Danas je nabavljen mjerač otpora izolacije (tester izolacije, megaohmmetar, megometar) oznake J5000, proizvod njemačke tvrtke Metrawatt s kraja 1950-tih godina.
Tvrtku Metrawatt je 1906. godine u Nürnbergu osnovao Siegfried Guggenheimer u cilju razvoja, proizvodnje i prodaje električnih mjernih instrumenta. Godine 1921. tvrtka je pretvorena u dioničko društvo, a 1933. godine je preimenovana u Metrawatt AG. Godine 1968. tvrtku je preuzela kompanija BBC i preimenovala ju u BBC Metrawatt GmbH. Godine 1988. došlo je do spajanja tvrtki BBC, ASEA i ABB gdje je ABB dobila ukupno pravo vlasništva te je BBC Metrawatt GmbH preimenovana u ABB Metrawatt GmbH. Godine 1992. godine većinu tvrtke ABB kupila je Röchling grupa. Röchling je u isto vrijeme od Siemensa kupio i tvrtku Gossen te ih spojio u tvrtku GOSSEN-METRAWATT koja je pod ovim nazivom i danas prisutna na tržištu.
Sistem od dvije sklopke spregnute na osovinu rotora induktora koje djeluju kao diode u krugu udvostručivača napona koji kao takav ujedno služi i kao ispravljač i filtar napona.
Mjeračem otpora izolacije Metrawatt J5000 moguće je mjerenje električnog otpora do 4000 MΩ sa ispitnim naponima od 2500V i 5000V. Mjerenja su podijeljena u četiri opsega:
- ispitni napon 2500V opseg I – mjerenje otpora u rasponu 0 – 500 MΩ
- ispitni napon 2500V opseg II – mjerenje otpora u rasponu 25 – 2000 MΩ
- ispitni napon 5000V opseg I – mjerenje otpora u rasponu 0 – 1000 MΩ
- ispitni napon 5000V opseg II – mjerenje otpora u rasponu 50 – 4000 MΩ
Vidimo da Metrawatt J5000 generira relativno visoke ispitne napone od 2,5 i 5 kV, a znamo da je izolaciju najbolje ispitivati sa nazivnim naponom za koji je ista i predviđena. Tako je ovaj instrument pogodan za ispitivanje stanja izolacije na električnim sustavima i uređajima koji rade na visokom naponu (preko 1 kV), a to su energetska postrojenja, kablovi i transformatori za visoke napone, veliki elektromotori i drugi visokonaponski električni uređaji i strojevi poput onih koji se ugrađuju u električne lokomotive, tramvaje, trolejbuse i slično.
Ispitni naponi generiraju se pomoću malog ručnog generatora napona – induktora. Mjerači izolacije sa ručnim induktorom imaju dva praktična nedostatka. Za mjerenje takvim instrumentom potrebno je koristiti obje ruke, jednu za okretanje ručice induktora konstantnom brzinom i drugu za pritiskanje kućišta instrumenta na čvrstu podlogu kako bi se induktor mogao okretati i kako bi se mogla mirno očitati vrijednost sa skale instrumenta. Jasno da je mjerne kablove potrebno fiksirati na mjerne točke nekim stezaljkama jer ne možemo još i njih pridržavati rukama. Drugi problem odnosi se na potrebu za održavanjem konstantnog broja okretaja induktora tijekom mjerenja kako bi inducirani mjerni napon imao potrebnu vrijednost. Ovo je naravno vrlo teško precizno održavati samo vlastitim rukama pa se koriste razni pomoćni mehanizmi koji u određenom opsegu kompenziraju razlike u brzini okretanja. Takvi kompenzatori mogu biti mehanički u obliku centrifugalnih regulatora i tarnih kvačila, električni u obliku regulatora napona (obično tinjalica) ili se ugrađuje posebni zakretni mjerni sistem sa ukriženim zavojnicama (kvocijentni ili logometarski mjerni sistem) koji su manje osjetljivi na fluktuacije napona. Neki mjerači izolacije sa induktorom imaju posebno tipkalo koje kratko spaja priključne stezaljke te se tijekom vrtnje induktora može provjeriti da li kazaljka pokazuje nulu, odnosno puni otklon skale. Također, kod preciznih mjerača velikih otpora ugrađuju se i kondenzatori za filtriranje valovitog oblika napona koji proizvodi jednostavni induktor.
