1. Мета роботи

– Усвідомити фізичний зміст електричних процесів, що відбуваються в ізоляції, при вмиканні її на постійну напругу.

– Засвоїти основи експлуатаційних методів контролю технічного стану ізоляції силових трансформаторів за величиною її опору та коефіцієнта абсорбції.

– Одержати уявлення про порядок величин опору ізоляції електрообладнання та їхню залежність від технічного стану ізоляції й умов вимірювання.

1.2 Загальні положення

Поляризацією називається стан речовини, при якій елементарний об'єм діелектрика отримує електричний момент.

Виникнення (індукція) електричного моменту в одиниці об'єму зразка діелектричного матеріалу або ділянки електричної ізоляції може відбуватися під дією електричного поля, механічних напруг або спонтанно (мимовільно).

Поляризованість J – визначає інтенсивність поляризації діелектрика і є кількісною характеристикою діелектрика. Середній електричний момент, що доводиться на одну молекулу діелектрика, дипольний момент молекули:

P=q∙l (1.1)

Де q – величина заряду, l – відстань між центрами позитивного і негативного заряду. Якщо існує n таких молекул (диполів) в 1м³, то

J=n∙p (1.2)

Поляризованість J, Кл∙м/м³ співпадає по значенню з поверхневою густиною зарядів, що виникають на поверхні діелектрика.

Індукований полем електричний момент молекули p, поляризованого діелектрика і напруженість електричного поля Е – векторні фізичні величини. Вектори J і E в ізотропних кристалічних діелектриках і текстурах співпадають і мають різні напрями в анізотропних середовищах. Для ізотропних («лінійних») діелектриків поляризованість J пропорційна напруженості зовнішнього поля Е

J=₀∙ ∙ Е (1.3)

Де  – безрозмірний параметр, званий діелектричною сприйнятливістю, а ₀ – електрична постійна, рівна 8,854∙10^-12 Ф/м. Для характеристики здатності діелектричних матеріалів до поляризації в техніці використовують безрозмірний параметр – відносну діелектричну проникність _r ( індекс r надалі опускатимемо).

Відлік значень опору ізоляції проводиться після закінчення 1 мін з моменту прикладання напруги. Кабельна лінія напругою до 1 кВ вважається придатною до подальшої експлуатації, якщо опір ізоляції складає не нижче 0,5 МОм.

При проведенні вимірювань слід враховувати специфіку впливу різних зовнішніх чинників на величину опору ізоляції. Одним з таких чинників є температура. При її підвищенні в більшості діелектриків, що використовуються як електрична ізоляція, збільшується кількість вільних носіїв зарядів, що приводить до зниження опору. У зв'язку з цим однозначно зробити висновок про стан якості ізоляції вельми важко.

Іншим, поширеним чинником, що має вплив на опір ізоляції, є її вогкість. При підвищенні волого поглинення відбувається істотне зменшення опору ізоляції.

Більшість електромагнітних матеріалів, що використовуються, є гігроскопічними, тобто здатними вбирати вологу з навколишнього середовища, що вносить додаткову погрішність в реальну величину опору ізоляції. На практиці для оцінки стану ізоляції доцільно використовувати коефіцієнт абсорбції

(1.4)

Де R_60” і R_15” - значення опору ізоляції, виміряні відповідно через 15 і 60 секунд після прикладання напруги.

Значення k_абс для вологої ізоляції знаходиться в межах 1,0 – 1,2, для сухої ізоляції – 1,2 -1,7 і вище.

Для вимірювання опору ізоляції устаткування в мережах 0,4 кВ використовуються мегомметри з вихідною напругою не менше 1000 В, а мережах 6кВ і вище – мегомметри з вихідною напругою 2500 В. У зв'язку з процесом поляризації, протікаючому в ізоляції величина вимірюваного опору залежить від часу прикладання напруги. Еквівалентна схема заміщення ізоляції устаткування представлена на рис.1.1.

Рис.1.1 – Схема заміщення ізоляції устаткування.

