Диагностирование изоляции

Под действием электрического поля в изоляции происходят сложные процессы. Во-первых, из-за присутствия в диэлектриках свободных зарядов, обусловленных примесями и дефектами строения, в изоляции всегда возникает ток сквозной проходимо­сти , во-вторых, происходит замедленная поляризация, т.е. смещение и поворот связанных дипольных молекул, создающих ток абсорбции , в-третьих, происходит мгновенная поляриза­ция, представляющая собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов и создающая ток смеще­ния .

Для изучения перечисленных процессов используют схему замещения изоляции, показанную на рис. 3.1,а. Резистор ха­рактеризует сопротивление сквозному току; конденсатор – емкость, обусловленную дипольной поляризацией; конденсатор – емкость электронной поляризации (геометрическая ем­кость); резистор – эквивалентные потери при дипольной по­ляризации.

Рисунок 6.1- Схема замещения изоляции (а) и диаграмма токов,

протекающих по ней (б)

На рис. 6.1, б показаны зависимости токов, проходящих через изоляцию, от времени нахождения под постоянным напряжени­ем. Как видно, ток абсорбции затухает по мере завершения про­цессов замедленной поляризации, а ток сквозной проводимости сохраняется неизменным. Токи смещения столь кратковременны, что их не учитывают. Суммарный ток i имеет затухающий характер.

Истинное сопротивление изоляции зависит от сквозного тока и его можно определить по формуле:

где – приложенное напряжение, В.

Поскольку измерение связано с определенными трудностя­ми, сопротивление изоляции рассчитывают как частное от деле­ния напряжения на значение тока, установившегося через мину­ту после включения напряжения. К этому моменту ток затуха­ет и не вносит погрешность. Если же измерение проводить при небольшой выдержке времени, то может создаться неправильное представление о сопротивлении изоляции.

Для исправной изоляции в ПУЭ и ПТЭ установлены норма­тивы, характеризующие параметры схемы замещения. Напри­мер, наименьшее допустимое сопротивление (МОм) изоляции электродвигателя мощностью (кВт) и напряжением свыше 1000 В при рабочей температуре определяют по выражению:

где – номинальное линейное напряжение, В.

При эксплуатации электрооборудования его изоляции под­вергается влиянию рабочего напряжения, кратковременным пе­ренапряжениям от грозовых разрядов и коммутационных опе­раций, механическим и тепловым нагрузкам, загрязнению, ув­лажнению и другим неблагоприятным воздействиям. В резуль­тате этого свойства изоляции непрерывно ухудшаются.

Из схемы замещения видно, что от качества изоляции зависят значения токов утечки, абсорбции, смещения и мощности потерь в цепи . Поэтому их принимают за диагностические пара­метры изоляции. Дополнительно используют характеристики электрической прочности. Задача диагностирования состоит в том, чтобы определить фактические значения параметров и сравнить их с соответствующими нормами.

К основным способам диагностирования изоляции относят­ся: измерение сопротивлений изоляции; измерение емкости изо­ляции; измерение диэлектрических потерь; испытание повышен­ным напряжением переменного или постоянного тока.

Измерение сопротивления изоляции. Согласно методике при измерении сопротивления изоля­ции одной фазы две другие фазы должны быть заземлены.

Для того чтобы сделать правильный вывод о состоянии изо­ляции электрической машины, необходимо придерживаться сле­дующих правил:

- Измерения необходимо производить поочередно для каж­дой

электрически независимой цепи (фазы) при соедине­нии всех остальных цепей с корпусом.

- Каждая цепь (фаза) после измерения сопротивления ее изоляции соединяется с корпусом машины на время не менее 15 секунд при мощности машины до 1000 кВт (или кВ∙А) и не менее 1 минуты при более высокой мощности, и не менее 3 минут при применении мегаомметра на 2500 В.

