Испытание изоляции

Электротехнические установки имеют изоляторы (диэлектрики), предназначенные для изоляции токоведущих частей между собой и относительно земли или заземленных частей оборудования. В общем виде изоляцию можно представить схемой замещения, изображенной на рис. 12.

Рис. 12. Схема замещения изоляции (а) и кривые токов по схеме замещения (б); С_г — геометрическая емкость; C_абс— абсорбционная емкость; r_абс— сопротивление абсорбционной цепи; r — сопротивление сквозной проводимости; ИП — искровой промежуток, соответствующий пробивному напряжению; I₁— постоянный ток; I₂— ток емкости Сг; I₃— ток заряда емкости C_абс; I₄— ток сквозной проводимости (ток утечки)

Геометрическая емкость Сг изоляции, как и любого конденсатора, представляющего собой два проводника-электрода, разделенные диэлектриком, с диэлектрической проницаемостью е, определяется геометрическими размерами изоляции и электродов.

Геометрической емкостью объясняется мгновенный бросок тока, который быстро спадает при подведении к изоляции постоянного напряжения. Величиной геометрической емкости определяется емкостный ток при приложении к изоляции переменного напряжения. Геометрическую емкость иногда называют мгновенной емкостью С_мгн.

Омическое сопротивление r характеризует электропроводность диэлектрика, определяющую ток сквозной проводимости (ток утечки). Сопротивление диэлектрика r значительно уменьшается при повышении температуры и влажности. Влияние влажности особенно сильно сказывается, когда в диэлектрике присутствуют примеси веществ, легко диссоциирующих и растворимых в воде. При подведении постоянного напряжения мгновенно устанавливается ток сквозной проводимости:

Искровой промежуток ИП характеризует предел электрической прочности диэлектрика. Если увеличивать подводимое к диэлектрику напряжение, то при U = U_пр произойдет пробой диэлектрика и нарушение его изоляционных свойств.

Большинство твердых диэлектриков имеет неоднородную структуру, вследствие чего в них образуются участки, способные накапливать свободные объемные заряды (явление абсорбции). Этим объясняется факт, что измеряемое сопротивление большинства твердых диэлектриков при подведении напряжения зависит от времени его приложения. В схеме замещения (см. рис. 12, а) это показано наличием цепи С_абс– r_абс, по которой проходит ток I₃ заряда емкости С_абс.

Следует иметь в виду, что емкости С_ги С_абсобеспечивают сохранение заряда на испытываемом объекте и после его отключения, поэтому при разряде емкость

Сг разряжается мгновенно, а емкость С_абс— длительное время, тем большее, чем больше произведение r_абс·С_абсабсорбционной цепочки, имитирующей процесс абсорбции.

Рассмотренная схема замещения позволяет объяснить физические процессы, происходящие при действии на изоляцию постоянного напряжения, а также выяснить требования к объему испытания диэлектриков.

При подаче напряжения U на изоляцию возникает резкий бросок тока I₂, определяемый в основном емкостью С_г, почти мгновенно спадающий до нуля, ток заряда I₃емкости С_абси ток сквозной проводимости I₄, определяемый сопротивлением r. Таким образом, график кривых тока в диэлектрике, изображенный на рис. 12, б (кривая 1), можно представить как результат сложения ординат трех графиков, определяющих ток через емкость С_г(кривая 2), абсорбционную цепочку (кривая 3) и активное сопротивление (прямая 4).

До испытания измеряют сопротивление изоляции постоянным напряжением (мегомметром) или выпрямленным напряжением (от сети переменного тока), снимают абсорбционную кривую r_iz= f(t) или ограничиваются определением коэффициента абсорбции:

где r₆₀и r₁₅— сопротивления изоляции, замеренные через 60 или 15 с после подачи напряжения.

Если результаты измерения сопротивления изоляции удовлетворительные, изоляцию испытывают повышенным напряжением, причем испытательное напряжение должно быть несколько меньше испытываемой изоляции.

Методы измерения сопротивления изоляции и снятия абсорбционных кривых не отличаются от таковых для измерения больших сопротивлений.

