Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное

Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное относится к технике испытаний изоляции электрооборудования и электропроводки. Технический результат - возможность его использования в качестве более чувствительного, чем существующие, мегаомметра, когда сопротивление изоляции испытываемого объекта выше допустимого, и в качестве более портативной и безопасной, чем существующие, пробивной установки, когда она ниже допустимого. Это достигается путем добавления к схеме преобразователя ограничительного резистора и двух измерительных приборов, контролирующих напряжение на выходе и ток утечки, а также соблюдения условий, когда мощность повысительного трансформатора преобразователя принимают равной мощности на выходе преобразователя при сопротивлении изоляции испытываемого объекта, равном половине допустимого, а емкости конденсаторов удвоителя напряжения преобразователя и регламентируемый условиями безопасности ток на выходе преобразователя принимают равными 20% от расчетного (допустимого) значения. Изобретение может быть использовано для испытания объектов как с одним, так и с несколькими номинальными напряжениями, а также для выявления запаса прочности изоляции однотипных видов электрооборудования, например тяговых двигателей при выборе места их размещения на тяговом подвижном составе с целью повышения его надежности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область использования - в электротехнике и других отраслях техники, где требуются универсальные портативные высоковольтные преобразователи напряжения с выходным выпрямленным частично сглаженным высоким напряжением, например при испытаниях электрооборудования и электропроводки.

Аналогами изобретения можно считать применяемые в настоящее время аппараты для проверки изоляции электрооборудования - мегаомметры и пробивные установки.

Недостаток большинства существующих мегаометров заключается в том, что они имеют резко падающую при понижении измеряемого сопротивления изоляции нагрузочную характеристику. Из-за этого при допустимом (нормируемом) сопротивлении изоляции испытываемого электрооборудования напряжение на выходе мегаомметра получается значительно меньше номинального напряжения электрооборудования. Такие мегаомметры имеют недостаточную чувствительность, то есть создают иллюзию благополучия.

Недостаток большинства существующих пробивных установок заключается в их громоздкости, невозможности определения места ослабления изоляции без ее разрушения, необходимости применения обслуживающим персоналом специальных мер безопасности.

К этим недостаткам следует добавить то обстоятельство, что между моментом выявления факта ослабления изоляции мегаомметром и моментом ее восстановления с помощью пробивной установки обычно происходит какое-то время. В последние годы это время стараются сократить за счет оснащения специальных бригад испытателей всеми видами испытательного оборудования, доставляемого на специальных автомашинах. Такой подход иногда позволяет решить проблему доставки, но усугубляет финансовую проблему. В конце прошлого века много крупных предприятий с отлаженной системой контроля изоляции электрооборудования прекратили свое существование. Их место заняли мелкие фирмы, владельцы которых пока не в силах обеспечить должный контроль за состоянием изоляции своего электрооборудования с помощью существующих средств и методов. Это обстоятельство, а также развал коммунального хозяйства, ухудшение качества ремонта электрооборудования на некоторых заводах и недостаток финансирования медицины и образования вызвали в стране рост числа пожаров и других техногенных катастроф, обусловленных нарушением изоляции электрооборудования и электропроводки. Особенно опасны пожары и техногенные катастрофы такого рода там, где они нередко сопровождаются человеческими жертвами, то есть в школах, больницах и на транспорте.

Мегаометры и пробивные установки выделились в самостоятельные группы высоковольтных преобразователей переменного напряжения в постоянное много лет тому назад. В технической литературе описано множество их схем. Но патентов по этим группам почти нет. Можно объяснить это тем, что их схемы совершенствовали медленно, эволюционным путем, причем каждый раз полученный результат не считали имеющим технический характер. Логично предположить, что в практической работе и при экспертизе любой заявки по существу выбор в качестве прототипа одной из известных из литературы схем мегаомметра приведет к незначительному усовершенствованию мегаомметра. То же можно сказать и о пробивной установке. В любом случае шансов на устранение указанных выше недостатков обеих групп в одном устройстве не будет.