Определение увлажненности изоляции по коэффициенту аб­сорбции. Пусть изоляция некоторого электрооборудования, на­пример, электродвигателя, моделируется схемой замещения (см. рис. 3.1,а). Из предыдущего рассмотрения процессов электро­проводности и поляризации следует, что для заведомо сухой изоляции в процессе измерения суммарный ток будет резко затухать (рис. 3.2). У влажной изоляции такого же двигателя суммарный ток больше и будет затухать медленнее, потому что из-за увлажнения прирост тока сквозной проводимости больше, чем прирост тока абсорбции. Описанный характер из­менения суммарного тока определяет динамику сопротивления изоляции. При постоянном напряжении мегаомметра сопротив­ление сухой изоляции при измерении будет резко увеличи­ваться, а сопротивление влажной будет возрастать незначи­тельно. Следовательно, по состоянию сопротивления изоляции в зависимости от продолжительности измерения можно опреде­лить, увлажнена изоляция или нет.

Диагностирование увлажнения изоляции состоит в измере­нии мегаомметром ее сопротивления в моменты и ( > ) после подачи напряжения и определения отношения / , называемого коэффициентом абсорбции. Обычно принимают ( =15с, ( =60с и рассчитывают . Если >1,3, то изоляцию считают сухой; если 1,3, то изоляцию при­знают влажной.

Рисунок 6.2- График изменения полного тока и сопротивления

сухой и влажной изоляции

Измерения емкости. В последние годы большое внимание уделяется разработке ёмкостных методов, позволяющих достаточно точно определять увлажненность вводимого в работу электрооборудования. По сопротивлению изоляции и коэффициенту абсорбции для электрооборудования с волокнистой изоляцией, особенно трансформаторов, нельзя судить, что данное оборудование не требует сушки перед включением его в работу. В этих случаях дополнительно проверяют степень увлажнённости изоляции ёмкостными методами как-то: «ёмкость-температура», «ёмкость-частота», «ёмкость-время».

Метод «ёмкость-температура» заключается в сравнении ёмкостей оборудования (обмоток трансформаторов), измеренных при разных температурах. Принято, что верхний предел температуры не более 70°С, а нижний - не менее 20°С. При этом отношение ёмкости к ёмкости оборудования в нагретом состоянии к емкости того же оборудования в холодном состоянии не должно превышать 1,15 для сухой изоляции. Превышение этой величины является показателем увлажнения. Физический смысл изменения отношения объясняется следующим образом. Сухая изоляция класса нагревостойкости более однородна, чем влажная и понижение или повышение температуры незначительно влияет на её ёмкость. Влажная изоляция становится более неоднородной и её ёмкость увеличивается. При возрастании температуры неоднородность изоляции проявляется резче из-за растворения во влаге остатков щелочей и кислот; в результате ёмкость увеличивается ещё больше. На рис.13.3. показана зависимость отношения температуры для сухой и влажной изоляции.

Рисунок 6.3- Зависимость отношения от температуры:

1 и 2 сухая и влажная изоляция

Недостаток этого метода испытываемого оборудования заключается в том, что требуется нагрев испытуемого оборудования.

Метод «емкость – частота». Соотношение величин емкостей абсорбции и смеще­ния изоляции зависит от степени ее увлажнения. В сухой изоля­ции преобладает электронная поляризация, характеризуемая емкостью смещения, а во влажной – дипольная поляризация (за счет дипольных молекул воды усиливается емкость абсорбции). Абсолютные значения величин этих емкостей имеют различную зависимость от частоты тока (рис. 13.4).

Рисунок 6.4- График изменения емкости сухой и влажной изоляций

Емкость сухой изоляции практически не зависит от час­тоты, так как поляризация в ней происходит почти мгновенно. Емкость же влажной изоляции с ростом частоты убывает. Это объясняется тем, что при малой частоте дипольные молеку­лы воды успевают следовать (поворачиваться) за полем и имеет наибольшее значение. Когда же частота становится боль­шой, молекулы из-за своей инертности не успевают следовать за полем. Абсорбционная емкость уменьшается, и ее значение при­ближается к емкости, обусловленной лишь электронной поляри­зацией. Поэтому по степени изменения емкости от частоты можно определить увлажненность изоляции.

