PROIECTAREA ECHIPAMENTULUI DE MASURA SI …midmit.elmat.pub.ro/media/part/Raport SIMTECH etapa...

Denumire document : Etapa II /MIDMIT/22080/01.10.2008 SC SIMTECH INTERNATIONAL SRL Seria de modificari :

Pag.

PROIECTAREA ECHIPAMENTULUI DE MASURA SI ACHIZITIE

A CURENTILOR DE ABSORBTIE – RESORBTIE

- ID SITP -

(PROIECT MIDMIT 22080/2008)


Pag.

CUPRINS

1.Introducere !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!3

2. Consideratii generale despre curentii de absorbtie resorbtie !!!!!!!!!4

3. Proiectare aparat !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.9

3.1. Proiectare aparat !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.12

3.2. Functiuni de masura. Scheme echivalente interne !!!!!!!!!!!!!34

4. Moduri de lucru. Scheme echivalente !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!36

5. Mod de utilizare !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!39

6. Specificatie tehnica !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.40

7. Concluzii !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!41

8. Bibliografie !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!43

9. Anexe !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!.!.44

9.1. Manualul de utilizare al USB 6089

9.2. Amplificatorul liniar tip Opo7C

9.3. Amplificatorul logarithmic tip LOG 112


Pag.

2.1. Introducere

Prin definitie, un sistem de izolatie reprezinta materialul electroizolant sau ansamblul de

materiale electroizolante aflate in contact direct cu partile conductoare ale unui echipament

electric (masina electrica, transformator, interuptor, contactor, cablu de energie, isolator, etc.).

Constructia si structura sistemelor de izolatie sunt legate, atat de formele geometrice ale cailor

conductoare, cat si de natura si starea fizica a materialelor electroizolante. Materialele

electroizolante sunt substante cu conductivitatea electrica suficient de mica pentru a putea fi

utilizate la separarea a doua piese conductoare cu potentiale electrice diferite.

In constructia aparatelor electrice se utilizeaza marmura, ardezia, ebonite, bachelita,

hexaflorura de sulf, etc.

In cazul masinilor electrice de puteri mari, in realizarea sistemelor de izolatie, un

progress important l-a constituit aparitia hartiei de mica. Din hartie de mica si tesaturi de sticla s-

au realizat (cu rasini epoxi sau siliconice modificate) micabenzile, utilizate azi (datorita

rezistentei lor ridicate la actiunea descarcarilor partiale) in toate sistemele de izolatie ale

masinilor electrice de medie si inalta tensiune.

Hartiile, cartoanele si firele emailate impregnate cu uleiuri minerale raman inca

elementele de baza in fabricarea transformatoarelor de inalta si medie tensiune. Pentru

obtinerea hartiilor si cartoanelor se utilizeaza paste de lemn si de canepa, fibre celulozice

amestecate cu aramide, fibre de bumbac etc. Pentru fabricarea condensatoarelor si a cablurilor

de energie, in ultimii ani, hartia se inlocuieste cu filme de polipropilena (PP) sau cu polietilena

reticulate.

In evaluarea transformatoarelor electrice de putere, cat si a altor echipamente de inalta

tensiune, un rol deosebit de important il are diagnosticarea izolatiei. In ultimii ani, masuratorile

dielectrice axate pe evolutia curentilor de absorbtie - resorbtie sunt din ce in ce mai utilizate

pentru determinarea starilor sistemelor de izolatie ulei – hartie. Pentru o mai buna determinare a

starii izolatiei unui transformator de putere, in cele ce urmeaza, proiectm un aparat pentru

masurarea a curentilor de absorbtie-resorbtie. Cu rezultatele obtinute putem determina starea

izolatiei si gradul de imbatranire a izolatiei, reusind o evaluare completa a starii acesteia.

2.2. Sistemul de izolatie ulei – hartie

2.2.1. Sistemul de izolatie ulei – hartie.Generalitati


Pag.

Izolatia solida

Materialele pe baza de celuloza au doua functii :

a) cresterea stabilitatii dielectrice a izolatiei in raport cu un strat de ulei de grosime

egala ;

b) mentinerea unei anumite distante intre suprafetele cu potentiale electrice diferite .

Izolatia solida (hartie, prespan, transformerboard) folosita in transformatoare este pe baza de

celuloza.

Celuloza este o substanta macromoleculara naturala cu molecula liniara, un hidrat de

carbon polimer- (C6H10O5)n .Lanturile moleculare se grupeaza in micele (tuburi subtiri) care se

aranjeaza in acelasi mod, formand fibrile si apoi fibre celulozice. Aceasta structura explica

porozitatea (40÷50%) si absorbtia de apa foarte mare a produselor pe baza de celuloza.

Hartia celulozica este un amestec de trei componente: polimer de celuloza cu o ridicata

greutate moleculara; semi-celuloza, co-polimeri de mica greutate moleculara; lignina, care este

un polimer aromatic. Degradarea hartiei este dependenta de mediul ambiant si poate antrena

degradarea hidrolitica, oxidativa si termica .

Oxidarea este procesul principal in degradarea hartiei . Sub actiunea oxigenului,

macromoleculele celulozei depolimerizeaza, lungimea lor scade si proprietatile mecanice se

inrautatesc . De asemenea, oxigenul favorizeaza reactiile chimice ale celulozei cu apa, in urma

carora creste numarul de grupari polare si se reduc "proprietatile dielectrice".

Izolatia unui transformator incarcat in mod corespunzator, in exploatare, cand

temperatura lui este ridicata se mentine in bune conditii, fara masuri speciale . Dimpotriva,

izolatia unui transformator aflat in rezerva sau in stare de depozitare absoarbe umiditatea din

mediul ambiant . La temperaturi ale mediului ambiant in jur de 10 oC, continutul de umiditate din

izolatia de hartie devine periculos pentru calitatile izolante ale hartiei, cu toate ca uleiul are un

continut redus de apa . De aceea se impune controlul periodic al Riz a transformatoarelor din

rezerva si alternarea lor in functionare, astfel incat fiecare transformator sa stea in rezerva un

timp cat mai scurt .

Rigiditatea dielectrica (Es) si rezistivitatea se reduc ca urmare a intensificarii procesului

de conductie electrica . Intr-adevar, in cazul umezirii corpurilor,purtatorilor de sarcina uzuali

(ioni, electroni, etc.) li se adauga purtatori aditionali : ioni rezultati din disocierea impuritatilor

continute in apa sau a impuritatilor solubile din materialul propriuzis, ioni de hidrogen si oxigen

rezultati din disocierea apei, molecule ale dielectricului, grupe de molecule de apa incarcate cu


Pag.

sarcina electrica (a caror miscare sub actiunea campului electric este, in esenta, o electroforeza

lenta a fazei solide ) etc.

Umiditatea contribuie, de asemenea, la inrautatirea caracteristicilor mecanice, indeosebi

a rezistentei la tractiune, a alungirii la rupere, etc . Si in acest caz,efectul umiditatii este mai

important pentru corpurile impure sau in cazul in care apa contine impuritati solubile .

Umiditatea modifica tensiunea de aparitie a descarcarilor electrice prin eliberarea

hidrogenului si oxigenului (ca urmare a electrolizei apei), formandu-se bule de gaz care se

dezvolta continuu pana ajung suficient de mari pentru ca in ele sa se produca PD la tensiuni

mai reduse decat in cazul materialului uscat.

Izolatia lichida

Uleiul are functia de izolant si, de asemenea, functia de a transfera caldura catre bateria

de racire. In timpul exploatarii uleiul de transformator imbatraneste, pierzandu-si, in raport de

conditiile de lucru, calitatile dielectrice si unele proprietati fizico- chimice.

Un factor care reduce calitatile uleiului in decursul exploatarii il formeaza contactul dintre

ulei si aerul din atmosfera (care contine oxigen si umiditate). Dupa cum se stie, rezultatul

oxidarii uleiului electroizolant este formarea de acizi si de noroiuri (sludge). Noroiul produs se

vor depune pe cuva transformatorului incetinind procesul de racire. Noroiul actioneaza ca o

bariera intre ulei si sistemul de racier, precum si intre miez si infasurari si sistemul de racire.

Uneori, noroiul poate bloca circulatia uleiului prin radiatoare. Ca rezultat, izolatia

transformatorului si infasurarile devin prea calde si pot apare defectiuni.

Caracteristicile electrice ale uleiului sunt influentate de continutul de apa care se poate

gasi sub doua forme in ulei : forma de apa libera ( emulsie sau suspensie) si forma de solutie (

apa de compozitie) sau absorbita chimic, existand intre cele doua elemente legaturi

electrostatice . S-a constatat ca apa continuta sub forma de solutie nu are o influenta sensibila

asupra rigiditatii dielectrice, in schimb, apa libera continuta in ulei provoaca o scadere simtitoare

a proprietatilor dielectrice. Sub actiunea campului electric, moleculele uleiului disociaza,

rezultand apoi produse insolubile in ulei . Produsele care sunt insolubile in ulei (gudroanele) nu

modifica proprietatile esentiale ale acestuia ; ele se depun pe suprafetele infasurarilor acestora

si ale cuvelor, ingreunand procesul de racire a transformatoarelor.

