Изоляция высокого напряжения тока

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

  • Толщины изоляции;
  • Диэлектрической проницаемости;
  • Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
  • Тип диэлектрика;
  • Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

  • Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
  • Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
  • Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

  • Электрический – происходит в твердых изоляционных материалах, характеризуется лавинообразным процессом при котором разрываются естественные связи внутри атома;
  • Тепловой пробой – происходит когда изоляция получает больше тепловой энергии, чем способна отвести. Возникает как следствие размягчения, которое приводит к деформации и уменьшению толщины материала;
  • Электромеханический – характерен для хрупкой изоляции (фарфора, керамики) где внутренние разряды приводят к механическим повреждениям;
  • Электрохимический – обуславливается изменением химического состава изоляции. Чаще всего, в результате старения, иногда за счет диффузии металла проводника в поры диэлектрика, что и снижает электрическую прочность;
  • Ионизационный – присущ тем диэлектрикам, где присущи газовые включения или другие неоднородности, в которых происходит ионизация частиц.

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.

Зависимость видов пробоя

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

  • Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
  • Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
  • Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:

Тангенс угла диэлектрических потерь

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая 60 – 90
Бумага, пропитанная маслом 100 – 250
Воздух 30
Масло трансформаторное 50 – 180
Миканит 150 – 300
Мрамор 35 – 55
Парафин 150 – 300
Электрокартон сухой 80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом 120 – 170
Слюда мусковитая 1200 – 2000
Слюда флогопит 600 – 1250
Стекло 100 – 400
Фибра 40 – 110
Фарфор 180 – 250
Шифер 15 – 30
Эбонит 80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Литература

  1. Основы кабельной техники/ под ред. И.Б. Пешкова. — М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 432 с.
  2. Физика диэлектриков. Г. А. Воробьев, Ю. П. Похолков, Ю. Д. Королев. Учебники Томского политехнического университета. 2003 г.
  3. Техника высоких напряжений (изоляция и перенапряжения). А.С. Красько, Е.Г. Пономаренко. Курс лекций. Часть 1. БНТУ. 2012 г.

Изоляция электрооборудования + проверка качества

Изоляция электрооборудования + проверка качества

Любой элемент или компонент электрической схемы — электродвигатель, генератор, кабель, переключатель, трансформатор и т. д., имеет электрическую изоляцию. Проводники — медные или алюминиевые хорошо проводят электрический ток, питающий оборудование. Напротив – электрическая изоляция видится элементом прямо противоположным проводнику, способным сопротивляться току, удерживать токовый потенциал непосредственно внутри электрической цепи.

  • 1 Что такое электрическая изоляция в принципе?
    • 1.1 Причины ухудшения качества изоляции электрических проводников
    • 1.2 Как измерить сопротивление изоляции электрооборудования?
    • 1.3 Как интерпретируются показания сопротивления мегомметра?
    • 1.4 Факторы влияния на показатели сопротивления изоляции
    • 2.1 Кратковременные испытания электрической изоляции
    • 2.2 Проверка сопротивления по времени

    Что такое электрическая изоляция в принципе?

    Для полного понимания испытания изоляции электроустановок вовсе необязательно влезать в «дебри» электричества. Достаточно простого уравнения закона Ома, которое видится полезным для понимания многих аспектов в этой области.

    Изоляция электрических проводов по назначению многим напоминает назначение водяного трубопровода. Соответственно, электрический закон Ома легче понимается, когда сравнивается с потоком воды. Давление воды, создаваемое насосом, вызывает поток по трубе. Если же труба утрачивает герметичность, отмечается утечка воды с потерей давления.

    Для области электрики напряжение подобно давлению водяного насоса, благодаря чему электричество течёт по медному (алюминиевому) проводу. Как и в случае с водопроводной трубой, существует некоторое сопротивление потоку, но это сопротивление значительно меньшее, чем сопротивление через изоляцию.

