Испытания электрооборудования

3.1. Диагностирование изоляции [2]

3.1.1. Определение увлажненности изоляции по коэффициенту абсорбции

3.1.2. Определение увлажненности изоляции способом «емкость – частота»

3.1.3. Определение местных дефектов изоляции по частичным разрядам

3.1.4. Определение местных дефектов изоляции по току сквозной проводимости

3.1.5. Определение износа изоляции по значению диэлектрических потерь

3.2. Учет температуры при измерении сопротивления изоляции

3.3. Измерение сопротивления изоляции электрооборудования

3.3.1. Измерение сопротивления изоляции силовых кабелей и электропроводок

3.3.2. Измерение сопротивления изоляции силового электрооборудования

3.4. Нормируемые величины

3.5. Приборы для измерения сопротивления изоляции

Измерения проводятся с целью проверки соответствия сопротивления изоляции установленным нормам.

3.1. Диагностирование изоляции [2]

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 i_u, во-вторых, происходит замедленная поляризация, т.е. смещение и поворот связанных дипольных молекул, создающих ток абсорбции i_a. В-третьих, происходит мгновенная поляризация, представляющая собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов и создающая ток смещения i_c.

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

Рис. 3.1. Схема замещения изоляции (а) и диаграмма токов, протекающих по ней (б)

На рис. 3.1, 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:

(3.1)

где U – приложенное напряжение, В.

Поскольку измерение i_a 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 i_a 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 ПТЭЭП установлены нормативы, характеризующие параметры схемы замещения.

При эксплуатации электрооборудования его изоляция подвергается влиянию рабочего напряжения, кратковременным перенапряжением 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 R_a C_a. 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; измерение по току сквозной проводимости; испытание повышенным напряжением переменного или постоянного тока.

3.1.1. Определение увлажненности изоляции по коэффициенту абсорбции

Пусть изоляция некоторого электрооборудования, например, электродвигателя, моделируется схемой замещения (см. рис. 3.1, а). Из рассмотрения процессов электропроводности и поляризации следует, что для заведомо сухой изоляции в процессе измерения суммарный ток i_сух будет резко затухать (рис. 3.2).

Рис. 3.2. График изменения полного тока и сопротивления сухой и влажной изоляции

У влажной изоляции такого же двигателя суммарный ток i_вл 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 R_cyx при измерении будет резко увеличиваться, а сопротивление влажной R_вл 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 t₁ и t₂ (t₂ > t₁) после подачи напряжения и определения отношения R_t2/R_t1, называемого коэффициентом абсорбции, равным отношению измеренного сопротивления изоляции через 60 секунд после приложения напряжения мегаомметра (R₆₀) к измеренному сопротивлению изоляции через 15 секунд (R₁₅), при этом:

.

(3.2)

Если (R₆₀/R₁₅)>1,3 то изоляцию считают сухой; если (R₆₀/R₁₅)£ 1,3, то изоляцию признают влажной.

3.1.2. Определение увлажненности изоляции способом «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. 3.3).

Емкость сухой С_сух изоляции практически не зависит от частоты, так как поляризация в ней происходит почти мгновенно. Емкость же влажной изоляции С_вл с ростом частоты убывает. Это объясняется тем, что при малой частоте дипольные молекулы воды успевают следовать (поворачиваться) за полем и С_вл 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.

Рис. 3.3. График изменения емкости сухой и влажной изоляции

Диагностирование увлажнения состоит в измерении емкости изоляции при частоте f₁ и f₂ (f₂>f₁) и определении отношения C_f1/C_f2. Обычно принимают f₁=2, f₂=50 Гц и измеряют соответственно С₂ и C₅₀. Если (С₂/С₅₀)<1,2, то изоляция сухая, если (С₂/С₅₀)£ 1,2 – увлажненная. Такой способ диагностирования проводят при помощи прибора контроля влажности изоляции.

3.1.3. 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.

3.1.4. Определение местных дефектов изоляции по току сквозной проводимости

В исправной изоляции ее сопротивление сохраняет постоянное значение в большом диапазоне измерения испытательного напряжения. При появлении местных дефектов сопротивление снижается по мере увеличения напряжения.

В зависимости от степени развития и характера неисправности изоляции снижение сопротивления начинается при различных напряжениях. Таким образом, исправная изоляция имеет линейную, а неисправная – нелинейную вольтамперную характеристику.

