Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

• Толщины изоляции;
• Диэлектрической проницаемости;
• Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
• Тип диэлектрика;
• Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

• Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
• Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
• Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Тема 2. Электрические испытания

Электрические испытания приборов и систем проводятся с целью проверки электрической прочности, сопротивления изоляции и нормального функционирования ЛА. Электрические испытания включают в себя: автономные испытания приборов, агрегатов и систем до установки на аппарат, испытания в процессе сборки; комплексные испытания расстыкованного и состыкованного ЛА. Электрическая прочность и сопротивление изоляции проверяются на собранных блоках или системах:

— между электрическими цепями и металлическими изолированными частями приборов;

— между разъединяющимися в процессе функционирования электрическими цепями;

— между электрически не соединенными цепями.

Вначале проверяется электрическая прочность, а затем измеряется электрическое сопротивление изоляции. Объем электрических испытаний определяется НТД.

2.1. Проверка электрической прочности изоляции

Электрической прочностью является способность электрической изоляции выдерживать действие приложенного к ней электрического напряжения. Она определяется значением напряжения, при котором наступает пробой – пробивным напряжением.

Электрическую прочность можно определить с помощью формулы

где — коэффициент неоднородности поля; — напряжение, вызывающее пробой; — толщина изоляции.

Пробивное напряжение зависит от шерховатости поверхности, наличия масла, влаги, пыли, гигроскопичности и т.д. Номинальное напряжение, приложенное к изоляции изделия при нормальном функционировании, меньше пробивного напряжения. Испытательное напряжение для проверки электрической прочности изоляции зависит от номинального напряжения, его мощности, режимов эксплуатации и определяется НТД.

При испытаниях допускается объединять несколько электрически независимых цепей, имеющих одинаковое рабочее напряжение, в единую систему.

Испытательное напряжение рассчитывается по формуле

где — напряжение, определяемое НТД; — коэффициент; — номинальное напряжение. Испытательное напряжение должно быть синусоидальным. Практически изоляцию подвергают воздействию максимального напряжения с амплитудой .

При пикообразном напряжении при том же действующем значении амплитуда гораздо больше.

Испытательное напряжение должно увеличиваться и уменьшаться плавно. При резком включении или отключении напряжения в исследуемой цепи, имеющей значительную индуктивность, могут возникнуть ударные перенапряжения, ударная напряженность поля в момент импульса окажется больше электрической прочности изоляции, и тогда произойдет пробой. Продолжительность изменения испытательного напряжения до должна быть более 10с. Возможно ступенчатое изменение напряжения от 0 до 0,5 , затем ступенями по (0,05 – 0,10) повышение до максимального напряжения , выдержка в течении 1 мин и ступенчатое снижение напряжения.

Установки для испытаний электрической прочности изоляции обычно обладают мощностью более 500ВА, поэтому к работе допускаются только специалисты, прошедшие специальный инструктаж по технике безопасности.

Изоляцию ЛА, обладающих различной проводимостью в различных направлениях, подвергают испытанию напряжением постоянного тока.

Электрическую прочность межвитковой изоляции обмоток электрических машин проверяют на холостом ходу плавным повышением напряжения на обмотке. Изоляция должна выдерживать в течении 5 минут напряжение в 1,5-2 раза превышающее рабочее напряжение. Пробой межвитковой изоляции обмотки контролируется по снижению напряжения.

При проверке электрической прочности изделий в условиях пониженного давления испытания проводят в барокамере при испытательном давлении.

2.2. Проверка сопротивления изоляции

Под воздействие приложенного напряжения электроизоляционные материалы проявляют свойство электропроводности. Электропроводность диэлектриков намного ниже, чем проводников, и вместе с тем эта характеристика диэлектриков играет важную роль в функционировании оборудования. Ток утечки диэлектрика имеет две составляющие: ток, проходящий по его поверхности, и ток, проходящий через диэлектрики. Отношение напряжения, приложенного к диэлектрику, к силе тока утечки называется сопротивлением изоляции. Сопротивление изоляции может быть определено соотношением

где — сила тока утечки по поверхности изоляции; — сила тока утечки через слой изоляции.

