Elektrische Isolationseigenschaften und Tests

Eigenschaften und Ersatzschaltbild der elektrischen Isolierung

Wie Sie wissen, wird der Begriff „Isolation“ in der Praxis für zwei Konzepte verwendet:

1) eine Methode zur Verhinderung der Bildung eines elektrischen Kontakts zwischen Teilen eines elektrischen Produkts,

2) Materialien und Produkte daraus, die zur Anwendung dieser Methode verwendet werden.

Elektrische Isoliermaterialien Unter dem Einfluss einer an sie angelegten Spannung wird die Eigenschaft entdeckt, elektrischen Strom zu leiten. Obwohl der Wert der Leitfähigkeit elektrischer Isoliermaterialien um mehrere Größenordnungen niedriger ist als der von Drähten, spielt er dennoch eine bedeutende Rolle und bestimmt maßgeblich die Zuverlässigkeit des Betriebs eines elektrischen Produkts.

Unter Einwirkung einer an die Isolierung angelegten Spannung fließt durch diese ein Strom, der sogenannte Leckstrom, der sich mit der Zeit ändert.

Um die Eigenschaften der elektrischen Isolierung zu untersuchen und zu veranschaulichen, ist es üblich, sie in Form eines bestimmten Modells darzustellen, das als Ersatzschaltbild bezeichnet wird (Abb. 1), das vier parallel geschaltete Stromkreise enthält.Der erste von ihnen enthält nur den Kondensator C1, der als geometrische Kapazität bezeichnet wird.

Reis. 1. Ersatzschaltung der elektrischen Trennung

Das Vorhandensein dieser Kapazität verursacht das Auftreten eines sofortigen Einschaltstroms, der auftritt, wenn eine Gleichspannung an die Isolierung angelegt wird, der in fast wenigen Sekunden abklingt, und eines kapazitiven Stroms, der durch die Isolierung fließt, wenn eine Wechselspannung an sie angelegt wird. Diese Kapazität wird geometrisch genannt, weil sie von der Isolierung abhängt: ihren Abmessungen (Dicke, Länge usw.) und der Lage zwischen dem stromführenden Teil A und dem Gehäuse (Erde).

Das zweite Schema charakterisiert die innere Struktur und die Eigenschaften der Isolierung, einschließlich ihrer Struktur, der Anzahl der parallel geschalteten Gruppen von Kondensatoren und Widerständen. Der durch diesen Stromkreis fließende Strom I2 wird Absorptionsstrom genannt. Der Anfangswert dieses Stroms ist proportional zur Fläche der Isolierung und umgekehrt proportional zu ihrer Dicke.

Wenn die stromführenden Teile eines elektrischen Produkts mit zwei oder mehr Isolationsschichten (z. B. Drahtisolierung und Spulenisolierung) isoliert sind, wird der Absorptionszweig im Ersatzschaltbild in Form von zwei oder mehr in Reihe geschalteten Schichten dargestellt Gruppen aus einem Kondensator und einem Widerstand, die die Eigenschaften auf einer der Isolationsschichten charakterisieren. In diesem Schema wird eine zweischichtige Isolierung betrachtet, deren Schicht durch eine Gruppe von Elementen aus Kondensator C2 und Widerstand R1 und die zweite durch C3 und R2 ersetzt wird.

Der dritte Stromkreis enthält einen einzelnen Widerstand R3 und charakterisiert den Isolationsverlust, wenn eine Gleichspannung an ihn angelegt wird.Der Widerstandswert dieses Widerstands, auch Isolationswiderstand genannt, hängt von vielen Faktoren ab: Größe, Material, Konstruktion, Temperatur, Isolationszustand, einschließlich Feuchtigkeit und Schmutz auf seiner Oberfläche, und angelegte Spannung.

Bei einigen Isolationsfehlern (z. B. durch Beschädigung) wird die Abhängigkeit des Widerstands R3 von der Spannung nichtlinear, während sie sich bei anderen, beispielsweise bei starker Feuchtigkeit, mit zunehmender Spannung praktisch nicht ändert. Der durch diesen Zweig fließende Strom I3 wird Vorwärtsstrom genannt.

Die vierte Schaltung wird im Ersatzschaltbild der MF-Funkenstrecke dargestellt, die die Durchschlagsfestigkeit der Isolierung charakterisiert, numerisch ausgedrückt durch den Wert der Spannung, bei der das Isoliermaterial seine Isoliereigenschaften verliert und unter der Einwirkung des Stroms zusammenbricht I4 durchquert es.

Dieses Isolationsersatzschaltbild ermöglicht nicht nur die Beschreibung der Vorgänge, die beim Anlegen einer Spannung in ihm ablaufen, sondern auch die Einstellung beobachtbarer Parameter zur Beurteilung seines Zustandes.

Prüfmethoden für die elektrische Isolierung

Die einfachste und gebräuchlichste Möglichkeit, den Zustand der Isolierung und ihre Integrität zu beurteilen, besteht darin, ihren Widerstand mit einem Megaohmmeter zu messen.

Beachten wir, dass das Vorhandensein von Kondensatoren im Ersatzschaltbild auch die Fähigkeit der Isolierung erklärt, elektrische Ladungen anzusammeln. Daher müssen die Wicklungen elektrischer Maschinen und Transformatoren vor und nach der Messung des Isolationswiderstands durch Erdung der Klemme entladen werden angeschlossenes Megaohmmeter.

Bei der Messung des Isolationswiderstandes von elektrischen Maschinen und Transformatoren muss die Temperatur der Wicklungen überwacht werden, die im Prüfbericht festgehalten wird. Um die Messergebnisse miteinander vergleichen zu können, ist die Kenntnis der Temperatur, bei der die Messungen durchgeführt wurden, notwendig, da sich der Isolationswiderstand je nach Temperatur stark ändert: Im Durchschnitt nimmt der Isolationswiderstand bei einem Temperaturanstieg alle 10 °C um das 1,5-fache ab und nimmt auch mit der entsprechenden Temperaturabnahme zu.

Aufgrund der Tatsache, dass Feuchtigkeit, die immer in Dämmstoffen enthalten ist, die Messergebnisse beeinflusst, wird die Bestimmung von Parametern, die die Qualität der Dämmung charakterisieren, nicht bei Temperaturen unter + 10 ° C durchgeführt, da die erhaltenen Ergebnisse keine Ergebnisse liefern richtige Vorstellung vom wahren Zustand der Isolation.

Bei der Messung des Isolationswiderstands eines praktisch kalten Produkts kann davon ausgegangen werden, dass die Isolationstemperatur der Umgebungstemperatur entspricht. In allen anderen Fällen wird bedingt angenommen, dass die Temperatur der Isolierung gleich der Temperatur der Wicklungen ist, gemessen an ihrem Wirkwiderstand.

Damit der gemessene Isolationswiderstand nicht wesentlich vom wahren Wert abweicht, sollte der eigene Isolationswiderstand der Elemente des Messkreises – Drähte, Isolatoren usw. – einen minimalen Fehler in das Messergebnis einbringen.Daher muss bei der Messung des Isolationswiderstands elektrischer Geräte mit einer Spannung von bis zu 1000 V der Widerstand dieser Elemente mindestens 100 Megaohm betragen und bei der Messung des Isolationswiderstands von Leistungstransformatoren nicht weniger als die Messgrenze des Megaohmmeters .

