Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Что такое электрическая прочность?

Под электрической прочностью для любой изоляции следует понимать такую минимальную разность потенциалов, приложенную к единице толщины, при которой начинают происходить разряды. Электрическая прочность представляет собой нелинейную функцию, изменение которой зависит от таких факторов:

• Толщины изоляции;
• Диэлектрической проницаемости;
• Температуры как окружающего пространства, так и самой изоляции;
• Тип диэлектрика;
• Род приложенного напряжения (переменное или постоянное).

Таким образом, можно сказать, что прочность изоляции определяет пробивное напряжение. На практике для каждого материала этот параметр вычисляется эмпирическим путем после проведения многочисленных испытаний.

Рис. 1. Воздействие напряжения на диэлектрик

Величина измеряется как В/мм или кВ/см и т.д., к примеру, сухой воздух, в среднем, обладает прочностью 32кВ/см.

Однако прочность изоляции будет зависеть и от агрегатного состояния материала:

• Твердые диэлектрики – наиболее распространенные в кабельно-проводниковой продукции, предназначены для изготовления изоляции жил, корпусов приборов, прокладок и т.д. После пробоя или микро пробоя происходит разрушение изоляции, образуются каналы, по которым повторный пробой будет происходить уже при меньшем напряжении.
• Жидкие диэлектрики – наиболее распространенный вариант – трансформаторное масло, используемое в трансформаторах, выключателях, кабелях высокого напряжения. За счет подвижной структуры обладают способностью к восстановлению, благодаря чему они отлично проявляют себя в тех же масляных выключателях, где изоляция одновременно гасит дугу, а после этого восстанавливается.
• Газообразная изоляция – вокруг обмоток трансформатора или других электрических аппаратов используется воздух, то же можно сказать о некоторых типах высоковольтных выключателей. Но в современных приборах часто применяется элегаз или азот. Газы также легко восстанавливаются после пробоя.

Физически электрическая прочность диэлектриков обеспечивается за счет отсутствия свободных носителей заряда в материале. Молекулы диэлектрика настолько прочно удерживают электроны на крайних орбитах, что даже приложенное напряжение не может вырвать их с орбит. Разумеется, что если рассмотреть идеальный вариант – расположение материала между двумя пластинами, на которые подано напряжение, то через него протекать не будет. Однако все атомы будут получать дополнительную энергию, что создаст большую напряженность электрического поля, как во всей твердой изоляции, так и в каждом отдельном атоме.

Но, если между вышеприведенными пластинами поместить не один кусок диэлектрика, а две из разных материалов или половину из воздуха, а вторую из пластика, то напряженность электрического поля в этих материала будет отличаться из-за того, что у них разная диэлектрическая проницаемость. Это является одним из важнейших факторов снижения электрической прочности.

Электрическая прочность — воздух

Корона на металлическом Пробой и перекрытие шаре. твердой изоляции.

На величину электрической прочности воздуха, как и других газов, оказывает большое влияние давление. При повышении давления электрическая прочность газов существенно возрастает ( сравните р с. Это обстоятельство используется в некоторых электрических аппаратах и кабелях. При понижении давления электрическая прочность воздуха ( и других газов) уменьшается; однако при достижении очень глубокого вакуума электрическая прочность вновь сильно повышается.
 

Напряжение и ток при частичном разряде ( ЧР и воздуш.

При атмосферном давлении электрическая прочность воздуха, как известно, ниже, чем изоляция. При определенных условиях напряженность поля в воздушном включении может превысить критическое значение ( в среднем 33 кв / см), и тогда произойдет его пробой.
 

Зависимость предельного тока отключения воздушного выключателя от отношения площади выходного отверстия к расстоянию между контактами ( по Лабуре.| Зависимость мощности отключения воздушного выключателя от давления ( данные Эдсела и Стоббса.

Влияние давления на электрическую прочность воздуха в сильной степени зависит от характера электрического поля между контактами.
 

