خصائص واختبارات العزل الكهربائي

الخصائص والدائرة المكافئة للعزل الكهربائي

كما تعلم ، يُستخدم مصطلح «العزلة» عمليًا للإشارة إلى مفهومين:

1) طريقة لمنع تكوين التلامس الكهربائي بين أجزاء المنتج الكهربائي ،

2) المواد والمنتجات منها تستخدم لتطبيق هذه الطريقة.

مواد العزل الكهربائي تحت تأثير الجهد المطبق عليهم ، يتم اكتشاف خاصية توصيل التيار الكهربائي. على الرغم من أن قيمة توصيل المواد العازلة للكهرباء أقل بعدة مرات من قيمة الأسلاك ، إلا أنها تلعب دورًا مهمًا وتحدد إلى حد كبير موثوقية تشغيل منتج كهربائي.

تحت تأثير الجهد المطبق على العزل ، يتدفق تيار من خلاله ، يسمى تيار التسرب ، والذي يتغير بمرور الوقت.

من أجل دراسة وتوضيح خصائص العزل الكهربائي ، من المعتاد تمثيله في شكل نموذج معين يسمى دائرة مكافئة (الشكل 1) ، تحتوي على أربع دوائر كهربائية متصلة بالتوازي.يحتوي أولهما فقط على المكثف C1 ، المسمى السعة الهندسية.

أرز. 1. دائرة كهربائية مكافئة للعزل الكهربائي

يتسبب وجود هذه السعة في ظهور تيار تدفق فوري يحدث عندما يتم تطبيق جهد تيار مستمر على العزل ، والذي يتحلل في غضون بضع ثوانٍ تقريبًا ، ويتدفق تيار سعوي عبر العزل عندما يتم تطبيق جهد التيار المتردد عليه. تسمى هذه السعة هندسية لأنها تعتمد على العزل: أبعاده (سمك ، طول ، إلخ) والموقع بين الجزء الحامل للتيار A والحالة (الأرضية).

يصف المخطط الثاني الهيكل الداخلي وخصائص العزل ، بما في ذلك هيكله ، وعدد مجموعات المكثفات والمقاومات المتصلة بالتوازي. يسمى التيار I2 المتدفق عبر هذه الدائرة بتيار الامتصاص. تتناسب القيمة الأولية لهذا التيار مع مساحة العزل وتتناسب عكسياً مع سمكه.

إذا كانت الأجزاء الحاملة للتيار لمنتج كهربائي معزولة بطبقتين أو أكثر من العزل (على سبيل المثال ، عزل الأسلاك وعزل الملف) ، فسيتم تمثيل فرع الامتصاص في الدائرة المكافئة على شكل طبقتين أو أكثر متصلتين بالسلسلة مجموعات من مكثف ومقاوم تميز خصائص إحدى طبقات العزل. في هذا المخطط ، يتم النظر في عزل من طبقتين ، يتم استبدال طبقته بمجموعة من عناصر المكثف C2 والمقاوم R1 ، والثاني بواسطة C3 و R2.

تحتوي الدائرة الثالثة على مقاوم واحد R3 وتميز فقدان العزل عند تطبيق جهد التيار المستمر عليها.تعتمد مقاومة هذا المقاوم ، والتي تسمى أيضًا مقاومة العزل ، على العديد من العوامل: الحجم ، المادة ، البناء ، درجة الحرارة ، حالة العزل ، بما في ذلك الرطوبة والأوساخ على سطحه ، والجهد المطبق.

مع بعض عيوب العزل (على سبيل المثال ، من خلال التلف) ، يصبح اعتماد المقاومة R3 على الجهد غير خطي ، بينما بالنسبة للآخرين ، على سبيل المثال ، مع الرطوبة القوية ، لا يتغير عمليًا مع زيادة الجهد. يسمى التيار I3 المتدفق عبر هذا الفرع بالتيار الأمامي.

يتم تمثيل الدائرة الرابعة في الدائرة المكافئة لفجوة شرارة MF ، والتي تميز قوة العزل الكهربائي ، والتي يتم التعبير عنها عدديًا بقيمة الجهد الذي تفقد فيه المادة العازلة خصائصها العازلة وتنهار تحت تأثير التيار. I4 يمر من خلاله.

تسمح هذه الدائرة المكافئة للعزلة ليس فقط بوصف العمليات التي تحدث فيها عند تطبيق الجهد ، ولكن أيضًا لتحديد المعلمات التي يمكن ملاحظتها لتقييم حالتها.

