Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

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.

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

  • Электрический – происходит в твердых изоляционных материалах, характеризуется лавинообразным процессом при котором разрываются естественные связи внутри атома;
  • Тепловой пробой – происходит когда изоляция получает больше тепловой энергии, чем способна отвести. Возникает как следствие размягчения, которое приводит к деформации и уменьшению толщины материала;
  • Электромеханический – характерен для хрупкой изоляции (фарфора, керамики) где внутренние разряды приводят к механическим повреждениям;
  • Электрохимический – обуславливается изменением химического состава изоляции. Чаще всего, в результате старения, иногда за счет диффузии металла проводника в поры диэлектрика, что и снижает электрическую прочность;
  • Ионизационный – присущ тем диэлектрикам, где присущи газовые включения или другие неоднородности, в которых происходит ионизация частиц.

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.

Рис. 2. Зависимость видов пробоя

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

  • Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
  • Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
  • Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.

Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Читайте также:
Современные люстры: 100 фото лучшего дизайна. Обзор сочетания люстры в интерьере

Таблица: Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая 60 – 90
Бумага, пропитанная маслом 100 – 250
Воздух 30
Масло трансформаторное 50 – 180
Миканит 150 – 300
Мрамор 35 – 55
Парафин 150 – 300
Электрокартон сухой 80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом 120 – 170
Слюда мусковитая 1200 – 2000
Слюда флогопит 600 – 1250
Стекло 100 – 400
Фибра 40 – 110
Фарфор 180 – 250
Шифер 15 – 30
Эбонит 80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Физический смысл

Напряженность электрического поля возрастает с увеличением напряжения между проводниками, это могут быть пластины конденсатора или жилы кабеля (в индивидуальной обмотке), в определенный момент возникает пробой изоляции. Величина, характеризующая напряженность в момент пробоя называется электрическая прочность и определяется по формуле:

здесь: U – напряжение между проводниками, d – толщина диэлектрика.

Электрическая прочность измеряется в кВ/мм (кВ/см). Эта формула справедлива для плоских проводников (в виде лент или пластин) с равномерным слоем изоляции между ними, как, например, в бумажном конденсаторе.


Короткие замыкания в электрических аппаратах и кабелях происходят как раз именно из-за пробоя изоляции, в этот момент возникает электрическая дуга. Поэтому электрическая прочность одна из важнейших характеристик изоляции. Требования к электрической прочности изоляции электрооборудования и электроустановок напряжение 1 – 750 кВ изложены в ГОСТ 55195-2012 и ГОСТ 55192-2012 (методы испытаний электрической прочности на месте установки).

Примечания

  1. Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В. Электромагнитные поля и волны. М.: Сов. радио, 1971. С. 11.
  2. В. В. Никольский, Т. И. Никольская. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989. С. 35.
  3. Финкельштейн А. В.
    Физика белка / Птицын О. Б.. — 3-е изд. — М.: КДУ, 2012. — С. 45. — 456 с. — ISBN 5-98227-065-2.
  4. Элементы — новости науки: Найдено вещество с гигантским значением диэлектрической проницаемости. elementy.ru. Проверено 11 февраля 2020.
  5. Наноструктуры, превосходящие сегнетоэлектрики (рус.). Проверено 11 февраля 2020.
  6. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/42275
  7. High-k Gate Dielectrics / Michel Houssa. — CRC Press, 2004. — 601 p. — (Series in Material Science and Engineering). — ISBN 0750309067.
  8. Dielectric Spectroscopy Архивировано 7 марта 2001 года.

Виды пробоя

У однородных диэлектриков различают несколько видов пробоя — электрический и тепловой. Также существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений в твердом диэлектрике. Электрическая прочность диэлектриков, во многом, зависит от неоднородности поля и возникновения процессов ионизации газа (интенсивности и характера) или иных химических изменений материала. Это приводит к тому, что пробой в одном и том же материале возникает при разном напряжении. Поэтому пробивное напряжение определяется средним значением по результатам многочисленных испытаний. Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя выражается законом Пашена: Uпр= f (pA)

Определения

Диэлектриками называют вещества, которые плохо либо полностью не проводят электрический ток. Величина плотности в таком веществе носителей заряда (электронов) не превышает 108 штук на кубический сантиметр. Основной характеристикой электроизоляционных материалов является их способность поляризоваться во внешнем поле. К диэлектрикам относятся газообразные вещества, разные смолы, стекло, полимерные материалы. Химически чистым изолятором является вода.

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.

Характеристики диэлектриков

К данной группе относятся пироэлектрики, сегнетоэлектрики, релаксоры, пьезоэлектрики. В современной технике активно используются пассивные и активные свойства таких материалов, поэтому остановимся на них подробнее.

Пассивные свойства изоляторов применяются в тех случаях, когда они используются в обычных конденсаторах.

Электроизоляционными материалами считают диэлектрики, не допускающие потери электрических зарядов. С их помощью можно отделять друг от друга электрические цепи, части приборов от проводящих частей. В таких ситуациях диэлектрическая проницаемость не имеет особой роли.

Активные (управляемые) диэлектрики — это пироэлектрики, сегнетоэлектрики, электролюминофоры, материалы для затворов и излучателей в лазерной технике.

Спрос на диэлектрические материалы ежегодно возрастает. Причиной является увеличение мощности промышленных предприятий и коммерческих учреждений.

Кроме того, повышенный спрос на диэлектрики можно объяснить увеличением числа средств связи и различных электрических приборов.

В технике особое значение играет электрическая прочность изоляторов, связанная с расположением молекул и атомов в кристаллической решетке.

Причины уменьшения электрической прочности

Наиболее отрицательное влияние на электрическую прочность изоляции оказывает переменное напряжение и температура. При переменном напряжении, то есть напряжении, которое меняется время от времени, например, электростанция выдает в линию 220 кВ, из-за технической неисправности или планового ремонта, величина напряжения уменьшена до 110 кВ, после ремонта стало опять 220 кВ. Это и есть переменное напряжение, то есть изменяющееся за определенный период времени. Ввиду того что в Российской Федерации 50 процентов электроустановок для передачи электроэнергии уже выработали свой ресурс (а он составляет 25-30 лет), то переменное напряжение довольно-таки частое явление. Среднее значение такого напряжение определяется с помощью графика:


Или определяется по формуле: Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике:

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Читайте также:
Тонкости использования и основные характеристики чернозема

Наиболее популярными являются:

  • Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
  • Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
  • Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:


Рис. 3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Электрическая прочность силовых кабелей

Самой требовательной к электрической прочности отраслью производства, наверное, является кабельная продукция. В России основным видом кабелей, используемым в силовой энергетике (рассчитаны на номинальное напряжение до 500 кВ), являются маслонаполненные кабели с бумажной изоляцией.

При этом, чем выше номинальное напряжение, на которое они рассчитаны, тем выше вес кабеля. Масло в качестве пропитки используется дегазированное и маловязкое (МН-3, МН-4 и аналоги). Увеличение давления масла приводит к росту электрической прочности масляно-бумажной изоляции. Кабели с давлением 10-15 атмосфер применяются при высокой напряженности, значение прочности достигает 15 кВ/мм.

В последние годы маслонаполненные кабели вытесняются кабелями из сшитого полиэтилена (СПЭ-кабели). Они легче, проще в эксплуатации, срок службы при этом такой же. К тому же СПЭ не так чувствительны к перепадам температур и не нуждаются в дополнительном оборудовании, вроде масляных компенсирующих баков (для компенсации избытков масла при различном давлении). Кабели из сшитого полиэтилена гораздо проще монтировать, концевые и соединительные муфты проще в обслуживании.

