Електроизолационни свойства и тестове

Свойства и еквивалентна схема на електрическа изолация

Както знаете, терминът «изолация» на практика се използва за обозначаване на две понятия:

1) метод за предотвратяване на образуването на електрически контакт между части на електрически продукт,

2) материали и продукти от тях, използвани за прилагане на този метод.

Електроизолационни материали под въздействието на приложено към тях напрежение се открива свойството да провежда електрически ток. Въпреки че стойността на проводимостта на електроизолационните материали е с няколко порядъка по -ниска от тази на проводниците, въпреки това тя играе значителна роля и до голяма степен определя надеждността на работата на електрически продукт.

Под действието на напрежение, приложено към изолацията, през него протича ток, наречен ток на утечка, който се променя с течение на времето.

За да се изследват и илюстрират свойствата на електрическата изолация, обичайно е тя да се представя под формата на определен модел, наречен еквивалентна схема (фиг. 1), съдържаща четири електрически вериги, свързани паралелно. Първият от тях съдържа само кондензатора С1, наречен геометричен капацитет.

Ориз. 1. Еквивалентна верига на електрическа изолация

Наличието на този капацитет причинява появата на мигновен пусков ток, който възниква, когато към изолацията се приложи DC напрежение, което се разпада за почти няколко секунди, и капацитивен ток, преминаващ през изолацията, когато към него се приложи променливо напрежение. Този капацитет се нарича геометричен, тъй като зависи от изолацията: нейните размери (дебелина, дължина и т.н.) и местоположението между тоководещата част А и корпуса (земята).

Втората схема характеризира вътрешната структура и свойства на изолацията, включително нейната структура, броя на групите паралелно свързани кондензатори и резистори. Токът I2, протичащ през тази верига, се нарича абсорбционен ток. Началната стойност на този ток е пропорционална на площта на изолацията и обратно пропорционална на нейната дебелина.

Ако тоководещите части на електрически продукт са изолирани с два или повече слоя изолация (например изолация на проводници и изолация на бобина), тогава в еквивалентната верига абсорбционният клон е представен под формата на две или повече последователно свързани групи от кондензатор и резистор, които характеризират свойствата на един от изолационните слоеве. В тази схема се разглежда двуслойна изолация, чийто слой е заменен от група елементи от кондензатор С2 и резистор R1, а вторият от С3 и R2.

Третата верига съдържа един резистор R3 и характеризира изолационната загуба, когато към нея се приложи DC напрежение. Съпротивлението на този резистор, наричано още изолационно съпротивление, зависи от много фактори: размер, материал, конструкция, температура, изолационно състояние, включително влага и мръсотия по повърхността му, както и от приложеното напрежение.

При някои изолационни дефекти (например чрез повреда) зависимостта на съпротивлението R3 от напрежението става нелинейна, докато за други, например при силна влага, тя практически не се променя с увеличаване на напрежението. Токът I3, протичащ през този клон, се нарича проходен ток.

Четвъртата верига е представена в еквивалентната верига от искровия процеп на MF, който характеризира диелектричната якост на изолацията, числено изразена от стойността на напрежението, при което изолационният материал губи изолационните си свойства и се разрушава под действието на тока I4, преминаващ през него.

Тази еквивалентна верига на изолация позволява не само да се опишат процесите, протичащи в нея при подаване на напрежение, но и да се зададат параметри, които могат да се наблюдават, за да се прецени нейното състояние.

Методи за изпитване на електрическа изолация

Най -простият и често срещан начин за оценка на състоянието на изолацията и нейната цялост е измерване на неговото съпротивление с помощта на мегомметър.

Нека обърнем внимание на факта, че наличието на кондензатори в еквивалентната схема обяснява и способността на изолацията да натрупва електрически заряди. Следователно намотките на електрически машини и трансформатори преди и след измерване на изолационното съпротивление трябва да се разреждат чрез заземяване на клемата, към която свързан мегомметър.

При измерване на изолационното съпротивление на електрически машини и трансформатори трябва да се следи температурата на намотките, която се записва в протокола от изпитването. Познаването на температурата, при която са направени измерванията, е необходимо за сравняване на резултатите от измерването помежду си, тъй като съпротивлението на изолацията се променя рязко в зависимост от температурата: средно изолационното съпротивление намалява с 1,5 пъти с повишаване на температурата на всеки 10 ° C и също се увеличава със съответното понижение на температурата.