    Логичный момент электрики — увеличение напряжения приводит к увеличению тока. Ещё одна логика — чем ниже сопротивление проводника, тем больший создаётся ток при одинаковом напряжении. Обе констатации подтверждаются законом Ома, прописанным уравнением:

    E = I * R

    где: E – напряжение, В; I – ток, А; R – сопротивление, Ом;

    Между тем, не существует идеальной изоляции (бесконечное сопротивление). Поэтому некоторое количество электричества неизбежно утекает через изоляцию на землю.

    Ток утечки может составлять всего одну миллионную долю ампера (один микроампер), но именно этот ток является основой для проверки — насколько качественна изоляция электрических машин.

    Изоляция электрооборудования - тестирование силового кабеля

    Чрезмерно высокое напряжение имеет тенденцию вызывать увеличение утечки тока через изоляцию. Этот небольшой ток утечки, конечно, обычно не вредит электрооборудованию, но может стать проблемой электрика в условиях ухудшения качества изоляции.

    Так что же следует понимать под термином «хорошая электрическая изоляция»? По сути, определение «хорошее» означает относительно высокое качество сопротивления току, хорошие способности сохранять высокое сопротивление.

    Причины ухудшения качества изоляции электрических проводников

    Как правило, новая электрическая система или оборудование демонстрируют качество электрической изоляции на высоком уровне. Производители аксессуаров:

    • электрических проводов,
    • силовых кабелей,
    • электрических двигателей и других,

    постоянно стремятся улучшать качество изоляции, особенно систем промышленного применения. Тем не менее, даже современный высококачественный продукт подвержен разным воздействиям, способным привести к выходу оборудования из строя. Список таких воздействий обширный:

    • механические повреждения,
    • вибрации,
    • чрезмерный нагрев или охлаждение,
    • попадание грязи,
    • масляные отложения,
    • коррозионные пары,
    • влажность.

    Сочетание таких воздействий с присутствующим электрическим напряжением приводит к снижению качества. По мере накопления пробоев или трещин влага и другие посторонние предметы проникают сквозь изоляцию, создавая путь с низким сопротивлением для тока утечки.

    Изоляция электрооборудования - испытание силового автомата

    Бывает так, когда сопротивления изоляции нарушается внезапно. Например, в случае залива электрооборудования водой. Но это редкие моменты, тогда как в большинстве случаев сопротивление электрической изоляции снижается постепенно. Соответственно, становится актуальной периодическая проверка электрооборудования.

    Технические проверки позволяют проводить плановое восстановление электрической изоляции до отказа машин. Если же периодические проверки исключены, к примеру, электродвигатель, имеющий плохую изоляцию, становится опасным в обслуживании и в конечном итоге сгорает.

    Как измерить сопротивление изоляции электрооборудования?

    Качественная электрическая изоляция имеет высокое сопротивление. Соответственно, в обратном случае имеет место относительно низкое сопротивление. Фактические значения сопротивления могут быть выше или ниже, в зависимости от разных факторов, включая температуру или влажность.

    Однако, обладая периодически составляемым набором записей по результатам тестирования, электрик всегда имеет соответствующее представление по состоянию электрической изоляции. При этом для составления записей достаточно только относительных значений тестирования.

    Традиционно для мониторинга используется мегомметр — небольшой портативный прибор, обеспечивающий прямое считывание сопротивления изоляции в Омах или мегомах. Для хорошей изоляции сопротивление обычно измеряется в диапазоне мегаом.

    Изоляция электрооборудования - шкала аналогового мегомметра

    Измеритель сопротивления изоляции мегомметр, по сути, представляет измеритель сопротивления высокого диапазона (омметр). Как правило, конструкцией используется встроенный генератор постоянного тока.

    Такого типа измеритель имеет особую конструкцию с катушками тока и напряжения, что позволяет напрямую считывать истинные значения сопротивления, независимо от фактического приложенного напряжения. Метод тестирования неразрушающий — то есть не вызывает ухудшения качества электрической изоляции.

    Встроенный генератор активируется вручную или приводится в действие от внешнего источника энергии. Генератором вырабатывается высокое постоянное напряжение, которое вызывает небольшой ток через материал проверяемой электрической изоляции.