Cantitatea de umiditate care poate fi dizolvata in ulei creste rapid odata cu cresterea

temperaturii uleiului. Uleiul absoarbe mai multa umiditate la temperatura ridicata. Oricum, daca


Pag.

uleiul electroizolant este racit, creste continutul de apa libera ceea ce provoaca, asa cum s-a

amintit mai sus, o scadere simtitoare a proprietatilor dielectrice.

2.2.2. Metode de monitorizare si diagnosticare a izolatiei transformatoarele electrice de

putere

Starea izolatiei tranformatoarelor si continutul de umiditate din izolatia acestora pot

afecta proprietatile electrice, mecanice si chimice ale izolatiei. Asa incat, metodele electrice,

mecanice si chimice de diagnosticare pot fi folosite pentru analizarea conditiei izolatiei

transformatorelor.

Tehnici chimice de diagnosticare

Analiza cromatografica a gazelor dizolvate in ulei (DGA) – una dintre cele mai utilizate

metode pentru monitorizarea conditiei transformatoarelor, pentru ca este nedistructiva si nu

presupune retragerea din exploatare a echipamentului monitorizat.

Gradul de polimerizare (DP) – defineste conditia izolatiei solide, fiind masura medie a

lungimii lanturilor moleculare din celuloza. O valoarea de 150 reprezinta o izolatie degradata, iar

o valoare de 1200 reprezinta o izolatie foarte buna. Un mare dezavantaj il reprezinta

necesitatea folosirii esantioanelor de hartie din transformator.

Analiza cromatografica a patrunderii gelului (GPC) - ne confera detalii despre distributia

greutatii moleculare a polimerului. GPC este o tehnica cromatografica care foloseste un foarte

poros, neionic, gel granulat pentru separarea polimerilor polidispersati . Cu GPC se separa

moleculele polimerilor pe baza volumului lor hidrodinamic . Celuloza necesita anumiti solventi .

Datorita acestui lucru, pentru masuratorile GPC, materiale pe baza de celuloza trebuie derivate,

pentru a spori solubilitatea lor in acesti solventi . In acest scop a fost preparata celuloza

tricarbanilate derivata, prin metoda lui Evans. Si aceasta metoda necesita prelevarea de probe

de hartie din transformator. Distributia greutatii moleculare a celulozei tricarbanilate a fost

determinata folosind cromatograful Waters, echipat cu un detector de absorbanta, cu lungime

de unda variabila. Patru coloane cromatografice au fost utilizate, in serie, in cromatograf, cu

tetrahydrofuran (THT) ca eluent . Masuratorile au fost efectuate utilizand absorbanta la 236 nm,

iar profilul elutiei a fost achizitionat cu un calculator. Profilele elutiei au fost transformate in

distributii ale greutatii moleculare folosind etalonarea bazata pe limita standardelor distributiei

greutatii moleculare a polistirenei .


Pag.

Analiza cromatografica a componentelor furanice din ulei (HPLC) – se utilizeaza pentru

a masura concentratia componentelor furanice (5-hidroximetil 2-furfural, alcool 2-furfurilic, 2-

furfural şi 5-metil 2-furfural) din ulei. P.J Burton, et. al. [2], a gasit, experimental, ca atunci cand

concentratia de furfural este aproximativ 1.5 mg/l pot apare defecte. O concentratie peste 1

mg/l, de exemplu, indica defect in izolatia solida si supraincalzirea uleiului. HPLC este o metoda

esentiala care trebuie inclusa in orice laborator de analize chimice ce deserveste sectorul

energetic.

Metode mecanice

Masurarea rezistentei de rupere la tractiune a hartiei – este o unealta pentru

determinarea rezistentei izolatiei de hartie folosite. Pe masura ce imbatraneste izolatia,

proprietatile mecanice se reduc, iar rezistenta la rupere este un parametru extrem de util in

determinarea starii izolatiei. Dar, si aici, este nevoie de un esantion din izolatia de hartie

Metode electrice

1. Determinarea tangentei unghiului de pierderi dielectrice ;

2. Determinarea rigiditatii dielectrice la frecventa industriala si la impuls ;

3. Detectarea si masurarea descarcarilor partiale (PD) – este o metoda extrem de utila pentru

identificarea defectelor eminente din transformatoarele de putere. Descarcarile electrice partiale

(PD) sunt descarcarile electrice locale si nedisruptive care apar in cavitatile ( vacuolele ) cu gaz

din izolatiile solide, in zonele de contact ale izolatiilor cu partile conductoare si in bulele de gaz

din lichidele electroizolante. Aceste descarcari se caracterizeaza prin :

a) durata foarte mica a impulsurilor de descarcare ( 10-8 s) ;

b) in cazul campurilor neuniforme, dar al celor uniforme, traseul PD nu este

identic cu acela al liniilor de camp electric care le produce ;

c) descarcarea nu se produce in intreg volumul cavitatii, ceea ce explica

denumirea de descarcari partiale ;

d) sarcina transportata este foarte redusa (de ordinul pC-lor) .

Cea mai generala clasificare a descarcarilor electrice, acceptata in prezent evidentiaza :

descarcari interne (incluzand si descarcarile in arborescentele interne ale dielectricilor),

descarcari superficiale si descarcari corona Actiunea descarcarilor poate fi caracterizata prin

urmatoarele efecte :


Pag.

a) ridicarea temperaturii gazului (prin ciocnirile purtatorilor de sarcina cu

moleculele gazului) ;

b) erodarea peretilor cavitatilor ;

c) aparitia unor radiatii ultraviolete si radiatii X ( ca urmare a excitarii atomilor si

recombinarii purtatorilor);

d) initierea si/sau activarea unor reactii chimice de descompunere a

macromoleculelor izolatiilor, etc..

Degradarea unui izolant sub actiunea PD cuprinde trei faze . In faza initiala se constata o

eroziune lenta, apar smulgeri de particule din peretii vacuolelor si produse de descompunere a

izolantului care determina o autostingere a descarcarilor . Faza a doua incepe odata cu

propagarea descarcarilor in interiorul izolantului si formarea unor cai conductoare, in zona de

solicitare maxima . In sfarsit, in cazul in care campul electric la extremitatea unei cai depaseste

rigiditatea dielectrica a izolantului se produce o strapungere locala care, in anumite conditii,

poate conduce la o strapungere completa .

Metoda raspunsului dielectric

In cadrul masurarii raspunsului dielectric este masurat curentul de relaxare al izolatiei

dupa aplicarea unui puls de joasa frecventa sau in current continuu. Metodele din aceasta

familie sunt orientate spre determinarea continutului de umiditate din izolatie. Si nu numai atat,

mergand si spre determinarea starii izolatiei sau mai correct, spre determinarea stadiului

imbatranirii izolatiei. Masuratorile pot fi facute atat in domeniul timp cat si in domeniul frecventa.

Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie (CABS) – prin care se aplica o tensiunea

continua pe partea de inalta tensiune, masurandu-se curentul pe partea de joasa tensiune. In

continuare vom prezenta bazele acestei metode de diagnosticare a sistemelor de izolatie,

estimandu-se si gradul de imbatranire al acestora.

Masurarea tensiunii de resorbtie (RVM) – prin care se determina spectrul de polarizare

pentru incarcarea in c.c. si descarcarea izolatiei. Ca rezultat al evaluarii starii izolatiei, se obtin

doua aspecte : unul privitor la calitatea izolatiei si altul ce estimeaza continutul relativ de apa .

Principiul masuratorii este simplu, aplicand o tensiune continua echipamentului de incercat,

pentru o anumita perioada de timp, apoi se descarca circuitul pentru o perioada egala cu

jumatatea timpului de incarcare, dupa care se masoara tensiunea la bornele circuitului deschis.

Spectroscopia in domeniul frecventa (FDS) – in cadrul careia este aplicat un semnal

sinusoidal pe partea de inalta tensiune si se masora un current pe partea de joasa tensiune,


Pag.

cuva legandu-se la masa. Este folosita o frecventa de la 0.0001 Hz pana la 1 Hz (sau chiar mai

multa, pana la 1000Hz), iar tensiunea pana la 220 V.

2.3. Consideratii generale despre curentii de absorbtie resorbtie

Sa consideram un condensator plan, constituit din doua armaturi metalice de arie S,

intre care se afla un izolant de grosime d si permitivitate relativa εr. Daca se aplica

condensatorului o tensiune continua Uc si se presupune ca dielectricul (izolantul) este ideal (are

conductivitatea electrica nula), intensitatea curentului de incarcare ii (variabil in timp) se

determina cu ajutorul ecuatiei diferentiale :

,02

2

=++C

i

dt

diR

dt

idL iii (2.1)

deduse din : ciii Udti

CRi

dt

diL =++ ∫

1, L si R reprezentand inductanta si, respective, rezistenta

circuitului, iar C=ε0εrS/d – capacitatea condensatorului. Cum L si R au valori reduse, incarcarea

condensatorului dureaza (practice) o fractiune de secunda.

In realitate nu exista izolanti ideali. Rin urmare, in regim electric stationar, prin dielectric

trece un curent permanent (de conductie), avand intensitatea ic (determinate de marimea

tensiunii aplicate si de rezistenta electrica a izolantului Riz=ρd/S, unde ρ reprezinta rezistivitatea

izolantului).