Поради факта, че влагата, която винаги се съдържа в изолационните материали, влияе върху резултатите от измерването, определянето на параметри, характеризиращи качеството на изолацията, не се извършва при температури под + 10 ° C, тъй като получените резултати няма да дадат правилна представа на истинското състояние на изолацията.

При измерване на изолационното съпротивление на практически студен продукт, температурата на изолацията може да се приеме равна на температурата на околната среда. Във всички други случаи температурата на изолацията условно се приема равна на температурата на намотките, измерена чрез тяхното активно съпротивление.

Така че измереното съпротивление на изолацията не се различава значително от истинската стойност, собственото изолационно съпротивление на елементите на измервателната верига — проводници, изолатори и други — трябва да въведе минимална грешка в резултата от измерването. Следователно при измерване на изолационното съпротивление на електрически устройства с напрежение до 1000 V, съпротивлението на тези елементи трябва да бъде най -малко 100 мегома, а при измерване на изолационното съпротивление на силови трансформатори — не по -малко от границата на измерване на мегомметъра.

Ако това условие не е изпълнено, резултатите от измерванията трябва да бъдат коригирани за изолационното съпротивление на елементите на веригата. За да направите това, изолационното съпротивление се измерва два пъти: веднъж с напълно сглобена верига и свързан продукт, а второто с изключен продукт. Резултатът от първото измерване ще даде еквивалентното изолационно съпротивление на веригата и продукта Re, а резултатът от второто измерване ще даде съпротивлението на елементите на измервателната верига Rc. След това изолационното съпротивление на продукта

Ако за електрически машини на някои други продукти последователността на измерване на изолационното съпротивление не е установена, тогава за силови трансформатори тази последователност на измерване се регулира от стандарта, според който първо се измерва изолационното съпротивление на намотката с ниско напрежение (LV). Останалите намотки, както и резервоарът, трябва да бъдат заземени. При липса на резервоар корпусът на трансформатора или неговият скелет трябва да бъдат заземени.

При наличие на три намотки на напрежение — по -ниско напрежение, средно високо напрежение и по -високо напрежение — след намотката с ниско напрежение е необходимо да се измери изолационното съпротивление на намотката със средно напрежение и едва след това по -високо напрежение. Естествено, за всички измервания, останалите намотки, както и резервоара, трябва да бъдат заземени, а незаземената намотка трябва да се разрежда след всяко измерване чрез свързване към кутията за поне 2 минути. Ако резултатите от измерванията не отговарят на установените изисквания, тогава изпитванията трябва да бъдат допълнени чрез определяне на изолационното съпротивление на намотките, свързани електрически помежду си.

За трансформатори с две намотки, съпротивлението на намотките с високо и ниско напрежение трябва да се измерва спрямо корпуса, а за трансформаторите с три намотки първо намотките с високо и средно напрежение, а след това на намотките с високо, средно и ниско напрежение.

При тестване на изолацията на трансформатор е необходимо да се направят няколко измервания, за да се определят не само стойностите на еквивалентното изолационно съпротивление, но и да се сравнят изолационното съпротивление на намотките спрямо други намотки и корпуса на машината .

Изолационното съпротивление на електрическите машини обикновено се измерва с взаимосвързани фазови намотки, а на мястото на монтажа — заедно с кабели (шини). Ако резултатите от измерването не отговарят на установените изисквания, тогава се измерва изолационното съпротивление на всяка фазова намотка и, ако е необходимо, на всеки клон на намотката.

Трябва да се има предвид, че само по абсолютната стойност на изолационното съпротивление е трудно да се прецени разумно състоянието на изолацията. Следователно, за да се оцени състоянието на изолация на електрически машини по време на работа, резултатите от тези измервания се сравняват с резултатите от предишните.

Значителни, няколко пъти, несъответствия между изолационните съпротивления на отделните фази обикновено показват някакъв значителен дефект. Едновременното намаляване на изолационното съпротивление за всички фазови намотки, като правило, показва промяна в общото състояние на повърхността му.

Когато сравняваме резултатите от измерването, трябва да се помни за зависимостта на изолационното съпротивление от температурата. Следователно е възможно да се сравняват един с друг резултатите от измерванията, проведени при същата или близка по стойност температура.

Когато напрежението, приложено към изолацията, е постоянно, общият ток Ii (виж фиг. 1), протичащ през него, намалява колкото повече, толкова по -добро е състоянието на изолацията и в съответствие с намаляването на тока Ii показанията на мегомметъра нарастват. Поради факта, че I2 компонентът на този ток, наричан също абсорбционен ток, за разлика от компонента I3, не зависи от състоянието на изолационната повърхност, както и от замърсяването и съдържанието на влага, съотношението на стойностите на изолационното съпротивление в дадени моменти от време се приема като характеристика на изолационно съдържание на влага.

