Методи контролю внутрішної ізоляції 1 страница

9.1. Вимірювання абсорбційних струмів для контролю ізоляції.

Внаслідок перегрівів, механічних навантажень, зволоження, перенапруг ізоляція поступово старіє – у ній виникають розподілені й зосереджені дефекти, мікротріщини. Виявляють дефекти за допомогою профілактичних випробувань, періодичність і норми яких регламентовані відповідними документами. Мета випробувань – своєчасна заміна дефектної ізоляції електроустаткування. Методи випробувань поділяються на неруйнівні (це вимірювання опору R, ємності C, tgd, інтенсивності часткових розрядів) і руйнівні – вимірювання напруги пробою U_пр ізоляції.

Неоднорідну ізоляцію можна уявити як складену з двох шарів різної питомої провідності g і діелектричної проникності e. При включенні постійної напруги U ₌ на межі шарів накопичується заряд абсорбції. Якщо ізоляція однорідна, то:

, і: , (9.1)

то r ® ¥, і D С = 0. Це означає, що заряд абсорбції не накопичується.

Зі схеми заміщення (рис.8.1) випливає, що при підключенні неоднорідної ізоляції до джерела постійної напруги, струм черз неї повільно змінюється в часі

. (9.2)

Тут перша складова U / R – це сталий струм витоку, а другий член виразу (9.2),- це експоненційно загасаюча вільна складова струму, яка називається струмом абсорбції (без урахування короткочасного струму заряду геометричної ємності).

Опір ізоляції в перехідному режимі змінюється за законом:

. (9.3)

Рис.9.1.-Зміна опору ізоляції в часі; Тсух – постійна часу для сухої ізоляції.

Отже величина опору ізоляції R і швидкість його зміни для вологої ізоляції менша, ніж для сухої (рис.9.1). При випробуванні вимірюють мегомметром опір ізоляції R через 15 і 60 с після включення напруги (R ₁₅, R ₆₀). Враховують абсолютне значення R ₆₀ і визначають коефіцієнт абсорбції: . Експериментально встановлено, що припустимим є зволоження ізоляції при k_абс > 1,3. При k_абс < 1,3 ізоляція не придатна для експлуатації.

При змінній напрузі контроль ізоляції здійснюють шляхом виміру ємності:

, . (9.4)

Зі схеми заміщення випливає, що еквівалентна ємність неоднорідного діелектрика залежить від частоти ω і постійної часу Т. Оскільки Т=r·ΔС залежить від ступеня зволоження ізоляції, ємність С( w) із зростанням частоти змінюється тим більіше, чим більша ступінь неоднорідності ізоляції (рис.9.2).

Рис.9.2.- Залежність ємності ізоляції від частоти ω при різній товщині d_ув зволоженого шару.

Вимір ємності ізоляції здійснюють при двох частотах:f₁= 2 Гц і f₂= 50 Гц. Якщо С₂/С₅₀ > 1/3, то ізоляція є непридатною для подальшого використання.

9.2.Контроль ізоляції підвищеною напругою

Випробування підвищеною напругою дозволяє виявити багато дефектів, особливо зосереджених, що не встановлюються іншими методами, але можуть викликати пробій і неушкодженої ізоляції. Тому профілактичні й післяремонтні випробування підвищеною напругою проводять після контролю її спочатку неруйнівними методами, а величина випробувальної напруги має бути на 10¸15% нижчою встановленої норми для нового електрообладнання. Ізоляція вважається такою, що витримала випробування, якщо не відбулося пробою, часткових пошкоджень, не спостерігається диму, газу, звуку та інших ознак. Тривалість випробування – тричі по 1 хвилині.

Іноді застосовують прискорені випробування напругою підвищеної частотою f=100¸250 Гц. При цьому кількість часткових розрядів в ізоляції за секунду збільшується, діелектричні втрати зростають, швидко розвивається електричний або тепловий пробій, тому час випробувань t зменшують:

, (але не менше 20 с.) (9.5)

Випробування постійною підвищеною напругою використовують для об'єктів великої ємності (кабелів, конденсаторів). У цьому випадку струм через ізоляцію малий (дорівнює I_вит),відповідно, втрати потужності малі і тепловий пробій утруднений, тому потрібна більш висока напруга для визначення дефектної ізоляції.

