השפעת קוטביות חיבור הנקודה בניסוי על תוצאות המדידה

האם ישנה חשיבות לקוטביות נקודות הבדיקה בעת מדידת התנגדות הבידוד של כבל חשמל?

מחלקת פיתוח של חברת SONEL נתקלת פעמים רבות בלקוחות אשר שואלים, "האם ישנה חשיבות לקוטביות חיבור הנקודה בעת מדידת התנגדות הבידוד, כגון בכבל חשמל?

טכנאי חשמל מקצועי אשר מודד את התנגדות הנגד יענה שחשיבות הקוטביות אינה מובהקת, משום שלא יימצא הבדל גדול בין תוצאות המדידה. אולם, המצב שונה בעת ביצוע מדידות במתקני אספקת חשמל. אופן חיבור נקודות הבדיקה, כאשר מדובר בכבל מתח גבוה, כאמור לעיל, עשוי להשפיע באופן מובהק על התוצאות שתתקבלנה.

תחילה, עלינו לדעת אילו ערכי זרמים עומדים בפנינו בעת המדידות, ומדוע מדידות התנגדות הבידוד אינן יכולות להיות זהות לאלו הנעשות בנגד. נסו לדמיין זרם בסוללת אלקליין שאינה מחוברת, דבר שיגרום לה להחלש מעצמה. על פי מקורות, שיעור ההיחלשות העצמית הינו 0.3% לחודש. הקיבולת שלהן היא 50 מיליאמפר לשעה. פירושו של דבר הוא, שהזרם בסוללה בלתי מחוברת הוא 12.5מיקרו-אמפר בקירוב, נתון התואם להתנגדות בשיעור 80 מגה אוהם, הנמדד בכוח אלקטרו-מניע של 1000 ואט.

הבעיה מתחילה כאשר אנו מודדים התנגדות של מאות אלפי ג'יגה אום, במקום מגה אום. במקרים כאלה, הזרם הנמדד אינו הזרם הטוען סוללות באריזה מסחרית. הזרם נמוך פי 1000, או אפילו פי 50,000 (בדומה למדידה של TΩ40 ל-10,000 ואט. במצב זה, המדידה מושפעת מאי אילו סוגים של הפרעות, קרי:

הזרמים במעגל נובעים מהסידור הגיאומטרי של החוטים. הזרם הנמדד כה קטן, עד שכל זרם בלתי רצוי שעובר בשכבה המבודדת של הכבלים דומה לזרם הניסוי ועלול להשפיע באופן משמעותי על תוצאת המדידה. לפיכך, יש להמנע מסידור הכבלים אחד על גבי השני. חברת SONEL SA מספקת נקודת בדיקה, אשר מונעת את הבעיה, אם נעשה בה שימוש בעת המדידה.

כאשר נמדדים זרמים נמוכים כאלה, ובהיעדר מידע על מצב הבידוד, כאשר ישנם זרמים ממקורות שונים, אשר אינם מופקים על ידי המונה, לדוגמא: דליפת זרם ממקורות אחרים בסביבה, חצאי תאים אלקטרוכימיים וכו', 

שינויים בערכי זרם החשמל בשל תנודות באזור בו נמצאות נקודות הבדיקה ומושא המדידה. זוהי תופעה הדומה לזו המשמשת במסכי מגע קיבוליים. האויר הוא המבודד העיקרי. אנשים הנעים בסביבות נקודות הבדיקה ומושא המדידה משנים את הקיבוליות תוך שינוי המרחק בין המעטפות של אותו קבל פרזיטי, כביכול. השינוי בקיבוליות גורם לזרימה (גוף המדידה מציג את הבדלי הפוטנציאל). כבל עטוף מונע תופעה זו, אם כי מושג הניסוי יכול להיות בלתי עטוף. לפיכך, מושא הניסוי אמור להיות מחובר כראוי אל גוף המדידה. אם החפץ עדיין אינו עטוף, מומלץ להמנע מתנודות בעת המדידה. הדיון להלן יתייחס אל שיטת חיבור נקודות הבדיקה י עבור החפץ באמצעות האלקטרודה החיובית של גוף המדידה, אשר גם תצמצם את אפקט הקיבוליות הפרזיטית. 

