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"APPAREIL POUR ESSAYER DES VALEURS D'ISOLEMENT"
La présente invention a trait aux appareils pour essayer et mesurer quantàtivément les valeurs d'isolement des matières diélectriques, en particulier de celles qui sont fabriquées comme isolateurs de diverses formes, pour être utilisées industriellement afin de confiner les cou- rants électriques dans leurs voies conductrices. Son but est d'offrir un appareil de ce genre, mais ayant des caracté- ristiques particulières qui lui permettent d'être transporté sur le lieu où la matière isolante à essayer est installée et y être utilisé pour examiner ces matières, avec une cer- titude complète et avec précision en ce qui concerne ses mesures et indications.
Il existe beaucoup de circonstances où il est désirable d'essayer une matière isolante de ce genre sur place, et de le faire rapidement, afin de limiter au minimum le temps pendant lequel l'équipement doit être sous- trait au service pour l'essai et d'éviter la dépense et le
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retard qu'entraine le démontage de cet équipement lorsque son isolement doit être essayé dans un laboratoire. Cela est spécialement vrai à l'égard, par exemple, des parties isolantes d'interrupteurs à huile, telles que leurs traver- sées, barres de commande, huile, supports, etc.
Tandis que toutes ces parties et substances isolantes, et aussi bien d'autres matières et objets isolants peuvent être essayés, en vue d'une détermination précise de leur valeur d'isole- ment, dans un laboratoire, où l'on peut obtenir des conditions idéales, l'équipement de laboratoire connu jusqu'ici ne convient pas à l'usage sur place., Le problème des essais des parties isolantes dans leur position installée est compliqué par les tensions électriques extérieures, des courants dispersés et analogues, et par le fait que souvent une électrode du condensateur constituée par l'isolant à l'essai est mise à la terre; comme dans le cas des interrup- teurs à huile, à travers lesquels passent des courants de haute tension et dont les éléments sont montés dans et sur une cuve métallique placée par terre.
Il existe un besoin insatisfait jusqu'ici, d'un appareil capable de faire des essais de ce genre sur place et de montrer correctement l'état de l'isolant, sans erreurs dues à ces causes de complication.
L'invention satisfait à ce besoin en prévoyant un appareil portatif qui comprend..des moyens pour appliquer une tension à l'isolant à l'essai et des instruments pour mesurer le courant traversant l'isolant et la perte de puissance qui s'y produit, ainsi que des moyens pour proté- ger les instruments de mesure des influences perturbatrices de façon que leurs indications donnent une mesure vraie et
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précise de l'état de l'objet à l'essai. Grâce à sa protec- tion il peut servir efficacement sur place, même bien qu'il soit entouré d'influences électriques de la nature la plus perturbatrice et lorsque l'isolement est mis à la terre. Il peut être utilisé aussi dans un laboratoire.
L'invention prévoit, en outre, des perfectionne- ments aux wattmètres faisant partie d'un appareil de ce genre. Comme les objets à l'essai, tels que les traversées d'interrupteurs à huile, les isolateurs pour lignes à haute tension, les câbles électriques sous gaine etc., ont une résistance d'isolement élevée et une perte de puissance usuellement faible, alors qu'ils sont soumis à une haute tension, il est désirable d'utiliser un wattmètre sensible, du genre.où le circuit d'intensité a une haute impédance, afin de produire un mouvement de l'indicateur suffisamment ample pour donner des lectures précises.
Pour atteindre cet effet, il est nécessaire d'uti- liser un grand nombre de tours de fil fin dans la ou les bobines d'intensité du wattmètre. par conséquent, il existe une capacité répartie considérable dans la bobine elle-même, ainsiqu'une capacitance entre la bobine et les parties métalliques adjacentes du wattmètre. Ces capacitances ont un effet viciant sur l'indication de l'instrument à cause des courants qui se produisent de ce fait dans la bobine d'in- tensité lorsque le circuit de tension du wattmètre est excité. Lorsqu'une tension est appliquée aux bornes du circuit de tension d'un wattmètre de ce genre et lorsque les bobines d'intensité ne sont pas mises en circuit élec- trique, il se produit une déviation de l'indicateur, usuelle- ment négative.
Cette déviation est une composante du mouve-
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ment de l'indicateur lorsque les deux jeux de bornes de l'instrument sont connectés de la manière appropriée pour la mesure des watts, et elle vicie toutes les lectures, à moins qu'elle soit compensée ou prise en considération lors de l'étalonnage.
D'autre part, comme on va le décrire plus en détail en regard des dessins annexés, l'appareil portatif comporte des écrans électriques qui présentent une capacité interve- nant comme si elle était mise en parallèle avec le circuit d'intensité du wattmètre.
La présente invention permet d'annuler ou de neu- traliser l'effet viciant de toutes ces capacités, qu'elles soient intérieures, extérieures ou à la fois intérieures et extérieures. Dans ce but, on munit le wattmètre d'un dispo- sitif de compensation approprié.
-'--'invention va être décrite plus en détail en regard des dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est un schéma représentant les éléments essentiels et facultatifs d'un appareil complet, conformé- ment à l'invention.
La figure 2 est un schéma des connexions électriques d'une variante.
La figure 3 est un schéma représentant une variante d'un détail de l'appareil de la figure 1.
La figure 4 est un schéma de circuits équivalents, représentant les caractéristiques électriques de l'isolant tel qu'il est usuellement essayé à l'aide de l'appareil.
La figure 5 est une coupe d'un interrupteur à huile ordinaire, représentant les chemins sur lesquels peuvent avoir lieu des pertes de puissance.
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La figure 6 est un schéma électrique représentant le principe du dispositif de compensation du wattmètre.
Les figures 7 et 8 sont des plans schématiques de wattmètres munis de dispositifs compensateurs conformes à l'invention.
En se référant d'abord à la figure 1, l'appareil comprend un transformateur ayant un enroulement primaire 1, un enroulement secondaire 2 et un noyau 3. Les conducteurs 4 et 5 allant à la bobine primaire prennent du courant sur quelque source convenable. Ordinairement, on utilise le cou- rant alternatif normal à 110 volts, qui offre des prises dis- ponibles presque partout. Le transformateur est destiné à élever la tension. Il est commode d'appliquer, aux fins d'essai de cette invention, un potentiel d'environ 10.000 volts et d'utiliser à cet .effet un transformateur du commerce ayant un rapport d'élévation d'environ 120 à 1, lorsque l'appareil est destiné à recevoir du courant normal à 110 volts.
Toutefois, on ne s'écarterait nullement des principes de l'invention en augmentant la tension dans tout autre rap- port, pourvu qu'on obtienne, aux bornes de la bobine secon- daire, un potentiel suffisamment haut pour servir aux essais.
Un voltmètre 6 est conneoté directement entre les conducteurs de puissance allant au primaire du transforma- teur, et une résistance variable 7, ou tout autre dispositif pour faire varier la tension, est insérée dans l'un de ces conducteurs, entre le voltmètre et la source de courant. Ce dispositif de variation permet de régler la tension secon- daire et de l'ajuster à une valeur définie et restant fixe lorsqu'on procède à tous les essais, en simplifiant ainsi la tâche du calcul de la puissance et du facteur de puissance
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à l'aide des lectures obtenues sur les instruments de l'appareil.
Cependant que le voltmètre 6 mesure directement la tension du circuit primaire, il est préférable qu'il soit étalonné en tension développée dans le circuit secondaire, afin-de déterminer cette dernière par une lecture directe et dtéviter la nécessité de la calculer d'après les indica- tions du voltmètre et le taux de transformation.