Диагностирование увлажнения состоит в измерении емкости изоляции при частоте и ( > ) и определении отношения . Обычно принимают = 2, = 50 Гц и измеряют соответст­венно и . Если ( )<1,2, то изоляция сухая, если ( ) 1,2, – увлажненная. Такой способ диагностирования проводят при помощи прибора контроля влажности изоляции.

Состояние изоляции оценивают по отношению , которое подсчитывают по формуле:

Полученное значение сравнивают с нормами, приведенными в Инструкции по контролю за состоянием изоляции трансформаторов, ПУЭ и ПТЭ.

Метод «ёмкость-время» - характеризуется тем, что сначала создают ёмкость испытываемого объекта, а затем осуществляют двухкратный его разряд: быстрый - сразу после окончания заряда, и медленный - через одну секунду. Прирост общей емкости за счет абсорбционной сухой изоляции будет небольшой ; влажной - .

При испытании изоляции рассмотренными методами пользуются приборами ПКВ-7, ПКВ-8. Эти же приборы применяют для определения влажности изоляции залитых и не залитых маслом трансформаторов - в процессе их монтажа и ремонта.

Для трансформаторов, у которых сердечник с обмотками вынут из бака во время ремонта, определяют значения и . Состояние изоляции оценивают, соотнося / с существующими нормами.

Метод коэффициента нелинейности. В многослойной сухой изоляции класса «В» поляризация значительна, поэтому ёмкостные методы в этом случае не применимы. При испытании такой изоляции в электрических машинах критерием степени увлажненности служит вольтамперная характеристика, т.е. зависимость тока утечки от приложенного при испытании напряжения: (рис. 6.5).

Для сухой изоляции характеристика имеет линейную зависимость, а для влажной - нелинейную, что связано с большим приложенным выпрямленным напряжением.

Рисунок 6.5- Зависимость тока утечки от приложенного напряжения (электродвигатель рассчитан на напряжение 6 кВ) 1 и 2 - для влажной и сухой изоляции

В увлажненной изоляции ионизация наступает при определенном значении напряжения и, как следствие, показателем влажности служит коэффициент нелинейности.

где – сопротивление изоляции, определяемое по току утечки при испытательном напряжении, равном половине номинального;

– сопротивление изоляции, определяемое по току утечки при испытательном напряжении, равном максимальному выпрямленному.

Определение местных дефектов изоляции по частичным разрядам. Электрическое поле исправной изоляционной системы содержит основную гармонику. При появлении в изоляции ка­верн, расслоений, трещин и других дефектов в них равномер­ность поля нарушается, возникают частичные разряды, создаю­щие высокочастотные колебания. Обнаружение этих колебаний при помощи специального прибора (индикатор частичных раз­рядов - ИЧР) позволяет выявить наличие дефектов, а в отдель­ных случаях место их расположения. Принцип действия ИЧР основан на использовании воздействия электрических нестацио­нарных процессов, сопровождающих разряды, на электрический колебательный контур или антенну, усилитель и измерительный прибор.

Алгоритм диагностирования состоит в следующем. На изо­ляцию подают повышенное напряжение. Приемным колебатель­ным контуром или антенной ИЧР исследует пространство во­круг изоляционной системы. При этом измерительный прибор ИЧР позволяет зафиксировать высокочастотные колебания и выявить место, где они имеют наибольший уровень. Обычно это место совпадает с местным дефектом. Известны схемы, в кото­рых ИЧР подключают к исполнительной цепи через раздели­тельный конденсатор.