שדות חשמליים חיצוניים בעלי תדר נמוך בהם גוף המדידה ומושא המדידה נוכחים. שדות בעלי תדר גבוה עוברים סינון. שדות חשמליים בעלי תדר נמוך (מתחת למספר הרץ), בפרט אלה שנמשכים יותר משניה אחת, דומים מאוד לזרם ישיר (DC) וניתן להבחין בהם כתנודות בתוצאה.

תופעות הקשורות לקיטוב בחומרים מבודדים.

פריקת קורונה דרך הקצוות החדים של חוטי החשמל.

לאור הידע לעיל, ייתכן כי ננסה לבחון שני תרחישי חיבור גוף מדידת הבידוד אל מושא הניסוי. נבחן את מקורותיו הפוטנציאליים של הזרם הנוסף, אשר עשוי להתערב בתשומות נקודות הבדיקה (שחור) אך מבלי לזרום דרך נגד Rx, אשר מייצג את הבידוד הנמדד. פירושו של דבר הוא, שההתנגדות בין לב הכבל ובין הכיסוי. בעת המדידות, נעשה שימוש בכבל עטוף, שהוא הסטנדרטי המסופק על ידי חברת SONEL S.A.

מקרה מבחן מס. 1

 מקורות ההפרעה וההגנה מפניהם:

זרמי דליפה הקשורים להתנגדות בידוד מופחתת, הזורמת דרך RUPŁ1 ו- RUPŁ2אינם נלקחים בחשבון:

• • • באמצעות נקודה מסוג GUARD (כחולה), תוך שימוש ברצועה על גבי הבידוד ביו האדום (+) לבין השחור (-)
    • – RUPŁ2 תוך עיטוף הנקודה השחורה (-), המסומנת בקו כחול דק.
    • אפשרות לזרמי דליפה בין ציפוי הכבל השחור ובין הליבה שלו, המיוצגת על ידי הסמל RIZOL:
      • עיצוב פנימי של גוף המדידה מבטיח כי ישנה חפיפה בין הכוח האלקטרו-מניע בנקודה הניסוי (-) ובין הכוח האלקטרו-מניע בציפוי שלו (רמת אי הדיוק הינה מיליוולטים בודדים). על פי חוק אום, הזרם תלוי בפער בין הפוטנציאל לבין ההתנגדות, שבמקרה זה, הוא גבוה מאוד, דהיינו, מאות GΩ (ג'יגה-אום). לפיכך, סביר להניח כי אין לכך השפעה משמעותית.
      • דליפות זרם אפשריות, הנגרמים על ידי שילוב של IZAKŁ1 , RSKR1 ,RSKR3  ושל הגורמים הבאים –
        • עיצוב גוף המדידה מבטל את השפעת הזרמים המתערבים תוך עיטוף פנימי של מערכת המדידה.
        • ההשפעה אינה מבוטלת
        • במקרה זה, ישנו סיכון שזרם הניסוי יחדור אל תשומת המדידה, ויבטל חלקית את ההתנגדות בניסוי (המסומנת ב- RX). זהו מקרה זרם ההתערבות, אשר עובר בבידוד של הנקודה האדומה (+) והבידוד החיצוני (נדן) של כבל הניסוי ודרך הקרקע יהוו את תשומת המדידה.

מקרה מס. 2

זרמי דליפה פוטנציאליים בין ציפוי הכבל השחור ובין הליבה שלו, מיוצגים על ידי RIZOL:

עיצוב פנימי של גוף המדידה מבטיח כי ישנה חפיפה בין הכוח האלקטרו-מניע בנקודה הניסוי (-) ובין הכוח האלקטרו-מניע בציפוי שלו (רמת אי הדיוק הינה מיליוולטים בודדים). על פי חוק אום, הזרם תלוי בפער בין הפוטנציאל לבין ההתנגדות, שבמקרה זה, הוא גבוה מאוד, דהיינו, מאות GΩ (ג'יגה-אום). לפיכך, סביר להניח כי אין לכך השפעה משמעותית.

