Что такое коэффициент поляризации изоляции

1.ЗАЧЕМ ПРОВЕРЯЮТ СОСТОЯНИЕ ИЗОЛЯЦИИ?

Любой электрический кабель состоит из металлических токоведущих жил, изолированных друг от друга и защищенных одной или несколькими оболочками от воздействия окружающей среды. Состояние диэлектрической оболочки кабеля или электропроводки непосредственно влияет на безопасность персонала, обслуживающего электроустановки. Нарушение изоляции, вследствие механических воздействий (при монтаже проводки, укладке кабеля или в процессе проведения земляных работ), условий окружающей среды (воздействие повышенной температуры и влажности), условий эксплуатации (некачественные соединения, превышение расчетных параметров) или естественного старения, несет в себе риск возникновения аварийных ситуаций. Последствия от пробоя изоляции представляют опасность поражением электрическим током, возможным пожаром, повреждением электрооборудования и имущества.

Для потребителя замена поврежденного силового кабеля или скрытой электропроводки здания – это очень трудоемкое и затратное мероприятие. Кроме того, при аварийном отключении электрической энергии невозможно точно подсчитать убытки от простоя оборудования, брака (для производства с непрерывным циклом), утраты компьютерных данных (например, при выходе из строя сервера) и потери репутации (например, для банка). Для некоторых категорий потребителей (больницы, транспорт, связь, военные объекты) ситуация с отключением электричества является недопустимой.

Для генерирующих организаций и поставщиков электрической энергии также необходимо постоянно контролировать состояние изоляции электрооборудования и распределительных сетей. Частые аварии или повышенный ток утечки кабельных линий грозят материальными убытками и влекут за собой финансовые санкции и штрафы со стороны потребителей электроэнергии.

Давно известно, что легче предотвратить проблему, чем потом преодолевать последствия от ее возникновения. Оказывается, состояние изоляции можно оценить, измеряя всего несколько параметров: сопротивление изоляции постоянному току R_ISO, коэффициенты абсорбции DAR, поляризации PI и диэлектрического разряда DD. Значения этих величин позволяют обнаружить расслоение и загрязнение, определить ток утечки, степень влажности и старения, т.е. сделать вывод о пригодности кабеля или электропроводки к дальнейшей эксплуатации. Проведение регулярных проверок и измерения состояния изоляции поможет предотвратить непредвиденные нарушения в электроснабжении. После проведения ремонтных работ или при вводе нового объекта электроснабжения, проводятся внеплановые измерения сопротивления изоляции.

Рис.1. Измеритель параметров электроизоляции MIC-5010 и набор аксессуаров из стандартной комплектации.

Компания Sonel S.A. разработала и производит, хорошо зарекомендовавшие себя измерители сопротивления изоляции серии MIC (портативные МIC-10 и МIC-30; с улучшенной эргономикой MIC-2505, MIC-2510; и профессиональные МIC-5000, МIC-5005 и MIC-5010), которые позволяют выполнить все необходимые измерения. Новые модели MIC-10k1 и MIC-5050 имеют графический дисплей, повышенный диапазон испытательного напряжения (10 кВ и 5 кВ соответственно), интерфейсы Bluetooth® и USB, а также возможность проведения измерений в условиях сильных электромагнитных помех (например, на высоковольтных трансформаторных подстанциях).

В стандартной комплектации измерителей серии MIC присутствует необходимый набор измерительных зондов, проводов и зажимов типа «крокодил», а также удобная сумка для переноски. В отличие от имеющихся на рынке приборов даже известных брендов, в измерителях SONEL все аксессуары (рис.1): измерительные провода с гарантированной стойкостью по напряжению до 11 кВ, а также зонды и измерительные зажимы типа «крокодил» имеют специальные безопасные разъемы и отвечают самым строгим требованиям европейского стандарта EN 61010-031.

2.НЕМНОГО ТЕОРИИ.

Диэлектриком или изолятором называется вещество, практически не проводящее электрический ток. Как и все материалы, изоляторы тоже содержат свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обуславливают их электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.

Важной особенностью диэлектриков, является способность запасать энергию под действием внешнего электрического поля. Почему это происходит? В твердом диэлектрике молекулы ориентированы случайным образом и имеют ограниченную подвижность, а электрические заряды прочно связаны с атомами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. образуются диполи (рис.2).

