Определение электрической прочности изоляции кабелей и образцов диэлектриков

Напряжение, приложенное к электрической изоляции, должно быть значительно ниже того значения, при котором электроизоляционный материал разрушается. Поэтому испытания высоким напряжением являются весьма широко распространенными в электроизоляционной и кабельной технике. При этом, как правило, определяют Е_пр (электрическую прочность) материала, из которого изготовлена изоляция конструкции. Электрическая прочность диэлектрика – минимальная напряженность однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика. Измеряется она [В/м].

Методы определения Е_пр при переменном (частоты 50 Гц) и постоянном напряжении твердых диэлектриков определены ГОСТ 6433.3 – 71. Образцы материалов для испытаний не должны иметь видимых короблений, трещин, сколов, вмятин, загрязнений и царапин. Для определения Е_пр применяют образцы трех типов – плоские, трубчатые и ленточные.

При определении Е_пр параллельно поверхности образца или у слоистых материалов вдоль слоев проводят на образцах, форма которых совпадает с образцами для определения внутреннего сопротивления. Также совпадают и размеры образцов.

В случае, если толщина образца не позволяет определить Е_пр в направлении, перпендикулярном к поверхности образца, то испытания надо проводить на образцах с расточкой, как и при измерении ε и tgδ (расточка делается под размер большего электрода).

Определение электрической прочности лаков производят на образцах в виде пленок, нанесенных на подложку из бумаги, стеклоткани или металлической пластинки.

Для керамических материалов предпочтительной является форма образца, приведенная на рисунке:

Условия нормализации и кондиционирования образцов выбираются из числа указанных в ГОСТ 6433.3 – 71.

Всегда образцы измеряются до начала испытаний.

Электроды для испытаний твердых диэлектриков должны удовлетворять тем же требованиям, что и при определении ρ_v, R_x, ρ_S. При определении Е_пр могут применяться:

• массивные металлические электроды;

• фольговые;

• пленочные (методом распыления в вакууме или вжиганием);

• графитовые;

• водяные (водопроводная вода – испытываются водостойкие трубки при tº от +15 до +35ºС).

Если электроды разной величины, то больший из них соединяется с заземленным выводом обмотки высокого напряжения испытательного трансформатора, или с тем из них, потенциал которого ближе к потенциалу земли.

Для плоских образцов применяют два цилиндрических электрода разных диаметров. Для получения поля, близкого к однородному, диаметр нижнего электрода должен не менее, чем в 3 раза превышать диаметр верхнего электрода. Могут применяться и электроды одинакового размера. Края электродов закругляются.

Диаметр верхнего электрода, мм	10	25	25	50
Радиус закругления, мм	1,0	3,0	2,5	2,5

Для испытаний плоских материалов (кроме керамики) предпочтительными являются следующие электроды: верхний диаметром 25 мм и высотой не менее 25 мм, нижний электрод диаметром 75 мм и высотой 15 мм, радиус закругления краев 3,0 мм.

Для керамических образцов - нижний - такой же, верхний полусферический или сферический диаметром 25 мм (см. рисунок).

Для определения Е_пр узких полос и ленточных материалов применяются: а) два одинаковых цилиндрических электрода диаметром 6 мм с радиусом закругления краев 1 мм, коаксиально помещенных в специальном приспособлении; б) два одинаковых металлических электрода в виде прямоугольных пластин 5 x 100 мм с радиусом закругления краев 0,5 мм.

Для определения Е_пр материалов на трубчатых образцах длина наружного электрода должна составлять 25 или 75 мм. Внутренний электрод на образцах с внутренним диаметром до 100 мм должен выступать за внешний не менее чем на 25 мм. На образцах с внутренним диаметром более 100 мм в качестве внутреннего электрода применяют диск из металлической фольги диаметром 25 мм, плотно притертый к внутренней поверхности цилиндра под внешним электродом шириной 75 мм.

Для определения Е_пр в направлении параллельном поверхности образца (вдоль слоев – у слоистых материалов) применяют конические штифтовые электроды диаметром 5 мм с конусностью 1 : 50. Если же при испытании возникает перекрытие по поверхности, то допускается применение электродов в виде цилиндрических металлических штифтов диаметром 5 мм и длиной не менее 50 мм, которые имеют торец в виде полусферы и вставляются плотно в несквозные отверстия, просверленные в материале с разных сторон образца.

При определении Е_пр жидких электроизоляционных материалов используют специальные ячейки, представляющие собой сосуд (как правило – электроизоляционное стекло, пластмасса, кварц), в стенки которого вмонтированы электроды из латуни в виде полусфер радиусом 25 мм. Расстояние между электродами составляет 2,5 ± 0,05 мм.

