Propietats i proves d'aïllament elèctric

Propietats i circuit equivalent de l'aïllament elèctric

Com sabeu, el terme «aïllament» s'utilitza a la pràctica per referir-se a dos conceptes:

1) un mètode per prevenir la formació de contacte elèctric entre les parts d'un producte elèctric,

2) materials i productes d'ells utilitzats per aplicar aquest mètode.

Materials d'aïllament elèctric sota la influència d'una tensió aplicada a ells, es descobreix la propietat de conduir un corrent elèctric. Tot i que el valor de la conductivitat dels materials aïllants elèctrics és diversos ordres de magnitud inferior al dels cables, no obstant això té un paper important i determina en gran mesura la fiabilitat del funcionament d'un producte elèctric.

Sota l'acció d'una tensió aplicada a l'aïllament, hi passa un corrent, anomenat corrent de fuga, que canvia amb el temps.

Per estudiar i il·lustrar les propietats de l'aïllament elèctric, s'acostuma a representar-lo en forma d'un determinat model anomenat circuit equivalent (Fig. 1), que conté quatre circuits elèctrics connectats en paral·lel.El primer d'ells conté només el condensador C1, anomenat capacitat geomètrica.

Arròs. 1. Circuit equivalent d'aïllament elèctric

La presència d'aquesta capacitat provoca l'aparició d'un corrent d'entrada instantània que es produeix quan s'aplica una tensió de CC a l'aïllament, que decau en gairebé uns segons, i un corrent capacitiu que flueix per l'aïllament quan se li aplica una tensió de CA. Aquesta capacitat s'anomena geomètrica perquè depèn de l'aïllament: les seves dimensions (gruix, llargada, etc.) i la ubicació entre la part corrent A i la caixa (terra).

El segon esquema caracteritza l'estructura interna i les propietats de l'aïllament, inclosa la seva estructura, el nombre de grups de condensadors i resistències connectades en paral·lel. El corrent I2 que circula per aquest circuit s'anomena corrent d'absorció. El valor inicial d'aquest corrent és proporcional a l'àrea de l'aïllament i inversament proporcional al seu gruix.

Si les parts que transporten corrent d'un producte elèctric estan aïllades amb dues o més capes d'aïllament (per exemple, aïllament de filferro i aïllament de bobina), aleshores en el circuit equivalent la branca d'absorció es representa en forma de dues o més connectades en sèrie. grups d'un condensador i una resistència que caracteritzen les propietats d'una de les capes d'aïllament. En aquest esquema, es considera un aïllament de dues capes, la capa del qual es substitueix per un grup d'elements del condensador C2 i la resistència R1, i la segona per C3 i R2.

El tercer circuit conté una única resistència R3 i caracteritza la pèrdua d'aïllament quan se li aplica una tensió continua.La resistència d'aquesta resistència, també anomenada resistència d'aïllament, depèn de molts factors: mida, material, construcció, temperatura, condició d'aïllament, inclosa la humitat i la brutícia a la seva superfície, i la tensió aplicada.

Amb alguns defectes d'aïllament (per exemple, per danys), la dependència de la resistència R3 de la tensió esdevé no lineal, mentre que per a d'altres, per exemple, amb una humitat forta, pràcticament no canvia amb l'augment de la tensió. El corrent I3 que circula per aquesta branca s'anomena corrent directe.

El quart circuit està representat en el circuit equivalent de l'espurna MF, que caracteritza la rigidesa dielèctrica de l'aïllament, expressada numèricament pel valor de la tensió a la qual el material aïllant perd les seves propietats aïllants i es trenca sota l'acció del corrent. I4 passant-hi.

Aquest circuit equivalent d'aïllament permet no només descriure els processos que hi tenen lloc quan s'aplica una tensió, sinó també establir paràmetres que es poden observar per avaluar-ne l'estat.