Опір R_С обумовлений протіканням в ізоляції струму витоку. Ємність С₀ – еквівалентна геометричній місткості устаткування, що піддається випробуванню (трансформатор, електродвигун). Величина її, як правило, незначна і знаходиться в межах від декількох сотень до декількох тисяч піко фарад. У зв'язку з цим така ємність повністю заряджатиме за час обмежений 15 секундами (R_15”). Силові коливання володіють значною геометричною ємністю, тому з метою зменшення погрішності на величину коефіцієнта абсорбції їх рекомендується відключати від випробовуваного устаткування.

Послідовна ланка C_АБ і R_АБ еквівалентний опір кола в результаті протікання струмів абсорбції. При використовуванні для ізоляції якісних діелектриків, що не містять домішок і вологи, , для заряду ємності буде потрібно значний проміжок часу. На практиці цей час був обмежений 60 секундами (R_60”).

В процесі вимірювання може бути встановлена асиметрія значень опорів, причиною якої є зволоження і забруднення кінцевих муфт КЛ. Для усунення її використовується просочення.

Значення опору ізоляції КЛ напругою вище 1 кВ не нормується.

Вода, що міститься в твердій ізоляції силових трансформаторів, діє як каталізатор в процесі руйнування целюлози і прискорює таким чином процес старіння ізоляції. Вакуумна сушка в поєднанні з низькочастотним нагрівом є ефективним способом, що дозволяє на цілий порядок понизити витрати часу в порівнянні з традиційним методом сушки, заснованим на циркуляції масла.

Силові трансформатори в мережах первинного електропостачання неминуче піддаються дії коротких замикань. Це найбільшою мірою відноситься до трансформаторів тягових підстанцій, оскільки в контактному колі короткі замикання відбуваються досить часто. В результаті виникнення струмів короткого замикання обмотки трансформаторів піддаються значним силовим діям. У зв'язку з цим велике значення має механічна міцність ізоляції трансформаторів, особливо паперової і з пресованого картону.

Відомо, що волога, що міститься в ізоляції сприяє термокінетичному розкладанню целюлози і прискорює процес старіння матеріалу. Тому досягши певного рівня змісту вологи в ізоляції трансформатора для забезпечення його подальшої надійної роботи необхідне просушування. Існують різні способи просушування. Метод Smart Dry, що поєднує вакуумну сушку обмоток з низькочастотним нагрівом (LFH), зарекомендував себе як найраціональніше для трансформаторів потужністю більше 10 МВА і економічно вигідне рішення.

1.3 Чинники, що впливають на процес старіння ізоляційних матеріалів

Механічна міцність ізоляції трансформатора значною мірою визначається так званим ступенем поляризації, яка оцінюється коефіцієнтом поляризації DР. Целюлоза, утворююча основу ізоляційних матеріалів обмоток, складається з певних волоконних ланцюжків, до складу кожної з яких спочатку входить більше 1000 молекул. Швидкість, з якою зменшується коефіцієнт DP, залежить від багатьох чинників. В першу чергу серед таких чинників необхідно назвати температуру. Відомо, що достатньо високі температури в значній мірі зменшують величину коефіцієнта DР. Одна з термічних моделей старіння показує, що підвищення або зниження температури обмотки на 6 ^оС по відношенню до базової температури 98^оС в два рази збільшує або знижує інтенсивність старіння. Іншим чинником є дія кислот на целюлозу. Органічні кислоти, основною складовою яких звичайно є оцтова, утворюються в результаті старіння або окислення ізоляційного масла. Третій важливий чинник – вміст вологи в твердому ізоляційному матеріалі, який збільшується в процесі експлуатації в результаті випаровувань з баку.

Всі ці чинники поступово зменшують довжину волокон целюлози в процесі експлуатації, молекулярні ланки розщеплюються, внаслідок чого коефіцієнт DP зменшується до 200 і нижче. Матеріал стає крихким і у меншій мірі може протистояти впливаючим на нього силам. Це є основною причиною скорочення терміну служби трансформатора. Досліди, що проводилися в Німеччині в 1940-х роках, показали, що більшість волоконних матеріалів зберігає значну електричну міцність після втрати механічної.