Испытания и измерение сопротивления и емкости изоляции в отрасли железных дорог

метки: Изоляция, Электрический, Испытание, Прочность, Напряжение, Сопротивление, Увлажнение, Емкость

В процессе эксплуатации изоляции на нее воздействуют частичные разряды, тепловые и механические нагрузки, из окружающего воздуха проникает влага. Все это приводит к появлению сосредоточенных и распределенных дефектов изоляции.

Методы контроля состояния изоляции подразделяются на неразрушающие методы, производимые при пониженных напряжениях и при рабочих напряжениях, и на разрушающие методы контроля, предполагающие использование напряжений, повышенных по сравнению с рабочими.

1. Дефекты изоляции и механизмы их возникновения

Повторюсь, что в процессе эксплуатации на изоляцию воздействуют электрические, механические и тепловые нагрузки, вызывающие постепенное ухудшение ее свойств, связанное с уменьшением сопротивления изоляции, ростом диэлектрических потерь, снижением электрической прочности. Процесс ухудшения свойств называют старением изоляции. Эти изменения носят, как правило, необратимый характер и завершаются пробоем изоляции, что ограничивает сроки службы изоляционных конструкций.

Различают четыре основных вида воздействия на изоляцию и четыре процесса старения изоляции:

• электрические нагрузки, связанные с возможной ионизацией при большой напряженности электрического поля — электрическое старение изоляции;
• тепловые нагрузки, приводящие постепенному разложению или появлению трещин в изоляции — тепловое старение изоляции;
• механические нагрузки, связанные с возникновением и развитием трещин в твердой изоляции — механическое старение;
• проникновение влаги из окружающей среды — увлажнение изоляции.

Возникающие в изоляции дефекты подразделяются на сосредоточенные (трещины, газовые включения, эрозия, увлажнение небольшого объема изоляции) и распределенные, охватывающие значительный объем или поверхность изоляции.

Электрическое старение твердой изоляции происходит из-за возникновения разрядных процессов в толще изоляции. Электрическое старение может иметь место при средней напряженности электрического поля на промежутке, много меньшей (в 5..20 раз) кратковременной электрической прочности изоляции. С увеличением напряжения темпы электрического старения возрастают. Основной причиной электрического старения внутренней изоляции являются частичные разряды, то есть такие разрядные процессы в изоляции, которые распространяются лишь на часть изоляционного промежутка. Они возникают в ослабленных местах изоляции: в газовых включениях, в местах резкого усиления напряженности поля. Наибольшую опасность представляют частичные разряды в газовых включениях, так как они возникают при меньших напряжениях, чем разряды в жидких или твердых компонентах твердой изоляции. Последнее обстоятельство связано с меньшей диэлектрической проницаемостью газового промежутка и соответственно большей напряженностью электрического поля в нем, а также с малой электрической прочностью газа по сравнению с твердой или жидкой изоляцией.

Измерение сопротивлений изоляции и заземления

... приборами - мегаомметрами. Мегаомметр предназначен для измерения сопротивлений и испытания на электрическую прочность (т. е. на отсутствие электрического пробоя) изоляции электрооборудования, не находящегося под напряжением. В ... из них и нагрузкой. Перед измерениями ограничивающие участок автоматы защиты отключают, плавкие вставки предохранителей удаляют, принимают меры для разряда емкостей с целью ...

Закономерности развития частичных разрядов можно проиллюстрировать схемой замещения, изображенной на рис. 1, где изображен газовый пузырь в твердой изоляции и схема замещения изоляции.

Рис. 1. Схема развития частичных разрядов в газовом включении

На рис. 1 C _в — емкость газового включения, С_т — емкость части изоляции, включенной последовательно с газовым включением, C_а — емкость оставшегося массива изоляции. При подаче на изоляцию переменного напряжения на воздушном включении также будет изменяющееся во времени напряжение, определяемое емкостным делителем:

и при достижении этим напряжением пробивного напряжения газового включения U _в-пр происходит пробой газового включения с резким снижением напряжения на нем до уровня напряжения гашения U_в-г , которое меньше пробивного напряжения. После этого, если напряжение на всей изоляции продолжает возрастать, то снова начинается рост напряжения и на газовом включении и может произойти новый пробой, то есть в газовом включении происходят многократные пробои промежутка. Графическое изображение зависимости напряжений от времени показаны на рис. 2 при условии подачи напряжения в нулевой момент времени.

