Свойства и схема замещения электрической изоляции
Как известно, термином «изоляция» в практике принято обозначать два понятия:
1) способ предотвращения образования электрического контакта между частями электрического изделия,
2) материалы и изделия из них, применяемые для реализации данного способа.
Электроизоляционные материалы под воздействием приложенного к ним напряжения обнаруживают свойство проводить электрический ток. Хотя значение проводимости электроизоляционных материалов на несколько порядков ниже, чем у проводников, тем не менее она играет существенную роль и во многом определяет надежность работы электротехнического изделия.
Под действием приложенного к изоляции напряжения через нее протекает ток, называемый током утечки, изменяющийся во времени.
Для изучения и иллюстрации свойств электрической изоляции ее принято представлять в виде некоторой модели, называемой схемой замещения (рис. 1), содержащей четыре параллельно соединенные электрические цепи. Первая из них содержит только конденсатор С1, называемый геометрической емкостью.
Рис. 1. Схема замещения электрической изоляции
Наличие этой емкости обусловливает появление мгновенного броска тока, возникающего при приложении к изоляции постоянного напряжения, затухающего практически за несколько секунд, и емкостного тока, проходящего через изоляцию при приложении к ней переменного напряжения. Геометрической эту емкость называют потому, что она зависит от изоляции: ее размеров (толщины, протяженности и т. п.) и расположения между токоведущей частью А и корпусом (землей).
Вторая цепь характеризует внутреннее строение и свойства изоляции, в том числе ее структуру, количество групп из параллельно соединенных конденсаторов и резисторов. Ток I2, протекающий по этой цепи, называют абсорбционным. Начальное значение этого тока пропорционально площади изоляции и обратно пропорционально ее толщине.
Если токоведущие части электротехнического изделия изолированы двумя, слоями изоляции и более (например, изоляция провода и изоляция катушки), то в схеме замещения абсорбционная ветвь представляется в виде двух и более последовательно соединенных групп из конденсатора и резистора, характеризующих свойства одного из слоев изоляции. В данной схеме рассматривается двухслойная изоляция, один слой которой замещен группой элементов из конденсатора С2 и резистора R1, а второй — С3 и R2.
Третья цепь содержит один резистор R3 и характеризует потери в изоляции при приложении к ней постоянного напряжения. Сопротивление этого резистора, называемое также сопротивлением изоляции, зависит от многих факторов: размеров, материала, конструкции, температуры, состояния изоляции, в том числе от увлажненности и загрязненности ее поверхности, а также от приложенного напряжения.
При одних дефектах изоляции (например, сквозных повреждениях) зависимость сопротивления R3 от напряжения становится нелинейной, а при других, например при сильном увлажнении, оно практически не изменяется с ростом напряжения. Ток I3 протекающий через эту ветвь, принято называть сквозным током.
Четвертая цепь представлена на схеме замещения искровым промежутком МП, характеризующим электрическую прочность изоляции, численно выражаемую значением напряжения, при котором электроизоляционный материал теряет изоляционные свойства и разрушается под действием протекающего через него тока I4.
Данная схема замещения изоляции позволяет не только описывать процессы, происходящие в ней при приложении напряжения, но и устанавливать параметры, контролируя которые можно судить о ее состоянии.
Способы испытания электрической изоляции
Наиболее простым и распространенным способом оценки состояния изоляции и ее целости является измерение ее сопротивления с помощью мегаомметра.
Обратим внимание на то, что наличие в схеме замещения конденсаторов объясняет также способность изоляции накапливать электрические заряды. Поэтому обмотки электрических машин и трансформаторов до и после измерения сопротивления изоляции должны быть разряжены путем заземления вывода, к которому подключался мегаомметр.
При измерении сопротивления изоляции электрических машин и трансформаторов следует контролировать температуру обмоток, которая фиксируется в протоколе испытаний. Знание температуры, при которой производились измерения, необходимо для сравнения результатов измерений между собой, так как сопротивление изоляции резко изменяется в зависимости от температуры: в среднем сопротивление изоляции уменьшается в 1,5 раза при увеличении температуры на каждые 10°С и так же возрастает при соответствующем уменьшении температуры.
Из-за того что влага, всегда содержащаяся в изоляционных материалах, влияет на результаты измерения, определение любых параметров, характеризующих качество изоляции, при температуре ниже +10оС не производят, так как полученные результаты не дадут правильного представления об истинном состоянии изоляции.
