Elektriske isolasjonsegenskaper og tester

Egenskaper og tilsvarende krets av elektrisk isolasjon

Som du vet, brukes begrepet «isolasjon» i praksis for å referere til to begreper:

1) en metode for å forhindre dannelse av elektrisk kontakt mellom deler av et elektrisk produkt,

2) materialer og produkter fra dem brukt til å bruke denne metoden.

Elektriske isolasjonsmaterialer under påvirkning av en spenning påført dem, oppdages egenskapen til å lede en elektrisk strøm. Selv om verdien av ledningsevnen til elektriske isolasjonsmaterialer er flere størrelsesordener lavere enn for ledninger, spiller den likevel en betydelig rolle og bestemmer i stor grad påliteligheten til driften av et elektrisk produkt.

Under påvirkning av en spenning påført isolasjonen, flyter en strøm gjennom den, kalt lekkasjestrøm, som endres med tiden.

For å studere og illustrere egenskapene til elektrisk isolasjon, er det vanlig å representere den i form av en viss modell kalt en ekvivalent krets (fig. 1), som inneholder fire elektriske kretser koblet parallelt.Den første av dem inneholder bare kondensatoren C1, kalt geometrisk kapasitans.

Ris. 1. Ekvivalent krets av elektrisk isolasjon

Tilstedeværelsen av denne kapasitansen forårsaker utseendet til en øyeblikkelig innkoblingsstrøm som oppstår når en likespenning påføres isolasjonen, som avtar på nesten noen få sekunder, og en kapasitiv strøm som flyter gjennom isolasjonen når en vekselspenning påføres den. Denne kapasiteten kalles geometrisk fordi den avhenger av isolasjonen: dens dimensjoner (tykkelse, lengde osv.) og plasseringen mellom den strømførende delen A og huset (jord).

Den andre ordningen karakteriserer den interne strukturen og egenskapene til isolasjonen, inkludert dens struktur, antall grupper av kondensatorer og motstander koblet parallelt. Strømmen I2 som flyter gjennom denne kretsen kalles absorpsjonsstrømmen. Startverdien til denne strømmen er proporsjonal med arealet av isolasjonen og omvendt proporsjonal med tykkelsen.

Hvis de strømførende delene av et elektrisk produkt er isolert med to eller flere lag isolasjon (for eksempel ledningsisolasjon og spoleisolasjon), er absorpsjonsgrenen i den ekvivalente kretsen representert i form av to eller flere seriekoblede grupper av en kondensator og en motstand som karakteriserer egenskapene på et av isolasjonslagene. I denne ordningen vurderes en to-lags isolasjon, hvis lag er erstattet av en gruppe elementer av kondensator C2 og motstand R1, og den andre av C3 og R2.

Den tredje kretsen inneholder en enkelt motstand R3 og karakteriserer isolasjonstapet når en likespenning påføres den.Motstanden til denne motstanden, også kalt isolasjonsmotstand, avhenger av mange faktorer: størrelse, materiale, konstruksjon, temperatur, isolasjonstilstand, inkludert fuktighet og smuss på overflaten, og påført spenning.

Med noen isolasjonsfeil (for eksempel gjennom skade) blir avhengigheten av motstanden R3 av spenningen ikke-lineær, mens for andre, for eksempel med sterk fuktighet, endres den praktisk talt ikke med økende spenning. Strømmen I3 som strømmer gjennom denne grenen kalles foroverstrømmen.

Den fjerde kretsen er representert i den ekvivalente kretsen til MF-gnistgapet, som karakteriserer den dielektriske styrken til isolasjonen, numerisk uttrykt ved verdien av spenningen der isolasjonsmaterialet mister sine isolerende egenskaper og brytes ned under påvirkning av strømmen I4 passerer gjennom den.

Denne isolasjonsekvivalente kretsen tillater ikke bare å beskrive prosessene som foregår i den når en spenning påføres, men også å sette parametere som kan observeres for å vurdere tilstanden.