Рис. 2. Зависимость напряжений от времени при частичных разрядах

Под действием частичных разрядов происходит постепенное разрушение микрообъемов изоляции, размеры газового включения растут в направлении электрического поля, и этот процесс завершается пробоем изоляции.

При постоянном напряжении интенсивность частичных разрядов существенно слабее, поскольку заряжение емкости газового включения C _в происходит за счет токов утечки через изоляцию, которые обычно много меньше емкостных токов.

Эффективным средством борьбы с частичными разрядами является пропитка изоляции. Замена воздуха жидким диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ? _r >1 увеличивает емкость C_в , снижая напряжение на воздушном включении; кроме того, электрическая прочность жидкого диэлектрика существенно больше электрической прочности газа.

Тепловое старение внутренней изоляции возникает за счет ускорения различных химических реакций при рабочих температурах изоляции, обычно лежащих в пределах от 60 ^о С до 130^о С. Химические реакции приводят к постепенному изменению структуры и свойств материалов и к ухудшению изоляции в целом.

Для твердой изоляции наиболее характерным является постепенное снижение механической прочности в процессе теплового старения, что приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем к ее пробою. В жидких диэлектриках продукты разложения загрязняют изоляцию и снижают ее электрическую прочность. Для органической изоляции повышение температуры на 10 ^о С снижает срок службы изоляции вдвое; в сложной изоляции силовых трансформаторов процесс теплового старения протекает быстрее, чем по десятиградусному правилу.

Старение изоляции возникает и при механических нагрузках на твердую изоляцию. Сущность этого вида старения заключается в том, что в напряженном материале возникает упорядоченное движение локальных микродефектов, и за счет этого образуются и постепенно увеличиваются в размерах микротрещины. При действии сильных электрических полей в микротрещинах возникают частичные разряды, ускоряющие разрушение изоляции.

Увлажнение изоляции может рассматриваться как одна из форм старения изоляции. Влага проникает в изоляцию главным образом из окружающего воздуха. При этом происходит уменьшение сопротивления изоляции, рост диэлектрических потерь, связанный с дополнительным нагревом изоляции и ускоряющий тепловое старение изоляции. Неравномерное увлажнение, кроме того, приводит к искажению электрического поля и снижает пробивное напряжение изоляции.

Увлажнение — процесс в принципе обратимый, влага может быть удалена из изоляции сушкой. Однако сушка крупногабаритных конструкций требует вывода оборудования из строя на длительное время, а в ряде случаев извлечение влаги из изоляции затруднено или невозможно, например, практически не поддается сушке бумажно-масляная изоляция кабелей, вводов и другого оборудования.

Для снижения увлажнения применяют герметизацию конструкций, воздухоосушители, гибкие диафрагмы и другие методы.

2. Основные виды профилактических испытаний изоляции

Перечисленные выше механизмы старения изоляции не исчерпывают все воздействующие на изоляцию факторы. Дополнительно на изоляцию воздействуют загрязнения, внешний перегрев, перенапряжения, короткие замыкания. Влияние этих факторов на характеристики изоляции представлено в табл. 1.

Таблица 1

Изменение характеристик изоляции в зависимости от воздействующих факторов

Фактор	Изменение
Увлажнение	Уменьшение сопротивления Увеличение емкости Увеличение tg ? Повышение температуры Повышение давления во вводах Снижение пробивного напряжения трансформ. масла Изменение химического состава Частичные разряды
Загрязнение	Уменьшение сопротивления Увеличение tg ? Повышение температуры Снижение пробивного напряжения трансформ. масла Изменение химического состава Частичные разряды
Перенапряжения	Пробой изоляции Частичные разряды
Перегрев	Уменьшение сопротивления Увеличение tg ? Повышение давления во вводах Изменение химического состава Частичные разряды
Короткие замыкания	Термические и динамические внешние воздействия на изоляцию

Дефекты в изоляции подразделяются на сосредоточенные (трещины и микротрещины, газовые включения, эрозия, увлажнение небольшого объема) и распределенные, охватывающие значительные объемы или поверхности изоляции. Возможности обнаружения разных видов дефектов значительно различаются; классификация методов диагностики и испытаний изоляции производится по признаку возможного разрушения изоляции в процессе контроля и по признаку применения электрических методов.