Поэтому наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности прототипом выбрана схема по патенту Франции №2471723, H05G 1/12, 1980 г. Она совпадает с заявленным изобретением наибольшим количеством существенных признаков (элементов), отличаясь от него отсутствием единственного элемента - ограничительного резистора на выходе, а также необходимых для проверки изоляции измерительных приборов. Недостатком прототипа является то, что он не может быть использован ни в качестве мегаомметра, ни в качестве пробивной установки. Ибо все элементы прототипа, включающего в себя повысительный трансформатор и удвоитель напряжения, рассчитаны на постоянную нагрузку на выходе.

Задачей заявленного изобретения является возможность его использования в качестве более чувствительного, чем существующие, мегаомметра, когда сопротивление изоляции испытываемого объекта выше допустимого, и в качестве более безопасной и портативной, чем существующие, пробивной установки, когда оно ниже допустимого.

Указанная задача при выбранной схеме заявленного преобразователя выполняется за счет соблюдения следующих условий:

а) напряжение холостого хода на выходе преобразователя должно превышать номинальное напряжение испытываемого объекта в соответствии с существующими для пробивных установок нормами;

б) мощность повысительного трансформатора должна быть равной мощности на выходе преобразователя при сопротивлении изоляции испытываемого объекта, равном половине допустимого;

в) емкости конденсаторов удвоителя напряжения в схеме преобразователя и регламентируемый условиями безопасности ток на выходе преобразователя должны быть равными 20% от расчетного (допустимого) значения.

Условие по п. а) является очевидным для достижения поставленной задачи и поэтому, являясь отличительными от прототипа признаком, не может рассматриваться в качестве имеющего технический характер и входить в формулу изобретения, так как достигается благодаря соблюдению установленных правил.

Условие по пп. б) и в) не являются очевидными или полученными на основании существующих правил или математических методов. Они получены путем многолетних экспериментальных проб и ошибок. Поэтому они могут войти в формулу изобретения, если рассматривать его как новый способ использования преобразователя или как применение ранее известной схемы по новому назначению.

На фиг.1 показана схема преобразователя, а на фиг.2 - его нагрузочная характеристика, используемая как доказательство выполнимости поставленной перед ним задачи.

На фиг.1 изображен преобразователь 1 с ограничительным резистором 2, вольтметром 3, миллиамперметром 4 и высоковольтным выводом с захватом типа «крокодил» 5.

При мощности преобразователя порядка нескольких ватт, резко падающей нагрузочной характеристики и соответствующей градуировки вольтметра эта схема может работать как мегаомметр при всех присущих им недостатках.

При мощности преобразователя порядка нескольких киловатт и практически неизменной в широком диапазоне изменения нагрузок внешней характеристики эта схема работает как пробивная установка при всех их недостатках.

Но только при соблюдении указанных выше условий схема выполняет задачу, поставленную перед заявнным изобретением, в широком диапазоне нагрузок от 0 до ∞, в качестве которой можно рассматривать либо сопротивление изоляции испытываемого объекта, либо сопротивление тела случайно прикоснувшегося к захвату человека. По показаниям вольтметра 3 можно судить о величине сопротивления изоляции или о ее повреждении. Некоторые виды электрообразования (например, разрядники) следует проверять не только по напряжению, но и по току утечки. В этом случае может пригодиться миллиамперметр 4.

На фиг.2 представлена построенная по данным Временной инструкции по эксплуотации портативной пробивной установки П-5, утвержденной начальником службы локомотивного хозяйства Московской железной дороги 20.08.96 г., внешняя (нагрузочная) характеристика заявленного преобразователя, элементы которого выбраны по указанным выше условиям, в диапазоне изменения нагрузки от 0 до 60 МОм (причем мощность трансформатора равна 60 ВА, емкость конденсаторов равна 0,1 мкФ, а сопротивление добавочного резистора равно 24 кОм). Например, для проверки изоляции тяговых двигателей с номинальным напряжением 3 кВ по условию а) напряжение на выходе V выбрано равным 6 кВ. По условию б) при допустимом сопротивлении изоляции, равном 1,2 МОм, нагрузка R на выходе, по которой выбирается мощность трансформатора, равна 0,6 МОм. По закону Ома ток на выходе равен:

а мощность Р трансформатора равна:

P=V·I=6000·0.01=60 Вт.

Условие а) соблюдено.

