Показатели качества изоляции - сопротивление, коэффициент абсорбции, индекс поляризации и другие

Диэлектрическая изоляция — обязательная изолирующая часть любого кабеля, которая не только отделяет проводящие жилы друг от друга, физически изолируя их, но и защищает проводники от пагубного воздействия различных факторов окружающей среды. Таких оболочек у одного кабеля может быть одна или несколько.

Состояние данных оболочек выступает одним из определяющих критериев в плане безопасности как для персонала, так и для работоспособности оборудования. Если по какой-либо причине диэлектрическая изоляция проводников будет нарушена, это станет чревато аварией, поражением людей электрическим током или даже пожаром. А возможных причин нарушения качества изоляции существует масса:

• механическое повреждение во время монтажных, ремонтных или земляных работ;

• повреждение изоляции от действия влаги или температуры;

• недобросовестно выполненное электрическое соединение жил;

• систематическое превышение допустимых для кабеля токовых параметров;

• наконец естественное старение изоляции…

Основные показатели качества изоляции позволяют комплексно оценить её состояние, прогнозировать остаточный ресурс и предотвращать аварии. 

Важно регулярно отслеживать показатели качества изоляции

Как бы там ни было, полная замена проводки — это всегда очень материально затратное и трудоемкое действо, не говоря уже о потерях и убытках, которые понесет предприятие от сбоя электроснабжения и от незапланированного простоя оборудования. Что касается больниц и некоторых стратегически важных объектов, то для них нарушение штатного режима электроснабжения вообще недопустимо.

Вот почему гораздо важнее предотвратить проблему, не допуская ухудшения изоляции, вовремя проверив ее качество, и где нужно — оперативно починить, заменить, а не доводить до аварий и их последствий. Для этого проводятся измерения показателей качества изоляции — четырех параметров, о каждом из которых будет рассказано далее.

Хотя вещество изоляции и является фактически диэлектриком, и не должно проводить электрический ток, подобно идеальному плоскому конденсатору, тем не менее в небольшом количестве свободные заряды внутри него присутствуют. И даже небольшое смещение диполей — тоже обуславливает слабую электропроводность (ток утечки) изоляции.

Кроме того, из-за наличия влаги или грязи, появляется у изоляции и поверхностная электропроводность. А накопление энергии в толще диэлектрика от действия постоянного тока — вовсе представляет изоляцию этаким конденсатором небольшой емкости, который словно заряжается через некоторый резистор.

В общем и целом, изоляцию кабеля (или обмотки электрической машины) можно представить как цепь, состоящую из соединенных параллельно трех цепей: емкости C, представляющей геометрическую емкость и обуславливающей поляризацию изоляции по объему, емкости проводников и всего объема диэлектрика с последовательно подключенным сопротивлением абсорбции, как будто конденсатор заряжается через резистор. Наконец — сквозное сопротивление по всему объему изоляции, обуславливающее ток утечки сквозь толщу диэлектрика.

Параметры, характеризующие качество электрической изоляции

Чтобы электрическая изоляция не вызывала нарушений режимов работы электрооборудования и безопасности его эксплуатации, необходимо обеспечить ее высокое качество, определяемое степенью электропроводности (чем меньше электропроводность, тем выше качество).

При включении изоляции под напряжение через нее в силу неоднородности структуры и наличия проводящих включений проходят электрические токи, величина которых определяется активным и емкостным сопротивлением изоляции. Емкость изоляции зависит от ее геометрических размеров. За короткий промежуток времени после включения происходит зарядка этой емкости, сопровождающаяся прохождением электрического тока.

Вообще говоря, через изоляцию проходят три вида тока: ток поляризации, абсорбции и сплошной проводимости. Однако токи поляризации, обусловленные смещением связанных зарядов в изоляции до момента установления равновесного состояния (быстрая поляризация), настолько кратковременны, что их не удается обычно зарегистрировать.

Это приводит к тому, что прохождение таких токов не связано с потерями энергии, поэтому на эквивалентной схеме сопротивления изоляции ветвь, учитывающая прохождение токов поляризации, представлена чистой емкостью, без активного сопротивления.

Ток абсорбции, обусловленный процессами замедленной поляризации, связан с потерями энергии в диэлектрике (например, на преодоление сопротивления молекул при повороте диполей в направлении поля), поэтому соответствующая ветвь эквивалентного сопротивления включает и активное сопротивление.

Наконец, наличие проводящих включений в изоляции (в виде пузырьков газа, влаги и т. п.) приводит к возникновению каналов сквозной проводимости.

