Вопрос 2 Дополнительные параметры оценки технического состояния изоляции

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 суднаКможет 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 С₁объясняется 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, R₂называется аб­сорбционным. От величины R₂зависит постоянная времени за­ряда емкости С₂, равная Таким образом, чем лучше диэлектрические свойства изоляции, тем больше R₂и время за­ряда конденсатора С₂.

Наличие емкостей С1 и С₂в 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 С₁и С₂.

Сопротивление R₁определяет 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_ckпосле окончания заряда емкости С₂ определяется сопро­тивлением R₁которое и измеряется мегаомметром.

Из схемы замещения следует, что при подключении изоля­ции к источнику постоянного напряжения Uток 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_Pи коэффициент изменения со­противления изоляции К1.

Коэффициент K_a=R_6o/R₁₅ определяется отношением показа­ний мегаомметрачерез 15 с (когда заряд геометрической ем­кости С₁закончен) 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_априближается 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_pсравнивается с его значением R_p0при нормальном значении сопротивления изоля­ции. В случае увлажнения изоляции R_P<R_Po.

Следует отметить, что диагностические параметры К_аи R_Pопределяют 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 мм²длиной 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_аи R_Pдля оценки состояния изоляции в условиях эксплуатации на судне, как правило, не представляется возможным.

Коэффициент K₁ = R'/Rопределяется 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 Rизоляции будет повыше­но. Если жила служит катодом, то будет происходить восста­новление металла жилы, а измеренное значение R' изоляции будет занижено. Таким образом, по величине К₁можно судить о причине снижения Rизоляции. Если К₁ =1, то причина сни­жения R-загрязнение, если K1<1-увлажненность.

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

где — угол фазового сдвига между Uи 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. значенияС (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 значенияС(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.