Лабораторная работа № 3

Тема: «Определение качества кабельной изоляции по токам абсорбции и сопротивлению изоляции».

 

Цель: Изучение приборов и методов измерения сопротивления изоляции электрооборудования; выработка навыков использования приборов и методов измерений.

1. Основне теоретические положения

Изоляция установок высокого напряжения чаще всего выполняется из комбинации нескольких диэлектриков и потому даже в нормальном состоянии, как правило, неоднородна (структурная неоднородность). Однако, при появлении некоторых дефектов или в процессе старения, когда отдельные диэлектрики по-разному изменяют свои характеристики, степень неоднородности может увеличиваться. В комбинированной изоляции, состоящей из нескольких диэлектриков с разными характеристиками, наблюдается специфическое явление накопления на границах диэлектриков зарядов, именуемых зарядами абсорбции. Это явление связано с различием свойств отдельных слоев и называется миграционной поляризацией. Поэтому величины, связанные с явлением миграционной поляризации, могут служить показателями состояния изоляции и использоваться для целей контроля.

Рассмотрим это явление на примере двухслойной изоляции плоского конденсатора при постоянном напряжении.

 

а) б)

 

Рисунок 1.Двухслойная изоляция плоского конденсатора и схема ее замещения.

 

При включении постоянного напряжения на электродах мгновенно появятся заряды, и напряженности электрического поля в слоях будут определяться только диэлектрическими проницаемостями e₁ и e₂ и толщинами d₁ и d₂ слоев.

 

 

 

Плотности токов утечки в слоях изоляции при t=0 будут равны:

 

 

 

 

где: r_V1 и r_V2 - удельные объемные сопротивления слоев изоляции.

 

/ i₁₀ ¹ i₂₀ /. Неравенство соблюдается при условии неоднородности изоляции:

 

или .

 

 

Пусть полярность напряжения такова, что верхний электрод, примыкающий к первому слою, положительный, e₂/r_V1 > e₁/r_V2 и, следовательно, i₁₀ > i₂₀.Тогда при t=0 к границе слоев приходит больше зарядов, чем от нее уходит, и на границе, разделяющей слои, начинает накапливаться заряд абсорбции. При e₂r_V2 > e₁r_V1 этот заряд положительный.

 

 

Рисунок 2. Изменение во времени напряженностей и токов утечки в двухслойной изоляции.

 

По мере накопления заряда абсорбции напряженности в слоях изоляции меняются: Е₁ уменьшается, Е₂ увеличивается. Соответственно изменяются и токи утечки в слоях, причем различие между i₁ и i₂ со временем уменьшается. Накопление заряда абсорбции завершается при t®¥, когда достигается равенство или означающее, что распределение напряженностей в изоляции определяется только удельными объемными сопротивлениями слоев. Изменение напряженностей Е₁ и Е₂,а также токов i₁ и i₂ во времени происходит по экспоненциальному закону (рис.2.).

Процесс накопления заряда абсорбции и его внешние проявления удобно анализировать с помощью схемы замещения изоляции по слоям (рис.1, б). При длительном приложении к диэлектрику постоянного напряжения U₀ на слоях устанавливаются напряжения:

 

 

Соответственно на емкостях слоев С₁ и С₂ накапливаются заряды

 

При этом на границах раздела слоев суммарный заряд будет равен

 

.

 

 

На этой схеме заряд абсорбции - это заряд в узле 1, изображающем границу между слоями изоляции, при установившемся режиме. Он равен разности зарядов на электродах емкостей С₁ и С₂, присоединенных к узлу 1.

 

Условие неоднородности изоляции может быть представлено в виде R₁C₁ ¹ R₂C₂

_.

При включении неоднородной изоляции на постоянное напряжение возникает переходный процесс. Для схемы замещения (рис.1, б), ток во внешней цепи (без учета кратковременного импульса тока заряда С₁ и С₂₎ будет определяться выражением

 

i (t) = I_¥ + I _ao e ^-t/T,

 

где - установившийся или сквозной ток утечки;

 

 

 

Изменение во времени тока в цепи неоднородной изоляции показано на рис.3.

 

Экспоненциальную свободную составляющую этого тока i_a(t) = I_ao e ^-t/T называют током абсорбции.

 

 

 

Рисунок 3. Изменение тока во времени в цепи неоднородной изоляции

Для измерения токов абсорбции используется прибор-измеритель качества изоляции (ИКИ). Прибор предназначен для определения степени старения изоляции электроустановок (кабелей, обмоток трансформаторов, электрических машин).

Прибор применяется при осмотрах и технических испытаниях в процессе эксплуатации наряду с измерением параметров изоляции (сопротивления, степени увлажнения, tgd и др.) с использованием существующих методов и приборов.

Определение степени старения изоляции на трансформаторах и электрических машинах должно проводиться в горячем, холодном, влажном и сухом состоянии.

 

Принцип действия и устройство прибора

Принцип действия прибора основан на определении качества изоляции по относительному содержанию токов абсорбции, взятых через определенный промежуток времени.

 

.

 

В качестве оценки принято отношение интегральных величин этих токов в этих же промежутках, что представляет собой коэффициент качества изоляции / К_ки /.

Этот коэффициент характеризует отклонение интегральной величины токов абсорбции и равен 1.3 для идеального случая, т.е. чем меньше коэффициент, тем хуже качество изоляции.

 

 

 

Рисунок 4. Блок схема прибора ИСИ.

 

Прибор ИСИ (измеритель состояния изоляции) состоит из следующих основных узлов: релейный блок (1), операционный усилитель (2), регулирующее устройство (3), индикатор (4), блок питания (5), генератор преобразующих напряжений (6).

Основой прибора является операционный усилитель (2) постоянного тока интегрального типа, куда поступает входное напряжение от объекта через блок (1) и суммируется 18 значений кривой тока разряда кабеля.

Релейный блок (1) осуществляет коммутацию цепей прибора для переключения режимов работы. Генератор преобразующих напряжений (6) выдает синусоидальное напряжение частотой 20 кГц для питания модулятора и демодулятора операционного усилителя.

Блок питания (5) обеспечивает стабилизированным напряжением блоки 1, 2 и 6 и питается от переменного напряжения 220 В.

Регулирующее устройство (3) позволяет установить единичное значение геометрической емкости на индикаторе (4).

Индикатором (4) служит микроамперметр на 100 мкА.