Цель: Изучение методики определения параметров изоляции электрооборудования.
Знания и умения, приобретаемые студентом при выполнении практического занятия: методики оценки электрических параметров изоляции, навык практического расчета электрических характеристик изоляции.
В результате выполнения практического занятия у студента формируются компетенции ПК-3 (способностью принимать участие в проектировании объектов профессиональной деятельности в соответствии с техническим заданием и нормативно-технической документацией, соблюдая различные технические, энергоэффективные и экологические требования).
Актуальность практического занятия обусловлена необходимостью студентов обладать навыками оценки свойств изоляции электрооборудования при проведении профилактических испытаний.
Теоретическая часть
Контроль и профилактические испытания - система мероприятий, с помощью которых обеспечивается надежная работа изоляции в процессе эксплуатации. Профилактика проводится с целью выявления дефектов, возникающих в изоляции при эксплуатации. Ослабление электроизоляционных свойств происходит за счет:
а) общего старения;
б) появления местных дефектов.
Общее старение охватывает большой объем изоляции. Местные дефекты появляются в виде сосредоточенных трещин, воздушных включений, частичных увлажнений. В большинстве случаев эти дефекты не могут быть обнаружены в результате простого осмотра изоляции, поэтому для их выявления необходима определенная система профилактических испытаний. Профилактические испытания изоляции резко снижают аварии в энергетических системах из-за своевременного выявления дефектной изоляции.
Для каждого вида изоляции характерны определенные виды дефектов. Изучение их физических особенностей и причин появления также входит в задачи профилактики изоляции. Это позволяет более правильно организовать эксплуатацию оборудования и разрабатывать наиболее эффективные методы профилактических испытаний.
Таким образом, в задачи профилактических испытаний изоляции входит:
1) создание нормальных условий работы изоляции;
2) обнаружение дефектов и их устранение;
3) изучение физических особенностей и причин появления дефектов;
4) разработка эффективных методов профилактики.
В таблице 9.1 приведены основные методы профилактических испытаний изоляции и их краткая характеристика.
Этот метод из-за своей простоты нашел очень широкое применение в практике и является одним из основных методов контроля качества изоляции.
Известно, что любая изоляция имеет конечную величину сопротивления, хотя и достаточно большую. Поэтому при приложении напряжения через изоляцию, кроме токов на зарядку геометрической емкости и абсорбционных токов, течет ток, определяемый электропроводностью диэлектрика. С увеличением дефектности изоляции ток утечки возрастает. Это явление и положено в основу данного метода.
Сопротивление изоляции равно
(5.1)
На постоянном напряжении Rиз будет изменяться во времени, поскольку на величину тока будут влиять процессы медленной поляризации. На рис. 5.1 показан характер изменения тока через изоляцию и сопротивление изоляции от времени.
Таблица 9.1 – Профилактические испытания изоляции
| № п/п | Метод испытания изоляции | Дефекты, выявляемые этим методом | Общая характеристика метода |
| Измерение сопротивления изоляции | Сквозные проводящие пути или пробой | Один из основных методов | |
| Измерение tgδ | Процессы ионизации и старения изоляции в целом | Один из основных методов | |
| Измерение емкости | Общее увлажнение изоляции | В основном для контроля влажности трансформаторов и электрических машин | |
| Определение наличия частичных разрядов | Процессы ионизации в воздушных полостях | Дополнительный метод (получает все большее распространение) | |
| Измерение распределения напряжения | Частичный пробой, несквозные пути утечки | Основной метод для гирлянд изоляторов | |
| Приложение повышенного напряжения | Местные дефекты при снижении электрической прочности | Контроль минимального запаса электрической прочности |
Рисунок 9.1 – Изменение тока утечки и сопротивления изоляции во времени
Опытным путем установлено, что для большинства изоляционных конструкций время достижения установившегося значения тока утечки I меньше 1 мин, т. е. к этому времени, после приложения напряжения, Rиз также достигнет установившегося значения.
Резкое падение Rиз показывает на далеко зашедшее развитие дефекта в изоляции либо на наличие сквозного проводящего пути или пробоя. Обычно суждение об изоляции составляется на основании сравнения с результатом предыдущих измерений Rиз или заводских данных.
Диэлектрические потери в изоляции характеризуются углом диэлектрических потерь. Как показано на рисунке 5.2, то тангенс диэлектрических потерь tgδ определяется отношением активной составляющей тока в диэлектрике к емкостной составляющей:
(5.2)
Где Iа - активная составляющая тока через диэлектрик; IС - реактивная составляющая тока через диэлектрик.
