Методы контроля изоляции с использованием явления абсорбции

Эти методы базируются на двух основных явлениях, которые возникают в диэлектриках под действием электрического поля: электропроводности и электрической поляризации. Электропроводность связана с наличием примесей в диэлектрике, а поляризация – с ориентацией связанных зарядов в диэлектрике и накоплением зарядов на границе раздела диэлектриков в неоднородной изоляции. Эти явления были подробно рассмотрены ранее и здесь мы остановимся только на применении этих методов.

Электропроводность технических диэлектриков и изоляционных конструкций носит, как правило, примесный характер. Чем больше в изоляции загрязняющих примесей, тем выше ее электропроводность и ниже электрическая прочность. Поэтому проводимость, или обратная ей величина – сопротивление утечки R_у, изоляции могут служить косвенными показателями степени загрязнения изоляции и, следовательно, общего состояния изоляции.

При подключении диэлектриков к постоянному напряжению, кроме постоянного тока утечки наблюдается в течение непродолжительного времени так называемый ток абсорбции, спадающий со временем до нуля по экспоненциальному закону. После окончания переходного процесса в схеме будет протекать лишь сквозной ток проводимости I_у. В процессе старения ток абсорбции уменьшается. Следовательно, по току абсорбции можно судить о состоянии изоляции и степени ее старения.

Поскольку ток i через изоляцию с момента подачи на нее постоянного напряжения со временем уменьшается, стремясь к установившемуся значению I_у, то величина сопротивления R с течением времени возрастает, стремясь к установившемуся значению .В зависимости от соотношения I_у и I_абм процесс увеличения R будет происходить по-разному (рис.6.3). При кривая имеет точку перегиба.

Состояние изоляции оценивают с помощью абсолютного значения сопротивления изоляции, а также с помощью коэффициента абсорбции K_aб, который равен отношению токов, измеренных через 15с и 60с с момента приложения напряжения

Сопротивление изоляции есть величина обратная току утечки, поэтому коэффициент абсорбции определяют также как отношение одноминутного значения сопротивления изоляции R₆₀ к пятнадцатисекундному значению R₁₅: Правила технической эксплуатации нормируют значение коэффициента абсорбции K_аб для крупных электрических машин. Изоляция считается сухой, если K_aб >1,3 при температуре 10˚-20˚С. Если K_aб<1,3, то изоляция увлажненная, и ее необходимо сушить.

Измерение сопротивления изоляции R₆₀ и R₁₅ входит в программу обследования трансформаторов РАО «ЕЭС России». В соответствии с «Объемом и нормами испытания электрооборудования» [25] абсолютное значение сопротивления изоляции трансформаторов напряжением свыше 35 кВ должно быть не менее 50% значения исходных (заводских) величин.

По приведенному рис.5.1 можно с уверенностью 99% утверждать, что, если К_аб ≥ 2,6, то этот двигатель прошел или капитальный или средний ремонт. Если же К_аб ≤ 1,4, то с вероятностью 90% можно утверждать, что он нуждается в ремонте.

Плотности распределения одноминутного значения сопротивления изоляции R₆₀ для тех же самых случаев: мало различимы. Коэффициент абсорбции дает объективную оценку состояния изоляции, т.к. учитывает заряд абсорбции. Однако контроль заряда абсорбции по току абсорбции неудобен тем, что ток абсорбции мал и промышленные помехи сильно искажают его. Поэтому удобнее пользоваться другими методами обнаружения явления абсорбции. Так, например, на практике можно применить метод измерения возвратного напряжения и напряжения саморазряда. Эти методы были описаны в §§6.4 - 6.5.

Опыт, в котором наблюдается возвратное напряжение, состоит в следующем (рис.6.5). Неоднородная изоляция заряжается в течение одной минуты при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции. Затем изоляция отключается от источника постоянного напряжения и ее электроды замыкаются накоротко на очень малый промежуток времени Δt, после чего вновь размыкаются. За время Δt геометрическая емкость С_Г полностью разряжается, а заряд абсорбции, накопленный на границе слоев, остается практически неизменным. Этот заряд распределится на обе емкости и зарядит их до одинакового напряжения . После размыкания внешних электродов изоляции емкости С₁ и С₂ вновь оказываются соединенными последовательно. Емкости С₁ и С₂ будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев R₁ и R₂ c разной скоростью, т.к. постоянные времени слоев R₁C₁ и R₂C₂ неодинаковы. На изоляции появится напряжение u_в, равное разности двух экспонент (рис.6.5):

.

Это напряжение и называют возвратным напряжением. По величине и форме возвратного напряжения можно судить о состоянии изоляции. Как показали исследования, наиболее информативным является возвратное напряжение, измеренное на 30-й секунде после начала измерения, которое обозначают u_в30. На рис.9.2 приведены дифференциальные функции распределения u_в30. тяговых электродвигателей типа НБ-406 для трех случаев: до ремонта, после среднего ремонта и после капитального ремонта.

