Elektrische isolatie-eigenschappen en tests

Eigenschappen en equivalent circuit van elektrische isolatie

Zoals u weet, wordt de term «isolatie» in de praktijk gebruikt om naar twee concepten te verwijzen:

1) een methode om de vorming van elektrisch contact tussen delen van een elektrisch product te voorkomen,

2) materialen en producten van hen die worden gebruikt om deze methode toe te passen.

Elektrische isolatiematerialen onder invloed van een spanning die erop wordt aangelegd, wordt de eigenschap van het geleiden van een elektrische stroom ontdekt. Hoewel de waarde van de geleidbaarheid van elektrisch isolatiemateriaal enkele ordes van grootte lager is dan die van draden, speelt het niettemin een belangrijke rol en bepaalt het grotendeels de betrouwbaarheid van de werking van een elektrisch product.

Onder invloed van een spanning die op de isolatie wordt aangelegd, vloeit er een stroom doorheen, lekstroom genaamd, die met de tijd verandert.

Om de eigenschappen van elektrische isolatie te bestuderen en te illustreren, is het gebruikelijk om deze weer te geven in de vorm van een bepaald model, een equivalent circuit genaamd (Fig. 1), dat vier elektrische circuits parallel geschakeld bevat.De eerste bevat alleen de condensator C1, de geometrische capaciteit.

Rijst. 1. Equivalent circuit van elektrische isolatie

De aanwezigheid van deze capaciteit veroorzaakt het optreden van een onmiddellijke inschakelstroom die optreedt wanneer een gelijkspanning op de isolatie wordt aangelegd, die in bijna enkele seconden vervalt, en een capacitieve stroom die door de isolatie vloeit wanneer er een wisselspanning op wordt toegepast. Deze capaciteit wordt geometrisch genoemd omdat deze afhangt van de isolatie: de afmetingen (dikte, lengte, enz.) en de locatie tussen het stroomvoerende deel A en de behuizing (aarde).

Het tweede schema kenmerkt de interne structuur en eigenschappen van de isolatie, inclusief de structuur ervan, het aantal parallel geschakelde groepen condensatoren en weerstanden. De stroom I2 die door dit circuit vloeit, wordt de absorptiestroom genoemd. De beginwaarde van deze stroom is evenredig met het oppervlak van de isolatie en omgekeerd evenredig met de dikte ervan.

Als de stroomvoerende delen van een elektrisch product zijn geïsoleerd met twee of meer isolatielagen (bijvoorbeeld draadisolatie en spoelisolatie), dan wordt in het equivalente circuit de absorptietak weergegeven in de vorm van twee of meer in serie geschakelde groepen van een condensator en een weerstand die kenmerkend zijn voor de eigenschappen op een van de isolatielagen. In dit schema wordt een tweelaagse isolatie beschouwd, waarvan de laag wordt vervangen door een groep elementen van condensator C2 en weerstand R1, en de tweede door C3 en R2.

Het derde circuit bevat een enkele weerstand R3 en kenmerkt het isolatieverlies wanneer er een gelijkspanning op wordt aangelegd.De weerstand van deze weerstand, ook wel isolatieweerstand genoemd, is afhankelijk van vele factoren: grootte, materiaal, constructie, temperatuur, isolatietoestand, inclusief vocht en vuil op het oppervlak, en aangelegde spanning.

Bij sommige isolatiedefecten (bijvoorbeeld door beschadiging) wordt de afhankelijkheid van de weerstand R3 van de spanning niet-lineair, terwijl bij andere, bijvoorbeeld bij sterk vocht, deze praktisch niet verandert bij toenemende spanning. De stroom I3 die door deze tak vloeit, wordt de voorwaartse stroom genoemd.

Het vierde circuit wordt weergegeven in het equivalente circuit van de MF-vonkbrug, die de diëlektrische sterkte van de isolatie kenmerkt, numeriek uitgedrukt door de waarde van de spanning waarbij het isolatiemateriaal zijn isolerende eigenschappen verliest en kapot gaat onder invloed van de stroom I4 die er doorheen gaat.

Dit isolatie-equivalentcircuit maakt het niet alleen mogelijk om de processen te beschrijven die erin plaatsvinden wanneer een spanning wordt aangelegd, maar ook om parameters in te stellen die kunnen worden waargenomen om de toestand ervan te beoordelen.