При измерении сопротивления изоляции практически холодного изделия температура изоляции может быть принята равной температуре окружающей среды. Во всех других случаях температуру изоляции условно принимают равной температуре обмоток, измеренной по их активному сопротивлению.
Чтобы измеренное сопротивление изоляции заметно не отличалось от истинного значения, собственное сопротивление изоляции элементов измерительной схемы — проводов, изоляторов и других — должно вносить минимальную погрешность в результат измерения. Поэтому при измерении сопротивления изоляции электрических аппаратов напряжением до 1000 В сопротивление этих элементов должно быть не менее 100 МОм, а при измерении сопротивления изоляции силовых трансформаторов — не меньше предела измерения мегаомметра.
Если это условие не соблюдено, то в результаты измерения необходимо внести поправку на сопротивление изоляции элементов схемы. Для этого измерение сопротивления изоляции производят дважды: один раз при полностью собранной схеме и подключенном изделии, а второй— при отключенном изделии. Результат первого измерения даст эквивалентное сопротивление изоляции схемы и изделия Rэ, а результат второго измерения — сопротивление элементов измерительной схемы Rc. Тогда сопротивление изоляции изделия
Если для электрических машин некоторых других изделий не установлена последовательность измерения сопротивления изоляции, то для силовых трансформаторов эта очередность измерения регламентирована стандартом, согласно которому вначале измеряют сопротивление изоляции обмотки низшего напряжения (НН). Остальные обмотки, а также бак должны быть заземлены. При отсутствии бака заземлению подлежат кожух трансформатора или его остов.
При наличии трех обмоток напряжения — низшего НН, среднего СН и высшего ВН — после обмотки низшего напряжения необходимо измерить сопротивление изоляции обмотки среднего напряжения и только после этого высшего напряжения. Естественно, что при всех измерениях остальные обмотки, а также бак должны быть заземлены, а незаземленная обмотка после каждого измерения обязательно разряжена путем соединения с корпусом не менее чем на 2 мин. Если результаты измерений не соответствуют установленным требованиям, то испытания необходимо дополнить определением сопротивления изоляции обмоток, электрически соединенных между собой.
Для двухобмоточных трансформаторов следует измерить сопротивление обмоток высшего и низшего напряжений относительно корпуса, а для трехобмоточных — сперва обмоток высшего и среднего напряжений, а затем обмоток высшего, среднего и низшего напряжений.
При испытаниях изоляции трансформатора необходимо произвести несколько измерений, чтобы определить не только значения эквивалентного сопротивления изоляции, но и сопоставить между собой сопротивления изоляции обмоток относительно других обмоток и корпуса машины.
Сопротивление изоляции электрических машин обычно измеряют при соединенных между собой фазных обмотках, а на месте установки — вместе с кабелями (шинами). Если же результаты измерения не отвечают установленным требованиям, то тогда измеряют сопротивление изоляции каждой фазной обмотки, а при необходимости и каждой ветви обмотки.
Следует иметь в виду, что только по абсолютному значению сопротивления изоляции трудно обоснованно судить о состоянии изоляции. Поэтому для оценки состояния изоляции электрических машин в период эксплуатации сравнивают результаты данных измерений с результатами предыдущих.
Значительные, в несколько раз, расхождения между сопротивлениями изоляции отдельных фаз обычно свидетельствуют о каком-либо существенном ее дефекте. Одновременное снижение сопротивления изоляции у всех фазных обмоток, как правило, говорит об изменении общего состояния ее поверхности.
Сравнивая результаты измерений, следует помнить о зависимости сопротивления изоляции от температуры. Поэтому сравнивать между собой можно только результаты измерений, выполненные при одинаковой или близкой по значению температуре.
При постоянстве приложенного к изоляции напряжения суммарный ток Iи (см. рис. 1), протекающий через нее, уменьшается тем в большей степени, чем лучше состояние изоляции, а в соответствии с уменьшением тока Iи вырастают показания мегаомметра. В связи с тем что составляющая I2 этого тока, называемая также током абсорбции, в отличие от составляющей I3, не зависит от состояния поверхности изоляции, а также от ее загрязненности и увлажненности, отношение значений сопротивления изоляции в заданные моменты времени принято в качестве характеристики увлажненности изоляции.
