Elektroizolační vlastnosti a zkoušky

Vlastnosti a ekvivalentní obvod elektrické izolace

Jak víte, termín „izolace“ se v praxi používá k označení dvou pojmů:

1) způsob, jak zabránit vzniku elektrického kontaktu mezi částmi elektrického výrobku,

2) materiály a výrobky z nich použité k aplikaci této metody.

Elektroizolační materiály pod vlivem napětí aplikovaného na ně je objevena vlastnost vedení elektrického proudu. Hodnota vodivosti elektroizolačních materiálů je sice o několik řádů nižší než u vodičů, ale přesto hraje významnou roli a do značné míry určuje spolehlivost provozu elektrotechnického výrobku.

Působením napětí aplikovaného na izolaci jí protéká proud, nazývaný svodový proud, který se mění s časem.

Aby bylo možné studovat a ilustrovat vlastnosti elektrické izolace, je obvyklé ji znázornit ve formě určitého modelu nazývaného ekvivalentní obvod (obr. 1), obsahující čtyři elektrické obvody zapojené paralelně.První z nich obsahuje pouze kondenzátor C1, nazývaný geometrická kapacita.

Rýže. 1. Ekvivalentní obvod elektrické izolace

Přítomnost této kapacity způsobuje vzhled okamžitého zapínacího proudu, ke kterému dochází, když je na izolaci aplikováno stejnosměrné napětí, které se rozpadne téměř za několik sekund, a kapacitní proud protékající izolací, když je na ni přiloženo střídavé napětí. Tato kapacita se nazývá geometrická, protože závisí na izolaci: jejích rozměrech (tloušťka, délka atd.) a umístění mezi proudovou částí A a pouzdrem (zem).

Druhé schéma charakterizuje vnitřní strukturu a vlastnosti izolace včetně její struktury, počtu paralelně zapojených skupin kondenzátorů a rezistorů. Proud I2 protékající tímto obvodem se nazývá absorpční proud. Počáteční hodnota tohoto proudu je úměrná ploše izolace a nepřímo úměrná její tloušťce.

Pokud jsou části elektrického výrobku vedoucí proud izolovány dvěma nebo více vrstvami izolace (například izolace vodičů a izolace cívky), pak je v ekvivalentním obvodu absorpční větev reprezentována ve formě dvou nebo více sériově zapojených skupiny kondenzátoru a rezistoru, které charakterizují vlastnosti na jedné z izolačních vrstev. V tomto schématu je uvažována dvouvrstvá izolace, jejíž vrstva je nahrazena skupinou prvků kondenzátoru C2 a rezistoru R1 a druhá C3 a R2.

Třetí obvod obsahuje jediný rezistor R3 a charakterizuje ztrátu izolace, když je na něj přivedeno stejnosměrné napětí.Odpor tohoto rezistoru, nazývaný také izolační odpor, závisí na mnoha faktorech: velikosti, materiálu, konstrukci, teplotě, izolačním stavu včetně vlhkosti a nečistot na jeho povrchu a použitém napětí.

Při některých vadách izolace (například poškozením) se závislost odporu R3 na napětí stává nelineární, zatímco u jiných, například při silné vlhkosti, se s rostoucím napětím prakticky nemění. Proud I3 protékající touto větví se nazývá dopředný proud.

Čtvrtý obvod je zastoupen v náhradním obvodu MF jiskřiště, který charakterizuje dielektrickou pevnost izolace, číselně vyjádřenou hodnotou napětí, při kterém izolační materiál ztrácí své izolační vlastnosti a porušuje se působením proudu. I4 jím prochází.

Tento izolační ekvivalentní obvod umožňuje nejen popsat procesy, které v něm probíhají při přivedení napětí, ale také nastavit parametry, které lze pozorovat pro posouzení jeho stavu.

Zkušební metody elektrické izolace

Nejjednodušším a nejběžnějším způsobem posouzení stavu izolace a její celistvosti je měření jejího odporu pomocí megaohmmetru.

Věnujme pozornost skutečnosti, že přítomnost kondenzátorů v náhradním obvodu také vysvětluje schopnost izolace akumulovat elektrické náboje. Vinutí elektrických strojů a transformátorů proto musí být před a po měření izolačního odporu vybito uzemněním svorky, ke které připojený megaohmmetr.

Při měření izolačního odporu elektrických strojů a transformátorů je třeba sledovat teplotu vinutí, která je zaznamenána ve zkušebním protokolu. Znalost teploty, při které byla měření provedena, je nezbytná pro porovnání výsledků měření mezi sebou, protože izolační odpor se prudce mění v závislosti na teplotě: v průměru se izolační odpor snižuje 1,5krát se zvýšením teploty každých 10 ° C a také se zvyšuje s odpovídajícím poklesem teploty.