Как уже отмечалось ранее, на сопротивление изоляции влияют температура, влажность и загрязнения, поэтому измерения желательно производить при температуре, близкой к нормальной эксплуатационной (для машин и трансформаторов 75 °С). При наладочных работах измерения выполняют при положительной (более 10 °С) температуре. При температуре ниже 0 °С влага, которая может содержаться в изоляции, замерзает и результаты измерений не могут быть достоверными. Изоляция перед испытанием должна быть очищена от грязи и протерта сухой тряпкой. Абсолютные значения сопротивления изоляции, как правило, не нормируются.

Коэффициент абсорбции является важным показателем, характеризующим состояние изоляции. Для сухой изоляции он значительно больше единицы, а для влажной близок к единице. Для бумажно-масляной изоляции хорошим считается показатель 1,2.

Приведение сопротивления изоляции к температуре t₂, если известно сопротивление изоляции r_t1 при температуре t₁, можно выполнить по следующим формулам.

Для изоляции класса А:

Для изоляции класса В:

Сопротивление изоляции класса А увеличивается примерно в полтора раза при снижении температуры на 10 °С, класса В — примерно в два раза при снижении температуры на 18 °С.

Определение степени увлажнения изоляции. В электроустановках используют электрооборудование с различными изоляционными материалами. Одни, например фарфор и пластмасса, не подвержены увлажнению, другие, к примеру жидкие диэлектрики (в частности, трансформаторное масло), волокнистые материалы (ткани, бумага, картон) и электроизоляционные смолы, в значительной степени подвержены увлажнению, если не приняты соответствующие меры (герметизация маслонаполненных аппаратов, специальные покрытия изоляции других аппаратов и электрических машин).

Увлажнение изоляции приводит к снижению ее сопротивления, повышению диэлектрических потерь и в конечном счете быстрому старению и выходу из строя, поэтому при выполнении пусконаладочных работ уделяется большое внимание оценке степени увлажнения изоляции, особенно аппаратов с волокнистой изоляцией.

Измерение сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции и диэлектрических потерь, а также сопоставление этих данных с результатами предыдущих измерений часто позволяет сделать вывод о состоянии изоляции испытываемого оборудования. Однако при решении вопроса о возможности включения некоторых видов оборудования, в частности трансформаторов, без сушки в определенных случаях требуется измерять величины емкостей и их отношений при разных температурах, частотах и через различные промежутки времени. На основании сравнения этих величин с нормами, приведенными для трансформаторов в Инструкции по монтажу и введению в эксплуатацию трансформаторов (РТМ 16687000-73), принимается решение о возможности введения трансформатора в работу без сушки.

Существует три метода определения степени увлажненности трансформаторов, связанных с изменением емкостей обмоток трансформаторов.

Метод «емкость — температура» заключается в сравнении емкостей обмоток трансформатора при разных температурах. Обычно принято, чтобы разность температур была 40–50 °С, а низшая температура составляла не менее 20 °С. При этом отношение емкости обмотки в нагретом состоянии (С_гор) к емкости обмотки в холодном состоянии (С_хол) не превышает 1,05–1,10 для сухой изоляции.

Недостаток этого метода состоит в необходимости еще и контрольного прогрева трансформатора, поэтому в практике пусконаладочных работ большее распространение получили другие методы — «емкость — частота» и «емкость — время», основанные на том, что геометрическая емкость заряжается мгновенно, в то время как абсорбционная емкость — через некоторое время, и тем большее, чем суше изоляция, поскольку у сухой изоляции сопротивление и емкость больше, чем у увлажненной.

Метод «емкость — частота» заключается в следующем. Сначала измеряют емкость С₅₀на частоте 50 Гц, когда проявляется только геометрическая емкость, независимо от того, сухая или увлажненная изоляция у испытываемого оборудования. Затем измеряют емкость С₂на частоте 2 Гц, при которой у сухой изоляции будет проявляться только геометрическая емкость, а для увлажненной в результат измерения будет входить и абсорбционная емкость, поэтому отношение С₂/С₅₀для сухой изоляции близко к единице, а для увлажненной соответственно 1,2–1,3.