Три максимума в кривой плотности распределения u_в30 до ремонта относятся к разным пробегам. Согласно Правилам ремонта электрических машин электроподвижного состава тяговые электродвигатели поступают в ремонт с пробегами кратными 350тыс.км. (350, 700, 1050 и 1400 тыс.км.). Двигатели с пробегами 350, 700 и 1050 тыс. км. проходят средний ремонт с пропиткой якорей и полюсных катушек, а двигатели с пробегом 1400 тыс. км. проходят капитальный ремонт с полной заменой обмотки.

Хотя согласно Правилам пробег между ремонтами составляет 350 тыс. км, в действительности же двигатели поступают в ремонт как с пробегом меньше 350тыс.км. так и с перепробегами. Реальные пробеги поступающих в ремонт ТЭД лежат в довольно широких интервалах (±20%).

Примем первый интервал пробегов равным 350-700 тыс.км. (середина интервала 525 тыс.км.), второй интервал 700-1050 тыс.км. (середина интервала 875 тыс.км.) и третий интервал 1050-1400 тыс. км. (середина интервала 1225 тыс.км.). Три максимума в кривой плотности распределения Uв₃₀ до ремонта при напряжениях 155, 95, и 20 В относятся к разным пробегам и соответствуют средним значениям интервалов 525, 875 и 1225 тыс. км. Два явных максимума в кривой плотности распределения Uв₃₀ после среднего ремонта также относятся к двум средним значениям интервалов пробегов, после которых выполняется средний ремонт. Один максимум соответствует отремонтированным двигателям со средним пробегом 525 тыс.км. и наблюдается при напряжении Uв₃₀ =215 В, а второй максимум соответствует отремонтированным двигателям со средним пробегом 875 тыс.км. и наблюдается при напряжении Uв₃₀ =155 В. Кривая распределения Uв₃₀ после капитального ремонта имеет закон, близкий к нормальному, и небольшую дисперсию. Максимум плотности распределения соответствует возвратному напряжению Uв₃₀ =220 В.

Полученные кривые дают возможность построить зависимость возвратного напряжения от пробега P и вида ремонта (рис.9.3). Из рис. 9.3 видно, что с увеличением пробега P изоляция стареет и возвратное напряжение снижается. Средний ремонт восстанавливает свойства изоляции и повышает возвратное напряжение примерно на 60 В. После средних ремонтов выполняется капитальный ремонт, который полностью восстанавливает качество изоляции. На рис.9.3 видно, что у двигателей, имеющих средний пробег 1225 тыс. км. среднестатистическое возвратное напряжение Uв₃₀ составляет 20 В, что говорит о большой изношенности изоляции. Свойства такой изоляции нельзя восстановить средним ремонтом, и требуется полная замена обмотки.

Рис. 5.3. Зависимость возвратного напряжения от пробега и вида ремонта.

Вместе с тем, если у двигателя с таким пробегом возвратное напряжение оказывается значительно больше 20 В, то это значит, что изоляция имеет еще значительный запас до полного износа. В качестве решающего правила используется значение возвратного напряжения, равное 80 В. Свойства такой изоляции можно восстановить средним ремонтом, т.е. пропиткой изоляции и ее сушкой, что позволяет экономить дефицитные обмоточные и изоляционные материалы, удешевляет ремонт и продляет срок службы ТЭД до следующего ремонта.

Итак, о старении изоляции без ее разрушения, как показали исследования, можно судить по характеру процессов поляризации, а именно по величине возвратного напряжения, как ни по одному другому параметру. Это доказывается следующими положениями. С увеличением пробега изоляция изнашивается, ее электрическая прочность снижается. С ростом пробега уменьшается и возвратное напряжение, которое может характеризовать состояние изоляции даже лучше чем пробивное напряжение. Дело в том, что пробивное напряжение характеризует лишь кратковременную прочность изоляции и в ряде случаев она может быть достаточно высокой. Однако электрическая прочность при длительном воздействии напряжения оказывается недостаточной из-за ухудшившихся электрических характеристик изоляции. В частности, в процессе старения изоляции увеличиваются диэлектрические потери, которые могут привести к тепловому пробою изоляции при длительном приложении напряжения.

Для каждого вида изоляции существует свой внутренний ресурс, который характеризуется способностью изоляции в течение определенного времени выдерживать приложенное напряжение и противостоять разрушающему воздействию процессов, протекающих при этом напряжении.

Внутренний ресурс определяется количеством вещества, которое должно быть разрушено для того, чтобы привести к резкому снижению электрических параметров, переходящему затем в один из видов пробоя. Внутренний ресурс у каждого вида новой изоляции есть величина постоянная, и естественно он постепенно уменьшается с ростом пробега. Уменьшается и возвратное напряжение. Следовательно, величина возвратного напряжения в настоящее время лучше, чем какой-либо другой параметр характеризует изношенность изоляции.

