Диагностирование электрической изоляции

 

Электрическая изоляция токоведущих частей является од­ним из наиболее важных элементов конструкции судового элек­трооборудования, ограничивающих работоспособность СЭО. В процессе эксплуатации состоянием изоляции в значительной мере определяется возможность возникновения пожара при ко­ротких замыканиях. В связи с этим необходимо контролировать техническое состояние изоляции СЭО.

Наиболее характерными дефектами изоляции являются:Z₁-естественное старение изоляции;Z₂-объемное увлажнение;Z_3-поверхностное увлажнение;Z_4-термическое старение; Z_{5 -}пробой изоляции (на корпус или междуфазный); Z₆-поверхностное загрязнение; Z₇- наличие воздушных вклю­чений.

Вероятность появления таких дефектов в изоляции СЭЭС в целом на основе эксплуатационных данных, полученных, на­пример, для судов типа „Выборглес"(12 судов), „Ленинские искры"(11 судов), „Художник Сарьян"(7 судов) и „Кегостров"(3 судна), составляет, %: Z₁-22,4 от всех отказов изоляции; Z ₂- 21,1; Z ₃-17Д; Z₄-15,8; Z₅-11,8; Z ₆-9,2; Z₇ –2,6.

В качестве параметра технического состояния изоляции, обычно используют активную составляющую сопро­тивления изоляции токам утечки как наиболее легко под­дающуюся измерению и контролю в процессе ТЭ. Это единст­венный параметр, для которого Правилами Регистра определе­ны значения уставки (см. табл. 1.2).

Согласно Правилам Регистра, для измерения сопротивле­ния следует применять приборы, рассчитанные на следующие рабочие напряжения: 500 В- для изоляции, рассчитанной на напряжения до 400 В, и не менее 1000 В- для изоляции на на­пряжение от 400 до 1000 В, 2500 В-для изоляции на напря­жение 1000 В и выше. Сопротивление изоляции СЭО в нагре­том состоянии необходимо измерять сразу после его отклю­чения.

Измерение сопротивления изоляции в обесточенных сетях выполняют переносными мегаомметрами магнитоэлектрической системы. Они могут быть двух типов: индукторные (М1101; Ml 102 и др.) и безындукторные (БМ1, БМ2, Е6-16).

В индукторных мегаомметрах источником питания являет­ся встроенный электрогенератор с ручным приводом и часто­той вращения рукоятки 120 об/мин; измерения проводят двое специалистов из обслуживающего персонала. В безындуктор­ных мегаомметрах источником питания являются элементы ти­па „Сатурн"; измерения выполняет один человек.

Вместе с тем контроль сопротивления изоляции элементов СЭЭС не позволяет получить полную информацию о состоянии изоляции, так как на это сопротивление, в частности, не влия­ют термическое и естественное старение, несквозные увлажне­ния и воздушные включения в изоляции.

В общем случае изоляция, например, проводника П относи­тельно корпуса судна К может быть представлена схемой за­мещения, состоящей из трех параллельных цепей (рис. 4.21, а).

 

 

 

Рис. 4.21. Схема замещения (а) электрической изоляции и изменение токов (б) в изоляции после приложения напряжения.

При приложении к изоляции электрического напряжения U через изоляцию будет протекать ток, составляющие которого характеризуются схемой на рис. 4.21, а. Емкость С₁ называется геометрической, так как определяется геометрическими разме­рами изоляции и ее расположением как диэлектрика между проводящими элементами; по ней протекает I₁-ток мгновен­ной поляризации. Наличием емкости С₁ объясняется мгновен­ный бросок тока, возникающий в случае приложения к изоля­ции постоянного напряжения, и емкостный ток через изоляцию, если приложено переменное напряжение.

Емкость С₂, называемая абсорбционной или емкостью мед­ленной поляризации изоляции, и сопротивление R₂ образуют цепь, характеризующую потери в диэлектрике, соответствующие поглощению (абсорбции) электрической энергии. Величина R₂ зависит от однородности изоляции и ее диэлектрических свойств (чем однороднее изоляция и меньше пустот и расслое­ний в ней, тем больше R₂). Ток I₂ в цепи С₂, R₂ называется аб­сорбционным. От величины R₂ зависит постоянная времени за­ряда емкости С₂, равная Таким образом, чем лучше диэлектрические свойства изоляции, тем больше R₂ и время за­ряда конденсатора С₂.

Наличие емкостей С1 и С₂ в схеме замещения объясняет способность изоляции накапливать электрические заряды, и это должно учитываться при эксплуатации СЭО- после отключе­ния напряжения с токоведущих частей их заземляют на время, достаточное для разряда емкостей С₁ и С₂.