    Этот ток (обычно при напряжении 500 вольт и более) измеряется омметром, имеющим индикаторную стрелочную шкалу. На картинке выше показана типичная шкала прибора, показывающая возрастающие значения сопротивления справа налево до бесконечности.

    Как интерпретируются показания сопротивления мегомметра?

    Значения сопротивления изоляции принято считать относительными. Эти значения обычно разнятся, в зависимости от конкретного электрооборудования, проверяемого три дня подряд. Однако разница не говорит о плохой изоляции оборудования. Значение в тестах имеет тенденция в показаниях за период времени, показывающая уменьшение сопротивления, что свидетельствует о приближающихся проблемах.

    Таким образом, периодическое тестирование электроустановок — это лучший подход к профилактическому обслуживанию электрооборудования с использованием карт записи результатов проверок.

    Изоляция электрооборудования - испытание промышленного генератора

    Независимо от того, проводится ли тестирование ежемесячно, дважды в год или один раз в год, всё зависит от типа, местоположения и важности электрооборудования. Например, если электродвигатель насоса или силовой кабель имеют значение в технологическом процессе, периодические тесты выполняются каждый раз однообразно.

    То есть с одинаковыми тестовыми соединениями и с одним и тем же тестовым напряжением, подаваемым в течение одного и того же периода времени. Также следует проводить тесты примерно при одинаковой температуре для всех периодов проверок. Запись относительной влажности в зоне электрооборудования в моменты теста также полезна для оценки показаний и тенденции.

    Таким образом, интерпретировать периодические испытания сопротивления изоляции электрических машин можно примерно следующим форматом записей:

    Состояние качества Действия персонала
    Приемлемое или высокое. Нет причин для беспокойства.
    Удовлетворительное Найти и устранить причину, отметив тенденцию к снижению.
    Низкое, но удовлетворяющее. Определить причину низкого значения.
    Низкое и небезопасное. Очистить, просушить — увеличить значения сопротивления.

    Факторы влияния на показатели сопротивления изоляции

    Очевидно — измеренное сопротивление определяется приложенным напряжением и результирующим током (R = E / I). На ток влияет ряд факторов, включая температуру и влажность. Рассмотрим природу тока утечки, и влияние в зависимости от времени подачи напряжения.

    Ток, текущий через изоляционный материал и вдоль материала связан с постоянным током, возникающим в поверхностных путях утечки. Электричество также течёт через объёмную составляющую. Фактически полный ток состоит из трех составляющих:

    1. Ёмкость зарядного тока высокого уровня с падением после полного насыщения.
    2. Ток поглощения, также изначально высокий с последующим спадом.
    3. Ток проводимости — небольшой по существу постоянный ток утечки.

    Полный ток представляет собой сумму трёх составляющих. Именно этот ток допустимо измерить непосредственно с помощью микроамперметра или при определённом напряжении с помощью мегомметра.

    Поскольку полный ток зависит от времени подачи напряжения, становится очевидным, почему закон Ома (R = E / I) выполняется теоретически только в бесконечное время (то есть придётся ждать бесконечно, прежде чем удастся снять показания). На практике читается значение, которое представляет собой кажущееся сопротивление — полезное значение для диагностики неисправностей.

    Изоляция электрооборудования - проверка изоляции трансформатора

    Также следует учитывать снижения тока по мере того, как тестируемое оборудование заряжается. Для более крупных электроустановок с большей ёмкостью потребуется больше времени для зарядки. Этот ток также является накопленной энергией, первоначально разряженной после испытания путём короткого замыкания и заземления.

    Ток поглощения уменьшается относительно медленно, в зависимости от точного характера электрической изоляции. Эта накопленная энергия также должна быть высвобождена в конце испытания и требует большего времени, чем ток заряда ёмкости — примерно в четыре раза дольше, чем было приложено напряжение.

    При условии качественной электрической изоляции электрооборудования, ток проводимости (утечки) нарастает до постоянного значения, которое является постоянным для приложенного напряжения. Любое увеличение тока утечки со временем является предупреждением о грозящей неисправности.