Pentru descarcarea condensatorului se pun armaturile sale in scurtcircuit, rezultand :

ic=0. Prin urmare, curentul de descarcare id urmeaza aceeasi lege de variatie cu ii (pentru un

izolant ideal), respective id = -ii.

In practica toti izolantii solizi aflati in campuri electrice slabe (cand nu exista injectie de

sarcina de la electrozi) sunt parcursi de curenti electrici reziduali (anormali), care persista zile si

chiar luni intregi, atat in cazul incarcarii, cat si in cazul descarcarii condensatoarelor ( notati cu

i1’, respective i2

’). Curentul rezidual de incarcare (i1’) se numeste curent de absorbtie, iar

curentul rezidual de descarcare (i2’) se numeste curent de resorbtie.

Curentii totali absorbiti la incarcarea (i1) si, respective, la descarcarea condensatorului

(i2) sunt :

'

11 iiii ci ++= , (2.2)

respectiv,


Pag.

'

22 iii d += . (2.3)

Pentru multi izolanti rezulta i2’=- i1

’ , ceea ce corespunde unui curent anormal reversibil.

In cazul lichidelor izolante contaminate poate exista un curent anormal ireversibil (situatie in

care rezulta : i2’=0).

Pentru a gasi o expresie matematica pentru curentii de absorbtie/resorbtie, trebuie sa

gasim o expresie matematica pentru functia de raspuns f(t). Astfel, plecand de la ecuatia

polarizatiei electrice, considerand componenta rapida, dar dupa un timp foarte mare de aplicare

a campului electric 0E , putem scrie :

∫∞

=∞=0

00 )()( ττε dfEtP (C/m2) (2.4)

Fiecare dielectric are propria functie de raspuns. S-au creeat multe modele pentru

functia de raspuns.

Functia de raspuns oferita de modelul classic Debye poate fi scrisa astfel :

τ

τε t

etf−∆

=)( (1/s) (2.5)

Expresia Debye reprezinta un process fizic greu de observat in materiale dielectrice

solide. A fost obtinuta sub presupunerea ca dipolii nu interactioneaza care este adevarata

pentru un numar de lichide polare, dar nu pentru solide.

Functia de raspuns oferita de modelul Curie-von Schweidler este valida pentru multe

materiale dielectrice si poate fi exprimata cu ajutorul relatiei :

,)( nAttf −= (2.6)

unde A, n sunt constante de material (fig.3.9). Este important de notat ca acest model , daca

n>1 nu este aplicabil pentru intervale scurte de timp, pe cand daca n<1 nu este aplicabil pentru

intervale mari de timp.

O expresie generala pentru functia de raspuns este data de expresia :

nmtt

Atf

+

=

ττ

)( (1/s) (2.7)

unde A, m si n sunt constante de material.


Pag.

Masurarea curentilor de absorbtie/resorbtie este o metoda, in domeniul timp, pentru

investigarea procesului lent de polarizare, definit mai sus, in materialele dielectrice.

Presupunem ca obiectul supus incercarii este descarcat de sarcina si se aplica un puls de

tensiune definit astfel :

>

≤≤

<

=

c

c

t

tttU

t0

tU

t t0

)( oc

o

(2.8)

Pentru ctt ≤≤ot apare asa numitul curent de absorbtie care are patru componente. Una

reprezinta curentul de incarcare, a doua este datorata conductiei obiectului supus testarii, a

treia parte reprezinta curentul de sarcina spatiala, iar a patra parte apare datorita declansarii

diferitelor procese de polarizare. Curentul de absorbtie se poate exprima astfel :

ccabs ttUCtftti ≤≤

++= ∞ o 0

0

tpentru )()()( δεεσ

(2.9)

unde Co este capacitatea geometrica a obiectului supus testului, iar )(tδ este functia impuls ce

are originea la t=t0. Imediat dupa polarizare , se poate masura curentul de resorbtie

(descarcare), deconectand sursa si scurtcircuitand obiectul supus incercarii (fig.2.1). In acord cu

principiul suprapunerii si neglijand termenul al doilea din ecuatia (2.1), vom avea pentru

)( 0 cTtt +≥ :

[ ])()(0 ccres TtftfUCi +−−= (2.10)

Acest curent este de polaritate opusa curentului de absorbtie. Al doilea termen din ecuatia

(2.10) poate fi neglijat daca Tc este mare. Asfel curentul de resorbtie devine direct proportional

cu functia de raspuns f(t).


Pag.

Fig.2.1. Variatia in timp a curentilor de absorbtie-resorbtie

Considerand modelul Curie-von Schweidler pentru functia de raspuns (3.13) si luand in

consideratie ecuatiile (2.9) si (2.10) vom obtine curbe ale curentilor de absorbtie/resorbtie ca in

fig.2.1. Din ecuatia (3.17) se observa ca, pentru intervale mari de timp in care se aplica o

tensiune continua, curentul de resorbtie devine :

c

res

cresUC

itftfUCi

0

0 )( )( =⇒= (2.11)

In decursul masuratorilor, geometria izolatiei, proprietatile acesteia, precum si produsii

de imbatranire au un rol important . Continutul de umiditate si conductivitatea izolatiei solide au

un rol determinant asupra formei si amplitudinii curentilor dupa un interval de timp mai mare.

Pentru curentul de absorbtie, o valoare initiala cat mai mica implica o calitate mai buna a

izolatiei.

In practica, curentii de absorbtie si resorbtie sunt masurati prin tehnica schitata in fig.2.2

.

UC

Electrometru

i abs

Obiect de testat

iabs(t)

t

ires(t)

t0 tc

Uc

Tc


Pag.

Fig.2.2. Schema de principiu a instalatiei de masurare a curentilor de absorbtie si/sau resorbtie

Fig.2.3.Model pentru comportamentul unui dielectric

Conform teoriei dielectricilor liniari, modelul din fig.2.3. (Co si R reprezinta capacitatea

geometrica si R rezistenta dielectricului, iar C1, R1 componentele corespunzatoare procesului 1

de polarizare) poate fi descris, din punct de vedere electric, prin raspunsul f(t) in domeniul timp,

sau de susceptivitatea )(ωχ si conductivitatea σ in domeniul frecventa. Utilizand modelul R-C

al unui dielectric (fig.2.3), se poate obtine un model de studiu al comportarii izolatiei dintre

infasurari. Se folosesc valorile calculate ale parametrilor ce descriu elementele componente ale

izolatiei transformatoarelor analizate. Tinand cont si de valorile obtinute in laborator ale

curentilor obtinuti pentru anumite stari de imbatranire bine definite, se poate estima starea

sistemului de izolatie si a gradului de imbatranire.

La transformatoarele din exploatare, imbatranirea conduce la cresterea conductivitatii.

Oricum, forma fara curbura a curbei curentului conduce la concluzia inrautatirii calitatii izolatiei,

pe langa continutul ridicat de umiditate din izolatia solida.

Diferenta dintre curentul de absorbtie si resorbtie o reprezinta curentul de conductie, care

in mod normal se raporteaza la contaminarea izolatiei. Daca valorile initiale ale curentilor de


Pag.

absorbtie si resorbtie sunt foarte apropiate sau chiar egale, inseamna ca izolatia este mai putin

contaminata decat in cazul transformatoarelor la care curentii de absorbtie si resorbtie nu sunt

egali sau foarte apropiati.

Din curba curentului de resorbtie se determina functia de raspuns pentru fiecare sistem

de izolatie. S-a dezvoltat un pachet software pentru determinarea functiei de raspuns in functie

de curentul de resorbtie, apoi si pentru determinarea conductivitatii, pentru ca este cunoscut si

curentul de absorbtie. Stiind ca functia de raspuns este proprie fiecarui dielectric, pe baza

exprerimentelor de imbatranire accelerata realizate in laborator s-a realizat legatura intre gradul

de imbatranire si functia de raspuns.

Luand in considerare si anumite caracteristici geometrice ale izolatiei transformatoarelor

se determina conductivitatea izolatiei, gradul de imbatranire, rezistenta de izolatie, indicele de

polarizare, variatia capacitatii si a tangentei de delta in functie de frecventa . Efectuand

masuratori intre o secunda si mii de secunde, se poate determina evoluatia componentei reale

a capacitatii si a tangentei in functie de frecventa. Contaminantii (apa, impuritatile etc.) din

izolatie influenteaza tangenta de delta la frecvente joase si foarte joase, mult mai puternic decat

la frecvente industriale.

Marele avantaj al controlului asupra evolutiei starii echipamentelor este fructificat din plin

cu ajutorul acestei tehnici. Si nu in ultimul rand trebuie specificat marele avantaj al acestei

tehnici si anume faptul ca se pot efectua masuratori in conditii meteo nefavorabile (umiditate

ridicata, ploaie), fara sa fie influientate rezultatele obtinute.


Pag.

2.4. Proiectare aparat.

2.4.1.Principiul de funcţionare

Fig.2.4. Schema de principiu.

Aparatul CABSM are ca scop măsurarea şi înregistrarea curenţilor de absorbţie şi de

resorbţie ai sistemelor de izolaţie.

