Proprietăți și teste de izolare electrică

Proprietăți și circuit echivalent al izolației electrice

După cum știți, termenul „izolare” este folosit în practică pentru a se referi la două concepte:

1) o metodă de prevenire a formării contactului electric între părțile unui produs electric,

2) materialele și produsele din acestea utilizate pentru aplicarea acestei metode.

Materiale electroizolante sub influența unei tensiuni aplicate acestora se descoperă proprietatea de a conduce un curent electric. Deși valoarea conductivității materialelor electrice izolante este cu câteva ordine de mărime mai mică decât cea a firelor, ea joacă totuși un rol semnificativ și determină în mare măsură fiabilitatea funcționării unui produs electric.

Sub acțiunea unei tensiuni aplicate izolației, prin aceasta trece un curent, numit curent de scurgere, care se modifică în timp.

Pentru a studia și a ilustra proprietățile izolației electrice, se obișnuiește să o reprezinte sub forma unui anumit model numit circuit echivalent (Fig. 1), care conține patru circuite electrice conectate în paralel.Primul dintre ele conține doar condensatorul C1, numit capacitate geometrică.

Orez. 1. Circuit echivalent de izolare electrică

Prezența acestei capacități determină apariția unui curent de pornire instantaneu care apare atunci când izolației i se aplică o tensiune de curent continuu, care scade în aproape câteva secunde, și un curent capacitiv care curge prin izolație atunci când i se aplică o tensiune de curent alternativ. Această capacitate se numește geometrică deoarece depinde de izolație: dimensiunile acesteia (grosime, lungime etc.) și amplasarea dintre piesa purtătoare de curent A și carcasă (împământare).

A doua schemă caracterizează structura internă și proprietățile izolației, inclusiv structura acesteia, numărul de grupuri de condensatoare și rezistențe conectate în paralel. Curentul I2 care circulă prin acest circuit se numește curent de absorbție. Valoarea inițială a acestui curent este proporțională cu aria izolației și invers proporțională cu grosimea acesteia.

Dacă părțile purtătoare de curent ale unui produs electric sunt izolate cu două sau mai multe straturi de izolație (de exemplu, izolarea firului și izolarea bobinei), atunci în circuitul echivalent ramura de absorbție este reprezentată sub forma a două sau mai multe straturi conectate în serie. grupuri de un condensator și un rezistor care caracterizează proprietățile pe unul dintre straturile de izolație. În această schemă, este luată în considerare o izolație cu două straturi, al cărei strat este înlocuit cu un grup de elemente de condensator C2 și rezistență R1, iar al doilea de C3 și R2.

Al treilea circuit conține un singur rezistor R3 și caracterizează pierderea de izolație atunci când i se aplică o tensiune de curent continuu.Rezistența acestui rezistor, numită și rezistență de izolație, depinde de mulți factori: dimensiune, material, construcție, temperatură, stare de izolație, inclusiv umiditatea și murdăria de pe suprafața sa și tensiunea aplicată.

Cu unele defecte de izolație (de exemplu, prin deteriorare), dependența rezistenței R3 de tensiune devine neliniară, în timp ce pentru altele, de exemplu, cu umiditate puternică, practic nu se schimbă odată cu creșterea tensiunii. Curentul I3 care circulă prin această ramură se numește curent direct.

Al patrulea circuit este reprezentat în circuitul echivalent al eclatorului MF, care caracterizează rezistența dielectrică a izolației, exprimată numeric prin valoarea tensiunii la care materialul izolator își pierde proprietățile izolante și se defectează sub acțiunea curentului. I4 trecând prin ea.

Acest circuit echivalent de izolare permite nu numai descrierea proceselor care au loc în el atunci când se aplică o tensiune, ci și setarea parametrilor care pot fi observați pentru a evalua starea acestuia.

Metode de încercare a izolației electrice

Cea mai simplă și comună modalitate de a evalua starea izolației și integritatea acesteia este măsurarea rezistenței acesteia cu ajutorul unui megaohmmetru.