Mètodes d'assaig d'aïllament elèctric

La forma més senzilla i habitual d'avaluar l'estat de l'aïllament i la seva integritat és mesurar la seva resistència mitjançant un megòhmetre.

Fixem-nos en el fet que la presència de condensadors en el circuit equivalent també explica la capacitat de l'aïllament per acumular càrregues elèctriques. Per tant, els bobinatges de màquines elèctriques i transformadors abans i després de mesurar la resistència d'aïllament s'han de descarregar posant a terra el terminal al qual megòhmetre connectat.

Quan es mesura la resistència d'aïllament de màquines elèctriques i transformadors, s'ha de controlar la temperatura dels bobinatges, que consta a l'informe d'assaig. Conèixer la temperatura a la qual es van fer les mesures és necessari per comparar els resultats de les mesures entre si, perquè la resistència d'aïllament canvia bruscament en funció de la temperatura: de mitjana, la resistència d'aïllament disminueix 1,5 vegades amb un augment de la temperatura cada 10 ° C. i també augmenta amb la corresponent disminució de la temperatura.

A causa del fet que la humitat, que sempre es troba en els materials aïllants, afecta els resultats de la mesura, la determinació dels paràmetres que caracteritzen la qualitat de l'aïllament no es realitza a temperatures inferiors a + 10 ° C, ja que els resultats obtinguts no donaran un idea correcta del veritable estat d'aïllament.

Quan es mesura la resistència d'aïllament d'un producte pràcticament fred, es pot suposar que la temperatura d'aïllament és igual a la temperatura ambient. En tots els altres casos, s'assumeix condicionalment que la temperatura de l'aïllament és igual a la temperatura dels bobinatges, mesurada per la seva resistència activa.

Perquè la resistència d'aïllament mesurada no difereixi significativament del valor real, la pròpia resistència d'aïllament dels elements del circuit de mesura —fills, aïllants, etc.— hauria d'introduir un error mínim en el resultat de la mesura.Per tant, quan es mesura la resistència d'aïllament de dispositius elèctrics amb una tensió de fins a 1000 V, la resistència d'aquests elements ha de ser d'almenys 100 megaohms, i quan es mesura la resistència d'aïllament dels transformadors de potència, no inferior al límit de mesura del megaohmmetre. .

Si no es compleix aquesta condició, els resultats de la mesura s'han de corregir per la resistència d'aïllament dels elements del circuit. Per fer-ho, la resistència d'aïllament es mesura dues vegades: una vegada amb un circuit completament muntat i el producte connectat, i la segona vegada amb el producte desconnectat. El resultat de la primera mesura donarà la resistència d'aïllament equivalent del circuit i el producte Re, i el resultat de la segona mesura donarà la resistència dels elements del circuit de mesura Rc. A continuació, la resistència d'aïllament del producte

Si per a les màquines elèctriques d'alguns altres productes no s'estableix la seqüència de mesura de la resistència d'aïllament, per als transformadors de potència aquesta seqüència de mesura està regulada per la norma segons la qual es mesura primer la resistència d'aïllament del bobinat de baixa tensió (LV). Els bobinatges restants, així com el dipòsit, han d'estar connectats a terra. En absència de dipòsit, la carcassa del transformador o el seu esquelet s'ha de posar a terra.

En presència de tres bobinatges de tensió: tensió més baixa, tensió mitjana alta i tensió més alta, després del bobinat de baixa tensió, cal mesurar la resistència d'aïllament del bobinat de mitjana tensió i només llavors la tensió més alta.Naturalment, per a totes les mesures, les bobines restants, així com el dipòsit, s'han de posar a terra i la bobina sense connexió a terra s'ha de descarregar després de cada mesura connectant-se a la caixa durant almenys 2 minuts. Si els resultats de les mesures no compleixen els requisits establerts, les proves s'han de complementar mitjançant la determinació de la resistència d'aïllament dels bobinats connectats elèctricament entre si.