Testmethoden voor elektrische isolatie

De eenvoudigste en meest gebruikelijke manier om de staat van de isolatie en de integriteit ervan te beoordelen, is door de weerstand te meten met een megohmmeter.

Laten we erop letten dat de aanwezigheid van condensatoren in het equivalente circuit ook het vermogen van isolatie verklaart om elektrische ladingen te accumuleren. Daarom moeten de wikkelingen van elektrische machines en transformatoren voor en na het meten van de isolatieweerstand worden ontladen door de aansluiting te aarden waarop aangesloten megaohmmeter.

Bij het meten van de isolatieweerstand van elektrische machines en transformatoren moet de temperatuur van de wikkelingen worden bewaakt, hetgeen wordt vastgelegd in het testrapport. Het kennen van de temperatuur waarbij de metingen zijn gedaan is nodig om de meetresultaten met elkaar te kunnen vergelijken, omdat de isolatieweerstand sterk verandert afhankelijk van de temperatuur: gemiddeld neemt de isolatieweerstand met 1,5 keer af bij een temperatuurstijging elke 10°C en neemt ook toe met de overeenkomstige temperatuurdaling.

Omdat vocht, dat altijd aanwezig is in isolatiemateriaal, de meetresultaten beïnvloedt, wordt de bepaling van parameters die kenmerkend zijn voor de kwaliteit van de isolatie niet uitgevoerd bij temperaturen onder + 10 ° C, aangezien de verkregen resultaten geen juiste idee van de ware staat van isolement.

Bij het meten van de isolatieweerstand van een praktisch koud product kan aangenomen worden dat de isolatietemperatuur gelijk is aan de omgevingstemperatuur. In alle andere gevallen wordt voorwaardelijk aangenomen dat de temperatuur van de isolatie gelijk is aan de temperatuur van de wikkelingen, gemeten aan de hand van hun actieve weerstand.

Om ervoor te zorgen dat de gemeten isolatieweerstand niet significant afwijkt van de werkelijke waarde, moet de eigen isolatieweerstand van de elementen van het meetcircuit - draden, isolatoren, enz. - een minimale fout in het meetresultaat introduceren.Daarom moet bij het meten van de isolatieweerstand van elektrische apparaten met een spanning tot 1000 V de weerstand van deze elementen minimaal 100 megaohm zijn, en bij het meten van de isolatieweerstand van vermogenstransformatoren - niet minder dan de meetlimiet van de megohmmeter .

Als aan deze voorwaarde niet wordt voldaan, moeten de meetresultaten worden gecorrigeerd voor de isolatieweerstand van de schakelelementen. Hiervoor wordt de isolatieweerstand tweemaal gemeten: eenmaal met een volledig gemonteerde schakeling en het product aangesloten, en de tweede keer met het product losgekoppeld. Het resultaat van de eerste meting geeft de equivalente isolatieweerstand van het circuit en het product Re, en het resultaat van de tweede meting geeft de weerstand van de elementen van het meetcircuit Rc. Dan de isolatieweerstand van het product

Als voor elektrische machines van sommige andere producten de volgorde van het meten van de isolatieweerstand niet is vastgesteld, wordt deze meetvolgorde voor vermogenstransformatoren geregeld door de norm volgens welke eerst de isolatieweerstand van de laagspanningswikkeling (LV) wordt gemeten. De resterende wikkelingen, evenals de tank, moeten worden geaard. Bij afwezigheid van een tank moet de transformatorbehuizing of het skelet ervan geaard zijn.

In aanwezigheid van drie spanningswikkelingen - lagere spanning, middelhoge spanning en hogere spanning - na de laagspanningswikkeling, is het noodzakelijk om de isolatieweerstand van de middenspanningswikkeling te meten en pas daarna de hogere spanning.Uiteraard moeten voor alle metingen de resterende spoelen, evenals de tank, worden geaard en moet de niet-geaarde spoel na elke meting worden ontladen door deze minimaal 2 minuten op de doos aan te sluiten. Voldoen de resultaten van de metingen niet aan de gestelde eisen, dan moeten de testen worden aangevuld met het bepalen van de isolatieweerstand van de elektrisch met elkaar verbonden wikkelingen.