Să acordăm atenție faptului că prezența condensatoarelor în circuitul echivalent explică și capacitatea izolației de a acumula sarcini electrice. Prin urmare, înfășurările mașinilor electrice și transformatoarelor înainte și după măsurarea rezistenței de izolație trebuie să fie descărcate prin împământarea terminalului la care megahmmetru conectat.

La măsurarea rezistenței de izolație a mașinilor electrice și a transformatoarelor trebuie monitorizată temperatura înfășurărilor, care se consemnează în raportul de încercare. Cunoașterea temperaturii la care s-au făcut măsurătorile este necesară pentru a compara rezultatele măsurătorilor între ele, deoarece rezistența de izolație se modifică brusc în funcție de temperatură: în medie, rezistența de izolație scade de 1,5 ori odată cu creșterea temperaturii la fiecare 10 ° C. și de asemenea crește odată cu scăderea corespunzătoare a temperaturii.

Datorită faptului că umiditatea, care este întotdeauna conținută în materialele izolante, afectează rezultatele măsurătorilor, determinarea parametrilor care caracterizează calitatea izolației nu se realizează la temperaturi sub + 10 ° C, deoarece rezultatele obținute nu vor da o idee corectă despre adevărata stare de izolare.

La măsurarea rezistenței de izolație a unui produs practic rece, se poate presupune că temperatura izolației este egală cu temperatura ambiantă. În toate celelalte cazuri, temperatura izolației este presupusă condiționat a fi egală cu temperatura înfășurărilor, măsurată prin rezistența lor activă.

Pentru ca rezistența de izolație măsurată să nu difere semnificativ de valoarea reală, rezistența proprie de izolație a elementelor circuitului de măsurare — fire, izolatoare etc. — ar trebui să introducă o eroare minimă în rezultatul măsurării.Prin urmare, atunci când se măsoară rezistența de izolație a dispozitivelor electrice cu o tensiune de până la 1000 V, rezistența acestor elemente trebuie să fie de cel puțin 100 megaohmi, iar la măsurarea rezistenței de izolație a transformatoarelor de putere - nu mai puțin decât limita de măsurare a megaohmmetrului. .

Dacă această condiție nu este îndeplinită, rezultatele măsurătorilor trebuie corectate pentru rezistența de izolație a elementelor circuitului. Pentru a face acest lucru, rezistența de izolație este măsurată de două ori: o dată cu un circuit complet asamblat și produsul conectat și a doua oară cu produsul deconectat. Rezultatul primei măsurători va da rezistența de izolație echivalentă a circuitului și a produsului Re, iar rezultatul celei de-a doua măsurători va da rezistența elementelor circuitului de măsurare Rc. Apoi, rezistența de izolație a produsului

Dacă pentru mașinile electrice ale altor produse nu este stabilită succesiunea de măsurare a rezistenței de izolație, atunci pentru transformatoarele de putere această secvență de măsurare este reglementată de standardul conform căruia se măsoară mai întâi rezistența de izolație a înfășurării de joasă tensiune (BT). Înfășurările rămase, precum și rezervorul, trebuie să fie împământate. În absența unui rezervor, carcasa transformatorului sau scheletul acestuia trebuie împământat.

În prezența a trei înfășurări de tensiune — tensiune mai mică, tensiune medie înaltă și tensiune mai mare — după înfășurarea de joasă tensiune, este necesar să se măsoare rezistența de izolație a înfășurării de medie tensiune și abia apoi tensiunea mai mare.Desigur, pentru toate măsurătorile, bobinele rămase, precum și rezervorul, trebuie să fie împământate, iar bobina neîmpământată trebuie să fie descărcată după fiecare măsurătoare prin conectarea la cutie timp de cel puțin 2 minute. Dacă rezultatele măsurătorilor nu îndeplinesc cerințele stabilite, atunci încercările trebuie completate prin determinarea rezistenței de izolație a înfășurărilor conectate electric între ele.

