41

Федеральное агентство по образованию РФ

Пермский государственный технический университет

Кафедра Конструирования и технологии электрической изоляции

Силуянов Александр Юрьевич

КУРС ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

"МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ"

Часть I

г. Пермь 2005 г.

ВВЕДЕНИЕ

Задача, которая стоит перед наукой, - это иссле­дование химических про­цессов, разработка новых, наиболее совершенных технологических мето­дов, создание высококачест­венных и дешевых искусственных и синтетиче­ских ма­териалов для всех отраслей народного хозяйства. Широкое использо­вание электроавтоматики в машинах и аппаратах, развитие промышленной электро­ники и вычислительной техники, осуществление комплексной автома­тизации производства - все это, связано с применением самых разно­образных электро­изоляционных материалов.

Испытания электроизоляционных материалов играют важную роль при исследовании, разработке и изготовлении электриче­ских машин и аппаратов, изолированных проводов и кабелей, усилителей и преобразователей и т.п. Ка­чество электрической изоляции определяет в значительной степени срок службы элек­тротехнических устройств и электронной аппаратуры, а также уровень их надежности.

Рассматривая, например, кабельные изделия можно отметить, что они должны отвечать многочисленным и разносторонним требованиям в отноше­нии электрических характеристик изоляции и их стабильности во времени, ме­ханической прочности, электропроводности токопроводящих жил, герметич­ности металлических оболочек, коррозионной стойкости и т.д.

Кабельные изделия по применению можно разделить на три группы:

• кабели для передачи и распределения электрической энергии,

• обмоточные провода

• кабели связи.

Характеристики этих групп кабелей и методы их оценки существенно различаются.

Для силовых кабелей, работающих при высоких напряжениях, необхо­димы испытания, которые позволяют определить электрическую прочность, тангенс угла диэлектрических потерь, сопротивление изоляции. Для кабелей и проводов с пластмассовой и резиновой изоляцией, работающих при напряже­нии до 1 кВ, добавляются испытания механических и электрических характе­ристик в условиях воздействия повышенных (или пониженных) температур, повышенной влажности, солнечной радиации и других факторов. Для всех этих изделий необходимо определять допустимый ток нагрузки.

Основной целью испытаний обмоточных проводов является определе­ние надежности их работы в составе электротехнических устройств в опреде­лен­ном диапазоне температур. Определяется электрическая прочность и меха­ни­ческие характеристики их изоляции при воздействии различных факторов, ха­рактерных для данного электротехнического устройства.

Кабели связи предназначены для передачи информации при повышен­ных частотах. При этом кабели представляют собой линии с распределенными па­раметрами. Характеристики линий - затухание, волновое сопротивление и пе­реходное затухание. Методы их измерений существенно отличаются от ме­то­дов испытаний первых двух групп изделий.

Разнообразие материалов и кабельных изделий приводит к применению большого количества самых различных методов испытаний. В кабельной про­мышленности используются более 50 стандартов на методы испытаний, а также многочисленные технические условия и руководящие документы.

2990-78. Кабели, провода и шнуры. Методы испытаний напряжением.

3345-76. Кабели, провода и шнуры. Метод определения электрического сопротивления изоляции.

10446-80. Проволока. Метод испытания на растяжение.

12176-76. Кабели, провода и шнуры. Метод проверки на нераспростра­не­ние горения.

12179-76. Кабели и шнуры. Метод определения тангенса угла диэлек­три­ческих потерь.

14340.8-69. Провода эмалированные круглые. Методы испытаний стой­кости изоляции к воздействию растворителей, масла и воды.

20.57.406-81. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электрические. Методы испытаний.

26814-86. Кабели оптические. Методы измерения параметров.

Чтобы рассмотреть все методы испытаний потребуется слишком много времени, поэтому рассмотрим наиболее широко применяемые методы испы­таний кабельных изделий и материалов, которые применяют в кабельной тех­нике.

Качество выпускаемых кабельных изделий контролируется путем про­ве­дения испытаний.

Испытание кабелей является завершающей стадией технологического процесса производства.

Испытания охватывают ряд задач:

1. Изготовление или отбор образцов и их подготовка к испытаниям (кон­диционирование).

2. Измерение электрических и неэлектрических величин, характеризую­щих основные свойства изоляционного материала или изделия.

3. Установление экспериментальным путем закономерностей, характери­зующих изменение свойств материала под влиянием:

• электрических воздействий (напряженность и род электрического поля, частота и т.п.);

• климатических воздействий (температура, давление, влажность и т.п.);

• механических воздействий (ускорение, вибрация, растяжение и т.п.);

• физико-химических воздействий (радиация, агрессивные среды, и т.п.);

• срока службы при тех или иных условиях.

4. Установление наличия остаточных изменений параметров материала или изделия в наиболее тяжелых условиях, имитирующих возможные при экс­плуатации смены режимов работы. Например, предельно низкие и предельно высокие температуры, функциональные циклы, механические нагрузки или со­четание различных воздействий.

5. Установление внешних и внутренних дефектов, наличия загрязнений, примесей или посторонних включений, а также структурных изменений.

