузки 14.

Датчик тока нагрузки 14 представляет собой резистор, с которого снимается напряжение, пропорциональное току нагрузки.

Входы генератора импульсов переменной частоты 2 соединены соответственно с выходами усилителя обратной связи по току 8 и усилителя обратной связи по напряжению 10.

Усилитель обратной связи по току 8 позволяет обеспечить ток нагрузки на таком уровне, который обеспечивает надежную работу устройства.

Усилитель обратной связи по напряжению 10 предназначен для стабилизации высоковольтного напряжения на выходе из устройства.

Выход генератора импульсов переменной частоты 2 соединен со входом схемы управления 3 транзисторным мостом 3.

Генератор импульсов переменной частоты 2 предназначен для обеспечения частотно-импульсной модуляции напряжения, поступающего на транзисторный мост 3.

Схема управления 3 транзисторным мостом 4 представляет собой формирователь импульсов фиксированной длительности с частотой 0-20 кГц, поступающих на базы транзисторов моста 3.

Транзисторный мост 4 предназначен для получения прямоугольных импульсов с частотой 0-20 кГц и амплитудой напряжения 300 В.

Выход схемы управления транзисторным мостом 3 соединен со входом транзисторного моста 4.

Между выходом умножителя напряжения 6 и высоковольтным кабелем 7 установлен резистор защиты умножителя от короткого замыкания 15.

Частный случай исполнения умножителя напряжения представлен на фиг.2.

Верхнее плечо 16 делителя высокого напряжения подключено между резистором защиты умножителя от короткого замыкания 15 и высоковольтным кабелем 7.

Резистор защиты умножителя от короткого замыкания 15 ограничивает ток разряда конденсаторов умножителя напряжения 6 при пробое или коротком замыкании.

Высоковольтный кабель 7 позволяет подключать устройство к объекту испытания без специального высоковольтного изолятора.

Средняя точка делителя высокого напряжения 18 соединена со входом буферного прецизионного усилителя 9.

Верхнее плечо 16 делителя высокого напряжения состоит из набора стабильных резисторов с суммарным рабочим напряжением свыше 70 кВ и сопротивлением ≈50 МОм (R), а нижнее плечо 17 делителя высокого напряжения 17 - из резистора с сопротивлением, равным R•10^-4.

Выходы буферного прецизионного усилителя 9 соединены соответственно со входами измерителя высокого напряжения 12 и усилителя обратной связи по напряжению 10.

Буферный прецизионный усилитель 9 предназначен для согласования высоковольтного делителя напряжения с измерителем высокого напряжения 12.

Измеритель высокого напряжения 12 представляет собой стрелочный микроамперметр с градуировкой шкалы в киловольтах.

Выход регулятора высокого напряжения 13 соединен со входом усилителя обратной связи по напряжению 10.

Регулятор высоковольтного напряжения 13 выполнен в виде потенциометра, на который подано стабилизированное опорное напряжение.

Свободный конец регулятора высокого напряжения 13, выход умножителя напряжения 6, свободный конец нижнего плеча 17 делителя высокого напряжения, измеритель высокого напряжения 12 и экран 21 высоковольтного кабеля 7 сообщены между собой через общую электрическую шину.

Устройство в целом заземлено.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение сети 220 В с частотой 50 Гц выпрямляется полупроводниковым мостом и поступает с источника питания 1 на транзисторный мост 4. На базы транзисторов моста 4 со схемы управления транзисторного моста 4 поступают управляющие импульсы фиксированной длительности и переменной частоты, определяемой генератором импульсов переменной частоты 2. Благодаря этому с выхода транзисторного моста 4 снимается импульсное напряжение переменной частоты, поступающее на высоковольтный повышающий трансформатор 5. Поскольку длительность импульсов фиксирована, скважность импульсов, поступающих на умножитель напряжения 6, определяется частотой импульсов. В зависимости от скважности импульсов меняется величина выпрямленного умножителем высоковольтного напряжения 6. Причем, чем ниже частота импульсов на выходе умножителя напряжения 6, тем ниже выходное напряжение.

Величина напряжения устанавливается регулятором высоковольтного напряжения 13, выполненного в виде потенциометра.

Напряжение с движка регулятора высоковольтного напряжения 13 (потенциометра) сравнивается с напряжением, поступающим на вход усилителя обратной связи по напряжению 10 с буферного прецизионного усилителя 9 и равным напряжению, снимаемому с нижнего плеча делителя высокого напряжения 17.

Усиленная разность напряжений, снимаемых с регулятора высокого напряжения 13 и с делителя высокого напряжения, поступает на генератор импульсов высокого напряжения 2, и, благодаря высокому коэффициенту усиления усилителя 10(10³-10⁴), оба напряжения поддерживаются практически равными.

С умножителя напряжения 6 высоковольтное напряжение поступает через резистор защиты умножителя от короткого замыкания 15 на высоковольтный кабель 7, и далее, на испытываемый объект.

Напряжение с датчика тока нагрузки 14 поступает на вход усилителя обратной связи по току 8. С него напряжение поступает на генератор импульсов переменной частоты 2.

При превышении заданного максимального тока нагрузки напряжение с выхода усилителя обратной связи по току 8 снижает частоту импульсов генератора импульсов переменной частоты 2, благодаря чему увеличение тока нагрузки прекращается.

Использование в качестве измерителя тока нагрузки 11 и измерителя высокого напряжения 12 точных стрелочных микроамперметров позволяет производить измерение высоковольтного напряжения и тока нагрузки с точностью порядка 1-2%.