Vzhledem k tomu, že vlhkost, která je vždy obsažena v izolačních materiálech, ovlivňuje výsledky měření, stanovení parametrů charakterizujících kvalitu izolace se neprovádí při teplotách pod + 10 °C, protože získané výsledky neposkytnou správná představa o skutečném stavu izolace.

Při měření izolačního odporu prakticky studeného výrobku lze předpokládat, že teplota izolace se rovná teplotě okolí. Ve všech ostatních případech se předpokládá, že teplota izolace je podmíněně rovna teplotě vinutí, měřeno jejich aktivním odporem.

Aby se naměřený izolační odpor výrazně nelišil od skutečné hodnoty, měl by vlastní izolační odpor prvků měřicího obvodu — vodičů, izolátorů atd. — vnést do výsledku měření minimální chybu.Proto při měření izolačního odporu elektrických zařízení s napětím do 1000 V musí být odpor těchto prvků nejméně 100 megaohmů a při měření izolačního odporu výkonových transformátorů - ne menší než megohmetr měření .

Pokud tato podmínka není splněna, musí být výsledky měření korigovány na izolační odpor prvků obvodu. K tomu se izolační odpor měří dvakrát: jednou s plně sestaveným obvodem a připojeným výrobkem a podruhé s odpojeným výrobkem. Výsledek prvního měření udává ekvivalentní izolační odpor obvodu a součinu Re a výsledek druhého měření udává odpor prvků měřicího obvodu Rc. Dále pak izolační odpor výrobku

Pokud u elektrických strojů některých jiných výrobků není sled měření izolačního odporu stanoven, pak u výkonových transformátorů je tento sled měření regulován normou, podle které se nejprve měří izolační odpor vinutí nízkého napětí (NN). Zbývající vinutí, stejně jako nádrž, musí být uzemněny. V případě nepřítomnosti nádrže musí být skříň transformátoru nebo jeho kostra uzemněna.

Při přítomnosti tří napěťových vinutí — nižšího napětí, středního vysokého napětí a vyššího napětí — po nízkonapěťovém vinutí je nutné změřit izolační odpor vinutí vysokého napětí a teprve poté vyšší napětí.Přirozeně pro všechna měření musí být zbývající cívky, stejně jako nádrž, uzemněny a neuzemněná cívka musí být po každém měření vybita připojením ke krabici po dobu alespoň 2 minut. Pokud výsledky měření nesplňují stanovené požadavky, je třeba zkoušky doplnit o stanovení izolačního odporu vinutí elektricky propojených navzájem.

U dvouvinutých transformátorů by se měl měřit odpor vysokonapěťových a nízkonapěťových vinutí vzhledem k pouzdru a u třívinutých transformátorů by se mělo nejprve měřit vinutí vysokého a středního napětí, poté vinutí vysokého, středního a nízkého napětí. .

Při zkoušení izolace transformátoru je nutné provést několik měření, abychom určili nejen hodnoty ekvivalentního izolačního odporu, ale také porovnali izolační odpor vinutí s jinými vinutími a tělem stroje.

Izolační odpor elektrických strojů se obvykle měří s propojenými fázovými vinutími a na místě instalace — společně s kabely (přípojnicemi). Pokud výsledky měření nesplňují stanovené požadavky, pak se měří izolační odpor každého fázového vinutí a případně každé větve vinutí.

Je třeba si uvědomit, že jen podle absolutní hodnoty izolačního odporu je obtížné rozumně posoudit stav izolace. Pro vyhodnocení stavu izolace elektrických strojů za provozu se proto výsledky těchto měření porovnávají s výsledky předchozích.

Výrazné, vícenásobné, nesrovnalosti mezi izolačními odpory jednotlivých fází obvykle indikují nějakou výraznou závadu. Současné snížení izolačního odporu pro všechna fázová vinutí zpravidla indikuje změnu celkového stavu jeho povrchu.

Při porovnávání výsledků měření je třeba pamatovat na závislost izolačního odporu na teplotě. Proto je možné vzájemně porovnávat výsledky měření prováděných při stejné nebo podobné teplotě.

Při konstantním napětí přivedeném na izolaci se celkový proud Ii (viz obr. 1), který jí protéká, snižuje tím více, čím lepší je stav izolace, a v souladu s poklesem proudu Ii se odečty zvýšení megaohmmetru. Vzhledem k tomu, že složka I2 tohoto proudu, nazývaná také absorpční proud, na rozdíl od složky I3 nezávisí na stavu izolačního povrchu, stejně jako na znečištění a obsahu vlhkosti, poměr hodnot izolačního odporu v daných okamžicích se bere jako charakteristika izolační vlhkosti.