Ce transformateur n'est nécessaire que lorsqu'on ne peut pas obtenir autrement une tension suffisante à l'essai particulier envisagé.
Un inverseur 8 est mis en circuit, de préférence, entre la résistance variable 7 et la source de courant. Son but est d'inverser la polarité de la source, dont un côté est généralement mis à la terre, afin de montrer s'il existe quelque induction et de permettre de faire une correction si nécessaire. La présence de l'induction apparait si-, après cette inversion de polarité, les instruments de mesure donnent des lectures différentes; et la correction est faite en prenant la moyenne des deux lectures.
La borne 9, appelée ci-après "côté ligne", de l'enroulement secondaire 2 est connectée à un conducteur la qui conduit à une borne 11 de l'isolement à essayer et qui a toute longueur appropriée et commode pour ce but. L'autre borne, appelée ci-après "côté garde", de l'enroulement est connectée à la garde en 12.
Un conducteur 13 va de l'autre côté de l'isolement à l'essai à une borne 14 de l'appareil, appelée ci-après : "borne de terre". Comme une borne de l'isolement à essayer est, d'habitude, mise à la terre en permanence, le conducteur
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13 est, d'habitude, aussi connecté à la.terre, et il est donc connecté, pour l'essai de tout isolement mis à la terre, comme indiqué en 15, à la borne mise à la terre de l'isolement.
Par exemple, si l'objet à essayer est une traversée d'un interrupteur à huile, le conducteur 10 sera connecté au conducteur qui passe dans cette traversée et, la bride ou le conducteur extérieur de la traversée étant mis à la terre par lesparois de la cuve dans laquelle il est monté, le con- ducteur 13 est connecté entre la borne de terre 14 et cette cuve. Mais si l'isolant à l'essai est d'une nature telle ou est installé dans une position telle qu'aucune de ses bornes n'est mise à la terre en permanence, le conducteur 13 n'aura pas besoin d'être mis à la terre, si ce n'est comme une mesure de sûreté désirable.
Les instruments indicateurs de l'appareil consistent en un ampèremètre 16, un wattmètre 17 et, de préférence, mais non pas essentiellement pour les mesures ordinaires, un volt- mètre 18. L'ampèremètre est connecté, par un conducteur 19, au côté de garde de la bobine secondaire 2 et, par un con- ducteur 20, à la borne de terre 14. Le côtéde courant du wattmètre 17 est connecté en série, quant à son effet, avec l'ampèremètre, et peut être connecté ainsi directement. Mais si l'on veut, la connexion peut être faite, comme représenté sur la figure 1, par un transformateur 21 dont la bobine primaire 22 est intercalée dans le conducteur 19 et la bobine secondaire 23 est connectée directement au côté cou-, rant du. wattmètre.
La raison pour laquelle on utilise un transformateur à cet endroit est que la faible conductivité de l'isolement à l'essai réduit l'intensité du courant dans
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le circuit secondaire à une valeur qui pourrait être trop faible pour avoir un effet suffisant dans le wattmètre, et le transformateur 19 est de nature à élever ce courant.
Toutefois, en prévoyant un wattmètre d'une sensibilité ex- traordinaire, il est possible d'omettre le transformateur.
Dans le fonctionnement réel, l'ampèremètre et le wattmètre peuvent être, - et sont, de préférence- , mis en circuit un à la fois, l'autre instrument étant alors mis en court- circuit. Des interrupteurs de mise hors circuit pour ces instruments sont indiqués en 24 et 25.
Pour la commodité, la bobine de tension du watt- mètre est connectée aux bornes du primaire.du transformateur principal par des conducteurs 26 et 27; toutefois, tout autre mode d'alimentation du wattmètre en potentiel convenable, ayant une relation connue avec la tension d'essai serait suffisant. Il pourrait être constitué par un transformateur de potentiel distinct ou par un enroulement spécial du même transformateur ou par une prise sur le secondaire 2 avec, si nécessaire, une réduction directe de la haute ten- sion au moyen d'une impédance en série avec la bobine du wattmètre. Le wattmètre, pourvu qu'il soit mis en phase convenablement, indiquera alors les pertes de puissance dans l'isolement à l'essai.
Un dispositif de compensation est intercalé dans les connexions allant au côté tension du wattmètre afin d'amener la relation générale entre les valeurs qui sont lues sur les instruments à une condition normale, prédéter- minée, en créant certains déphasages dans les connexions électriques. Il comprend un condensateur 28 et une résistance
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variable 29. Une forme de réalisation de ce dispositif de compensation, représentée sur la figure 1, comporte un condensateur 28 branché entre les conducteurs 27 et 30 et une résistance variable 29 branchée entre les conducteurs 26 et 30 . Une autre disposition, indiquée par la figure 3, représente le condensateur 28, ainsi que la résistance varia- ble, connectés entre les conducteurs 26 et 30.
Ces moyens ne sont donnés qu'à titre d'exemple, n'étant pas les seuls possibles pour atteindre le but voulu. Le seul usage fait de ce dispositif est d'étalonner ou d'ajuster l'appareil par référence à une impédance connue, ayant une capacitance connue, préalablement à un essai. La tension appliquée à la bobine de tension du wattmètre est indiquée directement par le voltmètre 18, qui est mis en parallèle avec la bobine de tension du wattmètre à l'aide des conducteurs 31 et 32.
Ce voltmètre constitue un moyen offrant une précision fine lorsqu'on le veut.
Les bobines du transformateur et les conducteurs qui en partent vers les instruments de mesure et l'objet à l'essai, sont tous protégés par des écrans contre l'influence de courants de dispersion et d'autres tensions électriques qui pourraient affecter autrement les instruments et vicier les résult ats. Ces écrans sont des gaines en matière conduc- trice, qui entourent les bobines du transformateur et les fils ou câbles conducteurs, tout en étant isolées, et qui sont reliées soit à la garde, soit à la terre. Ils peuvent avoir la structure de tubes faits avec des fils métalliques fins tressés ou de feuilles de toile métallique enveloppant les parties protégées, ou de toute autre manière connue
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actuellement dans l'art ou que l'on pourra trouver convenable dans le futur.
Les écrans des bobines primaire et secondaire du transformateur sont représentés par des traits pointillés 33 et 34, sous forme d'une enveloppe entourant séparément ces bobines. Celui du câble allant à la bobine de tension du wattmètre est indiqué de même comme une gaine 35. Celui du câble allant à l'ampèremètre est indiqué comme une gaine 36, et celui du. conducteur du côté ligne 10, comme une gaine 37. Cette dernière est protégée, à son tour, par une gaine extérieure 38, ayant les mêmes caractéristiques, Il est évident, pour les gens du métier, que cette description des écrans implique nécessairement la présence d'un isole- ment convenable entre les écrans et les conducteurs qu'ils enveloppent respectivement..
Les écrans 33, 35, 36 et 38, ainsi que le noyau. 5 du transformateur, sont tous représen- tés comme connectés à la borne de terre 14, par des connexions clairement indiquées. L'écran 37 est relié à l'écran 34, et ce dernier est connecté en 39 à la borne de garde de la bobine secondaire, cette connexion étant, par conséquent, en un point intermédiaire entre les instruments de mesure et le côté de basse tension de la source de tension (de l'enroulement secondaire 2).
Des écarts de la disposition spécifique ainsi représentée et décrite sont admissibles tout en restant dans le cadre de l'invention, la chose essentielle étant, toutefois, que des écrans électriques convenables soient prévus pour les circuits et leurs parties qui nécessitent une protection contre les influences pertur- batrices afin de permettre d'obtenir des résultats ayant la précision voulue.