Testmetoder for elektrisk isolasjon

Den enkleste og vanligste måten å vurdere tilstanden til isolasjonen og dens integritet på er å måle motstanden ved hjelp av et megohmmeter.

La oss ta hensyn til det faktum at tilstedeværelsen av kondensatorer i den tilsvarende kretsen også forklarer isolasjonens evne til å akkumulere elektriske ladninger. Derfor må viklingene til elektriske maskiner og transformatorer før og etter måling av isolasjonsmotstanden utlades ved å jorde terminalen som tilkoblet megohmmeter.

Ved måling av isolasjonsmotstanden til elektriske maskiner og transformatorer må temperaturen på viklingene overvåkes, noe som registreres i testrapporten. Å kjenne til temperaturen som målingene ble gjort ved er nødvendig for å sammenligne måleresultatene med hverandre, fordi isolasjonsmotstanden endres kraftig avhengig av temperaturen: i gjennomsnitt synker isolasjonsmotstanden med 1,5 ganger med en økning i temperaturen hver 10 ° C og øker også med tilsvarende temperaturreduksjon.

På grunn av det faktum at fuktighet, som alltid er inneholdt i isolasjonsmaterialer, påvirker måleresultatene, utføres ikke bestemmelsen av parametere som karakteriserer kvaliteten på isolasjonen ved temperaturer under + 10 ° C, siden de oppnådde resultatene ikke vil gi en riktig oppfatning av den sanne isolasjonstilstanden.

Ved måling av isolasjonsmotstanden til et praktisk talt kaldt produkt, kan isolasjonstemperaturen antas lik omgivelsestemperaturen. I alle andre tilfeller er temperaturen på isolasjonen betinget antatt å være lik temperaturen på viklingene, målt ved deres aktive motstand.

For at den målte isolasjonsmotstanden ikke skiller seg vesentlig fra den sanne verdien, bør den egen isolasjonsmotstanden til elementene i målekretsen - ledninger, isolatorer, etc. - introdusere en minimumsfeil i måleresultatet.Derfor, når du måler isolasjonsmotstanden til elektriske enheter med en spenning på opptil 1000 V, må motstanden til disse elementene være minst 100 megohm, og når du måler isolasjonsmotstanden til krafttransformatorer - ikke mindre enn målegrensen til megohmmeteret .

Dersom denne betingelsen ikke er oppfylt, må måleresultatene korrigeres for isolasjonsmotstanden til kretselementene. For å gjøre dette måles isolasjonsmotstanden to ganger: en gang med en ferdig montert krets og produktet tilkoblet, og andre gang med produktet frakoblet. Resultatet av den første målingen vil gi den ekvivalente isolasjonsmotstanden til kretsen og produktet Re, og resultatet av den andre målingen vil gi motstanden til elementene i målekretsen Rc. Deretter isolasjonsmotstanden til produktet

Hvis sekvensen for å måle isolasjonsmotstanden ikke er etablert for elektriske maskiner av noen andre produkter, er denne målesekvensen for krafttransformatorer regulert av standarden i henhold til hvilken isolasjonsmotstanden til lavspenningsviklingen (LV) måles først. De resterende viklingene, samt tanken, må jordes. I mangel av tank må transformatorhuset eller skjelettet jordes.

I nærvær av tre spenningsviklinger - lavere spenning, middels høy spenning og høyere spenning - etter lavspenningsviklingen, er det nødvendig å måle isolasjonsmotstanden til mellomspenningsviklingen og først da den høyere spenningen.For alle målinger må naturligvis de resterende spolene, samt tanken, jordes, og den ujordede spolen må tømmes ut etter hver måling ved å koble til boksen i minst 2 minutter. Hvis resultatene av målingene ikke oppfyller de etablerte kravene, må testene suppleres med å bestemme isolasjonsmotstanden til viklingene som er elektrisk koblet til hverandre.

