Изоляции. Профилактика изоляции силовых трансформаторов, линейной изоляции, вращающихся машин, кабелей

§3.1. Профилактика изоляции. Основные методы профилактики изоляции

На заводах контроль изоляции производится при изготовлении и выпуске изделий с целью проверки качества промежуточных технологических операций и соответствия изоляционных характеристик изделий требованиям ГОСТ или заводским нормам. Часто на заводах измеряются изоляционные характеристики изделий, которые не нормированы, но важны в качестве исходных данных для последующего контроля за состоянием изоляционных конструкций.

Контроль изоляции в эксплуатации, обозначаемый часто термином «профилактика изоляции», служит для выявления дефектов в изоляционных конструкциях и последующей их замены или восстановления на месте.

Развитие дефектов в изоляции большей частью связано с проникновением в нее влаги. Попадание влаги обычно связано с механическими повреждениями изоляционных конструкций и изменением температурных условий. Процесс образования дефекта и разрушения изоляции протекает в начале весьма медленно и только на последних стадиях имеет скачкообразный характер, заканчиваясь пробоем изоляции.

Технически правильная эксплуатация, предотвращающая вредные воздействия на изоляцию, служит обязательным условием надежной работы высоковольтного оборудования. Срок службы изоляции в существенной степени зависит от постановки эксплуатационного надзора и контроля за изоляцией. Профилактика изоляции является только одним из элементов этого контроля. В задачу профилактики входит также установление типичных для тех или иных изоляционных конструкций дефектов, разработка эффективных способов устранения этих дефектов и рекомендации по разработке рациональных изоляционных конструкций на заводах.

Все методы контроля изоляции можно разделить на разрушающие и неразрушающие. К первым принадлежит испытание повышенным напряжением, ко вторым — все остальные методы, которые проводятся без приложения к изоляции напряжений, способных привести к пробою. Но по этой же причине все неразрушающие испытания являются в известной мере косвенными.

Для выявления возникающих в изоляции дефектов разработаны и применяются следующие методы неразрушающих испытаний изоляции:

а) измерение сопротивления изоляции или измерение тока сквозной проводимости;

б) измерение угла диэлектрических потерь;

в) измерение емкости;

г) измерение распределения напряжения;

д) измерение частичных разрядов в изоляции;

е) просвечивание рентгеновскими лучами или ультразвуком.

В начале изучаются методы неразрушающих испытаний, затем рассматриваются испытания повышенным напряжением.

3.1.1. Контроль изоляции по tgδ

Контроль изоляции по tgδ является одним из наиболее распространенных. Как показывает опыт, по значению tgδ можно установить наличие в изоляции различных по характеру дефектов. Однако дефекты одного и того же типа, но разных размеров неодинаково влияют на результаты измерения tgδ изоляции и поэтому обнаруживаются с различной чувствительностью. Объясняется это тем, что измеряемый tgδ изоляции, состоящей из нескольких различных материалов, представляет собой средневзвешенную величину. Например, для простейшей модели изоляции в виде плоского конденсатора с дефектным участком (рис. 4.1) выражение для измеряемого tg δ _изм будет иметь следующий вид:

tg δ _изм = (e_нV_нtg δ_н + e_дV_дtg δ_д)/(e_нV_н + e_дV_д), (4.1)

гдеtg δ_н и tg δ_д — значения тангенса угла потерь для нормальной и дефектной изоляции; V_н и V_д—объемы соответственно участков с нормальной и дефектной изоляцией.

Во многих случаях с появлением дефекта диэлектрическая проницаемость изоляции изменяется мало и можно считать, что ε_д ≈ε_н.Тогда

tg δ_изм = tg δ_н , (4.2)

где V — полный объем изоляции.

