книги из ГПНТБ / Грудинский, П. Г. Техническая эксплуатация основного электрооборудования станций и подстанций

положительные результаты должны давать уверенность в безаварийной работе оборудования до следующего испы­ тания или ремонта;

проведение испытаний должно быть возможно более простым, а испытательное оборудование — удобным для транспорта, компактным и безопасным при использо­ вании.

На основании результатов испытаний можно удлинять межремонтный период, т. е. снизить трудозатраты на экс­ плуатацию.

Полный эффект профилактические испытания могут дать только в том случае, если они проводятся сознательно, при понимании процессов, происходящих в изоляции, и связи между э^ими процессами и результатами испытаний. Нужно понимать физическую сторону явлений, влияющих на ре­ зультаты измерений, и уметь их анализировать. Неумелым проведением испытания можно не только его обесценить, но

ипричинить вред оборудованию.

Внастоящей главе описывается методика проведения ос­ новных испытаний; поясняется физическая сторона явле­ ний, на которых основана оценка результатов испытаний; приводятся примерные значения основных показателей состояния изоляции. Более подробные сведения о перио­ дичности испытаний, о нормированных значениях получае­ мых показателей даются в главах, посвященных отдельным видам оборудования. Там же указываются и некоторые осо­ бенности проведения испытаний применительно к данно­ му оборудованию, но сущность методики и физическая сто­ рона явлений при испытаниях в этих главах не повто­ ряются.

3-2. Измерение сопротивления изоляции

Измерение сопротивления изоляции мегомметром для контроля состояния изоляции применяется очень давно, начиная с конца прошлого века. Более полное понимание явлений, протекающих в изоляции при приложении к ней постоянного напряжения (источником которого является мегомметр), позволило получить на основе этого испытания значительно больше сведений о состоянии изоляции, чем это было возможно прежде.

Рассмотрим упрощенно сущность этих явлений, исполь­ зуя для этого рис. 3-1,

60

На рис. 3-1, а схематически представлен участок изоля­ ции И, вверху находится корпус машины К, внизу — изо­ лируемый проводник П. На рис. 3-1, б дана схема замеще­ ния. Предположим, что напряжение постоянного тока толч­ ком приложено между проводником и корпусом, и рассмот­ рим возникающие после этого явления. Вся конструкция в целом (корпус, изоляция, обмотка) представляет собой конденсатор сложной формы. Емкость такого конденсатора определяется размерами поверхности его обкладок, в дан­ ном случае — наружной и внутренней поверхностью сопри­ косновения изоляции с корпусом и обмоткой электрической

Рис. 3-1. Схема замещения изоляции при испытаниях напряжением постоянного тока.

машины — и свойствами изоляции — ее толщиной и диэ­ лектрической проницаемостью. При приложении напряже­ ния эта емкость (которую обычно обозначают С) заря­ жается. Заряд происходит за очень короткое время, много меньше периода промышленной частоты, поэтому стрелоч­ ным прибором он не может быть измерен. В результате этого на поверхностях корпуса машины и проводников об­ мотки сосредоточатся положительные и отрицательные за­ ряды, создающие в изоляции электрическое поле, под дей­ ствием которого в толще изоляции возникнут поляриза­ ционные явления — электроны и ионы устремятся к полю­ сам противоположных знаков, дипольные молекулы изоля­ ции начнут поворачиваться так, чтобы их заряды ориенти-. ровались по направлениям линий электрического поля; в слоистой изоляции внутренние слои, являющиеся своеоб­

61

разными последовательно включенными емкостями, станут заряжаться через очень большие сопротивления смежных слоев. Эти процессы сопровождаются накапливанием в слоях изоляции зарядов, вследствие чего от источника постоян­ ного тока через емкости слоев потекут токи. Кроме того, будет протекать ток через сквозную проводимость изоляции.

Описанные физические процессы могут быть отражены схемой замещения, представленной на рис. 3-1, б. В этой схеме имеются три параллельные цепи. Одна цепь с емкостью С_ отражает заряд геометри­ ческой емкости и электронную и ионную поляризацию; соответствующие этим явлениям токи протекают одинаково быстро, поэтому обобщены в одну цепь. Вторая цепь — последовательно включенные емкость С и сопротивление г эквивалентные емкостям и сопротивлениям последо­ вательно включенных слоев изоляции; при этом число последовательно включенных емкостей и сопротивлений по существу равно числу слоев; однако изображение такой цепочки лишь усложнило бы схемы, не внеся чего-либо нового. Цепь из С и г отражает межслоевую и диполь­ ную поляризацию и имеет наибольшее значение. Третья цепь — сопро­ тивление R соответствует сквозной проводимости.

