Elektroizolačné vlastnosti a skúšky

Vlastnosti a ekvivalentný obvod elektrickej izolácie

Ako viete, výraz „izolácia“ sa v praxi používa na označenie dvoch pojmov:

1) spôsob predchádzania vzniku elektrického kontaktu medzi časťami elektrického výrobku,

2) materiály a výrobky z nich použité na aplikáciu tejto metódy.

Elektroizolačné materiály pod vplyvom napätia aplikovaného na ne sa zistí vlastnosť vedenia elektrického prúdu. Hodnota vodivosti elektroizolačných materiálov je síce o niekoľko rádov nižšia ako u drôtov, no napriek tomu zohráva významnú úlohu a do značnej miery určuje spoľahlivosť prevádzky elektrického výrobku.

Pôsobením napätia aplikovaného na izoláciu cez ňu preteká prúd nazývaný zvodový prúd, ktorý sa mení s časom.

Aby bolo možné študovať a ilustrovať vlastnosti elektrickej izolácie, je zvykom ju reprezentovať vo forme určitého modelu nazývaného ekvivalentný obvod (obr. 1), ktorý obsahuje štyri elektrické obvody zapojené paralelne.Prvý z nich obsahuje iba kondenzátor C1, nazývaný geometrická kapacita.

Ryža. 1. Ekvivalentný obvod elektrickej izolácie

Prítomnosť tejto kapacity spôsobuje výskyt okamžitého nárazového prúdu, ktorý nastane, keď sa na izoláciu aplikuje jednosmerné napätie, ktoré sa rozpadne takmer za niekoľko sekúnd, a kapacitný prúd pretekajúci izoláciou, keď sa na ňu privedie striedavé napätie. Táto kapacita sa nazýva geometrická, pretože závisí od izolácie: jej rozmerov (hrúbka, dĺžka atď.) a umiestnenia medzi časťou A vedúcou prúd a puzdrom (zem).

Druhá schéma charakterizuje vnútornú štruktúru a vlastnosti izolácie vrátane jej štruktúry, počtu paralelne zapojených skupín kondenzátorov a rezistorov. Prúd I2 pretekajúci týmto obvodom sa nazýva absorpčný prúd. Počiatočná hodnota tohto prúdu je úmerná ploche izolácie a nepriamo úmerná jej hrúbke.

Ak sú časti elektrického výrobku, ktoré vedú prúd, izolované dvoma alebo viacerými vrstvami izolácie (napríklad izolácia drôtu a izolácia cievky), potom je v ekvivalentnom obvode absorpčná vetva reprezentovaná vo forme dvoch alebo viacerých sériovo zapojených skupiny kondenzátora a rezistora, ktoré charakterizujú vlastnosti na jednej z izolačných vrstiev. V tejto schéme sa uvažuje o dvojvrstvovej izolácii, ktorej vrstva je nahradená skupinou prvkov kondenzátora C2 a odporu R1 a druhá C3 a R2.

Tretí obvod obsahuje jeden rezistor R3 a charakterizuje stratu izolácie, keď je naň privedené jednosmerné napätie.Odpor tohto odporu, nazývaného aj izolačný odpor, závisí od mnohých faktorov: veľkosti, materiálu, konštrukcie, teploty, izolačného stavu vrátane vlhkosti a nečistôt na jeho povrchu a aplikovaného napätia.

Pri niektorých poruchách izolácie (napríklad poškodením) sa závislosť odporu R3 od napätia stáva nelineárnou, zatiaľ čo pri iných, napríklad pri silnej vlhkosti, sa so zvyšujúcim sa napätím prakticky nemení. Prúd I3 pretekajúci touto vetvou sa nazýva dopredný prúd.

Štvrtý obvod je zastúpený v ekvivalentnom obvode iskriska MF, ktorý charakterizuje dielektrickú pevnosť izolácie, číselne vyjadrenú hodnotou napätia, pri ktorom izolačný materiál pôsobením prúdu stráca svoje izolačné vlastnosti a rozpadá sa. I4 prechádzajúci cez ňu.