Fazele procesului sunt următoarele:

1. Descărcarea tensiunilor reziduale pe sistemul de izolaţie, prin scurcircuitare, pentru aducerea

sistemului de izolaţie la o stare neutră, de referinţă.

2. Aplicarea tensiunii continue de polarizare, simultan cu măsurarea şi înregistrarea curentului.

Curentul înregistrat va avea o variaţie foarte mare (de ordine de mărime) şi foarte rapidă în

primul moment după aplicarea tensiunii, apoi va avea o valoare foarte mică şi o variaţie foarte

lentă. Curba înregistrată este relevantă pentru mai multe caracteristici ale sistemului de izolaţie,

care pot fi separate prin analiza ulterioară a înregistrării.

3. Comutarea sistemului de izolaţie, de la sursa de tensiune, la o rezistenţă de descărcare,

simultan cu înregistrarea curentului, care îşi schimbă, în acest moment, sensul. Curentul

înregistrat la această fază va avea de asemenea o primă scădere rapidă, de mai multe ordine

de mărime, apoi viteza de variaţie se va reduce. Qi această înregistrare participă alături de


Pag.

prima, la determinarea prin analiză ulterioară a mai multor caracteristici ale sistemului de

izolaţie.

Se observă din schema de principiu cum se realizează aceste funcţiuni:

- în faza 2, se anclanşează K0. Tensiunea sursei (1kV) este aplicată sistemului de izolaţie, iar

curentul trece prin nA-metru. Valoarea de vîrf a curentului, care apare în primul moment după

comutare, determinată în principal de capacitatea C0 a sistemului de izolaţie, este limitată de

rezistorul de limitare RL1 de 1M Ohm. Aceasta este necesar pentru a împiedica ieşirea din

domeniul de măsură a nA-metrului. Acest curent se înregistrează. Valoarea rezistenţei de

limitare fiind mult mai mică decît rezistenţa de izolaţie, influenţa rezistenţei de limitare asupra

măsurătorii poate fi luată în calcul cu succes, fără a avea efect asupra preciziei de determinare

a parametrilor sistemului de izolaţie.

- în faza 3, se eliberează K0. Sistemul de izolaţie devine izolat şi faţă de sursa de tensiune.

Avînd o capacitate proprie C0, el rămîne în continuare sub tensiune. Imediat după realizarea

comutării lui K0 şi deci întreruperea alimentării din sursa de tensiune, se comandă anclanşarea

lui K2. Acesta conectează rezistorul de descărcare RL0 la nA-metru. După aceasta, se

comandă în sfîrşit anclanşarea lui K1. Acesta stabileşte circuitul de descărcare, prin nA-metrul

conectat în sensul opus şi prin rezistorul RL0. Qi acest curent se înregistrează. Se observă că

succesiunea acţionării celor trei comutatoare împiedică stabilirea de alte circuite în momentele

comutărilor şi asigură înregistrarea integrală a curenţilor de descărcare.

Se mai observă că această schemă permite şi utilizarea sursei de tensiune, cu polaritate

inversă. Asfel, dacă după faza de la punctul 2, se eliberează K1 şi apoi se anclanşează K0,

rezultatul este aplicarea tensiunii de pe sursă, sistemului de izolaţie, în sens invers, precum şi,

simultan, conectarea nA-metrului în sensul opus. Această particularitate permite eventual

dezvoltarea ulterioară a unor alte proceduri de măsură, fără modificări de hardware.

Se mai observă şi că RL0 şi RL1 au aceeaşi valoare. În principiu, s-ar putea folosi unul

şi acelaşi rezistor la ambele faze. Totuşi s-a luat măsura utilizării de rezistoare separate, pentru

ca rezistorul RL1 să poată face parte integrantă din sursa de înaltă tensiune, deoarece el

îndeplineşte şi funcţia de a limita curentul sursei la o valoare nepericuloasă. El este de aceea

nedemontabil şi ne-comutabil. Terminalul adevărat al sursei nu este accesibil nici după

îndepărtarea capacului carcasei (care oricum nu este recomandată). După oprirea alimentării

sursei de ÎT, ea are asigurată descărcarea, prin rezistenţa RM şi prin rezistenţa kV-metrului,

care sunt permanent conectate la sursă.


Pag.

Referitor la kV-metru, rolul acestuia este de a înregistra, corelat cu curentul de

încărcare, şi a tensiunii sursei, ceea ce permite o mai bună interpretare a înregistrărilor şi

identificarea unor situaţii în care ar apare rezistenţe parazite în circuitul de măsură.

2.4.2. Proiectare aparat

Fig.2.5.Schema bloc a aparatului

Din fig.2.5, schema bloc a aparatului, determinam mai multe blocuri, dupa cum urmeaza

:


Pag.

1. Bloc surse de alimentare. Este compus din mai multe surse individuale, care dau

tensiunile necesare funcţionării diferitelor module. Unele dintre aceste surse asigură şi

izolarea galvanică.

Surse de alimentare:

Consum reţea 230Vc.a. max. 40VA

Tensiuni interne:

+5V 1A stabilizată în tensiune, nul DAQ (acelaşi cu modulul de achiziţie); izolat faţă de

carcasă; alimentează modulele de izolare şi lămpile de semnalizare;

+12V 2A stabilizată în tensiune; nul DAQ; alimentează termorezistenţa de măsură a

parametrilor mediului, senzorul de umiditate, sursa de ÎT, ventilatorul intern; Obs.: Sonda

combinată de măsură a parametrilor mediului, are ecranul izolat şi conectat la nulul modulului

de achiziţie;

+/-12V 100mA; flotantă; cu capacitate redusă faţă de nulul reţelei de alimentare; alimentează

amplificatoarele de măsură pentru I şi U, care au nulul comun; Obs. acesta va fi şi nulul

conectabil la borna Lo (Rev.0.2);

+24V 25mA stabilizare de tensiune cu limitare de curent; alimentează alternativ transmiţătorul

extern (direct) sau termorezistenţa de măsură a temperaturii uleiului (printr-un circuit de

excitaţie cu limitare rezistivă de precizie a curentului la 1mA/100W);

Tensiuni de test: sursă de ÎT cu trepte 500V/1000/1500/2000 V, limitare rezistivă la 0.5mA/1mA;

putere totală pe partea de ÎT inclusiv rezistorul de limitare, 1W.

2. Nano-Ampermetru - amplificator de măsură logaritmic (anexa 1). Datorită variaţiilor

foarte mari ale valorilor curenţilor care trebuie măsuraţi, precum şi vitezei de variaţie a

valorilor, precum şi specificului operaţiilor de analiză a înregistrărilor, care solicită

înregistrări continue, comutarea de domeniu de măsură, chiar automată, nu este

recomandabilă.


Pag.

Aceasta componenta (LOG 112) calculeaza logaritmul raportului curentului de intrare si

al unui curent de referinta.

3. Voltmetru. Acesta măsoară tensiunea sursei de test, inclusiv căderea de tensiune pe

rezistorul de limitare RL1, pe un domeniu liniar. Domeniu de tensiune Voltmetru: 1000V.

Fig.2.6. Schema sursei de inalta tensiune si a voltmetrului liniar (OP07CP)

Aceasta componenta are un offset scazut si o stabilitate pe termen lung prin intermediul

unui circuit amplificator cu intrare pe un tranzistor bipolar cu zgomot mic. Pentru cele mai multe

aplicatii, componentele externe nu sunt folosite pentru offset mic si compenasare in frecventa.

Adevarata intrare diferentiala cu o banda de tensiune si rejectie de mod comun importanta,

implica flexibilitate maxima, zgomot redus. Componenta OP07 (anexa 1) este pentru zgomote

reduse, pentru amplificare de calitate a semnalelor de nivel foarte mic. Aceste componente

functioneaza la temperaturi cuprinse intre 0 oC si 70 0 oC.


Pag.

Fig.2.7. Simbolul OP07CP

Fig.2.8. Schema voltmetrului liniar

6. Amplificatoare de izolare – de tipul 5B40. Aceste sunt destinate să asigure izolarea

galvanică a circuitului de măsură faţă de pămînt, pentru a tăia bucla de masă, şi să

asigure izolarea galvanică faţă de modulul de achiziţie (în care se găseşte convertorul

A/D) pentru a-l proteja faţă de tensiunile de comutare, închise la pămînt prin capacităţi

parazite ale circuitelor de semnal. De asemenea, implicit asigură şi izolarea faţă de

comunicaţia serială USB cu calculatorul, care ar putea fi vulnerabilă prin închiderea unui

circuit pentru tensiuni tranzitorii, prin capacităţi parazite (filtre EMI) ale alimentării

acestuia. Deşi efectul acestor capacităţi este prevăzut de producătorul calculatorului

pentru tensiuni tranzitorii uzuale, tensiunile şi capacităţile implicate în măsurătoare pot

depăşi aceste prevederi, şi de aceea izolarea galvanică este o asigurare utilă şi pentru

comunicaţia serială.

5B40/41


Pag.

Caracteristici

Tensiuni de intrare analogice izolate.

Amplifica, protejează şi filtrează intrările analogice.

Lăţime de bandă de 10kHz care le face ideale pentru semnale rapid variabile în timp.

Generează un semnal de ieşire între -5V şi +5V.