Весь мир развивает именно СПЭ-кабели (XLPE-кабели), это привело к тому, что такие проводники уже заметно лучше по своим параметрам, чем маслонаполненные кабели:


Единственным недостатком СПЭ является интенсивное старение, однако, многочисленные исследования всех мировых производителей замедлило этот процесс. Так называемые, триинги, уже не являются причинами пробоя изоляции. Рост энергопотребления в современном мире стимулирует развитие не только источников электроэнергии, но и кабельной продукции, и распределительных устройств. Исследования на тему электрической прочности изоляции являются основным направлением в силовой энергетике.

Природные изоляторы

Канифоль, являющаяся хрупкой смолой, получаемой из живицы, в своем составе имеет органические кислоты. Она хорошо растворяется в нефтяных маслах, используется в качестве заливочных и пропиточных кабельных компаундов.

Тонкий слой растительного масла, попадая на поверхность материала, образует тонкую пленку, увеличивая изоляционные характеристики детали.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.


Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика


Рис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина tg2 δ очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: Pa = U2*ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с-1, а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( Pa ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Проверка перед эксплуатацией

Перед использованием защитные галоши подвергаются тщательному осмотру с целью выявления текущих дефектов.

Поверхность изделия должна исключать:

  • отслоения отделочных фрагментов;
  • разрывы подкладки со стелькой;
  • расхождения швов в подкладке;
  • посторонние жёсткие элементы;
  • выступания серы.

Защитные средства обуваются прямо на обувь, если она сухая и желательно чистая. При этом важно следить, чтобы личная обувь не содержала элементов способных повредить защитную поверхность. По завершению работ диэлектрические средства подлежат очистке и просушке.

В каждой электроустановке необходимо содержать комплект из нескольких вариантов размеров вспомогательных диэлектрических средств. При осмотре важно обращать внимание на присутствие штампа, свидетельствующего о своевременном проведении испытаний.

Требования

Особые требования воспрещают иметь в составе защитной обуви посторонние жёсткие элементы, всевозможные расслоения, а также отслоения или разрывы материалов, способные нарушить целостность защитного покрытия. Отдельные отхождения от нормы, определённые по наружному виду галош, могут допускаться, если они носят одиночный характер. Максимально допустимое значение для тока утечки при тестировании диэлектрических галош обязано оставаться на отметке 2,5 мА.

Материалы изготовления вспомогательных защитных средств обязаны соответствовать общим требованиям, как безопасности, так и охраны труда.

  1. Показатели тока утечки не должны превышать допустимых пределов.
  2. В состав материалов изготовления запрещается включать элементы, обладающие токсичными, взрыво или пожароопасными, а также электромагнитными характеристиками.
  3. При контакте с агрессивными поверхностями защитные средства не должны выделять токсичных, радиоактивных или биологических составляющих.

Диэлектрическая обувь в обязательном порядке должна быть помечена специальным обозначением, подтверждающим наличие защитных качеств. Таким образом, для диэлектрических галош применяют обозначение «Эн», а боты носят о.

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

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.

Читайте также:
Утепление дома из газобетона изнутри своими руками


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.

содержание .. 21 22 28 ..

Испытание изоляции обмоток на электрическую прочность

Испытание изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками на электрическую прочность проводится на всех машинах при приемочных и приемо-сдаточных испытаниях.

ГОСТ 183-74 устанавливает, что изоляция полностью собранной на заводе-изготовителе машины или ее отдельных частей, а также машин, обмотка которых полностью или частично уложена на месте установки машин, должна выдерживать испытательное напряжение частотой 50 Гц в течение 1 мин.

Нормы испытательных напряжений при приемочных и приемо-сдаточных испытаниях приведены в табл. 5.2.

Для турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов обязательным является также испытание изоляции после сборки машины на месте установки. Оно проводится испытательным напряжением, равным 80% указанного в табл. 5.2, Эти испытания не проводятся, если обмотка полностью или частично укладывалась на месте установки машины и была соответственно испытана 100%-ным испытательным напряжением.

Испытанию подвергается изоляция каждой независимой цепи машины. Все другие обмотки на это время соединяются с корпусом и заземляются. В машинах переменного тока независимыми цепями считают все обмотки, начала и концы которых имеют выводы. В машинах постоянного тока обмотку якоря, соединенные с ней обмотки дополнительных полюсов и компенсационную обычно принимают за одну цепь, а различные обмотки главных полюсов — за независимые цепи.

Если испытательное напряжение обмотки равно или более 3000 В, то оно не должно прикладываться мгновенно. Испытание начинается не более чем с 50%-ного значения полного испытательного напряжения и повышается до полного значения плавно или ступенями, не превышающими каждая 5% этого значения, таким образом, чтобы все время подъема напряжения было не менее 10 с. После выдержки полного испытательного напряжения в течение 1 мин оно должно быть снижено до половинного значения и лишь после этого отключено.

Для машин мощностью до 15 кВт включительно на номинальное напряжение до 660 В при «их массовом выпуске на автоматизированном и механизированном технологическом оборудовании испытание элек-

Таблица 5.2. Испытательные напряжения обмоток электрических машин

Электрическая машина или ее части Испытательное напряжение (действующее значение)
1 Машины мощностью менее 1 кВт (или 1 кВ • А) на номинальное напряжение ниже 100 В, за исключением указанных в пп. 4 — 8 настоящей таблицы 500 В

плюс 2-кратное номинальное напряжение

свыше 3300 до 6600 В свыше 6600 до 17 000 В

1000 В плюс 2-кратное номинальное напряжение 2,5-кратное номинальное напряжение 3000 В плюс 2-кратное номинальное напряжение По согласованию между изготовителями и потребителем

б) машин, предназначенных для непосредственного пуска с обмоткой возбуждения, замкнутой на сопротивление, не превышающей 10-кратного сопротивления обмотки возбуждения при постоянном токе, или на источник своего питания в) машин, предназначенных для пуска с обмоткой возбуждения, замкнутой на сопротивление, значение которого равно 10-кратному сопротивлению обмотки или более него, или с разомкнутой обмоткой возбуждения независимо от того, секционирована она или нет

1000 В плюс 2-кратное максимальное действующее значение напряжения, которое можно получить при данных пусковых условиях между выводами обмотки возбуждения (между выводами любой секции), но не менее 1500 В (см. примечание 3)

б) для двигателей, не предназначенных для торможения противовключением

Продолжение табл. 5.2

№ п/п. Электрическая машина или ее части Испытательное напряжение (действующее значение)
7 Возбудители (за исключением указанных ниже) Возбудители для синхронных двигателей (к ним относятся и синхронизированные асинхронные двигатели), если во время пуска они заземлены или отключены от обмоток возбуждения. Обмотки возбуждения возбудителей с независимым возбуждением Как для обмоток, к которым присоединяются возбудители 1000 В плюс двукратное номинальное напряжение возбудителя, но не менее 1500 В
8 Собранные в группы электрические машины и аппараты Если испытанию подвергается группа, собранная из нескольких новых только что установленных и соединенных вместе электрических машин и аппаратов, из которых каждая машина и каждый аппарат проходили испытания на электрическую прочность, то испытательное напряжение не должно превышать 85% испытательного напряжения той машины (или того аппарата), у которой (которого) это напряжение наименьшее

Примечания: 1. Испытательное напряжение для машин с разными уровнями изоляции определяется по согласованию между изготовителем и потребителем.

2. Для двухфазных обмоток, имеющих общий вывод, номинальное напряжение, по которому определяется испытательное напряжение, следует брать равным 1,4 напряжения отдельной фазы.

