Właściwości i badania izolacji elektrycznej

Właściwości i obwód zastępczy izolacji elektrycznej

Jak wiecie, termin „izolacja” jest używany w praktyce w odniesieniu do dwóch pojęć:

1) sposób zapobiegania powstawaniu styku elektrycznego między częściami wyrobu elektrycznego,

2) materiały i wyroby z nich użyte do zastosowania tej metody.

Materiały elektroizolacyjne pod wpływem przyłożonego do nich napięcia odkrywana jest właściwość przewodzenia prądu elektrycznego. Chociaż wartość przewodności materiałów elektroizolacyjnych jest o kilka rzędów wielkości mniejsza niż przewodności, to jednak odgrywa ona znaczącą rolę iw dużej mierze decyduje o niezawodności działania wyrobu elektrycznego.

Pod wpływem napięcia przyłożonego do izolacji przepływa przez nią prąd zwany prądem upływowym, który zmienia się w czasie.

Aby zbadać i zilustrować właściwości izolacji elektrycznej, zwykle przedstawia się ją w postaci pewnego modelu zwanego obwodem zastępczym (ryc. 1), zawierającego cztery obwody elektryczne połączone równolegle.Pierwszy z nich zawiera tylko kondensator C1, zwany pojemnością geometryczną.

Ryż. 1. Równoważny obwód izolacji elektrycznej

Obecność tej pojemności powoduje pojawienie się chwilowego prądu rozruchowego, który pojawia się po przyłożeniu do izolacji napięcia stałego, które zanika w ciągu prawie kilku sekund, oraz prądu pojemnościowego płynącego przez izolację, gdy przyłożone jest do niej napięcie przemienne. Ta pojemność nazywana jest geometryczną, ponieważ zależy od izolacji: jej wymiarów (grubość, długość itp.) oraz położenia między częścią przewodzącą prąd A a obudową (masą).

Drugi schemat charakteryzuje wewnętrzną strukturę i właściwości izolacji, w tym jej budowę, liczbę grup kondensatorów i rezystorów połączonych równolegle. Prąd I2 płynący przez ten obwód nazywany jest prądem absorpcji. Początkowa wartość tego prądu jest proporcjonalna do powierzchni izolacji i odwrotnie proporcjonalna do jej grubości.

Jeżeli przewodzące prąd części produktu elektrycznego są izolowane dwiema lub więcej warstwami izolacji (na przykład izolacją drutu i izolacją cewki), wówczas w obwodzie równoważnym gałąź absorpcji jest reprezentowana w postaci dwóch lub więcej połączonych szeregowo grupy kondensatora i rezystora, które charakteryzują właściwości jednej z warstw izolacyjnych. W tym schemacie rozważana jest izolacja dwuwarstwowa, której warstwa jest zastąpiona grupą elementów kondensatora C2 i rezystora R1, a druga przez C3 i R2.

Trzeci obwód zawiera pojedynczy rezystor R3 i charakteryzuje utratę izolacji po przyłożeniu do niego napięcia stałego.Rezystancja tego rezystora, zwana także rezystancją izolacji, zależy od wielu czynników: wielkości, materiału, konstrukcji, temperatury, stanu izolacji, w tym wilgoci i zabrudzeń na jej powierzchni oraz przyłożonego napięcia.

Przy niektórych defektach izolacji (na przykład w wyniku uszkodzenia) zależność rezystancji R3 od napięcia staje się nieliniowa, podczas gdy dla innych, na przykład przy silnej wilgoci, praktycznie nie zmienia się wraz ze wzrostem napięcia. Prąd I3 przepływający przez tę gałąź nazywany jest prądem przewodzenia.

Czwarty obwód jest reprezentowany w obwodzie zastępczym iskiernika MF, który charakteryzuje wytrzymałość dielektryczną izolacji, wyrażoną liczbowo wartością napięcia, przy którym materiał izolacyjny traci swoje właściwości izolacyjne i pęka pod wpływem prądu I4 przechodząc przez nią.

Ten obwód zastępczy izolacji pozwala nie tylko opisać procesy zachodzące w nim po przyłożeniu napięcia, ale także ustawić parametry, które można zaobserwować, aby ocenić jego stan.