Порядок работы устройства.

1. Устройство подключают к испытываемому объекту путем соединения между собой проводника 19 высоковольтного кабеля 7 с проводником 23 испытываемого кабеля 22 и соединения экрана 21 высоковольтного кабеля 7 с экраном испытываемого кабеля 22 (фиг.1).

2. Источник питания 1 подключают к сети 220 В с частотой 50 Гц.

3. Включают тумблер "Сеть" на источнике питания 1.

4. Выпрямленное напряжение сети подключают к транзисторному мосту 4.

5. Регулятором высоковольтного напряжения 13 устанавливают на испытываемом объекте требуемое напряжение.

6. Производят измерение характеристик испытываемого объекта.

7. После окончания испытания снижают напряжение на источнике питания 1 до 0 В, снимают напряжение с транзисторного моста и отключают сеть.

8. Подсоединяют разрядник к испытываемому объекту для снижения напряжения испытываемого объекта.

9. Отключают испытываемый объект от устройства.

Пример конкретного выполнения устройства.

Устройство позволяет обеспечить испытание изоляции силовых кабелей и твердых диэлектриков.

В одном из вариантов исполнения устройства использованы элементы со следующими характеристиками.

Источник питания 1 работает от сети 220 В и 50 Гц и вырабатывает выпрямленное напряжение 300 В (диодный мост) и ±12 В.

Генератор импульсов переменной частоты 2 создан на основе операционного усилителя.

Схема управления транзисторным мостом 3 работает на логических микросхемах и транзисторах, подключенных к разделительному трансформатору, установленному в схему управления 3 транзисторным мостом 4.

Транзисторный мост 4 состоит из четырех мощных IGBT транзисторов.

Высоковольтный повышающий трансформатор 5 создан на основе двух ферритовых колец большого диаметра.

Умножитель напряжения 6 выполнен в виде несимметричного выпрямителя-умножителя второго рода, состоящего из восьми диодно-емкостных звеньев.

Высоковольтный кабель 7 изготовлен из нескольких слоев изоляции, имеет экран и характеризуется рабочим напряжением не менее 100 кВ.

Усилитель обратной связи по току 8, буферный прецизионный усилитель 9 и усилитель обратной связи по напряжению 10 представляют собой операционные усилители, выполненные в виде микросхем.

Измеритель тока нагрузки 11 и измеритель высокого напряжения 12 выполнены в виде микроамперметров типа М4200.

Функции регулятора высоковольтного напряжения 13 выполняет потенциометр.

Датчик тока нагрузки 14 представляет собой резистор.

Резистор защиты умножителя от короткого замыкания 15 выполнен в виде высоковольтного резистора.

Верхнее плечо 16 высоковольтного делителя напряжения представляет собой набор резисторов типа С2-29В-2 Вт, а его нижнее плечо 17 выполнено в виде резистора типа С2-29В.

Создано опытное устройство и показана его работоспособность.

Формула изобретения

Устройство для испытания изоляции силового кабеля, состоящее из источника питания, резисторов и делителя высоковольтного напряжения, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено генератором импульсов переменной частоты, схемой управления транзисторным мостом, транзисторным мостом, высоковольтным трансформатором, умножителем напряжения, высоковольтным кабелем, усилителем обратной связи по току, буферным прецизионным усилителем, усилителем обратной связи по напряжению, измерителем тока нагрузки, измерителем высокого напряжения, регулятором высоковольтного напряжения, датчиком тока нагрузки, резистором защиты умножителя от короткого замыкания, делителем высоковольтного напряжения, образованным соединенными последовательно друг с другом верхним и нижним плечами, причем один выход источника питания, имеющий выходное напряжение 300 В, соединен с верхним плечом транзисторного моста, другой выход источника питания, имеющий выходное напряжение ±12 В, соединен с регулятором высоковольтного напряжения, генератором импульсов переменной частоты, схемой управления транзисторным мостом, усилителем обратной связи по току и усилителем обратной связи по напряжению, выходы транзисторного моста подключены к концам первичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора, концы вторичной обмотки высоковольтного повышающего трансформатора соединены соответственно со входами умножителя напряжения и измерителя тока нагрузки, выход измерителя тока нагрузки подключен ко входу усилителя обратной связи по току и датчику тока нагрузки, входы генератора импульсов переменной частоты соединены соответственно с выходами усилителя обратной связи по току и усилителя обратной связи по напряжению, выход генератора импульсов переменной частоты соединен со входом схемы управления транзисторным мостом, выход схемы управления транзисторным мостом соединен со входом транзисторного моста, между выходом умножителя напряжения и высоковольтным кабелем установлен резистор защиты умножителя от короткого замыкания, верхнее плечо делителя высокого напряжения подключено между резистором защиты высокого напряжения и высоковольтным кабелем, средняя точка делителя высокого напряжения соединена со входом буферного прецизионного усилителя, выходы буферного прецизионного усилителя соединены соответственно со входами измерителя высокого напряжения и усилителя обратной связи по напряжению, выход регулятора высокого напряжения соединен со входом усилителя обратной связи по напряжению, свободный конец регулятора высокого напряжения, выход умножителя напряжения, свободный конец нижнего плеча делителя высоковольтного напряжения, измеритель высокого напряжения и экран высоковольтного кабеля подключены к общей электрической шине, проводник высоковольтного кабеля соединен с проводником силового кабеля, экран высоковольтного кабеля подключен к экрану силового кабеля, а устройство в целом заземлено.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2