U objavama Mjerač otpora izolacije MEGGER 5G/152 i Mjerač otpora izolacije ISOLEKA EKA već smo opisali dva instrumenta sa induktorima, oba sa kvocijentnim mjernim sistemom. Ondje smo također dali osnovne smjernice u vezi načina mjerenja otpora izolacije, no treba biti svjestan činjenice da mjerenje otpora izolacije na svakom električnom sustavu ima svoje specifičnosti s kojima treba biti upoznat i koje svakako treba uzeti u obzir kako bi samo mjerenje bilo točno.
Metrawatt J5000 se električki i konstrukcijski dosta razlikuje od opisanih mjerača MEGGER 5G/152 i ISOLEKA EKA. Tako je kod Metrawatta J5000 induktor konstruiran na način da rotor čini permanentni magnet, a zavojnice su fiksno ugrađene u jezgru statora. Time je izbjegnuta potreba za rotorskim kolektorom, no takav generator će na izlazu davati izmjenični napon pa je potrebno ugraditi neki ispravljač. U 1950/1960-tim godinama još su se uvelike koristili suhi metalni ispravljači (selenski ili bakar-oksidni) no za ispravljanje visokog napona od 5 kV bilo bi potrebno serijski spojiti ogroman broj ćelija suhih ispravljača što s praktične i financijske strane ne dolazi u obzir. Ugradnja nekih visokonaponskih cijevnih ispravljačica ne bi imalo smisla jer je za njih potrebno osigurati stalni napon grijanja, a poluvodičke visokonaponske diode još nisu bile u širokoj upotrebi.
Stoga je kod Metrawatta J5000 za ispravljanje izmjeničnog napona induktora primijenjeno jedno zgodno rješenje sa ispravljačkim udvostručivačem napona. Udvostručivače napona opisali smo u objavi Ionizator zraka AETE i vidjeli smo da se sastoje od spoja dioda i kondenzatora. Diode u takvom spoju naizmjenično vode i blokiraju poluperiode izmjeničnog napona, no kao što smo rekli, u našem slučaju upotreba dioda nije moguća. Diode su u našem slučaju zamijenjene dvjema sklopkama koje su spregnute sa osovinom induktora te one preuzimaju ulogu naizmjeničnog propuštanja, odnosno prekidanja (blokiranja) pozitivne i negativne poluperiode napona koje se induciraju na određenim pozicijama rotora. Na našoj shemi radi preglednosti takav udvostručivač napona nacrtali smo u obliku ispravljačkog mosta, a radi se o tzv. Liebenow-Delonovom udvostručivaču napona.
Kada je na sklopkama pozitivna poluperioda izmjeničnog napona, sklopka S1 je otvorena a sklopka S2 je zatvorena pa se struja se preko C2 vraća natrag u izvor. Pri tome se C2 nabija na napon sa polaritetom naznačenim na shemi. Kada se polaritet napona okrene, tada se sklopka S2 isključi a sklopka S1 se uključi pa sada struja teče preko C1 natrag u izvor. Pri tome se kondenzator C1 nabija istim polaritetom kao što je u prethodnom ciklusu nabijen C2, čime u konačnici dobivamo serijski spoj dva nabijena kondenzatora. Svaki kondenzator se tijekom jedne poluperiode nabije na vršnu vrijednost izmjeničnog napona tako da zbrojeni istosmjerni napon na serijskom spoju kondenzatora (izlaznim priključcima + i -) dostiže vrijednost 2 x 1,44 x U efektivno (u praznom hodu).
U takvom spoju je dakle dovoljno da induktor generira dvostruko manje vršne vrijednosti izmjeničnih napona (1250V i 2500V) da bi se na izlazu iz udvostručivača dobili dvostruki istosmjerni naponi od 2500V i 5000V. Naravno, ovo vrijedi samo za prazni hod i struja kojom se takav udvostručivač napona može opteretiti je relativno mala te najviše ovisi o kapacitetu njegovih kondenzatora. Kod megaohmmetra su zbog velikih otpora u mjernom krugu struje vrlo male (R = U / I) pa se takav sklop ovdje može bez problema primijeniti. Kod Metrawatta J5000 najveća struja kod kratko spojenih stezaljki iznosi 300 µA.
Četiri zavojnice induktora smještene su na jezgri statora. Za generiranje mjernog napona od 5000V koriste se sve četiri zavojnice, a za mjerni napon od 2500V koriste se samo dvije zavojnice. Izmjenični napon iz induktora dovodi se na udvostručivač napona tzv. Liebenow-Delonovog tipa gdje se isti udvostručuje, ispravlja i filtrira. Umjesto dioda koriste se sklopke koje stoga moraju biti sinkronizirane sa okretajima induktora kako bi pravovremeno propuštale ili nepropuštale određenu poluperiodu izmjeničnog napona. Dobiveni istosmjerni napon dalje se vodi na mjerni krug, gdje se zapravo mjeri jačina struje na instrumentu sa zakretnim svitkom prema Ohmovom zakonu I = U / R. Mjerni otpornici su odabrani tako da je najmanji unutarnji otpor mjernog kruga (kod kratko spojenih priključnica i mjernog napona 2500V) oko 8 GΩ što daje najveću struju od 300 µA. Ova struja se grana preko kalibracijskih otpornika u krugu instrumenta tako da kroz isti teče struja od najviše 55 µA kolika je i potrebna za puni otklon kazaljke.