Через измерительный прибор, показанный на схеме замещения, протечет ток «, равный сумме токов трех ветвей: Ц , iagc и inp. Первый ток не отразится на показаниях прибора, поскольку он быстро затухает; ток сквозной проводимости |'пр останется постоянным в продолжение всего процесса. Его величина определит установившееся значение пока­ заний прибора. Ток поляризации, обычно называемый током абсорбции (абс, является затухающим. Время его затухания зависит от свойств изоляции.

Ток абсорбции !„бс = 1 ё ~ ^ т1г изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени Т = г С , т. е. он тем медленнее убывает, чем больше г — сопротивление тех слоев изоляции, через которые заря­ жается межслоевая емкость. Сопротивление же слоя зависит главным образом от его увлажнения — чем суше изоляция, тем медленнее затухает ток абсорбции. Для того чтобы судить о быстроте спада t'a(;c,

Отношение сопротивления вместо отношения токов взято потому, что прибор градуируется в единицах сопротивления, являющегося обратной величиной тока. Соотношения между значениями токов и сопротивлений при измерении показано на рис. 3-2.

Показатель, определяемый выражением (3-1), получил наименова­ ние коэффициент абсорбции. При сухой изоляции его величина равна 2—2,5, при влажной — приближается к I. Введение этого коэффициента и явилось тем новым, что было внесено в оценку показаний мегомметра за последние десятилетия. Коэффициент абсорбции служит для харак­ теристики внутреннего увлажнения изоляции, он не зависит от наруж­ ного увлажнения, в то время как на значение сопротивления сквозной проводимости внешнее увлажнение оказывает очень большое влияние, не меньшее, чем внутреннее увлажнение.

Большая зависимость сопротивления изоляции от увлажнения вызывает и не меньшую зависимость сопротивления изоляции от тем­

62

пературы, так как при повышении температуры вода и ее пары прони­ кают во внутренние слои изоляции, образуют непрерывные проводя­ щие цепочки и снижают сопротивление изоляции. Зависимость сопро­ тивления изоляции от температуры достаточно хорошо описывается выражением

здесь ,0'1 и д2 — температуры изоляции, °С; R (tl и R $ 2 — сопротивления изоляции при этих температурах; а — коэффициент, который для ком­

компаундированной изоляции класса В отличается в 10 раз. Характер зависимости сопротивления изоляции от температуры можно уяснить из рис. 3-3.

Схема прибора, чаще всего применяемого при изменении сопротив­ ления изоляции (мегомметра), приведена на рис.3-4. Источником постоян­ ного тока служит встроенный в прибор генератор с постоянными маг­ нитами, вращаемый от рук или от электродвигателя. Измерителем слу­ жит логометр, т.е. прибор, в котором противодействие пружины заменено противодействием обмотки, параллельной источнику тока, что снижает влияние величины напряжения на результаты измерения и, следователь­ но, уменьшает влияние неравномерности вращения.

прикладывается более низкое напряжение вследствие того, что часть напряжения # г приходится на защитное сопротивление г 2, предусмот­ ренное для ограничения тока при измерении очень малых сопротивлений. В некоторых мегомметрах предусмотрена возможность включения r i , rj , различных по величине, при разных ценах делений шкалы. Эти допол­ нительные сопротивления включаются параллельно рамке и г г , вели-

6 3

чина их подобрана так, что при установке переключателя в положение 10 через рамку проходит 0,1 тока, проходящего через изоляцию, а в поло­ жение 100 — 0,01 этого тока. Соответственно показания прибора нужно делить на 10 или на 100. Суммарное внутреннее сопротивление прибора, включенное последовательно с сопротивлением изоляции, будет равно 1; 0,1 и 0,01 МОм, в зависимости от положения переключателя. Значе­ ние напряжения, приложенного к изоляции при измерении сопротив­ ления, можно определить по выражению

следовательно с генератором в измерительную цепь. Описанная схема

Рис. 3-4. Принципиальная схема мегомметра.

1 — последовательная рамка логометра; 2 — параллель­ ная рамка логометра.

обеспечивает использование всей шкалы при измерении малых сопроти­ влений и при Rm > 9 л, — приложение к изоляции более 90% напря­

жения генератора Г.

При измерениях сопротивления изоляции мегомметром объект должен быть отключен; с проводников снимается остаточный заряд, для чего они кратковременно соединяются с «землей». Зажим 3 мегом­ метра при измерении сопротивления главной изоляции соединяется с заземленным корпусом аппарата или машины, зажим Л — с токове­ дущими частями. При измерении сопротивления междуфазной изоля­ ции зажимы Л и 3 присоединяются к токоведущим частям фаз, а зажим Э заземляется. Применяемые для соединений провода должны иметь усиленную изоляцию, например типа ПВЛ. Затем рукоятка мегомметра приводится во вращение с номинальной скоростью, показания снимаются после того, как стрелка прибора займет устойчивое положение.