Влияние давления на электрическую прочность воздуха в сильной степени зависит от характера электрического поля между контактами. Только в равномерном поле пробивное напряжение воздуха при частоте 50 гц повышается с повышением давления. В неоднородном поле, которое обычно имеет место в существующих дуго-гасительных устройствах, при небольших давлениях пробивное напряжение сначала повышается с увеличением давления, но при дальнейшем повышении давления оно начинает понижаться, а затем опять повышается.
 

Провод марки ПР.

Ввиду того, что электрическая прочность воздуха значительно меньше, чем твердых и жидких диэлектриков, расстояние между неизолированными ( голыми) токоведущими частями, находящимися под высоким напряжением, для надежности работы установки должно выбираться значительно большим, чем расстояние между токоведущими частями, разделенными твердым или жидким диэлектриком.
 

При увеличении абсолютной влажности электрическая прочность воздуха также увеличивается. Это явление незначительно сказывается в однородных или слабо неоднородных полях. Но его следует учитывать в резко неоднородных полях, особенно при точных измерениях. Однако более важным параметром является относительная влажность. Если в данном помещении относительная влажность высока, то на поверхности твердых материалов образуется влажная пленка. В результате поверхностное сопротивление материала снижается и заряды стекают с поверхности. Образование влажной пленки на поверхности зависит от качества поверхности, является она гидрофобной или гидрофильной. Удельное объемное сопротивление также зависит от относительной влажности.
 

Зависимость разрядного градиента Ер ( амплитудные значения в однородном поле от расстояния между электродами I при различной относительной плотности воздуха б.

Для очень длинных промежутков электрическая прочность воздуха при атмосферном давлении ( 61) стремится к значению 2 45 кВ / мм, в то время как при том же давлении, но при расстоянии между электродами 10 мм разрядный градиент будет примерно 3 1 кВ / мм. Надо отметить, что даже в однородном поле разрядные градиенты не остаются строго постоянными, а уменьшаются по мере возрастания длины промежутка. При давлении сжатого воздуха свыше 1 МПа все более заметно проявляется эффект автоэлектронной эмиссии, приводящей к весьма существенным отклонениям разрядных характеристик от закона Пашена, вследствие чего напряженность поля Е перестает изменяться пропорционально давлению и потому все более заметной становится разница в разрядных напряжениях промышленной частоты при кратковременном и длительном его приложении. Ввиду этого, очевидно, теряет всякий смысл говорить о разрядных градиентах сжатого воздуха даже в однородном поле в отрыве от конкретной длины межконтактных промежутков и фактической плотности газа.
 

Напряженность поля близка к электрической прочности воздуха.
 

При какой форме электродов величина электрической прочности воздуха наибольшая.
 

Понижение давления приводит к падению электрической прочности воздуха, что может вызвать перекрытие воздушных зазоров и появление разряда. Изменение атмосферного давления также влияет на величину емкости воздушного конденсатора, вызывая тем самым изменение выходных параметров аппаратуры в целом.
 

Конденсаторы.

Диэлектрики находят широкое применение в конденсаторах. Конденсаторы имеют многообразные применения, среди которых накопление электрического заряда, нейтрализация эффектов индуктивности в цепях переменного тока и получение импульсов тока для различных приложений. Емкость конденсатора часто может быть рассчитана исходя из конфигурации системы или измерена путем определения величины заряда на одной из обкладок конденсатора при приложении заданного напряжения между обкладками. Энергия заряженного конденсатора равна 1/2 CE2 и выражается в микроджоулях (мкДж), если С выражено в микрофарадах (мкФ), а Е – в вольтах (В).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 (рекомендуемое). МЕТОД СОВМЕЩЕННОЙ ПРОВЕРКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ И ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Рекомендуемое

1. Принцип и условия проверки

1.1. Принцип проверки электрической прочности с одновременным измерением сопротивления изоляции заключается в создании разности электрических потенциалов суммарным действием повышенного переменного и постоянного электрических полей между электрически не соединенными контактами, сопротивление изоляции при этом измеряется по методу вольтметра — амперметра в соответствии с ГОСТ 24606.2-81.