Количество образцов (количество испытаний – для жидких материалов) указывается в стандарте или ТУ на материал, при этом число пробоев должно быть не менее 5. В случае испытания узких полос и ленточных материалов электродами диаметром 6 мм количество пробоев должно быть не менее 10.

Установка для определения Е_пр при переменном (частоты 50 Гц) напряжении

Типовая схема установки, применяемая в лаборатории кафедры ФЭМАЭК, приведена на рисунке.

Высокое напряжение подается на образец от вторичной обмотки повышающего трансформатора Тр.

Высоковольтная часть установки находится за специальным заземленным ограждением, дверь в которое обязательно снабжена блок-контактами БК.

Напряжение на Тр от сети подается через регулирующее устройство (РНО), которое подключается к Тр только при срабатывании нормально разомкнутых основных контактов магнитного пускателя.

После включения рубильника, если закрыта дверца камеры, загорается лампа Л2. Затем нажимается кнопка «Пуск» магнитного пускателя. Через обмотку пускателя ОП пойдет ток, и все контакты магнитного пускателя замыкаются, а кнопка «П» оказывается заблокированной. На Тр подается напряжение, при этом сигнализирует о подключении Тр лампочка Л4.

При пробое образца срабатывает реле максимального тока, отключающее первичную цепь трансформатора Тр.

Открытие двери ограждения приводит к размыканию БК и магнитный пускатель отключает установку. При этом, даже если пускатель не сработает, то РНО с одного конца все равно будет отключен, и высокого напряжения на образце не будет.

Измерение напряжения при пробое ГОСТ допускает как на стороне высокого напряжения (непосредственно на образце), так и на стороне низкого напряжения. Однако предпочтительным является измерение напряжения на высокой стороне. При этом используются, соответственно, киловольтметр, либо вольтметр с трансформатором напряжения, или вольтметр.

Во всех случаях, кроме измерения напряжения на образце амплитудным киловольтметром, шкала измерительного прибора должна быть проградуирована при помощи измерительного шарового разрядника или киловольтметра. Если при присоединении испытываемого образца коэффициент трансформации испытательного трансформатора существенно меняется, то градуировка измерительной схемы должна производиться при присоединенном образце. Погрешность измерения напряжения не должна превышать 4%.

В представленной схеме имеется ряд элементов, назначение которых следует рассмотреть.

Вольтметр V – класса 0,5 нужен для контроля положения регулятора напряжения.

R_з – защитное сопротивление, которое выбирается исходя из динамической устойчивости трансформатора. Если же такие данные отсутствуют, то R_з должно быть в пределах от 0,2 до 1 Ом на 1 В высокого напряжения. Как правило – это стеклянная или резиновая трубка со смесью дистиллированной и водопроводной воды. Это сопротивление сглаживает ток короткого замыкания в обмотке трансформатора только при пробое образца. Вместе с тем, оно не должно быть большим, т.к. образец может не пробиться.

В качестве Тр берется обычно испытательный трансформатор, у которого один вывод заземляется, а значит, входной ввод рассчитан на полное напряжение.

Мощность высоковольтного трансформатора должна быть достаточной для того, чтобы установившийся ток к.з. (действующее значение) на стороне высокого напряжения был не менее 40 мА при испытании твердых диэлектриков, и не менее 20 мА при испытании жидких диэлектриков.

Расчет мощности:

W = U_макс·I_к.з. = 40 мА · 50 кВ = 2 кВт

Марка испытательного трансформатора ИОМ – 100/25 (100 – напряжение в кВ).

Промышленностью выпускаются специальные пробивные установки для испытаний различных диэлектриков.

АИИ – 70 – аппарат испытания изоляции, максимальное напряжение на постоянном токе 70 кВ, а на переменном - 50 кВ. Позволяет испытывать образцы кабелей.

АИМ – 80 – аппарат испытания масел и других жидких диэлектриков. Действующее значение напряжения на переменном токе до 80 кВ.

В 80-х годах ХХ века центральным предприятием ПЭО «Одессаэнерго» был разработан аппарат с 6-ю малогабаритными сосудами (по 50 мл) со стандартными электродами для испытаний на пробой масла во всех сосудах за один подъем испытательного напряжения. Таким образом, исключалось время на перемешивание и промежуточный отстой масла после каждого пробоя, которое составляет до 5 минут.

Схема устройства показана на рисунке.

Пробой в каждом сосуде приводит к отключению его контактами С₀ от трансформатора. С помощью специальных сигнальных ламп устанавливается момент пробоя в каждой ячейке.

При испытаниях на переменном напряжении определение U_пр проводят как при плавном, так и при ступенчатом подъеме напряжения (способ указывается в стандартах или ТУ на материал).