3. Напряжение, получаемое при пусковых условиях между выводами обмоток возбуждения или между выводами секций, можно измерить при пониженном напряжении питания. Измеренное таким образом напряжение следует умножить на отношение напряжения, полученного при пусковых условиях, к пониженному напряжению питания.

4. Для обмоток одной или нескольких машин, которые связаны электрически, рассматриваемое напряжение — максимальное по отношению к земле.

трической прочности изоляции допускается проводить, прикладывая испытательное напряжение в течение 1 с. При этом оно должно быть увеличено на 20% по сравнению с указанным в табл. 5.2. Проведение приемо-сдаточных испытаний таких машин на большинстве заводов автоматизировано.

содержание .. 21 22 28 ..

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

  • Электрический – происходит в твердых изоляционных материалах, характеризуется лавинообразным процессом при котором разрываются естественные связи внутри атома;
  • Тепловой пробой – происходит когда изоляция получает больше тепловой энергии, чем способна отвести. Возникает как следствие размягчения, которое приводит к деформации и уменьшению толщины материала;
  • Электромеханический – характерен для хрупкой изоляции (фарфора, керамики) где внутренние разряды приводят к механическим повреждениям;
  • Электрохимический – обуславливается изменением химического состава изоляции. Чаще всего, в результате старения, иногда за счет диффузии металла проводника в поры диэлектрика, что и снижает электрическую прочность;
  • Ионизационный – присущ тем диэлектрикам, где присущи газовые включения или другие неоднородности, в которых происходит ионизация частиц.

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.


Рис. 2. Зависимость видов пробоя

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

  • Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
  • Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
  • Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:


Рис. 3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Приборы и средства измерения

Измерение сопротивления изоляции токопроводящих жил проводится мегаомметрами или специальными установками. Второй вариант, как правило, применяется для проводов напряжением более 1 кВ. Испытания проводятся согласно установленным требованиям ПТЭ. Суть метода заключается в подаче напряжения от постоянного или переменного источника питания с постепенным увеличением его значения до максимально допустимого для конкретного типа кабеля. При фиксации пробоя изоляционного покрытия по итогам испытаний эксплуатация кабельной линии запрещается.

Использование мегаомметра позволяет зафиксировать снижение качества изоляции без ее разрушения. Существуют различные модификации данных устройств, которые можно разделить на две категории:

  • электромеханические;
  • электронные.


Цифровой прибор для измерения сопротивления изоляции

Измерительные приборы выпускаются со следующими номинальными уровнями напряжений: 100, 500, 1000 и 2500 В.

Принцип действия мегаомметра основан на подаче напряжения от постоянного источника питания и фиксации величины образуемого тока. После сопоставления указанных величин, в соответствии с законом Ома, на шкалу или монитор измерительного устройства выдается величина сопротивления.

Главным конструктивным отличием электромеханического и электронного мегаомметра является источник постоянного тока. Для первых предусматривается встроенный ручной генератор, а для вторых аккумуляторная батарея.


Мегаомметр ЭС0202/1Г с ручным генератором

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.


Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая 60 – 90
Бумага, пропитанная маслом 100 – 250
Воздух 30
Масло трансформаторное 50 – 180
Миканит 150 – 300
Мрамор 35 – 55
Парафин 150 – 300
Электрокартон сухой 80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом 120 – 170
Слюда мусковитая 1200 – 2000
Слюда флогопит 600 – 1250
Стекло 100 – 400
Фибра 40 – 110
Фарфор 180 – 250
Шифер 15 – 30
Эбонит 80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Физический смысл

Напряженность электрического поля возрастает с увеличением напряжения между проводниками, это могут быть пластины конденсатора или жилы кабеля (в индивидуальной обмотке), в определенный момент возникает пробой изоляции. Величина, характеризующая напряженность в момент пробоя называется электрическая прочность и определяется по формуле:

здесь: U – напряжение между проводниками, d – толщина диэлектрика.

Электрическая прочность измеряется в кВ/мм (кВ/см). Эта формула справедлива для плоских проводников (в виде лент или пластин) с равномерным слоем изоляции между ними, как, например, в бумажном конденсаторе.


Короткие замыкания в электрических аппаратах и кабелях происходят как раз именно из-за пробоя изоляции, в этот момент возникает электрическая дуга. Поэтому электрическая прочность одна из важнейших характеристик изоляции. Требования к электрической прочности изоляции электрооборудования и электроустановок напряжение 1 – 750 кВ изложены в ГОСТ 55195-2012 и ГОСТ 55192-2012 (методы испытаний электрической прочности на месте установки).

Жидкие синтетические диэлектрики

Эти электроизоляционные материалы превосходят по некоторым характеристикам нефтяные масла. У них существует склонность к электрическому старению, что негативно отражается на свойствах под воздействием электрического поля повышенной напряженности.

Для того чтобы справиться с подобной проблемой, пропитка конденсаторов осуществляется полярным жидким диэлектриком.

Проверка электрической прочности является обязательным мероприятием, позволяющим подобрать наиболее эффективный вид изолятора.

Виды пробоя

У однородных диэлектриков различают несколько видов пробоя — электрический и тепловой. Также существует еще ионизационный пробой, который является следствием ионизации газовых включений в твердом диэлектрике. Электрическая прочность диэлектриков, во многом, зависит от неоднородности поля и возникновения процессов ионизации газа (интенсивности и характера) или иных химических изменений материала. Это приводит к тому, что пробой в одном и том же материале возникает при разном напряжении. Поэтому пробивное напряжение определяется средним значением по результатам многочисленных испытаний. Зависимость электрической прочности газа от плотности (давления) и толщины газового слоя выражается законом Пашена: Uпр= f (pA)

Электрическая прочность — это минимальное значение напряжённости электрического поля, при которой наступает пробой изоляции. Электрическая прочность изоляции является сложной функцией физиче­ских свойств материала, размеров образца, условий окружающей среды и характера приложенного напряжения.

Различают два основных вида пробоя однородных диэлектри­ков: электрический и тепловой. Кроме того, существует еще иониза­ционный пробой, который является следствием ионизации газовых включений, содержащихся в твердом изолирующем материале.

Существенное влияние на механизм пробоя в слоистой изоля­ции оказывает развитие скользящих разрядов вдоль лент. Электри­ческая прочность применяемых на практике диэлектриков суще­ственно зависит от неоднородности поля, а также от характера и интенсивности таких процессов в них, как ионизация газовых вклю­чений и химические изменения материала изоляции. Наличие сла­бых мест приводит к тому, что отдельные образцы одного и того же материала пробиваются при различном напряжении, т. е. к по­явлению разброса значений электрической прочности, который зависит от степени однородности диэлектрика.

Обычно пробивное напряжение оценивается средним значени­ем многочисленных результатов испытаний отдельных образцов. Для кабельной изоляции вследствие большой протяженности ка­беля необходимо определить главным образом минимальное зна­чение пробивного напряжения, возможного при данной техноло­гии производства.

В связи с целым рядом факторов, определяющих пробивное на­пряжение изоляции, выбор рабочей напряженности электрического поля является сложной и ответственной частью расчета кабеля. Методы оценки пробивного напряжения и экспериментальные значения электрической прочности кабельной изоляции, а также методика выбора и расчета рабочей напряженности изоляции ка­белей будут рассмотрены далее. При этом необходимо рассмотреть влияние тонких пленок газов и масел на пробой кабельной изоля­ции, разряды в воздушных включениях, зависимость электричес­кой прочности от вида приложенного напряжения и длительности его действия.