Метод «емкость — время» состоит в следующем. Сначала заряжают емкость испытываемого объекта (трансформатора), а затем осуществляют двукратный ее разряд: быстрый, закорачивая сразу по окончании заряда, и медленный — через 1 с по окончании заряда. Прирост ΔС общей емкости С за счет абсорбционной емкости у сухой изоляции будет незначителен (ΔС_сух= 0,02 С–0,08 С), а для увлажненной изоляции намного больше. Измерение степени увлажнения изоляции рассмотренными методами удобно производить прибором ПКВ-8, разработанным Всесоюзным научно-исследовательским институтом энергетики (ВНИИЭ). Ранее требовалось два прибора: ПKB-13 или ПКВ-7 для измерения по методу «емкость — частота» и ЕВ-3 для измерения по методу «емкость — время».

Прибор ПКВ-8 предназначен для определения степени увлажненности как залитых, так и не залитых маслом силовых трансформаторов на монтажной площадке и в полевых условиях. Кроме того, прибор можно использовать для контроля состояния изоляции высоковольтных вводов, измерительных трансформаторов и других объектов, когда при оценке состояния изоляции испытываемого объекта необходимо установить, имело ли место ее изменение на одном объекте в разные моменты времени.

Состояние изоляции трансформатора, залитого маслом, оценивают путем измерения величин (С₂–С₅₀) и С. Из результатов измерения получается величина С₂/С = (С₂–С₅₀) + 1, которая сравнивается с нормами, приведенными

в инструкции по контролю состояния изоляции трансформаторов перед вводом в эксплуатацию.

При измерениях на трансформаторах, не залитых маслом, определяется величина С и АС, соответствующая величине АС, измеряемой прибором ЕВ-3. Оценку состояния изоляции производят сравнением величины АС/С с нормами на относительный прирост емкости, приведенными в инструкции.

Рассмотренные методы определения степени увлажнения по измерению емкостей эффективны только для волокнистой изоляции класса А и применяются в основном для определения степени увлажнения обмоток силовых трансформаторов. При испытании слоистой изоляции класса В, в частности, электрических машин критерием степени увлажненности является характер вольт-амперной характеристики I_ут= f(U).

Если для сухой изоляции эта характеристика носит линейный характер, то для увлажненной она нелинейна, причем нелинейность выражена тем более, чем больше прикладываемое напряжение постоянного тока (рис. 13). Нелинейность вольт-амперной характеристики при этом характеризуется коэффициентом нелинейности K_нел, равным отношению сопротивления изоляции при испытательном напряжении, которое равно половине номинального напряжения к сопротивлению изоляции, замеренному при испытательном напряжении, равном двойному номинальному напряжению изоляции. Для сухой изоляции это отношение равно единице, и для влажной — больше единицы.

Рис. 13. Зависимость тока утечки от приложенного напряжения для сухой (1) и увлажненной (2) изоляции

Испытание изоляции повышенным напряжением. Приложение повышенного напряжения к испытываемому оборудованию позволяет выявить дефекты изоляции, которые нельзя обнаружить ни одним другим видом испытаний. Если изоляция испытываемого оборудования выдерживает повышенное напряжение, значительно превышающее номинальное, можно быть уверенными, что изоляция будет выдерживать не только номинальное напряжение, но и возможные при эксплуатации перенапряжения.

Испытание повышенным напряжением является основным и обязательным типом испытания для всех видов изоляции. Однако из-за сложности проведения испытаний допустимо в процессе монтажа не испытывать высоковольтное оборудование повышенным напряжением, если для этого требуется напряжение 100 кВ и более. Испытание повышенным напряжением проводят преимущественно на переменном токе, но некоторые виды оборудования целесообразно испытывать на постоянном. Причина тому следующая: для испытания оборудования, обладающего большой емкостью, требуется очень мощная испытательная установка массой в десятки тонн и потребляющая мощность, равную сотням и даже тысячам киловольт-ампер. Кроме того, испытание постоянным током позволяет лучше выявить местные дефекты и использовать дополнительный критерий оценки качества изоляции в виде тока сквозной проводимости (тока утечки), а у электрических машин испытательное напряжение равномерно распределяется вдоль обмотки.

