Как оценить возможность включения в работу нового электрооборудования - Оценка состояния токоведущих частей и изоляции

Оценка состояния токоведущих частей

Методика определения состояния токоведущих частей и их контактных соединений основана на непосредственном влиянии дефектов и качества выполнения на сопротивление постоянному току.
При наличии значительного количества короткозамкнутых витков измеренное сопротивление постоянному току обмоток, как правило, меньше приведенного в паспорте или в протоколах предыдущих измерений, а при обрыве или нарушении контактных соединений оно больше его.
Если при измерениях сопротивления постоянному току обмоток силовых трансформаторов по отпайкам имеет место нарушение последовательности их, то это означает, что отпайки на переключателе подключены неверно. Отклонение одного из измерений от предыдущих и заводских данных является признаком дефекта соединения обмотки с переключателем или нарушения пайки внутри обмотки.
При наличии нарушения пайки «петушков» у коллектора якоря машин постоянного тока имеет место при измерениях значительное отклонение сопротивления постоянному току между парой коллекторных пластин от сопротивления остальных пар.
При плохом регулировании контактов выключателя при монтаже имеет место при измерениях значительное превышение переходного сопротивления постоянному току силовых контактов против нормативных данных. Признаком неудовлетворительной регулировки контактов является также значительное расхождение сопротивлении постоянному току по отдельным фазам.
Результаты измерений сопротивления постоянному току не являются единственным критерием состояния токоведущих частей. Дефекты последних выявляются дополнительным прогревом их током от постороннего источника или рабочим током нагрузки и определением степени нагрева, дефекты у опрессованных контактных соединений — измерением геометрических размеров и сравнением их результатов с нормативными.

Оценка состояния изоляции

Методы испытаний, проверок и измерений, определяющих состояние изоляции токоведущих частей электрооборудования, вытекают из физической сущности изоляции.
Любая изоляция, применяемая в электрических машинах и аппаратах, по существу, является конденсатором со сложной средой. Обкладками его являются наружные элементы конструкции машины или аппарата (корпус, сердечник) и токоведущие части (жилы кабеля, провода, шины), среда — изоляционный материал, структура которого определяется не только используемым материалом (в машинах — слюда, в аппаратах — слюда, волокно, бумага, маслобарьерная изоляция), но и состоянием ее — наличием дефектов, в частности увлажнения.
Физические процессы в изоляции при приложении к ней напряжения по этой причине аналогичны тем, которые имеют место в электрическом конденсаторе. Для удобства рассмотрения этих процессов принято изображать изоляцию в виде схемы замещения, представленной на рис. 16. Многолетний опыт проверки состояния изоляции с помощью различных измерений, среди которых главное место занимает измерение сопротивления изоляции и коэффициента абсорбции с помощью мегаомметра, подтверждает правильность такого представления изоляции в электрических машинах и аппаратах.

Рис. 16. Схема замещения изоляции электрооборудования:

При приложении выпрямленного напряжения, в частности от мегаомметра, в схеме замещения (рис. 16) в первый момент времени протекает только ток заряда геометрической емкости, т. е. емкости, определяемой геометрическими размерами изоляции. В этот момент реальная среда — материал изоляции — не проявляется, как будто между границами ее (обкладками конденсатора Сг) имеется вакуум.
Этот ток быстро прекращается, а положительные и отрицательные заряды, накопившиеся на границах изоляции за этот период времени, создают в ее толще электрическое поле, под действием которого после прекращения прохождения тока  возникает явление поляризации, характерное уже для реального изоляционного материала со сложной структурой. С этим явлением связано прохождение через материал изоляции конденсатора после заряда геометрической емкости тока поляризации Iабс, т. е. тока, который определяется ориентацией характерных для изоляции диполей (рис. 17), а также зарядом отдельных конденсаторов Сабс (абсорбционных емкостей), образующихся между слоями изоляции. Значение этого тока зависит от дефектов и неоднородности изоляции, а также активного сопротивления отдельных смежных участков, так называемых абсорбционных сопротивлений.

Рис. 17. Условная схема диэлектрика:
1— обкладка конденсатора (на границах диэлектрика); 2 — диэлектрик — среда; 3 — диполь