Pentru transformatoarele cu două înfășurări, rezistența înfășurărilor de înaltă și joasă tensiune trebuie măsurată în raport cu carcasă, iar pentru transformatoarele cu trei înfășurări, trebuie măsurate mai întâi înfășurările de înaltă și medie tensiune, apoi înfășurările de înaltă, medie și joasă tensiune. .

La testarea izolației unui transformator, este necesar să se facă mai multe măsurători pentru a determina nu numai valorile rezistenței echivalente de izolație, ci și pentru a compara rezistența de izolație a înfășurărilor cu alte înfășurări și corpul mașinii.

Rezistența de izolație a mașinilor electrice este de obicei măsurată cu înfășurări de fază interconectate și la locul de instalare - împreună cu cabluri (bare colectoare). Dacă rezultatele măsurătorilor nu îndeplinesc cerințele stabilite, atunci se măsoară rezistența de izolație a fiecărei înfășurări de fază și, dacă este necesar, a fiecărei ramuri a înfășurării.

Trebuie avut în vedere că este dificil să se judece în mod rezonabil starea izolației numai după valoarea absolută a rezistenței de izolație. Prin urmare, pentru a evalua starea de izolare a mașinilor electrice în timpul funcționării, rezultatele acestor măsurători sunt comparate cu rezultatele celor anterioare.

Discrepanțele semnificative, de mai multe ori, între rezistențele de izolație ale fazelor individuale indică de obicei un defect semnificativ. O scădere simultană a rezistenței de izolație pentru toate înfășurările de fază, de regulă, indică o schimbare a stării generale a suprafeței sale.

Când se compară rezultatele măsurătorilor, trebuie reținută dependența rezistenței de izolație de temperatură. Prin urmare, este posibil să se compare între ele rezultatele măsurătorilor efectuate la aceeași temperatură sau la aceeași temperatură.

Când tensiunea aplicată izolației este constantă, curentul total Ii (vezi Fig. 1) care circulă prin aceasta scade cu atât mai mult, cu atât starea izolației este mai bună și, în conformitate cu scăderea curentului Ii, citirile creșterea megaohmmetrului. Datorită faptului că componenta I2 a acestui curent, numită și curent de absorbție, spre deosebire de componenta I3, nu depinde de starea suprafeței izolatoare, precum și de conținutul de contaminare și umiditate, raportul dintre valorile rezistenței de izolație. la anumite momente de timp este luată ca o caracteristică a conținutului de umiditate izolatoare.

Standardele recomandă măsurarea rezistenței de izolație după 15 s (R15) și după 60 s (R60) după conectarea megaohmetrului, iar raportul acestor rezistențe ka = R60 / R15 se numește coeficient de absorbție.

Cu izolație neumedă, ka> 2 și cu izolație umedă — ka ≈1.

Deoarece valoarea coeficientului de absorbție este practic independentă de dimensiunea mașinii electrice și de diverși factori aleatori, acesta poate fi normalizat: ka ≥ 1,3 la 20 ° C.

Eroarea în măsurarea rezistenței de izolație nu trebuie să depășească ± 20%, cu excepția cazului în care este stabilită în mod specific pentru un anumit produs.

În produsele electrice, testele de rezistență electrică supun izolarea înfășurărilor la corp și între ele, precum și izolarea intermediară a înfășurărilor.

Pentru a verifica rezistența dielectrică a izolației bobinelor sau pieselor purtătoare de curent către carcasă, la bornele bobinei sau pieselor purtătoare de curent se aplică o tensiune sinusoidală crescută cu o frecvență de 50 Hz. Tensiunea și durata aplicării acesteia sunt indicate în documentația tehnică pentru fiecare produs specific.

Atunci când se testează rezistența dielectrică a izolației înfășurărilor și a părților sub tensiune pe corp, toate celelalte înfășurări și părți sub tensiune care nu sunt implicate în teste trebuie să fie conectate electric la corpul împământat al produsului. După sfârșitul testului, bobinele trebuie legate la pământ pentru a elimina sarcina reziduală.