1.2. Проверку электрической прочности и измерения сопротивления изоляции проводят путем одновременного приложения напряжения постоянного и переменного тока частотой 50 Гц.

1.3. Циклограмма приложения испытательных напряжений указана на черт.1.

1.4. Эффективное значение испытательного напряжения рассчитывают по формуле

,

где — амплитудное значение испытательного напряжения переменного тока при проверке электрической прочности изоляции по методу 1; — коэффициент перенапряжения, характеризующий степень увеличения испытательного напряжения при сокращении времени испытаний. Значение коэффициента перенапряжения приведены в обязательном приложении 2. Метод определения приведен в справочном приложении 3; — значение постоянного напряжения при изменении сопротивления изоляции по ГОСТ 24606.2-81.

2. Аппаратура

2.1. Проверку электрической прочности изоляции с одновременным контролем сопротивления изоляции проводят на установке, структурная схема которой приведена на черт.2. Принципиальная схема устройств совмещения постоянной и переменной составляющих приведена на черт.3.

— источник переменного напряжения; — источник постоянного напряжения; — высоковольтный трансформатор; — ограничительный резистор; — разделительная емкость,

1-5 мкф; — устройство совмещения постоянной и переменной составляющих; — устройство для подключения испытуемого объекта

Черт.3

2.2. Источник питания, регулирующее устройство, блок управления, блок индикации и регистрации должны соответствовать требованиям пп.1.2.2-1.2.5 и 1.2.7.

2.3. Погрешность установки напряжения постоянного тока должна быть в пределах ±2%.

2.4. Нестабильность постоянного напряжения должна быть в пределах ±1% при токе не более 1 мА.

2.5. Коэффициент пульсации источника постоянного тока не должен превышать 0,5%.

2.6. Сопротивление ограничительного резистора не должно превышать 5% номинального значения измеряемого сопротивления изоляции, указанного в стандартах или технических условиях на изделия конкретных типов.

3. Подготовка и проведение контроля

3.1. Изделия следует подключать к испытательному оборудованию в соответствии с требованиями стандартов или технических условий на изделия конкретных типов.

3.2. Испытательное напряжение следует прикладывать в соответствии с требованиями п.1.3.2.

3.3. Подача испытательного напряжения производится согласно циклограмме, приведенной на черт.1

3.4. Регистрация электрического пробоя или поверхностного перекрытия производится по п.1.3.5 настоящего стандарта.

4. Показатели точности измерений

4.1. Погрешность измерения сопротивления изоляции — в соответствии с ГОСТ 24606.2-81. (Измененная редакция, Изм. N 1).

Это интересно: Как сделать двигатель из батарейки, медной проволоки и магнита (видео)

Основные понятия и виды старении изоляции

Изоляция электротехнических установок, согласно ГОСТ 1516.2—97, подразделяется на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя изоляция — это части изоляционной конструкции, в которых изолирующей средой являются жидкие, твердые или га­зообразные диэлектрики или их комбинация, не соприкасающие­ся с атмосферным воздухом и не подверженные влиянию атмос­ферных и других внешних факторов. Внешней изоляцией являют­ся воздушные промежутки и поверхность твердой изоляции в ат­мосферном воздухе, которые подвержены влиянию атмосферных и других внешних факторов.

В эксплуатации на внутреннюю изоляцию электрооборудова­ния воздействуют электрические, тепловые, механические и другие нагрузки. Они вызывают в изоляции сложные процессы, следствием которых является постепенное ухудшение свойств изоляции, имену­емое старением. Как правило, изменения свойств изоляции носят нео­братимый характер и завершаются пробоем. Однако в отдельных случаях последствия старения могут быть устранены путем восста­новительного ремонта изоляции .

