При эксплуатации и ремонте электрооборудования возникает необходимость измерения переходного сопротивления контактов высоковольтных выключателей, разъединителей, отделителей, короткозамыкате-лей, КРУ, контактных соединений, сварных швов и др. Давайте подробнее остановимся на высоковольтных выключателях.
Для измерения электрического сопротивления постоянному току существует множество различных приборов (как отечественного, так и импортного производства), отличающихся принципом действия, метрологическими характеристиками, степенью автоматизации, массогабаритными показателями и ценой. Основное требование к измерителям переходного сопротивления (например, микроомметрам) — обеспечение довольно большого тока через измеряемое сопротивление.
Так какой же должен быть минимальный измерительный ток у микроомметра, чтобы прибор выдавал точные значения?!
Чтобы ответить на поставленный вопрос, прежде всего, необходимо разобраться с теорией электрического контакта и принципом измерения электрического сопротивления. Электрический контакт состоит из следующих областей: металлическое соединение между контактирующими поверхностями (называемыми контактными пятнами), полупроводниковая область образованная различными окислами и сульфидами материала контактов, масляные пленки (масляных выключателей), пустоты между контактами, образованными из-за микронеровностей контактирующих поверхностей полученные в результате плохой обработки контактов или из-за электрической эрозии (см. рисунок 1).
Как известно, электрическое сопротивление обратно пропорционально суммарной площади контактных пятен, т.е. чем больше суммарная площадь пятен, тем меньше сопротивление. На основании сравнения данных, полученных при измерении сопротивления токоведущей системы полюса и каждой пары рабочих контактов, с данными завода-изготовителя необходимо принять решение о разборе или не разборе выключателя с целью шлифовки его контактов для удаления микронеровностей. Для принятия соответствующего решения необходимо первым делом исключить из результатов измерений сопротивление различных пленок, которые у нормального контакта практически всегда присутствуют и ни на что не влияют при рабочем токе. Из-за наличия пленок может быть неверное решение о выводе высоковольтного выключателя в ремонт.
Электрическое напряжение, необходимое для пробоя нормальной масляной пленки между контактами, составляет 0,2–0,6 В. При подаче электрического напряжения, превышающего эти значения, возникает электрический пробой пленки, в результате чего в местах пробоя образуются контактные пятна, через которые начинает протекать измерительный ток. Если сила измерительного тока мала, то соответственно на этих контактных пятнах будет мало и падение напряжения. Если падение напряжения не превысит хотя бы 0,2 В, то новых контактных пятен не образуется, и прибор покажет завышенное сопротивление. Иными словами, если в результате измерения сопротивления на малом токе получено «сопротивление контактов выключателя в норме» то, скорее всего, так оно и есть. Если сопротивление завышенное — это еще не означает что контакты плохие.
Решим простую арифметическую задачу.
Предположим:
I) Измерительный ток — 10 А. Начальное сопротивление между контактирующими поверхностями — 20 мОм. В этом случае измерительный ток создаст падение равное 10 А х 0,02 Ом = 0,2 В и новых контактных пятен из-за пробоя пленок не образуется. Прибор покажет сопротивление 20 мОм. Вывод: прибор покажет завышенные данные измеренного сопротивления.
II) Зададим измерительный ток 50 А. Начальное сопротивление между контактирующими поверхностями — 20 мОм. При протекании тока 50 А через сопротивление 20 мОм на нем возникнет падение напряжения равное 50 А х 0,02 Ом = 1 В. Так как напряжение 1 В превышает напряжение пробоя пленок (0,2 В), то это приведет к образованию новых контактных пятен. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока падение напряжения на сопротивлении контактных пятен вновь не уменьшится до 0,2 В (перестанут образовываться новые контактные пятна). Таким образом, новое сопротивление будет равно 0,2 В / 50 А = 0,004 Ом, что в 5 раз меньше первоначального значения. Формальным признаком остановки измерений может служить получение сопротивления, соответствующего паспортному значению выключателя.
В общем случае процесс образования новых контактных пятен заканчивается без 5-кратного уменьшения сопротивления (обычно речь идет о десятках процентов). Данный пример приведен исключительно для иллюстрации механизма зависимости сопротивления контактов от силы тока и, в частности, от напряжения пробоя пленки. Но, кроме электрического пробоя, существуют и другие механизмы, связанные с протекающим током, приводящие к уменьшению контактов, такие как, например, разогрев контактных пятен протекающим током и их последующее смятие или оплавление.
Для новых выключателей, у которых контактирующие поверхности еще не были подтверждены эрозии, и процесс разложения масла еще не начался, измерение при малом и большом измерительном токе дают близкие результаты, и при выборе микроомметра можно не обращать на возможное максимальное значение выдаваемого измерительного тока. В то время как для давно эксплуатируемых выключателей результаты измерений при малом и большом токе могут отличаться на десятки процентов.
К сожалению, в России до сих пор нет утвержденных ГОСТов, которые бы регламентировали минимальную требуемую величину измерительного тока у микроомметров при измерении сопротивления на выключателе, поэтому решение о приобретении того или иного микроомметра зачастую принимается исходя из стоимости прибора и без учета его технических параметров.