Circuitele modulelor pot suporta 240Vrms la terminalele de intrare.

Toate modulele 5B40 şi 5B41 pot fi combinate aleator unele cu altele şi pot fi schimbate sub

tensiune.

APLICAŢII

Condiţionare de semnale industriale

Izolare de semnale industriale

Filtrare de semnale industriale

VEDERE GENERALĂ A PRODUSELOR

Seria 5B reprezintă o generaţie inovatoare de condiţionere modulare de semnal de preţ

redus şi înaltă performanţă. Proiectate pentru aplicaţii industriale, aceste module încorporează o

izolaţie de înaltă fiabilitate bazată pe transformator şi tehnologie automatizată de montare pe

suprafaţă. Ele sunt componente compacte, economice ale căror performanţe le depăşesc pe

cele disponibile la dispozitive mai scumpe. Combinînd izolaţie permanentă de 1500Vrms,

calibrare de +/-0.05% precizie, dimensiune redusă şi preţ scăzut, seria 5B este o alternativă

atractivă pentru condiţionere de semnal scumpe şi proiectare locală.


Pag.

Toate modulele sunt capsulate şi identice în dispunerea terminalelor şi dimensiuni

(2.27"x2.32"x0.595"). Ele pot fi combinate aleator unul cu altul, permiţînd utilizatorilor să-şi

rezolve problemele exacte, şi pot fi schimbate sub tensiune fără să perturbe cablajul din cîmp

sau sursa de alimentare. Modulele izolate de intrare oferă tensiuni de ieşire de 0..5V sau -

5V..+5V şi acceptă termocuple J, K, T, E, R, S, N sau B.

Aceste module prezintă funcţii complete de condiţionare de semnal incluzînd protecţie

de intrare de 240Vrms, filtrare, amplificare cu derivă scăzută, stabilizată prin chopper de +/-

1WV/ºC, izolare de 1500Vrms, şi excitaţie pentru senzor atunci cînd este necesară.

Toate modulele prezintă o excelentă rejecţie a modului comun şi îndeplinesc

specificaţiile industriale de rezistenţă la suprasolicitări tranzitorii.

SCHEMA BLOC FUNCŢIONALĂ

Figura 2.9. B40 şi 5B41- schema bloc funcţională

Sunt disponibile de asemenea un număr de plăci şi de conectoare care asigură o soluţie

completă de condiţionare de semnal pentru utilizatori. Fiecare placă include terminale cu şurub

pentru cablarea la locul de utilizare a intrărilor şi ieşirilor şi senzori de joncţiune rece pentru

aplicaţii cu termocuple. Aceste condiţionere de semnal sunt proiectate pentru a asigura o soluţie

uşoară şi convenabilă pentru problemele de condiţionare de semnal atît ale proiectanţilor cît şi

utilizatorilor în aplicaţii de măsură şi control. Utilizări tipice includ sisteme de măsură bazate pe


Pag.

microcontrollere, sisteme standard de achiziţie de date, controllere programabile, înregistratoare

analogice şi sisteme de control dedicate. Modulele din seria 5B sunt ideal potrivite pentru

aplicaţii unde sunt cerute monitorizarea şi controlul temperaturii, presiunii, debitului, rotaţiei şi a

altor semnale analogice. Modulele şi plăcile din seria 5B sunt aprobate de Factory Mutual (FM)

iar modulele 5B sunt aprobate de Canadian Standards Association (CSA) pentru utilizare în

amplasamente din Clasa 1, Divizia 2, Grupele A, B, C şi D. Aceste aprobări certifică seria 5B ca

potrivită pentru utilizare în locuri unde există concentraţii periculoase de gaze inflamabile numai

în situaţii de defecţiune. Echipamentul din această categorie este denumit "ne-incendiar" şi nu

necesită incinte speciale sau alte asigurări fizice. Modulele şi plăcile din seria 5B au fost testate

şi au trecut cerinţele stringente de industrie grea ale directivei UE de compatibilitate

electromagnetică (ENC) EN50082-1 şi EN50081-2. Atunci cînd sunt folosite în conformitate cu

instrucţiunile de instalare (vezi Manualul de utilizare al seriei 5B), orice erori cauzate de

interferenţa EMI/RFI vor fi mai mici de 0.1% din întregul domeniu de măsură al lor pentru

intensităţi de cîmp de pînă la 10V/m şi frecvenţe de pînă la 1GHz.

DESCRIERE GENERALĂ

5B40 şi 5B41 sunt module de condiţionare de semnal cu un singur canal de bandă largă

care amplifică, protejează, filtrează şi izolează tensiunile analogice de intrare. Ambele tipuri de

module oferă o bandă de intrare de 10kHz care le face ideale pentru măsurarea semnalelor

care variază rapid în timp. Exemplele includ presiunea într-o maşină de injectat mase plastice,

tensionarea pe un şasiu de automobil în timpul unui test de ciocnire şi vibraţiile pe un lagăr al

unei maşini cu scurt timp înainte de defectare. 5B40 şi 5B41 protejează partea dinspre

calculator de defectări datorate supratensiunilor de defect în partea surselor de semnal. Toate

modelele suportă 240Vef. la terminalele de intrare fără defectare astfel ecranînd circuitele din

partea calculatorului faţă de situaţiile de supratensiune din partea dinspre sursele de semnal.

Suplimentar, modulele din seriile 5B40 şi 5B41 pot fi utilizate combinate şi pot fi schimbate fără

deconectarea alimentării, aşa încît pot fi introduse sau scoase din orice conector din aceeaşi

placă de bază fără a opri funcţionarea sistemului. Un amplificator de intrare stabilizat prin

chopper asigură deriva scăzută şi cîştigul stabil. La intrarea amplificatorului, un offset de

aducere la zero, stabil, calibrat cu LASER, este scăzut din semnalul de intrare pentru a stabili

valoarea de zero a scalei. Pentru simplitate pentru utilizator, acest zero poate fi opţional setat


Pag.

din fabrică pentru a îndeplini cerinţele utilizatorului. Aceasta permite eliminarea din semnal a

unei valori continue de intrare de multe ori mai mare decît domeniul care trebuie amplificat şi

măsurat. Un filtru anti-aliasing cu un singur pol este localizat la intrarea fiecărui modul. Un filtru

cu trei poli, trece-jos, în etajul de ieşire setează lăţimea de bandă şi produce o performanţă de

zgomot optimă pentru măsurători precise de semnale mici în zgomot electric ridicat. Izolarea de

semnal prin cuplaj cu transformator foloseşte o tehnică de concepţie proprie pentru o

performanţă liniară, stabilă şi fiabilă. Circuitul diferenţial de intrare de pe partea de intrare este

complet flotant, eliminînd orice necesitate pentru împămîntarea intrării. Un demodulator în

partea dinspre calculator a transformatorului de semnal recuperează semnalul original, care

este apoi filtrat şi trecut printr-un repetor pentru a asigura un semnal de ieşire de zgomot redus

şi impedanţă joasă. Nulul de referinţă al ieşirii trebuie ţinut în limita a 3V faţă de nulul alimentării.

Un întrerupător serie de ieşire elimină necesitatea unui multiplexor în multe aplicaţii.

Întrerupătorul este închis de o intrare de validare activă-jos. Dacă întrerupătorul trebuie să

rămînă închis tot timpul, intrarea de validare trebuie sa fie pusă la masă (la nulul alimentării),

aşa cum este pe plăcile de bază 5B01 şi 5B02.

Fig. 2.10.Modele 5B40 şi 5B41 disponibile

Tabel 2.1. Modele amplificatoare de izolare

Model Domeniul de intrare Domeniu de ieşire

5B40-01 -10mV..+10mV -5V..+5V

5B40-02 -50mV..+50mV -5V..+5V


Pag.

5B40-03 -100mV..+100mV -5V..+5V

5B40-04 -10mV..+10mV 0V..+5V

5B40-05 -50mV..+50mV 0V..+5V

5B40-06 -100mV..+100mV 0V..+5V

5B40 la cerere * *

5B41-01 -1V..+1V -5V..+5V

5B41-02 -5V..+5V -5V..+5V

5B41-03 -10V..+10V -5V..+5V

5B41-04 -1V..+1V 0V..+5V

5B41-05 -5V..+5V 0V..+5V

5B41-06 -10V..+10V 0V..+5V

5B41-07 -20V..+20V -5..+5V

5B41 la cerere * *

*Sunt disponibile domenii de intrare / ieşire la cerere. Vezi ghidul de configurare.

Tabel 2.2. Specificaţii 5B40 şi 5B41

Descriere Model 5B40 Model5B41

Domenii de intrare

Domenii standard ±10 mV .. ±100 mV ±1 V .. ±20 V

Domenii speciale ±5 mV .. ±500 mV ±0.5 V .. ±20 V

Output Ranges (RL > 50 kW)4 4 -5 V .. +5 V sau 0 V .. +5 V *


Pag.