For to-viklingstransformatorer bør motstanden til høy- og lavspenningsviklingene måles i forhold til saken, og for tre-viklingstransformatorer bør høy- og mellomspenningsviklingene måles først, deretter høy-, middels- og lavspenningsviklingene. .

Når du tester isolasjonen til en transformator, er det nødvendig å gjøre flere målinger for å bestemme ikke bare verdiene til den ekvivalente isolasjonsmotstanden, men også for å sammenligne isolasjonsmotstanden til viklingene med andre viklinger og maskinkroppen.

Isolasjonsmotstanden til elektriske maskiner måles vanligvis med sammenkoblede faseviklinger, og på installasjonsstedet - sammen med kabler (samleskinner). Hvis måleresultatene ikke oppfyller de etablerte kravene, måles isolasjonsmotstanden til hver fasevikling og om nødvendig hver gren av viklingen.

Det bør tas i betraktning at det er vanskelig å bedømme tilstanden til isolasjonen på en rimelig måte ut fra den absolutte verdien av isolasjonsmotstanden alene. Derfor, for å evaluere isolasjonstilstanden til elektriske maskiner under drift, sammenlignes resultatene av disse målingene med resultatene fra de foregående.

Betydelige, flere ganger, avvik mellom isolasjonsmotstandene til individuelle faser indikerer vanligvis en betydelig defekt. En samtidig reduksjon i isolasjonsmotstand for alle faseviklinger indikerer som regel en endring i den generelle tilstanden til overflaten.

Når du sammenligner måleresultatene, bør avhengigheten av isolasjonsmotstanden på temperaturen huskes. Derfor er det mulig å sammenligne resultatene av målinger utført ved samme eller lignende temperatur med hverandre.

Når spenningen som påføres isolasjonen er konstant, avtar den totale strømmen Ii (se fig. 1) som strømmer gjennom den jo mer, jo bedre tilstanden til isolasjonen er, og i samsvar med reduksjonen i strømmen Ii, vil avlesningene til megaohmmeter økning. På grunn av det faktum at I2-komponenten til denne strømmen, også kalt absorpsjonsstrømmen, i motsetning til I3-komponenten, ikke avhenger av tilstanden til den isolerende overflaten, så vel som av forurensning og fuktighetsinnhold, forholdet mellom isolasjonsmotstandsverdiene i gitte øyeblikk av tid tar det som en karakteristikk av isolerende fuktighetsinnhold.

Standardene anbefaler å måle isolasjonsmotstanden etter 15 s (R15) og etter 60 s (R60) etter tilkobling av megohmmeteret, og forholdet mellom disse motstandene ka = R60 / R15 kalles absorpsjonskoeffisienten.

Med ikke-fuktig isolasjon, ka> 2, og med fuktig isolasjon — ka ≈1.

Siden verdien av absorpsjonskoeffisienten er praktisk talt uavhengig av størrelsen på den elektriske maskinen og forskjellige tilfeldige faktorer, kan den normaliseres: ka ≥ 1,3 ved 20 ° C.

Feilen i måling av isolasjonsmotstand bør ikke overstige ± 20 %, med mindre det er spesifikt etablert for et spesifikt produkt.

I elektriske produkter utsetter elektriske styrketester isolasjonen av viklingene til kroppen og hverandre, så vel som den mellomliggende isolasjonen til viklingene.

For å kontrollere den dielektriske styrken til isolasjonen til spoler eller strømførende deler til huset, påføres en økt sinusformet spenning med en frekvens på 50 Hz til terminalene til den testede spolen eller strømførende deler. Spenningen og varigheten av bruken er angitt i den tekniske dokumentasjonen for hvert enkelt produkt.

Ved testing av den dielektriske styrken til isolasjonen av viklinger og strømførende deler til kroppen, må alle andre viklinger og strømførende deler som ikke er involvert i testene, kobles elektrisk til produktets jordede kropp. Etter slutten av testen bør spolene jordes for å fjerne restladningen.