Напряженность поля в газовых (а при переменном напряжении — и в масляных) включениях будет выше, чем в однородной изоляции. Это приводит к уменьшению электрической прочности изоляции, так как эти включения в электри­ческом отношении представляют собой ее наиболее слабые места. Как известно, электрическая прочность газа зависит от его при­роды и (согласно закону Пашена) является функцией произведе­ния плотности (давления) и толщины слоя газа: Unp = f(pA).

Под электрической прочностью газовой пленки понимается на­пряженность электрического поля Ен, при которой начинаются разряды в газе.

Зависимость Unp = f(pA) имеет вид кривой с резко выражен­ным минимумом. Минимальное значение Unpдля воздуха соответ­ствует рА = 750 Па×мм и равно 327 В. Для меньших значений рА пробивное напряжение возрастает, потому что плотность воздуха (или толщина слоя А) значительно уменьшается и ионизирующее столкновение в газовом промежутке А становится все менее веро­ятным. Для рА > 750 Па×мм пробивное напряжение возрастает при­мерно по линейному закону, который нарушается лишь при абсо­лютном давлении более 2 МПа.

Закон Пашена в полном виде установлен для газовых промежут­ков между металлическими электродами. В изоляции кабелей газовые включения располагаются или внут­ри изоляционного слоя, или между изоляционным слоем и металличес­кой поверхностью жилы либо обо­лочки. В этом случае возможны от­клонения от закона Пашена, особен­но в области малых значений pD, так как возможно развитие разрядов по поверхности газовых включений.

Для воздушных прослоек, распо­ложенных между стеклянными пла­стинами, С. М.Брагиным была по­лучена зависимость Unpот рА при переменном напряжении, которую можно рекомендовать для прибли­женных расчетов в кабельной изо­ляции (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость пробивного напряжения пленки газа от про­изведения рΔ

Электрическая прочность газовой пленки зависит также от при­роды самого газа. Для повышения электрической прочности газо­наполненных кабелей применяют элегаз (SF6) и фреон (CC12F2). Электрическая прочность этих газов примерно в 2,2 — 2,5 раза выше электрической прочности воздуха.

При постоянном напряжении и высокой начальной напряжен­ности поля Енв газовом включении возникает ионизация, в ре­зультате которой на некоторое время (примерно на 10-7 с) газ становится проводником. При этом на поверхности включения об­разуется свободный поверхностный заряд. Плотность заряда распределяется таким образом, что на­пряженность поля этого заряда час­тично компенсирует внешнее при­ложенное поле и результирующее поле в газовом включении будет зна­чительно уменьшается. Это приво­дит (при некоторой напряженности поля погасания Еп) к прекращению ионизации, и воздушное включение снова становится непроводником (рис. 2). Период существования ионизации на рисунке обозначен ∆t1. В дальнейшем свободные заряды стекают через диэлектрик, и напря­женность поля во включении нарастает по экспоненциальному закону с постоянной времени релак­сации . Если бы не происходило ионизации, то напряжен­ность поля достигла бы некоторого значения Ев, но при Е = Енионизация возникает снова и цикл повторяется. Время цикла определяется в основном перио­дом между погасанием и зажиганием ∆t2, который зависит от по­стоянной времени релаксации τ. Значение τ для высококачествен­ных диэлектриков находится обычно в пределах от нескольких се­кунд до десятков секунд (в полиэтилене — нескольких часов).

Рис. 2. Напряженность элект­рического поля при разрядах в воздушных включениях

При переменном напряжении после ионизации в газовом вклю­чении также возникают поверхностные заряды, поле которых в один полупериод направлено против внешнего поля. Но в следу­ющий полупериод внешнее поле изменяет направление, и поле зарядов уже не ослабляет его, а усиливает, что приводит к новой вспышке ионизации. В зависимости от внешнего напряжения частота этих вспышек может быть в два или более раз выше частоты напря­жения, т. е. возможно возникновение интенсивной ионизации.

Таким образом, влияние ионизации на процесс старения изо­ляции при переменном напряжении будет значительно больше, чем при постоянном напряжении.

Наличие интенсивной ионизации при переменном напряже­нии является одним из основных факторов, ограничивающих ра­бочую напряженность поля в изоляции.

Отказ (выход из строя) кабеля происходит вследствие накопле­ния признаков старения в процессе эксплуатации или ускоренных испытаний. Многочисленные эксперименты показали, что время наработки (до пробоя изоляции) для заданных температуры Т, напряженности электрического поля Е и степени старения может быть представлено функцией

где А и п — постоянные коэффициенты для данной изоляции; W— энергия активации процесса старения, Дж/моль; R = 8,31 Дж/(моль•К).

Зависимость tpот Е представ­лена на рис. 3. На участке 1 коэффициент п велик вследствие малого времени воздействия на­пряжения (импульсов), а на уча­стке 2 при меньшей напряжен­ности поля значение п суще­ственно уменьшается. На этом участке возникают частичные разряды. На участке 3, где интенсивность частичных разрядов слабая, коэффи­циент п снова возрастает. По дан­ным многочисленных публика­ций, электрического старения на участке 3 почти не происходит, если интенсивность частичных разрядов в изоляции не превышает некоторого безопасного уровня.

Рис. 3. Логарифмическая зависи­мость tр от Е:

1…3— участки характеристики

В кабелях с изоляцией, пропитанной вязким электроизоляционным составом, возможно образование газовых включений, в которых возникают частичные разряды. Исследования при циклическом режиме нагревания и охлаждения были проведены для кабелей на напряжение 35 кВ марок ААШв 1×120 и АСШв 1×150 lизоляцией, пропитанной составом МП-2, и марки ЦАСШв с пропиткой нестекающим составом МП-5. Образцы кабелей длиной 30 м с герметизированными концевыми заделками подвергали цикли­ческому нагреванию и охлаждению до температуры окружающей среды. Внутри жилы и под оболочкой были смонтированы медные трубки, соединенные с манометрами. Установлено, что в период охлаждения давление в кабеле становится ниже атмосфер­ного, что приводит к образованию газовых включений с пони­женным давлением. В соответствии с законом Пашена это способ­ствует возникновению частичных разрядов.

Измерения зависимости tgδ от напряжения показали, что в пе­риод нагревания приращение его с повышением напряжения от­сутствует, а это свидетельствует об отсутствии частичных разрядов. В период охлаждения происходит увеличение tgδ, что характерно для напряжения нормальной эксплуатации кабелей или меньшего. Это особенно важно при перенапряжениях, возникающих в кабе­лях в режимах с одноместным замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью (при линейном напряжении вместо фаз­ного между жилой и оболочкой).

В период нагревания изоляция подвергается медленному старе­нию по механизму термической деструкции. В период охлаждения происходит ее старение под действием ионизации в газовых вклю­чениях, а термическое старение замедляется в связи с понижени­ем температуры. Для выражения такого комплексного старения предложена эмпирическая зависимость, подтвержденная экспери­ментально:

где Unp— пробивное напряжение.

На рис. 4 приведены зависимости пробивного напряжения образцов от времени старения при различных температурах, соот­ветствующие формуле (2). Из рис. 4 можно получить зависимость

Рис. 4. Логарифмическая зависимость пробивного напряжения изоля­ции от времени старения при различной температуре

Если цикл испытаний составляет 8 ч, то для подтверждения 30 лет срока службы кабеля на 10 кВ при длительно допустимой температуре нагревания жилы 70 °С необходимо, чтобы он выдер­жал без пробоя испытания в течение 400 циклов при напряжении 17,3 кВ и максимальной температуре в цикле 90 °С. Этот норматив применяется при испытаниях кабелей, если произошли измене­ния в составе изоляции.