9.3.Види випробувальних напруг:

- підвищена напруга промислової частоти U_~;

- підвищена спрямлена напруга U₌;

- підвищена імпульсна напруга U_імп.

За пробивну напругу приймають амплітуду напруги, що викликає пробій у 50% циклів випробувань і називають її п’ятидесяти відсотковою розрядною напругою U_50%.

Для погодження умов роботи ізоляції й випробувань застосовують такі стандартні види випробувань:

- сухорозрядні;

- мокророзрядні;

- вологорозрядні.

Приведення мокро- і сухорозрядних випробувань до нормальних умов здійснють за формулою

, (9.6)

де U_pi – розрядна напруга при заданих умовах випробувань; U_{p 0} –напруга нормативних умовах випробувань; k _g, k_p, k_t – коефіцієнти, що враховують вологість, тиск і температуру.

9.4.Випробування і координація ізоляції за рівнем перенапруг

Випробування напругою комутаційних імпульсів здійснюють для електрообладнання класів напруги 330 і 500 кВ. Ізоляцію апаратів, ізоляторів, вимірювальних трансформаторів випробовують аперіодичними імпульсами 250/2500 мкс; внутрішню ізоляцію силових трансформаторів – коливальними імпульсами 100/1000 мкс. Випробувальна напруга комутаційних імпульсів для ізоляції відносно землі встановлена на 15% вище амплітудного значення верхньої межі пробивної напруги розрядника РВ. Випробувальна напруга комутаційних імпульсів для внутрішньої ізоляції між фазами силових трансформаторів прийнята в 1,5 раза вища, ніж щодо землі, а для зовнішньої міжфазної ізоляції на 15% вища кратності внутрішніх перенапруг між фазами (3.5 U_{ф.найб.роб.}).

Випробування напругою 50 Гц, як і випробування напругою коливального імпульсу, проводять для координації електричної міцності ізоляції електричного устаткування з величиною діючих внутрішніх перенапруг. Величину випробувальних напруг U_розр знаходять з урахуванням коефіцієнта кратності (табл.9.1):

, (9.7)

де k_p – коефіцієнт кратності перенапруг.

Таблиця 9.1. Визначення величини випробувальніх напруг.

Uном, кВ	3-10	15-20		110-220
kp	4.5	4.0	3.5		2.7	2.5	2.1	1.8

Випробування внутрішньої ізоляції проводять підвищеною напругою протягом 1 хв. (у деяких випадках – 5 хв.).

Випробувальна напруга внутрішньої ізоляції U_випр. враховує коефіцієнт імпульсу k_імп. при дії внутрішньої перенапруги, тобто підвищення електричної міцності ізоляції при короткочасних впливах, а також коефіцієнт k_кум., що враховує кумулятивний ефект і старіння ізоляції.

; (9.8)

Коефіцієнт імпульсу приймають рівним: k_імп = 1,1.

Коефіцієнт кумулятивності .

Випробування зовнішньої ізоляції проводять як у сухому стані так і під дощем:

, (9.9)

– коефіцієнт, що враховує атмосферний тиск і для висоти H < 1000 м k_тис = 0.94. Сухі умові - це основна характеристика устаткування для закритих приміщень:

. (9.10)

Підстанції, які працюють на кабельну мережу 3¸15 кВ, не підлягають впливу грозових перенапруг, а тільки комутаційних, тому для них використовується полегшена ізоляція, для якої нормується випробувальна напруга 50 Гц.

9.5. Контроль міжфазної ізоляції

Імпульсні перенапруги, що виникли в одній фазі, наводять у двох інших напругу того ж знака, що зменшує різницю потенціалів між фазами. Але знак робочої U_p напруги може бути протилежний знаку наведеної напруги. Для ізоляції електрообладнання 3¸220кВ визначальними є імпульсні випробувальні напруги, а для електрообладнання вищих класів напруги прийнято для міжфазної ізоляції:

9.6. Випробувальні трансформатори і методика випробувань

Особливістю конструкції випробувальних трансформаторів є їх мала потужність і нетривалий час роботи. Тому в них відсутні охолоджувальні елементи, а ізоляція має малий запас міцності: U_випр. = (1,1¸1,2)× U_ном.

