Elektriska isoleringsegenskaper och tester

Egenskaper och motsvarande krets av elektrisk isolering

Som ni vet används termen "isolering" i praktiken för att hänvisa till två begrepp:

1) en metod för att förhindra bildandet av elektrisk kontakt mellan delar av en elektrisk produkt,

2) material och produkter från dem som används för att tillämpa denna metod.

Elektriska isoleringsmaterial under påverkan av en spänning som appliceras på dem, upptäcks egenskapen att leda en elektrisk ström. Även om värdet av ledningsförmågan hos elektriska isoleringsmaterial är flera storleksordningar lägre än för ledningar, spelar det ändå en betydande roll och bestämmer till stor del tillförlitligheten av driften av en elektrisk produkt.

Under inverkan av en spänning som appliceras på isoleringen flyter en ström genom den, kallad läckström, som förändras med tiden.

För att studera och illustrera egenskaperna hos elektrisk isolering är det vanligt att representera den i form av en viss modell som kallas en ekvivalent krets (fig. 1), som innehåller fyra elektriska kretsar kopplade parallellt.Den första av dem innehåller endast kondensatorn C1, som kallas geometrisk kapacitans.

Ris. 1. Ekvivalent krets av elektrisk isolering

Närvaron av denna kapacitans orsakar uppkomsten av en momentan startström som uppstår när en likspänning appliceras på isoleringen, som avtar på nästan några sekunder, och en kapacitiv ström som flyter genom isoleringen när en växelspänning appliceras på den. Denna kapacitet kallas geometrisk eftersom den beror på isoleringen: dess dimensioner (tjocklek, längd etc.) och placeringen mellan den strömförande delen A och höljet (jord).

Det andra schemat kännetecknar den interna strukturen och egenskaperna hos isoleringen, inklusive dess struktur, antalet grupper av kondensatorer och motstånd som är parallellkopplade. Strömmen I2 som flyter genom denna krets kallas absorptionsströmmen. Det initiala värdet för denna ström är proportionellt mot isoleringens yta och omvänt proportionell mot dess tjocklek.

Om de strömförande delarna av en elektrisk produkt är isolerade med två eller flera lager av isolering (till exempel trådisolering och spolisolering), så representeras absorptionsgrenen i den ekvivalenta kretsen i form av två eller flera seriekopplade grupper av en kondensator och ett motstånd som kännetecknar egenskaperna på ett av isoleringsskikten. I detta schema övervägs en tvåskiktsisolering, vars skikt ersätts av en grupp element av kondensator C2 och motstånd R1, och den andra av C3 och R2.

Den tredje kretsen innehåller ett enda motstånd R3 och karakteriserar isolationsförlusten när en likspänning appliceras på den.Resistansen hos detta motstånd, även kallat isolationsresistans, beror på många faktorer: storlek, material, konstruktion, temperatur, isoleringsskick, inklusive fukt och smuts på dess yta, och applicerad spänning.

Med vissa isoleringsdefekter (till exempel genom skada) blir beroendet av motståndet R3 på spänningen olinjärt, medan det för andra, till exempel med stark fukt, praktiskt taget inte förändras med ökande spänning. Strömmen I3 som flyter genom denna gren kallas framåtström.

Den fjärde kretsen är representerad i den ekvivalenta kretsen av MF-gnistgapet, som kännetecknar den dielektriska styrkan hos isoleringen, numeriskt uttryckt av värdet på spänningen vid vilken isoleringsmaterialet förlorar sina isolerande egenskaper och bryts ner under strömmens inverkan I4 passerar genom den.

Denna ekvivalenta isoleringskrets tillåter inte bara att beskriva de processer som äger rum i den när en spänning appliceras, utan också att ställa in parametrar som kan observeras för att bedöma dess tillstånd.

Testmetoder för elektrisk isolering

Det enklaste och vanligaste sättet att bedöma isoleringens tillstånd och dess integritet är att mäta dess motstånd med hjälp av en megohmmeter.

Låt oss vara uppmärksamma på det faktum att närvaron av kondensatorer i motsvarande krets också förklarar isoleringens förmåga att ackumulera elektriska laddningar. Därför måste lindningarna på elektriska maskiner och transformatorer före och efter mätning av isolationsresistansen laddas ur genom att jorda terminalen till vilken ansluten megohmmeter.

Vid mätning av isolationsresistansen hos elektriska maskiner och transformatorer måste temperaturen på lindningarna övervakas, vilket registreras i testrapporten. Att känna till temperaturen vid vilken mätningarna gjordes är nödvändigt för att jämföra mätresultaten med varandra, eftersom isolationsmotståndet ändras kraftigt beroende på temperaturen: i genomsnitt minskar isolationsmotståndet med 1,5 gånger med en ökning av temperaturen var 10 ° C och ökar också med motsvarande temperaturminskning.