В маслонаполненных кабелях повышенное давление в пропиты­вающем бумажную изоляцию масле предотвращает образование газовых включений и возникновение в них частичных разрядов. При термическом старении изоляции происходит возрастание tgδ и постепенное повышение температуры изоляции, которое при­водит в конечном счете к тепловому пробою.

В процессе старения пропитанной бумажной изоляции проис­ходит выделение газообразных продуктов термической деструкции: водорода, метана, СО2, СО и др. Содержание газов в пропитываю­щем составе определяют по пробам масла, взятым из кабельной линии с применением метода газовой хроматографии. Если содер­жание газов превысит предел их растворимости в пропитывающем составе при нижнем пределе давления в кабельной линии, могут образовываться газовые включения и возникать частичные разряды, которые приведут к ускоренному старению и пробою изоляции.

При расчете полиэтиленовой изоляции кабелей высокого на­пряжения используют средние значения допустимой напряженно­сти электрического поля в изоляции, а также проводят расчет по электрической прочности при воздействии импульсных перена­пряжений (аналогично маслонаполненным кабелям). Толщину изо­ляции определяют по формуле

где U — расчетное напряжение; Ер — расчетное значение средней напряженности поля.

В качестве изоляции применяют полиэтилен низкой плотно­сти, сшитый с применением перекиси дикумила. Процесс сшива­ния и охлаждения изоляции проводят при повышенном давлении (1 …2 МПа), что предотвращает образование газовых включений и частичных разрядов в изоляции.

В формуле (1) п > 12 при отсутствии влаги (имеется металли­ческая оболочка) и п≈10 при возможности воздействия влаги в процессе эксплуатации.

Многочисленные экспериментальные данные по старению по­лиэтиленовой изоляции показали, что в ней образуются дефекты, получившие название триинги. Различают электрические и водные триинги. После эксплуатации в течение нескольких лет кабелей на напряжения 6… 10 кВ при контакте с влагой триинги увеличива­ются по длине и, достигая нескольких десятых долей миллиметра, приводят к пробою изоляции.

Основы кабельной техники/ под ред. И.Б. Пешкова. — М.: Издательский , 2006. – 432 с.

Вас также может заинтересовать:

  • Общие сведения о диэлектриках
  • Кинетика отверждения
  • Измерение объемного и поверхностного сопротивления твердых диэлектриков
  • Электрическое старение изоляции
  • Частичные разряды

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.

Хлорированные углеводороды

Их получают из разных углеводородов при замещении одного либо нескольких атомов водорода хлором. В качестве самого распространенного вида таких диэлектриков выступает хлорированный дифенил. Он обладает высокой вязкостью, имеет основные характеристики, соответствующие ГОСТу. Электрическая прочность этого изолятора выше иных неполярных нефтяных масел, поэтому при его использовании объем конденсатора уменьшается практически в два раза. Среди преимуществ хлорированных дифенилов выделим их негорючесть, а недостатками являются токсичность и высокая стоимость.

Среди недорогих отечественных материалов, обладающих отличными изоляционными характеристиками, выделим смесь изобутена и его изомеров (октол), получаемую в результате крекинга нефти.

Причины уменьшения электрической прочности

Наиболее отрицательное влияние на электрическую прочность изоляции оказывает переменное напряжение и температура. При переменном напряжении, то есть напряжении, которое меняется время от времени, например, электростанция выдает в линию 220 кВ, из-за технической неисправности или планового ремонта, величина напряжения уменьшена до 110 кВ, после ремонта стало опять 220 кВ. Это и есть переменное напряжение, то есть изменяющееся за определенный период времени. Ввиду того что в Российской Федерации 50 процентов электроустановок для передачи электроэнергии уже выработали свой ресурс (а он составляет 25-30 лет), то переменное напряжение довольно-таки частое явление. Среднее значение такого напряжение определяется с помощью графика:


Или определяется по формуле: Температура нагрева кабеля, вследствие протекания электрического тока, значительно уменьшает срок службы проводника (происходит, так называемое, старение изоляции). Зависимость напряженности пробоя при различной температуре изображена на графике:

Методы проверки электрической изоляции электроустановок

Испытание электрической прочности изоляции: в чём их значимость и важность?

ть электрической изоляции представляет собой один из основных и ключевых показателей надёжной и безопасной работы электрического устройства в частности и всей электрической системы в целом. В ходе производства и по его завершении на заводе-изготовителе, а потом и после транспортировки электроустановки и её монтажа на объекте проводятся неоднократные испытания электрической прочности изоляции.

Но по прошествии определённого времени и под воздействием самых различных и разнообразных нагрузок, под влиянием электрических процессов, которые происходят в самом устройстве, прочность и надёжность изоляции неизбежно ухудшается. Поэтому испытания прочности изоляции должны носить системный и регулярный характер.


Ведь именно эти испытания серьёзным образом влияют на нормальное функционирование не только одной отдельно взятой электроустановки, но и всей электрической системы того или иного объекта. Никому не хотелось бы сталкиваться с проблемами, которые были бы связаны с поломкой и входом из строя оборудования, с пожароопасными ситуациями и с различными угрозами сохранности здоровья и жизни людей на производстве и в быту.

Особенности процесса

Если напряженность электрического поля имеет большее значение, чем предел электрической прочности, возникает пробой диэлектрика. Это процесс его разрушения. Он приводит к потере в месте пробоя таким материалом его первоначальных электроизоляционных характеристик.

Пробивное напряжение — это величина, при которой наступает пробой диэлектрика.

Электрическая прочность характеризуется значением напряженности поля.

Пробой твердых диэлектриков является электрическим либо тепловым процессом. В его основе находятся явления, которые приводят к лавинному возрастанию в твердых изоляционных материалах величины электрического тока.

Пробой твердых диэлектриков имеет характерные признаки:

  • отсутствие или слабая зависимость от температуры и напряжения величины проводимости;
  • электрическая прочность материала в однородном поле независимо от толщины используемого диэлектрического материала;
  • узкие пределы механической прочности;
  • сначала ток возрастает по экспоненциальному закону, а пробои твердых диэлектриков сопровождаются скачкообразным возрастанием тока;
  • в неоднородном поле этот процесс возникает в месте с максимальной напряженностью поля.

Из чего состоит и как выглядит проверка электрической прочности изоляции?

Осуществляя, к примеру, ремонтные работы на какой-либо электроустановке, следует помнить, что из-за потенциальной угрозы повреждения изоляции на любом его этапе необходимо проводить проверку её прочности после завершения каждой технологической операции. Время испытаний определяется в соответствии с ГОСТом 183-74 и составляет одну минуту. Меньшая продолжительность времени может стать причиной того, что какой-либо дефект не удастся обнаружить, более длительное время создаёт угрозу повреждения изоляции. Соответственно, и уровень напряжения необходим такого уровня, чтобы было возможным выявить неисправности и повреждения, но при этом нельзя допустить появление новых дефектов как следствие самого испытания.

Проверка электрической прочности изоляции проводится только после завершения методики замера сопротивления изоляции. При этом показатели замеров должны полностью соответствовать нормативам. В условиях повышенной влажности или загрязнённости электроустановки проводить подобные испытания нецелесообразно, так как эти субъективные факторы могут стать причиной «пробоя» изоляции, искажая истинную картину состояния электрооборудования.

Организацию и проведение работ по проверке электрической прочности изоляции лучше всего доверить высококвалифицированным специалистам, ведь помимо обязательных для подобной деятельности лицензии, уровней допуска и сертификатов, они ещё предоставляют услуги специализированных электролабораторий. На мелком бытовом уровне обойтись без этого ещё можно, но для получения разрешительной документации от органов надзора и контроля без лабораторных испытаний невозможно обойтись.