При измерении коэффициента абсорбции соблюдается тот же поря­ док присоединения прибора, однако рукоятка должна вращаться до присоединения зажима Л и к моменту присоединения скорость вращения должна быть близка к номинальной. Отсчет времени 15 и 60 с произво­

64

дится с момента присоединения Л к токоведущей части. При этом изме­ рении удобно применять щипцы — захваты с изолированной рукояткой.

На практике находит применение мегомметр, приводи­ мый во вращение электродвигателем/ и катодный мегом­ метр, однако для обычных эксплуатационных измерений вполне достаточен прибор с вращением от руки.

ГОСТ 183-66 на электрические машины требует, чтобы сопротивление изоляции, МОм, при температуре +75° С было больше

но не менее 0,5 МОм. Здесь U — номинальное напряжение машины, В, а Р — номинальная мощность машины, кВт. Для приведения измеренного сопротивления к температуре 75° С рекомендуется пользоваться кривыми, приведен­ ными на рис. 3-3 для машин мощностью до 5 МВт и форму­ лой (3-2) для машин большей мощности. Для упрощения расчетов ГОСТ рекомендует считать, что сопротивление снижается в 2 раза при повышении температуры изоляции на 20 °С (полные и неполные).

Выражение (3-4) устанавливает минимально допустимое значение для сопротивления изоляции, так же как кривые рис. 3-3. Как правило, сопротивление изоляции большин­ ства машин, находящихся в эксплуатации, выше. Для того чтобы установить, не произошло ли каких-либо изменений в изоляции, целесообразно сопоставлять результаты вновь произведенных измерений сопротивления с прежними. Учитывая большую зависимость сопротивления изоляции от температуры и от напряжения мегомметра, следует про­ изводить измерения одним и тем же прибором при одина­ ковой температуре, снимая показания через один и тот же промежуток времени. Значение коэффициента абсорбции практически не зависит от температуры, поскольку коэф­ фициент в формуле (3-2) при делении сопротивлений сокра­ щается. Для коэффициента абсорбции установлены твердые нормы, зависящие от вида оборудования. О них будет со­ общено в главах, посвященных эксплуатации отдельных видов оборудования.

Сопротивление изоляции и коэффициент абсорбции ха­ рактеризуют среднее состояние изоляции. Местные де­ фекты в изоляции выявляются при помощи мегомметра только в том случае, если они значительны и место повре­ ждения загрязнено. Изоляция может быть поврежденной,

но напряжение мегомметра окажется недостаточным для пробоя воздушного промежутка. Поэтому частичные мест­ ные пробои, трещины, надломы, при которых нарушены лишь отдельные слои изоляции, при использовании мегом­ метра могут не отразиться на результатах измерения.

При наличии источника постоянного тока измерение сопротивления изоляции может быть произведено при помощи вольтметра. Для этой цели собирается схема, показанная на рис. 3-5, и производятся изме­ рения напряжений Uj и U2 при двух положениях переключате­ ля П (/ и 2). Сопротивление изоляции определяется из выра­

жения

как в противном случае отсчет показаний при положении переключателя в точке 2 будет затруднен.

Следует заметить, что изображенная на рис. 3-5 схема измерения может быть использована только в случае, если сопротивление изоляции источника постоянного тока очень велико или если корпус объекта, изоляция которого проверяется, изолирован от земли. Например, если «минус» источника на рис. 3-5 имеет сниженную изоляцию, то прибор V будет частично (или полностью) зашунтирован. Схема рис. 3-5 соответ­ ствует высокому сопротивлению изоляции источника.

При помощи трех последовательных измерений вольтмет­ ром можно определить сопротивление изоляции цепи воз­ буждения синхронных машин при их вращении под нагруз­ кой. Схема измерения показана на рис. 3-6, а, схемы рис. 3-6, 6—г поясняют последовательность операций. При­ нято, что изоляция ротора имеет один ослабленный участок (например, точка х). Если таких участков два, их сопро­ тивление примерно одинаково и они близко расположены к кольцам, — то по результатам измерений нельзя судить о месте повреждения.

При помощи кнопок 3 производятся измерения 'напря­

6 6

Сопротивление изоляции определится из выражения

При очень большом сопротивлении изоляции цепей ротора сумма U2 + Uз близка к нулю, при полном замы­ кании обмотки на землю эта сумма равна Ux. Чем ближе место повреждения к какому-либо кольцу, тем меньше зна-

Рис. 3-6. Схема контроля изоляции обмотки вращающегося ротора синхронной машины методом трех измерений вольт­ метром.