Электропроводность (сопротивление) изоляции различна при воздействии постоянного и переменного напряжения, так как при переменном напряжении через изоляцию проходят токи абсорбции в течение всего времени воздействия напряжения.

При воздействии постоянного напряжения качество изоляции характеризуется двумя параметрами: активным сопротивлением и емкостным сопротивлением, косвенно характеризуемым отношением R60/R15.

При воздействии на изоляцию переменного напряжения невозможно разделить ток утечки на его составляющие (ток сквозной проводимости и ток абсорбции), поэтому о качестве изоляции судят по величине потерь энергии в ней (диэлектрических потерь).

Количественной характеристикой потерь является тангенс угла диэлектрических потерь, т. е. тангенс угла, дополняющего до 90° угол между током и напряжением в изоляции. В случае идеальной изоляции ее можно представить в виде конденсатора, в котором вектор тока опережает вектор напряжения на 90°. Чем больше рассеиваемая в изоляции мощность, тем больше тангенс угла диэлектрических потерь и тем хуже качество изоляции.

Для поддержания уровня электрической изоляции, отвечающего требованиям безопасности и режиму эксплуатации электроустановок, в ПУЭ предусмотрено нормирование сопротивления изоляции сетей. Для потребителей электрической энергии нормируются периодические испытания изоляции.

Сопротивление изоляции между любым проводом и землей, а также между любыми проводами на участке между двумя соседними предохранителями в распределительной сети напряжением до 1000 В должно составлять не менее 0,5 МОм. Для измерений и испытаний сопротивления изоляции в электроустановках до 1000 В чаще всего применяются мегомметры.

Сопротивление изоляции Riso

Принцип измерения таков. При подаче на обкладки конденсатора постоянного напряжения, сначала возникает импульс зарядного тока, величина которого в первый момент времени зависит только от сопротивления цепи, и лишь после идет заряд абсорбционной емкости (емкости поляризации), при этом ток по экспоненте спадает, и здесь можно экспериментально найти постоянную времени RC. Так при помощи измерителя параметров изоляции, замеряют сопротивление изоляции Riso.

Измерения ведутся при температуре не ниже +5°С, так как при более низкой температуре сказывается влияние охлаждающейся и замерзающей влаги, и картина становится далекой от объективности. После снятия испытательного напряжения, заряд «изоляционного конденсатора» начинает спадать, так как происходит диэлектрическое поглощение заряда.

Коэффициент абсорбции DAR

Степень текущей увлажненности изоляции численно отражается в коэффициенте абсорбции, так как чем более изоляция увлажнена — тем интенсивнее происходит диэлектрическое поглощение заряда внутри нее. По величине коэффициента абсорбции принимают решение о необходимости провести сушку изоляции трансформаторов, двигателей и т. д.

Вычисляют соотношение сопротивлений изоляции через 60 секунд и через 15 секунд после начала измерений сопротивления — это и есть коэффициент абсорбции.

Чем больше в изоляции влаги — тем больше ток утечки, тем ниже значение коэффициента абсорбции DAR (Dielectric Absorption Ratio = R60/R15). Во влажной изоляции больше примесей (примеси находятся во влаге), сопротивление из-за примесей уменьшается, потери растут, понижается напряжение теплового пробоя, ускоряется тепловое старение изоляции. Если коэффициент абсорбции менее 1,3 — необходимо изоляцию просушить.

Индекс поляризации PI

Следующий важный показатель качества изоляции — индекс поляризации. Он отражает подвижность заряженных частиц внутри диэлектрика под действием электрического поля. Чем новее, целее и качественнее изоляция — тем меньше внутри нее, как в диэлектрике, движутся заряженные частицы. Чем выше индекс поляризации — тем старее изоляция.

Для нахождения данного параметра, вычисляется соотношение величин сопротивления изоляции через 10 минут и через 1 минуту после начала испытаний. Данный коэффициент (Polarization Index = R600/R60) практически свидетельствует об остаточном ресурсе изоляции как качественного диэлектрика, еще способного выполнять свою функцию. Коэффициент поляризации PI не должен быть меньше 2.

Индекс поляризации дополняется коэффициентом диэлектрической абсорбции (DAR = R60/R30), который оценивает увлажненность изоляции. Совместное использование этих параметров позволяет комплексно оценить как текущее состояние, так и прогнозируемый ресурс изоляционной системы.

Коэффициент диэлектрического разряда DD

Наконец, коэффициент диэлектрического разряда. Данный параметр помогает выявить среди слоев многослойной изоляции дефектный, поврежденный слой. Измерение DD (Dielektric Discharge) производится следующим образом.