Per als transformadors de dos bobinatges, la resistència dels bobinats d'alta i baixa tensió s'ha de mesurar en relació amb el cas, i per als transformadors de tres bobinatges, primer s'han de mesurar els bobinatges d'alta i mitjana tensió, després els bobinats d'alta, mitjana i baixa tensió. .

Quan es prova l'aïllament d'un transformador, cal fer diverses mesures per determinar no només els valors de la resistència d'aïllament equivalent, sinó també per comparar la resistència d'aïllament dels bobinats amb altres bobinatges i el cos de la màquina.

La resistència d'aïllament de les màquines elèctriques es mesura normalment amb bobinatges de fase interconnectats i al lloc d'instal·lació, juntament amb cables (barras colectores). Si els resultats de la mesura no compleixen els requisits establerts, es mesura la resistència d'aïllament de cada bobinatge de fase i, si cal, cada branca del bobinatge.

Cal tenir en compte que és difícil jutjar raonablement l'estat de l'aïllament només pel valor absolut de la resistència d'aïllament. Per tant, per tal d'avaluar l'estat d'aïllament de les màquines elèctriques durant el funcionament, es comparen els resultats d'aquestes mesures amb els resultats de les anteriors.

Les discrepàncies significatives, diverses vegades, entre les resistències d'aïllament de les fases individuals solen indicar algun defecte important. Una disminució simultània de la resistència d'aïllament per a tots els bobinatges de fase, per regla general, indica un canvi en l'estat general de la seva superfície.

Quan es comparen els resultats de la mesura, cal tenir en compte la dependència de la resistència d'aïllament de la temperatura. Per tant, és possible comparar entre si els resultats de mesures realitzades a la mateixa temperatura o similar.

Quan la tensió aplicada a l'aïllament és constant, el corrent total Ii (vegeu la figura 1) que hi circula disminueix com més, millor és l'estat de l'aïllament i, d'acord amb la disminució del corrent Ii, les lectures de la augment del megaohmímetre. A causa del fet que el component I2 d'aquest corrent, també anomenat corrent d'absorció, a diferència del component I3, no depèn de l'estat de la superfície aïllant, així com de la contaminació i el contingut d'humitat, la relació dels valors de resistència d'aïllament. en determinats moments de temps es pren com a característica del contingut d'humitat aïllant.

Les normes recomanen mesurar la resistència d'aïllament després de 15 s (R15) i després de 60 s (R60) després de connectar el megòhmetre, i la relació d'aquestes resistències ka = R60 / R15 s'anomena coeficient d'absorció.

Amb aïllament no humit, ka> 2, i amb aïllament humit — ka ≈1.

Com que el valor del coeficient d'absorció és pràcticament independent de la mida de la màquina elèctrica i de diversos factors aleatoris, es pot normalitzar: ka ≥ 1,3 a 20 ° C.

L'error en la mesura de la resistència d'aïllament no ha de superar el ± 20%, tret que s'estableixi específicament per a un producte concret.

En els productes elèctrics, les proves de resistència elèctrica sotmeten l'aïllament dels bobinats al cos i entre si, així com a l'aïllament intermedi dels bobinats.

Per comprovar la rigidesa dielèctrica de l'aïllament de les bobines o de les peces que transporten corrent a la carcassa, s'aplica una tensió sinusoïdal augmentada amb una freqüència de 50 Hz als terminals de la bobina provada o les peces que transporten corrent. La tensió i la durada de la seva aplicació estan indicades a la documentació tècnica de cada producte concret.

Quan es prova la rigidesa dielèctrica de l'aïllament dels bobinatges i les parts actives del cos, tots els altres bobinatges i parts actives que no participen en les proves s'han de connectar elèctricament al cos posat a terra del producte. Després del final de la prova, les bobines s'han de posar a terra per eliminar la càrrega residual.