L'un destraits fondamentaux importants de l'inven-
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tion est constitué par l'écran ou les écrans 34 et 37 qui enferment la bobine secondaire du transformateur et le con- ducteur à haute tension allant à l'objet à l'essai, qui sont à un potentiel supérieur à celui du sol. Ce facteur de protection élimine l'influence de l'enroulement à haute ten- sion et du câble de connexion sur les instruments de mesure et confine les courants à leurs chemins prescrits dans l'ap- pareil. Lorsque, comme d'habitude, on utilise un transforma- teur à haute tension avec une ligne partant de lui, il existe des courants de charge entre les enroulements du transforma- teur et la terre ainsi qu'entre le conducteur à haute ten- sion et la terre. Ces courants de charge peuvent être, et sont usuellement, accompagnés de certaines pertes.
La protection à laquelle on se réfère ici fait du transforma- teur et du conducteur à haute tension, ensemble avec les écrans, un système isolé constitué de telle sorte que les courants de charge et les pertes qui s'y produisent n'entrent, en aucune façon, dans le circuit extérieur. Le circuit extérieur comprend l'isolement à l'essai, et, par suite de cette disposition, l'indication des instruments de mesure qui y sont connectés ne comprend par le courant de charge et les pertes susmentionnés. Les lectures des instruments peuvent être amenées ainsi à ne représenter que les pertes dans l'isolement à l'essai, que l'on veut étudier.
L'écran de protection qui est connecté à la terre (par exemple, par la connexion 14) est un second système de protection. Il a deux fonctions : la première est de donner une capacitance constante en parallèle avec les instruments de mesure ; la seconde, de couper les pertur-
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bations extérieures électrostatiques aussi bien de toute partie de l'appareil lui-même que des sources de haute ten- sion extérieure. Son effet de donner une capacitance sensi- blement constante entre la garde et la terre, est une ressour- ce de valeur lorsque l'on veut avoir la plus grande précision.
En pratique, on remarque certaines variations dans la capa- citance entre les deux écrans à des conditions de températures différentes, et l'ampleur de cette variation dépend des matières utilisées en qualité de diélectrique entre les deux écrans. Comme la capacitance se trouve en travers du circuit de courant du wattmètre et de l'ampèremètre, un changement de son impédance peut changer la phase du courant passant à travers le wattmètre, ce que l'on peut compenser en déphasant le courant passant à travers le circuit de tension du watt- mètre, en agissant par la capacitance 28 et la résistance 29, précédemment décrites.
D'autres moyens ou procédés per- mettant d'effectuer une compensation équivalente sont compris dans le cadre de cette invention, ce pourquoi il doit être compris que le dispositif compensateur auquel on s'est référé en dernier est donné à titre d'exemple et ne limite pas cette partie de l'invention. Dans la protection exté- rieure, à savoir celle qui est mise à la terre, la partie la plus importante est l'écran 38 qui entoure l'écran intérieur 37 du conducteur de haute tension 10. Les parties ou éléments 55 ou 36 qui protègent les câbles allant aux instruments de mesure et en revenant peuvent être nécessaires ou non.
Ils ne sont nécessaires que lorsque les instruments sont situés à plus d'un mètre de la source de tension ; maiscomme en pratique, les instruments sont presque toujours situés plus loin du transformateur que cette courte distance,
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les écrans 35 et 36 sont pratiquement une partie nécessaire de l'appareil.
On a mentionné plus haut le fait que le transfor- mateur 21 peut être omis dans certaines circonstances. Le fait est aussi que le transformateur principal 1, 2, 3 peut être omis lorsqu'on dispose d'une source de tension appropriée à l'essai envisagé sans transformation. Un appareil réalisant l'invention simplifié par l'omission de ces éléments, est représenté sur la figure 2.40 représente ici une source de tension d'un genre quelconque,,propre à fournir du courant alternatif. La borne côté ligne de cette source de tension est indiquée par la référence 9, comme sur la figure 1, et le conducteur allant à l'isolement à essayer est désigné par le chiffre 10. Les instruments de mesure sont aussi désignés par les mêmes lettres que sur la figure 1.
Un conducteur 41 va du côté ligne de la source à la connexion en parallèle du voltmètre et de la bobine de tension du wattmètre, qui sont reliées aussi toutes les deux au conduc- teur de retour 42. L'ampèremètre et le côté d'intensitédu wattmètre sont connectés en série avec le conducteur qui vient du côté mis à la terre de l'isolement. Une résistance variable 43, disposée entre la source de tension et le con- ducteur mis à la terre, sert au même but que la résistance variable 29.
Les écrans pour la source de tension, les conduc- teurs 10, 41 et 42 et la résistance variable 43 sont tous désignés, d'une façon facile à comprendre, par le chiffre 44 et sont reliés à une borne de garde 45. Ces écrans, ainsi que le conducteur de terre et les connexions entre ce dernier et l'ampèremètre et le wattmètre, sont protégés par d'autres
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écrans désignés, d'une façon facile à comprendre, par 46, quiont mis à la terre en 47. Ces écrans sont, commb but et fonctions, essentiellement analogues à ceux qui ont été dé- crits précédemment.
Relativement aux écrans, on peut remarquer que chaque fois que deux ou plusieurs conducteurs isolés sont enfermés dans un même câble, dans quelque partie de l'appa- reil, chaque conducteur séparé peut être entouré séparément par un écran pour le protéger de l'effet du ou des conducteurs adjacents.
L'objet à l'essai est indiqué conventionnellement sur les figures 1 et 2 comme constitué d'un condensateur 48 et d'une résistance 49 contournant ce condensateur, ainsi que d'un condensateur 50 en série avec une résistance 51, le tout connecté entre le conducteur du côté ligne et la terre, comme indiqué, pour représenter un circuit complexe inclusif.
On indique ainsi le principe selon lequel l'appareil fonc- tionne, car tout isolateur ou diélectrique est, ou peut être rendu, un circuit comprenant un ou plusieurs condensateurs et une ou plusieurs résistances. Le circuit complexe tel qu'il est représenté sur la figure 1, connecté entre le conducteur de ligne et la terre, couvre presque toutes les conditions que l'on peut trouver normalement en pratique. Dans certaines conditions, le circuit peut être moins complexe et pourrait être représenté par une disposition plus simple, comme repré- senté sur la figure 4 par A, B, C, D (A - simple résistance; B - simple capacité ; C - une résistance en série avec une capacité ; D - une résistance en parallèle avec une capacité).
La perte de puissance due à l'imperfection de l'isolement est la cause des indications données par le wattmètre au
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cours de l'essai. Lorsque l'isolement donne lieu à une perte de quelque genre dans sa matière, ou lorsqu'il existe un chemin de fuite sur sa surface, le courant passe, et la perte de puissance qui en résulte est indiquée par les ins- truments.
Pour illustrer plus complètement la nature de l'isolement qui peut être essayé par cet appareil et celle des chemins dans lesquels des pertes de courant et de puis- sance peuvent se produire, on a représenté, sur la figure 5, un type normal d'interrupteur à huile, en y indiquant les chemins de fuite possibles. 52 représente les bornes de connexion à la ligne de puissance, 53, la cuve et 54, les extrémités du point d'interrupteur, que l'on peut mettre en mouvement au moyen de la tige 55, en contact et hors de contact avec les bornes intérieures 56 des conducteurs 52.
