КОНТРОЛЬ ЗА КАЧЕСТВОМ ИЗОЛЯЦИИ
Качество изоляции
Качество технической изоляции определяется не только культурой производства, но и налаженной службой контроля или проверки соответствия качества изоляции ГОСТу или заводским нормам. Контроль за качеством изоляции на производстве при изготовлении и выпуске электротехнического оборудования и профилактика изоляции в эксплуатации направлены на выявления ее дефектов с последующей заменой или восстановлением поврежденного изоляционного участка.
В изоляционной конструкции различают местные и общие дефекты.
Местные дефекты сосредоточены на небольшом участке изоляции и проявляются в виде газовых (воздушных полостей) и металлический включений, примесей, а также в виде механических и технологических нарушений (микротрещин, заусениц, морщин, смещений слоев ленты, вмятин и т. п.). Общие дефекты наиболее распространены, среди них чаще обнаруживается проникающая влага в изоляцию, реже выявляются дефекты развитого газового включения и проводящей примеси.
Разрушение изоляции в начале эксплуатации протекает медленно, а в конце - носит скачкообразный характер.
Методы контроля за качеством изоляции - это разрушающие методы при испытании повышенным напряжением и обнаружение дефектов под воздействием напряжения ниже номинального уровня или рабочих напряжений без разрушения изоляции.
Опыт применения профилактических испытаний высоковольтной изоляции сводится к повышению надежности изделий в работе или к снижению вероятностей отказов электрооборудования.
Испытание изоляции повышенным напряжением
Изоляция электрооборудования в условиях эксплуатации Подвергается воздействию рабочего напряжения, перенапряжений внешнего и внутреннего характера и физико-механических факторов - теплового поля, вибраций, электродинамических усилий и т.д. Пооперационные испытания повышенным напряжением позволяют оценить способность изоляции противостоять таким воздействиям.
Повышенное испытательное напряжение должно:
- эффективно обнаружить все виды дефектов;
- не старить изоляцию, т.е. не развивать дефект, если он выдержал
испытания;
- дать распределение напряженности поля по изоляции во время испытания идентичное перенапряжению во время эксплуатации;
- установки повышенного напряжения должны быть транспортабельны. простые в обслуживании и электробезопасны.
В понятие эффективности испытания вкладывают различное содержание, вследствие чего сравнение эффективности испытаний, проводимых различными специалистам затруднительно, а порой невозможно. Одни оценивают эффективность испытаний отношением числа выявляемых дефектов к числу испытаний машин, другие определяют отношение числа выявленных дефектов при испытаниях к числу машин, изоляция которых повреждена в эксплуатации за период времени между двумя испытаниями В обоих случаях такой подход формальный. В ряде случаев дается оценка эффективности испытаний с применением нескольких форм испытательных напряжений и при неоправданно завышенных величинах испытательного напряжения. Наряду с большим числом пробоев изоляции во время испытаний ожидается кумулятивный эффект в ней и, как следствие, аварийность изоляции в эксплуатации. не снижается. Все вышесказанное относится как к традиционным испытаниям повышенным напряжением, существующим в настоящее время в Нормах и ГОСТах (это повышенное переменное напряжение промышленной частоты в течение 1 мин и выпрямленное в течение 5 Мин, а также импульсное напряжение стандартной волны 1,5/40 мкс и срезанной - 1,5/2 мкс – «трех ударный метод»), так и к нетрадиционным - это другие формы повышенных напряжений: трапецеидальная (завод «Электросила»), сверхнизкочастотная 0,1 Гц (СIIIА). полупериод напряжения 50 Гц (Нидерланды, ЛПИ им. М.И. Калинина). Анализ форм испытательных напряжений сведен в таблицу 2.I
Таблица 2.1. Показатели различных форм повышенных напряжений
|
Формы повш. напряж, ед.СИ |
Эффектив-ть |
Эл. старение |
Иидентичность |
Трансп., прост. обслуж., эл./безоп. |
примеч |
|
Перемен. 50 Гц в течение 1 мин |
0 |
0 |
+ |
+ |
ав. экс |
|
Выпрямл. 5 мин. |
0 |
+ |
- |
- |
- |
|
Импульс.напрж. 1,5/40 мкс |
+ |
+ |
0 |
- |
- |
|
Полупер. 59 Гц |
+ |
+ |
0 |
+ |
- |
|
СНЧ 0,1 Гц |
+ |
- |
- |
- |
- |
|
Трапецеидальн. |
+ |
0 |
0 |
- |
- |
П р и м е ч а н и е: «+» - полностью удовлетворяет требованию; «-»- не удовлетворяет; «0» - частично удовлетворяет
Устройство полупериода 50 Гц для получения высокого напряжения
В области разрушающего метода электрических испытании высоковольтной изоляции электрических машин известны два способа оценки ее качества. Для пазовой изоляции испытания ведут повышенным переменным напряжением промышленной частоты в течение 1 мин, а лобовую изоляцию - повышенным выпрямленным напряжением в течение 5 мин. Однако установлено, что переменное напряжение вызывает явление частичных разрядов в области дефекта, что способствует развитию электрического старения в изоляции. Кроме того, оно может привести к развитию скользящего разряда по поверхности изоляции лобовой части. Именно поэтому в заводских условиях испытание изоляции лобовой части обмоток крупных электрических машин проводят повышенным выпрямленным напряжением. но при этом дефекты изоляции пазовой части не выявляются.