Наша компания предоставляет своим клиентам широкие возможности организации разнообразных лабораторных испытаний, гарантируя высокое качество работы, неукоснительное соблюдение сроков и доступные цены. Обращаясь в , вы можете быть уверены в том, что останетесь довольны полученным результатом.

Пример технического отчета

Ниже вы можете воспользоваться онлайн-калькулятором для расчёта стоимости услуг электролаборатории.

Классификация

По агрегатному состоянию все электроизоляционные материалы подразделяют на жидкие, газообразные, твердые. Самой масштабной является последняя группа диэлектриков. К ним относятся пластмассы, керамические изделия, высокополимерные материалы.

В зависимости от химического состава, электроизоляционные материалы подразделяют на неорганические и органические.

В качестве основного химического элемента в органических изоляторах выступает углерод. Максимальные температуры выдерживают неорганические материалы: керамика, слюда.

В зависимости от способа получения диэлектрики принято разделять на синтетические и природные (естественные). Каждый из видов имеет определенные особенности. В настоящее время многочисленной группой являются синтетические вещества.

Твердые диэлектрические материалы дополнительно подразделяют на отдельные подкатегории по структуре, составу, технологическим характеристикам материалов. Например, существуют воскообразные, керамические, минеральные, пленочные изоляторы.

Для всех этих материалов характерна электрическая проводимость. С течением времени у подобных веществ наблюдается изменение значения тока из-за снижения тока абсорбции. С определенного момента в электроизоляционном материале существует только ток проводимости, от величины которого и зависят свойства данного материала.

Тепловой пробой

Он появляется при больших диэлектрических потерях, подогреве материала иными источниками тепла, при некачественном отводе тепловой энергии. Такой пробой диэлектрика сопровождается нарастанием электрического тока в результате резкого снижения сопротивления на участке, где нарушена проводимость тепла. Подобный процесс наблюдается до того времени, пока не возникнет полное термическое разрушение диэлектрика в ослабленном месте. Например, произойдет расплавление исходного твердого электроизоляционного материала.

Особенности электроизоляционных материалов

Рассмотренные виды пробоя твердых диэлектриков нашли свое применение в современной электротехнике.

Среди жидких и полужидких диэлектрических материалов, используемых в настоящее время в технике, интерес представляют трансформаторное и конденсаторное масла, а также синтетические жидкости: совтол, совол.

Минеральные масла получают в результате фракционной перегонки сырой нефти. Между отдельными их видами существуют различия по вязкости, электрическим характеристикам.

Например, кабельное и конденсаторное масла имеют высокую степень очистки, поэтому обладают прекрасными диэлектрическими характеристиками. Негорючими синтетическими жидкостями являются совтол и совол. Для получения первой проводят реакцию хлорирования кристаллического дифенила. Эта прозрачная вязкая жидкость обладает токсичностью, способна раздражать слизистую оболочку, поэтому при проведении работ с таким диэлектриком необходимо тщательно соблюдать меры предосторожности.

Совтол — это смесь трихлорбензола и совола, поэтому для данного электроизоляционного материала характерно более низкое значение вязкости.

Обе синтетические жидкости применяют для пропитки современных бумажных конденсаторов, установленных в промышленных устройствах переменного и постоянного тока.

Органические высокополимерные диэлектрические материалы состоят из множества молекул мономеров. Высокими диэлектрическими характеристиками обладает янтарь, натуральный каучук.

У воскообразных материалов, например церезина и парафина, четко выражена температура плавления. Такие диэлектрики имеют поликристаллическое строение.

В современной электротехнике востребованы пластмассы, являющиеся композиционными материалами. В их составе есть полимеры, смолы, красители, стабилизирующие вещества, а также пластифицирующие компоненты. В зависимости от отношения к нагреванию, их подразделяют на термопластичные и термореактивные материалы.

Для работ в воздушной среде применяют электрокартоны, у которых более плотная структура в сравнении с обычным материалом.

Среди слоистых электроизоляционных материалов, имеющих диэлектрические характеристики, выделим текстолит, гетинакс, стеклотекстолит. Эти слоистые пластмассы, в которых в качестве связующего вещества выступают кремнийорганические или резольные смолы, являются прекрасными диэлектриками.

Что такое электрическая прочность изоляции и как ее контролировать?

Передача электрической энергии на любые расстояния осуществляется по металлическим проводникам, которые обязательно должны отделятся диэлектриком. От качества изоляции во многом зависят не только эффективность работы энергосистемы, но и безопасность человека. Однако со временем технические характеристики диэлектрика утрачиваются, из-за чего во всех устройствах периодически должна проверяться электрическая прочность изоляции.

Электрическое старение может ускоряться из-за воздействия ряда факторов, чтобы разобраться в них мы более детально рассмотрим строение и физические процессы, протекающие в диэлектрических материалах.

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.

Необходимость проведения замеров

Изоляционный слой электрических проводников предназначен для обеспечения:

  • защиты от воздействия внешних факторов;
  • защиты обслуживающего персонала;
  • надежности работы электрооборудования.


Назначения и типы изоляции электрооборудования
На состояние изоляции влияют следующие факторы:

  • окружающая среда (повышенная температура, влажность и т. д.);
  • превышение допустимых токовых нагрузок;
  • воздействие механических сил;
  • естественный износ эксплуатационного ресурса.

При повреждении изоляционного покрытия могут фиксироваться утечки тока, короткие замыкания и несчастные случаи с людьми. Выполнение периодического контроля качества изоляции позволяет предотвратить указанные проблемы. Контроль осуществляется посредством замера сопротивления специальными техническими средствами.

Причины уменьшения электрической прочности

Самое сильное влияние на состояние изоляции оказывает подача переменного напряжения и температурные скачки до предельных норм и выше. Температурные колебания в большую сторону ускоряют движение атомарных частиц, что повышает проводимость изоляции, и, соответственно, снижает ее электрическую прочность. Понижение температуры имеет обратный эффект – для атомов требуется больше энергии, чтобы предоставить свободу электронам или ионам в толщине диэлектрика.

Переменное напряжение создает поляризацию частиц, которые 100 раз в секунду изменяют свое направление на противоположное. Для материалов с высокой степенью чистоты данный фактор не представляет большой угрозы, однако все включения инородных веществ ведут себя иначе. Из-за неоднородности поля при переходе от изоляции к включению происходит изменение физических параметров электрических величин. Со временем включения расширяются и достигают величины микротрещин, что и приводит к старению изоляции.

Конечным результатом снижения прочности изоляции является электрический пробой, который может привести к разрушению диэлектрика и выходу со строя соответствующего оборудования.

По виду они подразделяются на:

  • Электрический – происходит в твердых изоляционных материалах, характеризуется лавинообразным процессом при котором разрываются естественные связи внутри атома;
  • Тепловой пробой – происходит когда изоляция получает больше тепловой энергии, чем способна отвести. Возникает как следствие размягчения, которое приводит к деформации и уменьшению толщины материала;
  • Электромеханический – характерен для хрупкой изоляции (фарфора, керамики) где внутренние разряды приводят к механическим повреждениям;
  • Электрохимический – обуславливается изменением химического состава изоляции. Чаще всего, в результате старения, иногда за счет диффузии металла проводника в поры диэлектрика, что и снижает электрическую прочность;
  • Ионизационный – присущ тем диэлектрикам, где присущи газовые включения или другие неоднородности, в которых происходит ионизация частиц.

На практике вышеперечисленные виды, чаще всего, дополняют друг друга, поэтому электрическая прочность снижается не сразу, а со временем старения.