A la fig. A la figura 2 es mostra un esquema per provar la rigidesa dielèctrica d'un bobinat d'un motor elèctric trifàsic.La sobretensió la genera una instal·lació de prova AG que conté una font de tensió regulada E. La tensió es mesura al costat d'alta tensió amb un voltímetre fotovoltaic. S'utilitza un amperímetre PA per mesurar el corrent de fuga a través de l'aïllament.

Es considera que el producte ha superat la prova si no hi ha ruptura de l'aïllament ni solapament de la superfície, i també si el corrent de fuga no supera el valor especificat a la documentació d'aquest producte. Tingueu en compte que tenir un amperímetre que controli el corrent de fuga fa possible utilitzar un transformador en la configuració de prova.

Arròs. 2. Esquema de prova de rigidesa dielèctrica de l'aïllament dels productes elèctrics

A més de les proves de tensió de freqüència de l'aïllament, l'aïllament també es prova amb tensió rectificada. L'avantatge d'aquesta prova és la possibilitat d'avaluar l'estat de l'aïllament a partir dels resultats de mesurar els corrents de fuga a diferents valors de la tensió de prova.

Per avaluar l'estat de l'aïllament, s'utilitza un coeficient de no linealitat

on I1,0 i I0,5 són corrents de fuga 1 min després de l'aplicació de tensions de prova iguals al valor normalitzat d'Unorm i la meitat de la tensió nominal de la màquina elèctrica Urated, kn <1,2.

Les tres característiques considerades —resistència d'aïllament, coeficient d'absorció i coeficient de no linealitat— s'utilitzen per resoldre la qüestió de la possibilitat d'encendre una màquina elèctrica sense assecar l'aïllament.

Quan es prova la rigidesa dielèctrica de l'aïllament segons el diagrama de la fig. 2 totes les espires del bobinatge estan pràcticament a la mateixa tensió respecte al cos (massa) i, per tant, l'aïllament de volta a volta roman sense control.

Una manera de provar la rigidesa dielèctrica de l'aïllament aïllant és augmentar la tensió en un 30% en comparació amb la nominal. Aquesta tensió s'aplica des d'una font de tensió regulada EK al punt de prova sense càrrega.

Un altre mètode és aplicable als generadors que funcionen en ralentí i consisteix a augmentar el corrent d'excitació del generador fins a obtenir la tensió (1,3 ÷ 1,5) Unom als terminals de l'estator o de l'induït, segons el tipus de màquina.Atès que, fins i tot en mode inactiu, els corrents consumits pels bobinats de les màquines elèctriques poden superar els seus valors nominals, les normes permeten realitzar aquesta prova a una freqüència augmentada de la tensió subministrada als bobinats del motor per sobre del valor nominal o a augment de la velocitat del generador.

Per provar motors asíncrons, també és possible utilitzar una tensió de prova amb una freqüència de fi = 1,15 fn. Dins dels mateixos límits, es pot augmentar la velocitat del generador.

Quan es prova la rigidesa dielèctrica de l'aïllament d'aquesta manera, s'aplicarà una tensió numèricament igual a la relació de la tensió aplicada dividida pel nombre de voltes de la bobina entre les espires de la bobina adjacents. Difereix lleugerament (en un 30-50%) de la que existeix quan el producte funciona a tensió nominal.

Com sabeu, el límit d'augment de tensió aplicat als terminals de la bobina situada al nucli es deu a la dependència no lineal del corrent en aquesta bobina de la tensió als seus terminals. A tensions properes al valor nominal Unom, el nucli no està saturat i el corrent depèn linealment de la tensió (Fig. 3, secció OA).

A mesura que augmenta la tensió, U per sobre del corrent nominal de la bobina augmenta bruscament, i a U = 2Unom el corrent pot superar el valor nominal desenes de vegades. Per tal d'augmentar significativament la tensió per volta del bobinatge, es prova la força de l'aïllament entre les espires a una freqüència que és moltes vegades (deu vegades o més) superior a la nominal.