În fig. 2 prezintă o diagramă pentru testarea rigidității dielectrice a unei înfășurări a unui motor electric trifazat Supratensiunea este generată de o instalație de testare AG care conține o sursă de tensiune reglată E. Tensiunea se măsoară pe partea de înaltă tensiune cu un voltmetru fotovoltaic. Un ampermetru PA este utilizat pentru a măsura curentul de scurgere prin izolație.

Se consideră că produsul a trecut testul dacă nu există o defecțiune a izolației sau suprapunerea suprafeței și, de asemenea, dacă curentul de scurgere nu depășește valoarea specificată în documentația pentru acest produs. Rețineți că având un ampermetru care monitorizează curentul de scurgere face posibilă utilizarea unui transformator în configurația de testare.

Orez. 2. Schema de testare a rigiditatii dielectrice a izolatiei produselor electrice

Pe lângă testarea tensiunii de frecvență a izolației, izolația este testată și cu tensiune redresată. Avantajul unui astfel de test este posibilitatea de a evalua starea izolației pe baza rezultatelor măsurării curenților de scurgere la diferite valori ale tensiunii de testare.

Pentru a evalua starea izolației se folosește un coeficient de neliniaritate

unde I1.0 și I0.5 sunt curenți de scurgere la 1 min după aplicarea tensiunilor de încercare egale cu valoarea normalizată a Unorm și jumătate din tensiunea nominală a mașinii electrice Urated, kn <1,2.

Cele trei caracteristici luate în considerare - rezistența de izolație, coeficientul de absorbție și coeficientul de neliniaritate - sunt folosite pentru a rezolva problema posibilității de a porni o mașină electrică fără a usca izolația.

La testarea rigidității dielectrice a izolației conform diagramei din fig. 2 toate spirele înfășurării sunt practic la aceeași tensiune față de corp (masă) și, prin urmare, izolația ture-to-turn rămâne neverificată.

O modalitate de a testa rezistența dielectrică a izolației izolatoare este creșterea tensiunii cu 30% față de valoarea nominală. Această tensiune este aplicată de la o sursă de tensiune reglată EK la punctul de testare fără sarcină.

O altă metodă este aplicabilă generatoarelor care funcționează la relanti și constă în creșterea curentului de excitație al generatorului până când se obține tensiunea (1,3 ÷ 1,5) Unom la bornele statorului sau armăturii, în funcție de tipul mașinii.Având în vedere că și în regim de repaus, curenții consumați de înfășurările mașinilor electrice pot depăși valorile lor nominale, standardele permit efectuarea unui astfel de test la o frecvență crescută a tensiunii furnizate înfășurărilor motorului peste valoarea nominală sau la viteza crescută a generatorului.

Pentru testarea motoarelor asincrone este posibilă și o tensiune de testare cu o frecvență de fi = 1,15 fn. În aceleași limite, viteza generatorului poate fi mărită.

Atunci când se testează rezistența dielectrică a izolației într-o astfel de manieră, între spirele bobinei adiacente se va aplica o tensiune egală numeric cu raportul tensiunii aplicate împărțit la numărul de spire ale bobinei. Diferă ușor (cu 30-50%) de cea care există atunci când produsul funcționează la tensiune nominală.

După cum știți, limita de creștere a tensiunii aplicată la bornele bobinei situate pe miez se datorează dependenței neliniare a curentului din această bobină de tensiunea de la bornele sale. La tensiuni apropiate de valoarea nominală Unom, miezul nu este saturat, iar curentul depinde liniar de tensiune (Fig. 3, secțiunea OA).

Pe măsură ce tensiunea crește, U peste curentul nominal din bobină crește brusc, iar la U = 2Unom curentul poate depăși valoarea nominală de zeci de ori. Pentru a crește semnificativ tensiunea pe tură a înfășurării, rezistența izolației dintre spire este testată la o frecvență care este de multe ori (de zece ori sau mai mult) mai mare decât cea nominală.

