2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ И НЕПРЕРЫВНЫЙ КОНТРОЛЬ ИЗОЛЯЦИИ
Для предотвращения замыканий на землю и возникновения аварийных режимов работы электроустановок необходимо осуществлять контроль сопротивления изоляции, который может быть периодическим и непрерывным.
Под периодическим контролем изоляции понимают измерение ее сопротивления в установленные правилами сроки, а также в случае обнаружения дефектов. Сопротивление изоляции электрических цепей, не находящихся под напряжением, обычно измеряют специальными приборами — мегаомметрами. Наибольшее распространение в промышленности получили мегаомметры Ml 101, которые выпускались на 100, 500 и 1000 В с пределами измерения соответственно 100, 500 и 1000 МОм. На рис. 1 изображена принципиальная схема мегаомметра типа Ml 101, имеющего два предела измерения.
Рис. 1. Схема мегаомметра типа Ml 101
Мегаомметр состоит из генератора постоянного тока С, вращаемого от руки, измерительного магнитоэлектрического прибора логометрической системы и добавочных резисторов. Нормальная частота вращения ручки прибора 120 об/мин. Переключатель П служит для переключения пределов измерения мегаомметра. Прибор имеет три зажима с надписями: линия Л, земля 3, экран Э. Зажимы Л и 3 присоединяются к электроустановке и земле в случае измерения сопротивления изоляции относительно земли, или оба зажима присоединяют к электрическим цепям, между которыми измеряют сопротивление изоляции. Если результат измерения сопротивления изоляции объекта может быть искажен поверхностными токами по изоляции, на изоляцию объекта накладываются экранные электроды, которые присоединяются к зажимам мегаомметра Э.
На верхнем пределе измерений MQ замкнуты контакты 2 и 3 переключателя пределов измерения Я, при этом образуется последовательная цепь тока: плюс генератора, рабочая рамка логометра 5, резистор R1, контакты переключателя 3 к 2, зажим Л, измеряемое сопротивление, зажим 3, резистор R2 и минус генератора. Измеряемое сопротивление включается последовательно в цепь между зажимами Л и 3. При замкнутых накоротко зажимах Л и 3 и нормальной частоте вращения генератора стрелка логометра должна устанавливаться на начальной отметке шкалы «нуль». При разомкнутых зажимах Л и 3 и тех же условиях стрелка логометра должна установиться на конечной отметке шкалы — ∞.
На нижнем пределе измерения замкнуты контакты 3-4 и 1-2 переключателя пределов измерения Я, при этом образуется параллельная цепь тока: плюс генератора, рабочая рамка логометра 5, резистор R1, контакты 3 и 4, резистор R2, минус генератора. Контакты 1-2 при этом присоединяют зажим Л к плюсу генератора, и измеряемое сопротивление оказывается включенным параллельно резистору R. В этом случае при замкнутых накоротко зажимах Л к 3 стрелка должна установиться на отметке шкалы ∞ верхнего предела измерения, что соответствует нулю для нижнего предела.
В настоящее время мегаомметры Ml 101 заменены на мегаомметры М4100/1—М4100/5. Эти мегаомметры предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от —30 до +40 °С и относительной влажности до 90 % при температуре +30 °С. Мегаомметры выпускаются в пяти модификациях на различные диапазоны измерений (0—2000 кОм, 0—1000 МОм) и напряжения 100, 250, 500, 1000, 2500 В. Питание мегаомметров производится встроенным генератором, приводимым во вращение от руки. Масса мегаомметра с футляром 4,9 кг. Схемы приборов приведены на рис. 2. Схема состоит из генератора переменного тока G, выпрямителя измерительного механизма (логометра магнитоэлектрической системы) и добавочных резисторов.
Рис. 2. Схемы мегаомметров М4100:
а —М4100/1—М4100/4; б— М4100/5; 1 — рамка рабочая; 3 — рамка противодействующая
Рис. 3. Схемы мегаомметров M4101: а - М4101/1 — М4101/4; б - М4101/5
Очень близкими по техническим характеристикам к приборам М4100 являются приборы М4101. Основное конструктивное различие прибора М4101 состоит в отсутствии в нем встроенного генератора. Питание прибора может осуществляться от сети переменного напряжения 220 и 127 В, частотой 50 Гц и от внешнего источника постоянного тока. Прибор М4101 имеет меньшую массу.