Існують випробувальні трансформатори трьох типів:

- ТВО-140 – в ізольованому металевому корпусі - для приміщень;

- ИОМ-100 – 25¸100 кВ×А – з одним вводом у металевому корпусі;

- ИОМ-500 – 500 кВ×А;

- ИОМ-1200 – 1200 кВ×А з одним вводом і металевим корпусом - для закритих і відкритих приміщень.

Найбільш досконалими є трансформатори з металевим баком і двома вводами, оскільки середня точка ВВ обмотки з’єднана з баком, отже вводи розраховані на напругу 0,5 U_ном і мають незначні габарити та масу.

Для отримання високих випробувальних напруг використовують каскадне включення трансформаторів, при якому високовольтні обмотки трансформаторів на 750 кВ з’єднуються послідовно.

Рис.9.4- Схема випробування ізоляції підвищеною напругою 50 Гц: РН – регулятор напруги; Т – високовольтний трансформатор; R_зах – захисні резистори; Об – досліджуваний об’єкт; ПН – поділювач напруги.

Тут R_зах – обмежує струм і зменшує крутість зрізу напруги на виході трансформатора, що необхідно для вирівнювання розподілу напруги уздовж обмотки при зрізі і, як наслідок, зменшує перенапругу на ізоляції.

При випробуванні внутрішньої ізоляції напругу витримують 1 хв., а для класів ізоляції 220 кВ і нижче – 5 хв. Випробування у сухому стані і під дощем проводять триразовим прикладанням напруги з повільним підйомом і витримкою 1 хв. Дощ має стандартні параметри: структура- краплинна; кут падіння- Ð45°; швидкість падіння - 3 мм/хв.; питомий опір води - r = 100 Ом×м. Деякі випробувальні напруги:

для електричних машин - U_випр. = (2,5¸2,5)× U_ном.

кабелі до 10 кВ - U_випр. = (5¸6)× U_ном.

кабелі 10-35 кВ - U_випр. = (4¸5)× U_ном, t_випр = 10¸15 хв.

У процесі випробувань струм витоку не повинен зростати!

9.7. Контроль ізоляції за інтенсивністю часткових розрядів

Часткові розряди (ЧР) – це розрядні процеси в ізоляції під дією прикладеної напруги, які виникають лише в окремих ділянках ізоляції: мікротріщинах, газових включеннях, локальних дефектах та ін. Найбільш небезпечні ЧР в газових включеннях, оскільки розрядна напруга в них набагато менша, ніж у твердої ізоляції і це сприяє розвитку пробою між- електродного проміжку. ЧР в газовому включенні виникають і зникають при змінній напрузі регулярно кожний напівперіод. При кожному розряді в його каналі розсіюється енергія W_чр, частка якої витрачається на руйнування ізоляції. Середня потужність регулярно виникаючих ЧР визначається за формулою

Р_чр = n_f∙∙W_чр. (9.11)

тут n_f∙ - число ЧР в одиницю часу.

Звідки випливає, що із збільшенням напруги число ЧР і середня потужність зростають і, відповідно, зростає швидкість старіння ізоляції, і строк служби скорочується.

В основу цього метода контролю покладено зовнішню прояву ЧР – зниження при кожному ЧР напруги на ізоляції стрибком на величину Δ U, яка пропорційна енергії W_чр. Стрибок напруги Δ U пов'язаний з тим, що в каналі ЧР розсіюється частка енергії, що запасена в електричному полі ізоляції:

. (9.12)

Тут С_х – ємність досліджуваної ізоляції; U – напруга в момент появи ЧР.

Враховуючи, що ΔU_х <<U, отримаємо: W_чр ≈ΔU∙C_х∙U. Таким чином, стрибок напруги ΔU_х на ізоляції пропорційний енергії часткового розряду. Існуючі вимірювальні установки для проведення контролю дозволяють фіксувати як інтенсивність (амплітуду), так і частоту виникнення ЧР, що дає змогу об’єктивно оцінити якість ізоляції.