По признаку возможного разрушения изоляции методы контроля изоляции подразделяются на три группы:

• неразрушающие методы контроля, производимые при напряжениях, меньших рабочих, и основанные на явлениях, возникающих в слабых электрических полях (электропроводность и поляризационные явления) и связанных с пробивным напряжением изоляции;
• неразрушающие методы контроля, производимые при рабочих напряжениях, — в основном это контроль частичных разрядов, а также тепловой и ультразвуковой контроль;
• разрушающие методы контроля, связанные с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим напряжением и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте;
• приложение повышенного напряжения не исключает появления дефекта, который может привести к пробою изоляции во время эксплуатации.

По признаку применения электрических методов методы контроля подразделяют на две группы:

• электрические методы контроля изоляции, которые рассмотрены далее;
• неэлектрические методы контроля: хроматографический анализ газов в трансформаторном масле, ультразвуковые методы контроля, радиоволновой метод, тепловизионный метод, оптикоэлектронный метод, рентгенографический метод.

3. Контроль сопротивления изоляции

Основное требование к изоляции сводится к отсутствию ее нагрева при рабочем напряжении, и вместе с тем от изоляции требуется не проводить ток при постоянном напряжении. Измерение сопротивления изоляции является одним из простейших, но весьма эффективных методов контроля состояния изоляции, позволяющих фиксировать один из самых распространенных дефектов изоляции — ее увлажнение, приводящее к существенному нагреву при переменном напряжении из-за увеличения сквозной электропроводности диэлектрика и увеличения поляризационных потерь. Измерение сопротивления изоляции позволяет контролировать как сплошное увлажнение изоляции, так и увлажнение только одного из слоев в слоистой изоляции.

Сопротивлением изоляции называют отношение напряжения, приложенного к изоляции, к току через сечение изоляции, при приложении постоянного напряжения и через 1 мин. после подачи напряжения, то есть это — сопротивление при постоянном напряжении через 1 мин. после его подачи. Сплошное увлажнение изоляции приводит к снижению ее сопротивления ввиду высокой проводимости влаги, что позволяет по величине сопротивления сразу судить о возможном ее увлажнении. Из-за наличия абсорбционных явлений ток через изоляцию при приложении постоянного напряжения меняется по величине в течение некоторого времени порядка десятков секунд, поэтому сопротивлением изоляции и считают ее сопротивление через 60 с после приложения напряжения. Суть абсорбционных явлений — и одновременно возможность контроля слоистого увлажнения изоляции — поясняет рис. 3, на котором изображена двухслойная изоляция и две равноправные эквивалентные схемы замещения двухслойной изоляции.

Схема рис. 3б является естественной схемой замещения двухслойной изоляции, учитывающей сквозные токи через слои изоляции и емкости слоев. Схема рис. 3в совершенно аналогична схеме рис. 3б, если выполняются соотношения следующего типа:

, ;

Рис. 3. Двухслойная изоляция и различные схемы ее замещения

При подаче постоянного напряжения сначала происходит резкий скачок напряжения от нуля до установившегося значения, при котором ток протекает только по емкостным элементам (рис. 3б).

Распределение напряжения определяется емкостями этих элементов. По прошествии некоторого времени емкостные элементы перестают играть какую-либо роль и распределение напряжения по слоям определяется их омическими сопротивлениями. Если величины сопротивлений велики, то перезарядка емкостных элементов длится достаточно долго, показания мегаомметра в течение некоторого времени (десятки секунд) будут изменяться; хорошая изоляция без увлажнения означает достаточно длительный процесс перехода в установившийся режим. При увлажнении одного из слоев перезарядка через один из низкоомных элементов R1 или R2 пройдет достаточно быстро, за время менее 15 с. Если даже второй слой имеет большое сопротивление (а при переменном напряжении низкоомный слой будет нагреваться емкостными токами высокоомного слоя), то по соотношению сопротивлений, измеренных в разные моменты времени (конкретно — через 60 с, R ₆₀ , и через 15 с, R₁₅ ), можно судить об увлажнении одного из слоев.

Если пренебречь начальным скачком тока, заряжающего геометрическую емкость C _Г , то после приложения постоянного напряжения ток через изоляцию определяется суммой сквозного тока через элемент R (рис. 3в) и тока заряда элемента ?C:

• откуда — сопротивление двухслойной изоляции меняется во времени, и скорость изменения выше, если хотя бы один из слоев имеет невысокое сопротивление (рис. 4); .

Таким образом, контролируя величину R ₆₀ , можно судить о наличии сплошного увлажнения изоляции, а по отношению , называемому коэффициентом абсорбции, можно судить о наличии увлажнения одного из слоев изоляции. Более конкретно, если K_абс 1.3, то, как это следует из опытных данных, изоляция недопустимо увлажнена.