Voor transformatoren met twee wikkelingen moet de weerstand van de hoog- en laagspanningswikkelingen worden gemeten ten opzichte van de behuizing, en voor transformatoren met drie wikkelingen moeten eerst de hoog- en middenspanningswikkelingen worden gemeten en vervolgens de hoog-, midden- en laagspanningswikkelingen .

Bij het testen van de isolatie van een transformator is het noodzakelijk om verschillende metingen uit te voeren om niet alleen de waarden van de equivalente isolatieweerstand te bepalen, maar ook om de isolatieweerstand van de wikkelingen te vergelijken met andere wikkelingen en de machinebehuizing.

De isolatieweerstand van elektrische machines wordt meestal gemeten met onderling verbonden fasewikkelingen en op de installatieplaats - samen met kabels (rails). Voldoen de meetresultaten niet aan de gestelde eisen, dan wordt de isolatieweerstand van elke fasewikkeling en eventueel elke tak van de wikkeling gemeten.

Houd er rekening mee dat het moeilijk is om de staat van de isolatie redelijkerwijs te beoordelen op basis van de absolute waarde van de isolatieweerstand alleen. Om de staat van isolatie van elektrische machines tijdens bedrijf te evalueren, worden de resultaten van deze metingen daarom vergeleken met de resultaten van de vorige.

Significante, meerdere keren, verschillen tussen de isolatieweerstanden van individuele fasen duiden meestal op een significant defect. Een gelijktijdige afname van de isolatieweerstand voor alle fasewikkelingen duidt in de regel op een verandering in de algemene toestand van het oppervlak.

Bij het vergelijken van de meetresultaten moet rekening worden gehouden met de afhankelijkheid van de isolatieweerstand van de temperatuur. Daarom is het mogelijk om de resultaten van metingen bij dezelfde of vergelijkbare temperatuur met elkaar te vergelijken.

Wanneer de spanning die op de isolatie wordt toegepast constant is, neemt de totale stroom Ii (zie Fig. 1) die er doorheen stroomt af naarmate de toestand van de isolatie beter is, en in overeenstemming met de afname van de stroom Ii, de aflezingen van de megaohmmeter verhogen. Doordat de I2-component van deze stroom, ook wel absorptiestroom genoemd, in tegenstelling tot de I3-component niet afhankelijk is van de toestand van het isolerende oppervlak, maar ook van vervuiling en vochtgehalte, is de verhouding van de isolatieweerstandswaarden ​​op bepaalde momenten wordt het als een kenmerk van isolerend vochtgehalte beschouwd.

De normen bevelen aan om de isolatieweerstand te meten na 15 s (R15) en na 60 s (R60) na het aansluiten van de megohmmeter, en de verhouding van deze weerstanden ka = R60 / R15 wordt de absorptiecoëfficiënt genoemd.

Met niet-vochtige isolatie, ka> 2, en met vochtige isolatie — ka ≈1.

Aangezien de waarde van de absorptiecoëfficiënt praktisch onafhankelijk is van de grootte van de elektrische machine en verschillende willekeurige factoren, kan deze worden genormaliseerd: ka ≥ 1,3 bij 20 ° C.

De fout bij het meten van isolatieweerstand mag niet groter zijn dan ± 20%, tenzij specifiek vastgesteld voor een specifiek product.

Bij elektrische producten onderwerpen elektrische sterktetests de isolatie van de wikkelingen aan het lichaam en aan elkaar, evenals aan de tussenliggende isolatie van de wikkelingen.

Om de diëlektrische sterkte van de isolatie van spoelen of stroomvoerende delen naar de behuizing te controleren, wordt een verhoogde sinusvormige spanning met een frequentie van 50 Hz aangelegd op de klemmen van de geteste spoel of stroomvoerende delen. De spanning en de duur van de toepassing ervan worden aangegeven in de technische documentatie van elk specifiek product.

Bij het testen van de diëlektrische sterkte van de isolatie van wikkelingen en onder spanning staande delen naar het lichaam, moeten alle andere wikkelingen en onder spanning staande delen die niet bij de tests betrokken zijn, elektrisch worden aangesloten op het geaarde lichaam van het product. Na het einde van de test moeten de spoelen worden geaard om de resterende lading te verwijderen.

In afb. Figuur 2 toont een diagram voor het testen van de diëlektrische sterkte van een wikkeling van een driefasige elektromotor.De overspanning wordt opgewekt door een testinstallatie AG met daarin een geregelde spanningsbron E. De spanning wordt gemeten aan de hoogspanningszijde met een fotovoltaïsche voltmeter. Een ampèremeter PA wordt gebruikt om de lekstroom door de isolatie te meten.