Precizie2

Iniţială la +25ºC +/-0.05% din domeniu +/-10mV

ref. la intrare +/-0.05% (Vz1)

+/-0.05% +/-0.05% (Vz1)

Neliniaritate +/-0.02% din domeniu *

Deriva offsetului la intrare cu

temperatura

+/-1mV/ºC +/-20mV/ºC

Deriva offsetului la ieşire cu

temperatura

+/-40mV/ºC *

Deriva factorului de amplificare

cu temperatura

+/-25ppm din valoarea citită /ºC +/-50ppm din valoarea citită /ºC

Curent de polarizare la intrare +/-3nA +/-0.2nA

Rezistenţa de intrare

Cu alimentare 200MΩ 650kΩ

Fără alimentare 40kΩ 650kΩ

Suprasolicitare 40kΩ 650kΩ

Zgomot

Intrare, 0.1Hz ..10Hz bandă 0.4mVrms WWVrms

Ieşire, 100kHz bandă 10mVv-v *

Lăţime de bandă, -3dB 10kHz *

Timp de creştere la ieşire, de la

10% la 90% din domeniu

35Ws *

Tensiune de mod comun (CMV)3


Pag.

Intrare-la-ieşire, continuu 1500Vrms max. *

Ieşire-la-alimentare, continuu +/-3V max. *

Tranzienţi ANSI/IEEE C37.90.1-1989 *

Rejecţia modului comun (CMR)

Dezechilibru al sursei de 1kW,

50/60Hz

100dB 90dB

Rejecţia modului normal -3dB la 10kHz *

Protecţia de intrare

Continuu 240Vrms, max. *

Tranzienţi ANSI/IEEE C37.90.1-1989 *

Rezistenţa de ieşire 50Ω *

Protecţia ieşirii de tensiune Scurtcircuit continuu la masă *

Timp de selecţie a ieşirii 6Ws la Csarcină=0...2nF *

Comanda de validare a ieşirii

Maxim 0 logic +1V *

Minim 1 logic +2.5V *

Maxim 1 logic +36V *

Curent de intrare stare 0 logic 0.4mA *

Tensiunea sursei de alimentare +5V +/-5% *

Curentul sursei de alimentare 30mA *


Pag.

Sensibilitatea la perturbaţiile

sursei de alimentare, ref. la

intrare

+/-2mV/Vs% +/-0.4mV/Vs%

Dimensiuni mecanice 2.275"x2.375"x0.595"

(57.8mmx59.1mmx15.1mm)

*

Parametri de mediu

Domeniu de temperaturi

Performanţă nominală -25ºC..85ºC *

Funcţionare -40ºC..85ºC *

Depozitare -40ºC..85ºC *

Umiditate relativă 0..93% la 40ºC fără condensare *

Susceptibilitate la interferenţă

radio (RFI)

+/-0.5% din domeniu la

400MHz, 5W, 3ft

* 1Vz este tensiunea nominală de intrare care produce o ieşire de 0V.

2Include efectele combinate ale repetabilităţii, histerezisului şi neliniartăţii şi presupune

RL>50kΩ. Sarcini mai mici de 50kΩ vor degrada neliniaritatea şi coeficientul de temperatură al

amplificării.

3nulul de referinţă al ieşirii trebuie ţinut în limitele +/-3V faţă de nulul alimentării.

Specificaţiile sunt supuse schimbării neanunţate.


Pag.

CONFIGURAŢIA TERMINALELOR QI DESCRIEREA LOR FUNCŢIONALĂ

Fig. 2.11.B40 şi 5B41 Conexiuni de intrare pentru instalare.

Tabelul 2.3. Descrierea funcţiilor terminalelor

Pin nr. Descriere

2 Lo

3 Hi

Fig. 2.12. Modulul de tip 5B, cu alocarea pinilor.


Pag.

PRECAUŢII ESD

Dispozitiv sensibil la ESD (descărcări electrostatice). Sarcini electrostatice de pînă la 4000V se

acumulează uşor pe corpul uman şi pe echipamentul de test şi se pot descărca fără a fi

detectate. Deşi acest produs prezintă circuite de concepţie proprie de protecţie ESD,

deteriorarea permanentă poate să apară pe dispozitivele supuse la descărcări electostatice de

mare energie. De aceea, sunt recomandate precauţiuni ESD potrivite pentru a evita degradarea

performanţelor sau pierderea funcţionalităţii.

Fig. 2.13. Dimensiuni de ansamblu.


Pag.

7. Redresor ÎT. Redresează şi filtrează tensiunea sursei. După oprirea alimentării

aparatului, sursa de tensiune este deconectata.

8. Sursa ÎT. Generează tensiunea de test, folosind un circuit de comutaţie şi un

transformator ridicător (Fig.2.6).

Trepte: 500V, 1000, 1500, 2000 V obţinute din circuitul de alimentare al sursei de ÎT.

Diodele D1, D2 sunt de tipul GP02-30.

9. Modul DAQ USB. Efectuează digitizarea semnalelor analogice şi transmiterea lor prin

comunicaţia serială USB la calculator în vederea înregistrării. De asemenea mai

efectuează şi preluarea de la calculator a comenzilor şi generarea semnalelor digitale de

comandă pentru placa de acţionări K.

1. Convertorul USB – RS485

NI-USB-6009

Descriere generală

- Dispozitiv de dimensiuni reduse, portabil, multifuncţional, pentru achiziţie de date.

- Rezoluţie de intrare de 14 biţi, la pînă la 48000 eşantioane/secundă.

- Conectoare integrate, demontabile pentru acces rapid si costuri reduse de interconectare.

- Două convertoare digital analogic dedicate, pentru acurateţe ridicată a ieşirilor analogice.

- 12 linii digitale I/O (TTL/LVTTL/CMOS)

- Numărător de evenimente pe 32 de biţi.

- Sisteme de operare suportate: Windows 2000/XP, Mac OS X, Linux

- Software recomandat: LabVIEW, LabWindows/CVI


Pag.

Descriere Hardware

Modulul multifuncţional NI USB-6009 este o soluţie de încredere pentru achiziţia de date

la un preţ scăzut. Având conectivitate USB Plug&Play, aceste dispozitive se pot folosi atât la

măsurători mai simple cât şi în sisteme complexe de achiziţie.

Descriere Software

NI USB-6009 include o aplicaţie de înregistrare a datelor achiziţionate cu posibilitate de

extindere de până la 8 canale de date analogice. Pentru o funcţionalitate sporită, driverul

software multiplatformă NI-DAQmx Base oferă un set de interfeţe pentru diverse medii de

programare. Se poate folosi pentru a dezvolta aplicaţii DAQ particularizate cu NI LabVIEW sau

medii de dezvoltare C.

Accesorii Recomandate

USB-6009 are conectoare integrate astfel încât nu mai sunt necesare alte accesorii.

Aplicaţii

USB-6009 este ideală pentru un număr mare de aplicaţii unde preţul, economia de

spaţiu şi simplitatea modulul de utilizare sunt esenţiale, cum ar fi:

- Înregistrarea datelor – Se pot înregistra tensiunile de intrare simplu şi repede.

- Uz Academic.

- Aplicaţii integrate OEM

Specificaţii

(tipic la 25 °C în caz că nu se specifică altfel)

Intrarările Analogice

Tabel 2.4.Acurateţea absolută în modul Single-Ended.


Pag.

Gama Tipic la 25° C (mV) Maxim (0 la 55° C) (mV)

± 10 14.7 138

Tabel 2.5. Acurateţea absolută la scală maximă în modul diferenţial.

Gama Tipic la 25° C (mV) Maxim (0 la 55° C) (mV)

± 20 14.7 138

± 10 7.73 84.8

± 5 4.28 58.4

± 4 3.59 53.1

± 2.5 2.56 45.1

± 2 2.21 42.5

± 1.25 1.70 38.9

± 1 1.53 3.5

Număr de canale ..................................................... 8 single-ended / 4 diferenţiale

Tipul convertorului analogic-digital .......................... aproximări succesive

Tabel 2.6. Rezoluţia convertorului analogic-digital (biţi).


Pag.

Mod Diferenţial Mod Single-Ended

USB-6009 14 13

Tabel 2.7. Rata maximă de eşantionare (depinde de sistemul de calcul).

Rata de eşantionare maximă (kS/s)

USB-6009 48

Gama de intrare, single-ended ................. ±10 V

Gama de intrare, diferenţial ...................... ±20, ±10, ±5, ±4, ±2.5, ±2, ±1.25, ±1 V

Tensiunea maximă faţă de nul ................. ±10 V

Protecţie la supratensiuni ......................... ± 35 V

Mărimea memoriei FIFO .......................... 512 B

Rezoluţia în timp ...................................... 41,67 ns (baza de timp 24 MHz)

Acurateţea în timp ................................... 100 ppm din rate de eşantionare

Impedanţa de intrare ............................... 144 kΩ

Sursa declanşatoare ................................ din aplicaţie sau declanşator extern digital

Zgomot sistemului .................................... 0.3 LSB rms (gama ±10 V)


Pag.