Рис. 4. Зависимость сопротивления от времени при сухой и увлажненной изоляции

Коэффициент абсорбции является показателем увлажнения изоляции при температурах ниже 35..40 ^О С. При более высокой температуре возрастает ток сквозной проводимости и коэффициент абсорбции и для сухой, и для влажной изоляции приближаются к единице.

При измерении сопротивления изоляции принимают во внимание прежде всего абсолютную величину сопротивления R ₆₀ , которая должна быть не меньше нормированного значения, а затем и коэффициент абсорбции. Если обе величины не выходят за пределы нормы, то говорят о том, что увлажнения изоляции не обнаружено; если хотя бы одна из величин неудовлетворительна, то делают вывод о недопустимом увлажнении изоляции.

Требуемые значения сопротивления изоляции для различных установок представлены в правилах эксплуатации электроустановок. Для силовых трансформаторов значения сопротивления изоляции, устанавливаемые нормами, зависят от температуры обмоток; так, у трансформаторов с номинальным напряжением обмотки высшего напряжения 35 кВ при 20 ^О С сопротивление главной изоляции должно быть не менее 300 МОм, у трансформаторов 110 кВ — не менее 600 МОм. Поскольку изоляция трансформаторов включает в свой состав ряд изоляционных промежутков, для контроля характеристик изоляции, включая и измерения сопротивления, используют нормативные схемы измерения. Перечень схем для двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов приведен в табл. 2.

Измерения сопротивления изоляции в эксплуатации производят мегаомметрами на напряжение 0.5 кВ, 1 кВ или 2.5 кВ. Наиболее распространенными являются мегаомметры со встроенными генераторами, обеспечивающими автономную работу; к такому типу относится мегаомметр М1102. Мегаомметры типа Ф4101, позволяющие измерять сопротивления до 50000 МОм, имеют комбинированное питание (от сети и от сухих элементов) и построены по последовательной схеме, в которой источник напряжения, измерительный элемент и испытуемая изоляция включаются последовательно.

Таблица 2

Схемы измерения характеристик изоляции трансформаторов

Последовательность измерений	Двухобмоточные	Трехобмоточные
	Измеряемые обмотки	Заземляемые части	Измеряемые обмотки	Заземляемые части
1	НН	Бак, ВН	НН	Бак, СН, ВН
2	ВН	Бак, НН	СН	Бак, НН, ВН
3	(ВН+НН)*	Бак	ВН	Бак, НН, СН
4	—	—	(ВН+СН)*	Бак, НН
5	—	—	(ВН+СН+НН)*	Бак

*Измерения обязательны только для трансформаторов мощностью 16000 кВА и более.

4. Контроль емкости изоляции

Контроль величины емкости изоляции позволяет выявлять слоистое увлажнение изоляции. Емкость идеального конденсатора не зависит от частоты; чем больше диэлектрические потери в реальном конденсаторе или в изоляции, тем сильнее зависит от частоты емкость идеального емкостного элемента в схеме замещения реального конденсатора.

Можно попытаться использовать простую параллельную схему замещения двухслойной изоляции по рис. 5.1а с параллельно соединенными резистивным элементом R _П и емкостным элементом C_П (рис. 3г).

При этом, однако, значения параметров схемы замещения оказываются частотно-зависимыми; в частности, , . Вид зависимости показан на рис. 5. С ростом степени увлажнения возрастает размах изменения емкости с изменением частоты. Использование этой зависимости может служить для обнаружения слоистого увлажнения изоляции.

Рис. 5. Зависимость емкости от частоты для двухслойной изоляции

Для оценки состояния изоляции измерения производят на частотах 2 Гц и 50 Гц при неизменной температуре изоляции и затем определяют отношение , которое и служит показателем качества изоляции. На основании опыта установлено, что изоляция имеет недопустимое увлажнение, если >1.3.

Для измерения емкостей используются два основных принципа, проиллюстрированные рис. 6.

Переключатель в схеме рис. 6а периодически подключает испытуемую изоляцию к источнику постоянного напряжения, заряжая емкость изоляции, а затем — к цепи с гальванометром PA, через который емкость изоляции разряжается. Средний ток через гальванометр определяется частотой переключения, , так что при измерении на частотах 2 Гц и 50 Гц отношение емкостей определяется отношением токов: . По такому принципу работают приборы контроля влажности серии ПКВ.

