Proprietà e test di isolamento elettrico

Proprietà e circuito equivalente di isolamento elettrico

Come sapete, il termine «isolamento» è utilizzato in pratica per riferirsi a due concetti:

1) un metodo per prevenire la formazione di contatti elettrici tra parti di un prodotto elettrico,

2) materiali e prodotti da essi utilizzati per applicare questo metodo.

Materiali per l'isolamento elettrico sotto l'influenza di una tensione loro applicata, viene scoperta la proprietà di condurre una corrente elettrica. Sebbene il valore della conducibilità dei materiali isolanti elettrici sia di diversi ordini di grandezza inferiore a quello dei fili, svolge tuttavia un ruolo significativo e determina in gran parte l'affidabilità del funzionamento di un prodotto elettrico.

Sotto l'azione di una tensione applicata all'isolamento, viene attraversato da una corrente, detta corrente di dispersione, che varia nel tempo.

Per studiare e illustrare le proprietà dell'isolamento elettrico, è consuetudine rappresentarlo sotto forma di un certo modello chiamato circuito equivalente (Fig. 1), contenente quattro circuiti elettrici collegati in parallelo.Il primo contiene solo il condensatore C1, chiamato capacità geometrica.

Riso. 1. Circuito equivalente di isolamento elettrico

La presenza di questa capacità provoca la comparsa di una corrente di spunto istantanea che si verifica quando viene applicata una tensione CC all'isolamento, che decade in quasi pochi secondi, e una corrente capacitiva che scorre attraverso l'isolamento quando viene applicata una tensione CA. Questa capacità è chiamata geometrica perché dipende dall'isolamento: le sue dimensioni (spessore, lunghezza, ecc.) e la posizione tra la parte che trasporta corrente A e l'involucro (massa).

Il secondo schema caratterizza la struttura interna e le proprietà dell'isolamento, compresa la sua struttura, il numero di gruppi di condensatori e resistori collegati in parallelo. La corrente I2 che scorre attraverso questo circuito è chiamata corrente di assorbimento. Il valore iniziale di questa corrente è proporzionale all'area dell'isolante e inversamente proporzionale al suo spessore.

Se le parti che trasportano corrente di un prodotto elettrico sono isolate con due o più strati di isolamento (ad esempio, isolamento del filo e isolamento della bobina), allora nel circuito equivalente il ramo di assorbimento è rappresentato sotto forma di due o più collegati in serie gruppi di un condensatore e un resistore che caratterizzano le proprietà su uno degli strati isolanti. In questo schema viene considerato un isolamento a due strati, il cui strato è sostituito da un gruppo di elementi del condensatore C2 e del resistore R1, e il secondo da C3 e R2.

Il terzo circuito contiene un singolo resistore R3 e caratterizza la perdita di isolamento quando ad esso viene applicata una tensione continua.La resistenza di questo resistore, chiamata anche resistenza di isolamento, dipende da molti fattori: dimensioni, materiale, costruzione, temperatura, condizioni di isolamento, compresa l'umidità e lo sporco sulla sua superficie, e tensione applicata.

Con alcuni difetti di isolamento (ad esempio, a causa di danni), la dipendenza della resistenza R3 dalla tensione diventa non lineare, mentre per altri, ad esempio, con forte umidità, praticamente non cambia con l'aumentare della tensione. La corrente I3 che scorre attraverso questo ramo è chiamata corrente diretta.

Il quarto circuito è rappresentato nel circuito equivalente dello spinterometro MF, che caratterizza la rigidità dielettrica dell'isolamento, espressa numericamente dal valore della tensione alla quale il materiale isolante perde le sue proprietà isolanti e si rompe sotto l'azione della corrente I4 che lo attraversa.

Questo circuito equivalente di isolamento consente non solo di descrivere i processi che si svolgono in esso quando viene applicata una tensione, ma anche di impostare parametri che possono essere osservati per valutarne lo stato.

Metodi di prova dell'isolamento elettrico

Il modo più semplice e comune per valutare le condizioni dell'isolamento e la sua integrità è misurarne la resistenza utilizzando un megaohmmetro.

Prestiamo attenzione al fatto che la presenza di condensatori nel circuito equivalente spiega anche la capacità dell'isolamento di accumulare cariche elettriche. Pertanto, gli avvolgimenti delle macchine elettriche e dei trasformatori prima e dopo la misura della resistenza di isolamento devono essere scaricati mettendo a terra il terminale a cui megaohmmetro collegato.