9.8. Контроль ізоляції за тангенсом кута діелектричних втрат

Вимірювання тангенса кута діелектричних втрат (tgδ) є найбільш ефективним методом контролю якості ізоляції, оскільки її погіршення призводить до збільшення діелектричних втрат. Діелектричні втрати при дії на ізоляцію змінної напруги обумовлені струмами провідності й поляризації (зміщення). Оскільки струм зміщення містить активну складову, то процес поляризації супроводжується розсіюванням енергії в ізоляції. Активну складову густини струму I_a можна записати: I_a = I_c∙tgδ, де I_c –ємнісна складова густини струму зміщення через діелектрик, δ- кут діелектричних втрат (рис.9.5).

Рис.9.5.- Визначення кута δ діелектричних втрат; U – прикладена напруга; I – сумарний струм діелектрика.

При постійній напрузі через діелектрик тече струм провідності I_a, що викликає активні втрати:

. (9.13)

Питомі активні втрати в одиниці об'єму :

. (9.14)

Тоді питомі діелектричні втрати дорівнюють:

p_діел = I_c ∙E ∙tgδ, (9.15)

а повна потужність діелектричних втрат в об’ємі діелектрика складає:

Р_дієл = I_c ∙U∙ tgδ = ω∙С∙U²∙tgδ. (9.16)

Тут ω – робоча частота; U – напруга прикладена до діелектрика; С – ємність діелектрика.

Таким чином, величина tgδ є важливою характеристикою діелектрика, оскільки вона містить інформацію про процеси провідності й поляризації, які й визначають його якість. Зокрема, якщо при знятті залежності tgδ від рівня діючої напруги в інтервалі 0,5-1,5 U_ном його величина зростає, це свідчить про виникнення часткових розрядів в ізоляції. Вимірювання tgδ здійснюється високовольтним мостом, включеним по нормальній (якщо обидва електроди об’єкта ізольовані) або «перевернутій» схемам (один електрод об’єкта заземлений). Міст складається з двох плеч, в одному з яких знаходяться змінні еталонні ємність С_е і резистор R_е, а в другому – досліджуваний об’єкт з невідомими параметрами С_х і R_x. При досягненні рівності струмів в обох плечах мосту (що фіксується гальванометром, включеним в діагоналі моста), значення параметрів С_х і R_x дорівнюють відповідним еталонним величинам. Тоді можна записати: tgδ = ω∙ C_x∙R_x = ω∙ C_e∙R_e. Оскільки при

50 Гц, ω = 100π, то взявши R_e = 10000/π, отримаємо: tgδ = C_е∙10⁶.

При проведенні вимірювань на діючому обладнанні для зменшення похибки здійснюють два виміри з поворотом фази на 180˚.

Запитання для самоконтролю

1.Перелічіть руйнівні й неруйнівні методи контролю ізоляції.

2.Які особливості контролю ізоляції підвищеною напругою?

3.Які види випробувальних напруг використовують для контролю?

4.У чому полягає метод абсорбційних струмів контролю ізоляції?

5.У чому фізична сутність виникнення часткових розрядів?

6.Як реалізується контроль ізоляції методом часткових розрядів?

7.У чому полягає фізичний зміст параметра tgδ?

8.Як здійснююють контроль ізоляції методом виміру tgδ?

9.Який фізичний принцип методу контролю «опір-час»?

10.Який фізичний принцип методу контролю «ємність-частота»?

РОЗДІЛ 10

ВИСОКОВОЛЬТНІ ІЗОЛЯТОРИ

10.1.Класифікація ізоляторів

Ізолятори класифікують за чотирма ознаками:

- за напругою;

- за родом установки;

- за призначенням;

- за конструкцією.

За напругою ізолятори поділяються на ВВ і НВ;

ВВ –на напругу більшу за 1000 В, НВ –на напругу меншу за 1000 В.

За родом установки: -для внутрішньої установки;

-для зовнішньої установки.

За п ризначенням: апаратні й лінійні.