Исключить недостатки двух форм напряжений может устройство, создающее повышенное напряжение полупериода частотой 50 Гц.
В первых, такая форма напряжения характерна для большинства амплитуд внутренних перенапряжений, например, поступающих на вводы высоковольтных машин собственных нужд крупных электростанций. Во вторых, анализ большого статистического материала по электрической прочности для разной изоляции электрических машин показал, что во время испытаний таким напряжением изоляция не старится, а эффективность обнаружения дефекта не хуже, чем при испытании повышенным напряжением промышленной частоты. Напряжением полупериода 50 Гц можноиспытывать изоляцию стержней крупных генераторов с номинальным напряжением 23 кВ, при этом не наблюдается перекрытия по лобовой части обмоток, несмотря на то, что амплитуда напряжения в 1,5 - 2 раза выше, чем при испытаниях переменным напряжением. Режим испытания напряжением полупериода 50 Гц устанавливается 50 - 80 полупериодов со скважностью 1 с и с величиной испытательного напряжения согласно таблице 2.2.
Таблица 2.2. Нормы пооперационных испытательных напряжений полупериода 50 Гц
|
ИСПЫТАНИЯ |
Напряжение полупериода 50 Гц |
|
Заводские 1. Стержни (катушки) до укладки 2. То же после укладки их в пазы 3. То же после пайки и изолировки соединений 4. Приемо – сдаточное Профилактические 1. Послеремонтные 2. Эксплуатационные |
1,5 (2,75 Uн + 6,5) 1,3 (2,5 Uн +4,5) 1,3 (2,25 Uн + 4,0)
1,3 (2,0 Uн + 3,0)
1,3 (2,0 Uн + 3,0) 1,5 (1,5 – 1,7) Uн |
В соответствии с данными табл. 3.2 проводят испытания стержней (катушек), вводимых в эксплуатацию электрических машин, а также находящихся в эксплуатации. Изоляция каждой фазы или ветви испытывается отдельно при других фазах или ветвях, соединенных с корпусом машины.
Функциональная схема высоковольтногоустройства с напряжением полупериода 50 Гц по рисунку 2.1 может быть выполнена на базе любого высоковольтного испытательного трансформатора типа ИОМ или стационарных испытательных заводских установок повышенного напряжения для контроля изоляции, например, типа АИИ-70. В схеме однофазное переменное напряжении с соблюдением фазности одновременно подается на регулятор напряжения 2 и на блок управления 7. Регулятор 2 меняет напряжение от О до максимального значения, а блок 7 позволяет осуществить задержку входного напряжения частотой 50 Гц. Тиристор З работает в ключевом режиме с углом задержки a= 60о Управляющий сигнал с блока 7 позволяет плавно менять время между полупериодами (скважность) от долей секунды до нескольких секунд. Тиристор З пропускает в течение 1 мин оптимальное число полупериодов на уровне 50 - 80 положительной (отрицательной) полярности. Высоковольтный трансформатор 1 передает во вторичную цепь испытуемого объекта ИО повышенное напряжение, близкое полупериоду 50 Гц. Осциллограф, подключенный к делителю напряжения ДН, показывает форму напряжения, которая приводится на рисунке 2.2.