Quando si misura la resistenza di isolamento di macchine elettriche e trasformatori, è necessario monitorare la temperatura degli avvolgimenti, che viene registrata nel rapporto di prova. Conoscere la temperatura alla quale sono state effettuate le misurazioni è necessario per confrontare i risultati della misurazione tra loro, perché la resistenza di isolamento cambia bruscamente a seconda della temperatura: in media, la resistenza di isolamento diminuisce di 1,5 volte con un aumento della temperatura ogni 10 ° C e aumenta anche con la corrispondente diminuzione della temperatura.

A causa del fatto che l'umidità, che è sempre contenuta nei materiali isolanti, influisce sui risultati della misurazione, la determinazione dei parametri che caratterizzano la qualità dell'isolamento non viene effettuata a temperature inferiori a + 10 ° C, poiché i risultati ottenuti non daranno un corretta idea del vero stato di isolamento.

Quando si misura la resistenza di isolamento di un prodotto praticamente freddo, la temperatura di isolamento può essere assunta uguale alla temperatura ambiente. In tutti gli altri casi, si assume condizionatamente che la temperatura dell'isolamento sia uguale alla temperatura degli avvolgimenti, misurata dalla loro resistenza attiva.

Affinché la resistenza di isolamento misurata non differisca in modo significativo dal valore reale, la resistenza di isolamento propria degli elementi del circuito di misurazione - fili, isolanti, ecc. - dovrebbe introdurre un errore minimo nel risultato della misurazione.Pertanto, quando si misura la resistenza di isolamento di dispositivi elettrici con una tensione fino a 1000 V, la resistenza di questi elementi deve essere di almeno 100 megaohm e quando si misura la resistenza di isolamento dei trasformatori di potenza - non inferiore al limite di misurazione del megaohmmetro .

Se questa condizione non è soddisfatta, i risultati della misurazione devono essere corretti per la resistenza di isolamento degli elementi del circuito. Per fare ciò, la resistenza di isolamento viene misurata due volte: una volta con un circuito completamente assemblato e il prodotto collegato, e la seconda volta con il prodotto scollegato. Il risultato della prima misurazione darà la resistenza di isolamento equivalente del circuito e il prodotto Re, e il risultato della seconda misurazione darà la resistenza degli elementi del circuito di misura Rc. Quindi la resistenza di isolamento del prodotto

Se per le macchine elettriche di alcuni altri prodotti non viene stabilita la sequenza di misurazione della resistenza di isolamento, per i trasformatori di potenza questa sequenza di misurazione è regolata dallo standard in base al quale viene misurata per prima la resistenza di isolamento dell'avvolgimento a bassa tensione (LV). Gli avvolgimenti rimanenti, così come il serbatoio, devono essere collegati a terra. In assenza di un serbatoio, l'involucro del trasformatore o il suo scheletro devono essere messi a terra.

In presenza di tre avvolgimenti di bassa tensione, di bassa tensione, di media alta tensione e di alta tensione, dopo l'avvolgimento di bassa tensione, è necessario misurare la resistenza di isolamento dell'avvolgimento di media tensione e solo successivamente la tensione più alta.Naturalmente, per tutte le misure, le restanti bobine, così come il serbatoio, devono essere messe a terra, e la bobina non messa a terra deve essere scaricata dopo ogni misura collegandosi alla scatola per almeno 2 minuti. Se i risultati delle misurazioni non soddisfano i requisiti stabiliti, i test devono essere integrati determinando la resistenza di isolamento degli avvolgimenti collegati elettricamente tra loro.

Per i trasformatori a due avvolgimenti, la resistenza degli avvolgimenti di alta e bassa tensione deve essere misurata rispetto alla custodia, e per i trasformatori a tre avvolgimenti, devono essere misurati prima gli avvolgimenti di alta e media tensione, quindi gli avvolgimenti di alta, media e bassa tensione .

Quando si verifica l'isolamento di un trasformatore, è necessario effettuare diverse misurazioni per determinare non solo i valori della resistenza di isolamento equivalente, ma anche per confrontare la resistenza di isolamento degli avvolgimenti con altri avvolgimenti e il corpo macchina.