Схема электрическая принципиальная (рис. 3) состоит из трансформатора Т, выпрямителя измерительного механизма, добавочных резисторов и кнопки S.
Рис. 4. Схема мегаомметра Ml 102/1:
1 — рабочая рамка; 2 — противодействующая рамка
Рис. 5. Схема прибора для измерения сопротивления изоляции цепей промышленного освещения
Для измерения сопротивления изоляции электрических цепей и установок, не находящихся под напряжением, как на промышленных предприятиях, так и в шахтах используется мегаомметр Ml 102/1. Он имеет два диапазона измерений: 0—1000 кОм, 0— 200 МОм. Мегаомметр состоит из генератора переменного тока, приводимого во вращение от руки, выпрямителя, измерительного механизма и вспомогательных элементов. Для обеспечения условий искробезопасности обмотка статора имеет большое сопротивление. Электрическая принципиальная схема прибора приведена на рис. 4.
Значительную сложность представляет измерение сопротивления изоляции сетей электрического освещения. Известно, что измерение сопротивления изоляции каждого из проводов должно производиться при вывернутых лампах, когда исключается шунтирующее влияние сопротивления осветительных приборов.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институте охраны труда и техники безопасности черной металлургии (ВНИИТБчермет) разработан прибор, позволяющий производить измерения без вывертывания ламп. Прибор оказывается полезным также при эксплуатации силовых цепей, цепей управления и сигнализации. Прибор может использоваться в качестве мегаомметра. Он имеет внутренний автономный источник тока. Принципиальная электрическая схема прибора показана на рис. 5.
От автономного источника постоянного тока с помощью преобразователя напряжения (ППН), повышающих трансформаторов Т2, ТЗ и диодов VI—V8 с фильтрами получают измерительное напряжение 250 В. В качестве ППН выбран преобразователь напряжения с независимым возбуждением, который состоит из маломощного автогенератора, выполненного на транзисторах VT1, VT2, и двух усилителей мощности, выполненных на транзисторах VT3— VT6. Применение более простого преобразователя с самовозбуждением нецелесообразно, так как в процессе измерения возможен случай, когда сопротивление изоляции может оказаться равным нулю, что является аварийным режимом для ППН с самовозбуждением и приведет к выходу из строя транзисторов. Это потребует применения специальной защиты от КЗ на выходе преобразователя, что значительно усложняет схему. Кроме того, параметры ППН с независимым возбуждением значительно меньше зависят от сопротивления нагрузки, что упрощает подготовку прибора к измерениям и сам процесс измерения. Элементы электрической схемы смонтированы на едином шасси, установленном в корпусе, из полистирола. Размеры прибора 213Х X 136x92 мм, масса 2 кг. На лицевой панели прибора расположены микроамперметр М4204, отградуированный в единицах сопротивления, нуль-индикатор, выключатель питания, зажимы /, II для подключения к измеряемой линии, зажим заземления и ручки управления.
Переключатель режимов работы SN1 в положении «Изм. I» включает омметр Я в контур линии /, а в положении «Изм. II» — в контур линии II. В положении переключателя П1 «Установка нуля» ручками «Грубо» и «Точно» выставляется измерительное напряжение на выходе прибора и нуль на нуль-индикаторе. Электрическая схема смонтирована на плате из стеклотекстолита с применением печатного монтажа.
Для уменьшения вероятности поражения человека электрическим током необходим постоянный контроль изоляции в действующей установке. Непрерывность контроля изоляции особенно важна в сетях с изолированной нейтралью. Действительно, замыкание на землю одного из проводов сети с изолированной нейтралью совершенно меняет ее свойства. В нормальных условиях, когда все провода относительно земли имеют определенное активное сопротивление изоляции и сеть относительно земли не имеет существенной емкости, случайное прикосновение человека к токоведущим частям не вызывает серьезных последствий. Если в такой сети произойдет однофазное замыкание на землю, то напряжение двух других проводов (фаз с исправной изоляцией) по отношению к земле повышается до линейного напряжения сети, при этом случайное прикосновение человека, стоящего на земле (или на токопроводящем полу), к токоведущей части одной из фаз с исправной изоляцией равносильно прикосновению к двум фазам. Таким образом, он попадает почти под полное линейное напряжение, так как падение напряжения в цепи замыкания, обусловленное переходными сопротивлениями обуви и пола, сравнительно с сопротивлением тела человека будет незначительным.