Рис. 2. Зависимость видов пробоя

Для чего проверяют сопротивление изоляции кабеля?

Для чего вообще производят эти измерения? Ток у нас течет по проводнику, которым является медная или алюминиевая жила (или много жил). И между токопроводящей жилой и окружающей средой находится изоляция — пластмассовая, резиновая, ПВХ, бумажная, масляная.

Изоляция защищает жилу от соприкосновения с другой жилой, с окружающей средой, с человеком. Характеристикой качества изоляции, кроме прочих, является сопротивление изоляции. Эта характеристика измеряется в омах и их производных (кило, мега, гига).

Сопротивление — это величина обратная проводимости, то есть она показывает способность не пропускать электрический ток. Чем слабее изоляция, тем больше вероятность, что ток найдет путь и распространится из кабеля через токопроводящие поверхности и материалы. То есть произойдет пробой изоляции кабеля на поверхность какую-нибудь.

Изоляция может ухудшаться по следующим причинам:

  • старение изоляции в течении времени
  • увеличенная влажность
  • механические повреждения
  • воздействие агрессивной среды

Методы контроля

Контроль состояния и электрической прочности позволяет вовремя выявлять дефекты или старение диэлектрика в обмотках силовых трансформаторов, проходных и опорных изоляторах, высоковольтных вводах, силовых кабелях и других видах оборудования. Благодаря этому устройства можно заменить или отремонтировать, просушить изоляционную среду или установить новую обмотку. Современные испытательные установки для проверки электрической прочности могут применять различные методики.

Наиболее популярными являются:

  • Измерение сопротивления изоляции – производится при помощи мегаомметра напряжением в 500, 1000 или 2500В, в зависимости от номинала испытуемого агрегата. Длительность и нормы регламентируются Приложением 3 ПТЭЭП, на внутреннюю изоляцию подается напряжение и происходит измерение сопротивления.
  • Испытание повышенным напряжением – выполняется путем подачи на внешнюю изоляцию, устройство или его часть через испытательный трансформатор кенотронной установки повышенного напряжения. Данная процедура носит временный, а в некоторых случаях и импульсный характер, технология и нормы испытательных напряжений регламентируются ГОСТ 246060.1-81, а также более современным ГОСТ Р55195-2012 для различных видов оборудования, бумажной изоляции и прочих.
  • Измерение угла диэлектрических потерь – в идеальном диэлектрике этот параметр должен равняться 0, но чем меньше электрическая прочность, тем больше потери в изоляции. Возникает разница между активной и реактивной составляющей переменного тока, из-за чего и возрастает tg δ, что показано на рисунке ниже:


Рис. 3. Тангенс угла диэлектрических потерь

Метод 1

Последовательно подключаются источник питания, устройство для регулирования напряжения, высоковольтный трансформатор, испытуемое устройство и блоки индикации и управления. Изделия подключаются в соответствии с требованиями технических условий конкретных устройств, в соответствии с эксплуатационной документаией. Далее, испытание проводится одним из трех способов подачи напряжения, и контролируют состояние изоляции с помощью наблюдения за электрическим пробоем или поверхностным перекрытием изоляции.

Примеры расчетов

Для вычисления электрической прочности любого диэлектрика вам необходимо знать условия эксплуатации и геометрические параметры, которые затем сравниваются с табличными данными. Например, если у вас имеется промежуток с воздушным диэлектриком 2 см, к которому будет приложено напряжение в 20 кВ.

Далее вычислим напряженность электромагнитного поля по формуле:

где E – это напряженность поля, U – напряжение в электрической цепи, d – толщина изоляционного слоя.


Рис. 4. Пример расчета

Тогда напряженность для этого примера составит E = 20/2 = 10 кВ/см. Далее сравниваем полученную величину с электрической прочностью для воздуха из таблицы ниже:

Таблица: Электрическая прочность материалов

Наименование диэлектрика Электрическая прочность, кВ/см
Бумага кабельная сухая 60 – 90
Бумага, пропитанная маслом 100 – 250
Воздух 30
Масло трансформаторное 50 – 180
Миканит 150 – 300
Мрамор 35 – 55
Парафин 150 – 300
Электрокартон сухой 80 – 100
Электрокартон, пропитанный маслом 120 – 170
Слюда мусковитая 1200 – 2000
Слюда флогопит 600 – 1250
Стекло 100 – 400
Фибра 40 – 110
Фарфор 180 – 250
Шифер 15 – 30
Эбонит 80 – 100

Из таблицы видим, что пробой воздуха может начаться при 30 кВ/см, в наших расчетах получилась величина 10 кВ/см, значит, изоляция нормально выдержит такой режим работы.

Подписка на рассылку


Измерение сопротивления изоляции контрольных кабелей входит в комплекс мероприятий по оценке состояния самого кабеля и/или определению безопасности работы определенного участка электрической цепи. Полученные в результате замеров сведения помогают определить примерный остаточный срок службы кабеля — об этом можно судить по качеству (текущему состоянию) его оболочки и/или изоляции токопроводящих жил.
Сопротивление контрольного кабеля производится при определенных условиях со строгим соблюдением правил безопасности. Для выполнения операции измерения используются мегаомметры аналогового или цифрового типа.

Когда и при каких условиях производятся замеры

Согласно современным требованиям, приводимым в ПУЭ и ПТЭЭП документации, испытания изоляции на сопротивление контрольного кабеля должны производиться не реже, чем 1 раз в 3 года (1 раз в год в случае с кабелями, эксплуатируемыми в особо опасных помещениях либо задействованными в работе подвижных установок — лифты, краны и т. д.). Частота проверок также зависит от условий эксплуатации кабельной продукции — в этом случае испытания должны проводиться согласно правилам эксплуатации, устанавливаемым еще на стадии проектирования цепей управления.

Сопротивление изоляции контрольных кабелей производятся при соблюдении следующих условий:

• Температура окружающей среды — от –30 до +50°С. Влажность воздуха до 90 %. Допустимая температура и влажность зависят от возможности конкретной модели мегаомметра работать при тех или иных условиях. • Участки кабеля, условия измерения и величина напряжения, прикладываемая к токопроводящим жилам, зависят от конкретной марки изделия. • При отсутствии документации к конкретной марке контрольного кабеля, согласно ПУЭ (таблица 1.8.39), к жилам прикладывается напряжение величиной от 500 до 1000 В. • Контрольный кабель может испытываться со всеми подключенными к нему аппаратами (пускатели, реле, приборы и т. д.).

Меры безопасности:


• Замеры сопротивления изоляции контрольных кабелей напряжением до 1 кВ допустимо производить специалистами с 3-й или выше группой по электробезопасности. • Кабель отключается от питающей сети, после чего с него снимается остаточное напряжение путем заземления токопроводящих частей. • Перед началом процедур необходимо убедиться в отсутствии людей у той части аппарата, к которой присоединен мегаомметр. • Напряжение прикладывается к токоведущим частям кабеля при помощи измерительных щупов с изолированными держателями. • Запрещается прикасаться к токопроводящим жилам, к которым подключен работающий мегаомметр. • По завершению измерений с измеряемой части кабеля снимается остаточный заряд путем его кратковременного заземления или включения соответствующей функции мегаомметра (присутствует в некоторых моделях устройств).