La resistenza di isolamento delle macchine elettriche viene solitamente misurata con avvolgimenti di fase interconnessi e nel luogo di installazione insieme ai cavi (sbarre collettrici). Se i risultati della misurazione non soddisfano i requisiti stabiliti, viene misurata la resistenza di isolamento di ciascun avvolgimento di fase e, se necessario, di ciascun ramo dell'avvolgimento.

Va tenuto presente che è difficile giudicare ragionevolmente lo stato dell'isolamento dal solo valore assoluto della resistenza di isolamento. Pertanto, al fine di valutare lo stato di isolamento delle macchine elettriche durante il funzionamento, i risultati di tali misurazioni vengono confrontati con i risultati delle precedenti.

Significative, più volte, discrepanze tra le resistenze di isolamento delle singole fasi di solito indicano qualche difetto significativo. Una diminuzione simultanea della resistenza di isolamento per tutti gli avvolgimenti di fase, di norma, indica un cambiamento nello stato generale della sua superficie.

Quando si confrontano i risultati della misurazione, è necessario ricordare la dipendenza della resistenza di isolamento dalla temperatura. Pertanto, è possibile confrontare tra loro i risultati delle misurazioni effettuate alla stessa o simile temperatura.

Quando la tensione applicata all'isolamento è costante, la corrente totale Ii (vedi Fig. 1) che lo attraversa diminuisce tanto più quanto migliore è lo stato dell'isolamento e, in accordo con la diminuzione della corrente Ii, le letture della aumento del megaohmmetro. A causa del fatto che la componente I2 di questa corrente, chiamata anche corrente di assorbimento, a differenza della componente I3, non dipende dalle condizioni della superficie isolante, nonché dalla contaminazione e dal contenuto di umidità, il rapporto dei valori di resistenza di isolamento in determinati istanti di tempo viene assunta come caratteristica di contenuto di umidità isolante.

Gli standard raccomandano di misurare la resistenza di isolamento dopo 15 s (R15) e dopo 60 s (R60) dopo aver collegato il megaohmmetro, e il rapporto di queste resistenze ka = R60 / R15 è chiamato coefficiente di assorbimento.

Con isolamento non umido, ka> 2, e con isolamento umido — ka ≈1.

Poiché il valore del coefficiente di assorbimento è praticamente indipendente dalla taglia della macchina elettrica e da vari fattori aleatori, può essere normalizzato: ka ≥ 1,3 a 20°C.

L'errore nella misurazione della resistenza di isolamento non deve superare ± 20%, a meno che non sia specificamente stabilito per un prodotto specifico.

Nei prodotti elettrici, le prove di rigidità elettrica sottopongono l'isolamento degli avvolgimenti al corpo e tra loro, nonché l'isolamento intermedio degli avvolgimenti.

Per verificare la rigidità dielettrica dell'isolamento delle bobine o delle parti conduttrici dell'alloggiamento, viene applicata una tensione sinusoidale aumentata con una frequenza di 50 Hz ai terminali della bobina o delle parti conduttrici testate. La tensione e la durata della sua applicazione sono indicate nella documentazione tecnica di ogni specifico prodotto.

Durante la verifica della rigidità dielettrica dell'isolamento degli avvolgimenti e delle parti in tensione rispetto al corpo, tutti gli altri avvolgimenti e parti in tensione non interessati dalle prove devono essere collegati elettricamente al corpo del prodotto messo a terra. Al termine della prova, le bobine devono essere messe a terra per rimuovere la carica residua.

Nella fig. 2 mostra uno schema per testare la rigidità dielettrica di un avvolgimento di un motore elettrico trifase.La sovratensione è generata da un impianto di prova AG contenente una sorgente di tensione regolata E. La tensione viene misurata sul lato alta tensione con un voltmetro fotovoltaico. Un amperometro PA viene utilizzato per misurare la corrente di dispersione attraverso l'isolamento.

Si considera che il prodotto abbia superato il test se non vi è rottura dell'isolamento o sovrapposizione della superficie, e anche se la corrente di dispersione non supera il valore specificato nella documentazione per questo prodotto. Si noti che avere un amperometro che monitora la corrente di dispersione consente di utilizzare un trasformatore nella configurazione del test.