Рисунок 9.2 – Векторная диаграмма токов через диэлектрик с потерями
Измерение величины tgδ, а не величины самих диэлектрических потерьмеет следующие преимущества:
(9.3)
1) величина tgδ как характеристика материала не зависит от размеров объекта, но позволяет обнаружить возникающие в изоляции дефекты, особенно если они распространены по всему объему;
2) величина tgδ может быть непосредственно измерена мостом переменного тока.
Метод контроля изоляции путем измерения угла диэлектрических потерь является самым эффективным и распространенным. Он позволяет выявить следующие дефекты: увлажнение, воздушные (газовые) включения с процессами ионизации, неоднородности, загрязнения и др.
Измерения tgδ ведутся при напряжении до 10 кВ и частоте 50 Гц при помощи высоковольтных мостовых схем (мост Шеринга). Оценка состояния изоляции по значению tgδ предусматривается нормативами почти для всех видов изоляции. В зависимости от конструктивных особенностей объекта (заземлен один электрод или нет) используется нормальная или перевернутая схема моста Шеринга.
По нормальной схеме обычно выполняются измерения в лабораториях, а также измерения межфазной изоляции (кабель, трансформатор и т. п.). При этом оба электрода испытываемого объекта изолированы от земли (рисунок 9.3), при перевернутой схеме один из электродов объекта измерения заземлен (рисунок 9.4).
Напряжение питания моста создается с помощью высоковольтного трансформатора Т2 и регулировочного трансформатора Т1.
В схеме моста содержится эталонный воздушный конденсатор Co, магазин сопротивлений R3, образцовый резистор R4 и магазин емкостей C4. Испытуемый объект обозначен Cx. Равновесие моста устанавливается с помощью нуль-индикатора НИ, разрядники F1 и F2 защищают элементы моста от токов короткого замыкания в случае пробоя испытуемого образца. Измерительные цепи экранированы с целью защиты от паразитных емкостных токов, для чего внутренний экран всегда присоединен к нижней точке моста Д. Корпус прибора (внешняя линия) заземлен.
Рисунок 9.3 – Нормальная схема измерений с помощью моста Шеринга
На работу моста сильное влияние оказывают внешние электрические и магнитные поля от соседних высоковольтных сильноточных установок. Чтобы уменьшить ошибки, вызванные помехами, проводят два измерения с поворотом фазы питающего напряжения на 180 градусов.
Кроме влияния внешних полей на испытуемую изоляцию, возможно влияние и на весьма чувствительные цепи нуль-индикатора, представляющего собой резонансный усилитель, настроенный на частоту 50 Гц. Для частичной компенсации влияния предусматривается переключение выводов нуль-индикатора на 180° в измерительной диагонали моста.
Рисунок 9.4 – Перевернутая схема измерений с помощью моста Шеринга
Условия равновесия моста переменного тока можно записать в виде:
(9.4)
(9.5)
Приравнивая вещественные части и проводя сокращения, получаем
(9.6)
Учитывая, что 
получаем:
(9.7)
Далее сравнивая мнимые части и проведя необходимые преобразования, получаем
(9.8)
(9.9)
Затем с учетом (9.7) получаем
(9.10)
С учетом приближения tgδ<<0,1, получим:
(9.11)
Методы обнаружения частичных разрядов
Этот метод основан на радиоприеме электромагнитных излучений при частичных разрядах в изоляции. Он чаще всего применяется для выявления дефектных изоляторов на линиях электропередачи.
Недостатками этого метода являются: плохая помехоустойчивость (помехи создаются короной проводов и др.), отсутствие количественной оценки.
Другой метод основан на измерений диэлектрических потерь и определении точки перегиба на кривой зависимости тангенса диэлектрических потерь от напряжения на диэлектрике (см. рисунок 9.5), которая называется кривой ионизации. Излом на этой кривой совпадает с возникновением частичных разрядов в объеме изоляции.
Рисунок 9.5 – Кривая ионизации
К недостаткам этого метода можно отнести неспособность зарегистрировать сосредоточенные дефекты и место их нахождения. В настоящее время метод регистрации точки перегиба на кривой ионизации вытесняется методами регистрации высокочастотных составляющих тока или напряжения частичных разрядов.