Рис. 6. Принципиальное устройство приборов емкостного контроля увлажнения

По схеме рис. 6б испытуемая изоляция заряжается от источника постоянного напряжения, а затем на короткое время, примерно на четверть периода частоты 50 Гц, то есть на 5 мс, подключается к образцовому конденсатору C ₀ . На образцовый конденсатор переносится заряд, пропорциональный емкости C₅₀ (примерно соответствующей геометрической емкости C_Г рис. 3в).

Затем изоляция снова заряжается, кратковременно замыкается для разряда геометрической емкости и на время около четверти периода частоты 2 Гц (примерно 130 мс) подключается к образцовому конденсатору для снятия части заряда с абсорбционной емкости ?C, что позволяет определить разность С₂ -С₅₀ . По этой разнице и по значению С₅₀ определяется отношение емкостей: . Напряжение на эталонном конденсаторе измеряется с помощью электронного вольтметра, имеющего большое входное сопротивление. По этому принципу работают приборы серии ПЕКИ и У-268.

5. Хроматографический анализ масла

При возникновении дефектов в маслонаполненной изоляции (масляные трансформаторы, маслонаполненные вводы) происходит изменение физических характеристик и химического состава масла. Распределенные дефекты в такой изоляции могут быть выявлены при проведении общего химического анализа нефтяного масла или при измерении его электрической прочности и тангенса угла диэлектрических потерь.

В последнее время все более широкое распространение находит методика выявления повреждений в силовых трансформаторах по результатам анализа растворенных в масле газов. Идея метода основана на предположении о том, что повреждение в трансформаторе сопровождается выделением различных газов, отсутствующих в масле при нормальной работе. Эти газы первоначально растворяются в масле и в газовое реле практически не попадают. Выделив эти газы из масла и проведя их анализ, можно обнаружить повреждения на разной стадии их возникновения.

Отбор масла производится так, чтобы исключить его соприкосновение с окружающей воздушной средой для предотвращения потерь растворенных в масле газов. Масло помещается в замкнутый объем и газ над поверхностью масла подвергается анализу на хроматографе. Оценка состояния маслонаполненного оборудования осуществляется обычно на базе следующих критериев:

• критерий предельных концентраций (водород, метан, этилен, этан, ацетилен, окись и двуокись углерода и др. газы);
• разложение масла и разложение целлюлозы приводят к превышению концентраций разных газов, частичные разряды приводят к появлению водорода и т.п.;

• критерий скорости нарастания концентраций газов — при ежемесячном контроле;
• критерий отношений концентраций газов — соотношение концентраций позволяет выявлять перегревы и даже температуру перегрева;
• критерий равновесия — сопоставление результатов анализа масла из газового реле и из пробы.

Хроматографический анализ газов производится на компьютерных комплексах, позволяющих автоматизировать анализ критериев и распознавать появляющиеся дефекты в оборудовании до отказа оборудования.

Заключение

Измерение сопротивления изоляции позволяет контролировать как сплошное увлажнение изоляции, так и увлажнение только одного из слоев в слоистой изоляции. При измерении сопротивления изоляции принимают во внимание прежде всего абсолютную величину сопротивления R ₆₀ , которая должна быть не меньше нормированного значения, а затем и коэффициент абсорбции. Если обе величины не выходят за пределы нормы, то говорят о том, что увлажнения изоляции не обнаружено; если хотя бы одна из величин неудовлетворительна, то делают вывод о недопустимом увлажнении изоляции.

Контроль величины емкости изоляции позволяет выявлять слоистое увлажнение изоляции.

Для выявления повреждений в силовых трансформаторах используется хроматографический анализ растворенных в масле газов.

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/ispyitanie-elektricheskoy-prochnosti-izolyatsii/

1. Техника высоких напряжений: Учебное пособие для вузов. И.М.Богатенков, Г.М.Иманов, В.Е.Кизеветтер и др.; Под ред. Г.С.Кучинского. — СПб: изд. ПЭИПК, 1998. — 700 с.

2. Радченко В.Д. Техника высоких напряжений устройств электрической тяги. М.: Транспорт, 1975. — 360 с.

3. Бабиков М.А.,Комаров Н.С.,Сергеев А.С. Техника высоких напряжений. М.: ГЭИ, 1963. 671 с.

4. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения: Пер. с нем. /Бейер М., Бек В., Меллер К., Цаенгль В. М: Энергоатомиздат, 1989. — 554 с.