Сопротивление R₁ определяет потери и сопротивление изо­ляции, и ток сквозной проводимости Ick, пропорциональный пло­щади и обратно пропорциональный толщине изоляции. С уве­личением влажности (сквозное увлажнение) изоляции ток сквозной проводимости возрастает.

Характер изменения токов I₁,I₂,I_ck (рис. 4.21,6) при при­ложении постоянного напряжения к цепи проводник-изоля­ция-корпус объясняет поведение стрелки мегаомметра при из­мерении сопротивления изоляции. При приложении постоянного напряжения мегаомметра в цепи возникает мгновенный бросок зарядного тока I₁, определяемого емкостью С₁и довольно быстро уменьшающегося до нуля. Показания мегаомметра в этот момент практически нулевые. Одновременно происходит заряд абсорбционной емкости С₂, и ток заряда I₂ спадает по бо­лее плавной (экспоненциальной) кривой, и показания мегаом­метра соответственно плавно увеличиваются. Установившийся ток I_ck после окончания заряда емкости С₂ определяется сопро­тивлением R₁которое и измеряется мегаомметром.

Из схемы замещения следует, что при подключении изоля­ции к источнику постоянного напряжения U ток в изоляции (без учета кратковременного тока заряда геометрической емко­сти С1) изменяется во времени в соответствии с выражением

При этом изменяется и сопротивление изоляции

При этом изменяется и сопротивление изоляции

Свойство изоляции - изменять ток и сопротивление во вре­мени после приложения постоянного напряжения - зависит от состояния изоляции, и поэтому зависимости R(t) и I (t) могут ис­пользоваться при оценке ТС изоляции: например, посредством ряда параметров, характеризующих крутизну кривых R(t) и I(t). В частности, для увлажненной изоляции кривая R(t) бо­лее пологая, чем для сухой.

К таким параметрам, определяемым мегаомметром, в част­ности, относятся коэффициент абсорбции К_а, расчетный пара­метр сопротивления изоляции R_P и коэффициент изменения со­противления изоляции К1.

Коэффициент K_a=R_6o/R₁₅ определяется отношением показа­ний мегаомметра через 15 с (когда заряд геометрической ем­кости С₁ закончен) и через 60 с (когда закончен заряд абсорб­ционной емкости С₂) после его включения. Для изоляции с до­пустимой увлажненностью К_а>2. В случае увлажнения изоля­ции значение К_а приближается к 1. Это объясняется тем, что из-за значительного уменьшения постоянной времени уже к первому отсчету, т. е. через 15 с, достигается значение R(t), близкое к установившемуся. Предельное минимальное значение К_а =1,3 при температуре 20°С. При К_а 1,3 и температуре воздуха 15...30°С изоляцию необходимо сушить.

Параметр для достаточно длинных кабелей и обмоток, более точно,характеризующий крутиз­ну зависимости R(t),определяется с учетом измерения значе­ния сопротивления R(t_i) через время t_i, равное, например, 5с после подключения мегаомметра.При диагностировании со­стояния изоляции полученное значение R_p сравнивается с его значением R_p0 при нормальном значении сопротивления изоля­ции. В случае увлажнения изоляции R_P<R_Po.

Следует отметить, что диагностические параметры К_а и R_P определяют на основе измерений соответствующих величии в переходном процессе, возникающем при подаче постоянного на­пряжения в цепь с изоляцией. Достаточно длительны переход­ные процессы для проведения измерений в условиях эксплуа­тации при контроле изоляции обмоток электрических машин, трансформаторов и протяженных кабельных линий (сотни мет­ров). Например, осциллографирование электрического тока в переходном процессе при подаче напряжения постоянного тока между жилами кабеля и корпусом для кабеля КНР 3X1,5 мм² длиной 7м при нормальном состоянии изоляции кабеля, корот­ком замыкании угольно-графитной пылью и объемном увлажне­нии кабеля показало, что переходный процесс длится сотые до­ли секунды. В связи с этим для обмоток и кабелей, имеющих относительно малые длины, применить параметры К_а и R_P для оценки состояния изоляции в условиях эксплуатации на судне, как правило, не представляется возможным.

Коэффициент K₁ = R'/R определяется отношением значений сопротивления изоляции, измеренных при подключении плюса мегаомметра к корпусу судна R' и при подключении минуса ме­гаомметра к корпусу судна R..Постоянный ток, создаваемый мегаомметром при наличии влаги, вызывает электролиз мате­риалов, соприкасающихся с токопроводящими жилами. При электролизе металл жилы будет окисляться (если жила слу­жит анодом) с образованием плохо проводящего слоя, поэтому полученное при измерении значение R изоляции будет повыше­но. Если жила служит катодом, то будет происходить восста­новление металла жилы, а измеренное значение R' изоляции будет занижено. Таким образом, по величине К₁ можно судить о причине снижения R изоляции. Если К₁ =1, то причина сни­жения R-загрязнение, если K1<1-увлажненность.