В стандартах рекомендуется измерять сопротивление изоляции через 15 с (R15) и через 60 с (R60) после подключения мегаомметра, а отношение этих сопротивлений ka= R60/ R15 называют коэффициентом абсорбции.
При неувлажненной изоляции ka >2, а при влажной — ka ≈1.
Так как значение коэффициента абсорбции практически не зависит от размеров электрической машины и разных случайных факторов, то оно может быть нормировано: ka ≥ 1,3 при 20°С.
Погрешность измерения сопротивления изоляции не должна превышать ±20%, если она специально не установлена для конкретного изделия.
В электротехнических изделиях испытаниям на электрическую прочность подвергают изоляцию обмоток относительно корпуса и между собой, а также междувитковую изоляцию обмоток.
Для испытания электрической прочности изоляции обмоток или токоведущих частей относительно корпуса к выводам проверяемой обмотки или токоведущих частей прикладывают повышенное по сравнению с номинальным синусоидальное напряжение частотой 50 Гц. Напряжение и длительность его приложения указаны в технической документации на каждое конкретное изделие.
При испытании электрической прочности изоляции обмоток и токоведущих частей относительно корпуса все прочие обмотки и токоведущие части, не участвующие в испытаниях, должны быть электрически соединены с заземленным корпусом изделия. После окончания испытаний обмотки должны быть заземлены для снятия остаточного заряда.
На рис. 2 приведена схема испытания электрической прочности обмотки трехфазного электродвигателя. Повышенное напряжение создается иепытательной установкой AG, содержащей источник регулируемого напряжения Е. Напряжение измеряют на стороне высокого напряжения вольтметром PV. Амперметр РА служит для измерения тока утечки через изоляцию.
Изделие считается выдержавшим испытание, если не произошло пробоя изоляции или перекрытия по поверхности, а также если ток утечки не превысил значения, приведенного в документации на данное изделие. Отметим, что наличие амперметра, контролирующего ток утечки, позволяет использовать в испытательной установке трансформатор.
Рис. 2. Схема испытания электрической прочности изоляции электротехнических изделий
Помимо испытания напряжением промышленной частоты изоляцию испытывают и выпрямленным напряжением. Преимуществом такого испытания является возможность по результатам измерения токов утечки при разных значениях испытательного напряжения судить о состоянии изоляции.
Для оценки состояния изоляции используется коэффициент нелинейности
где I1,0 и I0,5 — токи утечки через 1 мин после приложения испытательных напряжений, равных нормированному значению Uнорм и половине номинального напряжения электрической машины Uном, kн < 1,2.
Рассмотренные три характеристики — сопротивление изоляции, коэффициент абсорбции и коэффициент нелинейности — используют для решения вопроса о возможности включения электрической машины без сушки изоляции.
При испытании электрической прочности изоляции по схеме рис. 2 все витки обмотки находятся практически под одним напряжением относительно корпуса (земли) и поэтому междувитковая изоляция остается неиспытанной.
Одним из способов испытания электрической прочности междувитковой изоляции служит повышение напряжения на 30% по сравнению с номинальным. Это напряжение подводится от источника регулируемого напряжения Ек к испытываемому изделию, работающему на холостом ходу.
Другой способ применим для генераторов, работающих на холостом ходу, и заключается в повышении тока возбуждения генератора до получения на выводах статора или якоря напряжения (1,3 ÷ 1,5) Uном в зависимости от типа машины. Учитывая, что даже в режиме холостого хода токи, потребляемые обмотками электрических машин, могут превышать свои номинальные значения, стандарты допускают проводить такое испытание при повышенной сверх номинального значения частоте подведенного к обмоткам двигателя напряжения или при повышенной частоте вращения генератора.
Для испытаний асинхронных двигателей возможно также использовать испытательное напряжение с частотой fи = 1,15 fном. В таких же пределах можно повысить частоту вращения генератора.
При испытании электрической прочности изоляции такими способами между соседними витками обмотки будет приложено напряжение, численно равное частному от деления подведенного напряжения на число витков обмотки. Оно незначительно (на 30—50%) отличается от того, которое существует при работе изделия с номинальным напряжением.