Определение диэлектрических потерь. Методом диэлектрических потерь проверяют изоляцию вводов, проходных изоляторов, трансформаторов, электрических машин и т.д. Диэлектрические потери или пропорциональный им тангенс угла диэлектрических потерь служит одной из основных характеристик состояния электрической изоляции. По величине потерь можно судить о надежности изоляции по отношению к тепловому пробою (тепловой устойчивости), общем старении и увлажненности изоляции. Если к диэлектрику приложить переменное напряжение, то ток будет изменяться каждый полупериод, т.е. сто раз в секунду. Приложенные к диэлектрику напряжение и токи, проходящие в нём можно представить векторами и построить векторную (рис.6.6.) диаграмму.

Рисунок 6.6- Векторная диаграмма электрических токов в диэлектрике, находящимся под напряжением

Если в прямоугольных координатах по горизонтальной оси отложить вектор и, изображающий приложенное к диэлектрику напряжение U, то вектор тока смещения (чисто ёмкостный ток) будет опережать приложенное напряжение и на 90° Ток абсорбции является результатом замедленной поляризации диэлектрика при котором имеются потери энергии в диэлектрике, поэтому он содержит реактивную и активную составляющие. Вектор реактивного абсорбционного тока будет иметь то же направление, что и вектор тока смещения, поэтому на векторной диаграмме он прибавляется к вектору тока смещения. Вектор реактивного абсорбционного тока должен иметь то же направление, что и приложенное напряжение, поэтому на диаграмме он отложен перпендикулярно вектору реактивного тока ( + ). Общий ток абсорбции является геометрической суммой составляющих активного и реактивного токов. Ток сквозной проводимости I_φ (ток утечки) через диэлектрик является активным током, который также вызывает потери в диэлектрике, как и активный абсорбционный ток. На диаграмме ток проводимости прибавлен к вектору активного абсорбционного тока. Общий ток, проходящий через диэлектрик, является геометрической суммой всех перечисленных токов. Он сдвинут относительно напряжения на угол , а по отношению реактивного тока ( + ) на угол . Таким образом, через диэлектрик проходит активный ток , состоящий из активной составляющей тока абсорбции и тока проводимости :

и реактивный (емкостной) ток состоящий из реактивной составляющей тока абсорбции и тока смещения:

Прохождение активного тока через диэлектрик вызывает потери электрической энергии, называемыми диэлектрическими потерями. Зная величину активного тока, проходящего через диэлектрик, можно найти мощность , затрачиваемую на нагревание диэлектрика:

Реактивная мощность диэлектрика определяется величиной тока и приложенного к диэлектрику напряжения:

Из прямоугольного треугольника ЛВС векторной диаграммы следует:

Если ёмкость рассматриваемого изолятора равна , то его проводимость будет , где ;

- частота переменного тока, Гц, и величина реактивного тока может быть выражена:

Подставив это значение в предшествующую формулу, найдем другое выражение для активного тока:

Тогда активная мощность, затрачиваемая на нагревание диэлектрика, получит выражение:

Это и есть мощность диэлектрических потерь. Величина называется тангенсом угла диэлектрических потерь.

Следовательно, потери и тангенс угла диэлектрических потерь пропорциональны друг другу:

Значение обычно не превышает сотых или десятых долей единицы, поэтому его принято измерять в процентах. Предельное значение для конкретных электроустановок не должно быть больше установленного «Нормами испытаний электрооборудования».

Для одного и того же диэлектрика зависит от температуры и частоты приложенного напряжения, которое при определении угла потерь должно быть достаточно высоким (обычно 10 кВ). Значение нормировано для температуры 20°С; измерения производят мостами типов МД-16, Р595, Р5026.

В зависимости от места включения -измерительного элемента, через который протекает ток объекта, мостовая схема может быть нормальной и перевернутой. В первом случае измерительный элемент находится под низким потенциалом и экранировать схему очень просто. Во втором случае оборудование заземлено.

Применяя мосты Р595, Р5026 находят значение при напряжении от 3 до 10 кВ по первой и второй схемам, а при напряжении 100 В только по первой схеме. Тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторов и вращающихся машин измеряют между каждой обмоткой и корпусом при заземленных свободных обмотках.