Методика проведения измерений

Измерение сопротивления изоляции контрольных кабелей производятся согласно требованиям, предъявляемым к проведению измерения сопротивления низковольтных кабелей (до 1 кВ) за одним исключением: токопроводящие жилы можно не отсоединять от электрооборудования. Для выполнения процедуры требуется использование цифрового/аналогового мегаомметра, рассчитанного на работу при напряжении от 500 до 2500 В (зависит от спецификации конкретной марки кабеля). Алгоритм выполнения измерений выглядит следующим образом:

1. Проверка отсутствия напряжения в испытуемых токопроводящих жилах. Снятие остаточного напряжения путем заземления испытуемых жил. 2. С испытуемой стороны кабеля концы токопроводящих жил разделываются (оголяются) и разводятся друг от друга на некоторое расстояние (5–10 см). 3. Каждая жила кабеля испытывается отдельно следующим образом: o Испытуемая жила подключается к одному из входов («+») мегаомметра, все остальные жилы объединяются между собой и подключаются к «земле», куда также подключается второй вход («–») прибора (см. рисунок ниже). o На кабель подается напряжение. Если мегаомметр снабжен электромеханическим генератором, напряжение генерируется путем вращения рукоятки на оборотах 120–150 об/мин. Если генератор не предусмотрен, используется внешний источник электропитания (питающая сеть или аккумулятор). o Испытания проводятся в течение 1 минуты. По истечении этого времени результат заносится в журнал. o Далее действия повторяются по отношению к каждой токопроводящей жиле (испытуемая жила подключается к выводу мегаомметра, все другие — объединяются в единую цепь со вторым выводом прибора и подключаются к «земле»).

Особенности электрической прочности изоляции: способы измерения и причины колебания

Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, либо проводят его, но плохо. С этими веществами тесно связан пробой изоляции.

Пробой изоляции — это явление, когда диэлектрические части начинают проводить ток, то есть фактически превращаются в проводники.

Если значение напряжённости в электрическом поле веществ увеличивается, что и является причиной пробоев. Для всех диэлектрических веществ есть свои пороги значений электрической прочности изоляции.

Сегодня расскажем, почему прочность изоляции может истончаться и приводит к пробоям в изоляции.

В физике

Когда напряжение в проводниках увеличивается, соответственно повышается и значения напряжённости в электрических полях. Сам пробой изоляции же возникает в проводниках, которыми могут выступать кабельные жилы или пластины.

При этом значение прочности электричества измеряется киловольтом на миллиметр или киловольтом на сантиметр. Это подходит плоским кабелям, выполненным в виде лент или пластинок, обладающими равномерными изоляционными слоями. Отличным примером является бумажный конденсатор.

Пробои в изоляции становятся причиной коротких замыканий в электрической сети. Для слоёв изоляции её значения прочности изоляции являются ключевым параметром.

О том, какой именно прочностью должны обладать изоляционные слои на тех или иных электрических установках или электрическом оборудовании, можно прочитать в соответствующих разделах ГОСТа.

Какими бывают пробои

Разделяют несколько видов пробоев изоляции. К ним относятся:

  1. Электрические пробои.
  2. Тепловые пробои.
  3. Ионизационные пробои. Такой вид возникает из-за ионизации газов в диэлектрических веществах твёрдого типа.

Значения прочности зависят от неоднородных полей и протекающего процесса ионизации газов. Кроме того, это могут быть другие химические реакция, происходящие с материалом, из которого сделан слой изоляции.

Пробои могут возникнуть в одинаковых материалах от воздействия разных напряжений. Обычные порог значения напряжений выясняется путём длительных тестов и вычислений.

С помощью закона Пашена можно вычислить значение зависимости энергетической прочности от давления и размера газовых слоёв.

Связь с газом

Не все знают, как связаны между собой газ и изоляционные слои на электрическом оборудовании. При этом они тесно связаны между собой, поскольку газ считается хорошим диэлектрическим веществом.

С помощью газа обеспечивается изоляция на электрическом оборудовании, рассчитанном на большое количество вольт.

Для такой изоляции применяют:

  1. Воздух.
  2. Азот.
  3. Гексафторид серы.

Гексафторид серы можно называть элегазом, он является одним из самых лучших способов обеспечения изоляции. Чтобы распределять и принимать электричество больше ста киловольт, применяют специальные устройства распределения.

Благодаря таким устройствам можно создавать отводы на электрических подстанциях, или создавать приём электрической энергии в большие города.

Для устройства распределения как раз используют элегаз. Его применяют не только как слой изоляции: газ может возникать при работе проводов, наполненных маслом. При прохождении напряжений с разным значением возникают прогрев и охлаждение.

«Термической деструкцией» называют кабели, где изоляционный слой из бумаги пропитан маслянистым веществом. При распаде целлюлозы образуется такие вещества, как метан, газы (углекислый и угарный), другие летучие вещества.

Когда слой изоляции начинает устаревать, может возникнуть пробой с ионизацией. По этой причине сегодня всё реже применяются проводники с изоляцией из пропитанной бумаги, а если они где и встречаются, то в сетях до тридцати пяти киловольт.

Почему прочность уменьшается

Есть несколько основных факторов, которые напрямую влияют на уменьшение прочности в сети:

  • Переменные напряжения;
  • Температурные значения.

В первом случае напряжение в сети может меняться. Например, на электрической станции линия достигает значений двести двадцать киловольт, но в случае поломок напряжение может упасть до ста десяти киловольт.

После обслуживания и ремонта напряжение вернётся к изначальным значением.

Такое напряжение и называют переменным, изменяющееся в определённый временной промежуток. Из-за того, что в России многие сети существуют довольно давно, они уже обзавелись своими ресурсами.

Переменное напряжение не является редким явлением для наших сетей.

При прохождении тока кабели соответственно нагреваются. Постоянные высокие температуры могут воздействовать на проводник, что влияет и на слой изоляции. Пробои напрямую зависят от разных температур.

Прочность в силовых кабелях

Для кабелей значение электрической прочности изоляции является важной характеристикой. В России во многих линиях с напряжением до пятисот киловольт считаются провода с изолирующим слоем из бумаги, пропитанной маслом.

При повышенных номинальных значениях напряжения вес провода будет увеличиваться.

Существует несколько масел, используемых для пропитывания изоляционного слоя:

  • Дегазированные масла.
  • Маловязкие масла (например, МН‑3).

Чем больше давление масла, тем выше электрическая прочность изоляционного слоя. Так, провода с давлением до пятнадцати атмосфер используют на линиях с большими значениями напряжения. Прочность при этом достигает пятнадцати киловольт на миллиметр.

Сегодня кабели с масляным слоем заменяются более современными, с изоляцией из сшитого полиэтилена. Такие кабели обычно идут с аббревиатурой СПЭ. Вес таких проводов ниже, и их проще использовать, при этом срок эксплуатации у них одинаковый.

На СПЭ-кабели не оказывают большого воздействия температурные перепады. Кроме того, им не нужно дополнительное оборудование (например, масляные компенсирующие баки, чтобы масло всегда было на проводнике в случае пропитанной изоляции). Специалисты подтверждают, что СЭП проще обслуживать и ремонтировать.

СЭП сегодня активно развивается самыми разными производителями. При этом кабели значительно расширили свои характеристики, особенно по сравнению с кабелями с масляным слоем.

Минусом таких современных проводников является более быстрое старение. Тем не менее, современные компании производителей активно работает над этим моментом для устранения проблемы, и это уже значительно замедлило процесс старения изолирующего слоя в проводах.

Если раньше причиной пробоев в слоях были триинги, сегодня их нельзя назвать большой проблемой.

Поскольку мир не обходится без использования электрической энергии, растёт и потребность в развитии проводников для проведения электрический проводок и линий электрического обслуживания.

Благодаря этому провода развиваются и совершенствуются, а кроме того, повышается электрическая прочность , благодаря чему провода служат значительно дольше.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: