Đặc tính cách điện và thử nghiệm

Đặc tính và mạch tương đương của cách điện

Như bạn đã biết, thuật ngữ «cô lập» được sử dụng trong thực tế để chỉ hai khái niệm:

1) phương pháp ngăn chặn sự hình thành tiếp xúc điện giữa các bộ phận của sản phẩm điện,

2) vật liệu và sản phẩm từ chúng được sử dụng để áp dụng phương pháp này.

vật liệu cách điện dưới tác động của điện áp đặt vào chúng, tính chất dẫn điện được phát hiện. Mặc dù giá trị độ dẫn điện của vật liệu cách điện thấp hơn vài bậc so với dây dẫn, nhưng nó vẫn đóng một vai trò quan trọng và quyết định phần lớn đến độ tin cậy hoạt động của sản phẩm điện.

Dưới tác dụng của điện áp đặt vào lớp cách điện, một dòng điện chạy qua nó gọi là dòng rò, dòng điện này thay đổi theo thời gian.

Để nghiên cứu và minh họa các đặc tính của cách điện, người ta thường biểu diễn nó dưới dạng một mô hình nhất định gọi là mạch tương đương (Hình 1), chứa bốn mạch điện được mắc song song.Đầu tiên trong số chúng chỉ chứa tụ điện C1, được gọi là điện dung hình học.

Cơm. 1. Mạch tương đương cách điện

Sự hiện diện của điện dung này gây ra sự xuất hiện của dòng điện khởi động tức thời xảy ra khi đặt điện áp một chiều vào lớp cách điện, dòng điện này giảm dần trong gần vài giây và dòng điện dung chạy qua lớp cách điện khi đặt điện áp xoay chiều vào nó. Khả năng này được gọi là hình học vì nó phụ thuộc vào lớp cách điện: kích thước của nó (độ dày, chiều dài, v.v.) và vị trí giữa phần A mang dòng điện và vỏ (mặt đất).

Sơ đồ thứ hai mô tả cấu trúc bên trong và tính chất của lớp cách điện, bao gồm cấu trúc của nó, số nhóm tụ điện và điện trở được mắc song song. Dòng điện I2 chạy qua mạch này gọi là dòng hấp thụ. Giá trị ban đầu của dòng điện này tỷ lệ thuận với diện tích của lớp cách nhiệt và tỷ lệ nghịch với độ dày của nó.

Nếu các bộ phận mang dòng điện của một sản phẩm điện được cách điện bằng hai hoặc nhiều lớp cách điện (ví dụ: cách điện dây và cách điện cuộn dây), thì nhánh hấp thụ trong mạch tương đương được biểu diễn dưới dạng hai hoặc nhiều nhánh nối tiếp. các nhóm của một tụ điện và một điện trở đặc trưng cho các tính chất trên một trong các lớp cách điện. Trong sơ đồ này, cách điện hai lớp được xem xét, lớp được thay thế bằng một nhóm các phần tử của tụ điện C2 và điện trở R1, và lớp thứ hai bằng C3 và R2.

Mạch thứ ba chứa một điện trở R3 duy nhất và đặc trưng cho tổn thất cách ly khi đặt điện áp một chiều vào nó.Điện trở của điện trở này, còn được gọi là điện trở cách điện, phụ thuộc vào nhiều yếu tố: kích thước, vật liệu, cấu tạo, nhiệt độ, điều kiện cách điện, bao gồm độ ẩm và bụi bẩn trên bề mặt và điện áp đặt vào.

Với một số khiếm khuyết cách điện (ví dụ, do hư hỏng), sự phụ thuộc của điện trở R3 vào điện áp trở nên phi tuyến tính, trong khi đối với những lỗi khác, chẳng hạn như với độ ẩm cao, nó thực tế không thay đổi khi điện áp tăng. Dòng điện I3 chạy qua nhánh này được gọi là dòng điện thuận.

Mạch thứ tư được biểu diễn trong mạch tương đương của khe đánh lửa MF, đặc trưng cho độ bền điện môi của vật liệu cách điện, được biểu thị bằng số bằng giá trị của điện áp tại đó vật liệu cách điện mất đi đặc tính cách điện và bị phá vỡ dưới tác động của dòng điện I4 đi qua nó.

Mạch tương đương cách ly này không chỉ cho phép mô tả các quá trình diễn ra trong nó khi đặt điện áp mà còn thiết lập các tham số có thể quan sát được để đánh giá trạng thái của nó.