På grund av det faktum att fukt, som alltid finns i isoleringsmaterial, påverkar mätresultaten, utförs inte bestämningen av parametrar som kännetecknar isoleringens kvalitet vid temperaturer under + 10 ° C, eftersom de erhållna resultaten inte ger en korrekt uppfattning om det verkliga tillståndet av isolering.

Vid mätning av isolationsresistansen för en praktiskt taget kall produkt kan isoleringstemperaturen antas vara lika med omgivningstemperaturen. I alla andra fall antas temperaturen på isoleringen villkorligt vara lika med lindningarnas temperatur, mätt med deras aktiva motstånd.

För att det uppmätta isolationsmotståndet inte skiljer sig nämnvärt från det verkliga värdet, bör den egna isolationsresistansen för elementen i mätkretsen - ledningar, isolatorer etc. - introducera ett minimalt fel i mätresultatet.Därför, vid mätning av isolationsresistansen hos elektriska enheter med en spänning på upp till 1000 V, måste motståndet hos dessa element vara minst 100 megohm, och vid mätning av isolationsresistansen hos krafttransformatorer - inte mindre än mätgränsen för megohmmetern .

Om detta villkor inte är uppfyllt måste mätresultaten korrigeras för kretselementens isolationsresistans. För att göra detta mäts isolationsresistansen två gånger: en gång med en helt monterad krets och produkten ansluten, och andra gången med produkten frånkopplad. Resultatet av den första mätningen kommer att ge motsvarande isolationsresistans för kretsen och produkten Re, och resultatet av den andra mätningen kommer att ge resistansen hos elementen i mätkretsen Rc. Därefter produktens isoleringsmotstånd

Om sekvensen för att mäta isolationsresistansen inte är etablerad för elektriska maskiner av vissa andra produkter, regleras denna mätsekvens för krafttransformatorer av standarden enligt vilken isolationsresistansen för lågspänningslindningen (LV) mäts först. De återstående lindningarna, liksom tanken, måste jordas. I avsaknad av en tank måste transformatorhöljet eller dess skelett jordas.

I närvaro av tre spänningslindningar - lägre spänning, medelhög spänning och högre spänning - efter lågspänningslindningen är det nödvändigt att mäta isolationsresistansen hos mellanspänningslindningen och först då den högre spänningen.Naturligtvis, för alla mätningar, måste de återstående spolarna, såväl som tanken, vara jordade och den ojordade spolen måste urladdas efter varje mätning genom att ansluta till lådan i minst 2 minuter. Om resultaten av mätningarna inte uppfyller de fastställda kraven, måste testerna kompletteras med att bestämma isolationsresistansen hos lindningarna som är elektriskt anslutna till varandra.

För tvålindade transformatorer bör resistansen hos hög- och lågspänningslindningarna mätas i förhållande till fallet, och för trelindade transformatorer bör hög- och mellanspänningslindningarna mätas först, sedan hög-, medel- och lågspänningslindningarna .

När du testar isoleringen av en transformator är det nödvändigt att göra flera mätningar för att bestämma inte bara värdena för det ekvivalenta isolationsmotståndet, utan också för att jämföra lindningarnas isoleringsmotstånd med andra lindningar och maskinkroppen.

Isolationsresistansen hos elektriska maskiner mäts vanligtvis med sammankopplade faslindningar och på installationsplatsen — tillsammans med kablar (samlesskenor). Om mätresultaten inte uppfyller de fastställda kraven, mäts isolationsresistansen för varje faslindning och, om nödvändigt, varje gren av lindningen.

Man bör komma ihåg att det är svårt att rimligt bedöma isoleringens tillstånd enbart utifrån det absoluta värdet av isolationsmotståndet. Därför, för att utvärdera tillståndet för isolering av elektriska maskiner under drift, jämförs resultaten av dessa mätningar med resultaten från de tidigare.

Betydande, flera gånger, avvikelser mellan isolationsresistanserna för enskilda faser indikerar vanligtvis någon betydande defekt. En samtidig minskning av isolationsmotståndet för alla faslindningar indikerar som regel en förändring i det allmänna tillståndet för dess yta.

Vid jämförelse av mätresultaten bör isolationsmotståndets beroende av temperaturen komma ihåg. Därför är det möjligt att jämföra resultaten av mätningar utförda vid samma eller liknande temperatur med varandra.

När spänningen som appliceras på isoleringen är konstant, minskar den totala strömmen Ii (se fig. 1) som flyter genom den ju mer, desto bättre tillstånd är isoleringen, och i enlighet med minskningen av strömmen Ii, avläsningarna av megaohmmeter ökning. På grund av det faktum att I2-komponenten i denna ström, även kallad absorptionsströmmen, till skillnad från I3-komponenten, inte beror på tillståndet hos den isolerande ytan, liksom på föroreningar och fukthalt, förhållandet mellan isolationsresistansvärdena vid givna tidpunkter tar det som en egenskap av isolerande fukthalt.