E représente le chemin de fuite à travers l'isole- ment principal qui entoure le conducteur de ligne;
F représente le chemin de fuite suivant la surface exposée de la traversée, usuellement en porcelaine;
G représente le chemin de fuite suivant la surface de'la partie inférieure de la traversée isolante, entre la borne intérieure 56 et la terre, à l'écran de protection 57;
H est le chemin de fuite suivant l'intérieur du p are-étincelles en porcelaine 58, entre la borne 56 et le métal de la cuve;
J est le chemin de fuite par la surface extérieure du pare-étincelles entre la borne 56 et le métal de la cuve;
K est le chemin de fuite à travers l'huile, à l'intérieur du pare-étincelles, entre la borne 56 et la terre;
L est le chemin de fuite quelque part à travers
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l'huile contenue dans la cuve principale, entre la borne 56 et le métal de. la cuve.
Tous ces chemins de fuite sont en parallèle entre le conducteur sous tension 52, 56 et la cuve, et des pertes de puissance peuvent se produire dans chacun d'eux.
Une mesure électrique indiquant la qualité ou l'état de l'isolement à l'essai dépend de la perte en courant et en watts à une tension appliquée donnée. Une combinaison de ces facteurs est connue sous le nom de "facteur de puissan- ce", qui peut être employé comme une indication utile de l'état de l'isolement.
Par définition, le facteur de puissance est égal à la perte en watts divisée par le produit des volts appli- qués et du courant en ampères; par exemple :
P F = W
VI p F - facteur de puissance
W - pertes en watts
I - ampères
V - volts appliqués.
En pratique, l'appareil d'essai décrit ici est, de préférence, essayé et réglé par référence à une impédance connue ayant une capacitance.
Une caractéristique d'une valeur particulière de cet appareil est qu'il est portatif. Toutes ses parties peuvent être enfermées dans une simple boite ou caisse, mais de préférence, pour que le transport soit plus commode, elles sont réunies en des caisses séparées, notamment la résistance variable 7, l'inverseur 8, le voltmètre 6 et les connexions de celui-ci, dans une caisse 59, le transformateur dans une seconde caisse 60 et le wattmètre et l'ampèremètre, ainsi que
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le voltmètre 18 lorsqu'il est utilisé, dans une troisième caisse 61. Ces unités peuvent être facilement portées à l'endroit où l'isolement etc. à essayer est installé et où elles sont connectées pour former les circuits représentés sur le schéma.
Les instruments de mesure, les rhéostats et les transformateurs utilisés dans cet équipement sont ou peuvent être des instruments normaux, où. ils peuvent être établis spécialement pour assurer une sensibilité extraor- dinaire ou pour permettre des réglages d'une précision et d'une délicatesse supérieures à l'ordinaire. Ainsi, par exemple, il est préférable d'utiliser comme wattmètre 17 un instrument d'une plus grande sensibilité que ceux qui sont utilisés communément pour la mesure des pertes extrêmement faibles.
On va décrire maintenant un wattmètre particuliè- rement sensible et permettant les réglages et assurant la précision susmentionnés.
En se référant d'abord à la figure 6 pour l'expli- cation des principes impliqués : Lc représente la ou les bobines d'intensité du wattmètre, munies de bornes 71 et 72 pour la connexion avec un circuit extérieur, et Lp représente la ou les bobines de tension, munies de bornes extérieures 73 et 74. Il existe une inductance mutuelle entre les bobines L et L . C1 représente schématiquement la capacitance due à toutes les capacitances comprises à l'intérieur du wattmètre, et elle est représentée ici schématiquement comme connectée en parallèle avec la bobine d'intensité. La capacitance ainsi représentée peut être la capacitance répartie de la bobine d'intensité et/ou la capacitance entre les bobines et d'autres parties métalliques qui, du point de vue électrique, semble
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être en parallèle avec la bobine.
C2 représente, de la même façon, toutes les capacitances de l'appareil avec lequel le wattmètre est utilisé, qui sont extérieures au wattmètre et sont effectivement connectées en parallèle avec la bobine d'intensité lorsque le wattmètre est en usage. Le schéma mon- tre clairement que, si la bobine de tension Lp est excitée, un courant s'établira dans la bobine d'intensité à cause de l'inductance mutuelle, courant passant par les capacitances C1 et C2 pour fermer le circuit. La phase de ce courant est telle que la déviation de l'indicateur du wattmètre est négative. En d'autres mots, la déviation ou la tendance à la déviation est opposée à celle qui est causée par le courant qui passe lorsque les bornes 71 et 72 de la bobine d'intensité sont connectées à un circuit extérieur.
S'il n'y avait aucune capacitance correspondant à celles désignées par C1 et C2 et si une inductance était connectée entre les bornes 71 et 72, le wattmètre donnerait, dans les mêmes conditions, une déviation positive. L'invention utilise le principe de cette inductance pour compenser la. déviation négative causée par l'une ou l'autre des capacitan- ces, ou les deux. Cette inductance est représentée sur le schéma comme une inductance réglable L en parallèle avec la bobine d'intensité et les capacitances. La combinaison d'une inductance de ce genre ou de ses équivalents pratiques, ci-dessous décrit s, avec le wattmètre constitue un des points essentiels de cette invention.
L'invention envisage de donner à cette inductance une grandeur telle qu'elle équilibre et neutralise l'effet de déviation ou la tendance à une déviation des capacitances intérieures du wattmètre et des capacitances parallèles extérieures, lorsque celles-ci se présentent, de
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l'équipement avec lequel le wattmètre est utilisé.
Toutefois, comme la valeur de la somme de ces capacitances varie dans des conditions différentes, et comme il n'est pas commode, en pratique, de régler une in- ductance aussi grande que celle qui est nécessairpour le but de l'invention suivant une gamme suffisamment large, pour équilibrer exactement ces valeurs variables, l'invention prévoit un dispositif compensateur équivalent, qui est re- présenté sur la fig. 7 et qui comprend une inductance non réglable L1 avec, en série, une résistance variable R. Cette combinaison d'une inductance et d'une résistance variable remplit le rôle de l'inductance réglable, mais est d'un usage plus commode et plus pratique. Elle peut être montée soit à l'intérieur, soit à l'extérieur de la boîte du watt- mètre.
C'est-à-dire que la relation d'espace entre ces élé- ments peut être quelconque tout en restant dans le principe de l'invention. Mais étant donné que les éléments inductance- résistance peuvent être volumineux, il est pratiquement plus cpmmode de monter le wattmètre seul dans sa propre boîte et de prévoir une unité d'inductance-résistance sous forme d'un dispositif séparé dont les bornes sont connectées en paral- lèle avec celles de la bobine d'intensité Lc.
L'effet de cet inductance ainsi que celui de la combinaison inductance-résistance en parallèle avec la capa- citance Ci et/ou C2 est d'établir un circuit électrique à haute impédance en parallèle avec la bobine d'intensité Lc.
L'impédance de cette combinaison est grande par comparaison avec l'impédance de la bobine d'intensité, de sorte que la sensibilité du wattmètre compensé est essentiellement aussi grande que sans ce dispositif compensateur. Lorsque l'induc-
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tance L et, de façon correspondante, la combinaison L1R a une valeur correcte pour s'accorder sur les capacitances entre les bornes de Lc jusqu'à résonance à la fréquence de la tension appliquée à la bobine de tension L , l'impédance de cette combinaison capacité-résistance-inductance est L où C est égal à la somme de C1 et C2, c'est-à-dire à la CR1 1 2 capacitance totale en parallèle avec la bobine d'intensité;
L représente l'inductance extérieure totale en circuit, c'est- à-dire l'inductance de L aussi bien que toute inductance dans tous les conducteurs allant à L, et R1 représente la résistance dans l'inductance L aussi bien que toute résis- tance de fuite dans les capacités C1 et C2, ou si la résis- 'tance est mise en série.avec L, comme représenté sur la fi- guré 7, R1 représente R plus la résistance de l'inductance L aussi bien que la résistance de fuite de C1 et C2. Toutefois, il n'est pas essentiel d'obtenir la résonance exacte afin d'atteindre des effets satisfaisants. Il suffit que le courant induit dans la bobine Lc p.ar la tension établie dans la bobine de tension Lp soit réduit à une valeur à laquelle son effet de déviation ou sa tendance à faire dévier l'indicateur du wattmètre. est négligeable.