طرق اختبار العزل الكهربائي

إن أبسط الطرق وأكثرها شيوعًا لتقييم حالة العزل وسلامته هي قياس مقاومته باستخدام مقياس ميغا أوم.

دعنا ننتبه إلى حقيقة أن وجود المكثفات في الدائرة المكافئة يفسر أيضًا قدرة العزل على تراكم الشحنات الكهربائية. لذلك ، يجب تفريغ لفات الآلات والمحولات الكهربائية قبل وبعد قياس مقاومة العزل عن طريق تأريض الطرف الذي ميغاومتر متصل.

عند قياس مقاومة العزل للآلات الكهربائية والمحولات ، يجب مراقبة درجة حرارة اللفات ، والتي يتم تسجيلها في تقرير الاختبار. من الضروري معرفة درجة الحرارة التي أجريت عندها القياسات لمقارنة نتائج القياس مع بعضها البعض ، لأن مقاومة العزل تتغير بشكل حاد اعتمادًا على درجة الحرارة: في المتوسط ​​، تقل مقاومة العزل بمقدار 1.5 مرة مع زيادة درجة الحرارة كل 10 درجات مئوية. ويزداد أيضًا مع الانخفاض المقابل في درجة الحرارة.

نظرًا لحقيقة أن الرطوبة ، الموجودة دائمًا في المواد العازلة ، تؤثر على نتائج القياس ، فإن تحديد المعلمات التي تميز جودة العزل لا يتم إجراؤه في درجات حرارة أقل من + 10 درجة مئوية ، لأن النتائج التي تم الحصول عليها لن تعطي فكرة صحيحة عن حالة العزلة الحقيقية.

عند قياس مقاومة العزل لمنتج بارد عمليًا ، يمكن افتراض أن درجة حرارة العزل مساوية لدرجة الحرارة المحيطة. في جميع الحالات الأخرى ، يُفترض بشكل مشروط أن تكون درجة حرارة العزل مساوية لدرجة حرارة اللفات ، مقاسة بمقاومتها النشطة.

حتى لا تختلف مقاومة العزل المقاسة اختلافًا كبيرًا عن القيمة الحقيقية ، يجب أن تُدخل مقاومة العزل الخاصة لعناصر دائرة القياس - الأسلاك ، والعوازل ، وما إلى ذلك - حدًا أدنى من الخطأ في نتيجة القياس.لذلك ، عند قياس مقاومة العزل للأجهزة الكهربائية بجهد يصل إلى 1000 فولت ، يجب أن تكون مقاومة هذه العناصر 100 ميغا أوم على الأقل ، وعند قياس مقاومة العزل لمحولات الطاقة - لا تقل عن حد القياس للميغا أوم .

إذا لم يتم استيفاء هذا الشرط ، يجب تصحيح نتائج القياس لمقاومة العزل لعناصر الدائرة. للقيام بذلك ، يتم قياس مقاومة العزل مرتين: مرة بدائرة مجمعة بالكامل وتوصيل المنتج ، والمرة الثانية مع فصل المنتج. ستعطي نتيجة القياس الأول مقاومة العزل المكافئة للدائرة والمنتج Re ، وستعطي نتيجة القياس الثاني مقاومة عناصر دائرة القياس Rc. ثم مقاومة العزل للمنتج

إذا لم يتم تحديد تسلسل قياس مقاومة العزل بالنسبة للآلات الكهربائية لبعض المنتجات الأخرى ، فعندئذٍ بالنسبة لمحولات الطاقة يتم تنظيم تسلسل القياس هذا بالمعيار الذي يتم بموجبه قياس مقاومة العزل لفائف الجهد المنخفض (LV) أولاً. يجب تأريض اللفات المتبقية وكذلك الخزان. في حالة عدم وجود خزان ، يجب تأريض غلاف المحول أو هيكله العظمي.

في حالة وجود ثلاث لفات جهد - جهد منخفض ، جهد مرتفع متوسط ​​، جهد أعلى - بعد لف الجهد المنخفض ، من الضروري قياس مقاومة العزل لفائف الجهد المتوسط ​​وعندها فقط الجهد العالي.بطبيعة الحال ، بالنسبة لجميع القياسات ، يجب تأريض الملفات المتبقية ، وكذلك الخزان ، ويجب تفريغ الملف غير المؤرض بعد كل قياس عن طريق الاتصال بالصندوق لمدة دقيقتين على الأقل. إذا كانت نتائج القياسات لا تفي بالمتطلبات المحددة ، فيجب استكمال الاختبارات بتحديد مقاومة العزل للملفات المتصلة كهربائيًا ببعضها البعض.