Изоляцию проверяют в следующей последовательности. Подключают через микроамперметр обмотку одной из фаз к регулируемому источнику переменного напряжения. Плавно увеличивают напряжение до 1200 В и записывают ток утечки I₁. Затем повышают напряжение до 1800 В и записывают ток утечки I₂. Аналогичные измерения проводят для остальных фаз. Когда нулевая точка обмотки недоступна, то к источнику подключают один из выводов обмотки, т.е. испытывают сразу изоляцию трех фаз. Изоляцию считают исправной, если при повышении напряжения не наблюдают бросков тока; ток утечки при напряжении 1800 В не превышает 95 мкА для одной фазы (230 мкА для трех фаз); относительное приращение токов не более 0,9; коэффициент несимметрии токов утечки фаз не превышает 1,8.

3.1.5. Определение износа изоляции по значению диэлектрических потерь

Из схемы замещения изоляции (см. рис. 3.1, а) видно, что при подаче переменного напряжения U установившийся ток будет иметь две составляющие: I_а – активный ток, зависящий от сопротивления изоляции R_u и проводимости абсорбционной ветви R_a C_а; I_С – реактивный ток, зависящий в основном от реактивной проводимости абсорбционной ветви R_a C_a и частично от C_с. Потребляемая мощность также будет иметь две составляющие, одна из которых – мощность диэлектрических потерь

где – тангенс угла диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери зависят от вида диэлектрика и от его состояния. Тепловой износ, посторонние включения и влага ухудшают качество изоляции, что приводит к увеличению tgδ по сравнению с новой изоляцией. Поэтому по значению tgδ можно определить степень износа изоляции. Диагностирование изоляции по tgδ используют для определения состояния в основном высоковольтного электрооборудования. Для измерения угла диэлектрических потерь применяют схему высоковольтного моста или схему с ваттметром. Последняя проста и удобна, однако ее недостаток в том, что получают меньшую точность измерений, чем при помощи схемы моста.

3.2. Учет температуры при измерении сопротивления изоляции

Сопротивление изоляции является изменчивой величиной, поскольку зависит от многих факторов. Наибольшее влияние на нее оказывают температура и влажность, с увеличением которых сопротивление изоляции снижается. Целью измерения сопротивления изоляции является установление возможности проведения испытаний машины или включения ее в сеть без повышенного риска повреждения.

Такие измерения проводятся мегаомметром, который содержит источник питания постоянного напряжения. Если применяется мегаомметр с генератором постоянного тока, то его ручка должна вращаться непрерывно и равномерно, пока стрелка прибора не установится; при всяком замедлении или перерыве во вращении обмотка разряжается через мегаомметр на корпус, что затягивает измерение или вызывает дополнительные погрешности, особенно для обмоток крупных машин, имеющих значительную емкость.

Для сопротивления изоляции обмоток электрических машин нормируется лишь наименьшее значение при рабочей температуре. Основным критерием при суждении о допустимом состоянии изоляции обмоток является сравнение сопротивления изоляции в процессе эксплуатации. При этом температура, при которой производятся измерения, должна быть одинаковой, т.е. t₁=t₂=....=t_n, где n – очередной номер измерений, а продолжительность измерения должна быть равна одной минуте.

Если сопротивление изоляции уменьшилось более чем на 30% по сравнению с предыдущим, то сопротивление изоляции считается недопустимым. Более подробно объем, периодичность и другие нормы испытаний электрооборудования приводятся в первом разделе ПУЭ. Здесь указано, что при температуре изоляции, равной 75°С, ее сопротивление должно быть не меньше определяемого по формуле (3.1), но не менее 0,5 МОм.

При температуре электрооборудования в 20°С сопротивление изоляции должно быть не менее 4,7 МОм. Это следует из приведения допустимого значения сопротивления изоляции (0,5 МОм) при 75°С к температуре 20°С на основе коэффициентов, показанных в таблице 3.1

Таблица 3.1

Коэффициенты приведения сопротивления изоляции к одной температуре

Методика применения таблице 3.1. состоит в следующем. Находят разность температур Dt =75 - 20 = 55°С. По ней из таблицы 3.1. определяют значение коэффициентов приведения. В том случае, если разность температур более 40°С, можно принять два или более коэффициента приведения. В нашем случае интервал 55° можно разбить на две составляющих – 25° и 30°, в первом случае коэффициент приведения равен 2,75, а во втором – 3,40. Тогда общий коэффициент приведения равен 2,75·3,40 = 9,35. Значит, сопротивление изоляции при 20°С должно быть равно: 0,5·9,35 = 4,7 МОм.