Orez. 3. Graficul dependenței curentului din bobina cu miez de tensiunea aplicată

Orez. 4.Schema de testare a izolației înfășurării la frecvență de curent crescută

Să luăm în considerare principiul testării izolației intermediare a bobinelor contactorului (Fig. 4). Bobina de testare L2 este plasată pe tija circuitului magnetic divizat. La bornele bobinei L1 se aplică o tensiune U1 cu o frecvență crescută, astfel încât pentru fiecare tură a bobinei L2 să existe o tensiune necesară pentru a testa rezistența dielectrică a izolației de la tură la tură. Dacă izolația înfășurărilor bobinei L2 este în stare bună, atunci curentul consumat de bobina L1 și măsurat cu ampermetrul PA după instalarea bobinei va fi același ca înainte. În caz contrar, curentul din bobina L1 crește.

Orez. 5. Schema de masurare a tangentei unghiului de pierderi dielectrice

Ultima dintre caracteristicile de izolare considerate — tangenta de pierdere dielectrică.

Se știe că izolația are rezistență activă și reactivă, iar atunci când i se aplică o tensiune periodică, prin izolație curg curenți activi și reactivi, adică există puteri active P și Q reactive. Raportul P la Q se numește tangenta unghiului de pierdere dielectrică și se notează tgδ.

Dacă ne amintim că P = IUcosφ și Q = IUsinφ, atunci putem scrie:

tgδ este raportul dintre curentul activ care curge prin izolație la curent reactiv.

Pentru a determina tgδ, este necesar să se măsoare simultan puterea activă și reactivă sau rezistența de izolație activă și reactivă (capacitivă). Principiul măsurării tgδ prin a doua metodă este prezentat în fig. 5, unde circuitul de măsurare este o singură punte.

Brațele punții sunt compuse dintr-un exemplu de condensator C0, condensator variabil C1, rezistență variabilă R1 și R2 constantă, precum și rezistența de izolație și capacități a înfășurării L față de corpul produsului sau al masei, descris în mod convențional ca condensator Cx și rezistența Rx. În cazul în care este necesar să se măsoare tgδ nu pe bobină, ci pe condensator, plăcile sale sunt conectate direct la bornele 1 și 2 ale circuitului de punte.

Diagonala podului include un galvanometru P și o sursă de alimentare, care în cazul nostru este un transformator T.

Ca și în altele circuite de punte procesul de măsurare constă în obţinerea citirilor minime ale aparatului P prin modificarea secvenţială a rezistenţei rezistorului R1 şi a capacităţii condensatorului C1. De obicei, parametrii punții sunt aleși astfel încât valoarea lui tgδ la citirile zero sau minime ale dispozitivului P să fie citită direct pe scara condensatorului C1.

Definiția tgδ este obligatorie pentru condensatoare și transformatoare de putere, izolatoare de înaltă tensiune și alte produse electrice.

Datorită faptului că testele de rigiditate dielectrică și măsurătorile tgδ se efectuează, de regulă, la tensiuni peste 1000 V, trebuie respectate toate măsurile generale și speciale de siguranță.

Procedura de testare a izolației electrice

Parametrii și caracteristicile izolației discutate mai sus trebuie să fie determinate în succesiunea stabilită de standarde pentru anumite tipuri de produse.

De exemplu, la transformatoarele de putere, se determină mai întâi rezistența de izolație și apoi se măsoară tangenta de pierderi dielectrice.

Pentru mașinile electrice rotative, după măsurarea rezistenței de izolație înainte de testarea rigidității dielectrice a acesteia, este necesar să se efectueze următoarele încercări: la frecvență de rotație crescută, cu o suprasarcină de scurtă durată de curent sau cuplu, cu un scurtcircuit brusc (dacă este destinat acestei mașini sincrone), testul de izolare a tensiunii redresate a înfășurărilor (dacă este specificat în documentația pentru această mașină).

Standardele sau specificațiile pentru anumite tipuri de mașini pot completa această listă cu alte teste care pot afecta rezistența dielectrică a izolației.