Рис.2. Поляризация и образование диполей.

Однородный диэлектрик в идеальном случае (при отсутствии потерь) представляет собой плоский конденсатор. Емкость такого конденсатора рассчитывается по формуле:

где:
C — емкость плоского конденсатора (Фарад),
S — площадь пластин конденсатора (м2),
d — расстояние между пластинами (м),
ε₀ — электрическая постоянная (примерно 8,85х10-12 Ф/м),
ε — относительная диэлектрическая проницаемость.

Рис.3. Плоский конденсатор для постоянного тока

Под действием электрического поля в электроизоляционных материалах возникает проводимость, но вследствие движения ионов и дипольных молекул, а не электронов, как у проводников. Поэтому изоляторы обладают очень слабой электропроводностью. Обусловленный этой электропроводностью ток именуется током утечки. Ток может протекать как через весь объем диэлектрика, так и через его поверхность. Поверхностная электропроводность объясняется присутствием влаги или загрязнений на поверхности диэлектрика. На практике изоляторы не всегда состоят из однородного диэлектрика. Например, в оболочке кабеля могут применяться композиции из различных материалов. Внутренние слои изоляции, являющиеся своеобразными последовательно включенными емкостями, станут заряжаться через очень большие сопротивления смежных слоев. Эти процессы сопровождаются накапливанием в диэлектрике зарядов, вследствие чего от источника постоянного тока через емкости слоев потекут токи. Описанные физические процессы могут быть отражены схемой замещения диэлектрика с потерями (рис. 4).

Рис.4. Схема замещения диэлектрика с потерями

Схема содержит три параллельные цепи: ветвь с емкостью С изображает заряд геометрической емкости и электронную и ионную поляризацию; соответствующие этим явлениям токи протекают одинаково быстро, поэтому объединены в одну цепь. Вторая цепь — это последовательно включенные емкость поляризации С_абс и сопротивление абсорбции r_абс, эквивалентные емкостям и сопротивлениям последовательно включенных емкостей и сопротивлений по числу слоев. Третья цепь — сопротивление R_пр соответствует сквозной проводимости.

Токи утечки являются причиной нагревания диэлектрика, а основной вклад в потери вносят процессы проводимости и установления поляризации. Проводимость определяет потери под действием постоянного напряжения и, в меньшей степени, при низких частотах. По мере повышения частоты возрастает роль поляризационных потерь. Дело в том, что поляризация устанавливается не мгновенно, а в течение некоторого времени, зависящего от типа поляризации.

Рис. 5. Зависимость тока от времени действия постоянного напряжения
При подаче постоянного напряжения на конденсатор, между обкладками которого находится диэлектрик, через него протекает падающий со временем ток (рис. 5):

Спадающий со временем ток абсорбции I_абс обусловлен смещением связанных зарядов в ходе медленных поляризаций. Поэтому потери, вызванные током абсорбции, происходят только в процессе медленных поляризаций и вызывают рассеяние энергии в диэлектрике, так называемые диэлектрические потери. Время затухания зависит от свойств изоляции (в частности, от содержания влаги – чем суше изоляция, тем медленнее затухает ток абсорбции).
Сквозной ток утечки I_скв вызван перемещением в диэлектрике свободных зарядов различной природы, не изменяется со временем и вызывает потери, аналогичные поте-рям по закону Джоуля — Ленца в проводниках.

Сопротивление изоляции R_ISO определяет закон Ома:

где:
R_ISO — сопротивление изоляции (Ом),
U_изм — постоянное напряжение измерения (В),
I_скв — сквозной ток утечки (А).

Из характеристики видно, что в первый момент времени при подаче постоянного напряжения между обкладками конденсатора возникает импульс зарядного тока I_см (через емкость мгновенной поляризации). Величина этого импульса определяется только активным сопротивлением цепи (индуктивностью цепи можно пренебречь), так как в первый момент после включения любой конденсатор ведет себя как короткозамкнутый. При малом сопротивлении цепи импульс зарядного тока по величине приближается к току короткого замыкания. В последующий момент происходит заряд абсорбционной емкости (емкости медленной поляризации). В диэлектрике конденсатора под действием напряжения абсорбируется (поглощается) электрическая энергия. Ток заряда (ток абсорбции I_абс) спадает примерно по экспоненциальной кривой, определяемой постоянной времени цепи τ = R_ISO * C (можно пренебречь внутренним сопротивлением источника тока, которое намного меньше величины сопротивления изоляции).