On remarquera'que la possibilité de réglage de l'effet d'impédance est désirable afin d'adapter le wattmètre compensé aux conditions qu'il rencontrera lorsqu,'il sera utilisé avec l'appareil associé et de corriger sa compensation pour faire face à des conditions changeantes ou à des condi- tions différentes. Toutefois l'invention, sous ses aspects les plus larges, n'est pas limitée au réglage, et l'invention comprend également des combinaisons partielles aussi bien que
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la combinaison complète du dispositif compensateur représenté.
Une autre variante de dispositif compensateur équi- valent consiste en un dispositif ou en plusieurs dispositifs disposés, par rapport à la bobine d'intensité Lc, de manière à influer sur le champ magnétique de cette bobine. La forme de réalisation préférée de ce dispositif est représentée sur la figure 8 et consiste en des palettes ou plaques V et V1 montées au voisinage des extrémités opposées de la bobine Lc, avec possibilité de réglage soit vers la bobine ou en s'éloi- gnant, soit transversalement à l'axe de la bobine. Les pa- lettes établissent un champ de force magnétique en une phase et direction telles qu'il s'oppose au champ magnétique établi par le courant induit de la bobine d'intensité, qui passe à travers les capacitances représentées par C1 et C2 dans l'explication précédente, et qu'il annule ce champ ma- gnétique.
Par un réglage convenable des palettes, on peut obtenir un équilibre sensiblement eact. L'indicateur du wattmètre n'a plus de tendance à dévier lorsque seule, la bobine de tension est excitée.
Les effets les plus puissants et les plus sensi- bles à ces égards sont obtenus lorsque les palettes sus- mentionnées sont en matière magnétique et sont utilisées en combinaison avec une protection magnétique des bobines. En pratique, une protection magnétique est utilisée avec des instruments sensibles du genre de celui qui est décrit ici : et cette protection est virtuellement essentielle lorsque le wattmètre sensible est utilisé avec d'autres appareils, comme décrit ici, afin d'essayer l'isolement mis à la terre par l'application d'un courant alternatif de haute tension.
La boite N de l'instrument constitue un écran de protection. de ce genre.
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L'instrument comprenant l'écran N et les palettes V, V1, le tout en matière magnétique, en combinaison avec des bobines d'intensité telles que représentées sur la fige 8, est la forme de réalisation préférée de l'invention, et on la préfère à la combinaison équivalente d'une inductance ou d'une inductance et d'une résistance, du fait qu'elle est plus compacte et plus constante dans 'état réglé. Il doit être compris, toutefois, que les palettes.où des masses équivalen- tes d'une matière appropriée pour influencer le champ magné- tique de la matière voulue, peuvent être utilisées sans l'écran N ou son équivalent.
Alors que les palettes sont, de préférence, en matières magnétiques pour avoir l'effet maximum, elles peuvent être faites aussi en matières non magnétiques, pourvu que ces matières soient des conducteurs électriques. Il doit être compris, en outre, qu'en désignant les organes V et V1 comme des palettes, on n'a eu l'intention que de représenter le principe en se référant à une réalisa- tion concrète et non pas d'impliquer quelque limitation quant à la forme, les dimensions ou la masse, que ces organes auraient nécessairement. Des corps d'autres formes et propor- tions que celles répondant aux définitions spécifiques du mot "palette", sont équivalents et sont compris dans ce terme tel qu'il est utilisé dans la présente description pour décrire l'invention.
Lorsqu'on compense le wattmètre par un réglage des palettes dernièrement décrites, de manière à annuler aussi bien les capacitances intérieures que les capacitances. exté- rieures, on connecte un condensateur équivalent à la capacitan- ce présentée par l'appareil associésur la bobine d'intensité
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L , on applique la tension alternative correcte aux bornes 73-74 et on déplace les palettes transversalement à l'axe de la bobine d'intensité jusqu'à ce que l'indicateur du wattmètre indique une déviation essentiellement nulle. Si l'on ne compense que la capacitance interne, on omet la connexion avec un condensateur extérieur, mais à d'autres égards, le procédé est le même.
Le réglage des autres dis- positifs de compensation décrits (c'est-à-dire de la com- binaison de l'inductance ou de l'inductance et de la ré- sistance) est fait essentiellement de la même manière, sauf en ce que c'est la résistance variable R qu'on règle jusqu'à ce que l'indicateur occupe sensiblement sa position zéro lorsque la tension alternative est appliquée à la bobine de tension.
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"APPARATUS FOR TESTING ISOLATION VALUES"
The present invention relates to apparatus for testing and quantitatively measuring the insulation values of dielectric materials, particularly those manufactured as insulators of various forms, for use industrially to confine electrical currents in their conductive paths. . Its aim is to offer an apparatus of this kind, but having particular characteristics which allow it to be transported to the place where the insulating material to be tested is installed and to be used there to examine these materials, with a certain degree of complete and precise knowledge of its measurements and indications.
There are many circumstances where it is desirable to test such insulating material in the field, and to do so quickly, in order to minimize the time that the equipment must be contracted out to service for testing. and avoid the expense and
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delay in dismantling this equipment when its isolation must be tested in a laboratory. This is especially true with regard to, for example, insulating parts of oil switches, such as their bushings, control rods, oil, supports, etc.
While all these insulating parts and substances, as well as other insulating materials and articles, can be tested, with a view to a precise determination of their insulation value, in a laboratory, where it is possible to obtain ideal conditions, the laboratory equipment known hitherto is not suitable for use in the field., The problem of testing the insulating parts in their installed position is complicated by external electrical voltages, stray currents and the like, and by the fact that often an electrode of the capacitor formed by the insulation under test is earthed; as in the case of oil switches, through which pass high voltage currents and whose elements are mounted in and on a metal tank placed on the ground.
There is a heretofore unmet need for an apparatus capable of performing such tests on site and of correctly showing the condition of the insulation, without errors due to these complicating causes.
The invention satisfies this need by providing a portable apparatus which comprises means for applying a voltage to the insulation under test and instruments for measuring the current flowing through the insulation and the loss of power therein. product, as well as means for protecting measuring instruments from disturbing influences so that their indications give a true measurement and
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specifies the condition of the object under test. Thanks to its protection it can be used effectively on site, even though it is surrounded by electrical influences of the most disruptive nature and when the insulation is earthed. It can also be used in a laboratory.
The invention further provides for improvements to the wattmeters forming part of such an apparatus. As the test objects, such as oil switch bushings, insulators for high voltage lines, sheathed electric cables etc., have high insulation resistance and usually low power loss, then that they are subjected to high voltage, it is desirable to use a sensitive power meter, such as where the current circuit has a high impedance, in order to produce movement of the indicator large enough to give accurate readings .