Metody badań izolacji elektrycznej

Najprostszym i najczęstszym sposobem oceny stanu izolacji i jej integralności jest pomiar jej rezystancji za pomocą megaomomierza.

Zwróćmy uwagę na fakt, że obecność kondensatorów w obwodzie zastępczym również wyjaśnia zdolność izolacji do gromadzenia ładunków elektrycznych. Dlatego uzwojenia maszyn elektrycznych i transformatorów przed i po pomiarze rezystancji izolacji muszą być rozładowane poprzez uziemienie zacisku, do którego podłączony megaomomierz.

Podczas pomiaru rezystancji izolacji maszyn elektrycznych i transformatorów należy monitorować temperaturę uzwojeń, co odnotowuje się w protokole z badań. Znajomość temperatury, w której wykonano pomiary, jest niezbędna, aby porównać wyniki pomiarów ze sobą, ponieważ rezystancja izolacji zmienia się gwałtownie w zależności od temperatury: średnio rezystancja izolacji zmniejsza się 1,5-krotnie wraz ze wzrostem temperatury co 10°C a także rośnie wraz z odpowiednim spadkiem temperatury.

Ze względu na fakt, że wilgoć, która zawsze zawarta jest w materiałach izolacyjnych, wpływa na wyniki pomiarów, wyznaczania parametrów charakteryzujących jakość izolacji nie prowadzi się w temperaturach poniżej +10°C, gdyż uzyskane wyniki nie dadzą poprawne wyobrażenie o prawdziwym stanie izolacji.

Podczas pomiaru rezystancji izolacji praktycznie zimnego produktu można przyjąć, że temperatura izolacji jest równa temperaturze otoczenia. We wszystkich innych przypadkach przyjmuje się warunkowo, że temperatura izolacji jest równa temperaturze uzwojeń, mierzonej ich rezystancją czynną.

Aby zmierzona rezystancja izolacji nie odbiegała znacząco od wartości rzeczywistej, rezystancja własna izolacji elementów obwodu pomiarowego — przewodów, izolatorów itp. — powinna wprowadzać do wyniku pomiaru minimalny błąd.Dlatego przy pomiarze rezystancji izolacji urządzeń elektrycznych o napięciu do 1000 V rezystancja tych elementów musi wynosić co najmniej 100 megaomów, a przy pomiarze rezystancji izolacji transformatorów mocy - nie mniej niż granica pomiaru megaomomierza .

Jeżeli ten warunek nie jest spełniony, wyniki pomiarów należy skorygować o rezystancję izolacji elementów obwodu. W tym celu rezystancję izolacji mierzy się dwukrotnie: raz przy całkowicie zmontowanym obwodzie i podłączonym produkcie, a drugi raz przy odłączonym produkcie. Wynik pierwszego pomiaru da rezystancję równoważną izolacji obwodu i iloczynu Re, a wynik drugiego pomiaru rezystancję elementów obwodu pomiarowego Rc. Następnie rezystancja izolacji produktu

Jeśli dla maszyn elektrycznych niektórych innych wyrobów nie jest ustalona kolejność pomiaru rezystancji izolacji, to dla transformatorów mocy ta kolejność pomiarów jest regulowana przez normę, zgodnie z którą najpierw mierzy się rezystancję izolacji uzwojenia niskiego napięcia (NN). Pozostałe uzwojenia, jak również zbiornik, muszą być uziemione. W przypadku braku kadzi obudowa transformatora lub jego szkielet muszą być uziemione.

W przypadku występowania trzech uzwojeń napięciowych — niższego napięcia, średniego wysokiego napięcia i wyższego napięcia — po uzwojeniu niskiego napięcia należy zmierzyć rezystancję izolacji uzwojenia średniego napięcia, a dopiero potem wyższego napięcia.Naturalnie do wszystkich pomiarów pozostałe cewki, jak i zbiornik należy uziemić, a cewkę nieuziemioną należy po każdym pomiarze rozładować poprzez podłączenie do puszki na co najmniej 2 minuty. Jeżeli wyniki pomiarów nie spełniają ustalonych wymagań, wówczas badania należy uzupełnić o określenie rezystancji izolacji uzwojeń połączonych ze sobą elektrycznie.