В стандартите се препоръчва измерването на изолационното съпротивление след 15 s (R15) и след 60 s (R60) след свързване на мегомметъра, като съотношението на тези съпротивления ka = R60 / R15 се нарича коефициент на поглъщане.

С невлажна изолация, ka> 2, и с влажна изолация — ka ≈1.

Тъй като стойността на коефициента на поглъщане е практически независима от размера на електрическата машина и различни случайни фактори, тя може да бъде нормализирана: ka ≥ 1,3 при 20 ° C.

Грешката при измерване на изолационното съпротивление не трябва да надвишава ± 20%, ако не е специално установена за конкретен продукт.

В електрическите продукти изпитвания за електрическа якост подлагайте изолацията на намотките по отношение на тялото и една спрямо друга, както и на междинната изолация на намотките.

За да се провери диелектричната якост на изолацията на намотки или тоководещи части спрямо корпуса, към клемите на тестваната намотка или тоководещите части се прилага повишено синусоидално напрежение с честота 50 Hz. Напрежението и продължителността на прилагането му са посочени в техническата документация за всеки конкретен продукт.

При изпитване на диелектричната якост на изолацията на намотки и части под напрежение спрямо тялото, всички други намотки и части под напрежение, които не участват в изпитванията, трябва да бъдат електрически свързани към заземеното тяло на продукта. След края на изпитването намотките трябва да бъдат заземени, за да се отстрани остатъчният заряд.

На фиг. 2 показва диаграма за изпитване на диелектричната якост на намотка на трифазен електродвигател.Пренапрежението се генерира от тестова инсталация AG, съдържаща регулирано източник на напрежение Е. Напрежението се измерва от страната на високото напрежение с фотоволтаичен волтметър. Амперметър PA се използва за измерване на тока на изтичане през изолацията.

Счита се, че продуктът е преминал теста, ако няма разрушаване на изолацията или припокриване на повърхността, а също и ако токът на изтичане не надвишава стойността, посочена в документацията за този продукт. Обърнете внимание, че наличието на амперметър, който следи тока на утечка, прави възможно използването на трансформатор в тестовата настройка.

Ориз. 2. Схема за изпитване на диелектричната якост на изолацията на електрически продукти

В допълнение към тестването с честотно напрежение на изолацията, изолацията се тества и с коригирано напрежение. Предимството на такова изпитване е възможността да се прецени състоянието на изолацията въз основа на резултатите от измерването на токовете на утечка при различни стойности на изпитвателното напрежение.

За да се оцени състоянието на изолацията, тя се използва коефициент на нелинейност

където I1.0 и I0.5 са токове на утечка 1 мин след прилагането на изпитвателни напрежения, равни на нормализираната стойност на Unorm и половината от номиналното напрежение на електрическата машина Urated, kн <1,2.

Разгледаните три характеристики — изолационно съпротивление, коефициент на поглъщане и коефициент на нелинейност — се използват за решаване на въпроса за възможността за включване на електрическа машина без изсушаване на изолацията.

При изпитване на диелектричната якост на изолацията съгласно схемата на фиг. 2 всички завои на намотката са под практически същото напрежение по отношение на тялото (земята) и следователно изолацията от завой до завой остава непроверена.

Един от начините за изпитване на диелектричната якост на изолационната изолация е да се увеличи напрежението с 30% в сравнение с номиналното. Това напрежение се прилага от регулиран източник на напрежение EK към изпитваната точка без товар.

Друг метод е приложим за генератори, работещи на празен ход, и се състои в увеличаване на тока на възбуждане на генератора, докато напрежението (1,3 ÷ 1,5) Unom се получи на клемите на статора или котвата, в зависимост от типа машина. Като се има предвид, че дори и в режим на празен ход, токовете, консумирани от намотките на електрическите машини, могат да надхвърлят номиналните си стойности, стандартите позволяват такова изпитване да се извършва при повишена честота на напрежението, подавано към намотките на двигателя над номиналната стойност или при повишена скорост на генератора.

За тестване на асинхронни двигатели е възможно също да се използва изпитвателно напрежение с честота fi = 1,15 fn. В същите граници скоростта на генератора може да се увеличи.

При изпитване на диелектричната якост на изолацията по такъв начин, между съседни завои на намотката ще бъде приложено напрежение, числено равно на коефициента на разделяне на подаденото напрежение на броя на завоите на намотката. Тя се различава леко (с 30-50%) от тази, която съществува, когато продуктът работи при номинално напрежение.

