Электрическая прочность внутренней изоляции

2.1. Электрический пробой внутренней изоляции

      Этот пробой связан с кратковременным повышением напряженности электрического поля в диэлектрике и характеризуется кратковременной электрической прочностью. Для внутренней изоляции различают два вида пробоя: электрический и тепловой.

      При электрическом пробое образование и быстрое размножение подвижных заряженных частиц в изоляции происходит непосредственно под действием сильного электрического поля.

      В случае теплового пробоя электрическое поле обусловливает сильный разогрев изоляции за счет диэлектрических потерь до теплового разрушения, которое сопровождается переходом диэлектрика в состояние повышенной проводимости.

     Обычно под кратковременной электрической прочностью понимают минимальную напряженность электрического поля, при которой происходит электрический пробой. Напряжение, при котором достигается данная напряженность электрического поля называют пробивным напряжением.

     Электрический пробой в изоляторах напоминает пробой в газах. Помимо твердого изоляционного материала используются жидкие материалы. Важное значение, в отличии от газов, в развитии пробоя твердой и жидкой изоляции играет ее однородность то есть наличие примесей с меньшей электрической прочностью (влаги, газов и т.д.).

 

2.2.Тепловой пробой внутренней изоляции

      При воздействии на изоляцию переменного напряжения U, количество теплоты , выделяющейся в единицу времени:

где C – емкость изоляции;  - тангенс угла диэлектрических потерь; ω – угловая  частота.

Количество тепла , отводимого от изоляции в окружающую среду:

где S – поверхность изоляции; k – коэффициент теплоотдачи;  - температура изоляции и температура окружающей среды.

У большинства изоляционных материалов величина  с ростом температуры увеличивается:

где - температура, при которой , a – коэффициент, зависящий от вида изоляции.

        С увеличением напряжения количество выделяемого тепла  быстро растет, а количество отдаваемого тепла  за счет теплоотдачи увеличивается медленно. Поэтому температура диэлектрика будет непрерывно нарастать, и происходит термическое разрушение изоляции с потерей диэлектрических свойств (вплоть до обгорания).

       Напряжение теплового пробоя определяется условиями отвода тепла от изоляции и тепловыделениями в самой изоляционной конструкции. Сильное влияние оказывают также размеры и теплопроводность самой изоляции, других элементов конструкции, а также тепловыделением в токоведущих частях (проводах, изолированных обмотках). При непродолжительных повышениях напряжения изоляция может не успеть полностью нагреться и тепловой пробой не произойдет, даже если . Все пробои относятся к кратковременной прочности изоляции.

 

2.3. Длительная электрическая прочность изоляции

       В процессе эксплуатации характеристики изоляционных конструкций изменяются. Качество изоляции с течением времени ухудшается: электрическая и механическая прочности снижаются, диэлектрические потери и проводимость утечки растут (происходит так называемое естественное старение). Старение изоляции принято исчислять в сроках ее жизни , который оценивают в годах.

       Зависимость срока жизни  изоляции от величины воздействущего напряжения обычно представляют в виде . В логарифмическом масштабе график этой зависимости близок к падающей прямой линии рис.2.1.

Рис.2.1. Зависимость срока жизни  изоляции от величины напряжения

Это означает, что «кривые жизни» могут быть представлены формулами, для среднего значения , в виде:

где n – показатель: для переменного напряжения 4,0 – 7,0, для постоянного напряжения 8,0 – 12,0. Коэффициенты  зависят от физико-химических свойств диэлектриков и здесь не рассматриваются.

 

2.4. Частичные разряды в изоляции

      Согласно существующим представлениям основной причиной старения внутренней изоляции являются так называемые частичные разряды. Они представляют собой пробои отдельных слоев или участков изоляции, толщина которых много меньше полной толщины изоляции.

     Частичные разряды возникают при некотором напряжении  а точнее – напряженности , в местах усиления электрического поля, или там, где имеются местные ослабления изоляции, например в газовых включениях. При напряжениях  частичные разряды в изоляции отсутствуют, и электрическое старение не происходит.

