Električne izolacijske lastnosti in preskusi

Lastnosti in ekvivalentno vezje električne izolacije

Kot veste, se izraz "izolacija" v praksi uporablja za dva pojma:

1) metoda za preprečevanje nastanka električnega stika med deli električnega izdelka,

2) materiali in izdelki iz njih, uporabljeni za uporabo te metode.

Električni izolacijski materiali pod vplivom napetosti, ki se nanje nanaša, se odkrije lastnost prevodnosti električnega toka. Čeprav je vrednost prevodnosti električnih izolacijskih materialov za več vrst velikosti nižja od prevodnosti žic, ima kljub temu pomembno vlogo in v veliki meri določa zanesljivost delovanja električnega izdelka.

Pod vplivom napetosti na izolacijo teče skozi njo tok, imenovan uhajajoči tok, ki se s časom spreminja.

Da bi preučili in ponazorili lastnosti električne izolacije, je običajno, da jo predstavimo v obliki določenega modela, imenovanega ekvivalentno vezje (slika 1), ki vsebuje štiri vzporedno povezana električna vezja.Prvi od njih vsebuje samo kondenzator C1, imenovan geometrijska kapacitivnost.

riž. 1. Ekvivalentno vezje električne izolacije

Prisotnost te kapacitivnosti povzroči pojav trenutnega vhodnega toka, ki se pojavi, ko se na izolacijo priključi enosmerna napetost, ki upade v skoraj nekaj sekundah, in kapacitivnega toka, ki teče skozi izolacijo, ko je nanjo priključena izmenična napetost. Ta zmogljivost se imenuje geometrijska, ker je odvisna od izolacije: njenih dimenzij (debeline, dolžine itd.) in lokacije med delom A, ki nosi tok, in ohišjem (ozemljitev).

Druga shema označuje notranjo strukturo in lastnosti izolacije, vključno z njeno strukturo, številom vzporedno povezanih skupin kondenzatorjev in uporov. Tok I2, ki teče skozi to vezje, se imenuje absorpcijski tok. Začetna vrednost tega toka je sorazmerna s površino izolacije in obratno sorazmerna z njeno debelino.

Če so deli električnega izdelka pod električnim tokom izolirani z dvema ali več plastmi izolacije (na primer izolacija žice in izolacija tuljave), potem je v ekvivalentnem vezju absorpcijska veja predstavljena v obliki dveh ali več zaporedno povezanih skupine kondenzatorja in upora, ki označujejo lastnosti ene od izolacijskih plasti. V tej shemi je upoštevana dvoslojna izolacija, katere plast je nadomeščena s skupino elementov kondenzatorja C2 in upora R1, druga pa s C3 in R2.

Tretje vezje vsebuje en sam upor R3 in označuje izgubo izolacije, ko je nanj priključena enosmerna napetost.Upornost tega upora, imenovana tudi izolacijska upornost, je odvisna od številnih dejavnikov: velikosti, materiala, konstrukcije, temperature, stanja izolacije, vključno z vlago in umazanijo na njegovi površini, ter uporabljene napetosti.

Pri nekaterih izolacijskih okvarah (na primer zaradi poškodbe) postane odvisnost upora R3 od napetosti nelinearna, pri drugih, na primer pri močni vlagi, pa se z naraščajočo napetostjo praktično ne spremeni. Tok I3, ki teče skozi to vejo, se imenuje prednji tok.

Četrto vezje je predstavljeno v ekvivalentnem vezju MF iskrišča, ki označuje dielektrično trdnost izolacije, numerično izraženo z vrednostjo napetosti, pri kateri izolacijski material izgubi svoje izolacijske lastnosti in se razgradi pod delovanjem toka. I4, ki gre skozi to.

To izolacijsko enakovredno vezje omogoča ne le opisovanje procesov, ki potekajo v njem ob uporabi napetosti, temveč tudi nastavitev parametrov, ki jih je mogoče opazovati za oceno njegovega stanja.