Normy doporučují měřit izolační odpor po 15 s (R15) a po 60 s (R60) po připojení megaohmmetru a poměr těchto odporů ka = R60 / R15 se nazývá absorpční koeficient.

S izolací proti vlhkosti ka> 2 as izolací proti vlhkosti — ka ≈1.

Protože hodnota absorpčního koeficientu je prakticky nezávislá na velikosti elektrického stroje a různých náhodných faktorech, lze ji normalizovat: ka ≥ 1,3 při 20 °C.

Chyba v měření izolačního odporu by neměla překročit ± 20 %, pokud není výslovně stanoveno pro konkrétní výrobek.

U elektrických výrobků podléhají testy elektrické pevnosti izolaci vinutí vůči tělu a vůči sobě navzájem, stejně jako meziizolaci vinutí.

Za účelem kontroly dielektrické pevnosti izolace cívek nebo částí vedoucích proud k pouzdru se na svorky zkoušené cívky nebo částí vedoucích proud přivádí zvýšené sinusové napětí o frekvenci 50 Hz. Napětí a doba jeho použití jsou uvedeny v technické dokumentaci pro každý konkrétní výrobek.

Při zkoušce dielektrické pevnosti izolace vinutí a živých částí k tělu musí být všechna ostatní vinutí a živé části, které se neúčastní zkoušek, elektricky připojeny k uzemněnému tělu výrobku. Po skončení testu by měly být cívky uzemněny, aby se odstranil zbytkový náboj.

Na Obr. 2 je schéma pro testování dielektrické pevnosti vinutí třífázového elektromotoru Přepětí je generováno zkušební instalací AG obsahující regulovaný zdroj napětí E. Napětí je měřeno na straně vysokého napětí fotovoltaickým voltmetrem. Pro měření svodového proudu izolací se používá ampérmetr PA.

Výrobek se považuje za vyhovující zkoušce, pokud nedojde k porušení izolace nebo překrytí povrchu a také pokud svodový proud nepřekročí hodnotu uvedenou v dokumentaci k tomuto výrobku. Všimněte si, že ampérmetr, který monitoruje svodový proud, umožňuje použití transformátoru v nastavení testu.

Rýže. 2. Schéma zkoušení dielektrické pevnosti izolace elektrických výrobků

Kromě frekvenčního napěťového testování izolace je izolace testována také usměrněným napětím. Výhodou takové zkoušky je možnost posoudit stav izolace na základě výsledků měření svodových proudů při různých hodnotách zkušebního napětí.

Pro hodnocení stavu izolace se používá koeficient nelinearity

kde I1,0 a I0,5 jsou svodové proudy 1 min po aplikaci zkušebních napětí rovnající se normalizované hodnotě Unorm a polovině jmenovitého napětí elektrického stroje Urated, kn <1,2.

Tři uvažované charakteristiky — izolační odpor, koeficient absorpce a koeficient nelinearity — se používají k vyřešení otázky možnosti zapnutí elektrického stroje bez vysušení izolace.

Při zkoušce dielektrické pevnosti izolace podle schématu na Obr. 2 jsou všechny závity vinutí na prakticky stejném napětí vzhledem k tělu (kostře) a proto zůstává izolace závitu nekontrolována.

Jedním ze způsobů, jak otestovat dielektrickou pevnost izolační izolace, je zvýšit napětí o 30 % oproti jmenovitému. Toto napětí se přivádí z regulovaného zdroje napětí EK do zkušebního bodu naprázdno.

Jiná metoda je použitelná pro generátory pracující naprázdno a spočívá ve zvyšování budícího proudu generátoru, dokud se na svorkách statoru nebo kotvy nedosáhne napětí (1,3 ÷ 1,5) Unom v závislosti na typu stroje.Vzhledem k tomu, že i v klidovém stavu mohou proudy odebírané vinutím elektrických strojů překročit jejich jmenovité hodnoty, normy umožňují provádět takovou zkoušku při zvýšené frekvenci napětí přiváděného do vinutí motoru nad jmenovitou hodnotu nebo při zvýšená rychlost generátoru.

Pro zkoušení asynchronních motorů je možné použít i zkušební napětí o frekvenci fi = 1,15 fn. Ve stejných mezích lze zvýšit rychlost generátoru.

Při testování dielektrické pevnosti izolace tímto způsobem bude mezi sousedními závity cívky aplikováno napětí, které se numericky rovná poměru použitého napětí děleného počtem závitů cívky. Mírně se liší (o 30-50%) od toho, který existuje, když produkt pracuje při jmenovitém napětí.