Процессы старения изоляции ограничивают срок службы изо­ляционных конструкций. Поэтому при разработке, изготовлении и в процессе эксплуатации оборудования высокого напряжения дол­жны предусматриваться меры, снижающие темпы старения изоля­ции до такого уровня, при котором обеспечивается требуемый срок службы изоляционных конструкций (обычно 20—30 лет и более).

Изменение свойств внутренней изоляции в процессе эксплуата­ции происходит за счет воздействия на нее различных видов энергии. Кроме того, старение изоляции может быть обусловлено проникно­вением в нее из окружающей среды загрязнений и частиц влаги.

Электрическое старение изоляции

Электрическое старение может происходить при напряженостях электрического поля во много раз (5—20) меньше пробивных напряжений. С увеличением напряжения, приложенного к изо­ляции, темпы электрического старения возрастают, а срок службы соответственно уменьшается. Экспериментально установлено, что зависимость срока службы т от значения воздействующего напря­жения U в диапазоне значений от единиц до 104 ч имеет вид

где А — постоянная, зависящая от свойств изоляции; n — показатель степени, зависящий от конструктивных особенностей изоляции и рода воздействующе­го напряжения (n = 4—8 при напряжении промышленной частоты и n = 9… 12 при постоянном напряжении).

Для области больших сроков службы (более 104 ч) использу­ют другую формулу:

где Uчр — напряжение появления в изоляции частичных разрядов, являющих­ся основной причиной электрического старения внутренней изоляции.

Типичным значением постоянной А для твердой изоляции при нормальных условиях является значение 6-109 год/(кВ)n. Пока­затель степени п обычно выбирают равным 6. Таким образом, фор­мула (7.2) записывается так:

Частичные разряды представля­ют собой локальные пробои ослаблен­ных участков изоляции, которыми яв­ляются газовые полости. Зависимости t =f/( U) получили название «кривых жиз­ни» изоляции. Формулой пользу­ются для случая, когда U > Uчp. При U < Uчр электрического старения изо­ляции не происходит, и срок ее службы неограниченно возрастает. На рисунке 2.1. приведена «кривая жизни» изоляции в двойном логарифмическом масштабе Рисунок 2.1 — Электрическое старение изоляции в логарифмическом массштабе

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 (справочное). ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ ПРИ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ИЗОЛЯЦИИ КОММУТАЦИОННЫХ, УСТАНОВОЧНЫХ ИЗДЕЛИЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНИТЕЛЕЙ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Справочное

Определение значения коэффициента перенапряжения производят с целью сокращения времени воздействия испытательного напряжения при ускоренных испытаниях электрической прочности изоляции коммутационных, установочных изделий и электрических соединителей.

1. Физические принципы сокращения времени испытания

1.1. Значение пробивного напряжения можно определить, исходя из его зависимости от времени воздействия на диэлектрик, которая выражается функцией

. (1)

1.2. В интервале времени 0,1 с100 с величину пробивного напряжения можно выразить формулой

, (2)

где ; — постоянные величины, зависящие от диэлектрических свойств изоляции. Для диэлектриков, применяемых в электронной промышленности, (10-10) В·с; 10-14; — время пробоя изоляции, с.

1.3. Из формулы (2) следует, что для сокращения времени пробоя изоляции необходимо увеличить испытательное (пробивное) напряжение. Времени пробоя будет соответствовать напряжение пробоя , а времени — напряжение . Согласно формуле (2), если , то . Отношение и дает значение коэффициента .

, (3)

откуда

. (4)

1.4. Для перехода от пробивных напряжений к испытательным используется условие равенства запаса электрической прочности изоляции при ускоренных испытаниях с одноминутной выдержкой, т.е.

или , (5)

где — испытательное напряжение при одноминутной выдержке, В; — испытательное напряжение при сокращенном времени выдержки, В. Отсюда следует, что

, В. (6)

2. Определение коэффициента

2.1. Метод используется для определения коэффициента при испытаниях изоляционного материала, не вошедшего в таблицу приложения 2. Для определения коэффициента используется формула (3), где, например: — напряжение пробоя при одноминутной выдержке, В; — напряжение пробоя при пятисекундной выдержке, В. Значения напряжений пробоя и находят из экспериментальных данных испытаний образцов или изделий на пробой изоляции.