بالنسبة للمحولات ذات الملفين ، يجب قياس مقاومة لفات الجهد العالي والمنخفض بالنسبة للحالة ، وبالنسبة للمحولات ذات الثلاثة لفات ، يجب قياس ملفات الجهد العالي والمتوسط ​​أولاً ، ثم لفات الجهد العالي والمتوسط ​​والمنخفض .

عند اختبار عزل المحولات ، من الضروري إجراء عدة قياسات ليس فقط لتحديد قيم مقاومة العزل المكافئة ، ولكن أيضًا لمقارنة مقاومة عزل اللفات مع اللفات الأخرى وجسم الآلة.

تقاس مقاومة عزل الآلات الكهربائية عادةً بملفات الطور المترابطة ، وفي موقع التثبيت - جنبًا إلى جنب مع الكابلات (القضبان). إذا كانت نتائج القياس لا تفي بالمتطلبات المحددة ، فسيتم قياس مقاومة العزل لكل ملف طور ، وإذا لزم الأمر ، يتم قياس كل فرع من فروع اللف.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه من الصعب الحكم بشكل معقول على حالة العزل من خلال القيمة المطلقة لمقاومة العزل وحدها. لذلك ، من أجل تقييم حالة عزل الآلات الكهربائية أثناء التشغيل ، تتم مقارنة نتائج هذه القياسات بنتائج القياسات السابقة.

عادة ما تشير الاختلافات الكبيرة ، عدة مرات ، بين مقاومات العزل للأطوار الفردية إلى وجود عيب كبير. يشير الانخفاض المتزامن في مقاومة العزل لجميع ملفات الطور ، كقاعدة عامة ، إلى حدوث تغيير في الحالة العامة لسطحه.

عند مقارنة نتائج القياس ، يجب تذكر اعتماد مقاومة العزل على درجة الحرارة. لذلك ، من الممكن مقارنة نتائج القياسات التي أجريت في نفس درجة الحرارة أو درجة حرارة مماثلة مع بعضها البعض.

عندما يكون الجهد المطبق على العزل ثابتًا ، يتناقص إجمالي التيار Ii (انظر الشكل 1) المتدفق خلاله ، وكلما كانت حالة العزل أفضل ، ووفقًا للانخفاض في التيار Ii ، فإن قراءات زيادة ميغاومتر. نظرًا لحقيقة أن مكون I2 من هذا التيار ، والذي يُطلق عليه أيضًا تيار الامتصاص ، على عكس مكون I3 ، لا يعتمد على حالة السطح العازل ، وكذلك على التلوث ومحتوى الرطوبة ، ونسبة قيم مقاومة العزل في لحظات معينة من الوقت تعتبر خاصية لعزل محتوى الرطوبة.

توصي المعايير بقياس مقاومة العزل بعد 15 ثانية (R15) وبعد 60 ثانية (R60) بعد توصيل ميغا أومتر ، وتسمى نسبة هذه المقاومة ka = R60 / R15 معامل الامتصاص.

مع عزل غير رطب ، k> 2 ، ومع عزل رطب - ka ≈1.

نظرًا لأن قيمة معامل الامتصاص مستقلة عمليًا عن حجم الآلة الكهربائية وعوامل عشوائية مختلفة ، فيمكن تطبيعها: ka ≥ 1.3 عند 20 درجة مئوية.

يجب ألا يتجاوز الخطأ في قياس مقاومة العزل ± 20٪ ، ما لم يتم تحديده على وجه التحديد لمنتج معين.

في المنتجات الكهربائية ، تخضع اختبارات القوة الكهربائية لعزل اللفات للجسم وبعضها البعض ، بالإضافة إلى العزل الوسيط للملفات.

من أجل التحقق من قوة العزل الكهربائي لعزل الملفات أو الأجزاء الحاملة للتيار في السكن ، يتم تطبيق جهد جيبي متزايد بتردد 50 هرتز على أطراف الملف المختبر أو الأجزاء الحاملة للتيار. يشار إلى الجهد ومدة تطبيقه في الوثائق الفنية لكل منتج محدد.

عند اختبار القوة العازلة لعزل اللفات والأجزاء الحية بالجسم ، يجب توصيل جميع اللفات والأجزاء الحية الأخرى غير المشاركة في الاختبارات كهربائيًا بجسم المنتج المؤرض. بعد انتهاء الاختبار ، يجب تأريض الملفات لإزالة الشحنة المتبقية.