Ist diese Bedingung nicht erfüllt, müssen die Messergebnisse um den Isolationswiderstand der Schaltungselemente korrigiert werden. Dazu wird der Isolationswiderstand zweimal gemessen: einmal bei fertig aufgebautem Stromkreis und angeschlossenem Produkt und das zweite Mal bei abgeklemmtem Produkt. Das Ergebnis der ersten Messung ergibt den äquivalenten Isolationswiderstand des Stromkreises und das Produkt Re, und das Ergebnis der zweiten Messung ergibt den Widerstand der Elemente des Messkreises Rc. Dann der Isolationswiderstand des Produkts

Wenn für elektrische Maschinen einiger anderer Produkte die Reihenfolge der Messung des Isolationswiderstands nicht festgelegt ist, wird diese Messreihenfolge für Leistungstransformatoren durch die Norm geregelt, nach der zuerst der Isolationswiderstand der Niederspannungswicklung (NS) gemessen wird. Die übrigen Wicklungen sowie der Tank müssen geerdet werden. Wenn kein Tank vorhanden ist, muss das Transformatorgehäuse oder sein Skelett geerdet werden.

Bei Vorhandensein von drei Spannungswicklungen – Niederspannung, Mittelspannung und Oberspannung – nach der Niederspannungswicklung ist es erforderlich, den Isolationswiderstand der Mittelspannungswicklung und erst dann der höheren Spannung zu messen.Selbstverständlich müssen bei allen Messungen die übrigen Spulen sowie der Tank geerdet werden und die ungeerdete Spule nach jeder Messung durch mindestens 2-minütiges Anschließen an die Box entladen werden. Entsprechen die Messergebnisse nicht den festgelegten Anforderungen, müssen die Prüfungen durch die Bestimmung des Isolationswiderstands der elektrisch miteinander verbundenen Wicklungen ergänzt werden.

Bei Transformatoren mit zwei Wicklungen sollte der Widerstand der Hoch- und Niederspannungswicklung relativ zum Gehäuse gemessen werden, und bei Transformatoren mit drei Wicklungen sollten zuerst die Hoch- und Mittelspannungswicklungen und dann die Hoch-, Mittel- und Niederspannungswicklungen gemessen werden .

Bei der Prüfung der Isolierung eines Transformators müssen mehrere Messungen durchgeführt werden, um nicht nur die Werte des äquivalenten Isolationswiderstands zu bestimmen, sondern auch den Isolationswiderstand der Wicklungen mit anderen Wicklungen und dem Maschinenkörper zu vergleichen.

Der Isolationswiderstand elektrischer Maschinen wird üblicherweise bei miteinander verbundenen Phasenwicklungen und am Installationsort – zusammen mit Kabeln (Sammelschienen) – gemessen. Entsprechen die Messergebnisse nicht den festgelegten Anforderungen, wird der Isolationswiderstand jeder Phasenwicklung und ggf. jedes Wicklungszweigs gemessen.

Es ist zu beachten, dass es schwierig ist, den Zustand der Isolierung allein anhand des Absolutwerts des Isolationswiderstands vernünftig zu beurteilen. Um den Isolationszustand elektrischer Maschinen im Betrieb beurteilen zu können, werden daher die Ergebnisse dieser Messungen mit den Ergebnissen der vorherigen verglichen.

Erhebliche, mehrfach auftretende Abweichungen zwischen den Isolationswiderständen einzelner Phasen weisen in der Regel auf einen erheblichen Defekt hin. Eine gleichzeitige Abnahme des Isolationswiderstands für alle Phasenwicklungen weist in der Regel auf eine Änderung des allgemeinen Zustands ihrer Oberfläche hin.

Beim Vergleich der Messergebnisse ist die Abhängigkeit des Isolationswiderstandes von der Temperatur zu beachten. Daher ist es möglich, die Ergebnisse von Messungen, die bei gleicher oder ähnlicher Temperatur durchgeführt wurden, miteinander zu vergleichen.

Wenn die an die Isolierung angelegte Spannung konstant ist, nimmt der durch sie fließende Gesamtstrom Ii (siehe Abb. 1) umso mehr ab, je besser der Zustand der Isolierung ist und entsprechend der Abnahme des Stroms Ii auch die Messwerte des Erhöhung des Megaohmmeters. Aufgrund der Tatsache, dass der I2-Anteil dieses Stroms, auch Absorptionsstrom genannt, im Gegensatz zum I3-Anteil nicht vom Zustand der Isolieroberfläche sowie von Verschmutzung und Feuchtigkeitsgehalt abhängt, ist das Verhältnis der Isolationswiderstandswerte Zu bestimmten Zeitpunkten wird der Feuchtigkeitsgehalt als charakteristisch für die Isolierung angesehen.