   Рассмотрим двухслойный диэлектрик (рис.2.2) в конденсаторе.

 

Рис.2.2. Двухслойный диэлектрик конденсатора

В начальный момент приложения напряжения распределение напряжения по слоям происходит обратно пропорционально емкости слоев:

При одинаковой площади и толщине слоев напряжение между ними оказывается обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям:

так как

 

Допустим, что  такое соотношение может иметь место в бумажно-масляной изоляции при газовых включениях, при условии, что диэлектрическая проницаемость газа в шесть раз меньше, чем масла. В последующем, из-за различного сопротивления утечки слоев, это соотношение меняется. Кроме того, толщина и площадь слоев здесь взяты одинаковыми, что в реальных условиях конечно же не выдерживается. Тем не менее, показано, что при газовых включениях, не превышающих долей миллиметра в них могут возникать большие напряженности электрического поля и даже разряд. Схема изоляции с газовым включением (а) и схема ее замещения (б), приведены на рис.2.3.

 

Рис.2.3. Схема изоляции с газовым включением (а) и схема ее замещения (б)

       Итак, частичные разряды (ЧР) в высоковольтной изоляции возникают в газовых включениях или в прослойках жидкого диэлектрика. Газовые включения могут появляться в изоляции в процессе изготовления (например, вследствие усадки масс и компаундов и прочее), или возникать вследствие растрескивания или расслоения изоляции от механических нагрузок, или при разложении диэлектриков с выделением газов.

       Обычно размеры включений в высоковольтной изоляции не превышают долей миллиметра и составляют весьма малую часть от полной толщины изоляции. Однако они представляют собой слабые места в изоляции, так как газы имеют меньшую электрическую прочность, чем твердые и жидкие диэлектрики. Это является следствием того, что напряженности, что напряженности во включениях выше, чем в основной изоляции, из-за различия диэлектрических проницаемостей и окружающих включение диэлектриков.

       Рассмотрим схему замещения рис.2.3 (б). На этой схеме  – емкость газового включения;  – емкость участка изоляции, расположенного последовательно с включением,  – емкость всей остальной изоляции. Срабатывание разрядника Р имитирует пробой газового включения. Сопротивление R условно изображает сопротивление канала разряда во включении.

 

Так как емкость включения невелика, то есть , то все напряжение  прикладывается практически ко включению, что и вызывает разряд. Разряд через сопротивление  практически мгновенно уменьшает  до нуля, после чего он гаснет. Однако восстановление напряжения , после погасания разряда, приводит к последующим разрядам (частота до 10⁸ Гц).

     Разрушение изоляции под действием ЧР происходит главным образом вследствие бомбардировки диэлектриков электронами из канала разряда во включении (газовое включение). Абсолютная величина энергии, рассеиваемая в разряде невелика, однако она воздействует на весьма малый участок поверхности включения, где происходит мгновенное повышение локальной температуры, иногда до нескольких сотен градусов. Как следствие такого воздействия происходит разрушение малого объема диэлектрика с образованием побочных, иногда химически активных продуктов. Затем разряды концентрируются в образовавшихся углублениях, которые со временем растут, образуя в диэлектрике узкие («древовидные») каналы – щели. По мере удлинения каналов электрическая прочность изоляции снижается. Поэтому длительная работа внутренней изоляции может быть обеспечена лишь при ограниченной интенсивности ЧР.

 

Контроль состояния изоляции

3.1. Использование явлений абсорбции для контроля изоляции

      Изоляция высоковольтных установок состоит, как правило, из нескольких различных диэлектриков и поэтому даже в хорошем состоянии не является однородной. При увлажнении или загрязнении отдельных его слоев степень неоднородности резко возрастает, так как проводимость увлажненных слоев увеличивается по сравнению с нормальной в 100-1000 раз и более. Одновременно повышается и диэлектрическая проницаемость, однако в значительно меньшей степени (в 1.5 – 2.0, не более), поэтому практически с этим можно не считаться.