W przypadku transformatorów dwuuzwojeniowych należy zmierzyć rezystancję uzwojeń wysokiego i niskiego napięcia względem obudowy, a w przypadku transformatorów trójuzwojeniowych najpierw należy zmierzyć uzwojenia wysokiego i średniego napięcia, a następnie wysokiego, średniego i niskiego napięcia .

Podczas badania izolacji transformatora konieczne jest wykonanie kilku pomiarów w celu określenia nie tylko wartości zastępczej rezystancji izolacji, ale również porównania rezystancji izolacji uzwojeń z innymi uzwojeniami oraz korpusu maszyny.

Rezystancja izolacji maszyn elektrycznych jest zwykle mierzona z połączonymi ze sobą uzwojeniami fazowymi, aw miejscu instalacji — razem z kablami (szynami zbiorczymi). Jeżeli wyniki pomiarów nie spełniają ustalonych wymagań, wówczas mierzona jest rezystancja izolacji każdego uzwojenia fazowego iw razie potrzeby każdej gałęzi uzwojenia.

Należy pamiętać, że trudno rozsądnie ocenić stan izolacji na podstawie samej bezwzględnej wartości rezystancji izolacji. Dlatego w celu oceny stanu izolacji maszyn elektrycznych podczas eksploatacji wyniki tych pomiarów porównuje się z wynikami poprzednich.

Znaczne, kilkukrotne rozbieżności pomiędzy rezystancjami izolacji poszczególnych faz zwykle wskazują na jakąś istotną wadę. Jednoczesny spadek rezystancji izolacji dla wszystkich uzwojeń fazowych z reguły wskazuje na zmianę ogólnego stanu jej powierzchni.

Porównując wyniki pomiarów należy pamiętać o zależności rezystancji izolacji od temperatury. Dzięki temu możliwe jest porównywanie ze sobą wyników pomiarów przeprowadzonych w tej samej lub zbliżonej temperaturze.

Przy stałym napięciu przyłożonym do izolacji, przepływający przez nią całkowity prąd Ii (patrz rys. 1) maleje tym bardziej, im lepszy jest stan izolacji i zgodnie ze spadkiem prądu Ii wskazania wzrost megaomomierza. Ze względu na to, że składowa I2 tego prądu, zwana także prądem absorpcyjnym, w przeciwieństwie do składowej I3, nie zależy od stanu powierzchni izolacyjnej, a także od zanieczyszczeń i zawilgocenia, stosunek wartości rezystancji izolacji w danych momentach przyjmuje się jako charakterystykę wilgotności izolacji.

Normy zalecają pomiar rezystancji izolacji po 15 s (R15) i po 60 s (R60) po podłączeniu megaomomierza, a stosunek tych rezystancji ka = R60 / R15 nazywany jest współczynnikiem absorpcji.

Z izolacją niezawilgoconą, ka> 2, a z izolacją wilgotną — ka ≈1.

Ponieważ wartość współczynnika absorpcji jest praktycznie niezależna od wielkości maszyny elektrycznej i różnych czynników losowych, można ją znormalizować: ka ≥ 1,3 przy 20°C.

Błąd pomiaru rezystancji izolacji nie powinien przekraczać ± 20%, chyba że został specjalnie ustalony dla konkretnego produktu.

W produktach elektrycznych testy wytrzymałości elektrycznej poddają izolację uzwojeń korpusowi i sobie nawzajem, a także izolację pośrednią uzwojeń.

W celu sprawdzenia wytrzymałości dielektrycznej izolacji cewek lub części przewodzących prąd do obudowy, na zaciski badanej cewki lub części przewodzących prąd przykłada się podwyższone napięcie sinusoidalne o częstotliwości 50 Hz. Napięcie i czas jego stosowania są wskazane w dokumentacji technicznej każdego konkretnego produktu.

Podczas testowania wytrzymałości dielektrycznej izolacji uzwojeń i części pod napięciem do ciała, wszystkie inne uzwojenia i części pod napięciem nieobjęte testami muszą być elektrycznie połączone z uziemioną obudową produktu. Po zakończeniu testu cewki należy uziemić w celu usunięcia ładunku szczątkowego.

na ryc. Na fig. 2 przedstawiono schemat badania wytrzymałości dielektrycznej uzwojenia trójfazowego silnika elektrycznego.Przepięcie jest generowane przez instalację testową AG zawierającą regulowane źródło napięcia E. Napięcie jest mierzone po stronie wysokiego napięcia za pomocą woltomierza fotowoltaicznego. Amperomierz PA służy do pomiaru prądu upływu przez izolację.