Die Normen empfehlen, den Isolationswiderstand nach 15 s (R15) und nach 60 s (R60) nach dem Anschließen des Megaohmmeters zu messen. Das Verhältnis dieser Widerstände ka = R60 / R15 wird als Absorptionskoeffizient bezeichnet.

Bei nicht feuchter Isolierung ist ka > 2 und bei feuchter Isolierung ist ka ≈1.

Da der Wert des Absorptionskoeffizienten praktisch unabhängig von der Größe der elektrischen Maschine und verschiedenen Zufallsfaktoren ist, kann er normiert werden: ka ≥ 1,3 bei 20 °C.

Der Fehler bei der Messung des Isolationswiderstands sollte ± 20 % nicht überschreiten, sofern er nicht speziell für ein bestimmtes Produkt festgelegt wurde.

Bei elektrischen Produkten werden bei elektrischen Festigkeitsprüfungen die Isolierung der Wicklungen zum Gehäuse und untereinander sowie die Zwischenisolierung der Wicklungen geprüft.

Um die Spannungsfestigkeit der Isolierung von Spulen oder stromführenden Teilen zum Gehäuse zu prüfen, wird an die Anschlüsse der geprüften Spule oder stromführenden Teile eine erhöhte Sinusspannung mit einer Frequenz von 50 Hz angelegt. Die Spannung und die Anwendungsdauer sind in der technischen Dokumentation des jeweiligen Produkts angegeben.

Bei der Prüfung der Spannungsfestigkeit der Isolierung von Wicklungen und spannungsführenden Teilen zum Gehäuse müssen alle anderen Wicklungen und spannungsführenden Teile, die nicht an den Prüfungen beteiligt sind, elektrisch mit dem geerdeten Gehäuse des Produkts verbunden werden. Nach Abschluss des Tests sollten die Spulen geerdet werden, um die Restladung zu entfernen.

In Abb. Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Prüfung der Spannungsfestigkeit einer Wicklung eines Drehstrom-Elektromotors. Die Überspannung wird durch eine Prüfanlage AG erzeugt, die eine geregelte Spannungsquelle E enthält. Die Spannung wird auf der Oberspannungsseite mit einem Photovoltaik-Voltmeter gemessen. Zur Messung des Leckstroms durch die Isolierung wird ein Amperemeter PA verwendet.

Das Produkt gilt als bestanden, wenn die Isolierung nicht durchbricht oder die Oberfläche überlappt und der Ableitstrom den in der Dokumentation dieses Produkts angegebenen Wert nicht überschreitet. Beachten Sie, dass ein Amperemeter, das den Leckstrom überwacht, die Verwendung eines Transformators im Testaufbau ermöglicht.

Reis. 2. Schema zur Prüfung der Spannungsfestigkeit der Isolierung elektrischer Produkte

Zusätzlich zur Frequenzspannungsprüfung der Isolation wird die Isolation auch mit gleichgerichteter Spannung geprüft. Der Vorteil einer solchen Prüfung besteht in der Möglichkeit, den Zustand der Isolierung anhand der Ergebnisse der Messung der Ableitströme bei verschiedenen Werten der Prüfspannung zu beurteilen.

Um den Zustand der Isolierung zu beurteilen, wird ein Nichtlinearitätskoeffizient verwendet

wobei I1,0 und I0,5 Ableitströme 1 Minute nach dem Anlegen von Prüfspannungen sind, die dem normierten Wert von Unorm und der Hälfte der Nennspannung der elektrischen Maschine Urated entsprechen, kn <1,2.

Mithilfe der drei betrachteten Kenngrößen Isolationswiderstand, Absorptionskoeffizient und Nichtlinearitätskoeffizient wird die Frage nach der Möglichkeit gelöst, eine elektrische Maschine einzuschalten, ohne dass die Isolierung austrocknet.

Bei der Prüfung der Spannungsfestigkeit der Isolierung gemäß dem Diagramm in Abb. 2 Alle Windungen der Wicklung haben gegenüber dem Körper (Masse) praktisch die gleiche Spannung und daher bleibt die Windungsisolation ungeprüft.

Eine Möglichkeit, die Spannungsfestigkeit der Isolierisolierung zu testen, besteht darin, die Spannung um 30 % gegenüber dem Nennwert zu erhöhen. Diese Spannung wird von einer geregelten Spannungsquelle EK an den Leerlaufprüfpunkt angelegt.

Eine andere Methode ist auf im Leerlauf betriebene Generatoren anwendbar und besteht darin, den Erregerstrom des Generators zu erhöhen, bis an den Anschlüssen des Stators oder des Ankers je nach Maschinentyp die Spannung (1,3 ÷ 1,5) Unom erreicht wird.Da die von den Wicklungen elektrischer Maschinen aufgenommenen Ströme auch im Leerlauf ihre Nennwerte überschreiten können, erlauben die Normen die Durchführung einer solchen Prüfung bei einer erhöhten Frequenz der an die Motorwicklungen angelegten Spannung über dem Nennwert oder bei erhöhte Generatordrehzahl.

Für die Prüfung von Asynchronmotoren kann auch eine Prüfspannung mit einer Frequenz von fi = 1,15 fn verwendet werden. Innerhalb der gleichen Grenzen kann die Drehzahl des Generators erhöht werden.

Bei der Prüfung der dielektrischen Festigkeit der Isolierung auf diese Weise wird zwischen benachbarten Spulenwindungen eine Spannung angelegt, die numerisch dem Verhältnis der angelegten Spannung geteilt durch die Anzahl der Windungen der Spule entspricht. Sie unterscheidet sich geringfügig (um 30–50 %) von der Spannung, die auftritt, wenn das Produkt mit Nennspannung betrieben wird.

Wie Sie wissen, ist die Grenze des Spannungsanstiegs an den Anschlüssen der auf dem Kern befindlichen Spule auf die nichtlineare Abhängigkeit des Stroms in dieser Spule von der Spannung an ihren Anschlüssen zurückzuführen. Bei Spannungen nahe dem Nennwert Unenn ist der Kern nicht gesättigt und der Strom hängt linear von der Spannung ab (Abb. 3, Abschnitt OA).

Mit zunehmender Spannung steigt U über dem Nennstrom in der Spule stark an, und bei U = 2Unom kann der Strom den Nennwert um das Zehnfache überschreiten. Um die Spannung pro Windung der Wicklung deutlich zu erhöhen, wird die Festigkeit der Isolierung zwischen den Windungen bei einer Frequenz geprüft, die um ein Vielfaches (zehnmal oder mehr) höher ist als die Nennfrequenz.

Reis. 3. Diagramm der Abhängigkeit des Stroms in der Spule mit Kern von der angelegten Spannung

Reis. 4.Prüfschema für die Wicklungsisolation bei erhöhter Stromfrequenz

Betrachten wir das Prinzip der Prüfung der Zwischenisolation von Schützspulen (Abb. 4). Die Prüfspule L2 wird auf dem Stab des geteilten Magnetkreises platziert. An die Anschlüsse der Spule L1 wird eine Spannung U1 mit erhöhter Frequenz angelegt, so dass für jede Windung der Spule L2 eine Spannung anliegt, die erforderlich ist, um die Spannungsfestigkeit der Isolierung von Windung zu Windung zu prüfen. Wenn die Isolierung der Wicklungen der Spule L2 in gutem Zustand ist, ist der von der Spule L1 aufgenommene und mit dem Amperemeter PA gemessene Strom nach dem Einbau der Spule derselbe wie zuvor. Andernfalls steigt der Strom in der Spule L1.