Tento izolačný ekvivalentný obvod umožňuje nielen popísať procesy, ktoré v ňom prebiehajú pri privedení napätia, ale aj nastaviť parametre, ktoré možno pozorovať na posúdenie jeho stavu.

Metódy skúšania elektrickej izolácie

Najjednoduchším a najbežnejším spôsobom, ako posúdiť stav izolácie a jej celistvosť, je meranie jej odporu pomocou megaohmmetra.

Venujme pozornosť skutočnosti, že prítomnosť kondenzátorov v ekvivalentnom obvode tiež vysvetľuje schopnosť izolácie akumulovať elektrické náboje. Vinutia elektrických strojov a transformátorov preto musia byť pred a po meraní izolačného odporu vybité uzemnením svorky, ku ktorej pripojený megaohmmeter.

Pri meraní izolačného odporu elektrických strojov a transformátorov sa musí sledovať teplota vinutí, ktorá sa zaznamená do protokolu o skúške. Poznanie teploty, pri ktorej boli merania uskutočnené, je potrebné na vzájomné porovnanie výsledkov meraní, pretože izolačný odpor sa prudko mení v závislosti od teploty: v priemere sa izolačný odpor znižuje 1,5 krát so zvýšením teploty každých 10 ° C a tiež sa zvyšuje so zodpovedajúcim poklesom teploty.

Vzhľadom na skutočnosť, že vlhkosť, ktorá je vždy obsiahnutá v izolačných materiáloch, ovplyvňuje výsledky merania, stanovenie parametrov charakterizujúcich kvalitu izolácie sa nevykonáva pri teplotách pod + 10 ° C, pretože získané výsledky neposkytnú správna predstava o skutočnom stave izolácie.

Pri meraní izolačného odporu prakticky studeného výrobku možno predpokladať, že teplota izolácie sa rovná teplote okolia. Vo všetkých ostatných prípadoch sa podmienečne predpokladá, že teplota izolácie sa rovná teplote vinutí, meranej ich aktívnym odporom.

Aby sa nameraný izolačný odpor výrazne nelíšil od skutočnej hodnoty, vlastný izolačný odpor prvkov meracieho obvodu — vodičov, izolátorov atď. — by mal do výsledku merania vniesť minimálnu chybu.Preto pri meraní izolačného odporu elektrických zariadení s napätím do 1000 V musí byť odpor týchto prvkov najmenej 100 megaohmov a pri meraní izolačného odporu výkonových transformátorov - nie menej ako limit merania megohmmetra .

Ak táto podmienka nie je splnená, musia byť výsledky merania korigované na izolačný odpor prvkov obvodu. Na tento účel sa izolačný odpor meria dvakrát: raz s úplne zostaveným obvodom a pripojeným produktom a druhýkrát s odpojeným produktom. Výsledok prvého merania poskytne ekvivalentný izolačný odpor obvodu a súčinu Re a výsledok druhého merania poskytne odpor prvkov meracieho obvodu Rc. Potom izolačný odpor výrobku

Ak pre elektrické stroje niektorých iných výrobkov nie je stanovená postupnosť merania izolačného odporu, tak pre výkonové transformátory je táto postupnosť merania regulovaná normou, podľa ktorej sa najskôr meria izolačný odpor vinutia nízkeho napätia (NN). Zostávajúce vinutia, ako aj nádrž, musia byť uzemnené. Pri absencii nádrže musí byť puzdro transformátora alebo jeho kostra uzemnené.

V prítomnosti troch napäťových vinutí — nižšieho napätia, stredného vysokého napätia a vyššieho napätia — po nízkonapäťovom vinutí je potrebné zmerať izolačný odpor vinutia vysokého napätia a až potom vyššie napätie.Samozrejme, pri všetkých meraniach musia byť zvyšné cievky, ako aj nádrž uzemnené a neuzemnená cievka musí byť po každom meraní vybitá pripojením ku skrinke aspoň na 2 minúty. Ak výsledky meraní nespĺňajú stanovené požiadavky, potom sa skúšky musia doplniť stanovením izolačného odporu vinutí, ktoré sú navzájom elektricky spojené.