I fig. 2 viser et diagram for testing av den dielektriske styrken til en vikling av en trefaset elektrisk motor Overspenningen genereres av en testinstallasjon AG inneholdende en regulert spenningskilde E. Spenningen måles på høyspentsiden med et fotovoltaisk voltmeter. Et amperemeter PA brukes til å måle lekkasjestrømmen gjennom isolasjonen.

Produktet anses å ha bestått testen dersom det ikke er noen sammenbrudd i isolasjonen eller overlapping av overflaten, og også hvis lekkasjestrømmen ikke overstiger verdien spesifisert i dokumentasjonen for dette produktet. Merk at det å ha et amperemeter som overvåker lekkasjestrømmen gjør det mulig å bruke en transformator i testoppsettet.

Ris. 2. Opplegg for testing av den dielektriske styrken til isolasjonen til elektriske produkter

I tillegg til frekvensspenningstesting av isolasjon, testes også isolasjon med likerettet spenning. Fordelen med en slik test er muligheten til å vurdere tilstanden til isolasjonen basert på resultatene av å måle lekkasjestrømmene ved forskjellige verdier av testspenningen.

For å evaluere tilstanden til isolasjonen, brukes den en ikke-linearitetskoeffisient

hvor I1.0 og I0.5 er lekkasjestrømmer 1 min etter påføring av testspenninger lik normalisert verdi av Unorm og halvparten av merkespenningen til den elektriske maskinen Urated, kn <1,2.

De tre karakteristikkene som vurderes - isolasjonsmotstand, absorpsjonskoeffisient og ikke-linearitetskoeffisient - brukes til å løse spørsmålet om muligheten for å slå på en elektrisk maskin uten å tørke ut isolasjonen.

Ved testing av den dielektriske styrken til isolasjonen i henhold til diagrammet i fig. 2 har alle viklingene praktisk talt samme spenning i forhold til kroppen (jord), og derfor forblir sving-til-sving-isolasjonen ukontrollert.

En måte å teste den dielektriske styrken til den isolerende isolasjonen på er å øke spenningen med 30 % sammenlignet med den nominelle. Denne spenningen påføres fra en regulert spenningskilde EK til tomgangstestpunktet.

En annen metode er anvendelig for generatorer som opererer i tomgang og består i å øke eksitasjonsstrømmen til generatoren til spenningen (1,3 ÷ 1,5) Unom oppnås ved terminalene til statoren eller ankeret, avhengig av maskintype.Gitt at selv i hvilemodus kan strømmene som forbrukes av viklingene til elektriske maskiner overskride deres nominelle verdier, tillater standardene at en slik test utføres med en økt frekvens av spenningen som tilføres motorviklingene over den nominelle verdien eller kl. økt generatorhastighet.

For testing av asynkronmotorer er det også mulig å bruke en testspenning med en frekvens på fi = 1,15 fn. Innenfor de samme grensene kan hastigheten til generatoren økes.

Ved testing av den dielektriske styrken til isolasjonen på en slik måte, vil en spenning numerisk lik forholdet mellom den påtrykte spenningen delt på antall vindinger av spolen påføres mellom tilstøtende spolevindinger. Den skiller seg litt (med 30-50%) fra den som eksisterer når produktet opererer med nominell spenning.

Som du vet, er grensen for spenningsøkning påført til terminalene til spolen som er plassert på kjernen på grunn av den ikke-lineære avhengigheten av strømmen i denne spolen av spenningen på terminalene. Ved spenninger nær den nominelle verdien Unom er kjernen ikke mettet og strømmen avhenger lineært av spenningen (fig. 3, avsnitt OA).

Når spenningen øker, øker U over den nominelle strømmen i spolen kraftig, og ved U = 2Unom kan strømmen overstige den nominelle verdien med titalls ganger. For å øke spenningen betraktelig per omdreining av viklingen, testes styrken på isolasjonen mellom vindingene med en frekvens som er mange ganger (ti ganger eller mer) høyere enn den nominelle.