Первым делом изоляцию заряжают чтобы измерить ее емкость, после прекращения процесса зарядки, остается ток утечки через диэлектрик. Теперь изоляция разряжается накоротко, и спустя минуту после короткого замыкания, - измеряется остаточный ток разряда диэлектрика в наноамперах. Этот ток в наноамперах делится на напряжение при измерении и на емкость изоляции. Коэффициент DD должен быть меньше 2.

Ключевое преимущество DD – независимость от величины испытательного напряжения, так как измерение выполняется после его отключения. Это исключает влияние тока утечки и позволяет точно оценить абсорбционные свойства изоляции. Современные измерители (например, SONEL MIC-5005, MIC-5010) автоматически рассчитывают DD, обеспечивая погрешность не более 3%

Основные показатели качества изоляции 

• Многократное снижение показателей — повод для анализа причин (влага, старение, дефекты).

• Оптимально оценивать состояние изоляции не по одному, а по комплексу этих показателей.

Актуальные стандарты по испытаниям изоляции

Для проведения измерений и оценки качества электрической изоляции необходимо руководствоваться следующими нормативными документами и стандартами:

• ГОСТ 6433.2-71 — Официальный стандарт «Материалы электроизоляционные твердые. Методы определения электрического сопротивления при постоянном напряжении». Применяется для измерения сопротивления изоляционных материалов.
• ГОСТ 1516.3-96 — Стандарт «Электрооборудование переменного тока на напряжения от 1 до 750 кВ. Требования к электрической прочности изоляции». Регламентирует методики испытаний изоляции электрооборудования.
• IEC 60060 — Международный стандарт: «High-voltage test techniques». Описывает общие методы испытаний высоким напряжением различного рода (постоянное, переменное, импульсное).
• IEC 60270 — Международный стандарт «High-voltage test techniques – Partial discharge measurements». Регламентирует методы измерения частичных разрядов в изоляции.
• IEEE Std 43 — Американский стандарт «Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Rotating Machinery». Дает подробные рекомендации по испытаниям и оценке сопротивления изоляции, в том числе расчету коэффициентов абсорбции и индекса поляризации.
• ПУЭ (Правила устройства электроустановок), гл. 1.8, 6.1
  Содержат требования к проверке изоляции новых и эксплуатируемых установок, а также нормируемые значения сопротивления.
• Межотраслевые инструкции и правила (РД 34.45-51.300-97, ПТЭЭП и др.)
  Содержат требования к срокам, периодичности, способам измерения и трактовке результатов испытаний.

Практический совет:
Перед проведением испытаний обязательно уточняйте актуальные редакции стандартов и требования для вашей отрасли или объекта — нормы могут периодически пересматриваться и дополняться.

Чек-лист для оценки состояния изоляции в эксплуатации

1) Внешний осмотр кабеля и оборудования

• Нет видимых повреждений, потемнений, растрескиваний, следов перегрева или влаги.
• Отсутствие признаков работы изоляции в аварийных режимах (характерный запах, вспучивания, следы короны).
• Проверка наличия заземления
• Исправность защитного и рабочего заземления.

2) Подготовка к испытаниям

• Отключить испытываемое оборудование, снять остаточное напряжение, обеспечить отсутствие подающих кабелей и посторонних источников.
• Проверить температуру изоляции (желательно не ниже +5°C, если не указано иное в инструкции).
• Обеспечить сухость поверхностей, удаление пыли и грязи.

3) Измерение сопротивления изоляции (мегомметром/мультиметром)

• Записать начальное сопротивление (через 15–30 с после приложения напряжения).
• Зафиксировать показания через 60 с — для индекса поляризации, коэффициента абсорбции.
• Сравнить значения с нормами (по ПУЭ, паспорту, стандартам).
• Расчёт коэффициента абсорбции (DAR) и индекса поляризации (PI) - DAR = R60/R15, PI = R600/R60.
• Сравнить с нормативными значениями.

4) Анализ динамики показателей

• Провести сравнительный анализ текущих и предыдущих измерений изоляции.
• Зафиксировать тенденции снижения сопротивления или коэффициентов.

5) Оформление результатов

• Заполнение протокола испытаний установленной формы.
• Оформление замечаний и рекомендаций (если требуется).
• Трактовка результатов и принятие решения
• При значительном отклонении параметров — выявить причины (влага, эксплуатация вне нормы, старение).
• Решить: допускается ли оборудование к эксплуатации, требуется дополнительная сушка или ремонт.