Pri transformátoroch s dvoma vinutiami by sa mal merať odpor vinutia vysokého a nízkeho napätia vzhľadom na puzdro a v prípade transformátorov s tromi vinutiami by sa mali najskôr merať vinutia vysokého a stredného napätia, potom vinutia vysokého, stredného a nízkeho napätia. .

Pri testovaní izolácie transformátora je potrebné vykonať niekoľko meraní, aby sa určili nielen hodnoty ekvivalentného izolačného odporu, ale aj porovnanie izolačného odporu vinutí s inými vinutiami a telesom stroja.

Izolačný odpor elektrických strojov sa zvyčajne meria pomocou prepojených fázových vinutí a na mieste inštalácie spolu s káblami (prípojnicami). Ak výsledky merania nespĺňajú stanovené požiadavky, potom sa meria izolačný odpor každého fázového vinutia a v prípade potreby každej vetvy vinutia.

Treba si uvedomiť, že len podľa absolútnej hodnoty izolačného odporu je ťažké rozumne posúdiť stav izolácie. Preto pre vyhodnotenie stavu izolácie elektrických strojov počas prevádzky sa výsledky týchto meraní porovnávajú s výsledkami predchádzajúcich.

Výrazné, niekoľkonásobné, nezrovnalosti medzi izolačnými odpormi jednotlivých fáz väčšinou poukazujú na nejakú výraznú poruchu. Súčasné zníženie izolačného odporu pre všetky fázové vinutia spravidla naznačuje zmenu celkového stavu jeho povrchu.

Pri porovnávaní výsledkov merania treba pamätať na závislosť izolačného odporu od teploty. Preto je možné navzájom porovnávať výsledky meraní uskutočnených pri rovnakej alebo podobnej teplote.

Keď je napätie aplikované na izoláciu konštantné, celkový prúd Ii (pozri obr. 1), ktorý ňou preteká, klesá, čím viac, tým lepší je stav izolácie a v súlade s poklesom prúdu Ii sa odčítané hodnoty zvýšenie megaohmmetra. Vzhľadom na to, že zložka I2 tohto prúdu, nazývaná aj absorpčný, na rozdiel od zložky I3 nezávisí od stavu izolačného povrchu, ako aj od znečistenia a vlhkosti, pomer hodnôt izolačného odporu v daných časových okamihoch sa berie ako charakteristika izolačnej vlhkosti.

Normy odporúčajú merať izolačný odpor po 15 s (R15) a po 60 s (R60) po pripojení megaohmmetra a pomer týchto odporov ka = R60 / R15 sa nazýva absorpčný koeficient.

S izoláciou proti vlhkosti ka> 2 a s izoláciou proti vlhkosti — ka ≈1.

Pretože hodnota koeficientu absorpcie je prakticky nezávislá od veľkosti elektrického stroja a rôznych náhodných faktorov, možno ju normalizovať: ka ≥ 1,3 pri 20 ° C.

Chyba v meraní izolačného odporu by nemala presiahnuť ± 20 %, pokiaľ nie je špecificky stanovená pre konkrétny výrobok.

V elektrických výrobkoch testy elektrickej pevnosti podrobujú izoláciu vinutia telu a sebe navzájom, ako aj medziizolácii vinutí.

Aby sa skontrolovala dielektrická pevnosť izolácie cievok alebo častí s prúdom na kryte, na svorky testovanej cievky alebo častí pod prúdom sa privedie zvýšené sínusové napätie s frekvenciou 50 Hz. Napätie a doba jeho aplikácie sú uvedené v technickej dokumentácii pre každý konkrétny produkt.

Pri skúšaní dielektrickej pevnosti izolácie vinutí a živých častí k telu musia byť všetky ostatné vinutia a živé časti, ktoré nie sú zahrnuté v skúškach, elektricky pripojené k uzemnenému telu výrobku. Po skončení testu by mali byť cievky uzemnené, aby sa odstránil zvyškový náboj.