Сопротивление изоляции зависит от механических воздействий, температуры, проникающего излучения, состояния поверхности диэлектрика, качества обработки, сборки, пропитки и т.п.

Проверку сопротивления изоляции производят, как правило, в нормальных климатических условиях после воздействия механических и климатических факторов.

Нижний предел сопротивления изоляции должен быть:

— в холодном сухом состоянии ≥20 Мом;

— в нагретом состоянии ≥2 Мом;

— в увлажненном состоянии не менее 1 Мом;

В отдельных случаях может устанавливаться более низкий предел сопротивления изоляции.

Проверку сопротивления изоляции производят следующими способами:

— сетевым и ручным мегаомметрами,

— с помощью вольтметра с определенным внутренним сопротивлением.

Сопротивление изоляции входа измерительных приборов должно превышать на порядок измеряемое сопротивление изоляции. Измерительное напряжение должно соответствовать рабочему напряжению измеряемой цепи. Регистрацию значений сопротивления изоляции проводят, как правило, через одну минуту после подачи измерительного напряжения.

Для измерения сопротивления изоляции наиболее часто применяются магнитоэлектрические мегаомметры и мегаомметры с использованием электронных автокомпенсационных схем.

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

• Электрический – происходит в твердых изоляционных материалах, характеризуется лавинообразным процессом при котором разрываются естественные связи внутри атома;
• Тепловой пробой – происходит когда изоляция получает больше тепловой энергии, чем способна отвести. Возникает как следствие размягчения, которое приводит к деформации и уменьшению толщины материала;
• Электромеханический – характерен для хрупкой изоляции (фарфора, керамики) где внутренние разряды приводят к механическим повреждениям;
• Электрохимический – обуславливается изменением химического состава изоляции. Чаще всего, в результате старения, иногда за счет диффузии металла проводника в поры диэлектрика, что и снижает электрическую прочность;
• Ионизационный – присущ тем диэлектрикам, где присущи газовые включения или другие неоднородности, в которых происходит ионизация частиц.

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.

Рис. 2. Зависимость видов пробоя

Описание прибора для проверки электрической прочности изоляции РЕТОМ-6000:

Испытания электрической прочности изоляции электроустановок являются обязательными на всех этапах их эксплуатации. Было разработано новое устройство РЕТОМ-6000, в нем учтен опыт эксплуатации прибора РЕТОМ-2500:

• прибор стал полностью автоматическим, но имеется и режим ручного управления;
• увеличено максимальное напряжение постоянного и переменного тока до 6 кВ;
• в прибор встроен мегаометр для измерения сопротивления изоляции;
• в 1,5 раза увеличена мощность канала до 2 кВ и добавлен режим до 1 кВ, что позволяет более качественно снимать кривые намагниченности трансформаторов тока, используемые на напряжение от 110 до 750 кВ;
• микропроцессорное управление позволяет зафиксировать на индикаторе значения напряжения, тока утечки и времени подачи повышенного напряжения до момента пробоя, выбрать режим работы с мгновенным отключением при наступлении пробоя или с дожиганием канала;
• новый удобный пластиковый корпус облегчает транспортировку прибора к месту работы.

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

• Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
• Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
• Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:

Рис. 3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Испытание изоляции повышенным напряжением

Испытание изоляции кабелей, обмоток электрических машин и других электроустановок повышенным напряжением ставит целью проверку наличия необходимого запаса электрической прочности, способного обеспечить безаварийную работу электрооборудования и заблаговременно выявить и установить неисправность.

Испытание повышенным напряжением производится как переменным током промышленной частоты, так и выпрямленным током высокого напряжения.

Испытание изоляции повышенным напряжением переменного тока.