דליפות זרם אפשריות, הנגרמים על ידי שילוב של IZAKŁ1 , RSKR1 ,RSKR3 :

• • • עיצוב גוף המדידה מבטל את השפעת הזרמים המתערבים תוך עיטוף פנימי של מערכת המדידה.

זרמי דליפה פוטנציאליים הנגרמים על ידי שילוב של IZAKŁ1, RSKR1 :

• • • הזרם IZAKŁ1  אינו משפיע על המדידה, משום שאינו יכול לחדור אל תשומת המדידה דרך RSKR1, RSKR2. לדוגמא, בהיעדר זרם IZAKŁ1, הנובע ממקורות חיצוניים, זרם הדליפה הקשור לכח האלקטרו מניע בניסוי לא יזרום אף הוא, בשל היעדר פער הפוטנציאלים הנדרש. אם ישנה זרימת IZAKŁ1, אשר נגרמת ממקור חיצוני, אזי יהיה ניתן לסגור אותו רק כאשר גוף המדידה מקורקע באמצעות RSKR3  ו/או RUPL2 ,  דבר שיוביל לשינוי רק בערך הכוח האלקטרו-מניע הנמדד במסגרת בניסוי. שינוי זה ישוקלל בעת המדידה.
    • במסגרת חיבור זה – ההשפעה בטלה.
    • זרמי דליפה פוטנציאליים, הנגרמים על ידי IZAKŁ2, RSKR3, או RSKR3  בשילוב עם RSKR2:
      • בכל אחד מהמקרים, אין זרם לכיוון תשומת המדידה, אלא רק כחלק מתשומת קרקוע גוף המדידה, או שההשפעה על הכוח האלקטרו-מניע הנמדד הינה זניחה למדי. זו נמדדת באמצעות גוף המדידה והשינוי האפשרי שלה משוקלל בתוצאות הניסוי בהתנגדות לבידוד.
      • במסגרת חיבור זה, ההשפעה באלה.

אי לכך, חברת SONEL S. A. ממליצה לחבר את מושא הניסוי בהלימה למתואר במקרה מס. 2, כפי שמוצג בתרשימים 3, 4.

ייתכן כי בעת התנגדות לבידוד, יופיע אפקט הזרימה האלקטרו-אוסמוטית, אשר עשוי להשפיע על תוצאות מדידת ההתנגדות. המחברים המשתייכים למכון להנדסת חשמל ואלקטרוניקה מציינים במאמרם IEEE Std 43™-2013, אשר עוסק בבדיקת התנגדות מכונות חשמליות. הדבר כרוך בזרימת מים, למשל באמצעות גופים נקבוביים תחת השפעת שדה מגנטי. תופעה זו נצפתה באופן בלתי סדיר למדי, ובעיקר בחומרים תרמופלסטיים ישנים, אך המהנדסים שחקרו את הנושא, הוכיחו במסגרת עבודת השטח כי בידוד רטוב מועד לערכי התנגדות שונים, וזאת בהתאם לכיוון קיטוב הכח האלקטרו-מניע המופעל. על פי הרוב, כאשר מדובר בליפופים ישנים יותר, או רטובים, ההתנגדות לבידוד לקוטביות חיובית, שבה הנקודה בעלת המטען החיובי +RISO מחוברת אל הליפוף, והנקודה RISO בעלת המטען השלילי מחוברת לאדמה, גבוהה יותר מאשר במקרה של קוטביות הפוכה. השגת ערך גבוה יותר של התנגדות לבידוד עשוי להוביל לאישור המכשיר לפעילות נרחבת יותר כאשר למעשה נדרש כאן תיקון [1].

לסיכום, אם ויסותים נפרדים לסטנדרטים פנימיים אינם מצריכים שימור קוטביות הפועה, מומלץ לחבר את ההדק בעל הפוטנציאל הנמוך לליבת העבודה של הכבל או הליפוף הממונע. סדר גודל העבודה המבוצע בעת פעולת החיבור יעמוד בעינו, אם כי הבטחון בדיוק המדידה יושג רק כאשר המכשיר מחובר כראוי אל מושא הניסוי.

מקור:

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

 
מחברים:

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