Phương pháp kiểm tra cách điện

Cách đơn giản và phổ biến nhất để đánh giá tình trạng của vật liệu cách nhiệt và tính toàn vẹn của nó là đo điện trở của nó bằng megohmmeter.

Chúng ta hãy chú ý đến thực tế là sự hiện diện của các tụ điện trong mạch tương đương cũng giải thích khả năng tích tụ điện tích của lớp cách điện. Do đó, cuộn dây của máy điện và máy biến áp trước và sau khi đo điện trở cách điện phải được phóng điện bằng cách nối đất đầu cực megohmmeter được kết nối.

Khi đo điện trở cách điện của máy điện và máy biến áp, phải theo dõi nhiệt độ của cuộn dây, nhiệt độ này được ghi vào biên bản thử nghiệm. Cần biết nhiệt độ tại đó các phép đo được thực hiện để so sánh các kết quả đo với nhau, vì điện trở cách điện thay đổi mạnh tùy thuộc vào nhiệt độ: trung bình, điện trở cách điện giảm 1,5 lần khi nhiệt độ tăng cứ sau 10 ° C và cũng tăng khi nhiệt độ giảm tương ứng.

Do độ ẩm luôn có trong vật liệu cách điện ảnh hưởng đến kết quả đo nên việc xác định các thông số đặc trưng cho chất lượng của vật liệu cách nhiệt không được thực hiện ở nhiệt độ dưới + 10 ° C, vì kết quả thu được sẽ không cho kết quả chính xác. ý tưởng đúng đắn về trạng thái cô lập thực sự.

Khi đo điện trở cách điện của sản phẩm thực tế lạnh, nhiệt độ cách điện có thể được giả định bằng nhiệt độ môi trường. Trong tất cả các trường hợp khác, nhiệt độ của cách điện được giả định có điều kiện bằng với nhiệt độ của cuộn dây, được đo bằng điện trở hoạt động của chúng.

Vì vậy, điện trở cách điện đo được không khác biệt đáng kể so với giá trị thực, điện trở cách điện riêng của các phần tử của mạch đo - dây dẫn, chất cách điện, v.v. - phải đưa ra sai số tối thiểu trong kết quả đo.Do đó, khi đo điện trở cách điện của các thiết bị điện có điện áp lên tới 1000 V, điện trở của các phần tử này phải ít nhất là 100 megohms và khi đo điện trở cách điện của máy biến áp - không nhỏ hơn giới hạn đo của megohmmeter .

Nếu không thỏa mãn điều kiện này thì phải hiệu chỉnh kết quả đo về điện trở cách điện của các phần tử mạch điện. Để thực hiện việc này, điện trở cách điện được đo hai lần: một lần với mạch được lắp ráp hoàn chỉnh và sản phẩm được kết nối, và lần thứ hai với sản phẩm đã ngắt kết nối. Kết quả của phép đo đầu tiên sẽ cho điện trở cách điện tương đương của mạch và sản phẩm Re, và kết quả của phép đo thứ hai sẽ cho điện trở của các phần tử của mạch đo Rc. Khi đó điện trở cách điện của sản phẩm

Nếu đối với máy điện của một số sản phẩm khác, trình tự đo điện trở cách điện không được thiết lập, thì đối với máy biến áp, trình tự đo này được quy định theo tiêu chuẩn theo đó điện trở cách điện của cuộn dây hạ áp (LV) được đo trước. Các cuộn dây còn lại cũng như bình chứa phải được nối đất. Trong trường hợp không có thùng chứa, vỏ máy biến áp hoặc khung xương của nó phải được nối đất.

Khi có ba cuộn dây điện áp - điện áp thấp hơn, điện áp trung bình cao và điện áp cao hơn - sau cuộn dây điện áp thấp, cần đo điện trở cách điện của cuộn dây trung áp và chỉ sau đó là điện áp cao hơn.Đương nhiên, đối với tất cả các phép đo, các cuộn dây còn lại cũng như bình chứa phải được nối đất và cuộn dây không nối đất phải được xả sau mỗi phép đo bằng cách kết nối với hộp trong ít nhất 2 phút. Nếu kết quả của các phép đo không đáp ứng các yêu cầu đã thiết lập, thì các thử nghiệm phải được bổ sung bằng cách xác định điện trở cách điện của các cuộn dây được nối điện với nhau.

Đối với máy biến áp hai cuộn dây, nên đo điện trở của cuộn dây cao áp và hạ áp so với vỏ máy, còn đối với máy biến áp ba cuộn dây, nên đo cuộn dây cao áp và trung áp trước, sau đó đến cuộn dây cao áp, trung bình và hạ áp. .