Постоянная времени определяет скорость спада кривой тока: через промежуток времени, равный τ, зарядный ток будет составлять 36,8% начального значения, а через время равное З τ – всего 5%, т. е. практически процесс заряда заканчивается. На рис. 5, в момент времени t, ток утечки Iскв определяется только сопротивлением R_ISO изоляции и является одним из основных критериев при ее оценке.

Так как значения времени спада абсорбционного тока для разных объектов могут значительно различаться, то измерение сопротивления изоляции должно производиться через некоторый промежуток времени после приложения напряжения, в течение которого абсорбционный ток спадет до нуля. Сопротивление, измеренное сразу после включения, всегда будет меньше за счет прохождения в измеряемой цепи абсорбционных токов, что может привести к ошибочному результату (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость сопротивления RISO от продолжительности измерения

Сопротивление диэлектриков в ряде случаев зависит также от величины приложенного напряжения, уменьшаясь при его возрастании. Эта зависимость обычно обнаруживается при неплотном прилегании электродов к поверхности изоляции. Она также наблюдается и у пористых материалов в результате перераспределения влаги в капиллярах под действием приложенного напряжения, а также в случае образования объемных зарядов в диэлектрике, создающих электродвижущую силу высоковольтной поляризации.

В зависимости от механизма протекания, электрический пробой диэлектриков может быть исключительно электрическим, электротепловым и электрохимическим. При электрическом пробое канал высокой проводимости возникает за счет резкого увеличения количества заряженных частиц – это могут быть свободные электроны примеси или электроны, вырываемые электрическим полем с поверхности металлических электродов. Электрический пробой наступает при подаче напряжения, превышающего предельно допустимое значение. Процесс ударной ионизации соответствует вертикальному участку кривой на рис.7.

Электротепловой пробой происходит за счет разогрева диэлектрика от приложенного напряжения, вследствие диэлектрических потерь. Причем с увеличением температуры электрическое сопротивление изоляции уменьшается, т.е. растет сквозной ток и это в свою очередь приводит к разогреву диэлектрика вплоть до изменения его механических свойств: он растрескивается, оплавляется и, таким образом, даже при относительном низком напряжении может наступить электротепловой пробой изоляции.

В твердых диэлектриках в канале пробоя остаются проводящие продукты разложения, поэтому электроизоляционные свойства после снятия напряженности не восстановятся.

Рис. 7. Зависимость R_ISO от напряжения измерения

Величина сопротивления изоляции зависит от температуры диэлектрика и с повы-шением температуры резко уменьшается по экспоненте (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость сопротивления R_ISO от температуры

Измерения RISO следует производить при температуре изоляции не ниже +5 °С. При более низких температурах, результаты измерения из-за замерзания влаги не отражают истинной характеристики изоляции (электропроводность льда значительно меньше). Если сопротивления изоляции одного и того же объекта измерены при разных температурах, то для сравнения результаты должны быть приведены к одной температуре.

После отключения испытательного напряжения, внутреннее электрическое поле слабеет, и случайное распределение молекул в диэлектрике медленно восстанавливается с постоянной времени релаксации. Физический смысл времени релаксации состоит в разряде собственной емкости диэлектрика C через сопротивление R_ISO. На это явление следует обратить особое внимание, т.к. требуется значительное время для рассеивания энергии, запасенной в изоляции кабеля, а напряжение при этом может долго превышать безопасное значение! Например, если принять U_o = U_изм = 1000 В, а величину емкости кабеля С = 1 мкф и R_ISO = 1 ГОм, то при саморазряде за время релаксации 1000 секунд напряжение в кабеле все еще будет около 370 В (рис. 9).

Рис. 7. Зависимость R_ISO от напряжения измерения

Все измерители сопротивления изоляции компании SONEL, по окончании измерений автоматически разряжают измеряемый объект через внутренний резистор 100 кОм. В этом случае при тех же исходных параметрах, напряжение спадет до величины 370 В всего за 0,1 секунды, а по завершению автоматического разряда емкости безопасный уровень напряжения, обозначенный на рис.9 красной стрелочкой, составит менее 2 Вольт.

Выводы:
1. Измерения проводятся постоянным напряжением, не превышающим предельно допустимого.
2. Измерения R_ISO продолжаются несколько минут, чтобы завершился процесс поляризации.
3. При измерении тока утечки нужно компенсировать явление поверхностной проводимости.
4. Сопротивление изоляции с повышением температуры резко уменьшается по экспоненте.
5. Нельзя проводить измерения сопротивления изоляции при отрицательной температуре.
6. После завершения измерения необходимо полностью снять накопленный в диэлектрике заряд.

3.ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ИЗОЛЯЦИИ.

Коэффициент абсорбции DAR (Dielectric Absorption Ratio) — это коэффициент диэлектрического поглощения, отражающий степень увлажнённости диэлектрика изоляции. Коэффициент используется для принятия решения о необходимости просушки гигроскопической изоляции электрических машин и трансформаторов. Метод измерения основан на сравнении величин сопротивления изоляции, измеренных через 15 и 60 секунд после начала испытаний: DAR = R60/R15.

Появление влаги в изоляции (абсорбция влаги) приводит к резкому снижению сопротивления RISO и росту тока утечки, так как во влаге содержатся растворенные примеси, т. е. свободные ионы. Уменьшение сопротивления опасно также и тем, что приводит к росту диэлектрических потерь. Вследствие этого снижается напряжение теплового пробоя и, кроме того, происходит дополнительный нагрев изоляции, что влечет за собой ускорение темпов теплового старения. Вода – это сильнополярный диэлектрик с относительной диэлектрической проницаемостью во много раз больше, чем у диэлектрических материалов, используемых для изоляции. При неравномерном и сильном увлажнении это обстоятельство может привести к искажению электрического поля в изоляции и снижению пробивного напряжения. На практике, поглощенную влагу можно удалить из изоляции при сушке, но этот процесс потребует затрат времени и энергии.

В соответствии с действующими в РФ Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) приложение 3 и приложение 3.1, а также ПУЭ, издание 7, п.п 1.8.13, 1.8.14, 1.8.15, 1.8.16 коэффициент абсорбции необходимо измерять на обмотках двигателей и обмотках трансформаторов после капитального и текущего ремонта. По нормативам коэффициент абсорбции должен составлять не меньше 1,3. Если изоляция сухая, то этот показатель обычно превышает 1,4. Коэффициент абсорбции влажной изоляции близок к 1, и такую изоляцию необходимо просушить.

Индекс поляризации PI (Polarization Index) показывает способность заряженных частиц перемещаться в диэлектрике под воздействием электрического поля, что определяет степень старения изоляции. Метод измерения основан на сравнении величин сопротивления изоляции через 60 и 600 секунд после начала испытаний: PI = R600/R60.

Коэффициент поляризации не является обязательным при проведении испытаний и определяется при комплексном испытании электроустановок. Значение коэффициента показывает остаточный ресурс изоляции. Данное испытание занимает достаточно много времени и характеризует сильно замедленный поляризацией ток.

Приборы SONEL моделей MIC-30, MIC-1000, MIC-25хх, MIC-50хх и MIC-10k1 автоматически рассчитывают и отображают на дисплее коэффициенты абсорбции и поляризации на основании сопротивлений, измеренных по окончании интервалов времени T1, T2 и T3 от момента начала измерений. По умолчанию установлены временные интервалы: T1 = 15 с, T2 = 60 с и T3 = 600 с. Для того чтобы получить коэффициенты для отрезков времени, отличных от установленных, можно задать нужные значения из диапазона 1. 600 секунд, соблюдая правило: T1
где:
I_1мин — ток, измеренный через 1 минуту после короткого замыкания (нА),
U 7

Рис. 10. Схемы 2-х и 3-х проводного измерения изоляции

Для проведения измерения сопротивления изоляции мощных кабелей можно использовать следующую схему (Рис.11):

Рис.11. Схема измерения сопротивления изоляции мощного кабеля

Этот способ позволяет быстро оценить пригодность силового кабеля к эксплуатации, но не позволяет обнаружить замыкания между отдельными фазами L1–L2, L2–L3, L1–L3 и нейтральным проводом N. Если измерение сопротивления изоляции кабеля проводятся в неблагоприятных погодных условиях, то возможно возникновение поверхностной проводимости, искажающий результат измерения. Для исключения этого влияния также необходимо использовать трехпроводную схему измерений (Рис.12). При измерении сопротивления изоляции коаксиального кабеля между одним из проводников и экраном, влияние поверхностной проводимости устраняется соединением металлической фольги, которой покрыта изоляция проводника, с соответствующим входом измерителя. Возможный поверхностный ток утечки, который протекает через поверхность изоляционного материала и искажает результаты измерений, скапливается на экране из фольги и компенсируется прибором.

Рис. 12. Схема измерения с компенсацией поверхностной проводимости

Сопротивление изоляции ручных электрических машин измеряется относительно корпуса и наружных металлических частей при включенном выключателе. Корпус электроинструмента и соединенные с ним детали, выполненные из диэлектрического материала, на время испытания должны быть обернуты металлической фольгой, соединенной с контуром заземления.

Для приборов SONEL процесс измерения сопротивления изоляции сводится к предварительной установке параметров измерения, подключению измерительных проводников, согласно выбранной схеме и нажатию на кнопку START. Прибор выполнит измерения требуемых величин напряжения, тока утечки, сопротивления изоляции, емкости кабеля и автоматически произведет расчеты коэффициентов абсорбции, поляризации, разряда диэлектрика и отобразит их на экране дисплея (количество измеряемых и рассчитываемых параметров зависит от конкретного прибора). Новые модели MIC-10k1 и MIC-5050 оснащены графическим дисплеем, позволяющим наблюдать изменения величин на графиках в режиме реального времени. Более подробную информацию об особенностях применения и технических характеристиках измерителей сопротивления изоляции серии MIC можно получить на сайте http://www.sonel.ru/

Чтобы устранить протекание больших токов на начальном этапе измерения, приборы SONEL ограничивают величину выходного тока на уровне 1,2 мА (MIC-5005 и MIC-5010 дополнительно имеют ограничение тока в 3 мА, а MIC-5050 и MIC-10k1 еще и в 5 мА), исключая возможные повреждения изоляции (рис.13).

Рис. 13. Ограничение тока при измерении сопротивления изоляции

Режим ограничения тока сигнализируется продолжительным звуковым сигналом. В этом случае при правильных показаниях на щупах прибора присутствует напряжение ни-же заданного. Если спустя 60 секунд напряжение измерения не достигнет заданного значения (большая емкость объекта или слишком низкое сопротивление изоляции) и прибор не выходит из режима отсечки тока, то измерение прекращается, а на дисплее высвечивается сообщение о большом токе утечки. Это предупреждение отображается и при пробое изоляции во время измерений.

Электрическое сопротивление изоляции отдельных жил одножильных кабелей, проводов и шнуров должно быть измерено:
– для изделий без металлической оболочки, экрана и брони: между токопроводящей жилой и металлическим стержнем или между жилой и заземлением;
– для изделий с металлической оболочкой, экраном и броней: между токопроводящей жилой и металлической оболочкой или экраном, или броней.

Электрическое сопротивление изоляции многожильных кабелей, проводов и шнуров должно быть измерено:
– для изделий без металлической оболочки, экрана и брони: между каждой токопроводящей жилой и остальными жилами, соединенными между собой или между каждой токопроводящей жилой и остальными жилами, соединенными между собой и заземлением; – для изделий с металлической оболочкой, экраном и броней: между каждой токопроводящей жилой и остальными жилами, соединенными между собой и с металлической оболочкой или экраном, или броней.