Ieşirile Analogice

Precizia absolută (fără sarcină) .............. tipic 7mV, maxim 36.4mV la scala maximă

Număr de canale .................................... 2

Tipul convertorului DAC ......................... aproximări succesive

Rezoluţia DAC ....................................... 12 biţi

Rata maximă de actualizare .................. 150 Hz, contorizată software

Gama de ieşire ...................................... 0 la +5 V

Impedanţa de ieşire ............................... 50 Ω

Curentul la ieşire ................................... 5 mA

Valoarea la pornire ............................... 0 V

Viteza de variaţie a ieşirii ...................... 1 V/µs

Curentul de scurt circuit .................. 50 mA

I/O Digitale

Numar de canale ............................. total 12

8 (P0.<0..7>)

4 (P1.<0..3>)

Controlul direcţiei ............................. Fiecare canale poate fi programat independent ca

intrare sau ieşire

Tipul de ieşire ................................... Fiecare canal poate fi programat individual push-

pull sau open-drain.


Pag.

Compatibilitate ................................. CMOS, TTL, LVTTL

Rezistor intern pull-up ..................... 4.7 kΩ la +5 V

Starea la pornire ............................. Intrare (Impedanţă înaltă)

Gama maximă absolută ................. – 0.5 la + 5.8 V

Tabel 2.8. Nivelele logice digitale

Nivel Minim Maxim Unităţi

Intrarea de tensiune scăzută - 0.3 0.8 V

Intrarea de tensiune înaltă 2.0 5.8 V

Intrarea de curent de scurgere - 50 µA

Ieşirea de tensiune joasă (I=8.5 mA) - 0.8 V

Ieşirea de tensiune înaltă (Push-pull, I= -8.5mA) 2.0 3.5 V

Ieşirea de tensiune înaltă (Open-drain, I= -0.6mA, nominal) 2.0 5.0 V

Ieşirea de tensiune înaltă (Open-drain, I= -8.5mA, cu rezistor

extern tip Pull-Up) 2.0 - V

Numărător

Numar de contoare .......................... 1

Rezoluţie ......................................... 32 biţi


Pag.

Tip contorizare ................................ Numărare fronturi (fronturi descrescătoare)

Rezistor pull-up ............................... 4.7 kΩ la +5 V

Frecvenţa maximă de intrare .......... 5 MHz

Durata minimă a impulsului înalt .... 100 ns

Durata minimă a impulsului jos ...... 100 ns

Valoarea maximă de intrare ........... 2.0 V

Valoarea minimă de intrare ............ 0.8 V

Alimentarea suplimentară de la conectorul I/O

Ieşirea +5 V (maxim 200 mA) .......... + 5V tipic

+ 4.85V minim

Ieşirea +2.5 V (maxim 1 mA) .......... + 5V tipic

Acurateţea ieşirii +2.5 V .................. 0.25 % maxim

Referinţa tensiunii cu driftul temp .... 50 ppm / °C maxim

Caracteristici fizice

Dimensiuni (fără conectori) ............... 6.35 X 8.25 X 2.31

Dimensiuni (cu conectori) ................. 8.18 X 8.25 X 2.31

Greutate (fără conectori) .................. 59 g


Pag.

Greutate (cu conectori) .................... 84 g

Conectori I/O .................................... Port USB tip B retractabil

2 x 16 poziţii blocuri terminale (fixare cu şurub)

Cabluri pentru conectare .................. între 16 şi 28 AWG

Interfaţa USB

Specificaţii USB ............................... USB 2.0 full-speed

Viteza magistralei USB .................... 12 Mb/s

Greutate (fără conectori) .................. 59 g

Alimentare

USB (4.10 la 5.25 VDC) ................... 80 mA tipic

500 mA maxim

USB în Suspend .............................. 300 µA tipic

500 µA tipic

Mediu

Mediul de operare.

Gama de temperatura a mediului ambiant .......... 0 la 55° C (testat in acord cu

IEC-60068-2-1 şi IEC-60068-2-2)

Gama de umiditate relativă .................................. 10% la 90%, fără condens

(testat în acord cu IEC-60068-2-56)


Pag.

Mediul de operare.

Gama de temperatura a mediului ambiant .......... -40 la 85° C (testat in acord cu

IEC-60068-2-1 şi IEC-60068-2-2)

Gama de umiditate relativă .................................. 5% la 90%, fără condens

(testat în acord cu IEC-60068-2-56)

Altitudinea maximă ............................................... 2.000 m (la 25° C temperatură

ambiantă)

Nivelul de poluare ................................................. 2

Certificate de Conformitate

USB-6009 este proiectată să respecte următoarele standarde se siguranţă pentru

echipamentele de măsură, control şi laborator:

- IEC 61010-1, EN 61010-1;

- UL 61010-1;

- CAN/CSA C22.2 No. 61010-1.

Pentru UL şi alte certificate de siguranţă, vă rugăm sa vizitaţi ni.com/certification.

Tensiuni

Conectaţi numai tensiunile care sunt în limitele maxime specifice fiecărui port de

conexiune. Verificaţi secţiunea specifică pentru a afla limitele impuse.

Locuri periculoase

USB-6009 nu este certificat pentru a fi utilizat în locurile periculoase.


Pag.

Compatibilitate Electromagnetică

Emisie ....................................... EN 55011 Clasa A la 10 m

FCC Part 15A sub 1 Ghz EMC/EMI ................................... Conform CE, C-Tick, şi FCC Part 15 (Clasa A)

Notă: USB-6009 poate avea variaţii temporare în citirea intrărilor analogice când

este expus la radiaţii şi zgomod condus RF. Modulul se va întoarce la modul de

operare normal după ce terminarea expunerii la RF.

Norme CE

Acest produse îndeplineşte cerinţele esenţiale aplicabite de Directivele Europene, ca

amendament pentru notarea CE, după cum urmează:

Directiva de tensiune joasă (siguranţă) .................... 73/23/EEC

Directiva de compatibilitate electromagnetică .......... 89/336/EEC

Notă: Verificaţi Declaraţia de Conformitate (DoC) a acestui produs, pentru orice alte

informaţii cu privire la regulamentele de conformitate. Pentru a obţine DoC pentru acest

produs, verificaţi ni.com/certification.

10. Condiţionare senzori. Generează tensiunile de alimentare pentru senzorii de

temperatură a mediului, de temperatură a uleiului şi pentru senzorul de umiditate relativă

în aer. Transmite semnalele senzorilor la modulul de achiziţie. De asemenea transmite

tensiunea de alimentare de 24 Vc.c. pentru intrarea alternativă de măsură a temperaturii


Pag.

uleiului, destinată cazului în care se foloseşte un senzor de temperatură dotat cu

transmiţător 0..20mA sau 4..20mA, şi converteşte semnalul de 0..20mA sau 4..20mA

într-un semnal de tensiune pe care îl transmite modulului de achiziţie.

11. Elemente constructive

In figurile urmatoare sunt prezentate detaliile mecanice de constructie a carcasei,

proiectata din motive de securitate si grad de protectie (IP 54) .

Fig.2.13.Carcasa – vedere de sus


Pag.

Fig.2.14.Carcasa – vedere din lateral

Fig.2.15.Carcasa – vedere din spate


Pag.

2.5. Functiuni de masura. Scheme echivalente interne

Structura bloc a ID SITP este prezentată în figura următoare:

Fig.2.16. Schema bloc a CABSm

În schemă se identifică următoarele blocuri:

- Convertorul USB – RS485: Permite comunicaţia cu aparatul prin interfaţa USB a

calculatorului. Interfaţa oferă izolare prin optocuploare de pînă la 2500V RMS, este

compatibilă cu standardele USB 1.1 si 2.0 şi face posibilă comunicaţia cu

Fig.2.17. Convertorul USB


Pag.

magistrala internă a aparatului. În figura de mai jos este prezentată schema de funcţionare a

convertorului RS485-USB.

Fig.2.18. Schema de functionare a convertorului USB

- Blocul digital: Asigură comanda din software a aparatului CABSM, prin ieşirile digitale

de tipul Open Collector. Diagrama de mai jos prezintă schema în detaliu a blocurilor

digitale.

- Blocul de achiziţie analogică: Permite realizarea măsurătorilor prin interfaţarea cu

magistrala RS-485. Datele achiziţionate analogic sunt eşantionate şi trimise aplicaţiei

pentru prelucrări ulterioare. Blocul analogic permite izolarea semnalelor

Fig.2.19.Blocul de achizitie analogica


Pag.

de intrare cu ajutorul optocuploarelor. În figura următoare este prezentată schema de

funcţionare a blocului analogic.

- Interfaţa de comandă: Permite prin comutatorul extern, schimbarea configuratiei

interne a CABSM in funcţie de tipul măsurătorii.

- Interţata de condiţionare analogică: Acest bloc este controlat de interfaţa de comandă

şi facilitează condiţionarea semnalelor măsurate, pentru a putea fi înregistrate în blocul

de achiziţie analogică. Sondele de măsură conectate pe partea frontală a carcasei, sunt

legate direct cu această interfaţă analogică.

- Sursa de înaltă tensiune: Asigură tensiunea de test necesară pentru polarizarea

dielectricului. Sursa de înaltă tensiune are precizie ridicată, asigură independenţa faţă

de variaţiile sursei de alimentare şi faţă de variaţiile mediului, are protecţie la scurt circuit

şi limitează curentul la o valoare ce nu pune în pericol viaţa operatorului.

- Sursa de alimentare aparat: Permite alimentarea modulelor din interiorul CABSM de la

tensiunea exterioară 230VAC.

2.6. Moduri de lucru. Scheme echivalente.

Fig.2.20. Modul de lucru


Pag.