Khi kiểm tra cách điện của máy biến áp, cần thực hiện nhiều phép đo để xác định không chỉ các giá trị của điện trở cách điện tương đương mà còn để so sánh điện trở cách điện của cuộn dây với các cuộn dây khác và thân máy.

Điện trở cách điện của máy điện thường được đo bằng các cuộn dây pha được nối với nhau và tại vị trí lắp đặt — cùng với dây cáp (thanh cái). Nếu kết quả đo không đáp ứng các yêu cầu đã thiết lập, thì đo điện trở cách điện của từng cuộn dây pha và, nếu cần, từng nhánh của cuộn dây.

Cần lưu ý rằng rất khó để đánh giá một cách hợp lý tình trạng của lớp cách điện chỉ bằng giá trị tuyệt đối của điện trở cách điện. Vì vậy, để đánh giá tình trạng cách điện của máy điện trong quá trình vận hành, kết quả của các lần đo này được so sánh với kết quả của các lần trước.

Nhiều lần, sự khác biệt đáng kể giữa điện trở cách điện của các pha riêng lẻ thường chỉ ra một số khuyết tật đáng kể. Theo quy luật, việc giảm đồng thời điện trở cách điện đối với tất cả các cuộn dây pha cho thấy trạng thái chung của bề mặt của nó bị thay đổi.

Khi so sánh các kết quả đo, cần ghi nhớ sự phụ thuộc của điện trở cách điện vào nhiệt độ. Do đó, có thể so sánh với nhau kết quả của các phép đo được thực hiện ở cùng nhiệt độ hoặc tương tự.

Khi điện áp đặt vào lớp cách điện không đổi, tổng dòng điện Ii (xem Hình 1) chạy qua nó càng giảm, tình trạng của lớp cách điện càng tốt và phù hợp với sự giảm dòng điện Ii, số đọc của megohm kế tăng. Do thành phần I2 của dòng điện này, còn được gọi là dòng hấp thụ, không giống như thành phần I3, không phụ thuộc vào tình trạng của bề mặt cách điện, cũng như độ nhiễm bẩn và độ ẩm, tỷ lệ của các giá trị điện trở cách điện tại những thời điểm nhất định được coi là một đặc tính của độ ẩm cách nhiệt.

Các tiêu chuẩn khuyến nghị đo điện trở cách điện sau 15 giây (R15) và sau 60 giây (R60) sau khi kết nối megohmmeter và tỷ lệ của các điện trở này ka = R60 / R15 được gọi là hệ số hấp thụ.

Với cách điện không ẩm, ka > 2, và với cách điện ẩm — ka ≈1.

Vì giá trị của hệ số hấp thụ thực tế không phụ thuộc vào kích thước của máy điện và các yếu tố ngẫu nhiên khác nhau, nên nó có thể được chuẩn hóa: ka ≥ 1,3 ở 20 ° C.

Sai số trong phép đo điện trở cách điện không được vượt quá ± 20%, trừ khi được thiết lập riêng cho một sản phẩm cụ thể.

Trong các sản phẩm điện, các thử nghiệm độ bền điện áp dụng cách điện của cuộn dây với thân máy và với nhau, cũng như cách điện trung gian của cuộn dây.

Để kiểm tra độ bền điện môi của lớp cách điện của cuộn dây hoặc các bộ phận mang dòng điện vào vỏ, điện áp hình sin tăng lên với tần số 50 Hz được đặt vào các đầu của cuộn dây được thử nghiệm hoặc các bộ phận mang dòng điện. Điện áp và thời gian sử dụng của nó được chỉ định trong tài liệu kỹ thuật cho từng sản phẩm cụ thể.

Khi kiểm tra độ bền điện môi của lớp cách điện của cuộn dây và các bộ phận mang điện với thân máy, tất cả các cuộn dây và bộ phận mang điện khác không tham gia vào các thử nghiệm phải được nối điện với thân máy được nối đất của sản phẩm. Sau khi kết thúc thử nghiệm, các cuộn dây phải được nối đất để loại bỏ điện tích dư.

Trong bộ lễ phục. Hình 2 trình bày sơ đồ kiểm tra độ bền điện môi của cuộn dây của động cơ điện ba pha. Quá điện áp được tạo ra do lắp đặt thử nghiệm AG chứa nguồn điện áp điều chỉnh E. Điện áp được đo ở phía điện áp cao bằng vôn kế quang điện. Ampe kế PA được sử dụng để đo dòng rò qua lớp cách điện.