Тем не менее, согласно зарубежным стандартам при измерении электрического сопротивления измерительный ток микроомметра должен быть не менее 50 А (по МЭК 56) или не менее 100 А (по ANSI C37.09). Верхний предел измерительного тока эти стандарты не нормируют. К сожалению, в России стандарты МЭК 56 и ANSI C37.09 официально не утверждены, поэтому на рынке появилось уже свыше десятка микроомметров с токами 10 А и ниже.
Рассмотрим два ниже представленных сравнительных практических испытаний на точность измеренного сопротивления контактов высоковольтных выключателей.
Испытание I
Для сравнительных испытаний по измерению переходного сопротивления были взяты четыре микроомметра на ток до 10 А, микроомметр на ток до 50 А и микроомметр на ток до 1000 А. В таблице ниже приведены их характеристики. Испытания проводились на высоковольтных выключателях следующих типов: У-220-10 (ток 1000 А, 1966 г. выпуска), МКП-110М (ток 600 А, 1971 г. выпуска), МКП-110Б (ток 1000 А, 1984 г. выпуска).
| Прибор | Тип прибора | Вес, кг | Ток, А | Цена (с НДС), руб. на 06.03.13 |
|---|---|---|---|---|
| ХХХ-1 | Микроомметр | 0,8 | 2 | 31 034,00 |
| ХХХ-2 | Микроомметр | 6,0 | 5 | 40 946,00 |
| ХХХ-3 | Микроомметр | 2,0 | 10 | 46 138,00 |
| ХХХ-4 | Микроомметр | 1,7 | 10 | 149 930,00 |
| ХХХ-5 | Микроомметр | 3,5 | 50 | 59 708,00 |
| ХХХ-6 | Микромилли-килоомметр | 2,7 | 1000 | 254 408,00 |
При испытаниях приборами (названия приборов изменены, остальные параметры остались неизменными) с малыми токами (ХХХ-1, ХХХ-2, ХХХ-3, ХХХ-4) результаты измерений переходного сопротивления превышали показания прибора XXX-5 на (15...32)%, а показания прибора ХХХ-6 — на (28...53)%.
Таким образом, еще раз подтвердилась обязательность большой величины (не менее 50А согласно МЭК56) тока микроомметра. Измерения же на токах равных или близких к рабочим токам выключателей дает наиболее достоверные значения переходного сопротивления.
Стоимость прибора ХХХ-4, на наш взгляд, завышена по сравнению микроомметрами, имеющими такой же измерительный ток. Из шести приборов только микроомметры ХХХ-5 и ХХХ-6 позволяют полностью решить проблемы измерения переходных сопротивлений высоковольтных выключателей.
Испытание II
Для сравнительных испытаний по измерению переходного сопротивления была проведена серия измерения на высоковольтных выключателях типа МКП-110 (см. таблицу 2).
| Измерение № | Полюс | А | В | С | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Измерительный ток, А | 10 | 600 | 10 | 600 | 10 | 600 | |
| 1 | МКП-110М | 2239 | 1196 | 1087 | 1090 | 4284 | 1322 |
| 2 | МКП-110-5П | 648 | 651 | 794 | 792 | 723 | 716 |
| 3 | МКП-110М | 571 | 568 | 633 | 631 | 642 | 630 |
| 4 | МКП-110М | 761 | 747 | 798 | 789 | 690 | 681 |
| 5 | МКП-110-5П | 1102 | 949 | 494 | 490 | 572 | 569 |
По результатам измерений можно отметить следующее. В основном результаты измерений на токе 10 А и 600 А отличаются не более чем на 1,5%, что, в частности, говорит об отсутствии различного рода отложений на контактных поверхностях с большим напряжением пробоя.
Но по данным трем измерений разность значений сопротивления отличается существенно, а именно более чем на 14% (для фазы А измерение №5), на 47% (для фазы А измерение №1) и на 69% (для фазы измерение №1). Если принимать показания только микроомметра с измерительным током 10 А, то во всех эти случаях (измерения №1 и №5) выключатель подлежит ремонту со всеми вытекающими финансовыми затратами. Хотя под рабочим током сопротивление контактов придет в норму, и данный выключатель может продолжать нормально функционировать.
Основываясь на данных, полученных теоретическим и опытным путем по результатам исследований I и II, мы можем сделать вывод, что минимальный допустимый ток микроомметра при измерении сопротивлений контактов высоковольтного выключателя должен быть не менее 50 А (что также соответствует зарубежному стандарту МЭК56). При наличии окисных пленок и неметаллических включениях контактов наиболее точные измерения будут при приближении тока микроомметра к рабочему току контактов, но не стоит забывать, что микроомметры с током до 10 А дают практически всегда завышенные показания сопротивлений.
Стоит еще раз отдельно отметить, что завышенные показания переходного сопротивления могут привести к выводу о несоответствии полученных данных с данными завода-изготовителя, что в свою очередь приведет к большим расходам на ненужный ремонт высоковольтного выключателя. Кроме того, полученная экономическая выгода от приобретения более дешевого микроомметра с малыми токами обернется дополнительными тратами на необоснованный ремонт выключателя и приобретение другого микроомметра с требуемым минимальным током.
Отдел маркетинга
ООО «СКБ электротехнического приборостроения»
www.skbpribor.ru
Статья опубликована в журнале «Электротехнический рынок», № 2 (50), 2013