Metode preskusa električne izolacije

Najenostavnejši in najpogostejši način za oceno stanja izolacije in njene celovitosti je merjenje njene upornosti z uporabo megaommetra.

Bodimo pozorni na dejstvo, da prisotnost kondenzatorjev v ekvivalentnem vezju pojasnjuje tudi sposobnost izolacije, da kopiči električne naboje. Zato je treba navitja električnih strojev in transformatorjev pred in po merjenju izolacijskega upora razelektriti z ozemljitvijo sponke, na katero priključen megohmmeter.

Pri merjenju izolacijske upornosti električnih strojev in transformatorjev je treba spremljati temperaturo navitij, kar se zabeleži v poročilu o preskusu. Poznavanje temperature, pri kateri so bile opravljene meritve, je potrebno za primerjavo rezultatov meritev med seboj, saj se izolacijska upornost močno spreminja glede na temperaturo: v povprečju se izolacijska upornost zmanjša za 1,5-krat s povečanjem temperature vsakih 10 ° C in se poveča tudi z ustreznim znižanjem temperature.

Ker vlaga, ki je vedno v izolacijskih materialih, vpliva na rezultate meritev, se določanje parametrov, ki označujejo kakovost izolacije, ne izvaja pri temperaturah pod + 10 ° C, saj dobljeni rezultati ne bodo dali pravilna predstava o pravem stanju izolacije.

Pri merjenju izolacijske upornosti praktično hladnega izdelka se lahko domneva, da je temperatura izolacije enaka temperaturi okolja. V vseh drugih primerih se pogojno predpostavlja, da je temperatura izolacije enaka temperaturi navitij, merjeno z njihovo aktivno upornostjo.

Da se izmerjena izolacijska upornost ne razlikuje bistveno od dejanske vrednosti, mora lastna izolacijska upornost elementov merilnega vezja - žic, izolatorjev itd. - v rezultat meritve vnesti minimalno napako.Zato mora biti pri merjenju izolacijske upornosti električnih naprav z napetostjo do 1000 V upornost teh elementov najmanj 100 megohmov, pri merjenju izolacijske upornosti močnostnih transformatorjev pa ne manjša od merilne meje megohmetra. .

Če ta pogoj ni izpolnjen, je treba rezultate meritev popraviti za izolacijsko upornost elementov vezja. Da bi to naredili, se izolacijska upornost izmeri dvakrat: enkrat pri popolnoma sestavljenem vezju in priključenem izdelku, drugič pa pri odklopljenem izdelku. Rezultat prve meritve bo dal ekvivalentno izolacijsko upornost vezja in produkta Re, rezultat druge meritve pa upornost elementov merilnega vezja Rc. Nato izolacijska upornost izdelka

Če za električne stroje nekaterih drugih izdelkov zaporedje merjenja izolacijskega upora ni določeno, potem za močnostne transformatorje to merilno zaporedje ureja standard, po katerem se najprej izmeri izolacijski upor nizkonapetostnega navitja (NN). Preostala navitja, kot tudi rezervoar, morajo biti ozemljeni. Če rezervoarja ni, mora biti ohišje transformatorja ali njegov skelet ozemljen.

Ob prisotnosti treh napetostnih navitij - nižje napetosti, srednje visoke napetosti in višje napetosti - po nizkonapetostnem navitju je treba izmeriti izolacijski upor srednjenapetostnega navitja in šele nato višje napetosti.Seveda je treba za vse meritve preostale tuljave, kot tudi rezervoar, ozemljiti, neozemljeno tuljavo pa je treba po vsaki meritvi izprazniti s povezavo na škatlo za vsaj 2 minuti. Če rezultati meritev ne izpolnjujejo uveljavljenih zahtev, je treba preskuse dopolniti z določitvijo izolacijske upornosti navitij, ki so med seboj električno povezani.