Для обнаружения замыканий на землю используют вольтметры или лампы. При замыкании одной из фаз на землю подключенный к ней вольтметр покажет нуль, а два другие — линейное напряжение; точно так же соответствующая лампа погаснет, а две другие будут светиться ярче. При этом рекомендуется использовать вольтметры с большим внутренним сопротивлением и газоразрядные лампы (неоновые, аргоновые и т. д.). В противном случае вольтметры и контрольные лампы могут существенно снизить общее сопротивление изоляции сети относительно земли.
Рис. 6. Схема прибора МКН-380М:
1 — рабочая рамка; II — противодействующая рамка
Для непрерывного контроля изоляции рационально применять автоматические устройства, которые могут:
а) измерять сопротивления изоляции сети относительно земли во время работы электрической установки;
б) осуществлять автоматическую сигнализацию (звуковую или световую) при снижении сопротивления изоляции сети ниже установленного предела.
Значительный интерес представляют устройства, работающие на постоянном оперативном токе от постороннего источника. Обычно в качестве такого источника применяется понизительный трансформатор с выпрямителями, собранными по схеме двухполупериодного выпрямления. В цепи нагрузки таких схем кроме выпрямленного тока постороннего источника энергии проходит также переменный ток, вызванный напряжением контролируемой сети.
К приборам, работающим с использованием этого принципа, следует отнести контактные мегаомметры типов МКН-380М и МКН-380М1, предназначенные для непрерывного контроля сопротивления изоляции сетей переменного тока напряжением до 380 В, частотой 50 Гц с изолированной или заземленной через пробивной предохранитель нейтралью, а также для сигнализации при снижении сопротивления изоляции ниже допустимого уровня.
Прибор МКН-380М состоит из измерителя сопротивления изоляции (мегаомметра), схемы, обеспечивающей возможность подачи управляющего сигнала при уменьшении сопротивления изоляции контролируемой сети ниже допустимого уровня, выпрямителей и зажимов для включения прибора (рис. 6).
При включении прибора в сеть в случае конечного значения сопротивления изоляции сети постоянный ток от выпрямителя VI протекает через измерительную цепь: рабочая рамка измерителя Q — обмотка реле К2— резистор R2— зажим 7— сопротивление изоляции—заземленный зажим 9. Протекающий по рамке ток I вызовет отклонение подвижной части измерителя, соответствующее сопротивлению изоляции. Измерителем прибора является логометр магнитоэлектрической системы. Через противодействующую рамку II логометра протекает ток, значение которого не изменяется. Шкала измерителя проградуирована в мегаомах.
При идеальной изоляции сети или разомкнутых зажимах 7 и 9 стрелка измерителя установится на отметке ∞. Если сопротивление Изоляции сети имеет конечное значение, стрелка займет положение левее отметки ∞. При замкнутых зажимах 7 и 9 стрелка установится на нулевой отметке. Основным элементом прибора, обеспечивающим возможность получения сигнала об аварийном состоянии изоляции, является двухобмоточное трехпозиционное поляризованное реле К2. Обмотки реле питаются от отдельных источников и включены таким образом, что проходящие через них токи создают встречные магнитные потоки. Следовательно, якорь реле притянется к левому или правому контакту в зависимости от направления результирующего момента, действующего на якорь, т. е. когда ток через одну из обмоток будет больше тока другой обмотки на значение тока срабатывания реле. При достаточно большом сопротивлении изоляции сети ток, проходящий через обмотку 1-2, значительно меньше тока обмотки 4-3 и якорь реле притянут к левому контакту.
С уменьшением сопротивления изоляции сети ток через обмотку 1-2 возрастает. Когда токи обмоток будут равными, якорь займет нейтральное положение. При дальнейшем уменьшении сопротивления изоляции разность токов обмоток увеличивается и, когда эта разность достигнет тока срабатывания реле, якорь притянется к правому контакту (п) и закоротит резистор R7 в цепи обмотки сигнального реле К.1. Реле К1 включается и контактами 6-7 замыкает между собой зажимы 2 и 4. Одновременно вторая группа контактов
этого же реле включает последовательно с резистором R5 резистор Кб и замыкает цепь самоблокировки. Включение дополнительного резистора R6 уменьшает ток обмотки реле К2, способствуя надежному удержанию якоря в правом положении.