Для испытания изоляции высоковольтного электрооборудования грозовыми и коммутационными импульсами используются генераторы импульсных напряжений (ГИН). Грозовые воздействия воспроизводятся стандартными импульсами напряжения: полной и срезанной волнами. Стандартные импульсы (1,2/50 или 2,0) можно получить на установке, схема которой приведена на рисунке 9.6.
Рисунок 9.6 – Принципиальная электрическая схема ГИН с односторонней зарядкой: Т - высоковольтный трансформатор; V - диод; R защ - сопротивление для ограничения зарядного тока; R 1- R 20 – зарядные сопротивления; F 1- F 11 -искровые промежутки; С - емкости ступени ГИН; Сп - "паразитные" емкости; R ф, Сф - фронтовые сопротивление и емкость; R p - разрядное сопротивление; R Н - сопротивление нагрузки
Зарядка емкостей С производится параллельно, а разряжаются они последовательно, что приводит к сложению зарядных напряжений ступеней. Для обеспечения практически одинаковой зарядки всех конденсаторов до U 0 необходимо соблюдать условие: R 1... R 20<< R защ При напряжении U 0 пробивается только F 1. Емкость разряжается в контуре С - R 2 – F 1, но R 2 большое (десятки кОм). В первый момент разрядка идет по С - С п – F 1 (Х с = 1/ ωС, со - круговая частота порядка мегагерц, следовательно, Х с - малое). С п быстро заряжается до U 0. Тогда к F 2 приложено удвоенное зарядное напряжение U 0, поэтому F 2 может иметь расстояние в 2 раза больше, чем F 1 и т. д.
Для регулирования параметров импульса напряжения и получения стандартной волны используются элементы: R ф - фронтовое сопротивление, С ф - фронтовая емкость, R P - разрядное сопротивление.
Длину фронта формируют С ф и R ф, длину импульса – R P+RH совместно
(9.12)
где С гин – емкость генератора импульсов, состоящая из последовательно включенных емкостей С Изменение амплитуды импульса регулируется изменением расстояния между шаровыми электродами F 1 F 2,..., F 10. Промежуток F 11 служит для отделения зарядной емкости ГИН от нагрузки при зарядке конденсаторов постоянным напряжением, чтобы исключить воздействие постоянного зарядного напряжения на нагрузку.
ГИН используется для испытания изоляции высоковольтного оборудования. Внутренняя изоляция испытывается приложением трех полных импульсов и трех срезанных импульсов положительной и отрицательной полярности.
Последовательность работы ГИН и расчет его параметров
Заряд параллельно соединенных конденсаторов производится от трансформатора через кенотрон и защитное сопротивление (рисунок 9.6). Длительность заряда и соответственно интервалы между импульсами зависят от емкости конденсаторов, величины зарядного напряжения R3АЩ.
Зарядное напряжение ГИН можно регулировать, изменяя величину промежутка на разряднике F 1 который иногда называют запальным. Промежутки всех остальных разрядников схемы пробиваются при больших напряжениях. По мере заряда, на верхних пластинах всех конденсаторов накапливается заряд – Q, создавая на них потенциал – φ, при этом потенциал нижних электродов с зарядом +Q продолжает оставаться равным нулю, так как они связаны с землей. В момент пробоя промежутка F 1потенциал точек 1 и2 выравнивается и становится равным – φ, а точки 3 соответственно – 2φ. Под действием возросшей разности потенциалов между точками 3—4 происходит пробой промежутка и потенциал в точке5 становится равным – 3φ.
Рисунок9.7 – Схема замещения ГИН в стадии разряда
В зависимостиот числа каскадов этот процесс может продолжаться и дальше. После пробоя последнего из промежутков П3 на выход схемы подается импульс, в данном случае отрицательной полярности. В этот момент все конденсаторы оказываются в последовательном соединении. Схема замещения ГИН в момент разряда, изображенная на рисунке 9.7, содержит: С0(Сp) —эквивалентную емкость конденсаторов всех каскадов при их последовательном соединении. Эту емкость называют емкостью в ударе, обычно она имеет величину 20-50·10-9ф; R 1 суммарное сопротивление демпфирующих сопротивлении, соединительных порогов и дуг между искровыми промежутками; R р – разрядное высокоомное сопротивление; С0 и — емкость разрядной части схемы, состоящая из емкости объекта испытания Cotl и добавочной емкости разрядного конденсатора Ср. Внутренняя индуктивность контура и емкости всех элементов схемы относительно земли на не указаны для упрощения расчетов.