Pri transformatorjih z dvema navitjema je treba izmeriti upornost navitij visoke in nizke napetosti glede na ohišje, pri transformatorjih s tremi navitji pa je treba najprej izmeriti navitja visoke in srednje napetosti, nato navitja visoke, srednje in nizke napetosti. .

Pri preskušanju izolacije transformatorja je potrebno opraviti več meritev, da se določijo ne le vrednosti ekvivalentne izolacijske upornosti, temveč tudi primerjava izolacijske upornosti navitij z drugimi navitji in ohišjem stroja.

Izolacijska upornost električnih strojev se običajno meri z medsebojno povezanimi faznimi navitji in na mestu namestitve - skupaj s kabli (zbiralkami). Če rezultati meritev ne ustrezajo uveljavljenim zahtevam, se izmeri izolacijska upornost vsakega faznega navitja in po potrebi vsake veje navitja.

Zavedati se je treba, da je težko razumno presojati stanje izolacije samo po absolutni vrednosti izolacijskega upora. Zato se za oceno stanja izolacije električnih strojev med delovanjem rezultati teh meritev primerjajo z rezultati prejšnjih.

Večkratna večja odstopanja med izolacijskimi upornostmi posameznih faz običajno kažejo na pomembno napako. Istočasno zmanjšanje izolacijske upornosti za vsa fazna navitja praviloma kaže na spremembo splošnega stanja njegove površine.

Pri primerjavi rezultatov meritev je treba upoštevati odvisnost izolacijskega upora od temperature. Zato je mogoče med seboj primerjati rezultate meritev, opravljenih pri enaki ali podobni temperaturi.

Ko je napetost, ki se uporablja za izolacijo, konstantna, se skupni tok Ii (glej sliko 1), ki teče skozi njo, zmanjša, bolj ko je stanje izolacije boljše, in v skladu z zmanjšanjem toka Ii se odčitki povečanje megohmetra. Ker komponenta I2 tega toka, imenovana tudi absorpcijski tok, za razliko od komponente I3 ni odvisna od stanja izolacijske površine, pa tudi od kontaminacije in vsebnosti vlage, je razmerje vrednosti izolacijskega upora v danih časovnih obdobjih velja za karakteristiko vsebnosti izolacijske vlage.

Standardi priporočajo merjenje izolacijske upornosti po 15 s (R15) in po 60 s (R60) po priključitvi megohmetra, razmerje teh uporov ka = R60 / R15 pa se imenuje absorpcijski koeficient.

Z nevlažno izolacijo ka> 2 in z vlažno izolacijo ka ≈1.

Ker je vrednost absorpcijskega koeficienta praktično neodvisna od velikosti električnega stroja in različnih naključnih dejavnikov, se lahko normalizira: ka ≥ 1,3 pri 20 ° C.

Napaka pri merjenju izolacijske upornosti ne sme presegati ± 20%, razen če je to posebej določeno za določen izdelek.

Pri električnih izdelkih preskusi električne trdnosti podvržejo izolacijo navitij do telesa in med seboj ter vmesno izolacijo navitij.

Za preverjanje dielektrične trdnosti izolacije tuljav ali tokovnih delov do ohišja se na sponke preizkušane tuljave ali tokovnih delov dovede povečana sinusna napetost s frekvenco 50 Hz. Napetost in trajanje njene uporabe sta navedena v tehnični dokumentaciji za vsak posamezen izdelek.

Pri preskušanju dielektrične trdnosti izolacije navitij in delov pod napetostjo do telesa morajo biti vsa druga navitja in deli pod napetostjo, ki niso vključeni v preskuse, električno povezani z ozemljenim ohišjem izdelka. Po koncu preskusa je treba tuljave ozemljiti, da odstranimo preostali naboj.

Na sl. 2 prikazuje diagram za preizkus dielektrične trdnosti navitja trifaznega elektromotorja.Prenapetost ustvarja testna naprava AG, ki vsebuje reguliran napetostni vir E. Napetost merimo na strani visoke napetosti s fotovoltaičnim voltmetrom. Za merjenje toka uhajanja skozi izolacijo se uporablja ampermeter PA.