Соединив последовательно зажимы 2 и 4 прибора, сигнальное или коммутирующее устройство и источник питания, можно передать сигнал о состоянии изоляции в нужный пункт, отключить автоматически контролируемый объект от сети или включить соответствующее регулирующее устройство.
В процессе настройки прибора в обмотке 4—3 реле К2 устанавливается ток, который соответствует заданному сопротивлению уставки. С повышением сопротивления изоляции ток через обмотку 1-2 и реле К2 уменьшается. Когда токи обмоток сравняются, якорь займет нейтральное положение, при этом отключится реле /С/, а его контакты разорвут цепи управляющего сигнала блокировки и шунтируют резистор R6.
Диоды V2, УЗ и конденсатор С4 устраняют возможность срабатывания реле в момент включения прибора в сеть и при резких колебаниях напряжения питающей сети. Конденсатор С5 и резистор R8 являются искрогасящей цепью в цепи контактов 6—7 реле К1. Схемой прибора предусмотрена возможность самоблокировки сигнального реле К1. Для этого к зажимам бив присоединяется кнопка S с размыкающими контактами. При замыкании контактов 4—5 реле К1 ток обмотки реле протекает через кнопку S и контакты 4—5. Режим самоблокировки исключает автоматическое размыкание цепи управляющего сигнала при восстановлении сопротивления изоляции сети до нормального значения, при этом для снятия самоблокировки следует нажать и опустить кнопку S.
Для размыкания цепи управляющего сигнала, когда сопротивление изоляции превысило сопротивление уставки, но не достигло значения, при котором отключается сигнальное реле, необходимо кратковременно отключить питание прибора.
Прибор МКН-380М1 по принципу действия и конструктивному оформлению не отличается от прибора МКН-380М, однако имеет по сравнению с последним следующие особенности: для обеспечения необходимого диапазона измерений и срабатывания сигнального реле, устранения ложных срабатываний сигнального реле рабочая рамка измерителя зашунтирована резистором, а выпрямитель, питающий измерительную цепь, выполнен по мостовой схеме. В приборе МКН-380М1 отсутствует режим самоблокировки сигнального реле. На внешние зажимы прибора выведены две пары контактов сигнального реле. Так как прибор рассчитан для коммутации активной нагрузки в цепи управляющего сигнала, искрогасящие цепи не предусмотрены.
Мегаомметры типа МКН-380 являются достаточно совершенными устройствами непрерывного контроля изоляции, так как их работа улучшена применением стабилизированного источника постороннего напряжения.
Применение высокочувствительных магнитоэлектрического реле и измерительного прибора позволило сделать схему прибора с большим сопротивлением со стороны подключаемых к сети зажимов. Последнее, как известно, является одним из главных требований к приборам контроля изоляции с точки зрения безопасности.
В Московском институте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА) разработано устройство измерения сопротивления изоляции и компенсации емкости сети УИКС-3. Оно используется в электротехнических установках трехфазного тока с изолированной нейтралью, находящихся под напряжением. Устройство УИКС-3 контролирует активное сопротивление изоляции с помощью оперативного тока, подаваемого на обмотку сигнального реле. При снижении сопротивления изоляции до аварийного значения (15 кОм) срабатывает реле: гаснет лампа «Норма» и загорается лампа «Авария». Прибор возвращается в нормальное состояние при сопротивлении изоляции сети 50 кОм.
Компенсация емкостных токов утечки осуществляется с помощью включенного между нейтралью и землей компенсирующего устройства (дросселя), настраиваемого в резонанс с емкостью сети.
