Вимірювання опору ізоляції

Вимірювання опору ізоляції постійного струму є найбільше поширеним видом контролю стану ізоляції. Сутність методу полягає у вимірюванні відношення прикладеної до ізоляції постійної напруги U доструму, що протікає через неї, i:

.

З урахуванням схеми заміщення діелектрика сумарний струм, що протікає через ізоляцію,

,

де - струм наскрізної провідності;

- струм абсорбції, обумовлений повільними процесами поляризації;

- струм, обумовлений процесами швидкої поляризації.

Оскільки струм протікає тільки протягом 10 ^-12 - 10 ^-14 с, то його вплив на результатах вимірювань не позначається, тоді як величина абсорбційної складової відіграє дуже суттєву роль. Можна представити, що

,

тобто в колі вимірювання аж до завершення процесів релаксації протікатиме струм, що убуває в часі зі швидкістю, яка залежить від постійної (рис.1.2).

Отже вимірюване значення опору в цей період залежатиме від тривалості впливу прикладеної напруги:

.

Для забезпечення єдності вимірювань прийнятий відлік показання приладів робити через 60 с після подачі вимірювальної напруги.

Рис. 1.2 – Залежність струму в неоднорідному діелектрику від часу дії постійної напруги

У практиці експлуатації для вимірювання опору ізоляції частіше усього застосовують мегаомметри. Вони звичайно складаються (рис. 1.3) з джерела напруги постійного струму та вимірювального приладу, що вимірює струм I_x через ізоляцію об’єкта. Шкала приладу градуюється в значеннях опору; для цього напруга джерела U має бути стабільною. Застосовуються також логометрічні вимірювачі, показання яких пропорційні частці від ділення на струм, що вимірюється. Об’єкт із опором ізоляції R_x та ємкістю C_x приєднується до виводів «r_x» та «-» мегаомметра. Вивід «Э» призначено для приєднаня кіл екранування (їх опір відносно вивода «r_x» позначено резистором R_п). Схеми увімкнення мегаомметра – пряма та перевернена: відповідно заземляються виводи «Э» або «-». Найчастіше застосовується перевернена схема вмикання.

Екранування застосовується у випадках, коли потрібно виключити вплив поверхні ізоляційної конструкції або обмежити область підконтрольної ізоляції. Для виключення впливу стану поверхні на зовнішній частині ізоляційної конструкції біля електрода, з’єднаного із виводом «r_x» мегаомметра, встановлюється екранізуюче кільце із м’якого провода, що з’єднується з виводом «Э». Для обмеження підконтрольної області ізоляції потенціал екрана мегаомметра подається на відповідний електрод (рис. 1.4).

Рис. 1.3 – Схема вимірювань мегаомметром: 1 – засіб вимірювань, 2 – об’єкт, U – джерело напруги, А – вимірювач струму.

Опір, увімкнутий між виводами «Э» та «r_x» (R_п, див. рис. 1.3), у схемах з екрануванням шунтує вимірювальний елемент мегаомметра, чим може заподіяти неприпустиму погрішність у вимірювання. Найменше допустиме значення цього опору нормується; воно має бути не меншим 1% кінцевого (найбільшого) значення шкали на даній границі вимірювань. Бажано щоб опір кіл екранування був більшим у 50 – 100 разів, ніж опір вимірювального елемента мегаомметра (резистор R₀ див. рис. 1.3).

Рис. 1.4 – Екранування при вимірюванні опору ізоляції:

а – виключення впливу поверхні ізоляції; б – виключення впливу ізоляції обмотки НН трансформатора; 1 – об’єкт; 2 – екранне кільце (бандаж); 3 – мегаомметр

Значний вплив на результати вимірювання може зробити температура, при якій робляться вимірювання. Тому для приведення результатів вимірювання до однієї температури необхідно провести перерахунок за формулою

,

де - коефіцієнт, обумовлений типом ізоляції: для ізоляції класу А = 40; для ізоляції класу У = 60;

та - опори ізоляції постійного струму при температурах та відповідно.

На практиці користуються коефіцієнтом приведення опору до повної температури. Значення цих коефіцієнтів наведені в табл. 1.1.