Šteje se, da je izdelek uspešno opravil preskus, če ni razbitja izolacije ali prekrivanja površine in tudi, če tok uhajanja ne presega vrednosti, navedene v dokumentaciji za ta izdelek. Upoštevajte, da ampermeter, ki spremlja tok uhajanja, omogoča uporabo transformatorja v preskusni nastavitvi.

riž. 2. Shema za preskušanje dielektrične trdnosti izolacije električnih izdelkov

Poleg frekvenčnega napetostnega testiranja izolacije se izolacija testira tudi z usmerjeno napetostjo. Prednost takega preskusa je možnost ocene stanja izolacije na podlagi rezultatov merjenja uhajalnih tokov pri različnih vrednostih preskusne napetosti.

Za oceno stanja izolacije se uporablja koeficient nelinearnosti.

kjer sta I1,0 in I0,5 tokova uhajanja 1 min po uporabi preskusnih napetosti, ki so enake normalizirani vrednosti Unorm in polovici nazivne napetosti električnega stroja Urated, kn <1,2.

Upoštevane tri značilnosti - izolacijska upornost, absorpcijski koeficient in koeficient nelinearnosti - se uporabljajo za rešitev vprašanja možnosti vklopa električnega stroja brez izsušitve izolacije.

Pri preskušanju dielektrične trdnosti izolacije po diagramu na sl. 2 so vsi ovoji navitja pri skoraj enaki napetosti glede na telo (ozemljitev), zato izolacija med zavoji ostane nepreverjena.

Eden od načinov za testiranje dielektrične trdnosti izolacijske izolacije je povečanje napetosti za 30% v primerjavi z nazivno. Ta napetost se napaja iz reguliranega napetostnega vira EK na preskusno točko brez obremenitve.

Druga metoda je uporabna za generatorje, ki delujejo v prostem teku, in je sestavljena iz povečanja vzbujalnega toka generatorja, dokler ni dosežena napetost (1,3 ÷ 1,5) Unom na sponkah statorja ali armature, odvisno od vrste stroja.Glede na to, da lahko tudi v stanju mirovanja tokovi, ki jih porabijo navitja električnih strojev, presežejo njihove nazivne vrednosti, standardi dovoljujejo izvedbo takega preskusa pri povečani frekvenci napetosti, ki se napaja v navitja motorja nad nazivno vrednostjo ali pri povečana hitrost generatorja.

Za preizkušanje asinhronih motorjev je možno uporabiti tudi preskusno napetost s frekvenco fi = 1,15 fn. V enakih mejah je mogoče povečati hitrost generatorja.

Pri preskušanju dielektrične trdnosti izolacije na tak način bo med sosednjimi ovoji tuljave uporabljena napetost, ki je numerično enaka razmerju uporabljene napetosti, deljeno s številom ovojev tuljave. Nekoliko se razlikuje (za 30-50%) od tistega, ki obstaja, ko izdelek deluje pri nazivni napetosti.

Kot veste, je meja povečanja napetosti na sponkah tuljave, ki se nahaja na jedru, posledica nelinearne odvisnosti toka v tej tuljavi od napetosti na njenih sponkah. Pri napetostih, ki so blizu nazivne vrednosti Unom, jedro ni nasičeno in je tok linearno odvisen od napetosti (slika 3, razdelek OA).