При испытании изоляции переменным током обычно используют источники промышленной частоты (50 Гц). Испытание повышенным напряжением проводят в последнюю очередь, после выполнения всех остальных видов измерений и испытаний, необходимых для данного вида оборудования.

Нельзя проводить испытание повышенным напряжением, если имеются видимые дефекты изоляции, изоляция не отвечает требованиям норм для других видов испытаний, состояние масла маслонаполненных аппаратов не соответствует нормам, а также при увлажнении (органической изоляции) и загрязнении наружной поверхности изоляции испытываемого оборудования.

Испытание повышенным напряжением следует проводить, строго соблюдая требования техники безопасности и, в частности, обеспечивая допустимые изоляционные расстояния от частей, находящихся под испытательным напряжением.

Испытание изоляции повышенным напряжением переменного тока. Эти испытания выполняют по схеме, изображенной на рис. 14. Сначала проверяют работу схемы до подключения испытываемого оборудования, плавно поднимая напряжение несколько больше испытательного. Убеждаются в правильной сборке испытательной схемы, нормальной работе регулятора напряжения, измерительных приборов и другого оборудования. Затем снижают напряжение до нуля, отключают испытательную установку и заземляют со стороны высшего напряжения, подключают к ней проверяемое оборудование, снимают заземление и, убедившись, что регулятор напряжения (2) находится в начальном положении, при котором выходное напряжение имеет минимальное значение, включают автомат (1) и плавно поднимают напряжение, подводимое от сети к испытательному трансформатору (3), а следовательно, и к испытываемому оборудованию.

При этом скорость подъема напряжения до 30–40 % испытательного не нормируется, а в дальнейшем напряжение должно увеличиваться со скоростью, не превышающей 2–3 % испытательного напряжения в каждую секунду. Когда на испытываемом оборудовании будет заданное значение испытательного напряжения, его поддерживают в течение времени, достаточного для осмотра всей находящейся под его действием изоляции. Это время равно 5 мин для гигроскопической изоляции, например бакелитовой, у которой не измерены диэлектрические потери и не определена степень увлажнения, чтобы можно было оценить потери мощности по степени нагрева после испытания, и 1 мин для всех остальных видов изоляции и гигроскопической, у которой были измерены диэлектрические потери и определена степень увлажнения.

Рис. 14. Схема испытания изоляции повышенным напряжением: 1 — автомат; 2 — регулятор напряжения; 3 — испытательный трансформатор; 4 — кнопка; 5 — трансформатор напряжения; 6 — ограничивающее сопротивление; 7 — разрядник; 8 — вывод к испытываемому оборудованию

Напряжение в данной схеме измеряют вольтметром V₁, включенным на стороне низшего напряжения испытательного трансформатора 3 и проградуированным по напряжению на стороне высшего напряжения. Градуировать вольтметр лучше по искровому вольтметру, подключенному к обмотке высшего напряжения испытательного трансформатора.

При испытании оборудования с параметрами, отличными от тех, при которых градуировался вольтметр V1, возможны ошибки в оценке подводимого напряжения, поэтому в испытательной схеме необходимо иметь постоянно включенный искровой вольтметр, расстояние между шарами которого должно быть таким, чтобы пробой между ними наступал при напряжении, немногим (порядка 5 %) больше нормированного испытательного напряжения для данного вида оборудования. Таким образом, искровой вольтметр, являясь индикатором предельного напряжения, в данном случае косвенно служит для защиты испытываемого оборудования от пробоя, не позволяя подвести напряжение, превышающее допустимое по нормам.

При испытании оборудования повышенным напряжением переменного тока желательно измерять испытательное напряжение непосредственно со стороны испытываемого объекта, то есть на стороне обмотки высшего напряжения испытательного трансформатора 3 и вольтметром V₂с трансформатором напряжения 5.

Сопротивление 6 служит для ограничения тока в испытательном трансформаторе и искровом вольтметре при пробое.

Во время испытания необходимо внимательно наблюдать за испытываемым объектом с безопасного расстояния. В редких случаях, когда при свете трудно судить о поведении изоляции, рекомендуется вести наблюдение в темноте.

