Technologie

Biegunowość podłączenia przewodów a poprawność wyniku pomiaru

Do działu technicznego firmy SONEL S.A. dzwonią klienci z pytaniem ,,Czy przy pomiarze rezystancji izolacji, np. kabla energetycznego, biegunowość podłączenia przewodów ma jakieś znaczenie?”.

Elektronik, który mierzy oporność  rezystora odpowie, że nie ma to większego wpływu, gdyż wyniki  pomiarów, wykonane w obu kierunkach, nie będą różniły się od siebie.  Sytuacja jest zgoła inna w  momencie wykonywania pomiarów na obiektach elektroenergetycznych. Sposób podłączenia przewodów pomiarowych, w przypadku wspomnianego kabla, może wpłynąć znacząco na uzyskane wyniki.

Na początku spróbujmy sobie uświadomić z jakimi prądami mamy do czynienia, podczas wykonywania pomiarów i dlaczego do pomiaru rezystancji izolacji nie możemy podejść tak, jak elektronik do pomiaru rezystora. Wyobraźmy sobie prąd, jaki płynie w zwykłej, niepodłączonej do niczego baterii alkalicznej, powodujący jej stopniowe samorozładowanie. Źródła podają, że prędkość samorozładowania to 0.3% na miesiąc. Pojemność ich zaś jest równa około 3000 mAh. Czyli w niepodłączonej baterii płynie prąd rzędu 12.5 µA, co odpowiada rezystancji 80 MΩ mierzonej napięciem 1000 V.

Rys. 1. Wysokie napięcie na żyle kabla, przewód powrotny (pomiarowy) na ekranie kabla

Rys. 2. Wysokie napięcie na ekranie kabla, przewód powrotny pomiarowy na żyle roboczej kabla

Problem zaczyna się wtedy, gdy nie mierzymy rezystancji rzędu MΩ, a setek lub tysięcy GΩ. Wtedy prąd, który mierzy miernik nie jest już takim wyobrażalnym, ale małym prądem, który rozładowuje baterię zapakowaną w blistrze, czekającą na swój czas. Jest to prąd 1000 lub nawet 50 000 razy mniejszy (Taki jak prąd  pomiarowy podczas pomiaru 40TΩ przy napięciu 10 000V).  W tej sytuacji na pomiar wpływają wszelkiego rodzaju zakłócenia tj.:

  • prądy płynące w obwodzie związane z geometrycznym ułożeniem przewodów. Prąd mierzony jest tak mały, że niepożądany prąd, który płynie przez izolację przewodów zaczyna być już porównywalny z prądem pomiarowym i poważnie wpływać na wynik pomiaru. W związku z tym należy unikać układania przewodów jeden na drugim. SONEL S.A.
    w standardzie dostarcza przewód ekranowany, który, jeśli jest wykorzystywany podczas pomiarów, właściwie eliminuje problem,
  • przy tak małych mierzonych prądach i nieznanym stanie izolacji obiektu oraz prądach  z różnych źródeł niepochodzących z miernika izolacji np.: upływie prądu z innych źródeł znajdujących się w sąsiedztwie, półogniw elektrochemicznych, itp. Do wejścia prądowego miernika mogą dostać się prądy, wpływające na wynik (prądy błądzące),
  • zmiany przepływu prądu mierzonego, związane ze poruszaniem się w okolicy przewodów i mierzonego obiektu. Jest to zjawisko podobne do wykorzystywanego w pojemnościowych ekranach dotykowych. Poruszający się człowiek jest jedną z okładek kondensatora. Dielektrykiem jest głównie powietrze. Poruszanie się w okolicach przewodów i obiektu pomiarowego powoduje zmianę pojemności przez zmianę odległości pomiędzy okładkami tego pasożytniczego kondensatora, co zmiana pojemności wywołuje przepływ prądu (miernik zapewnia różnicę potencjałów). Przewód ekranowany eliminuje to zjawisko, niestety obiekt mierzony może być niezaekranowany i dlatego należy zadbać o odpowiednie połączenie obiektu z miernikiem. I jeśli nadal obiekt jest niezaekranowany to zaleca się nie poruszanie się podczas pomiarów. W dalszej części tego opracowania będziemy omawiali takie możliwie podłączenie przewodów pomiarowych, które będzie ekranowało obiekt elektrodą dodatnią miernika, co także redukuje wpływ pasożytniczych pojemności,
  • zewnętrzne wolnozmienne pola elektryczne, w których znajduje się miernik i obiekt. Pola szybkozmienne są filtrowane. Pola wolnozmienne poniżej kilku Hz, a w szczególności takie o okresie dłuższym niż 1 s są bardzo podobne do prądu stałego i mogą być zauważalne jako fluktuacje wyniku,
  • zjawiska związane z polaryzacją dielektryków,
  • wyładowania koronowe z ostrych zakończeń przewodów.