Рис. 4.1. Изоляция с дефектным участком

Из выражения (4.2) следует, что при малых размерах дефектного участка измеряемый tgδ_изм может незначительно отличаться от tg δ_н и дефект останется незамеченным. Например, появление в изоляции дефекта с Vд = 0.005V и tgδ_д=10tg δ_н вызовет увеличение измеряемого значения tgδ против нормального всего на 5%, что сравнимо с точностью измерений в эксплуатационных условиях и с возможными случайными разбросами значений tgδ_н для нормальной изоляции. Таким образом, измерения tgδ изоляции позволяют наиболее надежно выявлять распределенные дефекты. При испытаниях некоторых видов оборудования tgδ изоляции измеряют при нескольких напряжениях в интервале, равном (0,5—1,5)U_раб, и строят зависимость tgδ= f (U), по которой иногда можно судить не только о наличии, но и о характере дефектов в изоляции (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Зависимость tg δ изоляции от напряжения:

1 – изоляция нормальная; 2 – изоляция с газовыми включениями

У изоляции нормального качества значение tgδ при напряжениях до 1,5U_раб в большинстве случаев остается практически неизменным (кривая 1 на рис. 4.2).

В случае изоляции с газовыми включениями после возникновения ЧР tg δ с ростом напряжения увеличивается вследствие рассеяния в разрядах дополнительной энергии (кривая 2 на рис. 4.2). Такая зависимость tgδ= f (U) получила название «кривой ионизации». По ней можно ориентировочно определить напряжение U_чp появления ЧР как напряжение, при котором начинается рост tgδ_. Однако следует иметь в виду, что такая оценка напряжения U_чp может оказаться завышенной (иногда в 1,5—2,0 раза), так как при напряжениях, едва превышающих действительное значение U_чр, энергия, рассеиваемая в ЧР, еще мала и изменение величины tgδ не выходит за пределы точности измерения.

При профилактических испытаниях качество изоляции оценивают только по абсолютной величине tgδ, которую измеряют при напряжении не выше 10 кВ независимо от номинального напряжения оборудования. Измерения при более высоких напряжениях в условиях эксплуатации не проводятся, так как для этого требуется громоздкое оборудование.

Мосты для измерения tgδ изоляции. Величину tgδ изоляции измеряют с помощью моста Шеринга, принципиальная схема которого показана на рис. 4.3. На этой схеме С_Х — испытуемая изоляция; С_n — эталонный конденсатор с очень малыми диэлектрическими потерями (газовая изоляция); И — индикатор равновесия моста; РЗ — защитные разрядники, предохраняющие измерительные плечи моста в случае пробоя испытуемой изоляции. Для уменьшения ошибок измерения вследствие наводок от внешних полей мост экранируется.

Равновесие моста достигается при условии

Z_Х / Z₃ =Z_n / Z₄ или Z_ХZ₄ =Z_n Z₃, (4.3)

где Z_Х, Z_n, Z₃ и Z₄ — полные сопротивления плеч моста. Испытуемая изоляция с диэлектрическими потерями может быть замещена с помощью последовательного или параллельного соединения емкости С_Х изоляции и сопротивления R_Х, в котором происходит рассеяние энергии.

Рис. 4.3. Нормальная схема моста Шеринга для измерения емкости и tg δ изоляции

Пусть, например, принята последовательная схема замещения изоляции. Тогда Z_Х = R_Х + 1/jwС_Х и условие (4.3) с учетом действительного сопротивления каждого плеча запишется в виде:

. (4.4)

Приравнивая действительные и мнимые части равенства (4.4), получены два условия равновесия моста (по амплитуде и по фазе):

С_Х = С_n R₄/R₃; R_Х = R₃ С₄/С_n. (4.5)

Так как tgδ изоляции при последовательной схеме замещения равен ωC_ХR_Х, то tgδ = ωC_ХR_Х = ωC₄R₄.

Обычно сопротивление R₄ в мостах для напряжения с частотой 50 Гц принимается равным R₄ = 10⁴/π =3184 Ом. Тогда tgδ = 10⁶С₄, т. е. значение tgδ численно равно емкости С₄, мкФ.

В условиях эксплуатации часто один из электродов испытуемой изоляционной конструкции «наглухо» заземлен, тогда нормальная схема моста по рис. 4.3 не может быть использована. В таких случаях измерения tgδ проводят по так называемой «перевернутой» схеме (рис. 4.4), которая отличается от основной тем, что высокое напряжение подается в точку соединения сопротивлений R₃ и R₄, а заземляется точка соединения С_Х и С_n.

Рис. 4.4. «Перевернутая» схема моста Шеринга для измерения емкости и tg δ изоляции

В «перевернутой» схеме оба измерительных плеча и индикатор И оказываются под высоким потенциалом. Чтобы обеспечить безопасные условия работы с мостом, ручки от регулируемых элементов моста (R₃, С₄, индикатора И) выполняются изолированными на напряжение, вдвое превышающее номинальное для моста.