Таким образом, необходимое количество измерений между проводниками кабеля:
– на 2-х и 3-х проводных линиях, 3 замера: L–N, N–РЕ, L–РЕ;
– на 4-х проводных линиях, 6 замеров: L1–L2, L2–L3, L1–L3, L1–РЕN, L2–РЕN, LЗ–РЕN или всего 4 замера, замыкая между собой отдельные линии: L1–L2L3РЕN, L2–LЗL1РЕN, LЗ–L1L2РЕN, РЕN–L1L2L3;
– на 5-ти проводных линиях, 10 замеров: L1–L2, L2–L3, L1–L3,L1–N, L2–N, L3–N, L1–РЕ, L2–РЕ, LЗ–РЕ, N–РЕ или 5 замеров сгруппированных линий: L1–L2L3NРЕ, L2–L1L3NРЕ, LЗ–L1L2РЕ, N–L1L2L3РЕ, РЕ–NL1L2L3.

Сократит время и автоматизирует процесс измерения сопротивления изоляции многожильных кабелей применение дополнительных адаптеров WS-04, AutoISO-2500 или AutoISO-5000.

Рис. 14 Адаптеры WS-04, AutoISO-2500 и AutoISO-5000.

Применение адаптера WS-04 (дополнительная комплектация MIC-30) дает возможность автоматического получения результата при измерении сопротивления изоляции для трех комбинаций проводников L, N, PE, в случае подключения прибора непосредственно в измеряемую сеть, которая не находится под напряжением. Максимальная величина испытательного напряжения при этом ограничена 500 В. При использовании AutoISO-2500 (дополнительная комплектация MIC-2510) происходит автоматическое измерение всех возможных комбинаций пар жил в трех, четырех и пятижильных кабелях с испытательным напряжением до 2500 В. Таким же функционалом обладает и адаптер AutoISO-5000 (дополнительная комплектация MIC-5050 и MIC-10k1), но с допустимым испытательным напряжением в 5000 В. Во всех вариантах измерение запускается только один раз и завершается после получения результатов для всех комбинаций проводников.

Анализ результатов
В случае если показания сопротивления изоляции не соответствуют нормам ПУЭ и ПТЭЭП, то этот кабель или электрическая проводка, в обязательном порядке выводятся из эксплуатации и подлежат демонтажу. Если электропроводка, находящаяся в эксплуатации имеет сопротивление изоляции менее 1 МОм, то заключение о непригодности делается после дополнительного испытания переменным током промышленной частоты напряжением 1 кВ. При полученном значении сопротивления изоляции менее допустимого, разветвленная цепь может быть разделена на несколько участков и будет необходимо измерить сопротивление изоляции каждого участка электроустановки.

В таблице 3 приведены значения минимально допустимых сопротивлений изоляции для наиболее распространенных случаев измерений.

Для всех измерителей сопротивления изоляции серии MIC оснащенных интерфейсом для связи с компьютером (или беспроводным адаптером OR-1) предлагается базовое бесплатное программное обеспечение SONEL READER для импорта результатов измерений. При необходимости, можно приобрести расширенную версию ПО «СОНЭЛ ПРОТОКОЛЫ», позволяющее автоматизировать процесс формирования протоколов измерений на основе сохраненных значений в памяти измерителей и в соответствии с разделами ПУЭ и ГОСТ 50571.

6.ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Измерители параметров электроизоляции компании SONEL являются универсальными приборами. В процессе проверки состояния изоляции может возникнуть необходимость измерения дополнительных электрических величин: постоянного и переменного напряжения, емкости кабеля, определения низкоомного сопротивление или проверки целостности соединения, т.е. «прозвонки» участка электрической цепи током 200 мА, протекающим в двух направлениях по стандарту EN 61557-4. Со всеми этими функциями справятся приборы серии MIC. Кроме того, измерители MIC серии 50xx могут проводить измерение сопротивления изоляции ступенчатонарастающим напряжением, а MIC-5050 и MIC-10k1 оснащены функцией «дожига», используемой для локализации повреждения.

7.ЛИТЕРАТУРА.

— Межотраслевые правила по охране труда при эксплуатации электроустановок
— ПОТР М-016-2001 (РД 153-34.0-03.150-00).
— Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей, введены с 2003 года.
— Правила устройства электроустановок, издание 7.
— ГОСТ Р 50571.16-2007 «Электроустановки низковольтные, часть 6 Испытания».
— МЭК 60364-6:2006

Источник

• ← Что такое коэффициент ползучести бетона
• Что такое коэффициент постели →