Рис.3.1. Двухслойная изоляция (а) и схемы ее замещения (б) и (в).

      В простейшем случае неоднородная изоляция может рассматриваться как состоящая из двух слоев, каждый из которых характеризуется своей проводимостью  и диэлектрической проницаемостью , рис.3.1. Очевидная схема замещения показана на рис.3.1, б, где:

   и

- сопротивление утечки соответствующих слоев в установившемся режиме;

и

- емкости этих слоев,

- S площадь электродов.

      При длительном воздействии на неоднородную изоляцию постоянного напряжения на границе слоев накапливается заряд абсорбции, равный:

откуда                                               

     Если использовать схему замещения рис.3.1в, то вся изоляция будет иметь на схеме замещения следующий физический смысл:

 – сопротивление утечки всей изоляции;

=  - геометрическая емкость изоляции, определяемая лишь ее размерами и диэлектрической проницаемостью слоев (последовательное включение ;

 отражают накопление зарядов абсорбции по линии раздела слоев.

Из приведенных формул следует, что в случае однородной изоляции, когда  или , сопротивление , а емкость . При этом схема замещения включает только , а заряд абсорбции не накапливается. В случае неоднородной изоляции в начальный момент приложения постоянного напряжения ток оказывается большим из-за заряда емкости , и одновременно происходит накопление заряда абсорбции на емкости . В последующие моменты времени происходит быстрый разряд емкости  через сопротивление R, и более медленный разряд емкости  через сопротивление  Постоянная времени этого разряда  велика (так как ;

С этой же постоянной времени происходит и изменение тока разряда. Суммарный ток можно представить как:

Соответственно при измерении сопротивления изоляции мегомметр будет показывать сопротивление, изменяющееся по закону:

Пусть увлажненный слой изоляции составляет . Примем условие, что  (), тогда, используя (3.1), (3.2) и (3.3) можно рассчитать изменение сопротивления изоляции во времени. За величину сравнения принимаем сопротивление сухой изоляции (). Тогда по итогам расчетов получим:

При , в момент =0,9 и сопротивление восстанавливается до  за время ;

при  имеем: , = 2;

если  то ,  при этом = .

     Таким образом, малый по толщине слой увлажнения (до 0,03) не сильно сказывается на установившемся сопротивлении  , которое устанавливается (по показаниям мегомметра) достаточно быстро.

В то же время, при толщине увлажнения  начальное показание  составляет лишь 0,1 о.е., установившееся значение составит , а время установления . При еще большем слое увлажнения =0,3 начальное сопротивление , после чего сопротивление медленно увеличивается до установившегося значения затягивается до = 4-5, и составляет уже секунды. Очевидно, что измерение времени установления сопротивления изоляции, позволяет выявить ее увлажнение.

    Вышеуказанные особенности изменения  во времени используют для оценки степени увлажнения изоляции. При испытаниях измерение сопротивления изоляции производят мегомметром, и показания мегомметра снимают последовательно через 15() и 60() секунд после подачи напряжения  на испытуемую изоляцию. Заключение о качестве изоляции делают по величине , а также по отношению =  - коэффициенту абсорбции.

    Опытным путем установлено, что для наиболее распространенных видов изоляции  при нормальной (допустимой) влажности, а при недопустимо сильном увлажнении близок к 1,0.

     Рассмотрим более подробно мониторинг состояния изоляции с помощью данного метода. Наиболее частыми причинами снижения сопротивления изоляции обмоток является загрязнение их токопроводящей пылью и увлажнение.

     Увлажненность изоляции обмоток электрических машин можно определить с помощью измерения, так называемого, коэффициента абсорбции. Физический смысл коэффициента абсорбции показан выше. Исследовать состояние изоляции на предмет увлажнения, можно проведя измерение сопротивление изоляции с помощью мегомметра. Мегомметр измеряет сопротивление изоляции по току утечки, который состоит из сквозного тока и тока абсорбции. Сквозной ток называют емкостным. Время затухания сквозного тока лежит в пределах от долей, до нескольких секунд в зависимости от мощности машины. Ток абсорбции, напротив, затухает относительно медленно.