To achieve this effect, it is necessary to use a large number of turns of fine wire in the current coil (s) of the power meter. therefore, there is considerable distributed capacitance in the coil itself, as well as capacitance between the coil and adjacent metal parts of the power meter. These capacitances have a vitiating effect on the readout of the instrument because of the currents which thereby occur in the current coil when the voltage circuit of the power meter is energized. When a voltage is applied across the voltage circuit of such a power meter, and when the current coils are not electrically connected, a deviation of the indicator occurs, usually negative. .
This deviation is a component of the movement
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ment of the indicator when the two sets of instrument terminals are connected in the proper manner for measuring watts, and it vitiates all readings, unless compensated for or taken into account during calibration .
On the other hand, as will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, the portable apparatus comprises electric screens which have a capacitance which acts as if it were placed in parallel with the current circuit of the wattmeter.
The present invention makes it possible to nullify or neutralize the vitiating effect of all these capacities, whether they are interior, exterior or both interior and exterior. For this purpose, the wattmeter is provided with an appropriate compensation device.
-'-- 'The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 is a diagram showing the essential and optional elements of a complete apparatus according to the invention.
Figure 2 is a diagram of the electrical connections of a variant.
Figure 3 is a diagram showing a variant of a detail of the apparatus of Figure 1.
FIG. 4 is a diagram of equivalent circuits, showing the electrical characteristics of the insulator as it is usually tested with the aid of the apparatus.
Figure 5 is a sectional view of an ordinary oil switch, showing the paths on which power losses can occur.
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FIG. 6 is an electrical diagram showing the principle of the power meter compensation device.
FIGS. 7 and 8 are schematic plans of power meters provided with compensating devices according to the invention.
Referring first to Figure 1, the apparatus comprises a transformer having a primary winding 1, a secondary winding 2 and a core 3. The conductors 4 and 5 going to the primary coil draw current from some suitable source. Usually, normal 110 volt alternating current is used, which provides outlets available almost anywhere. The transformer is intended to raise the voltage. It is convenient to apply for the test of this invention a potential of about 10,000 volts and to use for this purpose a commercial transformer having an elevation ratio of about 120 to 1, when The apparatus is intended to receive normal current at 110 volts.
However, increasing the voltage in any other ratio would not deviate from the principles of the invention in any way, provided that a potential high enough to be used for testing is obtained across the secondary coil.
A voltmeter 6 is connected directly between the power conductors going to the primary of the transformer, and a variable resistor 7, or any other device for varying the voltage, is inserted in one of these conductors, between the voltmeter and the Power source. This variation device makes it possible to regulate the secondary voltage and to adjust it to a defined value which remains fixed when all the tests are carried out, thus simplifying the task of calculating the power and the power factor.
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using readings obtained on the instrument's instruments.
However, the voltmeter 6 measures the voltage of the primary circuit directly, it is preferable that it be calibrated to the voltage developed in the secondary circuit, in order to determine the latter by a direct reading and to avoid the need to calculate it from the voltmeter readings and transformation rate.
This transformer is only necessary when it is not otherwise possible to obtain sufficient voltage for the particular test envisaged.
An inverter 8 is preferably switched between the variable resistor 7 and the current source. Its purpose is to reverse the polarity of the source, one side of which is usually grounded, in order to show if there is any induction and to allow correction to be made if necessary. The presence of induction appears if, after this polarity reversal, the measuring instruments give different readings; and the correction is made by taking the average of the two readings.
Terminal 9, hereinafter referred to as "line side", of secondary winding 2 is connected to a conductor 1a which leads to terminal 11 of the insulation to be tested and which has any suitable and convenient length for this purpose. The other terminal, hereinafter called "guard side", of the winding is connected to the guard at 12.
A conductor 13 goes from the other side of the insulation under test to a terminal 14 of the device, hereinafter called: "earth terminal". Since one terminal of the insulation to be tested is, usually, permanently earthed, the conductor
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13 is usually also connected to earth, and therefore it is connected, for testing any earthed insulation, as shown in 15, to the earthed terminal of the insulation.
For example, if the object to be tested is a bushing of an oil switch, the conductor 10 will be connected to the conductor which passes through this bushing and, the flange or the outer conductor of the bushing being grounded by the walls of the bushing. the tank in which it is mounted, the conductor 13 is connected between the earth terminal 14 and this tank. But if the insulation under test is of such a nature or is installed in such a position that none of its terminals are permanently earthed, conductor 13 will not need to be grounded. to land, if not as a desirable security measure.
The indicating instruments of the apparatus consist of an ammeter 16, a wattmeter 17 and, preferably, but not primarily for ordinary measurements, a voltmeter 18. The ammeter is connected, by a conductor 19, to the side of guard of the secondary coil 2 and, through a conductor 20, to the earth terminal 14. The current side of the wattmeter 17 is connected in series, in effect, with the ammeter, and can thus be connected directly. But if desired, the connection can be made, as shown in Figure 1, by a transformer 21 whose primary coil 22 is interposed in the conductor 19 and the secondary coil 23 is connected directly to the current side of the . wattmeter.
The reason a transformer is used here is that the low conductivity of the insulation under test reduces the current in the
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the secondary circuit at a value which could be too low to have a sufficient effect in the wattmeter, and the transformer 19 is such as to increase this current.
However, by providing an exceptionally sensitive power meter, it is possible to omit the transformer.
In actual operation, the ammeter and the wattmeter may be - and preferably are - switched on one at a time, with the other instrument then being shorted. Cut-off switches for these instruments are shown at 24 and 25.
For convenience, the voltage coil of the power meter is connected to the terminals of the primary. Of the main transformer by conductors 26 and 27; however, any other method of supplying the power meter with suitable potential, having a known relationship to the test voltage would be sufficient. It could be constituted by a separate potential transformer or by a special winding of the same transformer or by a tap on secondary 2 with, if necessary, a direct reduction of the high voltage by means of an impedance in series with the coil of the power meter. The power meter, provided it is properly phased, will then indicate the power losses in the insulation under test.
A compensating device is interposed in the connections going to the voltage side of the power meter in order to bring the general relation between the values which are read on the instruments to a normal, predetermined condition, creating certain phase shifts in the electrical connections. It includes 28 capacitor and resistor
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variable 29. One embodiment of this compensation device, shown in FIG. 1, comprises a capacitor 28 connected between the conductors 27 and 30 and a variable resistor 29 connected between the conductors 26 and 30. Another arrangement, shown in Figure 3, shows the capacitor 28, together with the variable resistor, connected between conductors 26 and 30.
These means are given only by way of example, not being the only ones possible to achieve the desired goal. The only use made of this device is to calibrate or adjust the device by reference to a known impedance, having a known capacitance, prior to a test. The voltage applied to the voltage coil of the power meter is indicated directly by the voltmeter 18, which is paralleled with the voltage coil of the power meter using leads 31 and 32.
This voltmeter constitutes a means offering fine precision when desired.
The coils of the transformer and the conductors leading from them to the measuring instruments and the object under test are all shielded against the influence of stray currents and other electrical voltages which could otherwise affect the instruments. and vitiate the results. These screens are sheaths of conductive material which surround the coils of the transformer and the conductor wires or cables, while being insulated, and which are connected either to the guard or to the earth. They may have the structure of tubes made with fine braided metal wires or of sheets of wire mesh wrapping the protected parts, or in any other known manner.
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currently in the art or which may be found suitable in the future.
The screens of the primary and secondary coils of the transformer are represented by dotted lines 33 and 34, in the form of an envelope separately surrounding these coils. That of the cable going to the voltage coil of the power meter is also indicated as a sheath 35. That of the cable going to the ammeter is indicated as a sheath 36, and that of the. conductor on the line side 10, like a sheath 37. The latter is protected, in turn, by an outer sheath 38, having the same characteristics. It is obvious to those skilled in the art that this description of the screens necessarily implies the presence of suitable insulation between the screens and the conductors which they surround respectively.