Величина испытательного напряжения определяется по ГОСТ 1516—60, исходя из опыта эксплуатации, анализа величины внутренних перенапряжений, возникающих в действующих электроустановках и защитных характеристик разрядников от атмосферных перенапряжений. Для того, чтобы возникший электрический пробой мог завершиться и можно было определить дефект в изоляции, испытательное напряжение прикладывают в течение 1 мин. Большая длительность испытаний может привести к повреждению изоляции из-за теплового пробоя даже при отсутствии дефектов в изоляции. Исключение составляют такие изоляционные органические материалы, как бакелит, дерево, кабельная бумага и т. п., в которых основную роль играет поверхностная изоляция. Так как в этих материалах обычно не контролируются диэлектрические потери, то время приложения высокого напряжения при испытаниях принято по ГОСТ 5 мин с тем, чтобы после окончания испытания и снятия напряжения можно было проверить на ощупь, нет ли местных нагревов. Пробивное напряжение изоляции аппаратов, трансформаторов и изоляторов выбирается выше разрядного напряжения по воздуху, которое в свою очередь выше испытательного напряжения, принятого на заводе- изготовителе для новых изоляторов, аппаратов и трансформаторов.

С течением времени прочность изоляции в эксплуатации может понижаться, но она не должна быть ниже установленного минимума. Изоляция считается прошедшей испытание на электрическую прочность, если при этом не было пробоя, частичных разрядов, выделений газа или дыма, а также, если приборы не указывали на наличие повреждений. Пробой изоляции при испытании отмечается по амперметру — по возрастанию тока и по вольтметру — по снижению напряжения. Чтобы не повредить частичными разрядами изоляцию, следует при их возникновении прекратить испытание высоким напряжением до устранения дефекта и ремонта изоляции.

Испытательное напряжение должно прикладываться:

а) между токоведущими и заземленными частями (для коммутационных аппаратов при включенном и отключенном положениях) ;

б) между токоведущими частями соседних полюсов (для коммутационных аппаратов при включенном и отключенном положениях) ;

в) между разомкнутыми контактами одного и того же полюса при отключенном положении аппарата.

Испытание изоляции повышенным напряжением постоянного (выпрямленного) тока применяется для оборудования с большой емкостью (кабели, конденсаторы, генераторы, электродвигатели и пр.), для испытания которых переменным током необходимы испытательные трансформаторы большой мощности. Поэтому кабельные линии уже довольно давно испытывают постоянным (выпрямленным) напряжением, что вполне себя оправдало.

Накопленный опыт испытания генераторов и электродвигателей показывает, что испытания переменным током выявляют большинство дефектов в пазовой части изоляции, а испытания выпрямленным напряжением — в основном в лобовой части и при выходе из паза.

Для испытания изоляции выпрямленным напряжением применяются кенотронные аппараты. Преимуществом испытания изоляции выпрямленным напряжением является возможность вести контроль за её состоянием путем измерения токов утечки.

Измерение токов утечки на выпрямленном напряжении.

Сопротивление изоляции, как было сказано выше, измеряют мегомметром, позволяющим отсчитывать по шкале прибора показания в мегомах при приложении напряжения к изоляции от 500 до 2500 в. Однако некоторые дефекты при таких величинах прикладываемого к изоляции напряжения не выявляются. Для выявления таких дефектов измеряют токи утечки с помощью кенотронных аппаратов, По измеренным при помощи микроамперметра токам утечки, протекающим при заданных величинах напряжения и времени отсчета, судят о состоянии сопротивления изоляции.

В исправной и сухой изоляции ток утечки по времени будет спадать, и тем быстрее, чем в лучшем состоянии находится изоляция. Если же ток утечки при определенном напряжении не только не спадает, но возрастает со временем, то это указывает на сильную степень развития дефекта, и в этом случае рекомендуется тщательно осмотреть обмотку (нет ли повреждения изоляции) и при необходимости подвергнуть изоляцию сушке, а затем повторному испытанию.

При исследовании тока утечки через изоляцию можно воспользоваться также методом измерения напряжения и времени саморазряда оборудования (электрической машины и др.), заряженного до определенного напряжения. При этом параллельно испытуемому оборудованию присоединяется вольтметр или другой прибор, который может фиксировать напряжение разряда (шаровой разрядник, неоновая лампа с сопротивлением и т. п.). Время, за которое произойдет саморазряд изоляции до определенной величины, будет тем меньше, чем хуже изоляция и чем меньше ее емкость. Для оценки состояния изоляции по методу саморазряда необходимо знать опытные данные о времени саморазряда (до определенной величины напряжения) испытуемого или аналогичного оборудования с исправной изоляцией. Токи утечки не нормируются, а сопоставляются с результатами предыдущих испытаний. Обычно для измерения токов утечки в кабельных сетях применяют кенотронные установки, смонтированные на автомашине.