Uznaje się, że produkt przeszedł pomyślnie test, jeśli nie ma przebicia izolacji lub zachodzenia na siebie powierzchni, a także jeśli prąd upływu nie przekracza wartości określonej w dokumentacji tego produktu. Należy zauważyć, że posiadanie amperomierza, który monitoruje prąd upływu, umożliwia użycie transformatora w konfiguracji testowej.

Ryż. 2. Schemat badania wytrzymałości dielektrycznej izolacji produktów elektrycznych

Oprócz testowania izolacji napięciem częstotliwościowym, izolacja jest również testowana napięciem wyprostowanym. Zaletą takiego testu jest możliwość oceny stanu izolacji na podstawie wyników pomiarów prądów upływu przy różnych wartościach napięcia probierczego.

Do oceny stanu izolacji wykorzystuje się współczynnik nieliniowości

gdzie I1.0 i I0.5 to prądy upływu 1 min po przyłożeniu napięć probierczych równych znormalizowanej wartości Unorm i połowie napięcia znamionowego maszyny elektrycznej Urated, kn <1,2.

Trzy rozważane charakterystyki — rezystancja izolacji, współczynnik absorpcji i współczynnik nieliniowości — służą do rozwiązania problemu możliwości włączenia maszyny elektrycznej bez wysuszania izolacji.

Podczas testowania wytrzymałości dielektrycznej izolacji zgodnie ze schematem na ryc. 2 wszystkie zwoje uzwojenia są pod praktycznie tym samym napięciem względem korpusu (masy), dlatego izolacja międzyzwojowa pozostaje niezaznaczona.

Jednym ze sposobów sprawdzenia wytrzymałości dielektrycznej izolacji izolacyjnej jest zwiększenie napięcia o 30% w stosunku do wartości nominalnej. Napięcie to jest przykładane z regulowanego źródła napięcia EK do punktu pomiarowego bez obciążenia.

Inna metoda ma zastosowanie do prądnic pracujących na biegu jałowym i polega na zwiększaniu prądu wzbudzenia prądnicy do momentu uzyskania napięcia (1,3 ÷ 1,5) Unom na zaciskach stojana lub twornika, w zależności od typu maszyny.Biorąc pod uwagę, że nawet w stanie spoczynku prądy pobierane przez uzwojenia maszyn elektrycznych mogą przekraczać ich wartości nominalne, normy dopuszczają przeprowadzenie takiego badania przy podwyższonej częstotliwości napięcia podawanego na uzwojenia silnika powyżej wartości nominalnej lub przy zwiększona prędkość generatora.

Do badania silników asynchronicznych możliwe jest również zastosowanie napięcia probierczego o częstotliwości fi = 1,15 fn. W tych samych granicach można zwiększyć prędkość generatora.

Podczas badania wytrzymałości dielektrycznej izolacji w taki sposób, napięcie liczbowo równe stosunkowi przyłożonego napięcia podzielonego przez liczbę zwojów cewki zostanie przyłożone między sąsiednimi zwojami cewki. Różni się on nieznacznie (o 30-50%) od tego, który występuje, gdy produkt pracuje przy napięciu znamionowym.

Jak wiadomo, granica wzrostu napięcia na zaciskach cewki znajdującej się na rdzeniu wynika z nieliniowej zależności prądu w tej cewce od napięcia na jej zaciskach. Przy napięciach bliskich wartości nominalnej Unom rdzeń nie jest nasycony, a prąd zależy liniowo od napięcia (rys. 3, przekrój OA).

Wraz ze wzrostem napięcia U powyżej prądu znamionowego w cewce gwałtownie wzrasta, a przy U = 2Unom prąd może przekroczyć wartość nominalną dziesiątki razy. Aby znacznie zwiększyć napięcie na zwój uzwojenia, wytrzymałość izolacji między zwojami jest testowana przy częstotliwości wielokrotnie (dziesięciokrotnie lub więcej) wyższej niż nominalna.