    Типичные испытания на сопротивление электрической изоляции

    Существуют три распространённых методики тестирования:

    1. Кратковременные испытания (точечное чтение).
    2. Проверка сопротивления по времени.
    3. Ступенчатые испытания (испытания на несколько напряжений).

    Кратковременные испытания электрической изоляции

    Первый вариант предполагает подключение мегомметра к проверяемой электрической цепи, с последующим включением в течение короткого определённого периода времени (обычно 60 секунд). Здесь температура и влажность, а также состояние изолирующей структуры оказывают влияние на результат.

    Если тестируемая электроустановка имеет очень маленькую ёмкость, например, короткую электропроводку в доме, точечного считывания вполне достаточно. Тем не менее, большая часть электрооборудования является ёмкостной. Поэтому такого рода методика без предварительных испытаний может лишь приблизительно оценить качество изоляции электроустановок.

    Специалистами электриками давно используется так называемое правило одного мегаома, определяющее допустимый нижний предел сопротивления изоляционного покрытия электрооборудования. Правило гласит:

    Сопротивление изоляции должно составлять приблизительно один МОм на каждые 1000 вольт рабочего напряжения при минимальном значении 1 МОм.

    К примеру, электродвигатель, рассчитанный на 2400 вольт, имеет минимальное сопротивление изоляции 2,4 МОм. На практике значения мегомов обычно значительно выше этого минимального значения на новом оборудовании или при хорошем состоянии изолирующего материала.

    Периодически снимая и фиксируя показания, электрик лучше оценит фактическое состояние электрической изоляции. Любой устойчивый нисходящий тренд обычно является верным предупреждением о предстоящих проблемах, даже если показания могут быть выше предлагаемых минимальных безопасных значений.

    Проверка сопротивления по времени

    Этот метод практически не зависит от влияний температуры и зачастую помогает получить окончательную информацию без учёта прошлых тестов. Проверка сопротивления по времени основана на эффекте поглощения качественного изолирующего материала.

    Достаточно снять последовательно измерения в определённое время (30 сек – 60 сек) и отметить разницу в показаниях. Испытания электрической изолирующей основы методом проверки сопротивления по времени также характеризуются другим термином – «испытания на абсорбцию».

    Качественная изоляция показывает постоянное увеличение сопротивления (меньший ток) в течение определённого периода времени (5-10 минут). Это вызвано током поглощения. Качественная электрическая изолирующая структура показывает этот эффект заряда в течение периода времени, намного большего, чем время, необходимое для зарядки ёмкости материала.

    Если налицо много влаги или загрязнений, эффект поглощения маскируется высоким током утечки. Значение тока остаётся на довольно постоянном уровне, сохраняя низкое значение сопротивления (R = E / I).

    Испытание на временное сопротивление имеет ценность ещё и по той причине, что не зависит от размера электрооборудования. Увеличение сопротивления чистой и сухой изоляционной структуры происходит одинаково, независимо от габаритов, например, того же электродвигателя.

    Преимущество этого теста — более чёткое видение ситуации, даже когда точечное считывание показывает, что оборудование выглядит нормально. Например, точечное показание синхронного двигателя составляет 10 МОм. Проверка сопротивления по времени показывает, что сопротивление обмоток стабильно составляет 10 Мом, но за время до 60 секунд. Такая ситуация может показывать наличие загрязнений или влаги в обмотках, что требует дальнейшего отслеживания.

    При помощи информации: Megger

    Руководство по измерению сопротивления изоляции

    Подробное руководство по проведению измерения сопротивления изоляции

    Для безопасной работы все электрические установки и оборудование должны иметь сопротивление изоляции, соответствующее определенным характеристикам. Независимо от того, идет ли речь о соединительных кабелях, оборудовании секционирования и защиты или электродвигателях и генераторах, электрические проводники изолируются с помощью материалов с высоким электрическим сопротивлением, которые позволяют ограничить, насколько это возможно, электрический ток за пределами проводников.

    Из-за воздействий на оборудование качество этих изоляционных материалов меняется со временем. Подобные изменения снижают электрическое сопротивление изоляционных материалов, что увеличивает ток утечки, который, в свою очередь, приводит к серьезным последствиям, как с точки зрения безопасности (для людей и имущества), так и с точки зрения затрат на остановки производства.