Screens 33, 35, 36 and 38, as well as the core. 5 of the transformer, are all shown as connected to earth terminal 14, with clearly marked connections. Screen 37 is connected to screen 34, and the latter is connected at 39 to the guard terminal of the secondary coil, this connection being, therefore, at an intermediate point between the measuring instruments and the low side. voltage of the voltage source (of secondary winding 2).
Deviations from the specific arrangement thus shown and described are permissible while remaining within the scope of the invention, the essential thing being, however, that suitable electric screens are provided for the circuits and their parts which require protection against the influences. disturbers in order to obtain results with the desired precision.
One of the important fundamental features of the invention
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tion is constituted by the screen or screens 34 and 37 which enclose the secondary coil of the transformer and the high voltage conductor going to the object under test, which are at a potential higher than that of the ground. This protection factor eliminates the influence of the high voltage winding and the connection cable on the measuring instruments and confines the currents to their prescribed paths in the instrument. When, as usual, a high voltage transformer is used with a line extending from it, there are load currents between the transformer windings and earth as well as between the high voltage conductor. and the earth. These charge currents can be, and usually are, accompanied by certain losses.
The protection referred to here makes the transformer and the high-voltage conductor, together with the screens, an isolated system constituted in such a way that the load currents and the losses which occur therein do not enter, in any way. no way, in the outer circuit. The external circuit includes the insulation under test, and, as a result of this arrangement, the indication of the measuring instruments connected to it does not include the aforementioned load current and losses. The readings of the instruments can thus be brought to represent only the losses in the insulation under test, which one wants to study.
The protective screen which is connected to earth (for example, through connection 14) is a second protection system. It has two functions: the first is to give a constant capacitance in parallel with the measuring instruments; the second, to cut the disturbances
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electrostatic external bations both from any part of the device itself and from high external voltage sources. Its effect of giving a sensibly constant capacitance between the guard and the earth, is a valuable resource when we want to have the greatest precision.
In practice, there are some variations in the capacitance between the two screens at different temperature conditions, and the magnitude of this variation depends on the materials used as dielectric between the two screens. Since the capacitance is across the current circuit of the power meter and the ammeter, a change in its impedance can change the phase of the current flowing through the power meter, which can be compensated by phase shifting the current flowing through. the voltage circuit of the wattmeter, acting by capacitance 28 and resistor 29, previously described.
Other means or methods of effecting equivalent compensation are included within the scope of this invention, whereby it should be understood that the compensating device last referred to is given by way of example and does not limit this part of the invention. In the external protection, namely that which is earthed, the most important part is the screen 38 which surrounds the internal screen 37 of the high voltage conductor 10. The parts or elements 55 or 36 which protect cables to and from the measuring instruments may or may not be required.
They are only needed when the instruments are located more than one meter from the voltage source; but as in practice, the instruments are almost always located further from the transformer than this short distance,
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screens 35 and 36 are practically a necessary part of the apparatus.
It has been mentioned above that the transformer 21 may be omitted in certain circumstances. The fact is also that the main transformer 1, 2, 3 can be omitted when there is a voltage source suitable for the test envisaged without transformation. An apparatus embodying the invention, simplified by the omission of these elements, is shown in FIG. 2.40 here represents a voltage source of any kind, suitable for supplying alternating current. The line side terminal of this voltage source is indicated by the reference 9, as in figure 1, and the conductor going to the insulation to be tested is designated by the number 10. The measuring instruments are also designated by the same letters as in Figure 1.
A conductor 41 runs from the line side of the source to the parallel connection of the voltmeter and the voltage coil of the power meter, which are also both connected to the return conductor 42. The ammeter and the current side of the power meter. Power meters are connected in series with the conductor that comes from the earthed side of the insulation. A variable resistor 43, disposed between the voltage source and the grounded conductor, serves the same purpose as the variable resistor 29.
The screens for the voltage source, conductors 10, 41 and 42, and variable resistor 43 are all designated, in an easy to understand manner, by the numeral 44 and are connected to a guard terminal 45. These screens , as well as the earth conductor and the connections between the latter and the ammeter and the wattmeter, are protected by other
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screens designated, in an easy to understand manner, as 46, which are grounded at 47. These screens are, in common purpose and function, essentially analogous to those described above.
With regard to screens, it can be noted that whenever two or more insulated conductors are enclosed in the same cable, in some part of the apparatus, each separate conductor can be surrounded separately by a screen to protect it from the effect. of the adjacent conductor (s).
The object under test is conventionally indicated in Figures 1 and 2 as consisting of a capacitor 48 and a resistor 49 bypassing this capacitor, as well as a capacitor 50 in series with a resistor 51, all connected between the line side conductor and ground, as shown, to represent an inclusive complex circuit.
The principle according to which the apparatus operates is thus indicated, since any insulator or dielectric is, or can be made, a circuit comprising one or more capacitors and one or more resistors. The complex circuit as shown in Figure 1, connected between the line conductor and the earth, covers almost all the conditions that can normally be found in practice. Under certain conditions, the circuit may be less complex and could be represented by a simpler arrangement, as shown in figure 4 by A, B, C, D (A - single resistor; B - single capacitor; C - a resistor in series with a capacitor; D - a resistor in parallel with a capacitor).
The loss of power due to the imperfection of the insulation is the cause of the indications given by the wattmeter to the
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during the test. When the insulation gives rise to a loss of some kind in its material, or when there is a leakage path on its surface, current flows, and the resulting loss of power is indicated by the instruments.
In order to illustrate more fully the nature of the isolation which can be tested by this apparatus and that of the paths in which losses of current and of power can occur, there is shown in figure 5 a normal type of insulation. oil switch, indicating the possible leak paths. 52 represents the terminals for connection to the power line, 53, the tank and 54, the ends of the switch point, which can be set in motion by means of the rod 55, in contact and out of contact with the inner terminals 56 of conductors 52.
E represents the escape path through the main insulation which surrounds the line conductor;
F represents the leakage path along the exposed surface of the passage, usually porcelain;
G represents the leakage path along the surface of the lower part of the insulating bushing, between the inner terminal 56 and the earth, to the protective screen 57;
H is the leakage path following the interior of the porcelain sparks 58, between terminal 56 and the metal of the vessel;
J is the leakage path through the outer surface of the spark arrester between terminal 56 and the metal of the vessel;
K is the leakage path through the oil, inside the spark arrester, between terminal 56 and earth;
L is the escape path somewhere through
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the oil contained in the main tank, between terminal 56 and the metal. tank.
All these leakage paths are in parallel between the live conductor 52, 56 and the vessel, and power losses can occur in each of them.
An electrical measurement indicating the quality or condition of the insulation under test depends on the loss of current and watts at a given applied voltage. A combination of these factors is known as the "power factor", which can be employed as a useful indication of the state of the isolation.
By definition, the power factor is equal to the loss in watts divided by the product of the volts applied and the current in amperes; for example :
P F = W
VI p F - power factor
W - wattage losses
I - amps
V - volts applied.
In practice, the test apparatus described herein is preferably tested and adjusted by reference to a known impedance having a capacitance.
A feature of particular value of this device is that it is portable. All its parts can be enclosed in a simple box or crate, but preferably, for the convenience of transport, they are brought together in separate crates, including the variable resistor 7, the inverter 8, the voltmeter 6 and the connections. of it, in a box 59, the transformer in a second box 60 and the wattmeter and the ammeter, as well as
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the voltmeter 18 when in use, in a third case 61. These units can be easily carried to the place where the isolation etc. to be tested is installed and where they are connected to form the circuits shown in the diagram.