Obiectul supus testului este descărcat şi împămîntat. În funcţie de reglementările

aplicabile, pot fi necesare şi alte măsuri pentru a elimina orice pericol de electrocutare.

Rezistenţa de descărcare poate descărca doar sarcini capacitive încărcate la maxim 1000V.

Deconectarea surselor de tensiune şi descărcarea tensiunilor mai mari trebuie asigurate prin

măsuri specifice. În acest mod de lucru se poate efectua şi depolarizarea înaintea măsurătorii.

Legarea la pămînt a tresei cablurilor de măsurare este necesară atît pentru calitatea

măsurării cît şi pentru protecţia operatorilor. Este recomandat ca această legătură să se

realizeze într-un singur punct solidar cu cuva transformatorului pentru a nu se crea bucle de

împămantare. Odată finalizate măsurările este recomandat ca toate punctele ieşirile să fie

scurtcircuitate pană la demontarea conexiunilor. Acest lucru nu afectează sursa de înaltă

tensiune chiar dacă aceasta este în funcţiune (fiind protejată la scurt circuit). Este recomandat

ca scurtcircuitarea să se realizeze cu sursa oprită.

Dupa ce se monteaza sondele de mediu si de temperature, se conecteaza cablurile

conform fig.2.20 si se incepe masuratoare.

2.7. Mod de utilizare

Înainte de începerea măsurătorilor, obiectul de test se scoate de sub tensiune şi se

descarcă de tensiunile reziduale, în conformitate cu procedurile aplicabile. Aparatul se

conectează la priza de împămîntare de protecţie, folosind borna de pe panoul din faţă, iar apoi

se alimentează la reţeaua de 230Vc.a. Conexiunea cu calculatorul se realizează prin

intermediul cablului USB, la conectorul de pe panoul din spate al aparatului. Se pornesc

calculatorul şi aparatul ID SITP, acesta din urmă cu butonul "Alimentare" de pe panoul frontal.

Dupa descărcarea obiectului de test conform normelor de siguranţă, se fac conexiunile la

obiectul de test, prin intermediul cablurilor de test prevăzute cu banane speciale (cu izolaţie de

protecţie).

Se lansează aplicaţia software "ID SITP" (se va auzi un uşor sunet la punerea sub

tensiune a releelor din interiorul aparatului). Se porneşte înregistrarea. Schemele de măsură

sunt la latitudinea utilizatorului, în sensul că se pot face măsurători în schemele de conexiuni

dorite (de regulă cele solicitate de prescripţiile în vigoare). Este recomandat să se efectueze

măsuratori pentru schemele de conexiuni în care se măsoară curenţii de absorbţie/resorbţie

între înfăşurări (primar – secundar, secundar – terţiar, depinzînd de modul de dispunere a


Pag.

înfăşurărilor). Nivelul tensiunii aplicate se recomandă a fi de 1000 V, pentru transformatoarele

aflate în exterior, şi de 500 V pentru transformatoarele aflate în interior.

Măsurătoarea curentului de absorbţie se consideră finalizată cînd se stabilizează

valoarea curentului măsurat la o anumită valoare (curentul de conducţie). Din acel moment se

începe măsurarea curentului de resorbţie o perioadă egală cu cea aferentă curentului de

absorbţie. La sfîrşitul măsurătorilor curenţilor se poate vizualiza spectrul de polarizare

(tensiunea de resorbţie în funcţie de timp). Datele obţinute cu ajutorul softului de achiziţie sunt

prelucrate apoi cu alt soft dedicat. Analiza rezultatelor este realizată de specialist.

2.8. Specificatie tehnica

Sursa de tensiune

valori setate 0/500/1000/1500/2000 Vcc

curentul maxim la conectare <+5mA

impedanţa la conectare <140 kΩ

impedanţa la deconectare <200 kΩ

Electrometru

gama ± 1 mA

precizia - 0.5 % din datele măsurate

impedanţa maximă 200 kΩ

rezoluţia (date înregistrate) 1nA

protecţie 1kV pentru 10s pe toate gamele


Pag.

Sonda de măsurare a parametrilor de mediu

Domeniul de măsură a temperaturii ..... +5 ~ +45 °C , +/- 1°C

Senzor umiditate relativă ............................. 5 ~ 85%, +/- 5%

3.7

Caracteristici generale

parametri sursei de alimentare 110b240 Vca, 50 Hz, max. 30 VA

dimensiuni 271,8 x 247,4 x 122,5 mm

greutate 1,5 kg

temperatura de utilizare 0 ... 50 °C

temperatura de stocare -10 b 55 °C

umiditatea 5 b 80 %

lungimea cablurilor pentru măsurare 15 m


Pag.

2.9. Concluzii

Instrumentul este o sursă de tensiune continuă şi totodată un aparat (de măsurat)

înregistrator al curentului absorbit de obiectul de încercat şi al curentului de descărcare.

Principiul de măsurare (a se vedea figura 2.21) are la bază fenomenul de polarizare a

izolaţiei şi constă în aplicarea, în primă fază, unei tensiuni continue (Uc) pe obiectul de încercat

şi măsurarea/înregistrarea curentului absorbit (iabs) pe durata unei perioade (Tc), iar în faza a

doua, în scurtcircuitarea bornelor şi măsurarea/ înregistrarea curentului de resorbtie (ires) pe o

perioadă egală cu Tc.

Fig.2.21 Principiul de măsurare al ID 1000

Echipamentul este cuplat prin interfaţă USB cu un calculator personal, pe care rulează

un software de aplicaţie. Se evaluează calitatea sistemului de izolaţie, estimandu-se gradul de

imbatranire. Echipamentul este portabil asigurând măsurarea on-site, care în plus are avantajul

de a nu fi distructivă. Prin utilizarea acestui echipament se extinde aria metodelor de

diagnosticarea a stării izolaţiei, ca de exemplu analiza rezistenţei de izolatie, a factorului de

disipare tg δ şi măsurarea descărcărilor parţiale.

UC

Electrometer

i abs i res

Test object

iabs(t)

t

ires(t)

t0 tc

Uc

Tc


Pag.

2.10. Bibliografie

1. Bala, C. “Masini electrice”, EDP, Bucuresti, 1982.

2. BOGGS, S.A. “PD – Overview and Signal Generation (PI)”, IEEE Electrical Insulation

Magazin, no. 4, 1992 .

3. KREUGER, F.H. “Partial discharge detection high voltage equipement”, ISBN 0-408-02063-6-

BUTTERWORTH and CO-Ltd. 1989 .

4. KONIG, D. and NARAYANA, R. “Partial Discharges in Electrical Power Apparatus”, ISBN 3-

8007-1760-3, Berlin, Offenbach, VDE, Verlag, 1993.

5. KREUGER, F.H. “Industrial High Voltage”, Delf University 1991, vol. I.

6. IFRIM A., NOTINGHER, P. “Materiale electrotehnice”, EDP, Bucuresti, 1992.

7. T.K. SAHA, M. DARVENIZA, “The Application of Interfacial Polarization Spectra for

Assessing Insulation Condition in Aged Power Transformer”, International Conference on Large

High Voltage Electric Systems, CIGRE’98, Vol. 2, August 1998, pp. 7.

8. A. K. JONCHER, “Dielectric Polarisation/depolarisation in Solids”, Chelsea Dielectric Press,

1984.

9. Ernst Gockenbach, Mohsen Farahani, Hossein Borsi, ’’CALCULATION AND

MEASUREMENT OF DIELECTRIC RESPONSE FUNCTION IN INSULATION SYSTEMS OF

HIGH VOLTAGE ROTATING MACHINES’’, Institute of Electric Power Systems, Division of High


Pag.

Voltage Engineering, Schering-Institute, University of Hannover, Callinstr. 25 A, 30167

Hannover, Germany

10. NOTINGHER, P. “SISTEME DE IZOLATIE”, Editura PRINTECH, Bucuresti, 2002.

11. Texas Instruments – products

12. National Instruments – products

13. Vasile N. Lazarescu : Prelucrarea digitala a semnalelor, Ed. Ameo Press, Bucuresti, 1994.

14. MOCANU, I.C. “Teoria campului electromagnetic”, EDP, Bucuresti,1981


Pag.

2.11.ANEXE – CARACTERISTICE TEHNICE

Manual de utilizare USB 6009

Introducere

NI USB-6009 asigură conectarea a până la 8 canale de intrare analogice (AI), 2

canale de ieşire analogice (AO), 12 canale de intrare/ieşire digitale (DIO) şi a unui

numărător de 32 biţi pe o interfaţă full-speed USB.

Conveţia de notare a tipului de ieşire digitală

Funcţionalitate Hardware Terminologia NI-DAQmx

Open-Drain Open Collector

Push-Pull Active Drive


Pag.


Pag.

Schema bloc de funcţionare a modulului de achiziţie a USB-6009

PROIECTAREA ECHIPAMENTULUI DE MASURA SI …midmit.elmat.pub.ro/media/part/Raport SIMTECH etapa...

Documents

Transcript of PROIECTAREA ECHIPAMENTULUI DE MASURA SI …midmit.elmat.pub.ro/media/part/Raport SIMTECH etapa...