    Регулярное тестирование изоляции, проводимое на установках и оборудовании в дополнение к измерениям, выполняемым на новом и восстановленном оборудовании во время ввода в эксплуатацию, помогает избегать подобных инцидентов за счет профилактического обслуживания. Данные испытания дают возможность обнаружить старение и преждевременное ухудшение изоляционных свойств прежде, чем они достигнут уровня, способного привести к описанным выше инцидентам.

    На этом этапе полезно прояснить разницу между двумя типами измерений, которые часто путают – испытанием электрической прочности изоляции и измерением сопротивления изоляции.

    Испытание электрической прочности, также называемое «испытание на пробой», позволяет определить способность изоляции выдерживать выброс напряжения средней длительности без возникновения искрового пробоя. Фактически такой выброс напряжения может быть вызван молнией или индукцией в результате неисправности линии электропередачи. Основной целью этого теста является обеспечение соответствия строительным нормам и правилам, касающимся путей утечки и зазоров. Этот тест часто выполняется с использованием напряжения переменного тока, но также при испытаниях применяется и напряжение постоянного тока. Подобный тип измерений требует использования высоковольтного тестера. Результатом является значение напряжения, обычно выраженное в киловольтах (кВ). Испытания электрической прочности в случае неисправности могут быть разрушительными, в зависимости от уровней тестирования и энергетических возможностей инструмента. Поэтому этот метод используется для типового тестирования на новом или восстановленном оборудовании.

    При нормальных условиях испытаний измерение сопротивления изоляции является неразрушающим тестированием. Это измерение выполняется с использованием напряжения постоянного тока меньшей величины, чем при испытании электрической прочности, и дает результат, выраженный в кОм, МОм, ГОм или ТОм. Значение сопротивления указывает на качество изоляции между двумя проводниками. Поскольку данное испытание является неразрушающим, его особенно удобно использовать для контроля старения изоляции работающего электрического оборудования или установок. Для данного измерения используется тестер изоляции, также называемый мегомметром.

    Поскольку измерение изоляции с помощью мегомметра является частью более широкой политики профилактического обслуживания, важно понимать, по каким причинам возможно ухудшение характеристик изоляции. Только это позволит предпринять правильные шаги для их устранения.

    Можно разделить причины неисправности изоляции на пять групп. Однако необходимо иметь в виду, что в случае отсутствия каких-либо корректирующих мер, различные причины будут накладываться друг на друга, приводя к пробою изоляции и повреждению оборудования.

    Электрические нагрузки

    В основном электрические нагрузки связаны с отклонением рабочего напряжения от номинального значения, причем влияние на изоляцию оказывают как перенапряжения, так и понижение напряжения.

    Механические нагрузки

    Частые последовательные запуски и выключения оборудования способны вызвать механические нагрузки. Кроме того, сюда входят проблемы с балансировкой вращающихся машин и любые прямые нагрузки на кабели и установки в целом.

    Химические воздействия

    Присутствие химических веществ, масел, агрессивных испарений и пыли в целом отрицательно влияет на характеристики изоляционных материалов.

    Напряжения, связанные с колебаниями температуры

    В сочетании с механическими напряжениями, вызванными последовательными запусками и остановками оборудования, также на свойства изоляционных материалов влияют напряжения, возникающие при расширении и сжатии. Работа при экстремальных температурах также приводит к старению материалов.

    Загрязнение окружающей среды

    Плесень и посторонние частицы в теплой влажной среде также способствуют ухудшению изоляционных свойств установок и оборудования.

    В приведенной ниже таблице показана относительная частота различных причин отказа электродвигателя.

    В дополнение к внезапным повреждениям изоляции из-за таких чрезвычайных происшествий, как, например, наводнения, факторы, снижающие эффективность изоляции работающей установки объединяются, иногда усиливая друг друга. В конечном итоге в долгосрочной перспективе без постоянного мониторинга это приведет к возникновению ситуаций, которые станут критическими с точки зрения безопасности людей и нормальной эксплуатации. Таким образом, регулярное тестирование изоляции установок или электрических машин является полезным способом контроля состояния изоляции, позволяющим предпринимать необходимые действия еще до того, как возникло повреждение.