Arròs. 3. Gràfic de la dependència del corrent a la bobina amb nucli de la tensió aplicada

Arròs. 4.Esquema de prova d'aïllament de bobinatge a una freqüència de corrent augmentada

Considerem el principi de prova de l'aïllament intermedi de les bobines del contactor (Fig. 4). La bobina de prova L2 es col·loca a la vareta del circuit magnètic dividit. S'aplica una tensió U1 als terminals de la bobina L1 amb una freqüència augmentada, de manera que per a cada volta de la bobina L2 hi ha una tensió necessària per provar la rigidesa dielèctrica de l'aïllament de volta en volta. Si l'aïllament dels bobinats de la bobina L2 està en bon estat, el corrent consumit per la bobina L1 i mesurat amb l'amperímetre PA després de la instal·lació de la bobina serà el mateix que abans. En cas contrari, augmenta el corrent a la bobina L1.

Arròs. 5. Esquema de mesura de la tangent de l'angle de pèrdues dielèctriques

L'última de les característiques d'aïllament considerades: tangent de pèrdua dielèctrica.

Se sap que l'aïllament té una resistència activa i reactiva, i quan se li aplica una tensió periòdica, corrents actius i reactius circulen per l'aïllament, és a dir, hi ha potències actives P i Q reactives. La relació P a Q s'anomena tangent de l'angle de pèrdua dielèctrica i es denota tgδ.

Si recordem que P = IUcosφ i Q = IUsinφ, llavors podem escriure:

tgδ és la relació del corrent actiu que flueix a través de l'aïllament corrent reactiu.

Per determinar tgδ, cal mesurar simultàniament la potència activa i reactiva o la resistència d'aïllament activa i reactiva (capacitiva). El principi de mesura de tgδ mitjançant el segon mètode es mostra a la fig. 5, on el circuit de mesura és un sol pont.

Els braços del pont es componen d'un exemple de condensador C0, condensador variable C1, R1 variable i resistències R2 constants, així com la capacitat i la resistència d'aïllament del bobinat L al cos del producte o massa, representat convencionalment com a condensador Cx. i la resistència Rx. En el cas que sigui necessari mesurar tgδ no a la bobina, sinó al condensador, les seves plaques es connecten directament als terminals 1 i 2 del circuit del pont.

La diagonal del pont inclou un galvanòmetre P i una font d'alimentació, que en el nostre cas és un transformador T.

Com en altres circuits pont el procés de mesura consisteix a obtenir les lectures mínimes del dispositiu P canviant seqüencialment la resistència de la resistència R1 i la capacitat del condensador C1. Normalment, els paràmetres del pont es trien de manera que el valor de tgδ a les lectures zero o mínimes del dispositiu P es llegeix directament a l'escala del condensador C1.

La definició de tgδ és obligatòria per a condensadors i transformadors de potència, aïllants d'alta tensió i altres productes elèctrics.

Com que les proves de rigidesa dielèctrica i les mesures de tgδ es realitzen, per regla general, a tensions superiors a 1000 V, s'han d'observar totes les mesures de seguretat generals i especials.

Procediment de prova d'aïllament elèctric

Els paràmetres i característiques de l'aïllament comentats anteriorment s'han de determinar en la seqüència establerta per les normes per a tipus específics de productes.

Per exemple, en els transformadors de potència, primer es determina la resistència d'aïllament i després es mesura la tangent de pèrdua dielèctrica.

Per a màquines elèctriques giratòries, després de mesurar la resistència d'aïllament abans de provar-ne la rigidesa dielèctrica, cal realitzar les proves següents: amb freqüència de gir augmentada, amb una sobrecàrrega de corrent o parell de curt termini, amb un curtcircuit sobtat (si és destinada a aquesta màquina síncrona), prova d'aïllament de la tensió rectificada dels bobinatges (si s'especifica a la documentació d'aquesta màquina).

Les normes o especificacions per a tipus específics de màquines poden complementar aquesta llista amb altres proves que poden afectar la rigidesa dielèctrica de l'aïllament.