Ryż. 3. Wykres zależności prądu w cewce z rdzeniem od przyłożonego napięcia

Ryż. 4.Schemat badania izolacji uzwojenia przy podwyższonej częstotliwości prądu

Rozważmy zasadę badania izolacji pośredniej cewek styczników (ryc. 4). Cewka testowa L2 jest umieszczona na pręcie rozdzielonego obwodu magnetycznego. Napięcie U1 przykładane jest do zacisków cewki L1 ze zwiększoną częstotliwością, tak że na każdy zwój cewki L2 przypada napięcie niezbędne do sprawdzenia wytrzymałości dielektrycznej izolacji od zwoju do zwoju. Jeżeli izolacja uzwojeń cewki L2 jest w dobrym stanie, to prąd pobierany przez cewkę L1 i mierzony amperomierzem PA po zamontowaniu cewki będzie taki sam jak poprzednio. W przeciwnym razie prąd w cewce L1 wzrasta.

Ryż. 5. Schemat pomiaru tangensa kąta strat dielektrycznych

Ostatnia z rozważanych charakterystyk izolacji — tangens strat dielektrycznych.

Wiadomo, że izolacja ma rezystancję czynną i reaktywną, a po przyłożeniu do niej napięcia okresowego przez izolację przepływają prądy czynne i bierne, czyli występują moce czynne P i bierne Q. Stosunek P do Q nazywany jest tangensem kąta strat dielektrycznych i oznaczany jest jako tgδ.

Jeśli pamiętamy, że P = IUcosφ i Q = IUsinφ, to możemy napisać:

tgδ to stosunek prądu czynnego płynącego przez izolację do prąd bierny.

Do wyznaczenia tgδ niezbędny jest jednoczesny pomiar mocy czynnej i biernej lub rezystancji izolacji czynnej i biernej (pojemnościowej). Zasadę pomiaru tgδ drugą metodą pokazano na ryc. 5, gdzie obwód pomiarowy stanowi pojedynczy mostek.

Ramiona mostka składają się z przykładowego kondensatora C0, kondensatora zmiennego C1, rezystorów zmiennych R1 i stałych R2, a także pojemności i rezystancji izolacji uzwojenia L do korpusu wyrobu lub masy, umownie przedstawianej jako kondensator Cx i rezystor Rx. W przypadku konieczności pomiaru tgδ nie na cewce, ale na kondensatorze, jego płytki są podłączone bezpośrednio do zacisków 1 i 2 obwodu mostkowego.

Na przekątnej mostka znajduje się galwanometr P oraz źródło zasilania, którym w naszym przypadku jest transformator T.

Jak w innych obwody mostkowe proces pomiaru polega na uzyskaniu minimalnych odczytów urządzenia P poprzez sekwencyjną zmianę rezystancji rezystora R1 i pojemności kondensatora C1. Zwykle parametry mostka dobiera się tak, aby wartość tgδ przy zerowych lub minimalnych odczytach urządzenia P odczytywano bezpośrednio na skali kondensatora C1.

Definicja tgδ jest obowiązkowa dla kondensatorów mocy i transformatorów, izolatorów wysokiego napięcia i innych produktów elektrycznych.

Z uwagi na to, że badania wytrzymałości dielektrycznej oraz pomiary tgδ wykonywane są z reguły przy napięciach powyżej 1000 V, należy zachować wszelkie ogólne i szczególne środki bezpieczeństwa.

Procedura badania izolacji elektrycznej

Omówione powyżej parametry i charakterystyki izolacji muszą być określone w kolejności ustalonej przez normy dla poszczególnych rodzajów wyrobów.

Na przykład w transformatorach mocy najpierw określa się rezystancję izolacji, a następnie mierzy się tangens strat dielektrycznych.

W przypadku maszyn elektrycznych wirujących, po dokonaniu pomiaru rezystancji izolacji przed badaniem jej wytrzymałości dielektrycznej, należy wykonać następujące badania: przy zwiększonej częstotliwości wirowania, przy krótkotrwałym przeciążeniu prądem lub momentem obrotowym, przy nagłym zwarciu (jeśli jest przeznaczone dla tej maszyny synchronicznej), próba izolacji napięciem wyprostowanym uzwojeń (jeżeli jest to określone w dokumentacji tej maszyny).

Normy lub specyfikacje dla określonych typów maszyn mogą uzupełnić tę listę o inne testy, które mogą mieć wpływ na wytrzymałość dielektryczną izolacji.