    Принцип тестирования изоляции и влияющие на него факторы

    Измерение сопротивления изоляции базируется на законе Ома. Подав известное напряжение постоянного тока с уровнем ниже, чем напряжение испытания электрической прочности, а затем измерив значение тока, очень просто определить значение сопротивления. В принципе, значение сопротивления изоляции очень велико, но не бесконечно, поэтому измеряя малый протекающий ток, мегомметр указывает значение сопротивления изоляции в кОм, МОм, ГОм и даже в ТОм (на некоторых моделях). Это сопротивление характеризует качество изоляции между двумя проводниками и способно указать на риск возникновения тока утечки.

    На значение сопротивления изоляции и, следовательно, на значение тока, протекающего, когда к тестируемой цепи приложено напряжение постоянного тока, влияет ряд факторов. К таким факторам относятся, например, температура или влажность, которые способны существенно повлиять на результаты измерений. Для начала давайте проанализируем характер токов, протекающих во время измерения изоляции, используя гипотезу о том, что эти факторы не влияют на проводимое измерение.

    Общий ток, протекающий в изоляционном материале, представляет собой сумму трех компонентов

    Емкость: Для зарядки емкости тестируемой изоляции необходим ток зарядки емкости. Это переходный ток, который начинается с относительно высокого значения и падает экспоненциально к значению, близкому к нулю, когда тестируемая цепь электрически заряжается. Через несколько секунд или десятых долей секунды этот ток становится незначительным по сравнению с измеряемым током.

    Поглощение: Ток поглощения, соответствующий дополнительной энергии, которая необходима для переориентации молекул изоляционного материала под воздействием прикладываемого электрического поля. Этот ток падает намного медленнее, чем ток зарядки емкости; иногда необходимо несколько минут, чтобы достичь значения, близкого к нулю.

    Ток утечки: Ток утечки или ток проводимости. Этот ток характеризует качество изоляции и не изменяется со временем.

    На приведенном ниже графике эти три тока показаны в зависимости от времени. Шкала времени является условной и может различаться в зависимости от тестируемой изоляции.

    Для обеспечения надлежащих результатов тестирования очень больших электродвигателей или очень длинных кабелей сведение к минимуму емкостных токов и токов поглощения может занимать от 30 до 40 минут.

    Когда в цепь подается постоянное напряжение, суммарный ток, протекающий в тестируемом изоляторе, изменяется в зависимости от времени. Это предполагает значительное изменение сопротивления изоляции.

    Перед подробным рассмотрением различных методов измерения было бы полезно снова взглянуть на факторы, которые влияют на измерение сопротивления изоляции.

    Влияние температуры

    Температура вызывает квазиэкспоненциальное изменение значения сопротивления изоляции. В контексте программы профилактического технического обслуживания измерения должны выполняться в одинаковых температурных условиях или, если это невозможно, должны корректироваться относительно эталонной температуры. Например, увеличение температуры на 10°C уменьшает сопротивление изоляции ориентировочно наполовину, в то время как уменьшение температуры на 10°C удваивает значение сопротивления изоляции.

    Уровень влажности влияет на изоляцию в соответствии со степенью загрязнения ее поверхности. Никогда не следует измерять сопротивление изоляции, если температура ниже точки росы.

    Коррекция сопротивления изоляции в зависимости от температуры (источник IEEE-43-2000)

    Методы тестирования и интерпретация результатов

    Кратковременное или точечное измерение

    Это наиболее простой метод. Он подразумевает подачу испытательного напряжения на короткое время (30 или 60 секунд) и фиксацию значения сопротивления изоляции на этот момент. Как уже указывалось выше, на такое прямое измерение сопротивления изоляции значительное влияние оказывает температура и влажность, поэтому измерение следует стандартизировать при контрольной температуре и для сравнения с предыдущими измерениями следует фиксировать уровень влажности. С помощью данного метода можно проанализировать качество изоляции, сравнивая текущее измеренное значение с результатами нескольких предыдущих тестов. Со временем это позволит получить более достоверную информацию о характеристиках изоляции тестируемой установки или оборудования по сравнению с одиночным испытанием.