Устройство имеет следующие технические характеристики:
Напряжение контролируемой сети при частоте 50 Гц,
В 400
Род тока Переменный,
трехфазный
Пределы измерения сопротивления изоляции, МОм 0—2
Время срабатывания реле, с 0,8
Оперативный ток, мА 1
Компенсируемая прибором емкость сети, мкФ 0,5—2,5 Кратность компенсации (относительное снижение
тока) 5
Потребляемая мощность, Вт 40
В сетях до 1 кВ с заземленной нейтралью сопротивление изоляции не влияет на значение тока, протекающего через тело человека, прикоснувшегося к токоведущим
частям. Однако поддержание сопротивления изоляции на высоком уровне снижает вероятность замыканий на землю и на корпус и увеличивает тем самым уровень электробезопасности. Периодическое измерение сопротивления изоляции мегаомметром хотя и повышает безопасность эксплуатации таких сетей, но не позволяет судить о значении сопротивления изоляции в любой момент времени. Кроме того, измерения мегаомметром, связанные с отключением электрооборудования, отсоединением нулевых проводов, вывинчиванием. ламп в осветительных сетях, крайне затруднительны.
Во Всесоюзном научно- исследовательском институте охраны труда ВЦСПС (ВНИИОТ) (г. Ленинград) было разработано устройство автоматического контроля изоляции сетей до 1 кВ без снятия напряжения и отключения нагрузки (рис. 7).
Принцип действия устройства основан на измерении тока нулевой последовательности, возникающего при появлении в сети тока утечки через проводимость изоляции фаз на землю. Измерение этого тока осуществляется при помощи трансформатора тока нулевой последовательности— ТА. Первичной обмоткой ТА могут служить кабель или шина. При протекании в первичной обмотке ТА тока нулевой последовательности во вторичной обмотке возникает ЭДС, которая при определенном значении тока утечки в контролируемой сети вызывает срабатывание реле и включение сигнальной лампы.
По данным ВНИИОТ у рассматриваемого прибора для ТА с первичной кабельной обмоткой нижний предел чувствительности составляет 5 мА, а для ТА с первичной обмоткой в виде шины — 2 мА. Устройство является стационарным. В комплект входят ТА и регистрирующий прибор РА, состоящий из усилителя, реле и сигнальной лампы. Усилитель, собранный на трех транзисторах по схеме с общим эмиттером, питается от сети переменного тока 220 В через трансформатор и выпрямитель.
Рис. 7. Схема измерения токов нулевой последовательности в сети с заземленной нейтралью
Однако устройство обладает существенными недостатками: невозможность использования устройства для контроля участков сети с однофазными потребителями, невозможность отстройки от ложных срабатываний при сохранении необходимой степени чувствительности. Кроме того, устройство не реагирует на равномерное снижение сопротивления изоляции. Все это ограничивает возможности практического применения его.
Рис. 8. Схема непрерывного контроля сопротивления в сети с заземленной нейтралью
В МИРЭА предложен метод контроля изоляции в сетях с заземлением нейтрали, позволяющий применять для этой цели существующие приборы на постоянном токе. Особенностью этого метода является включение разделительного конденсатора в нейтраль трансформатора (рис. 8), благодаря чему нейтраль изолируется от земли по постоянному напряжению и остается заземленной по переменному напряжению сети.
Рис. 9. Схема непрерывного контроля сопротивления в сети с заземленной нейтралью
Практическое применение этот метод нашел в устройстве контроля изоляции в сетях с заземленной нейтралью с применением схем на выпрямленных токах и резонансного контура, включаемого в нейтраль трансформатора.
Предложенное устройство свободно от отмеченных выше недостатков, присущих другим методам.
лением для рабочих токов промышленной частоты и бесконечно большим сопротивлением для выпрямленных токов устройства контроля изоляции.
Основными элементами устройства (рис. 9) являются резонансный контур 1, настроенный в резонанс при частоте 50 Гц, и прибор непрерывного контроля сопротивления изоляции 2, работающий на выпрямленных токах контролируемой сети или постороннего источника. С помощью устройства для контроля сопротивления изоляции регистрируется наличие токов утечки, вызванных повреждением изоляции или прикосновением человека к токоведущим элементам. Так как нейтраль с включенным резонансным контуром представляет большое сопротивление для выпрямленных токов, то последние проходят по цепи регистрирующий прибор — изоляция сети и измерения осуществляется аналогично измерению в сетях с изолированной нейтралью.
Недостатком рассмотренных устройств является невозможность использования их при наличии однофазной нагрузки. В настоящее время намечены пути разрешения этого вопроса. Вместе с тем следует отметить перспективность этих устройств контроля изоляции, позволяющих использовать выпускаемые промышленностью приборы непрерывного контроля изоляции.