Standarderna rekommenderar mätning av isolationsmotståndet efter 15 s (R15) och efter 60 s (R60) efter anslutning av megohmmetern, och förhållandet mellan dessa motstånd ka = R60 / R15 kallas absorptionskoefficienten.

Med icke-fuktig isolering, ka> 2, och med fuktig isolering — ka ≈1.

Eftersom värdet på absorptionskoefficienten är praktiskt taget oberoende av storleken på den elektriska maskinen och olika slumpmässiga faktorer, kan den normaliseras: ka ≥ 1,3 vid 20 ° C.

Felet i mätningen av isolationsresistans bör inte överstiga ± 20 %, såvida det inte är specifikt fastställt för en specifik produkt.

I elektriska produkter utsätter elektriska hållfasthetstester lindningarnas isolering mot kroppen och varandra, såväl som lindningarnas mellanisolering.

För att kontrollera den dielektriska hållfastheten hos isoleringen av spolar eller strömförande delar till huset, appliceras en ökad sinusformad spänning med en frekvens på 50 Hz på terminalerna på den testade spolen eller de strömförande delarna. Spänningen och varaktigheten av dess tillämpning anges i den tekniska dokumentationen för varje specifik produkt.

Vid testning av den dielektriska hållfastheten hos isoleringen av lindningar och spänningsförande delar till kroppen, måste alla andra lindningar och spänningsförande delar som inte är inblandade i testerna vara elektriskt anslutna till produktens jordade kropp. Efter slutet av testet bör spolarna jordas för att avlägsna restladdningen.

I fig. 2 visar ett diagram för provning av den dielektriska hållfastheten hos en lindning av en trefas elmotor Överspänningen genereras av en provanläggning AG innehållande en reglerad spänningskälla E. Spänningen mäts på högspänningssidan med en solcellsvoltmeter. En amperemeter PA används för att mäta läckströmmen genom isoleringen.

Produkten anses ha godkänts i testet om det inte finns något brott i isoleringen eller överlappning av ytan, och även om läckströmmen inte överstiger det värde som anges i dokumentationen för denna produkt. Observera att att ha en amperemeter som övervakar läckströmmen gör det möjligt att använda en transformator i testuppställningen.

Ris. 2. Schema för att testa den dielektriska styrkan hos isoleringen av elektriska produkter

Förutom frekvensspänningsprovning av isolering testas isolering även med likriktad spänning. Fördelen med ett sådant test är möjligheten att bedöma isoleringens tillstånd baserat på resultaten av mätning av läckströmmar vid olika värden på testspänningen.

För att utvärdera isoleringens tillstånd används den en icke-linjäritetskoefficient

där I1.0 och I0.5 är läckströmmar 1 min efter applicering av testspänningar lika med det normaliserade värdet på Unorm och hälften av den elektriska maskinens märkspänning Urated, kn <1,2.

De tre beaktade egenskaperna - isolationsresistans, absorptionskoefficient och olinjäritetskoefficient - används för att lösa frågan om möjligheten att slå på en elektrisk maskin utan att torka ut isoleringen.

Vid testning av isoleringens dielektriska styrka enligt diagrammet i fig. 2 är alla varv på lindningen vid praktiskt taget samma spänning med avseende på kroppen (jord) och därför förblir vrid-till-sväng-isoleringen okontrollerad.

Ett sätt att testa den dielektriska hållfastheten hos den isolerande isoleringen är att öka spänningen med 30 % jämfört med den nominella. Denna spänning appliceras från en reglerad spänningskälla EK till tomgångsprovningspunkten.

En annan metod är tillämpbar på generatorer som arbetar på tomgång och består i att öka generatorns exciteringsström tills spänningen (1,3 ÷ 1,5) Unom erhålls vid anslutningarna på statorn eller ankaret, beroende på typ av maskin.Med tanke på att även i viloläge kan strömmarna som förbrukas av lindningarna på elektriska maskiner överstiga deras nominella värden, tillåter standarderna att ett sådant test kan utföras med en ökad frekvens av spänningen som tillförs motorlindningarna över det nominella värdet eller vid ökad generatorhastighet.

För testning av asynkronmotorer är det även möjligt att använda en testspänning med en frekvens på fi = 1,15 fn. Inom samma gränser kan generatorns hastighet ökas.

När isoleringens dielektriska hållfasthet testas på ett sådant sätt kommer en spänning numeriskt lika med förhållandet mellan den pålagda spänningen delat med spolens antal varv att appliceras mellan intilliggande spolvarv. Den skiljer sig något (med 30-50%) från den som finns när produkten arbetar med nominell spänning.