Mając powyższą wiedzę spróbujmy przeanalizować dwa, scenariusze podłączania miernika izolacji do obiektu. Będziemy rozważali możliwe źródła dodatkowego prądu, który będzie wpływał do wejścia przewodu pomiarowego (czarnego), ale nie przepływał przez rezystor Rx, symbolizujący mierzoną izolację. Czyli rezystancję pomiędzy żyłą przewodu, a ekranem. Podczas pomiarów wykorzystywany jest przewód ekranowany, dostarczany przez SONEL S.A. w standardzie.

Przypadek pierwszy:

Źródła zakłóceń i sposób ochrony przed nimi:

  • prądy upływu związane z ograniczoną rezystancją izolacji płynące przez RUPŁ1 oraz RUPŁ2, zostają wyeliminowane:

– RUPŁ1 przez przewód GUARD (niebieski) za pomocą opaski na izolacji pomiędzy przewodami czerwonym (+) i czarnym (-),

– RUPŁ2 przez  ekran na przewodzie czarnym (-), zaznaczony cienką, niebieską kreską,

  • możliwe prądy upływu pomiędzy ekranem przewodu czarnego, a jego żyłą. Reprezentowane przez RIZOL:

– konstrukcja wewnętrzna miernika zapewnia, że napięcie na przewodzie pomiarowym (-) oraz jego ekranie jest, efektywnie, takie same (niedokładność jest na poziomie pojedynczych mV). A zgodnie z prawem Ohma prąd zależy od różnicy potencjałów i rezystancji która tutaj jest bardzo wysoka. W najgorszym razie setki GΩ. W związku z tym można przyjąć, że ten wpływ nie jest istotny, 

  • możliwe prądy upływu wywołane przez IZAKŁ1 oraz RSKR1 w połączeniu z RSKR3:

– konstrukcja miernika eliminuje wpływ prądów zakłócających przez wewnętrzne ekranowanie układu pomiarowego,

  • możliwe prądy upływu wywołane przez IZAKŁ1 oraz RSKR1 w połączeniu z RSKR2:

– wpływ nie jest eliminowany,

– w tym przypadku istnieje ryzyko, że prąd pomiarowy dostanie się do wejścia pomiarowego częściowo z pominięciem badanej rezystancji RX. Jest to przypadek, kiedy upływ prądu (lub inny prąd zakłócający) przez izolację przewodu czerwonego (+) oraz przez izolację zewnętrzną (płaszcz) badanego przewodu, oraz podłoże dostanie się do wejścia pomiarowego,

  • możliwe prądy upływu wywołane przez IZAKŁ2 oraz RSKR1 lub RSKR3 w połączeniu z RSKR2:

– wpływ nie jest eliminowany,

– w tym przypadku istnieje ryzyko, że prąd pomiarowy dostanie się do wejścia pomiarowego częściowo z pominięciem badanej rezystancji RX. Jest to przypadek, kiedy upływa prąd zakłócający, pochodzący z innego źródła przez izolację przewodu czerwonego (+) lub przez izolację miernika oraz przez izolację zewnętrzną (płaszcz) badanego kabla, z udziałem podłoża, do wejścia pomiarowego,

Przypadek drugi:

  • prądy upływu związane z ograniczoną rezystancją izolacji płynące przez RUPŁ1 oraz RUPŁ2, zostają wyeliminowane:

– RUPŁ1 przez przewód GUARD (niebieski) za pomocą opaski na izolacji pomiędzy przewodami czerwonym (+) i czarnym (-),

– RUPŁ2 przez  ekran na przewodzie czarnym (-). Zaznaczony cienką niebieską kreską,

  • możliwe prądy upływu pomiędzy ekranem przewodu czarnego, a jego żyłą. Reprezentowane przez RIZOL:

– konstrukcja wewnętrzna miernika zapewnia, że napięcie na przewodzie pomiarowym (-) oraz jego ekranie jest, efektywnie, taki sam (niedokładność jest na poziomie pojedynczych mV). A zgodnie z prawem Ohma prąd zależy od różnicy potencjałów i rezystancji, która tutaj jest bardzo wysoka. W najgorszym razie setki GΩ. W związku z tym można uznać, że ten wpływ nie jest istotny,