После выдержки в течение нужного времени напряжение постепенно снижают до 30–40 % испытательного, после чего скорость уменьшения напряжения не нормируют и оно может быть снято отключением автомата.

Изоляцию признают пригодной к эксплуатации, если не произошло ее пробоя или перекрытия, не было отмечено нарушения по показаниям приборов (резкие броски тока или снижение напряжения) или наблюдениям (выделение дыма и газа, сильные скользящие разряды по поверхности, местные нагревы после снятия с испытываемого объекта испытательного напряжения). Допускаются явления короны на токоведущих частях и элементах изоляции или небольшие частичные разряды по поверхности изоляторов.

Испытательное напряжение зависит от типа испытываемого оборудования и его номинального напряжения (табл. 8).

Таблица 8. Испытательные напряжения промышленной частоты

Испытываемое оборудование*	Номинальное напряжение, кВ	Испытательное напряжение, кВ
Электрические машины
Обмотки статоров синхронных генераторов и компенсаторов (каждая фаза в отдельности относительно двух других заземленных фаз)
До 1000 кВт	1–3	0,8 (1 + 2Uн), но не ниже 1,5
От 1000 кВт	1–3,3	0,8 (1+ 2Uн)
	3,3–6,6	2Uн
	Более 6,6	0,8 (2Uн+ 3)
Обмотки явнополюсного ротора	—	7,5Uн, но не ниже 1,1
Обмотки неявнополюсного ротора	—	6Uн, но не ниже 1
Обмотки возбудителя и подвозбудителя и другие машины постоянного тока	—	0,75Uн, но не ниже 1 и не выше 2,6
Сопротивление гашения поля	—	2
Остальные цепи возбуждения и бандажи якорей машин постоянного тока	—	1
Обмотки статоров электродвигателей постоянного тока
До 1 кВт	До 0,1	0,8 (0,5 + 2Uн)
1 кВт и более	До 0,1	0,8 (1 + 2Uн)
До 1000 кВт	Выше 0,1	0,8 (1 + 2Uн), но не ниже 1,5
1000 кВт и более	До 3,3	0,8 (1 + 2Uн)
	Выше 3,3 до 6,6	2Uн
	Выше 6,6	0,8 (3 + 2Uн)
Обмотки роторов синхронных электродвигателей	—	7,5Uн, но не ниже 1,1
Обмотки роторов электродвигателей с фазным ротором	—	1,5Uн, но не ниже 1
Силовые трансформаторы, автотрансформаторы, масляные реакторы и дуго­ гасящие катушки
Обмотки вместе с выводами**	До 3	16/9
	6	23/14
	10	32/22
	15	41/33
	20	50
	35	77
Доступные стяжные шпильки, прессующие кольца и ярмовые балки (при осмотре активных частей)	—	1–1,2
Распределительные устройства
Измерительные трансформаторы напряжения и тока, выключатели, разъединители, оборудование КРУ, КСО, комплектные токопроводы, сухие реакторы, проходные изоляторы (отдельно или на аппаратах, кроме вводов, установленных на трансформаторе)	3	22
	6	29
	10	38
	15	49
	20	58
	35	85
Подвесные и опорные изоляторы	3	25
	6	32
	10	42
	15	57
	20	68
	35	100
	110	265
	150	340
	220	490
Фарфоровая подставка для конденсатора связи	—	70
Конденсаторы для повышения коэффициента мощности***	0,22	0,42/2,1
	0,38	0,72/2,1
	0,50	0,95/2,1
	1,05	2,4/3
	3,15	5,9/15,8
	6,3	11,8/22,3
	10,5	20/30
Каждый элемент опорной изоляции, в том числе и изоляции воздушного выключателя	—	50
Устройства и цепи вторичной коммутации, силовые и осветительные электропроводки	До 1	1

* Продолжительность испытаний 1 мин, а основной изоляции измерительных трансформаторов, выполненной из органических материалов, — 5 мин.

** В знаменателе приведены значения испытательных напряжений для трансформаторов сухих и с облегченной изоляцией.

*** В числителе приведены значения испытательных напряжений, прикладываемых между обкладками конденсаторов, а в знаменателе — относительно корпуса.