Известно, что процесс ориентировки диполей в электрическом поле происходит медленно и требует затрат энергии. В результате ток заряда конденсатора по сравнению с тем, как это происходит в вакууме, изменяется во времени также медленно, и его значение сильно увеличивается.
Известно также, что постоянная времени цепочек R и С равна T=RC, т.е, чем больше R, тем больше и время заряда Т. Этим и объясняется, почему заряд абсорбционной емкости происходит медленно.
Увлажненность изоляции влияет в первую очередь на значение Raбс. Чем больше увлажненность и ток поляризации увеличивается, затухание его происходит быстрее. Это свойство используется при методе определения состояния изоляции с помощью мегаомметра, который объединяет в себе источник выпрямленного напряжения, прикладываемого при измерениях к изоляции, и прибора, измеряющего ток.
В общем случае, чем больше Raбс, что имеет место при сухой изоляции, тем меньше ток заряда абсорбционной емкости (ток абсорбции) и тем больше время заряда. Чем меньше Raбс (влажной изоляции), тем больше ток абсорбции и тем меньше время заряда.
После прекращения процесса поляризации, т. е. заряда абсорбционной емкости, ток  становится равным нулю, но через изоляцию продолжает протекать ток сквозной проводимости (ток утечки), определяемый общим сопротивлением постоянному току изоляции, условно изображенным на рис. 16 в виде сопротивления Rm. Сопротивление Rиз также зависит от состояния изоляции. У загрязненной или увлажненной изоляции оно значительно меньше, чем у чистой или неувлажненной, что влияет на значение тока утечки. Кривые изменения токов в сухой и увлажненной изоляции с учетом влияния поляризации представлены на рис. 18.
При приложении к изоляции напряжения, превышающего электрическую прочность, происходит пробой ее в наиболее слабом месте, сопровождающийся выгоранием и разрушением поврежденного участка. Разрядник F на схеме рис. 17 условно изображает такой пробой в изоляции.

Рис. 18. Кривые изменения во времени токов сухой и влажной изоляции при приложении к ней выпрямленного напряжения

Сопротивление изоляции постоянному току Rиз является основным показателем состояния изоляции. Определение Ом, производится измерением тока утечки, протекающего через изоляцию, при приложении к ней выпрямленного напряжения.
В связи с явлением поляризации, имеющим место в изоляции, значение сопротивления  зависит от времени с момента приложения напряжения. Правильный результат может дать измерение тока утечки по истечении 60 с после приложения, т. е. в момент, к которому ток абсорбции в изоляции в основном затухает. Определение Rиз производится с помощью мегаомметров, отградуированных непосредственно в значениях сопротивления постоянному току.
Коэффициент абсорбции Кабс лучше всего определяет увлажнение изоляции. Коэффициент абсорбции — отношение, измеренного мегаомметром через 60 с с момента приложения напряжения измеренному через 15 с:
Если изоляция сухая, то коэффициент абсорбции значительно превышает единицу, у влажной изоляции он близок к единице. Объясняется это временем заряда абсорбционной емкости у сухой и влажной изоляции. В первом случае (сухая изоляция) время велико, ток заряда изменяется медленно, значения  соответствующие 15 и 60 с после начала измерения, сильно различаются. Во втором случае (влажная изоляция) время мало, ток заряда изменяется быстро и уже к 15 с после начала измерения устанавливается.

Коэффициент абсорбции является вторым основным показателем состояния изоляции машин и трансформаторов.
На рис. 19 представлены кривые изменения Rиз во времени для увлажненной и сухой изоляции.
Сопротивление изоляции, а также коэффициент абсорбции Кабс сильно зависят от температуры, поэтому для сравнения следует пользоваться их значениями, измеренными при одной температуре. Влияние температуры подчиняется закону

где сопротивления изоляции постоянному току при температурах; а — коэффициент, зависящий от типа изоляции: для изоляции класса А — 40, для изоляции класса В — 60.
Сопротивление изоляции класса А при понижении температуры на каждые 10 °С увеличивается в полтора раза, и наоборот. На основе этого закона составлена таблица, по которой производится приведение измеренных Rиз к одной температуре:

Сопротивление изоляции класса В при повышении температуры на каждые 18°С снижается примерно в 2 раза. Из этого закона исходят при приведении значения Rиз к одной температуре для изоляции класса В.
Сопротивление изоляции постоянному току и коэффициент абсорбции не измеряются при температуре менее +10°С, так как в этом случае поведение влаги нестабильно. следовательно, результаты измерения не отражают истинного состояния изоляции. При температуре ниже 0°С вода вообще превращается в лед, а последний является прекрасным диэлектриком, что тем более искажает оценку увлажненности изоляции.
Метод «емкость — время». Оценка состояния волокнистой изоляции класса А, используемой в силовых трансформаторах, в настоящее время производится дополнительно методом «емкость—время». При этом методе производятся заряд емкости изоляции, а затем разряды — быстрый (закорачиванием сразу после окончания заряда) и медленный (закорачиванием через I с после окончания заряда). В первом случае определяется емкость С, во втором случае — прирост емкости ДС за счет абсорбционной емкости, которая успевает проявиться за 1 с у влажного трансформатора, но не успевает проявиться у сухого.
У сухого трансформатора ДСсух незначительна (0,02— 0,08) С при /=10°С, у влажного (также при /=10°С) ДСВЛ»0,1 С.
Для других значений температур максимально допустимая величина  равна:

Рис. 19. Кривые изменения сопротивления изоляции во времени для силового трансформатора.