В некоторых случаях проводятся дополнительные исследования элек­тро­изоляционного материала. Такие исследования могут оказаться необходи­мыми при выборе состава материала для того или иного назначения, опреде­лении наиболее оптимального технологического процесса производства, вы­яснении возможности использования материала для того или иного назначе­ния и т.п.

Объем проводимых наблюдений, используемые методы и аппаратура мо­гут быть различными в зависимости от назначения испытания.

Все испытания можно разделить на следующие группы:

I. Контроль материалов и полуфабрикатов, поступающих для изго­товления кабелей (электроизоляционные материалы, проводниковые мате­риалы, металлы для оболочек и брони).

Испытания сырья имеют целью установить возможность использова­ния поступающего сырья и полуфабрикатов для данного технологического про­цесса или возможность его использования при внесении некоторых изме­нений в технологические операции. Нередко этими испытаниями выясняют сортность сырья или полуфабриката, с тем, чтобы можно было установить целесообраз­ное направление использования каждого сорта. Испытания, про­водимые между следующими друг за другом стадиями технологического про­цесса, имеют цель проверить полуфабрикат на данной технологической стадии и выяснить воз­можность его использования на следующей стадии. Обычно при этом измеря­ются не сами величины, характеризующие свойства мате­риала, а лишь откло­нения их значений от заданных технологическими инст­рукциями.

II. Испытания готовой продукции, выполняемые предприятием-изго­товителем, подразделяются на типовые, периодические и приемо-сдаточные.

Типовые испытания производятся на соответствие электроизоляцион­ного материала или изделия всем без исключения требованиям стандарта или технических условий (ТУ). Эти испытания проводятся после освоения произ­водства материала или изделия, при изменении технологического процесса или при изменении применяемых в производстве материалов. Во время таких ис­пытаний устанавливаются характеристики материала, как при нормальных, так и более тяжелых режимах работы. Указанные характеристики определя­ются также после того, как образцы подвергались воздействию влажной ат­мосферы, низких температур, теплосмен или других факторов, оговоренных стандартом; при этом предусматривается определенная последовательность и длительность воздействия таких факторов. При типовых испытаниях нередко обнаружива­ются остаточные изменения параметров материала после воздей­ствия различ­ных факторов; проводятся ускоренные испытания на старение и т.п. Большое значение для типовых испытаний имеет число образцов, которое устанавлива­ется стандартом или техническими условиями.

Периодические испытания выполняются в процессе производства с це­лью контроля соответствия выпускаемой продукции требованиям стандартов, своевременного обнаружения ухудшения качества продукции и устранения его. Объем периодических испытаний меньше, чем типовых. Тем важнее пра­вильно выбрать параметры, определяемые в процессе испытаний. Периодич­ность этих испытаний обычно 6 месяцев, а по отдельным параметрам - и меньше.

Приемо-сдаточные испытания осуществляются предприятием-постав­щиком перед сдачей готовой продукции заказчику. Эти испытания произво­дятся на соответствие продукции некоторым, наиболее важным требованиям стандарта. Подобные испытания обычно выполняются при нормальных усло­виях, но свойства могут проверяться, если это требуется по техническим ус­ло­виям, и при нагреве, после воздействия влаги, механических нагрузок и т.п. Эти испытания проводятся для каждой партии материала на определенном числе отбираемых из этой партии образцов.

III. Научные исследования свойств материалов и готовых изделий и раз­работка новых методов исследований.

Они охватывают разнообразные задачи, возникающие в ходе создания нового изделия, технологической разработки способа производства или кон­структивного применения изоляционного материала. Испытания здесь носят специфический характер, определяемый целями исследования. Для этих испы­таний применяют опытные несерийные образцы и при том нередко в больших количествах, позволяющих выяснить необходимые закономерности. Наряду с типовой измерительной аппаратурой при научных испытаниях приходится пользоваться специально созданными установками, проводить измерения по особой программе и т.п.

IY. Профилактические (эксплуатационные) испытания проводятся в условиях эксплуатации; они имеют целью установить, сохранил ли находя­щийся в эксплуатации изоляционный материал или изделие требуемые свой­ства и может ли он допускаться к дальнейшей эксплуатации. Эти испытания подразделяются в основном на поверочные, регламентные и аварийные.

Поверочные испытания проводятся при смене изделия или материала, перед включением напряжения высоковольтного оборудования, после дли­тельной консервации, хранения на складе, перед возобновлением эксплуата­ции после перерыва и т. п. Поверочные испытания выполняются по рабочим инст­рукциям.

Регламентными испытаниями периодически, в плановом порядке оп­ре­деляется допустимость материалов и изоляционных элементов к дальней­шей эксплуатации. Эти испытания также имеют целью обнаружение дефектов в электроизоляционных элементах.

Аварийные испытания проводятся при нарушении нормальной эксплуа­тации для установления причин повреждения изоляции, места повреждения, выяснения пригодности изоляции к дальнейшей эксплуатации и т.п.

Существуют также и такие типы испытаний, как:

Монтажные испытания охватывают проверку некоторых свойств изо­ляционного материала в процессе монтажа электротехнического устрой­ства.

Арбитражные испытания имеют целью определение величин, харак­теризующих свойства диэлектрика при разрешении споров и разногласий в Го­сударственном арбитраже между поставщиком и потребителем материала.

Испытания электроизоляционных материалов и изделий подразделяются также на электрические и неэлектрические.

Электрические испытания имеют целью главным образом определе­ние объемного и поверхностного удельных сопротивлений, диэлектрической про­ницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь и электрической проч­ности электроизоляционных материалов. Помимо указанных, нередко прихо­дится определять и другие электрические параметры, имеющие более узкое значение, например внутреннее сопротивление анизотропных материалов.

Электрические испытания проводятся на отбираемых для этой цели об­разцах материалов и должны обеспечивать получение результатов с мини­маль­ной погрешностью. Значение допускаемой погрешности оговаривается в стан­дартах или технических условиях на материал, а при использовании спе­циали­зированных установок гарантируется предприятием-изготовителем ус­тановок. Периодически такие установки, а также измерительные приборы должны под­вергаться государственной поверке.

Неэлектрические испытания имеют целью определить механические (прочность, твердость, гибкость, эластичность), физические (плотность, вяз­кость) и химические свойства; термические характеристики (теплопровод­ность, нагрево- и холодностойкость) и характеристики, связанные с воздейст­вием влаги (гигроскопичность, растворимость, влагопроницаемость) и т.д.

Отдельную группу образуют методы неэлектрических испытаний, ис­пользуемые для определения структуры, макро- и микродефектов материалов. Сюда относятся ультрозвуковые методы, рентгено- и гамма-люминисцентный анализ, инфракрасная спектроскопия, электронная микроскопия, ядерный маг­нитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, нейтронографи­че­ский анализ, а также другие методы, применяемые для неэлектрических ис­пы­таний.

Неэлектрические испытания должны обеспечивать возможность полу­че­ния соответствующих параметров и характеристик с минимальной погреш­но­стью, оговариваемой в соответствующем стандарте или технических усло­виях. Периодически приборы и установки должны подвергаться государст­венной поверке.

Независимо от назначения испытания при измерениях величин, характе­ризующих свойства материала, следует применять надлежащим образом ото­бранные или изготовленные образцы, предварительно подвергнутые конди­ционированию.

Для твердых материалов устанавливаются форма и размеры образцов, материал электродов, способ их нанесения и т.д. Измерение величин, характе­ризующих свойства диэлектриков, предполагает в большинстве случаев нали­чие установившегося состояния образца во всем объеме - одинаковой влаж­но­сти, температуры и т.п. Создание таких условий достигается при помощи кон­диционирования.

Под кондиционированием образца понимается выдержка образца в оп­ре­деленных условиях перед испыта­нием в течение установленного времени. Кондиционирование об­разцов имеет целью создание равновесного состояния материала во всех его областях и обеспечивает получение хорошо воспроиз­водимых результатов измерения. Особенно широкое распростра­нение полу­чило кондиционирование изоляционных материалов при определенных значе­ниях температуры и влажности воздуха. Различают кондиционирование:

• перед воздействием испытатель­ной среды

• в условиях этой среды

• после ее воздействия.

Нормальные условия кондиционирования перед воздействием испыта­тельной среды или перед началом испытаний отвечают давлению воздуха р = 760 ± 30 мм рт ст, температуре t = 20 ± 5 °С и влажности воздуха  = 65 ± 15%. При этих условиях (если другие не оговорены) определяются свойства мате­риала перед воздействием испытательной среды, а иногда и после воздейст­вия. Испытательная среда может быть различ­ной, например, среда с тропиче­ской влажностью; среда с повышенной температурой и т.п. При проведении измере­ний параметров изоля­ции в испытательной среде образец предвари­тельно вы­держивается в ней определенное время. Измерения после воздейст­вия испыта­тельной среды обычно также требуют кондиционирования.

Испытания изготовляемых в серийном порядке изоляционных материа­лов, независимо от того, относятся ли эти испытания к кон­трольным, произ­водственным, эксплуатационным или монтажным, должны производиться в соответствии с ГОСТами или техниче­скими условиями. Применяемые методы и аппаратура должны обеспечивать, возможно, более высокую точность из­ме­рения. По­грешность при измерениях не должна превышать нормируемое зна­чение.

При снятии зависимостей, показывающих изменение свойств материала под влиянием тех или иных воздействий, или при опре­делении пригодности изоляционного материала для выполнения его функций в условиях массового контроля большое значение имеет применение автоматических и регулирую­щих приборов и установок. С их помощью удается повысить скорость вы­пол­нения операций по измерению параметров и устранить ошибки субъек­тив­ного характера.

Цель курса «Методы испытаний электрической изоляции» дать пред­став­ление о методах испытаний диэлектриков, рекомендуемых ГОСТами и ТУ, а также о схемах, аппаратах и установках, используемых для этой цели.