Апаратні призначені для кріплення струмоведучих частин електроустаткування, апаратів і машин (прохідні ізолятори на баках трансформаторів);

Лінійні – для кріплення й ізоляції проводів ліній електропередач і електропроводів залізниці.

За конструкцією апаратні поділяються на:

- опорні;

- прохідні;

- опорно-штирьові;

- стрежневі, опорно-стрижневі;

- у формі тяг, важелів, стрижнів.

Лінійні поділяються на: штирьові й підвісні.

Підвісні поділяються на тарілчасті й стрижневі.

Для кріплення шин закритого розподільного пристрою на 35 кВ використовують прості ізолятори із слабкорозвинутою поверхнею, а для відкритого простору – опорно-штирьові зі складною поверхнею.

10.2. Вводи високовольтні маслонаповнені

Вводи виготовляють на: 110, 150, 220, 330, 500, 750 кВ змінного струму – від 200 до 4000А. Вводи мають таке наступне призначення, конструкторське виконання і маркування.

Апаратні:

- для трансформаторів і реакторів – Т;

- для масляних вимикачів – У;

- для виведення струмоведучих частин через стіни і перекриття–Л;

- для спец. реакторів – Р.

За умовами експлуатації:

- для районів з невеликим забрудненням;

- для районів з сильним забрудненням з посиленою ізоляцією –У;

- для тропіків – Т.

За конструктивним виконанням:

-герметичні – Г;

-негерметичні;

-мають загальну масляну систему з апаратом – О;

-проводом для підключення контрольних приладів – П.

Приклади маркування високовольтних вводів.

Запитання для самоконтролю

1.За якими ознаками здійснюють класифікацію ізоляторів?

2.Яки існують типи ізоляторів і принципи їх маркування.

3.Які високовольтні вводи використовують в електроенергетиці?

4.Принципи маркування високовольтних вводів.

5.Чем відрізняються ізолятори наружної установки від ізоляторів

для приміщень?

РОЗДІЛ 11

ВИДИ СТАРІННЯ ВНУТРІШНОЇ ІЗОЛЯЦІЇ

При експлуатації на ізоляцію діють електричні, теплові, механічні та інші фактори. Вони викликають складні процеси погіршення діелектричних властивостей, що називають старінням. Процес старіння ізоляції обмежує термін служби, тому необхідно вживати заходи, що передбачають зниження темпів старіння і забезпечують необхідний термін її служби (20¸30 років). Розрізняють електричне, теплове і механічне старіння ізоляції. Процес старіння відбувається також через абсорбцію вологи та забруднення з навколишнього середовища. У процесі експлуатації усі види старіння відбуваються одночасно і складним чином впливають одне на одного.

11.1. Електричне старіння

При робочій напрузі, а також при напрузі в 5¸20 разів меншій за пробивну, в ізоляції відбуваються процеси старіння. Із збільшенням діючої напруги темпи старіння зростають, а строки служби зменшуються. Залежність терміну служби t від напруги U в широкому діапазоні t має складний характер. Але для малих t (від одиниць до 10000 годин) експериментальна залежність має вигляд:

, (11.1)

де А – постійна ізоляції; n – величина, залежна від типу ізоляції і роду діючої напруги (наприклад, для ПМІ: n = 4-8, для МБІ: n = 50-80).

Для великих (більше 10⁴ г) t справедливий вираз

, (11.2)

де U_ч.р. – напруга появи в ізоляції часткових розрядів, що є причиною її інтенсивного старіння.

Інтенсивність електричного старіння залежить також від ряду факторів, що не підлягають контролю. Це кількість, розмір і розташування мікронерівностей на поверхні електродів. Тому термін служби ізоляції при заданій напрузі є випадковою величиною.

Для опису t як випадкової величини використовують функцію екстремального розподілу Вейбулла:

, (11.3)

де b – параметр масштабу, рівний терміну служби при імовірності відмови - 0,63; с – параметр форми, що залежить від стандарту розподілу.

Параметр b пропорційний середньому значенню (математичному очікуванню) : , k_b – коефіцієнт залежний від параметра с (при с = 10 -15, k_b =1,03 -1,05).