Частые вопросы (FAQ) по оценке состояния изоляции

1. Что показывает сопротивление изоляции и почему его нужно измерять?
Сопротивление изоляции характеризует способность материала препятствовать прохождению электрического тока между токоведущими частями и землей. Его снижение указывает на ухудшение состояния изоляции, влагонакопление или старение, что потенциально опасно для эксплуатации.

2. Как часто нужно измерять сопротивление изоляции?
В новых установках — до ввода в эксплуатацию, далее — регулярно по графику (обычно раз в год), а также после аварий, ремонта, по истечении срока службы или при подозрении на неисправность.

3. Какими приборами производится измерение?
Обычно используют мегомметры (ручные, портативные или цифровые), способные подавать постоянное напряжение 500В, 1000В, 2500В и более — в зависимости от класса оборудования.

4. Какие значения считаются нормальными?
Значения регламентируются ПУЭ, паспортами и стандартами, но в целом:

• Для кабелей до 1кВ — не менее 0.5 МОм,

• Для силовых кабелей выше 1кВ — не менее 1 МОм на 1кВ рабочего напряжения,

• Для электроустановок особой категории — уточняется отдельно.

5. Что такое коэффициент абсорбции (DAR) и индекс поляризации (PI)?
DAR — отношение сопротивления изоляции через 60 с к значению через 15 с после приложения напряжения.
PI — отношение сопротивления через 10 минут к значению через 1 минуту.
Эти показатели дают представление о чистоте, сухости и общем состоянии изоляции.

6. Если сопротивление низкое, можно ли эксплуатировать объект?
Эксплуатация допускается только при соответствии параметров установленным нормам. При низких значениях необходимы дополнительное обследование, сушка или замена изоляции.

7. Может ли влага временно влиять на сопротивление?
Да, наличие конденсата или повышенной влажности значительно снижает сопротивление, что требует повторного измерения после сушки.

8. Можно ли сравнивать результаты разных лет?
Да — динамика показателей наиболее информативна. Постепенное снижение может указывать на процесс старения или возникновение дефектов.

9. Как оформить результат измерений?
Оформляется протоколом установленной формы с указанием даты, температуры, типа оборудования, параметров измерений и подписью ответственных лиц.

10. Какие ошибки допускают при измерениях?

• Не соблюдаются требования по безопасности.

• Пропускают проверку отсутствия остаточного напряжения.

• Не фиксируют температуру и влажность.

• Не проводят сравнительный анализ с предыдущими результатами.

Практические примеры (на основе реальных кейсов из измерительной практики)

1. Абсолютное сопротивление изоляции близко к нормативу

• При измерении сопротивления изоляции между фазой и землёй получено значение 0,6 МОм (при норме 0,5 МОм).

• Вопрос — как оценить остаточный ресурс?

• Необходимо дополнительно измерять коэффициенты абсорбции и поляризации: возможно, изоляция приближается к критическому состоянию.

• Решение: если DAR < 1,3 или PI < 2, то требуется срочная диагностика/сушка.

2. Измерение при пониженной температуре (ниже +5°C)

• В зимних условиях измерения показали условно низкое сопротивление изоляции.

• Одна из трудностей — влага на поверхности и в толще диэлектрика искажают результат.

• Решение: корректировать данные по температурному коэффициенту, отложить измерения, если возможно, или временно принять результаты как предварительные.

3. Коэффициенты абсорбции и индекс поляризации ниже требуемых

• Типичный случай для старых трансформаторов/кабелей. Например, DAR = 1,1 и PI = 1,4.

• Владелец объекта сталкивается с выбором — быстро сушить или заменить кабель, при этом оборудование может быть в работе много лет.

• Решение: анализировать тенденции падения характеристик и рассматривать длительность деградации, выбрать наиболее экономичный путь восстановления.

4. Повышенный коэффициент диэлектрического разряда (DD > 2)

• При проверке многослойной изоляции DD оказался выше нормы.

• Вопрос: как выявить дефектный слой, не демонтируя всю систему?

• Решение: применять локализованные измерения и тепловизионную диагностику, использовать современные приборы с низкой погрешностью, например, SONEL MIC-5005.

5. Сквозная проводимость из-за дефектов или влаги

• Ток утечки через изоляцию превышает расчетные значения.

• Проблема в неоднородных включениях (пузыри, вода, механические повреждения).

• Решение: комплексный подход — визуальный осмотр, сравнение с типовыми характеристиками кабелей, вторичные измерения после сушки.

Такие кейсы показывают, что для качественной оценки состояния изоляции одного значения сопротивления недостаточно — требуется комплекс показателей и грамотное их применение на практике, с учётом условий эксплуатации, возраста оборудования и факторов окружающей среды.

Андрей Повный