في التين. يوضح الشكل 2 رسمًا تخطيطيًا لاختبار القوة العازلة لملف محرك كهربائي ثلاثي الطور. يتم إنشاء الجهد الزائد عن طريق تركيب اختبار AG يحتوي على مصدر جهد منظم E. يتم قياس الجهد على جانب الجهد العالي باستخدام الفولتميتر الكهروضوئي. يستخدم مقياس التيار الكهربائي PA لقياس تيار التسرب من خلال العزل.

يعتبر المنتج قد اجتاز الاختبار إذا لم يكن هناك انهيار للعزل أو تداخل السطح ، وكذلك إذا كان تيار التسرب لا يتجاوز القيمة المحددة في وثائق هذا المنتج. لاحظ أن وجود مقياس التيار الكهربائي الذي يراقب تيار التسرب يجعل من الممكن استخدام محول في إعداد الاختبار.

أرز. 2. مخطط اختبار قوة العزل الكهربائي لعزل المنتجات الكهربائية

بالإضافة إلى اختبار جهد التردد للعزل ، يتم أيضًا اختبار العزل بالجهد المعدل. تتمثل ميزة هذا الاختبار في إمكانية تقييم حالة العزل بناءً على نتائج قياس تيارات التسرب بقيم مختلفة لجهد الاختبار.

من أجل تقييم حالة العزل ، يتم استخدام معامل اللاخطية

حيث I1.0 و I0.5 هما تيارات تسرب بعد دقيقة واحدة من تطبيق جهد اختبار مساوٍ للقيمة الطبيعية لـ Unorm ونصف الجهد المقنن للآلة الكهربائية Urated ، kn <1.2.

يتم استخدام الخصائص الثلاث المدروسة - مقاومة العزل ، ومعامل الامتصاص ، والمعامل غير الخطي - لحل مسألة إمكانية تشغيل آلة كهربائية دون تجفيف العزل.

عند اختبار القوة العازلة للعزل حسب الرسم التخطيطي في الشكل. 2 جميع لفات اللف هي عمليا نفس الجهد فيما يتعلق بالجسم (الأرض) ، وبالتالي يظل عزل الدوران دون رادع.

تتمثل إحدى طرق اختبار القوة العازلة للعزل العازل في زيادة الجهد بنسبة 30٪ مقارنة بالقيمة الاسمية. يتم تطبيق هذا الجهد من مصدر جهد منظم EK إلى نقطة اختبار عدم التحميل.

طريقة أخرى قابلة للتطبيق على المولدات التي تعمل في وضع الخمول وتتكون من زيادة تيار الإثارة للمولد حتى يتم الحصول على الجهد (1.3 ÷ 1.5) Unom عند أطراف الجزء الثابت أو المحرك ، اعتمادًا على نوع الماكينة.بالنظر إلى أنه حتى في وضع الخمول ، يمكن للتيارات التي تستهلكها لفات الآلات الكهربائية أن تتجاوز قيمها الاسمية ، تسمح المعايير بإجراء مثل هذا الاختبار بتردد متزايد للجهد الموفر لملفات المحرك أعلى من القيمة الاسمية أو عند زيادة سرعة المولد.

لاختبار المحركات غير المتزامنة ، من الممكن أيضًا استخدام جهد اختبار بتردد fi = 1.15 fn. ضمن نفس الحدود ، يمكن زيادة سرعة المولد.

عند اختبار القوة العازلة للعزل بهذه الطريقة ، سيتم تطبيق جهد مساوٍ عدديًا لنسبة الجهد المطبق مقسومًا على عدد لفات الملف بين لفات الملف المجاورة. وهي تختلف قليلاً (بنسبة 30-50٪) عن تلك الموجودة عندما يعمل المنتج بجهد اسمي.

كما تعلم ، فإن حد زيادة الجهد المطبق على أطراف الملف الموجود في القلب يرجع إلى الاعتماد غير الخطي للتيار في هذا الملف على الجهد عند أطرافه. عند الفولتية القريبة من القيمة الاسمية Unom ، لا يكون اللب مشبعًا ويعتمد التيار خطيًا على الجهد (الشكل 3 ، القسم OA).

مع زيادة الجهد ، تزداد U أعلى من التيار الاسمي في الملف بشكل حاد ، وعند U = 2Unom يمكن أن يتجاوز التيار القيمة الاسمية بعشرات المرات. من أجل زيادة الجهد بشكل كبير في كل دورة من اللف ، يتم اختبار قوة العزل بين المنعطفات بتردد أعلى بعدة مرات (عشر مرات أو أكثر) من التردد الاسمي.