Для контроля качества изоляции по tgδ в энергосистемах используются компактные переносные мосты типов МД-16 и Р-595, которые позволяют проводить измерения при напряжениях до 10 кВ по «нормальной» и «перевернутой» схемам. В качестве источника высокого напряжения обычно применяют измерительный трансформатор напряжения НОМ-10.

3.1.2. Методы контроля с использованием явления абсорбции

Контроль изоляции по «возвратному» напряжению. Опыт, в котором наблюдается «возвратное» напряжение, состоит в следующем. Неоднородная изоляция, которую для простоты можно считать двухслойной, в течение некоторого времени выдерживается при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции. Затем она отсоединяется от источника напряжения, и ее электроды замыкаются «накоротко» на очень малый промежуток времени Δt, после чего вновь размыкаются.

За время Δt геометрическая емкость С_Г изоляции полностью разряжается, а заряд абсорбции на границе слоев и связанные с ним заряды обратного знака на электродах остаются практически неизменными. В период Δt емкости слоев C₁ и C₂ включены параллельно и заряжаются от заряда абсорбции до напряжения U_o =q_абс /(C₁ + C₂). При этомих электроды приобретают заряд того же знака, что и заряд абсорбции. После размыкания внешних электродов изоляции емкости C₁ и C₂ вновь оказываются соединенными последовательно и при этом заряженными до одинакового напряжения U_o, но разной полярности. Далее емкости C₁ и C₂ будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев R₁ и R₂ с разной скоростью, так как постоянные времени R₁C₁ и R₂С₂ не одинаковы. В итоге на изоляции появится напряжение, которое получило название «возвратного» напряжения.

Напряжение U_возвр ≠ 0 для любой неоднородной изоляции. Чем больше степень неоднородности, тем выше U_возвр и тем сильнее различаются скорости подъема и спада «возвратного» напряжения.

Таким образом, по форме и величине «возвратного» напряжения можно судить о состоянии изоляции. Например, неравномерное увлажнение многослойной изоляции обнаруживается по увеличению «возвратного» напряжения. Однако не всегда ухудшение качества изоляции сопровождается ростом напряжения U_возвр. В частности, при сквозном и равномерном увлажнении неоднородность изоляции может уменьшиться, тогда «возвратное» напряжение снизится. Поэтому контроль по «возвратному» напряжению недостаточен и должен сочетаться с другими методами.

Возможность появления «возвратного» напряжения обязательно должна учитываться при выборе мер безопасного проведения испытаний изоляции повышенным напряжением. После окончания испытаний необходимо разрядить не только геометрическую емкость, но и нейтрализовать заряд абсорбции, для чего надо замкнуть электроды на продолжительное время (минуты).

Контроль изоляции по «кривой саморазряда». После отключения источника постоянного напряжения U_o емкости слоев изоляции разряжаются на сопротивления утечки своих слоев, и происходит постепенный саморазряд изоляции. При этом напряжение на многослойной неоднородной изоляции как сумма напряжений на отдельных слоях изменяется в соответствии с выражением

U_С.Р = , (4.6)

где R_i и С_i — сопротивление утечки и емкость i-го слоя; R — сопротивление утечки всей изоляции; n — число слоев изоляции.

В случае идеально однородной изоляции, т. е. при n = 1 «кривая саморазряда» есть просто экспонента U_С.Р = U_oe^-t/RC. Если ее построить в полулогарифмическом масштабе, т. е. представить в виде lnU_С.Р = f(t), то она будет иметь вид прямой, у которой тангенс угла наклона равен 1/RC. Для неоднородной изоляции «кривая саморазряда» в данном масштабе, как сумма экспонент, уже не будет прямой. Чем больше она отклоняется от прямой линии, тем сильнее неоднородность изоляции.