Рисунок 9.8 – Схема замещения ГИН для различных стадий разряда:
а – формирование фронта импульсной волны;б – формирование хвостовой части импульса
Процесс разряда ГИН можно условно разделить на две стадии, каждой из которых будет соответствовать своя схема замещения (рисунок 5.8 а, б). В первой из них происходит формирование фронта импульсной волны, в процессе которого сопротивление R p практически роли не играет. В этот период происходит заряд распределенных и сосредоточенных емкостей схемы и самого объекта (рисунок 9.8а) и напряжение на объекте возрастает от нулевого значения тем круче, чем меньше величины указанных емкостей.
Во второй стадии происходит формирование хвостовой части импульсной волны (рисунок 9.8, б). В этот период зарядившаяся емкость объекта и емкости каскадов совместно разряжаются через сопротивления R1 и Rp, причем первым из них ввиду его относительной малости можно пренебречь.
Для получения математической связи между параметрами ГИН и параметрами импульсной волны разложим апериодический процесс разряда и соответствующее ему выходное напряжение на объекте испытания на сумму двух экспонент.
Математически это соответствует зависимости:
(9.13)
где T 1 — постоянная времени для разрядной схемы рисунок 9.8, б в момент формирования хвостовой части импульса;
(9.14)
Рисунок 9.9 – Импульсная волна ГИН как сумма двух напряжений изменяющихся по экспоненте
T 2 – постоянная времени для разрядной схемы рисунок 9.8, а в момент формирования фронта импульса,
(9.15)
где n – число конденсаторов в каскадах схемы ГИН; U – напряжение на каждом из конденсаторов в момент завершения заряда; t – текущее время с момента начала разряда схемы, мксек.
Для расчета параметров ГИН введем упрощение, предположив, что в начальный период [разряда емкостей, т. е. при формировании фронта импульса, положительная экспонента напряжения (рисунок 9.9) практически не затухает.
Это позволит записать зависимость (9.13) в более простой форме применительно к текущему времени до 1,5 мксек:
(9.16)
Так как характерные точки на фронте стандартного импульса удовлетворяют зависимости (5.16), то
; 
(9.17)
; 
(9.18)
(9.19)
После деления уравнения (5.17) на (5.18) и логарифмирования получим связь между продолжительностью фронта и параметрами ГИН
(9.20)
откуда
(9.21)
В период формирования хвостовой части импульса можно считать отрицательную экспоненту напряжения затухшей, тогда зависимость (5.13) примет вид
(9.22)
Так как по условию τв стандартного импульса соответствует спаду напряжения до величины U0/2, то
; 
(9.23)
откуда получим связь между длительностью волны и параметрами ГИН
(9.24)
Полученные зависимости (9.21) и (9.24) связывают между собой четыре постоянные величины контура: С 0, С ОБ, R Р и R 1
Напряжение волны, создаваемой ГИН, обычно на 20 – 30% меньше суммарного напряжения всех последовательно соединенных конденсаторов. Это объясняется тем, что часть накопленной энергии расходуется на подзаряд конденсаторов, подключенных на выходе схемы, а часть переходит в потери активной мощности в сопротивлениях.
Указанные потери учитываются коэффициентом использования β, зависящим от соотношений между величинами С 0, С ОБ, R Р и R 1
(9.25)
Для получения коэффициента использования, равного 0,75— 0,85, рекомендуется выбирать величины емкостей С0 > 10 С ОБ, а сопротивление R Р >10 R 1.
Для расчета параметров ГИН достаточно задать только емкость объекта испытаний, которая в совокупности с емкостью разрядного конденсатора Ср образует емкость С ОБ.
Для обеспечения апериодичности волны должно быть соблюдено условие согласования индуктивности контура и эквивалентной емкости всей разрядной схемы с активным сопротивлением R 1 в соответствии с выражением
(9.26)
Где L — индуктивность контура,гн, 
– эквивалентная емкость разрядной схемы, ф;
Задания
1. При измерении сопротивления изоляции однофазного кабеля с бумажно-масляной изоляцией определено, что оно составляет величину 10 Гом, емкость кабеля составляет величину 0,6 мкФ/км, длина кабеля 100 м, определить удельное объемное сопротивление изоляции кабеля и оценить ее состояние.
Решение.
Емкость кабеля, в предположении что его изоляция является однослойной, можно записать
(9.27)
В то же время его сопротивление запишется как:
(9.28)
Отсюда можно выразить величину удельного объемного сопротивления:
(9.29)
Если отношение 
выразить через емкость кабеля, то можно записать
(9.30)
Далее можно записать:
Ом·м (9.31)
Сопротивление изоляции находится в допустимых пределах.