     Установлено, что абсорбционный ток практически не зависит от влажности изоляции, в то время как сквозной ток проводимости с увеличением влажности возрастает. Поэтому отношение этих токов является хорошим показателем влажности.

     На практике производят два измерения сопротивления изоляции – через 15 секунд (когда заряд геометрической емкости завершен) и через 60 секунд (когда практически закончен заряд абсорбционной емкости) с момента приложения напряжения мегомметра. Вычислив отношение  называемое коэффициентом абсорбции , можно по его значению определить степень увлажнения изоляции.

     Синхронные машины, крупные асинхронные двигатели, трансформаторы можно эксплуатировать без сушки изоляции, если  при температуре обмоток от  Величина  при неувлажненной изоляции может достигать 2-3 и более. При коэффициенте абсорбции, близком к единице, изоляция обмоток считается увлажненной и электрическую машину необходимо подвергнуть сушке.

      Цель сушки электрической машины заключается в удалении влаги из изоляции обмоток. Удаление влаги происходит за счет так называемой термической диффузии, вызывающей перемещение влаги в направлении потока тепла. Перемещение влаги происходит вследствие перепада влажности в разных слоях изоляции: из слоев с большей влажностью влага перемещается в слои с меньшей влажностью. Перепад влажности создается перепадом температуры. Чем больше температурный перепад, тем интенсивнее происходит сушка, поэтому, нагревая внутренние части обмотки (например током), можно создать перепад температур между внутренними и внешними слоями изоляции и тем ускорить процесс сушки.

3.2. Тангенс угла диэлектрических потерь

      Тангенс угла диэлектрических потерь  - важнейший параметр, характеризующий состояние изоляции. Величина  характеризует потери в диэлектрике. Возрастание  в процессе эксплуатации происходит в результате общего старения изоляции и может привести к тепловому пробою.

Величина диэлектрических потерь:

где U – действующее значение переменного напряжения; ω – угловая частота; C – емкость изоляции, δ – угол диэлектрических потерь.

       Тангенс угла диэлектрических потерь представляет собой отношение активной составляющей тока, протекающего в изоляции, к реактивной составляющей:

где δ – угол между векторами полного тока и реактивной составляющей тока в векторной диаграмме токов в изоляции, рис. 3.2.

Рис. 3.2. Схема замещения и векторная диаграмма токов в изоляции.

     Увеличение тангенса угла потерь обусловлено увлажнением изоляции, ионизацией газовых включений в расслоившейся изоляции, поверхностным загрязнением изоляции. Значение  зависит также от температуры, величины напряжения, приложенного к изоляции и его частоты. Тангенс угла диэлектрических потерь – удельная величина, характеризующая диэлектрические потери в единице объема изоляции. Поэтому его существенное увеличение наблюдается только при увеличении потерь в значительной части объема изоляции. Покажем это для случаев параллельного и последовательного расположения диэлектриков с различными значениями тангенса угла диэлектрических потерь, рис.3.3.

 

 

Рис.3.3. Параллельное и последовательное расположение диэлектриков.

     В первом случае (параллельное соединение):

Если объем V 2 значительно меньше объема V 1, то и , тогда:

Из последнего следует, что результирующий тангенс угла потерь будет незначительно превышать тангенс угла потерь основного объема изоляции.