Как известно, предел повышения напряжения, прикладываемого к выводам обмотки, расположенной на сердечнике, обусловливается нелинейной зависимостью тока в этой обмотке от напряжения на ее выводах. При напряжениях, близких к номинальному значению Uном сердечник не насыщается, а ток линейно зависит от напряжения (рис. 3, участок OA).
При увеличении напряжения U сверх номинального ток в катушке резко возрастает и при U=2Uном ток может в десятки раз превышать номинальное значение. Чтобы существенно повысить напряжение, приходящееся на виток обмотки, испытание прочности междувитковой изоляции происходит при частоте, многократно (в десять раз и более) превышающей номинальную.
Рис. 3. График зависимости тока в катушке с сердечником от приложенного напряжения
Рис. 4. Схема испытания междувитковой изоляции обмоток на повышенной частоте тока
Рассмотрим принцип испытания междувитковой изоляции катушек контакторов (рис. 4). Проверяемая катушка L2 надевается на стержень разъемного магнитопровода. К выводам катушки L1 подводят такое напряжение U1 повышенной частоты, чтобы на каждый виток катушки L2 приходилось требуемое для испытания электрической прочности междувитковой изоляции напряжение. Если изоляция витков катушки L2 исправна, то ток, потребляемый катушкой L1 и измеряемый амперметром РА, после установки катушки будет таким же, как и до этого. В противном случае ток в катушке L1 возрастает.
Рис. 5. Схема измерения тангенса угла диэлектрических потерь
Последняя из рассматриваемых характеристик изоляции — тангенс угла диэлектрических потерь.
Известно, что изоляция обладает активным и реактивным сопротивлениями и при приложении к ней периодического напряжения через изоляцию протекают активный и реактивный токи, т. е. существуют активная Р и реактивная Q мощности. Отношение Р к Q называют тангенсом угла диэлектрических потерь и обозначают tgδ.
Если вспомнить, что P=IUcosφ, a Q = IUsinφ, то можно написать:
т. е. tgδ представляет собой отношение активного тока, протекающего через изоляцию, к реактивному току.
Чтобы определить tgδ необходимо одновременно измерить активную и реактивную мощности или активное и реактивное (емкостное) сопротивления изоляции. Принцип измерения tgδ вторым способом приведен на рис. 5, где измерительная схема представляет собой одинарный мост.
Плечи моста составлены образцовым конденсатором С0, конденсатором переменной емкости С1, переменным R1 и постоянным R2 резисторами, а также емкостью и сопротивлением изоляции обмотки L относительно корпуса изделия или земли, условно изображенных в виде конденсатора Сх и резистора Rx. В том случае когда необходимо измерить tgδ не обмотки, а конденсатора, его обкладки подключают непосредственно к выводам 1 и 2 мостовой схемы.
В диагонали моста включены гальванометр Р и источник питания, которым в нашем случае является трансформатор Т.
Как и в других мостовых схемах процесс измерения заключается в получении минимальных показаний прибора Р путем поочередного изменения сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора С1. Обычно параметры моста выбирают таким образом, чтобы значение tgδ при нулевых или минимальных показаниях прибора Р отсчитывалось прямо по шкале конденсатора С1.
Определение tgδ обязательно для силовых конденсаторов и трансформаторов, высоковольтных изоляторов и других электрических изделий.
В связи с тем что испытания электрической прочности изоляции и измерение tgδ производят, как правило, при напряжениях свыше 1000 В, следует соблюдать все общие и специальные меры безопасности.
Порядок проведения испытаний электрической изоляции
Рассмотренные выше параметры и характеристики изоляции следует определять в последовательности, установленной стандартами на конкретные виды изделий.
Например, у силовых трансформаторов сначала определяют сопротивление изоляции, а затем измеряют тангенс угла диэлектрических потерь.
Для вращающихся электрических машин после измерения сопротивления изоляции до испытания ее электрической прочности необходимо выполнить следующие испытания: при повышенной частоте вращения, при кратковременной перегрузке по току или вращающему моменту, при внезапном коротком замыкании (если оно предусмотрено для данной синхронной машины), испытание изоляции обмоток выпрямленным напряжением (если это установлено в документации на данную машину).
Стандартами или техническими условиями на конкретные виды машин этот перечень может быть дополнен другими испытаниями, которые могут повлиять на электрическую прочность изоляции.