Когда к изоляции прикладывают переменное электрическое напряжение U по ней начинает течь переменный электрический ток I и появляются диэлектрические потери. Эти потери опре­деляются мощностью, рассеиваемой в диэлектрике (изоляции):

где — угол фазового сдвига между U и I.

Значение Р_Д зависит от объема и свойств диэлектрика, т. е. от технического состояния изоляции. В качестве параметра, за­висящего от состояния изоляции на основании соотношения

где I_а и I_р - активная и реактивная составляющие тока; -угол, дополняющий угол до 90° (угол диэлектрических по­терь), принимается величина тангенса диэлектриче­ских потерь

Величина является важной характеристикой состояния изоляции, так как его значением определяется мощность ди­электрических потерь и, следовательно, температурный режим работы изоляции, от которого в свою очередь зависит скорость термического старения. Кроме этого, важное практическое зна­чение имеет и потому, что его величина чувствительна к изменениям состояния изоляции. Ухудшение состояния обычно сопровождается ростом удельной проводимости изоляции и, значит, величины . В связи с этим по значению можно судить о состоянии изоляции, о наличии в ней загрязнений, в частности, влаги.

Значение может быть измерено мостом переменного то­ка (например, типа МД16), схема которого показана на рис.4.22. Из условия равновесия моста следует, что и ,где С_х и С_N емкости соответствен­но испытуемой изоляции и эталонного конденсатора.

В мостах для измерения при частоте 50 Гц сопротивле­ние R₄ принимается равным ,или 3184 Ом, поэтому .Таким образом, численно равен емкости С₄, выраженной в микрофарадах. В связи с этим шкалы ручек емкости С₄ имеют деления, непосредственно указывающие зна­чение измеренного , %.

Благодаря относительной простоте измерения и сильной зависимости от количества загрязнений в изоляции кон­троль изоляции оборудования высокого напряжения по значе­нию стал одним из основных и самых распространенных методов проверки состояния изоляции на заводах-изготовите­лях и в энергосистемах. Для изоляции электрооборудования высокого напряжения нормируются предельные значения . Поскольку зависит от температуры изоляции, эти нормы задаются для определенной температуры.

Оценка технического состояния изоляции по значению для низковольтного оборудования не считается показательной, и нормативная документация не содержит предельно допусти­мых значений при дефектации оборудования. По данным ремонта общепромышленного оборудования при проверке со­стояния изоляции производят измерения и сравнивают зна­чение со значениями, полученными после предыдущего ре­монта. При этом по величине оценивается степень увлаж­ненности изоляции, наличие в ней загрязнений, ее общее старение и устойчивость к тепловому пробою. Для бездефектной увлажненной изоляции наименьшее значение не должно превышать 10%(при измерении мостом переменного тока ти­па МД16). Измерение выполняют только при удовлетвори­тельных результатах проверки сопротивления изоляции.

 

Рис. 4.22. Принципиальная схема моста переменного тока для измерения емкости и изоляции

 

 

Рис. 4.23. Упрощенная электрическая схема прибора ПКВ

О степени увлажненности изоляции можно судить на основе зависимости емкости изоляции от частоты. Из схемы замещения изоляции (см. рис. 4.21,а) следует, что емкость изоляции зависит от частоты:

С увеличением частоты емкость уменьшается, прибли­жаясь к значению С₁. Увлажнение изоляции приводит к сни­жению сопротивления изоляции и, следовательно, к уменьше­нию постоянной времени и изменению характера зависимости . При контроле состояния изоляции обычно измеряют ем­кость при частоте 2 и 50 Гц, т.е. значения С (2) и С(50). За­ключение о степени увлажненности изоляции делают по зна­чению отношения С(2)/С(50).

Величины С (2) и С (50) измеряют специальными приборами контроля влажности типа ПКВ. В приборе, работающем по принципу емкость- частота (рис. 4.23), переключатель S пе­риодически подключает испытуемую изоляцию к источни­ку G постоянного напряжения U₀(при этом заряжается), а затем к цепи с гальванометром PA ( разряжается). Средний ток, измеряемый гальванометром, , Изме­рения проводятся при частотах переключения 2 и 50 Гц, поэто­му .

Допустимые значения С(2)/С(50) устанавливаются с уче­том температуры контролируемой изоляции. Так, например, для изоляции силовых трансформаторов в нормальном состоянии допустимые значения составляют при температуре 20 °С.