Мощность S испытательного трансформатора (кВ·А) выбирают, исходя из величины испытательного напряжения U (кВ) и емкости С испытываемого объекта (пФ):

где f — частота испытательного напряжения, Гц. Ожидаемый при испытании ток:

Ориентировочные значения емкости одной фазы для некоторых объектов испытания приведены в табл. 9.

Таблица 9. Ориентировочные значения емкости одной фазы для некоторых объектов испытания

Объекты испытания	Емкость одной фазы, пФ
Вводы трансформаторов и масляных выключателей, кВ
До 220	500–800
Выше 220 до 500	800–1300
Измерительные трансформаторы
Силовые трансформаторы, отдельные трансформаторы напряжения, электродвигатели до 100 кВ·А	1000–10 000
Электродвигатели более 100 кВ·А	10 000–100 000
Турбогенераторы, кВ·А	10 000–100 000
15 000–150 000	100 000–300 000
Более 150 000	300 000–500 000

Для испытания оборудования повышенным напряжением используют специальные испытательные трансформаторы НОМ на напряжение 100–500 кВ и номинальные мощности 25–500 кВ·А, предназначенные для испытания подстанционного оборудования, а также трансформаторы ОМ на напряжения 15–35 кВ и номинальные мощности 5–50 кВ·А, предназначенные для испытания вращающихся машин. Номинальный ток испытательного трансформатора:

Кроме специальных испытательных трансформаторов для испытания изоляции повышенным напряжением переменного тока используют измерительные трансформаторы напряжения, трансформаторы от маслопробойников и кенотронных аппаратов, силовые трансформаторы.

При включении испытательных трансформаторов в сеть необходимо принять меры по предотвращению появления высших гармоник, для чего следует подводить к ним не фазовое, а линейное напряжение.

Регулирующие устройства должны обеспечивать плавное регулирование напряжения испытательного трансформатора от 30 % до полного испытательного напряжения и не допускать разрыва цепи в процессе. Распространение получили автотрансформаторные регулировочные устройства, обеспечивающие плавное регулирование напряжения в широких пределах, экономичные и достаточно компактные, позволяющие получать на выходе напряжение, больше напряжения сети. К ним относятся лабораторные автотрансформаторы ЛATP-1 и ЛATP-2, вариаторы РНО (однофазные) и РНТ (трехфазные) и различные театральные регуляторы напряжения.

Надежны в работе и также обеспечивают широкие пределы регулирования напряжения индукционные регуляторы, не содержащие скользящих контактов с передвижной короткозамкнутой катушкой (АОСК, АОМК, АТСК и АТМК), с магнитным шунтом (ТПР) и электромашинные регуляторы (потенциал-регуляторы).

При отсутствии трансформатора, обеспечивающего получение необходимого испытательного напряжения, изоляторы можно испытывать по частям. В качестве электродов, к которым подводится напряжение при испытании изоляторов по частям, необходимо использовать металлические элементы составного изолятора (фланцы отдельных элементов каскадных трансформаторов напряжения, арматуру колонок изоляторов, армировку подвесных изоляторов и т. д.). Сплошные изоляторы испытывают по частям с помощью накладных электродов. При массовых испытаниях изоляции по частям полезно пользоваться специальными легко устанавливаемыми (вручную или изолирующими штангами) и снимаемыми приспособлениями, позволяющими быстро подготовлять изолятор к испытанию. При испытании изолятора по частям испытательное напряжение следует увеличить на 10–20 %. Прикладываемое к каждой части испытательное напряжение при этом будет равно:

где Uисп — испытательное напряжение для всего изолятора, а n — количество частей, на которое был разделен изолятор при испытании.

На рис. 15, а приведена схема испытания изолятора по частям. Одновременно испытывают все части изолятора.

Рис. 15. Испытание изоляторов по частям: а — одновременное; б, в — последовательное

Возможно и последовательное испытание отдельных частей изолятора, например, сначала нижней части (рис. 15, б), затем находящейся выше (рис. 15, в) и т. д.