Емкостные методы позволяют оценивать состояние волокнистой изоляции потому, что для этой изоляции характерна зависимость явления поляризации от увлажненности. У многослойной изоляции класса В явление поляризации значительно и у сухой изоляции, из-за чего емкостные методы в этом случае неэффективны.
Емкостно-частотный метод. Для оценки состояния волокнистой изоляции класса А, используемой в силовых трансформаторах напряжением 35 кВ и ниже, может применяться метод частотной зависимости емкости (емкостно-частотный). Как уже известно, ток заряда геометрической емкости изменяется как у сухой, так и у влажной изоляции очень быстро (в пределах первого полупериода частоты 50 Гц, т. е. 0,01 с). Известно также, что емкость влажной изоляции в отличие от емкости сухой изоляции содержит значительную абсорбционную емкость, ток заряда которой изменяется медленнее, чем ток заряда геометрической емкости. Это свойство и используется при методе частотной зависимости емкости, при которой измеряется емкость изоляции на частотах 2 и 50 Гц. При измерении емкости изоляции на частоте 50 Гц (С50) успевает проявиться только геометрическая емкость, одинаковая у сухой и влажной изоляции. При изменении емкости изоляции на частоте 2 Гц (С2) успевает проявиться абсорбционная емкость влажной изоляции, так как у сухой изоляции она меньше и заряжается очень медленно. У сухой изоляции отношение C2/Cso в связи с этим близко к единице, а у влажной оно значительно больше единицы, Измерения С2 и С50 производят приборами ПКВ-8.
Метод измерения токов утечки. В качестве дополни- тельного метода оценки состояния изоляции класса В, используемой в электрических машинах, в настоящее время применяется измерение токов утечки при приложении к изоляции выпрямленного напряжения различного значения, т. е. снятие характеристики

где /ут — ток утечки; UBыпр — прикладываемое к изоляции напряжение.
У машин, имеющих увлажненную изоляцию, зависимость токов утечки от приложенного выпрямленного напряжения нелинейна (рис. 20). Нелинейность тем больше, чем больше прикладываемое напряжение, что связано с явлением ионизации, наступающим при определенном напряжении и бурно после этого развивающимся. Эта закономерность используется для оценки состояния
увлажненности обмоток электрических машин. Критерием оценки служит коэффициент нелинейности Кнелин, который директивными нормами определяется как отношение сопротивления изоляции постоянному току при двух значениях тока утечки — соответствующих минимальному и максимальному испытательным напряжениям.
Коэффициент нелинейности изоляции с допустимой степенью увлажненности обычно не превышает 3.
Метод измерения тангенса угла диэлектрических потерь. Как известно, ток, протекающий через изоляцию при приложении к ней переменного напряжения, состоит из двух составляющих — активной и реактивной (рис. 21). Активная составляющая обусловлена потерями на нагрев и ионизацию, реактивная — зарядкой и разрядкой емкости (изоляции) в каждый период приложенного переменного напряжения. Активный ток мог бы сам по себе характеризовать состояние изоляции, так как все внутренние дефекты изоляции и в том числе увлажненность увеличивают этот ток. Однако значение его зависит также от размеров оборудования. Поэтому для оценки состояния изоляции используется отношение составляющих тока. При любых размерах оборудования и удовлетворительном состоянии его изоляции отношение одинаковое и будет изменяться лишь при наличии дефектов или увлажненности, что приведет к относительно большему изменению активной составляющей тока по сравнению с реактивной.

Рис. 21. Диаграмма токов при приложении к изоляции переменного напряжения

Рис. 22. Зависимость изоляции от приложенного напряжения:
А — топка начала ионизации; УКр— критическое напряжение, при котором начинается ионизация
Рис. 23. Зависимость tg изоляции от температуры:

1—увлажненная изоляция; 2 — сухая изоляция; АБ — зона устойчивых измерений; пунктиром показаны участки неустойчивых измерений

Тангенс угла диэлектрических потерь tg  зависит у одного и того же оборудования в одном и том же состоянии также от температуры и значения прикладываемого напряжения, что видно из рис. 22 и 23. С увеличением температуры уменьшается сопротивление изоляции, что приводит к соответствующему увеличению активной составляющей тока /а, определяющей диэлектрические потерн. Зависимость же tgδ от напряжения объясняется степенью ионизации, особенно бурно наступающей после критического напряжения (точка Б на рис. 23).
Для оценки состояния изоляции электрических машин tg не нашел применения, так как на него сильное влияние оказывает корона, являющаяся результатом не характеризующей состояние изоляции внешней ионизации, и связывающий состав изоляции класса В.
Измерение tg  широко используется для оценки состояния изоляции трансформаторов и вводов высокого напряжения. Измерения производятся по указанным выше причинам при температуре от 10 до 40 °С. Для удобства сравнения различных измерений tg, сделанных в различное время и в различных условиях (завод, место установки), пользуются следующими зависимостями tg  от температуры:

Измерение tg  при температуре ниже 10 °С не производится по той же причине, что и другие изоляционные измерения (см. выше).