Слід враховувати, що оскільки на результати вимірювання великий вплив роблять розміри об'єкта контролю, структура його ізоляції, вид ізоляційного матеріалу, умови та спосіб вимірювання, момент відліку і т.п., то висновок про стан ізоляції за величиною її опору містить деяку непевність, тому на практиці вимірювання опору використовують тільки для орієнтованого судження про стан ізоляції і для виявлення грубих дефектів, що знижують опір на порядок і більше.

Таблиця 1.1 - Значення коефіцієнтів приведення результатів вимірювання до певної температури

Вище вже зазначалося, що при подачі на ємність ізоляції постійної напруги швидкість спаду струму заряду, а значить й обмірюване значення опору ізоляції, залежить від постійної . Величина цієї постійної визначається станом ізоляції, зокрема зволоженням.

Таким чином, за швидкістю протікання повільних процесів поляризації в діелектриках можна судити про ступінь їх зволоження. Характер зміни струмів і опорів у часі для зволоженої та сухої ізоляції наведений на рис. 1.5.

У якості критерію оцінки швидкості може бути прийнята величина відношення значень опору ізоляції, обмірюваних через різні проміжки часу з моменту подачі напруги:

.

Це відношення одержало назву коефіцієнта абсорбції. Очевидно, чим сильніше зволоження, тим ближче коефіцієнт абсорбції до одиниці. З огляду на те, що в зволоженій ізоляції процеси повільної поляризації в основному закінчуються до п'ятнадцятої секунди, вимірювання опорів для обчислення коефіцієнта абсорбції прийнято робити через 15 та 60 с. За таких умов вимірювань коефіцієнт абсорбції для відносно сухої ізоляції знаходиться в межах 1, 5 - 2, 0.

Слід мати на увазі, що на результати вимірювання коефіцієнта абсорбції суттєвий вплив справляє залишковий заряд в ізоляції, тому перед кожним циклом вимірювань ізоляцію рекомендується закоротити не менше ніж на 5-10 хвилин. Коефіцієнт абсорбції звичайно визначають при температурі 20-25⁰C, однак це можна робити й при інших температурах, використовуючи коефіцієнти приведення, подані в таблиці 1.1.

Рис. 1.5 – Вплив стану ізоляції на час протікання струму абсорбції для сухої (а) і для зволоженої (б) ізоляції

Опір ізоляції і коефіцієнт абсорбції не визначають при температурах менше 10⁰C, тому що при цьому нестабільність у поводженні вологи утрудняє оцінку реального стану ізоляції. Як приклад у табл. 1.2 подані нижні значення опору ізоляції для деякого електричного устаткування, що рекомендуються як «нормальні».

У більшості мегаомметрів у якості вимірювального елемента використовується вольтметр, що вимірює падіння напруги U₀ на зразковому резисторі R₀ від струму, що вимірюється(рис. 1.6, а). Цей резистор служить також для змінення границь вимірювання. Шкала приладу, що вимірює напругу U₀, градуювана в одиницях опору.

Таблиця 1.2 – Нижні значення опору ізоляції

Рис. 1.6 – Структурні схеми мегаомметрів

У сучасних мегаомметрах застосовуються вимірювачі струму на операційних підсилювачах, що дозволяють реалізувати логометричні схеми вимірювань. У такій схемі (рис. 1.6, б) струм на виході операційного підсилювача ДА₁ визначається струмом I_x об’єкта, а струм на виході другого підсилювача ДА₂ – струмом I_из, пропорційним напрузі U. Підсилювачі виконані логарифмуючими і різниця їх струмів, що вимірюється приладом, не залежить від напруги; шкала приладу – логарифмічна.

1.5 Оснащення робочого місця

Лабораторні дослідження і випробування проводять на електричних моделях ізоляційних конструкцій електроустаткування та на промислових зразках електрообладнання.

Електрична модель являє собою еквівалентну схему ізоляційної конструкції електроустаткування і призначена для з’ясування фізичного змісту процесів, характеристики яких покладені в основу експлуатаційних методів вимірювання опору і коефіцієнта абсорбції ізоляції. Вона дозволяє спостерігати залежність струму, що протікає через ізоляцію, та величини її опору від часу з моменту прикладання незмінної за величиною напруги до моменту відліку опору по вимірювальних приладів.