Амплитуду испытательного напряжения можно измерить осциллографом или шаровым разрядником ШР. Во время пробоя изоляции, на испытуемом объекте ИО, в первичной цепи обмотки трансформатора 1 растет ток. Для защиты тиристора З и температурной компенсации от возрастающего тока в первичной цепи включен диод 4, а параллельно включенные диод 5 и резистор 6 исключают переходный процесс в обмотке трансформатора 1.
При оценке качества изоляции соблюдается нижеприведенная методика изменения напряжения полупериода 50 Гц на выходе установки.
Напряжение повышается ступенями через 5 кВ до значения пробивного или испытательного напряжения согласно таблице 2.2. При этом на каждой ступени могут быть подан один или 50 - 80 полупериодов напряжения, которые фиксируются счетчиком. Устройство высокого напряжения полупериода 50 Гц представляет интерес для энергосистем, энергоремонтных предприятий и заводов- изготовителей, где проводят электрические испытания высоковольтной изоляции, что позволит, с одной стороны. исключить электрическое старение и сколъзящий разряд во время испытаний изоляции, а с другой
- заменить две формы испытательных напряжений при контроле изоляции электрических машин (переменную 59 Гц и выпрямленную) одной формой – напряжением полупериода 50 Гц.
Неразрушающий метод контроля изоляции
Такой контроль построен на оценке процессов медленной поляризации, которая происходит в изоляции. Изоляция может быть представлена параллельной схемой замещения, приведенной на рисунке 2.3. Первая ветвь ее состоит из емкости Сi (мгновенные поляризации c импульсным током Ii),вторая - из емкости С и сопротивления r (релаксационные поляризации cабсорбционным током Iасб),третья - из сопротивления R, когда протекают токи проводимости Iпр. Суммарная емкость схемы равна
С0 = Сi+ С,
где С = С0 - Сi- емкость поляризационных процессов в изоляция, по которой течет абсорбционный ток Iабс= (U/ г) е-t/T, изменяющийся с постоянной времени Т.
Через емкость Сi протекает импульс тока Ii заряда емкости или токи поляризации, которые считаются мгновенными. Релаксационные поляризация характерны для оценки не только абсорбционных токов, но и токов сквозной проводимости Iпр= U/ R, протекающих через сопротивление Rи обусловленных сквозными путями утечки в изоляции при образовании мостика из влаги. На схеме замещения можно рассмотреть многие из способов контроля изоляции неразрушающим методом. Поляризационные явления, как и каналы сквозной проводимости, связываются в основном с увлажнением изоляции. Поэтому качество изоляции определяется по оценке токов в схеме замещения
Измерение угла диэлектрических потерь
Поляризационные токи, протекающие через диэлектрик. разогревают его, что соответствует потере энергии, называемой диэлектрической. При промышленной частоте такие потери происходят за счет релаксационных поляризаций или токов Iабси Iпр по рисунку 2.3, т.е. активной и емкостной суммарной составляющих токов, а в векторной диаграмме между этими составляющими появится угол d. Отношение тока активного Iа к токуемкостному Iс равно tgd, что является характеристикой диэлектрических потерь в изоляции, которые можно определить из выражения
W = U I cosj = U I tgd.
Поскольку токи сквозной проводимости малы, измерение угла диэлектрических потерь определяется параметрами ветви г C, т.е. угол d является показателем посторонних включений и, в частности, увлажнения изоляции. Величина tgd не зависит от абсолютного значения емкости объекта. а зависит от отношения С0 / Ci. Поэтому tgd становится универсальным показателем качества изоляции, не зависимым от ее габаритов.
Для малогаборитных объектов емкостью порядка 200-300 пФ (например, вводы трансформаторов тока или внешняя изоляция, различные изоляторы) значение tgd характеризует общее состояние изоляции и может отметить развивающийся местный дефект. Для крупногаборитных объектов емкостью выше 2000 пФ, например, изоляция крупных генераторов. электродвигателей. трансформаторов, кабелей и т.д. значение tgd указывает на увлажнение изоляции, на общее старение, частичное разрушение (микротрещина) и т.п. Такие дефекты в изоляции как весьма развитые металлические включения или мостики повышенyой проводимости, могут быть обнаружены и на постоянном токе.