Reis. 5. Schema zur Messung des Tangens des Winkels dielektrischer Verluste

Die letzte der betrachteten Isolationseigenschaften ist der Tangens des dielektrischen Verlusts.

Es ist bekannt, dass die Isolierung einen Wirk- und Blindwiderstand aufweist und wenn eine periodische Spannung an sie angelegt wird, fließen Wirk- und Blindströme durch die Isolierung, d. h. es gibt Wirk-P- und Blind-Q-Leistungen. Das Verhältnis P zu Q wird Tangens des dielektrischen Verlustwinkels genannt und mit tgδ bezeichnet.

Wenn wir uns daran erinnern, dass P = IUcosφ und Q = IUsinφ, dann können wir schreiben:

tgδ ist das Verhältnis des durch die Isolierung fließenden Wirkstroms zu Blindstrom.

Zur Bestimmung von tgδ ist die gleichzeitige Messung von Wirk- und Blindleistung bzw. Wirk- und Blindleistung (kapazitiver) Isolationswiderstand erforderlich. Das Prinzip der Messung von tgδ nach der zweiten Methode ist in Abb. dargestellt. 5, wo der Messkreis eine einzelne Brücke ist.

Die Arme der Brücke bestehen aus einem Beispielkondensator C0, einem variablen Kondensator C1, einem variablen R1- und einem konstanten R2-Widerstand sowie der Kapazität und dem Isolationswiderstand der Wicklung L zum Körper des Produkts oder der Masse, üblicherweise als Kondensator Cx dargestellt und Widerstand Rx. Für den Fall, dass tgδ nicht an der Spule, sondern am Kondensator gemessen werden muss, werden dessen Platten direkt mit den Klemmen 1 und 2 der Brückenschaltung verbunden.

Die Diagonale der Brücke umfasst ein Galvanometer P und eine Stromquelle, in unserem Fall ein Transformator T.

Wie in anderen Brückenschaltungen Der Messvorgang besteht darin, die minimalen Messwerte des Geräts P zu erhalten, indem der Widerstandswert des Widerstands R1 und die Kapazität des Kondensators C1 nacheinander geändert werden. Normalerweise werden die Parameter der Brücke so gewählt, dass der Wert von tgδ bei Null- oder Minimalwerten des Geräts P direkt auf der Skala des Kondensators C1 abgelesen wird.

Die Definition von tgδ ist für Leistungskondensatoren und -transformatoren, Hochspannungsisolatoren und andere elektrische Produkte obligatorisch.

Da Spannungsfestigkeitsprüfungen und tgδ-Messungen in der Regel bei Spannungen über 1000 V durchgeführt werden, müssen alle allgemeinen und besonderen Sicherheitsmaßnahmen beachtet werden.

Verfahren zur Prüfung der elektrischen Isolierung

Die oben besprochenen Parameter und Eigenschaften der Isolierung müssen in der durch die Normen für bestimmte Produkttypen festgelegten Reihenfolge bestimmt werden.

Beispielsweise wird bei Leistungstransformatoren zunächst der Isolationswiderstand bestimmt und anschließend der dielektrische Verlustfaktor gemessen.

Bei rotierenden elektrischen Maschinen müssen nach der Messung des Isolationswiderstands und vor der Prüfung der Spannungsfestigkeit folgende Prüfungen durchgeführt werden: bei erhöhter Drehzahl, bei kurzzeitiger Strom- oder Drehmomentüberlastung, bei plötzlichem Kurzschluss (falls vorhanden). (für diese Synchronmaschine vorgesehen), Isolationsprüfung der gleichgerichteten Spannung der Wicklungen (falls in der Dokumentation dieser Maschine angegeben).

Normen oder Spezifikationen für bestimmte Maschinentypen können diese Liste durch andere Tests ergänzen, die sich auf die Spannungsfestigkeit der Isolierung auswirken können.