Z naraščanjem napetosti se U nad nazivnim tokom v tuljavi močno poveča, pri U = 2Unom pa lahko tok več desetkrat preseže nazivno vrednost. Da bi bistveno povečali napetost na zavoj navitja, testiramo trdnost izolacije med zavoji pri frekvenci, ki je večkrat (desetkrat ali več) višja od nazivne.

riž. 3. Graf odvisnosti toka v tuljavi z jedrom od uporabljene napetosti

riž. 4.Shema preskusa izolacije navitja pri povečani tokovni frekvenci

Razmislimo o principu testiranja vmesne izolacije kontaktorskih tuljav (slika 4). Testna tuljava L2 je nameščena na palici razcepljenega magnetnega vezja. Na sponke tuljave L1 se napaja napetost U1 s povečano frekvenco, tako da je za vsak zavoj tuljave L2 potrebna napetost za testiranje dielektrične trdnosti izolacije od zavoja do zavoja. Če je izolacija navitij tuljave L2 v dobrem stanju, bo tok, ki ga porabi tuljava L1 in izmerjen z ampermetrom PA po namestitvi tuljave, enak kot prej. V nasprotnem primeru se tok v tuljavi L1 poveča.

riž. 5. Shema za merjenje tangensa kota dielektričnih izgub

Zadnja od obravnavanih izolacijskih značilnosti je tangens dielektrične izgube.

Znano je, da ima izolacija aktivno in reaktivno upornost, in ko se nanjo nanese periodična napetost, skozi izolacijo tečejo aktivni in reaktivni tokovi, to je aktivna P in reaktivna Q moč. Razmerje P proti Q se imenuje tangens kota dielektrične izgube in je označeno s tgδ.

Če se spomnimo, da je P = IUcosφ in Q = IUsinφ, potem lahko zapišemo:

tgδ je razmerje med aktivnim tokom, ki teče skozi izolacijo, in reaktivni tok.

Za določitev tgδ je potrebno sočasno izmeriti delovno in reaktivno moč oziroma aktivno in reaktivno (kapacitivno) izolacijsko upornost. Načelo merjenja tgδ z drugo metodo je prikazano na sl. 5, kjer je merilno vezje enojni most.

Kraki mostu so sestavljeni iz na primer kondenzatorja C0, spremenljivega kondenzatorja C1, spremenljivega R1 in konstantnega upora R2 ter kapacitivnosti in izolacijske upornosti navitja L glede na telo izdelka ali mase, ki je običajno prikazano kot kondenzator Cx in upor Rx. V primeru, da je potrebno izmeriti tgδ ne na tuljavi, temveč na kondenzatorju, so njegove plošče priključene neposredno na sponke 1 in 2 mostnega vezja.

Diagonala mostu vključuje galvanometer P in vir energije, ki je v našem primeru transformator T.

Kot v drugih mostna vezja postopek merjenja je sestavljen iz pridobivanja minimalnih odčitkov naprave P z zaporednim spreminjanjem upora upora R1 in kapacitivnosti kondenzatorja C1. Običajno so parametri mostu izbrani tako, da se vrednost tgδ pri ničelnih ali minimalnih odčitkih naprave P odčita neposredno na lestvici kondenzatorja C1.

Opredelitev tgδ je obvezna za močnostne kondenzatorje in transformatorje, visokonapetostne izolatorje in druge električne izdelke.

Ker se preskusi dielektrične trdnosti in meritve tgδ izvajajo praviloma pri napetostih nad 1000 V, je treba upoštevati vse splošne in posebne varnostne ukrepe.

Postopek preskusa električne izolacije

Zgoraj obravnavane parametre in značilnosti izolacije je treba določiti v zaporedju, ki ga določajo standardi za določene vrste izdelkov.

Na primer, pri močnostnih transformatorjih se najprej določi izolacijski upor in nato izmeri tangens dielektrične izgube.

Pri rotacijskih električnih strojih je treba po meritvi izolacijskega upora pred preizkusom njegove dielektrične trdnosti opraviti naslednje preskuse: pri povečani frekvenci vrtenja, pri kratkotrajni tokovni ali momentni preobremenitvi, pri nenadnem kratkem stiku (če je namenjen za ta sinhronski stroj), preizkus izolacije popravljene napetosti navitij (če je navedeno v dokumentaciji za ta stroj).

Standardi ali specifikacije za določene tipe strojev lahko dopolnijo ta seznam z drugimi preskusi, ki lahko vplivajo na dielektrično trdnost izolacije.