The measuring instruments, rheostats and transformers used in this equipment are or can be normal instruments, where. they can be specially set to ensure extraordinary sensitivity or to allow adjustments of greater precision and delicacy than usual. Thus, for example, it is preferable to use as the wattmeter 17 an instrument with a greater sensitivity than those which are commonly used for measuring extremely low losses.
A particularly sensitive wattmeter will now be described which allows the above-mentioned adjustments and ensures the precision.
Referring first to figure 6 for the explanation of the principles involved: Lc represents the current coil (s) of the power meter, provided with terminals 71 and 72 for connection with an external circuit, and Lp represents the or the voltage coils, provided with external terminals 73 and 74. There is a mutual inductance between the coils L and L. C1 schematically represents the capacitance due to all the capacitances included within the power meter, and it is shown here schematically as connected in parallel with the current coil. The capacitance thus represented may be the distributed capacitance of the current coil and / or the capacitance between the coils and other metallic parts which, from an electrical point of view, seems
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be in parallel with the coil.
C2 represents, in the same way, all the capacitances of the device with which the wattmeter is used, which are external to the wattmeter and are effectively connected in parallel with the current coil when the wattmeter is in use. The diagram clearly shows that if the voltage coil Lp is energized, a current will build up in the current coil because of the mutual inductance, current flowing through the capacitances C1 and C2 to close the circuit. The phase of this current is such that the deviation of the wattmeter indicator is negative. In other words, the deviation or tendency to deviate is opposite to that caused by the current flowing when terminals 71 and 72 of the current coil are connected to an external circuit.
If there was no capacitance corresponding to those designated by C1 and C2 and if an inductor was connected between terminals 71 and 72, the wattmeter would give, under the same conditions, a positive deviation. The invention uses the principle of this inductance to compensate the. negative deviation caused by one or both of the capacitances, or both. This inductance is shown in the diagram as an adjustable inductance L in parallel with the current coil and the capacitances. The combination of an inductor of this kind or its practical equivalents, described below, with the wattmeter constitutes one of the essential points of this invention.
The invention contemplates giving this inductance a magnitude such that it balances and neutralizes the effect of deviation or the tendency to deviate of the internal capacitances of the power meter and of the external parallel capacitances, when these occur, of
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the equipment with which the power meter is used.
However, since the value of the sum of these capacitances varies under different conditions, and since it is not convenient in practice to set an inductance as large as that which is necessary for the purpose of the invention according to a sufficiently wide range to exactly balance these variable values, the invention provides an equivalent compensating device, which is shown in FIG. 7 and which comprises a non-adjustable inductor L1 with, in series, a variable resistor R. This combination of an inductor and a variable resistor fulfills the role of the adjustable inductor, but is of more convenient use and more convenient. It can be mounted either inside or outside the power meter box.
That is to say, the space relation between these elements can be any while remaining within the principle of the invention. But since the inductance-resistance elements can be bulky, it is practically more convenient to mount the power meter alone in its own box and to provide an inductance-resistance unit as a separate device whose terminals are connected in a row. parallel with those of the coil of intensity Lc.
The effect of this inductance as well as that of the inductance-resistance combination in parallel with the capacitor Ci and / or C2 is to establish an electric circuit with high impedance in parallel with the coil of current Lc.
The impedance of this combination is large compared to the impedance of the current coil, so the sensitivity of the compensated power meter is essentially as great as without this compensating device. When the induc-
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tance L and, correspondingly, the combination L1R has a correct value to agree on the capacitances between the terminals of Lc until resonance at the frequency of the voltage applied to the voltage coil L, the impedance of this capacitance-resistance-inductance combination is L where C is equal to the sum of C1 and C2, that is to say to the CR1 1 2 total capacitance in parallel with the current coil;
L represents the total external inductance in circuit, i.e. the inductance of L as well as any inductance in all the conductors going to L, and R1 represents the resistance in the inductance L as well as any resistance. - leakage tance in capacitors C1 and C2, or if the resistor is put in series. with L, as shown in figure 7, R1 represents R plus the resistance of the inductance L as well as the leakage resistance of C1 and C2. However, obtaining the exact resonance is not essential in order to achieve satisfactory effects. It suffices that the current induced in the coil Lc p.ar the voltage established in the voltage coil Lp is reduced to a value at which its deflection effect or its tendency to deflect the indicator of the wattmeter. is negligible.
It will be noted that the possibility of adjusting the impedance effect is desirable in order to adapt the compensated wattmeter to the conditions which it will encounter when it will be used with the associated apparatus and to correct its compensation to cope with changing conditions or under different conditions. However, the invention in its broadest aspects is not limited to adjustment, and the invention also includes partial combinations as well as
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the complete combination of the compensating device shown.
Another variant of an equivalent compensating device consists of a device or of several devices arranged, with respect to the coil of intensity Lc, so as to influence the magnetic field of this coil. The preferred embodiment of this device is shown in figure 8 and consists of paddles or plates V and V1 mounted in the vicinity of the opposite ends of the coil Lc, with the possibility of adjustment either towards the coil or away from it. , or transversely to the axis of the coil. The paddles establish a magnetic force field in a phase and direction such that it opposes the magnetic field established by the induced current of the intensity coil, which passes through the capacitances represented by C1 and C2 in the previous explanation, and that it cancels out this magnetic field.
By suitable adjustment of the paddles, a substantially eact balance can be obtained. The wattmeter indicator no longer tends to deviate when the voltage coil alone is energized.
The most powerful and sensitive effects in these respects are obtained when the above-mentioned pallets are made of magnetic material and are used in combination with magnetic protection of the coils. In practice, magnetic protection is used with sensitive instruments of the kind described here: and this protection is virtually essential when the sensitive power meter is used with other devices, as described here, in order to test the isolation. earthed by the application of high voltage alternating current.
The N box of the instrument constitutes a protective screen. Of this genre.
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The instrument comprising the screen N and the paddles V, V1, all in magnetic material, in combination with current coils as shown in fig 8, is the preferred embodiment of the invention, and we prefers it to the equivalent combination of an inductor or an inductor and a resistor, because it is more compact and more constant in the set state. It should be understood, however, that paddles where equivalent masses of a material suitable to influence the magnetic field of the desired material can be used without the N shield or its equivalent.
While the paddles are preferably made of magnetic materials to have the maximum effect, they can also be made of non-magnetic materials, provided that these materials are electrical conductors. It must be understood, moreover, that by designating the members V and V1 as pallets, it was only intended to represent the principle with reference to a concrete realization and not to imply any limitation as to the shape, dimensions or mass, which these organs would necessarily have. Bodies of shapes and proportions other than those meeting the specific definitions of the word "pallet" are equivalent and are included within this term as used in the present description to describe the invention.
When the wattmeter is compensated by an adjustment of the paddles described recently, so as to cancel both the internal capacitances and the capacitances. external, a capacitor equivalent to the capacitance presented by the associated device is connected to the current coil
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L, apply the correct AC voltage to terminals 73-74 and move the paddles across the axis of the current coil until the power meter indicator indicates essentially zero deviation. If we compensate only for the internal capacitance, we omit the connection with an external capacitor, but in other respects the process is the same.
The adjustment of the other described compensating devices (ie the combination of inductance or inductance and resistance) is done in essentially the same way, except in this way. that it is the variable resistor R that is adjusted until the indicator substantially occupies its zero position when the alternating voltage is applied to the voltage coil.