Както знаете, границата на увеличаване на напрежението, приложена към клемите на намотката, разположена върху сърцевината, се дължи на нелинейната зависимост на тока в тази намотка от напрежението в неговите клеми. При напрежения, близки до номиналната стойност Unom, сърцевината не е наситена и токът линейно зависи от напрежението (фиг. 3, раздел ОА).

С увеличаване на напрежението U над номиналния ток в бобината се увеличава рязко и при U = 2Unom токът може да надвиши номиналната стойност с десетки пъти. За да се увеличи значително напрежението на оборот на намотката, якостта на изолацията между завоите се изпитва на честота, която е многократно (десет пъти или повече) по-висока от номиналната.

Ориз. 3. Графика на зависимостта на тока в бобина със сърцевина от приложеното напрежение

Ориз. 4. Схема за изпитване на изолацията на намотките при повишена честота на тока

Нека разгледаме принципа на изпитване на междинната изолация на контакторните бобини (фиг. 4). Тестваната намотка L2 се поставя върху пръта на разделената магнитна верига. Към клемите на бобината L1 се прилага напрежение U1 с повишена честота, така че за всяко завъртане на бобината L2 има напрежение, необходимо за изпитване на диелектричната якост на изолацията от завой към завой. Ако изолацията на завоите на бобината L2 е в добро състояние, тогава токът, консумиран от бобината L1 и измерен с амперметъра PA след инсталирането на бобината, ще бъде същият като преди. В противен случай токът в бобината L1 се увеличава.

Ориз. 5. Схема за измерване на тангенса на ъгъла на диелектрични загуби

Последната от разглежданите изолационни характеристики — тангенс на диелектрични загуби.

Известно е, че изолацията има активно и реактивно съпротивление и когато към нея се прилага периодично напрежение, през изолацията протичат активни и реактивни токове, тоест има активни Р и реактивни Q мощности. Съотношението P към Q се нарича тангенс на ъгъла на диелектрични загуби и се обозначава tgδ.

Ако помним, че P = IUcosφ и Q = IUsinφ, тогава можем да напишем:

tgδ е отношението на активния ток, протичащ през изолацията към реактивен ток.

За да се определи tgδ, е необходимо едновременно да се измери активната и реактивната мощност или активното и реактивно (капацитивно) изолационно съпротивление. Принципът на измерване на tgδ по втория метод е показан на фиг. 5, където измервателната верига е единичен мост.

Раменете на моста са съставени от примерен кондензатор C0, променлив кондензатор C1, променливи R1 и постоянни R2 резистори, както и капацитет и изолационно съпротивление на намотката L спрямо тялото на продукта или масата, конвенционално изобразени като кондензатор Cx и резистор Rx. В случай, че е необходимо да се измери tgδ не на намотката, а на кондензатора, неговите плочи са свързани директно към клемите 1 и 2 на мостовата верига.

Диагоналът на моста включва галванометър Р и източник на захранване, който в нашия случай е трансформатор Т.

Както и в други мостови вериги процесът на измерване се състои в получаване на минималните показания на устройството P чрез последователно промяна на съпротивлението на резистора R1 и капацитета на кондензатора C1. Обикновено параметрите на моста се избират така, че стойността на tgδ при нула или минимални показания на устройството P се отчита директно по скалата на кондензатора C1.

Определението на tgδ е задължително за силови кондензатори и трансформатори, изолатори с високо напрежение и други електрически продукти.

Поради факта, че изпитванията на диелектрична якост и измерванията на tgδ се извършват, като правило, при напрежения над 1000 V, трябва да се спазват всички общи и специални мерки за безопасност.

Процедура за изпитване на електрическа изолация

Параметрите и характеристиките на изолацията, обсъдени по -горе, трябва да се определят в последователността, установена от стандартите за конкретни видове продукти.

Например в силовите трансформатори първо се определя изолационното съпротивление и след това се измерва тангенсът на диелектричните загуби.

За въртящи се електрически машини, след измерване на изолационното съпротивление преди изпитване на неговата диелектрична якост, е необходимо да се извършат следните тестове: при повишена честота на въртене, с краткотрайно претоварване по ток или въртящ момент, с внезапно късо съединение (ако предвидено е за тази синхронна машина), изпитване на изолацията на коригираното напрежение на намотките (ако е посочено в документацията за тази машина).

Стандарти или спецификации за конкретни типове машини могат да допълнят този списък с други тестове, които могат да повлияят на диелектричната якост на изолацията.