Приблизительно оценить значения сопротивления изоляции при рабочей температуре (75°С) можно, пользуясь следующим правилом: в случае измерения сопротивления изоляции при температуре ниже рабочей сопротивление изоляции следует удваивать на каждые полные или неполные 20°С разности между рабочей температурой и той температурой, при которой выполнялись измерения.

Например: при температуре 20°С сопротивление изоляции было равно 4,8 МОм, рабочая температура обмотки равна 75°С, тогда разность температур Dt = 75 - 20 = 55°С. Согласно правилу, в этой разности находится три полных (или неполных) интервала по 20°С (20 + 20 + 15 = 55). Тогда приведенный результат измерения будет равен:

Полное заключение о состоянии изоляции делают по совокупности результатов измерений. Но в ряде случаев выделяют отдельные определяющие параметры, которые в некоторых условиях достаточно полно оценивают качество изоляции. Такой подход оправдан для выявления конкретных неисправностей изоляции (увлажнение, старение и т.п.)

3.3. Измерение сопротивления изоляции электрооборудования

3.3.1. Измерение сопротивления изоляции силовых кабелей и электропроводок

При измерении сопротивления изоляции необходимо учитывать следующее:

– измерение сопротивления изоляции кабелей (за исключением кабелей бронированных) сечением до 16 мм² производится мегаометром на 1000 В, а выше 16 мм² и бронированных – мегаометром на 2500 В; измерение сопротивления изоляции проводов всех сечений производится мегаометром на 1000 В.

При этом необходимо производить следующие замеры: на двух и трех проводных линиях – три замера: L-N, N-РЕ, L-PE; на четырех проводных линиях – четыре замера: L₁-L₂L₃PEN, L₂-L₃L₁PEN, L₃-L₁L₂PEN, PEN-L₁L₂L₃ или шесть замеров: L₁-L₂, L₂-L₃ L₁-L₃, L₁-PEN, L₂-PEN, L₃-PEN; на пяти проводных линиях – пять замеров: L₁-L₂L₃ NPE, L₂-L₁L₃NPE, L₃-L₁L₂NPE, N-L₁L₂L₃PE, PE-NL₁L₂L₃ или 10 замеров: L₁-L₂, L₂-L₃, L₁-L₃, L₁-N, L₂-N, L₃-N, L₁-PE, L₂-PE, L₃-PE, N-PE.

Если электропроводки, находящиеся в эксплуатации, имеют сопротивление изоляции менее 1 МОм, то заключение об их пригодности делается после испытания их переменным током промышленной частоты напряжением 1 кВ.

3.3.2. Измерение сопротивления изоляции силового электрооборудования

Как указывалось ранее, значение сопротивления изоляции электрических машин и аппаратов в большой степени зависит от температуры. Замеры следует производить при температуре изоляции не ниже +5°С, кроме случаев, оговоренных специальными инструкциями. При более низких температурах результаты измерения из-за нестабильного состояния влаги не отражают истинной характеристики изоляции. При существенных различиях между результатами измерений на месте монтажа и данными завода-изготовителя, обусловленных разностью температур, при которых проводились измерения, следует откорректировать эти результаты по указаниям изготовителя.

При измерении сопротивления изоляции силовых трансформаторов используются мегаомметры с выходным напряжением 2500 В, измерения проводятся между каждой обмоткой и корпусом и между обмотками трансформатора. При этом R₆₀ должно быть приведено к результатам заводских испытаний в зависимости от разности температур, при которых проводились испытания. Значение коэффициента абсорбции должно отличаться (в сторону уменьшения) от заводских данных не более чем на 20%, а его величина должна быть не ниже 1,3 при температуре 10 – 30 °С. При невыполнении этих условий трансформатор подлежит сушке.

Сопротивление изоляции автоматических выключателей и УЗО производятся:

4. Между каждым выводом полюса и соединенными между собой противоположными выводами полюсов при разомкнутом состоянии выключателя или УЗО.

5. Между каждым разноименным полюсом и соединенными между собой оставшимися полюсами при замкнутом состоянии выключателя или УЗО.

6. Между всеми соединенными между собой полюсами и корпусом, обернутым металлической фольгой.