Jak víte, limit zvýšení napětí aplikovaný na svorky cívky umístěné na jádru je způsoben nelineární závislostí proudu v této cívce na napětí na jejích svorkách. Při napětích blízkých jmenovité hodnotě Unom není jádro nasyceno a proud závisí lineárně na napětí (obr. 3, řez OA).

S rostoucím napětím se U nad jmenovitým proudem v cívce prudce zvyšuje a při U = 2Unom může proud překročit jmenovitou hodnotu až desítkykrát. Aby se výrazně zvýšilo napětí na závit vinutí, zkouší se pevnost izolace mezi závity při frekvenci, která je mnohonásobně (desetkrát i více) vyšší než jmenovitá.

Rýže. 3. Graf závislosti proudu v cívce s jádrem na přiloženém napětí

Rýže. 4.Schéma testu izolace vinutí při zvýšené proudové frekvenci

Uvažujme princip zkoušení meziizolace cívek stykačů (obr. 4). Zkušební cívka L2 je umístěna na tyči děleného magnetického obvodu. Na svorky cívky L1 je přivedeno napětí U1 se zvýšeným kmitočtem, takže pro každý závit cívky L2 je napětí nutné pro testování dielektrické pevnosti izolace od závitu k závitu. Pokud je izolace vinutí cívky L2 v dobrém stavu, pak proud spotřebovaný cívkou L1 a měřený ampérmetrem PA po instalaci cívky bude stejný jako předtím. Jinak se proud v cívce L1 zvyšuje.

Rýže. 5. Schéma měření tangens úhlu dielektrických ztrát

Poslední z uvažovaných izolačních charakteristik — tangens dielektrických ztrát.

Je známo, že izolace má aktivní a jalový odpor, a když je na ni aplikováno periodické napětí, protékají izolací aktivní a jalové proudy, to znamená, že existují aktivní P a jalové Q výkony. Poměr P ku Q se nazývá tangens úhlu dielektrické ztráty a označuje se tgδ.

Pokud si pamatujeme, že P = IUcosφ a Q = IUsinφ, můžeme napsat:

tgδ je poměr aktivního proudu protékajícího izolací k jalový proud.

Pro stanovení tgδ je nutné současně měřit činný a jalový výkon nebo činný a jalový (kapacitní) izolační odpor. Princip měření tgδ druhou metodou je znázorněn na Obr. 5, kde měřící obvod je jednoduchý můstek.

Ramena můstku jsou složena z příkladného kondenzátoru C0, proměnného kondenzátoru C1, proměnného R1 a konstantního odporu R2, jakož i kapacity a izolačního odporu vinutí L vůči tělu výrobku nebo hmoty, běžně označované jako kondenzátor Cx a odpor Rx. V případě, že je nutné měřit tgδ nikoli na cívce, ale na kondenzátoru, jsou jeho desky připojeny přímo na svorky 1 a 2 můstkového obvodu.

Úhlopříčka můstku obsahuje galvanometr P a zdroj energie, kterým je v našem případě transformátor T.

Stejně jako v jiných můstkové obvody proces měření spočívá v získání minimálních hodnot zařízení P postupnou změnou odporu rezistoru R1 a kapacity kondenzátoru C1. Obvykle se parametry můstku volí tak, aby se hodnota tgδ při nulových nebo minimálních odečtech zařízení P odečítala přímo na stupnici kondenzátoru C1.

Definice tgδ je povinná pro výkonové kondenzátory a transformátory, vysokonapěťové izolátory a další elektrické výrobky.

Vzhledem k tomu, že zkoušky dielektrické pevnosti a měření tgδ se provádějí zpravidla při napětích nad 1000 V, je třeba dodržovat všechna všeobecná i speciální bezpečnostní opatření.

Postup zkoušky elektrické izolace

Výše uvedené parametry a vlastnosti izolace musí být stanoveny v pořadí stanoveném normami pro konkrétní typy výrobků.

Například u výkonových transformátorů se nejprve určí izolační odpor a poté se změří tangens dielektrických ztrát.

U točivých elektrických strojů je po změření izolačního odporu před zkouškou jeho dielektrické pevnosti nutné provést tyto zkoušky: při zvýšené frekvenci otáčení, při krátkodobém proudovém nebo momentovém přetížení, při náhlém zkratu (pokud je určený pro tento synchronní stroj), izolační zkouška usměrněného napětí vinutí (pokud je uvedeno v dokumentaci k tomuto stroji).

Normy nebo specifikace pro konkrétní typy strojů mohou tento seznam doplnit o další testy, které mohou ovlivnit dielektrickou pevnost izolace.