Som ni vet beror gränsen för spänningsökning som appliceras på spolens terminaler på kärnan på det icke-linjära beroendet av strömmen i denna spole på spänningen vid dess terminaler. Vid spänningar nära det nominella värdet Unom är kärnan inte mättad och strömmen beror linjärt på spänningen (Fig. 3, avsnitt OA).

När spänningen ökar ökar U över den nominella strömmen i spolen kraftigt och vid U = 2Unom kan strömmen överstiga det nominella värdet tiotals gånger. För att avsevärt öka spänningen per varv av lindningen testas styrkan på isoleringen mellan varven med en frekvens som är många gånger (tio gånger eller mer) högre än den nominella.

Ris. 3. Graf över beroendet av strömmen i spolen med en kärna av den pålagda spänningen

Ris. 4.Testschema för lindningsisolering vid ökad strömfrekvens

Låt oss överväga principen för att testa den mellanliggande isoleringen av kontaktorspolar (Fig. 4). Testspolen L2 placeras på den delade magnetkretsens stav. En spänning U1 appliceras på spolens L1 terminaler med en ökad frekvens, så att det för varje varv av spolen L2 finns en spänning som är nödvändig för att testa den dielektriska hållfastheten hos isoleringen från varv till varv. Om isoleringen av lindningarna på spolen L2 är i gott skick, kommer strömmen som förbrukas av spolen L1 och mäts med amperemetern PA efter installationen av spolen att vara densamma som tidigare. Annars ökar strömmen i spolen L1.

Ris. 5. Schema för att mäta tangenten för vinkeln för dielektriska förluster

Den sista av de övervägda isoleringsegenskaperna — dielektrisk förlusttangens.

Det är känt att isolering har aktivt och reaktivt motstånd, och när en periodisk spänning appliceras på den flyter aktiva och reaktiva strömmar genom isoleringen, det vill säga det finns aktiva P- och reaktiva Q-effekter. Förhållandet P till Q kallas tangenten för den dielektriska förlustvinkeln och betecknas tgδ.

Om vi ​​kommer ihåg att P = IUcosφ och Q = IUsinφ, så kan vi skriva:

tgδ är förhållandet mellan den aktiva ström som flyter genom isoleringen till reaktiv ström.

För att bestämma tgδ är det nödvändigt att samtidigt mäta aktiv och reaktiv effekt eller aktiv och reaktiv (kapacitiv) isolationsresistans. Principen för att mäta tgδ genom den andra metoden visas i fig. 5, där mätkretsen är en enda brygga.

Armarna på bryggan är sammansatta av en exempelkondensator C0, variabel kondensator C1, variabla R1 och konstanta R2 motstånd, såväl som kapacitansen och isolationsresistansen för lindningen L till produktens eller massans kropp, konventionellt avbildad som kondensator Cx och motstånd Rx. I händelse av att det är nödvändigt att mäta tgδ inte på spolen, utan på kondensatorn, är dess plattor anslutna direkt till terminalerna 1 och 2 på bryggkretsen.

Diagonalen på bron inkluderar en galvanometer P och en strömkälla, som i vårt fall är en transformator T.

Som i andra bryggkretsar Mätningsprocessen består i att erhålla minimiavläsningarna för anordningen P genom att sekventiellt ändra motståndet hos motståndet R1 och kapacitansen hos kondensatorn Cl. Vanligtvis väljs parametrarna för bryggan så att värdet på tgδ vid noll- eller minimiavläsningar av anordningen P läses direkt på skalan för kondensatorn Cl.

Definitionen av tgδ är obligatorisk för kraftkondensatorer och transformatorer, högspänningsisolatorer och andra elektriska produkter.

På grund av att dielektriska hållfasthetstester och tgδ-mätningar utförs, som regel, vid spänningar över 1000 V, måste alla allmänna och speciella säkerhetsåtgärder följas.

Testprocedur för elektrisk isolering

Parametrarna och egenskaperna hos isoleringen som diskuteras ovan måste bestämmas i den sekvens som fastställs av standarderna för specifika typer av produkter.

Till exempel, i krafttransformatorer, bestäms först isolationsresistansen och sedan mäts den dielektriska förlusttangenten.

För roterande elektriska maskiner, efter att ha mätt isolationsresistansen före testning av dess dielektriska styrka, är det nödvändigt att utföra följande tester: vid ökad rotationsfrekvens, med en kortvarig ström- eller vridmomentöverbelastning, med en plötslig kortslutning (om det är avsedd för denna synkronmaskin), isolationstest av lindningarnas likriktade spänning (om specificerat i dokumentationen för denna maskin).

Standarder eller specifikationer för specifika maskintyper kan komplettera denna lista med andra tester som kan påverka den dielektriska hållfastheten hos isoleringen.