По известной из Справочника радиолюбителя под редакцией А.А.Куликовского (Госэнергоиздат 1961 год, стр.325) для преобразователей такого рода формуле при V=6000 B и 1=10 мА расчетная емкость конденсаторов равна:

то есть в рамках допустимой погрешности выбранная емкость конденсаторов в 5 раз меньше расчетной. Условие в) для конденсаторов соблюдено.

При минимально возможном сопротивлении тела человека, равном 1 кОм, и выбранном ограничительном резисторе с сопротивлением, равным 24 кОм, по кривой на фиг.2 напряжение на выходе V равно 536 В.

Тогда ток на выходе:

что в 5 раз меньше допустимого для человека по условиям безопасности (равного 0,1 А).

Условие в) для человека соблюдено.

Проверить формально условие безопасности для изоляции электрооборудования не представляется возможным из-за отсутствия нормативов. Однако многолетний опыт эксплуатации образцов заявленного устройства в депо Московской железной дороги показал, что при мощности на выходе этого устройства порядка нескольких десятков ватт изоляция электрооборудования не разрушается. В существующих пробивных установках мощность на выходе может достигать нескольких киловатт.

Опыт показал также, что если изоляция имеет только местное поверхностное увлажнение или загрязнение, то для образования ясно видимой искры («змейки») достаточно иметь мощность на выходе заявленного преобразователя, равную 20 Вт. Легко подсчитать, что для кривой на фиг.2 это условие соблюдается в диапазоне от 50 кОм до 1,05 МОм, что практически полностью охватывает зону, в которой изоляция нуждается в восстановлении. Если стрелка вольтметра 3 внутри этой зоны колеблется, нужно открыть люки тягового двигателя, найти и устранить «змейку», а затем по тому же прибору убедиться, что сопротивление изоляции восстановилось. Если сопротивление изоляции ниже чем 1,05 МОм и стрелка вольтметра неподвижна, изоляцию тягового двигателя следует высушить. Если сопротивление изоляции в цепях тяговых двигателей какого-либо вагона находится в пределах от 1,05 до 1,2 МОм, то такой вагон следует взять на заметку и проверять сопротивление изоляции при всех заходах в депо.

Из упомянутой выше временной инструкции известно, что заявленный преобразователь размещается в пластмассовом корпусе с габаритами 370×115×280 мм. Вес преобразователя 5,5 кг.

Практика применения заявленного изобретения в различных локомотивных депо Московской железной дороги показала, что с его помощью можно снизить число бракуемых тяговых двигателей в 10 раз.

Если требуется применять заявленный преобразователь для проверки изоляции нескольких видов электрооборудования с различными номинальными напряжениями, следует использовать не один, а несколько повысительных трансформаторов. Их первичные обмотки должны быть соединены параллельно и включаться отдельно тумблерами, а вторичные обмотки - соединены последовательно. В этом случае условие по п. б) относится к суммарной мощности трансформаторов.

Имеется еще один резерв повышения надежности работы устаревшего однотипного оборудования. Оказалось, например, что применяемые на железных дорогах однотипные тяговые двигатели имеют различный запас прочности изоляции. Для повышения надежности локомотивов и электропоездов разумно размещать на тяговом подвижном составе в зависимости от величины этого запаса прочности, которую можно оценивать по миллиамперметру 4 при плавном подъеме напряжения на выходе заявленного преобразователя до момента, когда ток утечки начнет резко возрастать. С этой целью на входе преобразователя должен быть установлен автотрансформатор.

1. Преобразователь переменного напряжения в выпрямленное высокое напряжение с добавлением к нему ограничительного резистора, содержащий повысительный трансформатор, удвоитель напряжения и два измерительных прибора, фиксирующих напряжение и ток на входе, отличающийся тем, что параметры всех элементов преобразователя и ограничительного резистора определяют из следующих условий:

а) мощность повысительного трансформатора принимают равной мощности на выходе преобразователя при сопротивлении изоляции испытываемого объекта, равном половине допустимого;

б) емкости конденсаторов удвоителя напряжения и регламентируемый условиями безопасности ток на выходе преобразователя принимают равным 20% от расчетного (допустимого) значения.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вместо одного повысительного трансформатора используют два или несколько, причем их первичные обмотки соединяют параллельно и включают отдельными тумблерами, а вторичные обмотки соединяют последовательно.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на его входе устанавливают автотрансфоматор.