أرز. 3. رسم بياني لاعتماد التيار في الملف مع قلب على الجهد المطبق

أرز. 4.مخطط اختبار العزل المتعرج عند زيادة تردد التيار

دعونا ننظر في مبدأ اختبار العزل الوسيط لملفات الموصل (الشكل 4). يتم وضع ملف الاختبار L2 على قضيب الدائرة المغناطيسية المنقسمة. يتم تطبيق الجهد U1 على أطراف الملف L1 بتردد متزايد ، بحيث يكون هناك جهد ضروري لكل دورة في الملف L2 لاختبار القوة العازلة للعزل من المنعطف إلى الدوران. إذا كان عزل لفات الملف L2 في حالة جيدة ، فسيكون التيار الذي يستهلكه الملف L1 ويتم قياسه باستخدام مقياس التيار PA بعد تثبيت الملف كما كان من قبل. خلاف ذلك ، يزداد التيار في الملف L1.

أرز. 5. مخطط لقياس ظل زاوية الفقد العازل

آخر خصائص العزل المدروسة - ظل فقدان العزل الكهربائي.

من المعروف أن العزل له مقاومة نشطة وتفاعلية ، وعندما يتم تطبيق جهد دوري عليه ، تتدفق التيارات النشطة والمتفاعلة عبر العزل ، أي أن هناك قوى P نشطة وقوى Q التفاعلية. تسمى النسبة P إلى Q بزاوية خسارة العزل الكهربائي ويُشار إليها بـ tgδ.

إذا تذكرنا أن P = IUcosφ و Q = IUsinφ ، فيمكننا كتابة:

tgδ هي نسبة التيار النشط المتدفق عبر العزل إلى رد الفعل الحالي.

لتحديد tgδ ، من الضروري قياس القدرة النشطة والمتفاعلة أو مقاومة العزل النشطة والمتفاعلة (السعوية) في نفس الوقت. يظهر مبدأ قياس tgδ بالطريقة الثانية في الشكل. 5 ، حيث دائرة القياس عبارة عن جسر واحد.

تتكون أذرع الجسر من مثال مكثف C0 ، مكثف متغير C1 ، متغير R1 ومقاومات R2 ثابتة ، بالإضافة إلى السعة ومقاومة العزل للملف L لجسم المنتج أو الكتلة ، كما هو موضح تقليديًا على أنه مكثف Cx والمقاوم Rx. إذا كان من الضروري قياس tgδ ليس على الملف ، ولكن على المكثف ، فإن لوحاته متصلة مباشرة بالمطاريف 1 و 2 من دائرة الجسر.

يتضمن قطري الجسر مقياس جلفانومتر P ومصدر طاقة ، وهو في حالتنا محول T.

كما في الآخرين دوائر الجسر تتكون عملية القياس من الحصول على الحد الأدنى من قراءات الجهاز P عن طريق التغيير المتسلسل لمقاومة المقاوم R1 وسعة المكثف C1. عادة ، يتم اختيار معلمات الجسر بحيث يتم قراءة قيمة tgδ عند صفر أو أدنى قراءات للجهاز P مباشرة على مقياس المكثف C1.

يعد تعريف tgδ إلزاميًا لمكثفات الطاقة والمحولات وعوازل الجهد العالي والمنتجات الكهربائية الأخرى.

نظرًا لحقيقة أن اختبارات قوة العزل الكهربائي وقياسات tgδ يتم إجراؤها ، كقاعدة عامة ، عند الفولتية فوق 1000 فولت ، يجب مراعاة جميع تدابير السلامة العامة والخاصة.

إجراء اختبار العزل الكهربائي

يجب تحديد معلمات وخصائص العزل التي تمت مناقشتها أعلاه بالتسلسل الذي تحدده المعايير لأنواع معينة من المنتجات.

على سبيل المثال ، في محولات الطاقة ، يتم تحديد مقاومة العزل أولاً ثم يتم قياس ظل فقدان العزل الكهربائي.

بالنسبة للآلات الكهربائية الدوارة ، بعد قياس مقاومة العزل قبل اختبار قوتها العازلة ، من الضروري إجراء الاختبارات التالية: عند زيادة تردد الدوران ، مع تيار قصير المدى أو حمل زائد لعزم الدوران ، مع دائرة قصر مفاجئة (إذا كانت كذلك) مخصص لهذه الآلة المتزامنة) ، اختبار العزل للجهد المعدل للملفات (إذا تم تحديده في وثائق هذا الجهاز).

قد تكمل المعايير أو المواصفات الخاصة بأنواع آلات معينة هذه القائمة باختبارات أخرى قد تؤثر على قوة العزل الكهربائي للعزل.