        При последовательном расположении слоев:

Если слой с повышенным значением тангенса угла потерь имеет незначительную толщину, то , в этом случае:

 

3.3. Измерение сопротивления изоляции мегаомметром

     Сопротивление изоляции обычно измеряют переносными приборами – мегаомметрами при отключенном от сети электрооборудовании. Величина сопротивления определяется как отношение постоянного напряжения, приложенного к изоляции, к току, протекающему в изоляции:

Источником постоянного напряжения в мегаомметре служит генератор с постоянными магнитами Г, имеющий ручной или электрический привод. Прибор для измерения сопротивления изоляции – логометр Л имеет две расположенные под углом рамки 1 и 2. Последовательно с рамками включены ограничительные сопротивления . Ток  в рамке 1 имеет постоянное значение и пропорционален напряжению, приложенному к изоляции. Ток  в рамке 2 определяется величиной сопротивления  изоляции. Отклонение стрелки прибора, связанной с поворачивающимися рамками, пропорционально отношению  поэтому он измеряет (показания стрелки отградуированы в масштабе мегаом или килоом).

3.4. Упрощенная схема мегаомметра

      Результат измерения не зависит от напряжения генератора, но важно, что оно поддерживается стабильным. В случае большой емкости  и при случайных колебаниях напряжения в рамке 2 протекает ток перезаряда, меняющийся во времени. Это вызывает колебания стрелки логометра и затрудняет измерение. Переключатель П устанавливает пределы измерения сопртивления изоляции в килоомах (kΩ), или в мегаомах (MΩ).

      Для измерения сопротивления изоляции высоковольтного оборудования используются мегаомметры на напряжение 500, 1500 и 2500В. Переключатель П устанавливает шкалу по измерению R_x в килоомах (), или в мегомах (.

      Кроме аналоговых приборов описанных выше, широко используются цифровые мегаомметры. Цифровой прибор работает несколько иначе. Здесь нет никаких физически отклоняющихся катушек, зато есть источник точно калиброванного постоянного напряжения, который через схему цифрового амперметра включается последовательно цепи, сопротивление которой нужно узнать. В зависимости от характеристик исследуемой цепи, напряжение на щупах прибора будет разным, начиная от 100 вольт, заканчивая всеми 2500 вольтами, если измеряется сопротивление высоковольтной цепи. Это напряжение выбирается специальным переключателем или кнопками на панели прибора. Есть, безусловно, нормативы, согласно которым цепи разного рабочего напряжения проверяются соответствующим напряжением на щупах мегаомметра. Цифровые мегаомметры могут питаться от гальванических элементов, аккумуляторов, индивидуальных блоков питания.

      При измерении сопротивления мегаомметром опираются на следующие нормы:

· Электрические цепи с рабочим напряжением до 50 вольт испытываются напряжением мегаомметра 100 вольт, при этом сопротивление цепи не должно быть меньше 0,5 МОм. Полупроводниковые приборы, входящие в диагностируемую цепь, для предотвращения их выхода из строя, должны быть зашунтированы.

· Электрические цепи с рабочим напряжением от 50 до 100 вольт испытываются напряжением мегаомметра 250 вольт.

· Электрические цепи с рабочим напряжением от 100 до 380 вольт испытываются напряжением мегаомметра от 500 до 1000 вольт. Что касается осветительной проводки, она испытывается напряжением 1000 вольт, при этом сопротивление не должно быть меньше 0,5 МОм.

Электрические цепи с рабочим напряжением от 380 до 1000 вольт испытываются напряжением мегаомметра от 1000 до 2500 вольт. К оборудованию такого типа относятся распределительные устройства, щиты и токопроводы. Сопротивление секции цепи (каждая секция промеряется отдельно) при этом не должно быть менее 1 МОм.

 

3.4. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь

 

На практике при контроле изоляции высоковольтного электрооборудования для измерения применяют мост переменного тока Шеринга. Мост Шеринга — измерительный мост переменного тока, предназначенный для измерения электрической ёмкости и тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции высоковольтного электрооборудования, а также, в электрических кабелях. Назван так по имени немецкого инженера и изобретателя этого устройства Геральда Шеринга (1880-1959).