Тоді:

. (11.4)

Цей вираз використовують для статистичного аналізу експериментальних даних про терміни служби τ при оцінці припустимих для ізоляції робочих напруг.

Підвищення експлуатаційної надійності ізоляторів досягається окрім обмивання чи очищення їх водою або розчинниками також застосуванням гідрофобних покриттів; герметизацією ізоляційних конструкцій.

Розповсюдженою причиною виходу з ладу є утворення тріщин у діелектрику під шапкою ізолятора. Ефективний метод контролю полягає у вимірі розподілу напруги вздовж ізолятора.

11.2. Старіння від механічних навантажень

При дії статичних і динамічних навантажень у твердих діелектриках відбувається впорядкований рух локальних дефектів, що поступово утворюють мікротріщини. При досягненні їх певної кількості і розмірів відбувається руйнування діелектрика. При дії статичного навантаження термін служби ізоляції τ визначають за формулою:

, (11.5)

де t₀, W, g – параметри, що характеризують міцнісні властивості матеріалу ізоляції; s – механічне напруження в матеріалі від дії навантаження; k – постійна Больцмана; Т – абсолютна температура.

При одночасному впливі механічних навантажень і сильних електричних полів старіння прискорюється через виникнення часткових розрядів у мікротріщинах, які підвищують темпи старіння ізоляції.

11.3. Вплив зволоження на процеси старіння

Волога просочується в ізоляцію з навколишнього середовища, а також в результаті термоокислювальних процесів. Це різко знижує опір струмові витоку, тому що у волозі містяться розчинені й дисоційовані домішки, тобто вільні іони. Внаслідок цього збільшуються діелектричні втрати і знижується напруга теплового пробою ізоляції. Оскільки вода є сильно полярним діелектриком, що має відносну діелектричну проникність ε = 81, що набагато більше, ніж у діелектричних матеріалів, зволоження ізоляції може привести до викривлення електричного поля і зниження напруги її пробою.

Незначна кількість води (10-20)г на 1т масла значно знижує короткочасну електричну міцність ізоляції. Для запобігання цьому використовують герметичні конструкції, захисні пристрої-осушувачі масла, гнучкі діафрагми. Здійснюють періодичний контроль ступеня зволоження ізоляції.

11.4. Роль часткових розрядів у старінні ізоляції

У комбінованій ізоляції необхідно уникати появи часткових розрядів при найбільш допустимій робочій напрузі, забезпечивши умову

. (11.6)

Тут напруга появи має значний розкид і відповідає закону нормального розподілу (закон Гаусса). Тому U_доп.р. визначають з виразу

, (11.7)

де – середнє значення напруги появи часткових розрядів; – середньоквадратичне відхилення. Максимальна припустима напруженість поляв ізоляційному проміжку:

, (11.8)

де d - товщина ізоляції; k_н – коефіцієнт форми ізолятора.

В ізоляційних конструкціях високої напруги найбільші в ПМІ ізоляції конденсаторів: 15¸18 МВ/м.; у ПМІ вводів – 3¸4 МВ/м.

11.5.Теплове старіння ізоляції

У діелектричних матеріалах при Т = 60¸130°С починаються хімічні реакції за участю електродів (мідь сприяє окисленню масла). У результаті змінюється структура матеріалу діелектрика і зменшується електрична міцність – це так зване теплове старіння ізоляції.

Для твердих діелектриків характерне поступове зниження механічної міцності, руйнування структури і пробій.

У рідких діелектриках при тепловому старінні утворюються газоподібні, рідкі й тверді продукти реакцій, що збільшують провідність і діелектричні втрати і знижують електричну міцність ізоляції.

У комбінованій ізоляції під дією температури погіршуються як механічна міцність, так і електричні характеристики.

Інтенсивність теплового старіння обумовлена швидкістю V хімічних реакцій, що залежать від температури і визначається рівнянням Арреніуса:

. (11.9)

Тут W_A – енергія активації для данної реакції; k – постійна Больцмана; T – абсолютна температура. Вважають, що термін служби ізоляції τ при тепловому старінні зворотно пропорційний швидкості хімічної реакції. Тоді відношення термінів служби при різних температурах Т ₁ і Т ₂:

, (12.10)