    Если условия измерения остаются идентичными (то же самое испытательное напряжение, то же время измерения и т.д.), то при периодических измерениях путем мониторинга и интерпретации любых изменений можно получить четкую оценку состояния изоляции. После записи абсолютного значения, необходимо проанализировать изменение во времени. Таким образом, измерение, показывающее относительно низкое значение изоляции, которое, тем не менее, стабильно во времени, теоретически должно доставлять меньше беспокойства, чем значительное снижение сопротивления изоляции со временем, даже если сопротивление изоляция выше, чем рекомендованное минимальное значение. В общем, любое внезапное падение сопротивления изоляции свидетельствует о проблеме, требующей изучения.

    На приведенном ниже графике показан пример показаний сопротивления изоляции для электродвигателя.

    В точке A сопротивление изоляции уменьшается из-за старения и накопления пыли.
    Резкое падение в точке B указывает на повреждение изоляции.
    В точке C неисправность была устранена (обмотка электродвигателя перемотана),
    поэтому вернулось более высокое значение сопротивления изоляции, остающееся стабильным во времени, что указывает на ее хорошее состояние.
    Источник: AEMC® Instruments

    Методы тестирования, основанные на влиянии времени приложения испытательного напряжения (PI и DAR)

    Эти методы включают последовательное измерение значений сопротивления изоляции в указанное время. Их преимуществом является неподверженность особому влиянию температуры, поэтому их можно применять без коррекции результатов, если только испытательное оборудование не подвергается во время теста значительным колебаниям температуры.

    Данные методы идеально подходят для профилактического обслуживания вращающихся машин и для мониторинга изоляции.

    Если изоляционный материал находится в хорошем состоянии, ток утечки или ток проводимости будет низким, а на начальное измерение сильно влияют токи зарядки емкости и диэлектрического поглощения. При приложении испытательного напряжения со временем измеренное значение сопротивления изоляции повышается, так как уменьшаются эти токи помех. Необходимое для измерения изоляции в хорошем состоянии время стабилизации зависит от типа изоляционного материала.

    Если изоляционный материал находится в плохом состоянии (поврежден, грязный и влажный), ток утечки будет постоянным и очень высоким, часто превышающим токи зарядки емкости и диэлектрического поглощения. В таких случаях измерение сопротивления изоляции очень быстро становится постоянным и стабилизируется на высоком значении напряжения.

    Изучение изменения значения сопротивления изоляции в зависимости от времени приложения испытательного напряжения дает возможность оценить качество изоляции. Этот метод позволяет сделать выводы, даже если не ведется журнал измерения изоляции. Тем не менее, рекомендуется записывать результаты периодических измерений, проводимых в контексте программы профилактического обслуживания.

    Показатель поляризации (PI)

    При использовании этого метода два показания снимаются через 1 минуту и 10 минут, соответственно. Отношение (без размерностей) 10-минутного значения сопротивления изоляции к 1-минутному значению называется показателем поляризации (PI). Этот показатель можно использовать для оценки качества изоляции.

    Метод измерения с использованием показателя поляризации идеально подходит для тестирования цепей с твердой изоляцией. Данный метод не рекомендуется использовать на таком оборудовании, как масляные трансформаторы, поскольку он дает низкие результаты, даже если изоляция находится в хорошем состоянии.

    Рекомендация IEEE 43-2000 «Рекомендуемые методы тестирования сопротивления изоляции вращающихся машин» определяет минимальное значение показателя поляризации (PI) для вращающихся машин переменного и постоянного тока в температурных классах B, F и H равным 2.0. В общем случае значение PI, превышающее 4, является признаком превосходной изоляции, а значение ниже 2 указывает на потенциальную проблему.