2.2. Проведение испытаний

2.2.1. Испытательные установки должны соответствовать требованиям пп.1.2.1-1.2.7 настоящего стандарта.

2.2.2. Испытания проводят переменным током частотой 50 Гц.

2.2.3. Испытания на пробой проводят в нормальных климатических условиях.

2.2.4. Для проведения испытаний на пробой следует применять специальные образцы по ГОСТ 6433.3-71 с толщиной пробивного промежутка 1±0,1 мм или специально изготовленное изделие.

2.2.5. Подготовленную партию образцов (изделий) в количестве 100 шт. (100 пробивных промежутков) подвергают испытаниям на пробой или выдержке 60 с под напряжением. Изделия или образцы должны быть отобраны из одной партии пресс-материала и изготовлены в одном режиме прессования. Затем вторую партию также в количестве 100 шт. подвергают испытаниям на пробой при выдержке 5 с.

2.2.6. Первоначально определяют минимальное значение для времени выдержки под напряжением, равном 60 с. Для этой цели проводят предварительные испытания 10-20 образцов (промежутков), плавно повышая напряжение в течение 1-3 мин до наступления пробоя. Затем подсчитывают начальное напряжение в вольтах для выдержки в течение 5 с по формуле

, (7)

где

. (8)

2.2.7. Подачу испытательного напряжения производят плавно за время 0,2-0,5 с, затем образец выдерживают под напряжением в течение установленного времени. Точность выдержки для времени 60 с — ±05 с, для 5 с — ±0,2 с. Если образец выдержал испытательное напряжение в течение заданного промежутка времени или , то напряжение плавно снимают за время 0,2-0,5 с и устанавливают новое испытательное напряжение, которое выше предыдущего на 5-10%. Такими ступенями образец доводят до пробоя и при этом фиксируют: — значение напряжения пробоя; — время, за которое происходит пробой образца.

2.2.8. Полученные данные после пробоя 100 образцов для каждого значения времени выдержки подвергают математической обработке. Рассчитывают среднее арифметическое значение в вольтах по формуле

, (9)

где — число значений . После подсчета значений для интервала выдержки в 60 с и для интервала в 5 с определяется искомого изоляционного материала по формуле

. (10)

Электронный текст документа подготовлен АО «Кодекс» и сверен по: официальное издание Изделия коммутационные, установочные и соединители электрические. Методы измерения электрических параметров: Сб. ГОСТов. — М.: Издательство стандартов, 1985 Редакция документа с учетом изменений и дополнений

подготовлена АО «Кодекс»

Назначение прибора для проверки электрической прочности изоляции РЕТОМ-6000:

РЕТОМ-6000 предназначен для испытания изоляции электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей повышенным напряжением до 6,0 кВ на электрических станциях, подстанциях и в энергохозяйстве промышленных предприятий, а именно:

• различные полупроводниковые преобразователи;
• силовые трансформаторы и реакторы, как с облегченной, так и с нормальной изоляцией;
• фарфоровая и другие виды изоляции различных аппаратов, трансформаторов тока и напряжения, токоограничивающих реакторов, изоляторов, вводы, конденсаторы связи, экранированные токопроводы, сборные шины, КРУ и КТП, электродные котлы и т.д.;
• кабели с бумажной, пластмассовой и резиновой изоляцией;
• обмотки статора и ротора, цепи возбуждения и гашения поля генераторов и компенсаторов;
• обмотки статора и ротора, а также цепи возбуждения у электродвигателей переменного тока;
• различные средства защиты: штанги изолирующие, указатели напряжения, измерительные клещи, изолирующие накладки, изолирующий инструмент, перчатки, галоши и другое.