Рис. 4.5. Кривая «саморазряда»

Контроль изоляции по сопротивлению утечки. Измерения сопротивлений выполняются с помощью простых переносных приборов — мегаомметров. Упрощенная схема мегаомметра показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Упрощенная схема мегаомметра для измерения сопротивления утечки изоляции:

Л – логометр; R₁ и R₂ – добавочные резисторы;

R_x и C_x –сопротивление утечки и емкость испытуемой изоляции

Источником постоянного напряжения в нем служит генератор с ручным или моторным приводом, а измерительным прибором — логометр, имеющий две расположенные под углом рамки. Угол отклонения стрелки логометра пропорционален отношению токов i_х/i₁, поэтому определяется лишь сопротивлением утечки проверяемой изоляции и не зависит от абсолютного значения напряжения генератора. При измерениях важное значение имеет лишь стабильность этого напряжения. Если напряжение сильно колеблется (неравномерное вращение рукоятки генератора), то через мегаомметр протекает значительный емкостный ток, стрелка колеблется и это затрудняет или даже делает невозможными измерения.

При включении испытуемой изоляциина постоянное напряжение сопротивление утечки изменяетсявовремени:

R (t)=U/i(t)=Rr/(r+Re^-t/T), (4.7)

где R=R₁+R₂, r = R₁R₂(R₁+R₂)(C₁+C₂)²/(R₁C₁ –R₂C₂)², T = R₁R₂(C₁+C₂)/(R₁+R₂).

Опытом установлено, что для большинства изоляционных конструкций постоянная времени поляризации Т< 1 мин. Это означает, что к моменту времени Т= 1 мин. после приложения напряжения R_из достигает установившегося значения, равного R. Величина R определяет наличие сквозных проводящих путей в изоляции. Резкое снижение R указывает на далеко зашедший дефект в изоляции.

При испытаниях изоляции зависимость R (t) от времени полностью не определяют, а оценивают ее характер по двум точкам, а именно по сопротивлениям, измеренным через 15 и 60 с после включения мегаомметра. О качестве изоляции судят как по абсолютному значению сопротивления R₆₀ , так и по отношению К_абс= R₆₀/R₁₅, которое называют коэффициентом абсорбции.

Для многих видов реальной изоляции К_абс по мере уменьшения в ней влаги стремится не к 1, а к некоторому предельному значению, равному примерно 2 – 2,5. Высокая однородность и низкие значения коэффициента К_абс в такой изоляции могут иметь место только при сильном увлажнении, когда и абсолютные значения R₆₀ оказываются низкими.

По сопротивлению (или току) утечки можно судить о наличии в изоляции не только распределенных, но и сосредоточенных дефектов. Например, механические повреждения в виде неполных проколов или поперечных трещин, а также следы от незавершенных разрядов часто приводят к сильному снижению сопротивления изоляции.

Недостатком контроля изоляции по сопротивлению утечки является то, что в ряде случаев на результаты измерения сильное влияние могут оказывать утечки по поверхности твердых диэлектриков, которые не всегда правильно отражают состояние изоляции.

Контроль изоляции по емкостным характеристикам. Существует несколько методов проверки качества изоляции по емкостным характеристикам, причем все они прямо или косвенно используют зависимость емкости неоднородной изоляции от частоты.

Косвенно зависимость Сω=f(U) используется в емкостно-температурном методе, при котором качество изоляции оценивается по изменению емкости при нагреве. При значительном увлажнении сопротивление утечки сильно снижается по мере роста температуры, так как при этом увеличивается не только подвижность ионов, но также растет растворимость и степень диссоциации примесей во влаге. В соответствии с изменением сопротивления уменьшается постоянная времени изоляции Т, а эквивалентная емкость изоляции увеличивается. Для изоляции нормального качества емкость растет в меньшей степени. Емкость в этом методе измеряют обычными мостами Шеринга.

Непосредственно по зависимости Сω=f(U) качество изоляции оценивается методами «емкость — частота» и «емкость — время». В обоих случаях определяются не вся зависимость Сω =f(U), а лишь две ее характерные точки, позволяющие судить о степени неоднородности изоляции и тем самым о ее увлажнении.

В методе «емкость — частота» емкость изоляции измеряется на частотах 2 и 50 Гц и определяется отношение С₂/С₅₀, которое и служит показателем качества изоляции.

В методе «емкость — время» измеряются емкости С_г (геометрическая) и ΔС и подсчитывается отношение ΔС/С_г, которое является критерием качества изоляции.

По емкостным характеристикам наиболее эффективно выявляется увлажнение маслонаполненной изоляции. Поэтому переносные компактные приборы получили название ПКВ — приборов контроля влажности. Они используются для определения степени увлажнения изоляции силовых трансформаторов.