При этом для автоматических выключателей бытового и аналогичного назначения (ГОСТ Р50345-99) и УЗО при измерениях по пп. 1, 2 сопротивление изоляции должно быть не менее 2 МОм, по п. 3 – не менее 5 МОм.

Для остальных автоматических выключателей (ГОСТ Р50030.2-99) во всех случаях сопротивление изоляции должно быть не менее 0,5 МОм.

3.4. Нормируемые величины

Периодичность испытаний и минимальная допустимая величина сопротивления изоляции должны соответствовать указанным в нормах испытаний электрооборудования и аппаратов Правил устройства электроустановок (ПУЭ), Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Минимально допустимые значения сопротивления изоляции электроустановок напряжением до 1000 В.

(Приложение 3; 3.1 ПТЭЭП)

3.5. Приборы для измерения сопротивления изоляции

Для изменения сопротивления изоляции могут применяться мегаомметры ЭС0202/1Г, ЭС0202/2-Г с выходным напряжением 500, 1000, 2500 В (рис. 3.4, табл. 3.3), Ф4100 и его модификации; Ф4102/2-1М, Ф4102/1-1М электронного типа (рис. 3.5, табл. 3.4)), измерители параметров электроизоляции MIC-1 с выходным напряжением 500 В, 1000 В, 2500 В (рис. 3.6, табл. 3.6) [4, 5].

Рис. 3.4. Мегаомметр ЭС0202-Г

Питание мегаомметров ЭС0202 осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В, а также от встроенного электромеханического генератора.

Диапазоны измерений, значение напряжения на зажимах прибора и источник питания мегаомметров приведены в таблице 3.3.

Таблица 3.3

Технические характеристики мегаомметров ЭС0202

Относительная погрешность измерения мегаомметрами ЭСО202/1Г, ЭСО202/2-Г равна ± 15%.

Рис. 3.5. Мегаомметр Ф4102/1-1М

Таблица 3.4

Технические характеристики мегаомметров Ф4102

Порядок проведения измерений. При измерении сопротивления изоляции следует учитывать, что для присоединения мегаомметра к испытываемому объекту необходимо пользоваться гибкими проводами с изолирующими рукоятками на концах и ограничительными кольцами перед контактными щупами. Длина соединительных проводов должна быть минимальной исходя из условий проведения измерений, а сопротивление их изоляции не менее 10 МОм.

Измерения мегаомметрами типа ЭС0202 проводятся в следующей последовательности:

• проверить отсутствие напряжения на испытываемом объекте;
• очистить изоляцию от пыли и грязи вблизи присоединения мегаомметра к испытываемому объекту;
• присоединить испытываемый объект к гнездам «г», «х», а экран объекта к гнезду «э»;
• переключатель диапазонов выходного напряжения установить в положение, соответствующее испытываемому объекту, а переключатель диапазонов измерений – в положение I;
• для проведения измерений вращать рукоятку генератора со скоростью 120 – 140 оборотов в минуту или держать нажатой кнопку «Сеть» при питании мегаомметра от сети до устойчивого положения стрелки прибора;
• снять показания мегаомметра и оценить погрешность измерения.

Внимание! После каждого измерения необходимо снимать емкостной заряд путем кратковременного заземления частей испытываемого объекта, на которые подавалось выходное напряжение мегаомметра.

Время установления показаний не превышает 8 с.

Время заряда емкости объекта величиной не более 0,5 мкФ не превышает 15 с.

Время установления рабочего режима не превышает 4 с.

Режим работы мегаомметра прерывистый: измерение – не более 1 мин, пауза – не менее 2 мин.

Питание мегаомметра осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В, а также от встраиваемых химических источников постоянного тока (9 элементов А373).

Мегаомметр имеет сетевую индикацию:

• включения и подачи высокого напряжения – индикатор ВН;
• контроля работоспособности химических источников тока – индикатор КП. Свечение индикатора происходит при снижении напряжения химических источников тока до 10 В.

Мегаомметр сохраняет работоспособность при температуре окружающего воздуха от минус 30^оС до плюс 50^оС и относительной влажности 90% при температуре плюс 30^оС.

Мегаомметры ЭСО 202/2 (Г) могут быть использованы также для проведения испытаний электрооборудования повышенным постоянным напряжением.

© ФГБОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2014
© Институт энергетики и управления энергетическими ресурсами АПК, 2014