РЕТОМ-6000 — это не только проверка изоляции, но и проверка трансформаторов.

РЕТОМ-6000 является полностью автономным прибором. Однако он включен в состав комплекса РЕТОМ-21, так как измерения сопротивления изоляции и испытания электрической прочности являются неотъемлемой частью проверочного процесса при вводе электрооборудования в работу и обслуживании его в эксплуатации.

Кроме этого, прибор РЕТОМ-6000 существенно расширяет функциональные возможности испытательного комплекса РЕТОМ-21 при проверке измерительных трансформаторов тока, напряжения и силовых трансформаторов, учитывая их обширную номенклатуру.

Прибор также позволяет осуществить размагничивание сердечников и снять характеристику намагничивания трансформаторов тока, используемых на напряжение 110-750 кВ.

Испытания

Испытание диэлектрических галош проводят при напряжении величиной в 3,5 кВ, которое подключают на 1 минуту.

Далее проводят замеры тока утечки, путём пропускания сквозь изделие электрического тока. Делают это следующим образом:

1. Обувь погружают в ёмкость с водой при температуре от 15 до 35 градусов.
2. Проверяют, чтобы края объекта находились над поверхностью воды, а внутреннее пространство оставалось сухим. Требуется, чтобы уровень воды оказался ниже края предмета на 2 сантиметра.
3. Во внутреннюю полость обуви вкладывается электрод, заземлённый при посредстве миллиамперметра.
4. К испытуемому сосуду подключают ток, на период длиной 2 минуты, при этом напряжение повышают до отметки в 5 кВ.
5. Когда до завершения испытания остаётся 30 с, подключают миллиамперметр и снимают показания.

Схема для испытания диэлектрических перчаток, для галош аналогичная.

1 – присоединение к источнику напряжения; 2 – ванна с водой; 3 – вода внутри перчатки и ванны; 4 – электроды (стержень) для подсоединения воды к двум полюсам источника напряжения; 5 – расстояние от края перчатки до воды в ванне

Если величина тока утечки выявленная в ходе испытаний соответствует допустимым нормам, а изделие избежало пробоев, то результаты проверки считают удовлетворительными, а защитное средство пригодное к эксплуатации.

Нормативы допускают проводить испытания одновременно для нескольких пар диэлектрических галош при помощи одного сосуда. В случае если один из объектов оказался пробитым, в период тестирования, то его извлекают, не останавливая испытаний. Все галоши прошедшие проверку получают соответствующий штамп с датой проведения испытания.

Также читайте: Технические характеристики кабеля — КГН

Газ и изоляция

Казалось бы, как связана ионизация газов и изоляция электрооборудования? Газ и электричество связаны самым тесным образом, ведь он является отличным диэлектриком. И поэтому для изоляции высоковольтного оборудования используется газовая среда.

В качестве диэлектрика используются: воздух, азот и элегаз. Элегаз – это гексафторид серы, наиболее перспективный, в плане электроизоляции материал. Для распределения и приема электроэнергии высокого напряжения, более 100 кВ (отвод электростанций, прием электричества в крупных городах и так далее), используются комплектные распределительные устройства (КРУЭ).

Основной областью применения элегаза как раз и являются КРУЭ. Газ помимо использования в качестве электроизоляции, может возникать в процессе эксплуатации маслонаполненных кабелей (или кабелей с пропитанной бумажной изоляцией). Так как происходят цикличный нагрев и охлаждение кабеля в результате прохождения напряжения разной величины.

К кабелям с пропитанной бумажной изоляцией применим термин «термическая деструкция». В результате пиролиза целлюлозы возникают водород, метан, углекислый и угарный газы. В процессе старения изоляции, возникающие газовые образования (при повышенном напряжении) вызывают ионизационный пробой изоляции. Как раз по причине ионизационных явлений силовые кабели с изоляцией из пропитанной маслом бумаги (с вязкой пропиткой) применяются в силовых линиях напряжением до 35 кВ и все реже применяются в современной энергетике.