  • możliwe prądy upływu wywołane przez IZAKŁ1 oraz RSKR1 w połączeniu z RSKR3:

– konstrukcja miernika eliminuje wpływ prądów, zakłócających przez wewnętrzne ekranowanie układu pomiarowego,

  • możliwe prądy upływu wywołane przez IZAKŁ1 oraz RSKR1 w połączeniu z RSKR2:

– prąd IZAKŁ1 nie ma wpływu na pomiar, ponieważ ani przez RSKR1 ani RSKR2 nie może się dostać do wejścia pomiarowego. Przykładowo jeśli nie płynął by prąd IZAKŁ1 wywoływany przez zewnętrzne źródła to prąd upływu, związany z napięciem pomiarowym, płynący przez RSKR1 i RSKR2 także by nie płynął, gdyż nie ma wymaganej różnicy potencjałów. Jeśli płynął by prąd IZAKŁ1 wywoływany przez zewnętrzne źródła to mógłby się zamknąć jedynie z masą miernika przez RSKR3 i/lub RUPL1 lub RUPL2, co mogło by spowodować jedynie zmianę wartości napięcia pomiarowego, które jest mierzone i zmiana ta zostanie uwzględniona podczas pomiaru,

– w tym połączeniu – wpływ jest wyeliminowany,

  • możliwe prądy upływu, wywołane przez IZAKŁ2 oraz RSKR1 lub RSKR3 w połączeniu z RSKR2:

– w każdym przypadku prąd nie wpływa do wejścia pomiarowego, a jedynie może wpływać do masy miernika, bądź mieć raczej nieznaczący wpływ na napięcie pomiarowe, które jest przez miernik mierzone i jego ewentualna zmiana uwzględniana w wyświetlanym wyniku pomiaru rezystancji izolacji,

– w tym połączeniu – wpływ jest wyeliminowany.

W związku z powyższym SONEL S.A. rekomenduje połącznie obiektu pomiarowego zgodnie z przypadkiem drugim, jak przedstawiono to na rysunku 3 i 4.

Rys. 3. Zalecany sposób podłączenia do kabla jednożyłowego

Rys. 4. Zalecany sposób podłączenia do kabla wielożyłowego

Fot. 1. Zalecany kierunek polaryzacji

Potencjalnie podczas pomiaru rezystancji izolacji występuje efekt elektroendoosmozy, który może wpłynąć na wynik pomiaru rezystancji.

Autorzy, zrzeszeni w organizacji naukowo-technicznej IEEE, wspominają o nim w opracowaniu IEEE Std 43™-2013, dotyczącym w tym przypadku badania rezystancji izolacji maszyn elektrycznych.

Polega on na przepływie wody przez np. ciała porowate pod wpływem oddziaływania pola elektrycznego. Zjawisko to zaobserwowano dość nieregularnie i głównie na starszych materiałach termoplastycznych, ale inżynierowie dowiedli w praktyce, że w zawilgoconej izolacji mogą występować różne wartości rezystancji, w zależności od kierunku polaryzacji przyłożonego napięcia. Zazwyczaj dla starszych i mokrych uzwojeń rezystancja izolacji, dla dodatniej polaryzacji, gdzie przewód dodatni RISO+  jest podłączony do uzwojenia, a przewód RISO-  do masy (ziemi),  jest wyższa niż dla polaryzacji przeciwnej. Uzyskanie zawyżonej wartości rezystancji izolacji może być powodem dopuszczenia urządzenia do dalszej eksploatacji, gdy w rzeczywistości nadaje się już do remontu [1].

Podsumowując, jeśli odrębne regulacje norm zakładowych nie obligują nas do zachowania odwrotnej polaryzacji, zalecane jest łączenie zacisku niskiego potencjału z żyłą roboczą kabla lub uzwojeniem sinika. Nakład pracy przy wykonywanych czynnościach łączeniowych pozostanie identyczny, jednakże gwarancję poprawności pomiaru uzyskujemy tylko przy właściwym podłączeniu przyrządu do badanego obiektu.

Fot. 2. Niezalecany kierunek polaryzacji

Autorzy: Grzegorz Chrzanowski, Wojciech Siergiej, SONEL S.A.

Literatura:

[1] IEEE Std 43™-2013 (Revision of IEEE Std 43-2000) IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Electric Machinery.

Click to comment

Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

To Top