Приладами вимірювання величини опору і контролю стану ізоляції є мегаомметр, мікроамперметри та електросекундоміри.

У якості натурного об’єкта контролю при вимірюванні опору і коефіцієнта абсорбції в лабораторній роботі використовують силові трансформатори.

У даній лабораторній роботі для вимірювання опору ізоляціях силового трансформатора використовується мегаомметр Ф4102/2-1М. Діапазон вимірювань опору ізоляції, значення напруги на затискачах приладу при розімкнутому зовнішньому колу і ділянки діапазонів із відносною погрішністю, що не перевищує 15%, наведені в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 – Характеристики мегаомметра Ф4102/2-1М

Умовне позначення мегаомметра	Діапазон вимірювань опору ізоляції, не менше, МОм	Ділянки діапазону з границею допустимого значення відносної погрішності 15%, МОм	Напруга, В
Ф4102/2-1М	0 – 2000 0 – 20000	75 – 1000 750 – 4000	1000 50
0 – 5000 0 – 50000	187, 5 – 2500 1875 – 10000	2500 122, 5

Відлік фіксованих моментів часу 15 і 60 с для реєстрації величин R15 і R60 здійснюють за допомогою секундоміра або реле часу.

1.6 Програма роботи та вказівки до її виконання

1. Усвідомити мету роботи й основні положення про опір і коефіцієнт абсорбції як про параметри, що характеризують стан ізоляції електроустаткування.

2. Ознайомитись з обладнанням робочого місця, розташуванням об’єктів випробування зразками ізоляторів та силовим трансформатором, перевірити наявність потрібних контрольно-вимірювальних приладів, апаратури та з’єднуючих провідників.

3. Провести вимірювання опору зразка ізоляції за методом амперметра-вольтметра.

4. Дослідити залежність виміряного опору ізоляції від проміжку часу з моменту прикладення вимірювальної напруги.

5. Дослідити залежність виміряної величини опору від стану поверхні ізоляційних конструкцій.

6. Дослідити залежності виміряного опору ізоляційної конструкції від схеми вимірювання.

7. Дослідити залежність виміряного опору ізоляції від величини вимірювальної напруги.

8. Дослідити залежність величини виміряного опору ізоляції від її температури.

Перед виміром опору вводи й ізолятори піддають зовнішньому огляду, при якому перевіряють стан мастики у вводах, рівень масла, наявність і справність арматури, стан виводів для вимірювання і т. ін. Поверхню ізоляторів очищають від забруднень і протирають насухо.

Для вимірювання опору ізоляції застосовують мегомметр із номінальною напругою 2500 В. Для приєднання мегомметра до вводів або ізоляторів, які випробують, застосовують тільки роздільні проводи з опором їх ізоляції не менше 100 МОм.

Приєднання з’єднуючих проводів мегомметра до ізоляторів проводять за допомогою спеціальних електродів, використовуючи діелектричні рукавички.

При випробуванні прохідних, підвісних і опорних ізоляторів при вводі в експлуатацію їх опір має бути не менше 1000 МОм, при експлуатаційних випробуваннях – не менше 500 МОм.

Вимір опору можна проводити тільки при позитивних температурах, Це пояснюється тим, що волога, яка могла потрапити до щілин в ізоляції, при негативних температурах перетворюється на кригу, що являє собою гарний діелектрик.

Вимір опору ізоляції вводів, прохідних, підвісних і опорних ізоляторів у суху, добру погоду не може дати достовірної оцінки. Пов’язано це з тим, що навіть при наявності в порцеляні наскрізних щілин вони не позначаться на величині опору ізоляції через відсутність у щілинах вологи, що утворює плівку з підвищеною провідністю.

9. Підготувати силовий трансформатор до відповідних вимірів:

– відключити трансформатор від мережі і перевірити заземлення його корпуса;

– очистити ізолятори від бруду, пилу і вологи;

– перевірити наявність з’єднуючих проводів і закороток для складання схеми вимірів;

– записати до протоколу випробування силового трансформатора його паспортні дані.