3.1.2. Методы контроля с использованием явления абсорбции

Контроль изоляции по «возвратному» напряжению. Опыт, в котором наблюдается «возвратное» напряжение, состоит в следующем. Неоднородная изоляция, которую для простоты можно считать двухслойной, в течение некоторого времени выдерживается при постоянном напряжении, чтобы в ней накопился заряд абсорбции. Затем она отсоединяется от источника напряжения, и ее электроды замыкаются «накоротко» на очень малый промежуток времени Δt, после чего вновь размыкаются.

За время Δt геометрическая емкость С_Г изоляции полностью разряжается, а заряд абсорбции на границе слоев и связанные с ним заряды обратного знака на электродах остаются практически неизменными. В период Δt емкости слоев C₁ и C₂ включены параллельно и заряжаются от заряда абсорбции до напряжения U_o =q_абс /(C₁ + C₂). При этом их электроды приобретают заряд того же знака, что и заряд абсорбции. После размыкания внешних электродов изоляции емкости C₁ и C₂ вновь оказываются соединенными последовательно и при этом заряженными до одинакового напряжения U_o, но разной полярности. Далее емкости C₁ и C₂ будут разряжаться на сопротивления утечки своих слоев R₁ и R₂ с разной скоростью, так как постоянные времени R₁C₁ и R₂С₂ не одинаковы. В итоге на изоляции появится напряжение, которое получило название «возвратного» напряжения.

Напряжение U_возвр ≠ 0 для любой неоднородной изоляции. Чем больше степень неоднородности, тем выше U_возвр и тем сильнее различаются скорости подъема и спада «возвратного» напряжения.

Таким образом, по форме и величине «возвратного» напряжения можно судить о состоянии изоляции. Например, неравномерное увлажнение многослойной изоляции обнаруживается по увеличению «возвратного» напряжения. Однако не всегда ухудшение качества изоляции сопровождается ростом напряжения U_возвр. В частности, при сквозном и равномерном увлажнении неоднородность изоляции может уменьшиться, тогда «возвратное» напряжение снизится. Поэтому контроль по «возвратному» напряжению недостаточен и должен сочетаться с другими методами.

Возможность появления «возвратного» напряжения обязательно должна учитываться при выборе мер безопасного проведения испытаний изоляции повышенным напряжением. После окончания испытаний необходимо разрядить не только геометрическую емкость, но и нейтрализовать заряд абсорбции, для чего надо замкнуть электроды на продолжительное время (минуты).

Контроль изоляции по «кривой саморазряда». После отключения источника постоянного напряжения U_o емкости слоев изоляции разряжаются на сопротивления утечки своих слоев, и происходит постепенный саморазряд изоляции. При этом напряжение на многослойной неоднородной изоляции как сумма напряжений на отдельных слоях изменяется в соответствии с выражением

U_С.Р = , (4.6)

где R_i и С_i — сопротивление утечки и емкость i-го слоя; R — сопротивление утечки всей изоляции; n — число слоев изоляции.

В случае идеально однородной изоляции, т. е. при n = 1 «кривая саморазряда» есть просто экспонента U_С.Р = U_oe^-t/RC. Если ее построить в полулогарифмическом масштабе, т. е. представить в виде lnU_С.Р = f(t), то она будет иметь вид прямой, у которой тангенс угла наклона равен 1/RC. Для неоднородной изоляции «кривая саморазряда» в данном масштабе, как сумма экспонент, уже не будет прямой. Чем больше она отклоняется от прямой линии, тем сильнее неоднородность изоляции.

Рис. 4.5. Кривая «саморазряда»

Контроль изоляции по сопротивлению утечки. Измерения сопротивлений выполняются с помощью простых переносных приборов — мегаомметров. Упрощенная схема мегаомметра показана на рис. 4.6.