При испытаниях изоляции СЭО в качестве параметра, ха­рактеризующего состояние изоляции, служит также электри­ческая прочность изоляции Е. Электрическая проч­ность определяет способность изоляции сохранять свои свойст­ва при приложении напряжения и численно выражается значе­нием напряжения, при котором материал разрушается и теря­ет изоляционные свойства.

На электрическую прочность изоляцию испытывают прило­жением напряжения, значение которого превышает номиналь­ное. Испытанию подвергают изоляцию обмоток относительно корпуса, изоляцию обмоток между собой, межвитковую изоля­цию обмоток, а также изоляцию жил кабелей относительно кор­пуса и между собой. Значение испытательных напряжений выбирается в зависимости от мощности оборудования и его номи­нального напряжения U_Н (табл. 4.14).

Таблица 4.14. Испытательное напряжение U изоляции электрических машин и

кабелей

Электрооборудование или его часть	Действующее значение U, В
Электрические машины мощностью до 1 кВт и возбудители с UН 100 В. Свыше 1 кВт с UН 100В до 1000квт с UН 100В Обмотки возбуждения и возбудители синхронных генераторов Кабельные линии напряжением, В от 220 до 1000В ниже 220В Кабели с пластмассовой изоляцией, рассчитанной на напряжения, В до 660 от 661 до 1000 от 1001 до 3000	500+ UН 1000+ UН 1000+ UН, но не менее 1500 10 UН, но не менее 1500 и не более 3500
Примечание. Электрическую прочность кабелей испытывают выпрямленным напряжением.

Испытание проводят как синусоидальным напряжением час­тотой 50 Гц, так и выпрямленным. Продолжительность прило­жения испытательного напряжения не должна превышать 60 с, если в технических условиях не оговорено другое время. При испытаниях электрической прочности изоляции обмоток все не подвергаемые испытаниям обмотки и токоведущие части дан­ного устройства должны быть соединены с заземленным корпу­сом (рис. 4.24). После проведения испытаний и отключения ис­точника повышенного напряжения все обмотки в целях снятия остаточного заряда должны быть кратковременно заземлены.

 

 

Рис. 4.24. Схема для испытаний электрической прочности изоляции обмоток асинхронного двигателя G- источник регулируемого напряжения.

Основной задачей испы­тания изоляции повышен­ным напряжением является определение локальных де­фектов изоляции на ран­них стадиях их развития. Изоляция считается выдер­жавшей испытание(т.е.изоляция имеет определен­ный запас электрической прочности, превышающий испытательное напряже­ние), если во время испытаний не наблюдались ее пробои, частичные разряды, появление дыма или газов, резких колебаний напряжения и увеличения тока утечки через изоляцию выше значения, установленного в документации на данное устройство.

Проверка электрической прочности в настоящее время является наиболее достоверной проверкой состояния изоляции. Однако испытания повышенным напряжением имеют сущест­венный недостаток, заключающийся в возможности пробоя изо­ляции, не имеющей дефектов, т. е. такие испытания, как и ис­пытания изоляции на механическую прочность, являются раз­рушающими. Кроме того, испытания повышенным напряжени­ем не дают оценки механической прочности изоляции, утрачи­ваемой вследствие теплового износа. Этим в определенной сте­пени объясняются случаи пробоя изоляции на корпус и витковых замыканий обмоток после положительных результа­тов проверки электрической прочности изоляции и величины ее сопротивления.

Для оценки технического состояния и определения вида де­фекта изоляции в судовых условиях в процессе эксплуатации могут быть выбраны только те параметры, которые можно кон­тролировать в судовых условиях без существенных затрат при­емлемыми средствами и для которых известны допустимые значения.

Сложность применения параметров и С(2)/С(50) для оценки ТС изоляции в судовых условиях в настоящее время обусловлена тем, что для измерения и С(2)/С(50) необхо­дима специальная измерительная аппаратура, и допустимые значения параметров и С(2)/С(50) для изоляции различ­ного назначения не определены. Сложность определения таких значений объясняется немонотонным характером связи вели­чин и С(2)/С(50) с изменением ТС изоляции и изменением параметров окружающей среды.

В настоящее время для контроля ТС и определения вида де­фекта изоляции в судовых условиях наиболее приемлемы па­раметры, определяемые на основе измерений мегаомметром: R, К₁ а также R_p и К_a (при показаниях мегаомметра R_l5 и R(t₁) отличных от R_6o). При этом для конкретных видов СЭО при оп­ределении вида и места дефекта изоляции результаты измере­ния этих параметров дополняются использованием специаль­ных методов и средств и внешним осмотром.