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

E = U/d;

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Порядок проверки сопротивления изоляции кабеля мегаомметром

Приходишь на объект, и видишь например следующую картину.

Перед непосредственно проверкой сопротивления изоляции надо убедиться, что:

• жилы кабеля прозвонены и промаркированы (о прозвонке читайте тут)
• на жилах кабеля, куда будем подавать напряжение нет грязи, нагори, краски (на жиле кабеля такого нет, но это может быть на заземлении, которое окрашивают или же оно может быть покрыто слоем ржавчины, тогда надо отскрести отверткой или ножом)
• на другом конце кабеля никто не работает и кабель отсоединен от нагрузки и источника питания (не стоит подавать напряжение на монтажника, который может разделывать кабель с другой стороны, или замерять Rx кабеля с нагрузкой, также стоит проследить, чтобы мы не подали высокое напряжение на вторичные цепи и элементы, которые могут от 2500В прийти в негодность, поэтому иногда их просто мегерят на 500В)
• кабель обесточен и предусмотрены меры, не допускающие случайную подачу напряжения на испытуемый кабель (замки, плакаты, выкачены ячейки)
• если мегер-тест (измерение сопротивления изоляции) идет в комплексе с высоковольтными испытаниями, то нужно убедиться, что на втором конце кабеля (второй конец – противоположный от места испытания) выставлен человек или помещение заперто и огорожено с вывешенными плакатами
• мегаомметр находится в исправном состоянии и годен к эксплуатации (клеймо поверки на корпусе и концы прибора испытаны)
• вы имеете право и квалификацию работать с мегаомметром и производить данный вид работ (3 группа по электробезопасности и не просроченная проверка специальных знаний, плюс медосмотр)
• провода мегаомметра должны иметь высокую изоляцию (тут можно еще сделать следующее: свести два провода мегаомметра и подать напряжение – значение должно быть нулевым, так как изоляции между проводами нет, а если развести – то бесконечность – так как сопротивление воздуха велико)

8-11. ИСПЫТАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ

Испытание электрической прочности изоляции (на пробой) производится путем приложения к этой изоляции на 1 мин

напряжения переменного тока 50
гц
практически синусоидальной формы. Величина этого испытательного напряжения указана в табл. 8-6.

Подъем и снижение испытательного напряжения должны быть плавными 1

и начинаться с напряжения не более 7з испытательного. Испытанию изоляции от корпуса подвергается поочередно каждая электрическая независимая цепь, при этом один полюс источника испытательного напряжения прикладывается к выводу испытуемой обмотки, а другой — к заземленному корпусу машины, с которым на время испытания данной обмотки электрически соединяются все прочие (не участвующие в испытании) обмотки.

Соединенные между собой многофазные обмотки считаются за одну цепь, если начало и конец каждой фазы не выведены к специальным зажимам. В этом случае вся многофазная обмотка испытывается от корпуса целиком. При наличии выводов начала и конца каждой фазы испытание от корпуса делается поочередно для каждой фазы при присоединенных к корпусу прочих фазах.

Если одна из обмоток машины при номинальном режиме работы связана с корпусом машины, то на время испытания электрической прочности изоляции такой обмотки она должна быть отсоединена от корпуса машины.

Если при ремонте произведена полная замена какой-либо обмотки на новую, то эту обмотку испытывают на полное пробивное напряжение для вновь изготовленной машины в соответствии с ГОСТ 183-55.

Если при ремонте заменена лишь часть обмотки, а часть обмотки осталась старая, бывшая в эксплуатации, то электрическую прочность всей обмотки испытывают напряжением, равным 1,3 номинального напряжения машины, но не меньше 0,5 испытательного напряжения, указанного в табл. 8-6.

Поверочные испытания электрической прочности изоляции после доставки машины на место сборки и сушки

1 Подробнее см. ГОСТ 183-55.

Таблица 8-6

испытательное напряжение при испытаний электрической

прочности изоляции обмоток относительно корпуса машины

и между обмотками (по ГОСТ 183-55)

Электрическая машина или ее части

Продолжение табл. 8-6

Содержание Предыдущий § Следующий