 

 

Рис.3.5 Упрощенная схема моста Шеринга

С₁ — ёмкость испытываемой изоляции объекта контроля;

R₁ — активное сопротивление объекта контроля;

C ₀ — ёмкость образцового (эталонного) конденсатора;

R ₃ — безындукционный переменный резистор;

C ₄ — магазин ёмкостей с переменным конденсатором:

R ₄ — переменный безындукцнонный резистор, включённый параллельно C ₄.

     

Мост Шеринга представляет собой одинарный мост переменного тока, имеющий четыре плеча Z 1, Z 2, Z 3, Z 4, в одно плечо которого включается магазин ёмкостей C ₄ и параллельно присоединённое к нему
постоянное активное сопротивление R ₄. в противоположное плечо включается объект контроля, эквивалентная электрическая схема которого состоит из последовательно соединённых ёмкостного C ₁ и
активного сопротивления R ₁ в третье плечо включается магазин активных сопротивлений R ₃, в четвёртое — эталонный (образцовый) конденсатор C ₀.

На одну диагональ моста (точки 1, 2) подаётся переменное напряжение питания измерительной схемы (обычно 10 кВ). К другой диагонали подключается нуль-индикатор (НИ) переменного напряжения. С точки зрения схемотехники, одинарные мосты — это комбинация двух делителей напряжения и нуль - индикатора, включённого между ними. Рассматривая схему моста с этой точки зрения, можно прийти к выводу, что при равенстве произведения комплексных сопротивлений двух противоположных плеч произведению двух других противоположных плеч моста, разность потенциалов на нуль-индикаторе будет равна нулю.

Равновесие моста переменного тока, в отличие от равновесия моста постоянного тока, достигается лишь при соблюдении двух условий:
1) Отношение модулей полных сопротивлений смежных плеч моста должны быть равны между собой:

откуда следует, что произведения модулей полных сопротивлений противоположных плеч моста должны быть равны между собой:

;                       (5)

где Z ₁, Z ₂, Z ₃, Z ₄ — комплексные (полные) сопротивления плеч моста.

2) Разности фазовых углов смежных плеч моста должны быть равны между собой:

Откуда следует, что суммы фазовых углов противоположных плеч моста должны быть равны между собой:

=

Данное утверждение верно, если входное сопротивление нуль-индикатора очень велико, а в идеале — равно бесконечности. При конечном входном сопротивлении нуль-индикатора последний будет вносить погрешность в измерительную схему, что необходимо учитывать.

Приведение моста в состояние, при котором нуль-индикатор покажет нулевое значение, называется балансировкой моста.

Из условий равновесия моста переменного тока следует, что для балансировки необходима регулировка не менее двух параметров мостовой схемы.

Процесс уравновешивания заключается в попеременном регулировании этих параметров. При этом равновесие моста достигается большим или меньшим числом переходов от регулирования одного параметра к регулированию другого.

 Балансировка моста производится поочерёдными изменениями сопротивления R ₃ и ёмкости магазина конденсаторов C ₄, при этом происходит выравнивание напряжений в диагонали (в точках 3 и 4) моста.

При наступлении равновесия моста, которое контролируется по показаниям нуль-индикатора, выполняется равенство (5) откуда определяются параметры изоляции контролируемого объекта:

   Для расширения пределов измерения ёмкости контролируемого объекта параллельно резистору R ₃ включается шунт, а изменяя сопротивление резистора R ₄, можно изменять пределы измерении . Для упрощения расчётов сопротивление резистора выбирается равным , где n целое число.

Тогда при промышленной частоте 50 Гц круговая частота будет равна:

а тангенс угла диэлектрических потерь:

Если значение ёмкости C ₄ выразить в микрофарадах, то значение измеренного будет определяться следующими соотношениями:

R4	100/π	1000/π	10000/π
	0,01	0,1

    Измерения мостом Шеринга могут выполняться по прямой, перевёрнутой и обратной схемам включения. При прямой схеме измерений заземляется точка 2 моста; при перевёрнутой схеме - точка 1; при обратной схеме - точка 3. Поэтому обратная схема измерений иногда называется схемой с заземлённой диагональю.