    PI = R (10-минутное измерение изоляции) / R (1-минутное измерение изоляции)

    Результаты интерпретируются следующим образом:

    Значение PI

    Состояние изоляции

    Коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR)

    Для установок или оборудования, содержащих изоляционные материалы, в которых ток поглощения уменьшается быстро, для оценки состояния изоляции, возможно, будет достаточно провести измерение через 30 секунд и 60 секунд. Коэффициент DAR определяется следующим образом:

    DAR = R (60-секундное измерение изоляции) / R (30-секундное измерение изоляции)

    Результаты интерпретируются следующим образом:

    Значение DAR

    Состояние изоляции

    Метод, основанный на влиянии изменения испытательного напряжения (тестирование с помощью ступенчатого напряжения)

    Наличие загрязнений (пыль, грязь и т.п.) или влаги на поверхности изоляции обычно четко выявляется с помощью зависящего от времени измерения сопротивления (PI, DAR и т.д.). Однако этот тип тестирования, проводимый с использованием низкого напряжение относительно диэлектрического напряжения испытываемого изолирующего материала, может иногда пропускать признаки старения изоляции или механические повреждения. Значительное же увеличение прикладываемого испытательного напряжения может, со своей стороны, вызвать повреждение в этих слабых точках, что приведет к существенному уменьшению измеренного значения сопротивления изоляции.

    Для обеспечения эффективности соотношение между шагами изменения напряжения должно быть 1 к 5, и каждый шаг должен быть одинаковым по времени (обычно от 1 до 10 минут), оставаясь при этом ниже классического напряжения испытания электрической прочности (2Un + 1000 В). Полученные с помощью данного метода результаты полностью независимы от типа изоляции и температуры, потому что он основан не на внутреннем значении измеряемого изолятора, а на эффективном сокращении значения, получаемого по истечении одного и того же времени для двух разных испытательных напряжений.

    Снижение значения сопротивления изоляции на 25% или более между первым и вторым шагами измерения является свидетельством ухудшения изоляции, которое обычно связано с наличием загрязнений.

    Метод испытания рассеиванием в диэлектрике (DD)

    Тест рассеивания в диэлектрике (DD), также известный как измерение тока повторного поглощения, выполняется путем измерения тока рассеивания в диэлектрике на испытуемом оборудовании.

    Поскольку все три составляющие тока (ток зарядки емкости, ток поляризации и ток утечки) присутствуют во время стандартного испытания изоляции, на определение тока поляризации или поглощения может влиять наличие тока утечки. Вместо попытки измерить во время тестирования изоляции ток поляризации при тестировании рассеяния в диэлектрике (DD) измеряется ток деполяризации и ток разряда емкости после тестирования изоляции.

    Принцип измерения состоит в следующем. Сначала тестируемое оборудование заряжается в течение времени, достаточного для достижения стабильного состояния (зарядка емкости и поляризация завершена, и единственным протекающим током является ток утечки). Затем оборудование разряжается через резистор внутри мегомметра и при этом измеряется протекающий ток. Этот ток состоит из зарядного тока емкости и тока повторного поглощения, которые в совокупности дают общий ток рассеивания в диэлектрике. Данный ток измеряется по истечении стандартного времени в одну минуту. Электрический ток зависит от общей емкости и конечного испытательного напряжения. Значение DD рассчитывается по формуле:

    DD = Ток через 1 минуту / (Испытательное напряжение x Емкость)

    Тест DD позволяет идентифицировать избыточные токи разряда, когда поврежден или загрязнен один из слоев многослойной изоляции. При точечных испытаниях или тестах PI и DAR подобный дефект можно упустить. При заданном напряжении и емкости ток разряда будет выше, если поврежден один из слоев изоляции. Постоянная времени этого отдельного слоя больше не будет совпадать с другими слоями, что приведет к более высокому значению тока по сравнению с неповрежденной изоляцией. Однородная изоляция будет иметь значение DD, близкое к нулю, а допустимая многослойная изоляция будет иметь значение DD до 2. В приведенной ниже таблице указано состояние в зависимости от полученного значения DD.

    DD

    Состояние