Het product wordt geacht de test te hebben doorstaan ​​als er geen defect is aan de isolatie of overlapping van het oppervlak, en ook als de lekstroom de waarde gespecificeerd in de documentatie voor dit product niet overschrijdt. Merk op dat het hebben van een ampèremeter die de lekstroom bewaakt, het mogelijk maakt om een ​​transformator in de testopstelling te gebruiken.

Rijst. 2. Schema voor het testen van de diëlektrische sterkte van de isolatie van elektrische producten

Naast frequentiespanningstesten van isolatie, wordt isolatie ook getest met gelijkgerichte spanning. Het voordeel van een dergelijke test is de mogelijkheid om de staat van de isolatie te beoordelen op basis van de resultaten van het meten van de lekstromen bij verschillende waarden van de testspanning.

Om de staat van de isolatie te evalueren, wordt een niet-lineariteitscoëfficiënt gebruikt

waarbij I1.0 en I0.5 lekstromen zijn 1 min na het aanleggen van testspanningen gelijk aan de genormaliseerde waarde van Unorm en de helft van de nominale spanning van de elektrische machine Urated, kn <1.2.

De drie beschouwde kenmerken - isolatieweerstand, absorptiecoëfficiënt en niet-lineariteitscoëfficiënt - worden gebruikt om de vraag op te lossen of een elektrische machine kan worden ingeschakeld zonder de isolatie uit te drogen.

Bij het testen van de diëlektrische sterkte van de isolatie volgens het diagram in Fig. 2 alle windingen van de wikkeling hebben praktisch dezelfde spanning ten opzichte van het lichaam (aarde) en daarom blijft de turn-to-turn isolatie ongecontroleerd.

Een manier om de diëlektrische sterkte van de isolerende isolatie te testen, is door de spanning met 30% te verhogen in vergelijking met de nominale waarde. Deze spanning wordt vanuit een gereguleerde spanningsbron EK op het onbelaste testpunt aangelegd.

Een andere methode is van toepassing op generatoren die stationair werken en bestaat uit het verhogen van de bekrachtigingsstroom van de generator totdat de spanning (1,3 ÷ 1,5) Unom wordt verkregen aan de klemmen van de stator of het anker, afhankelijk van het type machine .Aangezien zelfs in de ruststand de stromen die door de wikkelingen van elektrische machines worden verbruikt, hun nominale waarden kunnen overschrijden, staan ​​de normen toe dat een dergelijke test wordt uitgevoerd met een verhoogde frequentie van de spanning die aan de motorwikkelingen wordt geleverd boven de nominale waarde of bij verhoogde generatorsnelheid.

Voor het testen van asynchrone motoren is het ook mogelijk om een ​​testspanning te gebruiken met een frequentie van fi = 1,15 fn. Binnen dezelfde grenzen kan de snelheid van de generator worden verhoogd.

Wanneer de diëlektrische sterkte van de isolatie op een dergelijke manier wordt getest, zal een spanning die numeriek gelijk is aan de verhouding van de aangelegde spanning gedeeld door het aantal windingen van de spoel, worden aangelegd tussen aangrenzende spoelwindingen. Het verschilt enigszins (met 30-50%) van wat bestaat wanneer het product op nominale spanning werkt.

Zoals u weet, is de limiet van de spanningstoename die wordt toegepast op de klemmen van de spoel op de kern het gevolg van de niet-lineaire afhankelijkheid van de stroom in deze spoel van de spanning op de klemmen. Bij spanningen dichtbij de nominale waarde Unom is de kern niet verzadigd en hangt de stroom lineair af van de spanning (fig. 3, paragraaf OA).

Naarmate de spanning toeneemt, neemt U boven de nominale stroom in de spoel sterk toe, en bij U = 2Unom kan de stroom de nominale waarde tientallen keren overschrijden. Om de spanning per winding van de wikkeling aanzienlijk te verhogen, wordt de sterkte van de isolatie tussen de windingen getest met een frequentie die vele malen (tien keer of meer) hoger is dan de nominale.