Za razliku od mjerača MEGGER 5G/152 i ISOLEKA EKA, mjerač otpora izolacije Metrawatt J5000 ne koristi mjerni sistem sa ukriženim zavojnicama već standardni sistem sa jednom pomičnom zavojnicom unutar permanentnog magneta. Stoga je u cilju preciznosti mjerenja potrebno osigurati konstantan nazivni napon iz induktora. Kao što smo već rekli taj napon ovisi o brzini vrtnje induktora pa je u mehanizam pogona induktora ugrađen posebni centrifugalni regulator brzine vrtnje. Dovoljno je održavati brzinu vrtnje iznad nekog minimalnog broja okretaja, a regulator će “višak” brzine regulirati preko mehaničkog sistema tarnog kvačila koje će proklizavati to više što je veća brzina okretanja induktora.
Zahvaljujući mehaničkom regulatoru brzine vrtnje induktora te posebnoj izvedbi udvostručivača napona kojim se isti ujedno ispravlja i filtrira na izlazu dobivamo prilično stabilan istosmjerni napon bez velikih fluktuacija. Snimili smo oscilograme mjernog napona bez opterećenja, a zatim sa postepenim povećavanjem opterećenja. Vidi se kako povećanje opterećenja sve više utječe na fluktuacije mjernog napona jer kondenzatori više nemaju dovoljan kapacitet da nadoknađuju potrošnju struje pod većim opterećenjem. Također do izražaja dolaze i istitravanja uslijed rada sklopki koje imaju ulogu dioda.
Još jedna posebnost mjerača otpora izolacije Metrawatt J5000 u odnosu na prethodno opisane mjerače odnosi se na treću priključnicu označenu slovom S (od njem. Schutzschirm). Ova priključnica je kod današnjih mjerača obično označena sa “Guard”. Ista služi za odvođenje površinskih struja koje mogu nastati u pojedinim strujnim sistemima na kojima mjerimo otpor izolacije. Takve površinske struje mogu se prenijeti i na naš mjerni krug megaohmmetra te bi se pribrojile struji mjernog kruga i uzrokovale pogrešno očitanje. Najveću utjecaj takve strane struje imaju kod mjerenja posebno velikih vrijednosti otpora izolacije kada su same mjerne struje vrlo male (reda nekoliko mikroampera) i kada bi i najmanje vrijednosti stranih struja značajno utjecale na mjereni rezultat. Kao što smo već spomenuli, potrebno je poznavati električni sustav na čijim dijelovima mjerimo otpor izolacije kako bi izveli ispravno spajanje mjerača i po potrebi upotrijebili i Guard priključak. Ne treba napominjati i činjenicu da sam otpor izolacije ovisi o nizu promjenjivih faktora poput trenutne temperature, vlage, fizičkog stanja izolacije (prljavštine, masnoće) kao i od samog vremena trajanja mjerenja tako da je otpor izolacije veličina koju je potrebno više puta mjeriti i periodički ponavljati da se dobije što realnija slika stanja iste.
Naš primjerak mjerača otpora izolacije Metrawatt J5000 na testu se pokazao potpuno ispravnim. Na prednjoj ploči nalazi se trimer potenciometar kojim se kod kratkog spoja stezaljki (+ i -) kazaljka instrumenta može kalibrirati na nulu (puni otklon kazaljke). Od početka 1970-tih godina već su sve tvrtke su prešle na izradu mjerača otpora izolacije bez induktora, odnosno sa ugrađenim nekim elektroničkim generatorom visokog istosmjernog napona. Sasvim sigurno postoje i neki prijelazni modeli mjerača sa kakvim elektromehaničkim pretvaračem, no mjerenje je svakako ugodnije sa bilo kojim modelom kod kojeg se ne moramo baviti ručnim okretanjem induktora. Ipak, istini za volju, modeli sa ručnim induktorom imaju i jednu prednost ispred svih ostalih tipova mjerača otpora izolacije, a to je njihova stalna spremnost za rad jer im za isto ne treba nikakav vanjski izvor (baterijskog) napajanja 🙂