Sản phẩm được coi là đã vượt qua thử nghiệm nếu không có sự cố cách điện hoặc chồng chéo bề mặt, đồng thời nếu dòng rò không vượt quá giá trị được chỉ định trong tài liệu dành cho sản phẩm này. Lưu ý rằng việc có một ampe kế theo dõi dòng điện rò rỉ giúp có thể sử dụng máy biến áp trong quá trình thiết lập thử nghiệm.

Cơm. 2. Sơ đồ thử nghiệm độ bền điện môi cách điện của sản phẩm điện

Ngoài thử nghiệm điện áp tần số của cách điện, cách điện còn được thử nghiệm với điện áp chỉnh lưu. Ưu điểm của thử nghiệm như vậy là khả năng đánh giá tình trạng cách điện dựa trên kết quả đo dòng rò ở các giá trị khác nhau của điện áp thử nghiệm.

Để đánh giá tình trạng của cách điện, người ta sử dụng hệ số phi tuyến tính.

trong đó I1.0 và I0.5 là dòng điện rò 1 min sau khi đặt điện áp thử nghiệm bằng giá trị chuẩn hóa của Unorm và bằng một nửa điện áp định mức của máy điện Urated, kn < 1,2.

Ba đặc điểm được xem xét — điện trở cách điện, hệ số hấp thụ và hệ số phi tuyến — được sử dụng để giải quyết câu hỏi về khả năng bật máy điện mà không làm khô lớp cách điện.

Khi kiểm tra độ bền điện môi của lớp cách điện theo sơ đồ trong hình. 2 tất cả các vòng của cuộn dây thực tế có cùng điện áp đối với thân (nối đất) và do đó cách điện của các vòng không được kiểm tra.

Một cách để kiểm tra độ bền điện môi của lớp cách điện cách điện là tăng hiệu điện thế lên 30% so với định mức. Điện áp này được đặt từ nguồn điện áp điều chỉnh EK đến điểm kiểm tra không tải.

Một phương pháp khác có thể áp dụng cho các máy phát điện hoạt động ở chế độ không tải và bao gồm tăng dòng điện kích thích của máy phát điện cho đến khi đạt được điện áp (1,3 ÷ 1,5) Unom tại các đầu của stato hoặc phần ứng, tùy thuộc vào loại máy .Cho rằng ngay cả ở chế độ không tải, dòng điện tiêu thụ bởi cuộn dây của máy điện có thể vượt quá giá trị danh nghĩa của chúng, các tiêu chuẩn cho phép thực hiện thử nghiệm như vậy ở tần số tăng của điện áp cung cấp cho cuộn dây động cơ trên giá trị danh định hoặc ở tăng tốc độ máy phát điện.

Để thử nghiệm động cơ không đồng bộ, cũng có thể sử dụng điện áp thử nghiệm có tần số fi = 1,15 fn. Trong cùng giới hạn, tốc độ của máy phát điện có thể tăng lên.

Khi thử nghiệm độ bền điện môi của cách điện theo cách như vậy, một điện áp bằng số bằng tỷ số giữa điện áp đặt vào chia cho số vòng dây của cuộn dây sẽ được đặt vào giữa các vòng dây liền kề. Nó hơi khác (30-50%) so với khi sản phẩm hoạt động ở điện áp danh định.

Như bạn đã biết, giới hạn tăng điện áp áp dụng cho các cực của cuộn dây nằm trên lõi là do sự phụ thuộc phi tuyến tính của dòng điện trong cuộn dây này vào điện áp ở các cực của nó. Ở điện áp gần với giá trị danh nghĩa Unom, lõi không bão hòa và dòng điện phụ thuộc tuyến tính vào điện áp (Hình 3, phần OA).

Khi điện áp tăng, U trên dòng điện danh định trong cuộn dây tăng mạnh và ở U = 2Unom, dòng điện có thể vượt quá giá trị danh nghĩa hàng chục lần. Để tăng đáng kể điện áp trên mỗi vòng của cuộn dây, độ bền của lớp cách điện giữa các vòng được kiểm tra ở tần số cao hơn nhiều lần (mười lần trở lên) so với tần số danh nghĩa.