Rijst. 3. Grafiek van de afhankelijkheid van de stroom in de spoel met een kern van de aangelegde spanning

Rijst. 4.Wikkelisolatietestschema bij verhoogde stroomfrequentie

Laten we eens kijken naar het principe van het testen van de tussenliggende isolatie van contactorspoelen (Fig. 4). De testspoel L2 wordt op de staaf van het gesplitste magnetische circuit geplaatst. Een spanning U1 wordt aangelegd op de klemmen van de spoel L1 met een verhoogde frequentie, zodat er voor elke winding van de spoel L2 een spanning nodig is om de diëlektrische sterkte van de isolatie van winding tot winding te testen. Als de isolatie van de wikkelingen van spoel L2 in goede staat is, is de stroom die wordt verbruikt door spoel L1 en gemeten met de ampèremeter PA na de installatie van de spoel hetzelfde als voorheen. Anders neemt de stroom in spoel L1 toe.

Rijst. 5. Schema voor het meten van de tangens van de hoek van diëlektrische verliezen

De laatste van de beschouwde isolatiekenmerken - diëlektrische verliestangens.

Het is bekend dat isolatie actieve en reactieve weerstand heeft, en wanneer er een periodieke spanning op wordt aangelegd, stromen actieve en reactieve stromen door de isolatie, dat wil zeggen dat er actieve P- en reactieve Q-vermogens zijn. De verhouding P tot Q wordt de tangens van de diëlektrische verlieshoek genoemd en wordt aangeduid met tgδ.

Als we onthouden dat P = IUcosφ en Q = IUsinφ, dan kunnen we schrijven:

tgδ is de verhouding van de actieve stroom die door de isolatie vloeit tot reactieve stroom.

Om tgδ te bepalen, is het noodzakelijk om gelijktijdig actief en blindvermogen of actieve en reactieve (capacitieve) isolatieweerstand te meten. Het principe van het meten van tgδ volgens de tweede methode wordt getoond in Fig. 5, waar het meetcircuit een enkele brug is.

De armen van de brug zijn samengesteld uit bijvoorbeeld condensator C0, variabele condensator C1, variabele R1 en constante R2-weerstanden, evenals de capaciteit en isolatieweerstand van de wikkeling L naar het lichaam van het product of de massa, conventioneel afgebeeld als condensator Cx en weerstand Rx. In het geval dat het nodig is om tgδ niet op de spoel, maar op de condensator te meten, zijn de platen rechtstreeks verbonden met de klemmen 1 en 2 van het brugcircuit.

De diagonaal van de brug bevat een galvanometer P en een stroombron, in ons geval een transformator T.

Zoals bij anderen circuits overbruggen het meetproces bestaat uit het verkrijgen van de minimale aflezingen van het apparaat P door achtereenvolgens de weerstand van de weerstand R1 en de capaciteit van de condensator C1 te veranderen. Gewoonlijk worden de parameters van de brug zo gekozen dat de waarde van tgδ bij nul of minimale aflezingen van het apparaat P direct op de schaal van de condensator C1 wordt gelezen.

De definitie van tgδ is verplicht voor vermogenscondensatoren en -transformatoren, hoogspanningisolatoren en andere elektrische producten.

Omdat diëlektrische sterktetests en tgδ-metingen in de regel worden uitgevoerd bij spanningen boven 1000 V, moeten alle algemene en speciale veiligheidsmaatregelen in acht worden genomen.

Testprocedure elektrische isolatie

De hierboven besproken parameters en kenmerken van de isolatie moeten worden bepaald in de volgorde die is vastgelegd in de normen voor specifieke soorten producten.

In vermogenstransformatoren wordt bijvoorbeeld eerst de isolatieweerstand bepaald en vervolgens wordt de diëlektrische verliestangens gemeten.

Voor roterende elektrische machines is het, na het meten van de isolatieweerstand alvorens de diëlektrische sterkte te testen, noodzakelijk om de volgende tests uit te voeren: bij verhoogde rotatiefrequentie, bij een kortstondige stroom- of koppeloverbelasting, bij een plotselinge kortsluiting (indien bedoeld voor deze synchrone machine), isolatietest van de gelijkgerichte spanning van de wikkelingen (indien gespecificeerd in de documentatie voor deze machine).

Normen of specificaties voor specifieke machinetypes kunnen deze lijst aanvullen met andere tests die de diëlektrische sterkte van de isolatie kunnen beïnvloeden.