Если после отключения изоляции от источника постоянного напряжения U она не разряжается на землю, изаряженные емкости слоев С₁ и С₂ (рис.6.5) неоднородной изоляции будут разряжаться только на сопротивления утечки своих слоев R₁ и R₂, то этот процесс называют саморазрядом изоляции. Напряжение на изоляции будет равно сумме напряжений на отдельных слоях изоляции, т.е. будет равно сумме экспонент (формула 6-38):

.

Измерение напряжения саморазряда позволяет рассчитать некоторые параметры изоляции, которые существенно различаются в зависимости от степени старения изоляции. Например, по напряжению саморазряда можно рассчитать две постоянные времени: и , а также коэффициент абсорбции К_аб, постоянную времени заряда изоляции τ, а также заряд абсорбции на границе раздела двух диэлектриков неоднородной изоляции Q_ГР. Для определения указанных параметров используются формулы (6-9а) и (6-31):

На рис.9.4 приведена зависимость постоянной времени τ и заряда на границе раздела Q_ГР для тяговых электродвигателей типа ДК-117 вагонов метрополитена от пробега. Эти зависимости получены в результате статистической обработки большого массива экспериментальных данных, полученных в Нижегородском метрополитене. Приведенные зависимости также можно использовать для целей диагностики. Значение постоянных времени для изоляции ТЭД с пробегами 500,1000 и 1500 тыс. км. составили соответственно:32,58; 28,68 и 24, 52 с, т.е. с ростом пробега постоянная времени уменьшается.

Заряд Q_ГР составил для ТЭД с пробегом 500, 1000 и 1500 тыс.км. соответственно 13,9; 10,3 и 8,45∙10^-6 Кл. На рис.9.5 приведена зависимость заряда Q_ГР от пробега. Полученную зависимость можно экстраполировать показательной функцией:

, (5-1)

где Р – пробег ТЭД в тыс. км (рис.5.5).

Качество q изоляции ТЭД с пробегом Р можно оценивать отношением [35]:

(5-2)

В табл.3 приведены рассчитанные значения качества изоляции для пробегов от 500 тыс. км. до 3000 тыс.км. Качество изоляции для ТЭД с пробегами 500, 1000 и 1500 тыс. км. составляет 0,76: 0,58: и 0,44.

Таблица 9.1.

Прогнозирование показало, что ТЭД с зарядом меньшем чем 3,5∙10^-6 Кл имеют большой износ изоляции и непригодны для дальнейшей эксплуатации.

ТЭД с пробегом 3000 тыс. км. , имеющие заряд более 4,7∙10^-6 Кл могут эксплуатироваться до очередного текущего ремонта. Доля таких двигателей, имеющих пробег 3000 тыс. км. составит по предварительным прогнозам примерно 11%., т. е. каждый девятый ТЭД может после выработанного ресурса 3000 тыс. км. пройти еще 500 тыс. км., если применять прибор для объективной оценки состояния изоляции по величине заряда на границе раздела двух сред.

Таким образом, применение рассмотренного метода оценки состояния корпусной изоляции позволит перейти от системы ремонта по пробегу к системе ремонта по реальному техническому состоянию. Такой переход обеспечит повышение эксплуатационной надежности тяговых двигателей и снижение эксплуатационных расходов за счет экономии дефицитных обмоточных и изоляционных материалов.

Рис.\5.5 Зависимость заряда на границе раздела двух диэлектриков для ТЭД ДК-117 от пробега Р.

Для измерения рассмотренных выше параметров: сопротивления изоляции, кривой саморазряда и возвратного напряжения в Нижегородском филиале РГОТУПС разработано устройство, защищенное авторским свидетельством. Принципиальная схема устройства приведена на рис.9.6.

Устройство включает в себя: высоковольтный стабилизированный источник питания ВИП с выходным напряжением 1000 В, измеритель тока И1, измеритель напряжения И2 и два высоковольтных реле Р1 и Р2, управляемых микропроцессорным контроллером. Схема замещения неоднородной изоляции тягового двигателя представлена в виде двух конденсаторов С1 иС2, зашунтированных резисторами R1 и R2.

Рис.5. 6 Принципиальная схема устройства для измерения параметров изоляции

Устройство работает следующим образом. Сначала оба реле Р1 и Р2 обесточены и объект измерения разряжается на землю в течение одной минуты. Затем включаются оба реле и в течение одной минуты объект испытания заряжается от высоковольтного источника питания. Во время заряда измерителем И1 измеряется ток утечки, а измерителем И2 напряжение на изоляции. Далее автоматически рассчитывается сопротивление изоляции и коэффициент абсорбции. Если требуется измерить напряжение саморазряда, то после заряда изоляции реле Р1 отключается, а реле Р2 остается включенным. Измеритель напряжения И2 в течение одной минуты измеряет напряжение саморазряда. Чтобы измерить возвратное напряжение, предварительно заряженную изоляцию кратковременно (в течение 5 секунд) разряжают на землю (оба реле выключены). Затем реле Р2 включается, а реле Р1 остается выключенным и возвратное напряжение измеряется измерителем И2.напряжение