Величина tgdи сопротивление сквозной проводимости растут с увеличением температуры свыше 40 ос, поэтому эти параметры нормируются при температуре 20 0С. Измерение tgd изоляции осуществляется высоковольтными мостами по схеме Шеринга типа Р-5026 с рабочим напряжением 5 - 10 кВ промышленной частоты.
Измерение емкостных характеристик изоляции
При неизменной температуре и частоте емкость объекта остается постоянной. Если она изменяется скачкообразно, то это крупный развитый дефект в изоляции, такой как хорошо проводящее включение, шунтирующее часть изоляции. Для увлажненной изоляции в крупных объектах оценка емкости может оказаться зависящей от частоты. т.к. Ci, минимальна при W®¥ и минимальна при W¬ 0. С другой стороны, посторонние велючения не влияют практически на емкость С. Изиерение емкости объекта можно вести при двух частотах: низкой Сн и высокой Св, а отношение Сн / Св покажет качество изоляции. Для сухой изоляции Сн / Св = 1,2 – 1,3, а по мере ее увлажнения отношение, измеренное на частотах 2 и 50 Гц, возрастает.
Принципиальная электрическая схема измерения емкости приведена на рисунке 2.4. Переключатель II в левой части заряжает емкость Сх (объект ,изоляции) от источника постоянного напряжения в несколько сотен вольт, а в правой части II разряжает емкость Сх на гальванометр G. Переключение происходит на частотах 2 и 50 Гц (механический вибратор или умформер). Средний ток разрядки емкости изоляции находится как
I = qf = CwUf.
Этот способ измерения получил название «емкость – частота». Измерение абсорбционной емкости возможно и способом «емкость - время», когда измеряется мгновенное значение емкости через 1 мкс и 0,5 - 1 с после приложения зарядного напряжения или после разряда. Таким образом, оценивается в первом случае геометрическая емкость изоляции С, а во втором - абсорбционная емкость (С0 - Сi). Отношение DС / Ci = (C0 – Ci) / Cслужи характеристикой изоляции так же как и способе «емкость - частота».
Измерение частичных разрядов из изоляции
Воздушные и газовые включения являются распространенными сосредоточенными -в.дефектами в изоляция. Поскольку диэлектрическая проницаемость воздуха меньше, чем у диэлектрика, то напряженность поля в газовой полости значительно превосходит среднюю напряженность поля в полости изоляции. Поэтому в газовой полости даже при рабочем напряжении и возникают ионизационные процессы, что называется частичным разрядом. Такой разряд вызывает импульс тока порядка 10-7 – 10-8 с, снижение амплитуды рабочего напряжения и распространение в окружающее пространство электромагнитных волн частотой от 10 кГц до 100 МГц. Во внешней электрической цепи такие факторы могут быть обнаружены и измерены путем:- оценки напряжения на объекте; регистрации импульса тока в цепи; оценки интенсивность электромагнитных волн.
Обнаружение колебаний напряжения или тока во внешней электрической цепи осуществляют индикаторы частичных разрядов ИЧР, которые включаются непосредственно в испытательную схему. Наличие частичных разрядов можно обнаружить под рабочим напряжением во время эксплуатации изоляционной конструкции. Для этого применяют высокочастотные дефектоскопы, которые имеют с объектом индуктивную связь через специальный щуп. Ток, проходящий в цепи заземления объекта, наводит в рамке щупа электродвижущую силу, которая измеряется с помощью осциллографа или электронного вольтметра.
Другая разновидность приборов позволяет обнаружить частичный разряд с помощью индикатора радиоизлучения ч.р. ИРИ. При таком способе электромагнитные волны, излучаемые ч.р., воспринимаются с помощью антенны, т.е. четко пеленгуется источник излечения. Однако, при измерении параметра источника излучения возможна ошибка в распознавании того, коронное это явление или частичный разряд в газовой полости, а трудности, связанные с наличием большого количества помех, усложняют расшифровку результата. В последние годы в эксплуатации для контроля качества изоляции широко используют акустический метод, определяющий не только наличие частичного разряда, но и место , где он развивается.