2. Рассчитать параметры генератора импульсных напряжений, состоящего из импульсных конденсаторов типа ИМ-60-0,03. Номинальное напряжение каждого конденсатора 60 кВ, емкость 0,03 мкф. Для увеличения емкости конденсаторы соединяются попарно параллельно. ГИН должен создавать стандартную волну напряжения с амплитудой 1000 кВ. Объект испытания с емкостью 250 пф имеет добавочную емкость 250 пф.
Решение.
Суммируя емкости объекта и добавочную емкость, включенную параллельно объекту, получим общую емкость выходной части схемы
СОБ = СОИ + СР = 250 + 250 = 500 пф = 0,5·10-3 мкф (9.32)
Приняв значение для коэффициента использования ГИН β=0,8, определим необходимое число конденсаторов из соотношения (9.19)
(9.33)
По паспортной емкости конденсаторов с учетом их попарного соединения найдем емкость схемы в ударе
С 0 = 0,03·2/21 = 0,0028 мкф (9.34)
В соответствии с соотношением (9.24) определим величину разрядного сопротивления
Ом (5.35)
Используя соотношение (5.21), найдем величину суммарного демпфирующего сопротивления, распределенного по каскадам:
Ом (5.36)
По полученным данным из соотношения (9.25) определим истинную величину коэффициента использования ГИН
(9.37)
Найденный коэффициент соответствует ранее принятому.
3. Рассчитать значения резисторов в схеме моста переменного тока (рисунок 5.3), если эквивалентное активное сопротивление в параллельной схеме замещения исследуемого конденсатора 100 кОм, емкость 0,5 мкФ, емкость образцового конденсатора 50 пФ.
4. Генератор импульсных напряжений собран из конденсаторов с номинальным напряжением 150 кВ и емкостью 0,7 мкф каждый. Определить расчетные параметры ГИН, если он должен создавать импульсную волну с напряжением 3 МВ, падающую на трансформатор, входная емкость которого 2000 пф. Разрядная емкость, обычно включаемая параллельно объекту, в данной схеме не используется.
Контрольные вопросы
1. Методы контроля изоляции электроэнергетического оборудования
2. Тангенс угла диэлектрических потерь и методы его измерения
3. Прямая и инверсная схема измерения тангенса угла диэлектрических потерь. Области применения, особенности.
4. Методика проведения профилактических испытаний изоляции высоковольтного оборудования.
5. Допустимые значения тангенса угла диэлектрических потерь электроэнергетического оборудования.
6. Схемы подключения оборудования при изменении тангенса угла диэлектрических потерь электрооборудования на примере однофазного трансформатора напряжения.
7. Перечислите основные элементы схем ГИН и ГИТ, их назначение и принципиальные особенности.
8. На какие элементы ГИН следует воздействовать для изменения длительности интервалов между импульсами?
9. Какими параметрами разрядной схемы ГИН определяется продолжительность волны и ее фронта?
10. В каких случаях желательно получение импульсов стандартной формы?
11. Что дополнительно предусматривается в схеме ГИН, работающей по принципу управляемого разряда?
12. Какова область применения установки ГИН и ГИТ?
13. Что определяет собой коэффициент использования ГИН?
Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме
Основная литература
1. Электроснабжение сельского хозяйства: учебник / т. Б. Лещинская, и. В. Наумов; [ред. Г. В. Лихачёва]. - М.: Колос, 2008. - 655 с. – ISBN 978-5-9532-0560-3.
2. Расчет электрических полей устройств высокого напряжения: учеб. пособие / И. П. Белоедова, Ю. В. Елисеев, Е. С. Колечицкий и др.; ред. Е. С. Колечицкий. - М.: ИД МЭИ, 2008. - 248 с. – ISBN 978-5-383-00072-4
Дополнительная литература
3. Техника высоких напряжений: учебник для вузов / под ред. Д. В. Разевига. – 2-е изд., пер. и доп. – М.: Энергия, 1976. – 488 с.
4. Техника высоких напряжений(изоляция и перенапряжение в электрических установках): учебник для техникумов / В. П. Ларионов, В. В. Базуткин, Ю. Г. Сергеев; под ред. В. П. Ларионова. – М.: Энергоиздат, 1982. – 296 с.
Практическое занятие №6