Na obr. 2 je znázornená schéma na testovanie dielektrickej pevnosti vinutia trojfázového elektromotora.Prepätie je generované skúšobným zariadením AG obsahujúcim regulovaný zdroj napätia E. Napätie je merané na strane vysokého napätia fotovoltaickým voltmetrom. Na meranie zvodového prúdu cez izoláciu sa používa ampérmeter PA.

Výrobok sa považuje za vyhovujúci skúške, ak nedôjde k porušeniu izolácie alebo prekrytiu povrchu a tiež ak zvodový prúd nepresiahne hodnotu uvedenú v dokumentácii k tomuto výrobku. Všimnite si, že ampérmeter, ktorý monitoruje zvodový prúd, umožňuje použiť transformátor v testovacej zostave.

Ryža. 2. Schéma na testovanie dielektrickej pevnosti izolácie elektrických výrobkov

Okrem testovania izolácie frekvenčným napätím sa izolácia testuje aj usmerneným napätím. Výhodou takejto skúšky je možnosť posúdiť stav izolácie na základe výsledkov merania zvodových prúdov pri rôznych hodnotách skúšobného napätia.

Na vyhodnotenie stavu izolácie sa používa koeficient nelinearity

kde I1,0 a I0,5 sú zvodové prúdy 1 min po aplikácii skúšobných napätí, ktoré sa rovnajú normalizovanej hodnote Unorm a polovici menovitého napätia elektrického stroja Urated, kn <1,2.

Tri uvažované charakteristiky – izolačný odpor, koeficient absorpcie a koeficient nelinearity – sa používajú na vyriešenie otázky možnosti zapnutia elektrického stroja bez vysušenia izolácie.

Pri skúšaní dielektrickej pevnosti izolácie podľa schémy na obr. 2 sú všetky závity vinutia prakticky na rovnakom napätí vzhľadom na telo (kostru) a preto izolácia závitu k závitu zostáva nekontrolovaná.

Jedným zo spôsobov, ako otestovať dielektrickú pevnosť izolačnej izolácie, je zvýšenie napätia o 30 % v porovnaní s nominálnym. Toto napätie sa privádza z regulovaného zdroja napätia EK do skúšobného bodu bez zaťaženia.

Iná metóda je použiteľná pre generátory pracujúce naprázdno a spočíva vo zvyšovaní budiaceho prúdu generátora, kým sa na svorkách statora alebo kotvy nedosiahne napätie (1,3 ÷ 1,5) Unom, v závislosti od typu stroja.Vzhľadom na to, že aj v režime nečinnosti môžu prúdy spotrebované vinutiami elektrických strojov prekročiť ich nominálne hodnoty, normy umožňujú vykonať takúto skúšku pri zvýšenej frekvencii napätia dodávaného do vinutí motora nad nominálnu hodnotu alebo pri zvýšená rýchlosť generátora.

Na testovanie asynchrónnych motorov je možné použiť aj testovacie napätie s frekvenciou fi = 1,15 fn. V rámci rovnakých limitov je možné zvýšiť rýchlosť generátora.

Pri skúšaní dielektrickej pevnosti izolácie takýmto spôsobom sa napätie numericky rovná pomeru aplikovaného napätia vydeleného počtom závitov cievky medzi susednými závitmi cievky. Mierne sa líši (o 30-50%) od toho, ktorý existuje, keď produkt pracuje pri menovitom napätí.

Ako viete, limit zvýšenia napätia aplikovaný na svorky cievky umiestnenej na jadre je spôsobený nelineárnou závislosťou prúdu v tejto cievke od napätia na jej svorkách. Pri napätiach blízkych nominálnej hodnote Unom nie je jadro nasýtené a prúd závisí lineárne od napätia (obr. 3, časť OA).

So zvyšujúcim sa napätím sa U nad nominálnym prúdom v cievke prudko zvyšuje a pri U = 2Unom môže prúd desaťkrát prekročiť nominálnu hodnotu. Aby sa výrazne zvýšilo napätie na otáčku vinutia, pevnosť izolácie medzi závitmi sa testuje pri frekvencii, ktorá je mnohokrát (desaťkrát alebo viac) vyššia ako nominálna.

Ryža. 3. Graf závislosti prúdu v cievke s jadrom od priloženého napätia

Ryža. 4.Schéma testu izolácie vinutia pri zvýšenej frekvencii prúdu

Uvažujme o princípe skúšania medziizolácie cievok stýkača (obr. 4). Skúšobná cievka L2 je umiestnená na tyči deleného magnetického obvodu. Na svorky cievky L1 sa privádza napätie U1 so zvýšenou frekvenciou, takže na každý závit cievky L2 je napätie potrebné na testovanie dielektrickej pevnosti izolácie od závitu k závitu. Ak je izolácia vinutia cievky L2 v dobrom stave, potom prúd spotrebovaný cievkou L1 a meraný ampérmetrom PA po inštalácii cievky bude rovnaký ako predtým. V opačnom prípade sa prúd v cievke L1 zvýši.

Ryža. 5. Schéma merania tangens uhla dielektrických strát

Posledná z uvažovaných izolačných charakteristík — tangenta dielektrických strát.

Je známe, že izolácia má aktívny a jalový odpor a keď sa na ňu aplikuje periodické napätie, izoláciou preteká aktívne a jalové prúdy, to znamená, že existujú aktívne P a jalové Q výkony. Pomer P ku Q sa nazýva tangens uhlu dielektrickej straty a označuje sa tgδ.

Ak si pamätáme, že P = IUcosφ a Q = IUsinφ, môžeme napísať:

tgδ je pomer aktívneho prúdu pretekajúceho izoláciou k jalový prúd.

Na stanovenie tgδ je potrebné súčasne merať činný a jalový výkon alebo činný a jalový (kapacitný) izolačný odpor. Princíp merania tgδ druhou metódou je znázornený na obr. 5, kde meracím obvodom je jeden mostík.

Ramená mostíka sa skladajú z príkladného kondenzátora C0, variabilného kondenzátora C1, premenných R1 a konštantných rezistorov R2, ako aj z kapacity a izolačného odporu vinutia L voči telu výrobku alebo hmoty, bežne označovaného ako kondenzátor Cx. a odpor Rx. V prípade, že je potrebné merať tgδ nie na cievke, ale na kondenzátore, sú jeho dosky pripojené priamo na svorky 1 a 2 mostíkového obvodu.

Uhlopriečka mostíka obsahuje galvanometer P a zdroj energie, ktorým je v našom prípade transformátor T.

Ako v iných mostíkové obvody proces merania spočíva v získaní minimálnych hodnôt zariadenia P postupnou zmenou odporu odporu R1 a kapacity kondenzátora C1. Zvyčajne sa parametre mostíka volia tak, aby sa hodnota tgδ pri nulových alebo minimálnych údajoch zariadenia P odčítala priamo na stupnici kondenzátora C1.

Definícia tgδ je povinná pre výkonové kondenzátory a transformátory, vysokonapäťové izolátory a iné elektrické výrobky.

Vzhľadom na to, že skúšky dielektrickej pevnosti a merania tgδ sa vykonávajú spravidla pri napätiach nad 1000 V, musia sa dodržiavať všetky všeobecné a špeciálne bezpečnostné opatrenia.

Postup skúšky elektrickej izolácie

Parametre a charakteristiky izolácie diskutované vyššie sa musia určiť v poradí stanovenom normami pre konkrétne typy výrobkov.

Napríklad vo výkonových transformátoroch sa najprv určí izolačný odpor a potom sa meria tangenta dielektrickej straty.

Pri točivých elektrických strojoch je po zmeraní izolačného odporu pred skúškou jeho dielektrickej pevnosti potrebné vykonať tieto skúšky: pri zvýšenej frekvencii otáčania, pri krátkodobom prúdovom alebo momentovom preťažení, pri náhlom skrate (ak je určený pre tento synchrónny stroj), izolačná skúška usmerneného napätia vinutí (ak je to uvedené v dokumentácii k tomuto stroju).

Normy alebo špecifikácie pre špecifické typy strojov môžu doplniť tento zoznam o ďalšie testy, ktoré môžu ovplyvniť dielektrickú pevnosť izolácie.