Рис. 4.6. Упрощенная схема мегаомметра для измерения сопротивления утечки изоляции:

Л – логометр; R₁ и R₂ – добавочные резисторы;

R_x и C_x –сопротивление утечки и емкость испытуемой изоляции

Источником постоянного напряжения в нем служит генератор с ручным или моторным приводом, а измерительным прибором — логометр, имеющий две расположенные под углом рамки. Угол отклонения стрелки логометра пропорционален отношению токов i_х/i₁, поэтому определяется лишь сопротивлением утечки проверяемой изоляции и не зависит от абсолютного значения напряжения генератора. При измерениях важное значение имеет лишь стабильность этого напряжения. Если напряжение сильно колеблется (неравномерное вращение рукоятки генератора), то через мегаомметр протекает значительный емкостный ток, стрелка колеблется и это затрудняет или даже делает невозможными измерения.

При включении испытуемой изоляции на постоянное напряжение сопротивление утечки изменяется во времени:

R (t)=U/i(t)=Rr/(r+Re^-t/T), (4.7)

где R=R₁+R₂, r = R₁R₂(R₁+R₂)(C₁+C₂)²/(R₁C₁ –R₂C₂)², T = R₁R₂(C₁+C₂)/(R₁+R₂).

Опытом установлено, что для большинства изоляционных конструкций постоянная времени поляризации Т 1 мин. Это означает, что к моменту времени Т= 1 мин. после приложения напряжения R_из достигает установившегося значения, равного R. Величина R определяет наличие сквозных проводящих путей в изоляции. Резкое снижение R указывает на далеко зашедший дефект в изоляции.

При испытаниях изоляции зависимость R (t) от времени полностью не определяют, а оценивают ее характер по двум точкам, а именно по сопротивлениям, измеренным через 15 и 60 с после включения мегаомметра. О качестве изоляции судят как по абсолютному значению сопротивления R₆₀ , так и по отношению К_абс= R₆₀/R₁₅, которое называют коэффициентом абсорбции.

Для многих видов реальной изоляции К_абс по мере уменьшения в ней влаги стремится не к 1, а к некоторому предельному значению, равному примерно 2 – 2,5. Высокая однородность и низкие значения коэффициента К_абс в такой изоляции могут иметь место только при сильном увлажнении, когда и абсолютные значения R₆₀ оказываются низкими.

По сопротивлению (или току) утечки можно судить о наличии в изоляции не только распределенных, но и сосредоточенных дефектов. Например, механические повреждения в виде неполных проколов или поперечных трещин, а также следы от незавершенных разрядов часто приводят к сильному снижению сопротивления изоляции.

Недостатком контроля изоляции по сопротивлению утечки является то, что в ряде случаев на результаты измерения сильное влияние могут оказывать утечки по поверхности твердых диэлектриков, которые не всегда правильно отражают состояние изоляции.

Контроль изоляции по емкостным характеристикам. Существует несколько методов проверки качества изоляции по емкостным характеристикам, причем все они прямо или косвенно используют зависимость емкости неоднородной изоляции от частоты.

Косвенно зависимость Сω=f(U) используется в емкостно-температурном методе, при котором качество изоляции оценивается по изменению емкости при нагреве. При значительном увлажнении сопротивление утечки сильно снижается по мере роста температуры, так как при этом увеличивается не только подвижность ионов, но также растет растворимость и степень диссоциации примесей во влаге. В соответствии с изменением сопротивления уменьшается постоянная времени изоляции Т, а эквивалентная емкость изоляции увеличивается. Для изоляции нормального качества емкость растет в меньшей степени. Емкость в этом методе измеряют обычными мостами Шеринга.

Непосредственно по зависимости Сω=f(U) качество изоляции оценивается методами «емкость — частота» и «емкость — время». В обоих случаях определяются не вся зависимость Сω =f(U), а лишь две ее характерные точки, позволяющие судить о степени неоднородности изоляции и тем самым о ее увлажнении.

В методе «емкость — частота» емкость изоляции измеряется на частотах 2 и 50 Гц и определяется отношение С₂/С₅₀, которое и служит показателем качества изоляции.

В методе «емкость — время» измеряются емкости С_г (геометрическая) и ΔС и подсчитывается отношение ΔС/С_г, которое является критерием качества изоляции.

По емкостным характеристикам наиболее эффективно выявляется увлажнение маслонаполненной изоляции. Поэтому переносные компактные приборы получили название ПКВ — приборов контроля влажности. Они используются для определения степени увлажнения изоляции силовых трансформаторов.