чение напряжения между ним и корпусом. Таким образом, измерение дает некоторые указания о месте расположения повреждения при условии, что внешние цепи имеют высо­ кое сопротивление. R„3 по (3-6) выражается в тех же еди­ ницах, в каких изменено Rnp.

Схема измерений не позволяет различить, находится ослабленное место в обмотке ротора или во внешних цепях возбуждения. Эти цепи присоединены к кольцам парал­ лельно обмотке ротора, и если ослабленный участок будет

в их изоляции, то картина показаний вольтметра будет аналогичной. Измерение и подсчеты по (3-6) определяют сопротивление всей системы возбуждения.

Если измерения покажут значительное снижение сопро­ тивления изоляции по сравнению с наблюдавшимся ранее, то генератор следует перевести на резервное возбуждение и повторить измерения. Если сопротивление изоляции вос­ становится до значений, близких к обычным, можно пред­ положить, что ослаблена (или повреждена) изоляция внеш­ них цепей; в противном случае замыкание на корпус следует искать в цепи обмотки ротора. .

Измерительное устройство, изображенное на рис. 3-5 (вольтметр и кнопки), может быть использовано для конт­ роля состояния изоляции цепей возбуждения нескольких генераторов, для чего в схеме предусматриваются соответ­ ствующие переключатели.

3-3. Измерение угла диэлектрических потерь и емкости

При приложении к изоляции напряжения постоянного тока можно получить показатели, характеризующие сопро­ тивление сквозной проводимости и медленные процессы по­ ляризации. При приложении переменного тока можно по­ лучить характеристику в отношении быстрых процессов по­ ляризации, поскольку медленные процессы (дипольная и межслоевая ионизация) за период промышленной частоты не успевают развиться.

При приложении переменного тока в изоляции возни­ кают потери в диэлектрике, вызывающие его нагрев. При больших потерях возможен тепловрй пробой изоляции. Однако величина потерь зависит как от структуры и каче­ ства изоляции, так и от геометрических размеров изоля­ ционной конструкции; представляется желательным влия­ ние последних исключить. Показателем, характеризующим только структуру и качество изоляции, является тангенс угла диэлектрических потерь (tg б). Для понимания его сущ­ ности рассмотрим характер протекания токов в той же схеме замещения изоляции (рис. 3-1), но при приложении к ней переменного тока.

Если при постоянном токе все токи, кроме тока сквоз­ ной проводимости, затухали, то при переменном токе они будут существовать до тех пор, пока приложено напряже­ ние. При постоянном токе нас интересовали мгновенные значения токов, при переменном — их действующее значе­

68

ние. При постоянном токе составляющие суммировались арифметически, при переменном токе — геометрически. Та­ ким образом, при переменном токе через изоляцию пройдет геометрическая сумма токов: емкостный ток / с„, ток аб­ сорбции / абс, ток сквозной проводимости /,.р. Геометриче­ ское суммирование их произведено на рис. 3-7, суммарный ток разложен на две составляющие / а и / с, соотношение которых характеризуется tg б. Чем меньше tg б, тем меньше активная составляющая, тем ниже потери в изоляции, тем выше ее качество. Поскольку угол б мал, часто говорят не о тангенсе угла диэлектрических потерь, а об угле диэ­ лектрических потерь, т. е. при­

нимают tg б ж б.

Поскольку ток сквозной про­ водимости много меньше актив­ ной составляющей тока абсорб­ ции, то можно считать, что угол диэлектрических потерь харак­ теризует свойства ветви гС схемы замещения изоляции и является в первую очередь показателем наличия в ней посторонних включений, влаги и пара; слои­ стости или монолитности ее структуры. Расслоения изоляции

влекут за собой ионизацию воздуха в промежутках между слоями и, следовательно, увеличение потерь в изоляции. Обычно tg б измеряется в процентах, т. е. его значение умножается на 100. Таким образом, tg б показывает, сколько процентов составляет активная составляющая от емкостной.

Угол диэлектрических потерь позволяет судить о сред­ нем состоянии изоляции, так как местный дефект не может сколько-нибудь существенно изменить соотношение между активной и реактивной слагающими. У объектов относи­ тельно небольших геометрических размеров, например у вводов, по величине tg б может быть обнаружен и местный дефект.

Для оценки качества изоляции генераторов, как пока­ зал опыт, метод измерения tg б не может быть использо­ ван, как недостаточно чувствительный. Это объясняется очень большой емкостью изоляции современных машин (около 0,1—0,5 мкФ), вследствие которой емкостный ток достигает при испытательном напряжении 10 кВ сотен

69