Cơm. 3. Đồ thị sự phụ thuộc của cường độ dòng điện trong cuộn dây có lõi vào hiệu điện thế đặt vào

Cơm. 4.Sơ đồ thử nghiệm cách điện cuộn dây ở tần số dòng điện tăng

Hãy xem xét nguyên tắc kiểm tra cách điện trung gian của cuộn dây công tắc tơ (Hình 4). Cuộn dây thử nghiệm L2 được đặt trên thanh của mạch từ phân chia. Một điện áp U1 được đặt vào các cực của cuộn dây L1 với tần số tăng lên, sao cho mỗi vòng của cuộn dây L2 có một điện áp cần thiết để kiểm tra độ bền điện môi của lớp cách điện từ lượt này sang lượt khác. Nếu lớp cách điện của các cuộn dây của cuộn dây L2 ở tình trạng tốt, thì dòng điện tiêu thụ bởi cuộn dây L1 và được đo bằng ampe kế PA sau khi lắp đặt cuộn dây sẽ giống như trước đây. Nếu không, dòng điện trong cuộn dây L1 tăng lên.

Cơm. 5. Sơ đồ đo tiếp tuyến của góc tổn thất điện môi

Đặc tính cách điện cuối cùng được xem xét là tiếp tuyến tổn thất điện môi.

Được biết, lớp cách điện có điện trở hoạt động và phản kháng, và khi đặt điện áp định kỳ lên nó, dòng điện hoạt động và phản kháng chạy qua lớp cách điện, nghĩa là có công suất hoạt động P và phản kháng. Tỷ số P trên Q được gọi là tang của góc tổn thất điện môi và được ký hiệu là tgδ.

Nếu chúng ta nhớ rằng P = IUcosφ và Q = IUsinφ, thì chúng ta có thể viết:

tgδ là tỷ số của dòng điện hoạt động chạy qua lớp cách điện so với dòng điện phản ứng.

Để xác định tgδ, cần đo đồng thời công suất tác dụng và phản kháng hoặc điện trở cách điện tác dụng và phản kháng (điện dung). Nguyên tắc đo tgδ theo phương pháp thứ hai được thể hiện trong hình. 5, trong đó mạch đo là một cầu đơn.

Các nhánh của cầu bao gồm một ví dụ tụ điện C0, tụ điện biến thiên C1, điện trở R1 biến đổi và R2 không đổi, cũng như điện dung và điện trở cách điện của cuộn dây L với thân sản phẩm hoặc khối lượng, thường được mô tả là tụ điện Cx và điện trở Rx. Trong trường hợp cần đo tgδ không phải trên cuộn dây mà trên tụ điện, các bản của nó được nối trực tiếp với đầu 1 và 2 của mạch cầu.

Đường chéo của cây cầu bao gồm điện kế P và nguồn điện, trong trường hợp của chúng tôi là máy biến áp T.

Như ở những người khác mạch cầu quá trình đo bao gồm thu được số đọc tối thiểu của thiết bị P bằng cách thay đổi tuần tự điện trở của điện trở R1 và điện dung của tụ điện C1. Thông thường, các tham số của cầu được chọn sao cho giá trị của tgδ ở mức 0 hoặc số đọc tối thiểu của thiết bị P được đọc trực tiếp trên thang đo của tụ điện C1.

Định nghĩa của tgδ là bắt buộc đối với tụ điện và máy biến áp, chất cách điện cao áp và các sản phẩm điện khác.

Do thực tế là các phép thử độ bền điện môi và phép đo tgδ được thực hiện, theo quy định, ở điện áp trên 1000 V, tất cả các biện pháp an toàn chung và đặc biệt phải được tuân thủ.

Quy trình kiểm tra cách điện

Các thông số và đặc tính của vật liệu cách nhiệt được thảo luận ở trên phải được xác định theo trình tự được thiết lập theo tiêu chuẩn cho các loại sản phẩm cụ thể.

Ví dụ, trong máy biến áp điện, trước tiên xác định điện trở cách điện và sau đó đo tiếp tuyến tổn thất điện môi.

Đối với máy điện quay, sau khi đo điện trở cách điện trước khi thử độ bền điện môi, cần tiến hành các thử nghiệm sau: ở tần số quay tăng, quá tải dòng điện ngắn hạn hoặc mômen, ngắn mạch đột ngột (nếu định cho máy điện đồng bộ này), thử nghiệm cách điện của điện áp chỉnh lưu của cuộn dây (nếu được quy định trong tài liệu của máy điện này).

Các tiêu chuẩn hoặc thông số kỹ thuật cho các loại máy cụ thể có thể bổ sung danh sách này bằng các thử nghiệm khác có thể ảnh hưởng đến độ bền điện môi của lớp cách điện.