Шаровой разрядник

Применяется в качестве прибора для измерения пробивного напряжения, как правило, при напряжениях свыше 30 кВ. До 30 кВ U_пр измеряется киловольтметром. Пробивное напряжение разрядника связано определенной зависимостью с расстоянием между сферическими электродами данного диаметра. Амплитуда напряжения с погрешностью не более ± 3%. Различают симметричное и несимметричное включение шарового разрядника.

Шаровой разрядник применяется для измерения постоянного напряжения, а также максимального (амплитудного) значения переменного и импульсного напряжений, в том числе грозового и срезанного импульсов напряжения.

Пробивное напряжение воздуха для шарового разрядника определяют с помощью таблиц, в которых значения пробивного напряжения даются в зависимости от диаметра шаров d и расстояния между ними S для нормальных условий (760 мм рт.ст., 20ºС).

Например, при расстоянии в 1 см между шарами d = 10 см при симметричном и несимметричном включении разрядников U_пр = 31,6 кВ.

Влияние окружающей обстановки на шаровой разрядник зависит от полярности напряжения и существенно лишь при S/d > 0,2. Нормированная точность измерений сохраняется до S/d = 0,5.

Когда условия испытаний отличаются от нормальных, то истинное U_пр находят с помощью поправочного коэффициента:

U_пр = a · U_{пр 0} ,

где «a» находится в зависимости от относительной плотности воздуха (δ), которая определяется по формуле

.

Здесь 101,3 – нормальное давление в кПа; Т – температура окружающей среды в ºС; p – давление воздуха при испытаниях.

δ	А
0,70	0,72
0,75	0,77
0,80	0,81
0,85	0,86
0,90	0,91
0,95	0,95
1,0	1,0
1,05	1,05
1,10	1,09
1,15	1.13

При применении шарового разрядника можно отградуировать испытательный трансформатор, т.е. определить коэффициент трансформации в функции напряжения

.

Установка для определения U_пр на постоянном напряжении

При испытании постоянным напряжением в цепь вторичной обмотки в той же схеме, что и для испытаний при f = 50 Гц, включается высоковольтный выпрямитель.

Выпрямительное устройство ВУ в любых условиях испытаний материалов должно обеспечивать возможность пробоя образца выпрямленным напряжением с пульсацией, не превышающей 5% амплитудного значения. Применяемые в настоящее время выпрямительные схемы обеспечивают еще более низкий уровень пульсаций.

Что касается измерений напряжений и других требований к установке, то они полностью соответствуют требованиям к установкам для определения U_пр на переменном (50 Гц) напряжении.

Конденсатор С – новый элемент схемы – служит для сглаживания пульсаций напряжения.

При напряжениях до 50 кВ можно использовать однополупериодную схему выпрямления (на месте ВУ – один, например, диод). При более высоких напряжениях рекомендуется схема удвоения или умножения напряжения с двумя выпрямителями.

Здесь один конденсатор С₁ заряжается через выпрямитель В₁ в течение первого полупериода напряжения, а другой – С₂ заряжается через В₂ в следующий полупериод (обратной полярности). Каждый конденсатор заряжается до напряжения U, равного примерно амплитуде напряжения на высоковольтной обмотке трансформатора Тр. К образцу, таким образом, прикладывается симметричное относительно земли напряжение, значение которого близко к удвоенному амплитудному значению напряжения, т.е. U_обр ≈ 2U. Приблизительно – из-за частичного разряда конденсаторов, вызванного токами утечки.

Здесь представлена симметричная схема, а может применяться и несимметричная - для испытания образцов с одним заземленным электродом, а также однополюсно заземленных изоляционных конструкций (например, по типу «перевернутого» моста).

Комбинированная установка для измерения U_пр на постоянном и переменном (частоты 50 Гц) напряжении

Принципиальная схема (высоковольтная часть) показана на рисунке.

Здесь Р₁, Р₂ и Р₃ – высоковольтные разъединители. При измерении на переменном напряжении отключены Р₂ и Р₃. На постоянном напряжении отключается Р₁, а Р₂ и Р₃ – включаются.

Разъединитель – металлическая пластинка, укрепленная на опорных изоляторах. Один контакт – неподвижный, а второй – может замыкаться-размыкаться.

При работе на постоянном напряжении надо выполнять некоторые дополнительные важные требования охраны труда. Прежде чем, после открытия дверцы испытательной установки, прикасаться к металлическим частям ее и к образцу, необходимо разрядить образец и контакты установки заземленным разрядником, укрепленным на длинной изоляционной рукоятке.

Как правило в установке имеются дополнительные блок-контакты, которые, при открытии дверцы камеры, автоматически заземляют высоковольтный выход испытательной установки и конденсатора.