Ris. 3. Graf over avhengigheten av strømmen i spolen med en kjerne av den påtrykte spenningen

Ris. 4.Viklingsisolasjonstestskjema ved økt strømfrekvens

La oss vurdere prinsippet om å teste den mellomliggende isolasjonen til kontaktorspoler (fig. 4). Testspolen L2 plasseres på stangen til den delte magnetiske kretsen. En spenning U1 påføres terminalene til spolen L1 med økt frekvens, slik at det for hver omdreining av spolen L2 er nødvendig for å teste den dielektriske styrken til isolasjonen fra sving til sving. Hvis isolasjonen til viklingene til spolen L2 er i god stand, vil strømmen som forbrukes av spolen L1 og målt med amperemeteret PA etter installasjonen av spolen være den samme som før. Ellers øker strømmen i spolen L1.

Ris. 5. Skjema for måling av tangenten til vinkelen for dielektriske tap

Den siste av de betraktede isolasjonsegenskapene — dielektrisk taptangens.

Det er kjent at isolasjon har aktiv og reaktiv motstand, og når en periodisk spenning påføres den, flyter aktive og reaktive strømmer gjennom isolasjonen, det vil si at det er aktive P- og reaktive Q-krefter. Forholdet P til Q kalles tangenten til den dielektriske tapsvinkelen og er betegnet tgδ.

Hvis vi husker at P = IUcosφ og Q = IUsinφ, så kan vi skrive:

tgδ er forholdet mellom den aktive strømmen som flyter gjennom isolasjonen til reaktiv strøm.

For å bestemme tgδ er det nødvendig å måle aktiv og reaktiv effekt eller aktiv og reaktiv (kapasitiv) isolasjonsmotstand samtidig. Prinsippet for å måle tgδ ved den andre metoden er vist i fig. 5, hvor målekretsen er en enkelt bro.

Armene på broen er sammensatt av en eksempel kondensator C0, variabel kondensator C1, variabel R1 og konstant R2 motstander, samt kapasitansen og isolasjonsmotstanden til viklingen L til kroppen til produktet eller massen, konvensjonelt avbildet som kondensator Cx og motstand Rx. I tilfelle det er nødvendig å måle tgδ ikke på spolen, men på kondensatoren, er platene koblet direkte til terminalene 1 og 2 på brokretsen.

Diagonalen til broen inkluderer et galvanometer P og en strømkilde, som i vårt tilfelle er en transformator T.

Som i andre brokretser Måleprosessen består i å oppnå minimumsavlesningene til enheten P ved å sekvensielt endre motstanden til motstanden R1 og kapasitansen til kondensatoren C1. Vanligvis velges parametrene til broen slik at verdien av tgδ ved null eller minimum avlesninger av enheten P leses direkte på skalaen til kondensatoren C1.

Definisjonen av tgδ er obligatorisk for kraftkondensatorer og transformatorer, høyspenningsisolatorer og andre elektriske produkter.

På grunn av det faktum at dielektriske styrketester og tgδ-målinger utføres, som regel, ved spenninger over 1000 V, må alle generelle og spesielle sikkerhetstiltak overholdes.

Testprosedyre for elektrisk isolasjon

Parametrene og egenskapene til isolasjonen diskutert ovenfor må bestemmes i rekkefølgen fastsatt av standardene for spesifikke typer produkter.

For eksempel, i krafttransformatorer, bestemmes først isolasjonsmotstanden og deretter måles den dielektriske taptangensen.

For roterende elektriske maskiner, etter å ha målt isolasjonsmotstanden før testing av dens dielektriske styrke, er det nødvendig å utføre følgende tester: ved økt rotasjonsfrekvens, med en kortvarig strøm- eller dreiemomentoverbelastning, med en plutselig kortslutning (hvis det er beregnet for denne synkronmaskinen), isolasjonstest av den likerettede spenningen til viklingene (hvis spesifisert i dokumentasjonen for denne maskinen).

Standarder eller spesifikasjoner for spesifikke maskintyper kan supplere denne listen med andre tester som kan påvirke den dielektriske styrken til isolasjonen.