Riso. 2. Schema per testare la rigidità dielettrica dell'isolamento dei prodotti elettrici

Oltre alla verifica della tensione di frequenza dell'isolamento, anche l'isolamento viene testato con tensione raddrizzata. Il vantaggio di tale test è la possibilità di valutare le condizioni dell'isolamento in base ai risultati della misurazione delle correnti di dispersione a diversi valori della tensione di prova.

Per valutare lo stato dell'isolamento viene utilizzato un coefficiente di non linearità

dove I1.0 e I0.5 sono correnti di dispersione 1 min dopo l'applicazione di tensioni di prova pari al valore normalizzato di Unorm e metà della tensione nominale della macchina elettrica Urated, kn <1.2.

Le tre caratteristiche considerate - resistenza di isolamento, coefficiente di assorbimento e coefficiente di non linearità - vengono utilizzate per risolvere la questione della possibilità di accendere una macchina elettrica senza seccare l'isolamento.

Quando si verifica la rigidità dielettrica dell'isolamento secondo lo schema di fig. 2 tutte le spire dell'avvolgimento sono praticamente alla stessa tensione rispetto al corpo (massa) e quindi l'isolamento spira-spira rimane non controllato.

Un modo per testare la rigidità dielettrica dell'isolante isolante è quello di aumentare la tensione del 30% rispetto a quella nominale. Questa tensione viene applicata da una sorgente di tensione regolata EK al punto di prova a vuoto.

Un altro metodo è applicabile ai generatori funzionanti a vuoto e consiste nell'aumentare la corrente di eccitazione del generatore fino ad ottenere la tensione (1,3 ÷ 1,5) Unom ai capi dello statore o dell'indotto, a seconda del tipo di macchina.Dato che anche a riposo le correnti consumate dagli avvolgimenti delle macchine elettriche possono superare i loro valori nominali, le norme consentono di eseguire tale prova a una frequenza maggiore della tensione fornita agli avvolgimenti del motore al di sopra del valore nominale o a maggiore velocità del generatore.

Per testare i motori asincroni è anche possibile utilizzare una tensione di prova con una frequenza di fi = 1,15 fn. Entro gli stessi limiti, la velocità del generatore può essere aumentata.

Quando si verifica la rigidità dielettrica dell'isolamento in questo modo, verrà applicata una tensione numericamente uguale al rapporto della tensione applicata divisa per il numero di spire della bobina tra le spire della bobina adiacenti. Differisce leggermente (del 30-50%) da quello esistente quando il prodotto funziona alla tensione nominale.

Come sapete, il limite di aumento della tensione applicato ai terminali della bobina situata sul nucleo è dovuto alla dipendenza non lineare della corrente in questa bobina dalla tensione ai suoi terminali. A tensioni prossime al valore nominale Unom, il nucleo non è saturo e la corrente dipende linearmente dalla tensione (Fig. 3, sezione OA).

All'aumentare della tensione, U sopra la corrente nominale nella bobina aumenta bruscamente e con U = 2Unom la corrente può superare il valore nominale di decine di volte. Per aumentare significativamente la tensione per giro dell'avvolgimento, la resistenza dell'isolamento tra le spire viene testata a una frequenza molte volte (dieci volte o più) superiore a quella nominale.

Riso. 3. Grafico della dipendenza della corrente nella bobina con un nucleo dalla tensione applicata

Riso. 4.Schema di prova dell'isolamento dell'avvolgimento a frequenza di corrente aumentata

Consideriamo il principio di testare l'isolamento intermedio delle bobine del contattore (Fig. 4). La bobina di test L2 è posizionata sull'asta del circuito magnetico diviso. Ai capi della bobina L1 viene applicata una tensione U1 con frequenza maggiorata, in modo che per ogni spira della bobina L2 vi sia una tensione necessaria per testare la rigidità dielettrica dell'isolamento di spira in spira. Se l'isolamento degli avvolgimenti della bobina L2 è in buone condizioni, allora la corrente assorbita dalla bobina L1 e misurata con l'amperometro PA dopo l'installazione della bobina sarà la stessa di prima. Altrimenti, la corrente nella bobina L1 aumenta.

Riso. 5. Schema per misurare la tangente dell'angolo delle perdite dielettriche

L'ultima delle caratteristiche di isolamento considerate è la tangente alla perdita dielettrica.

È noto che l'isolamento ha una resistenza attiva e reattiva e quando viene applicata una tensione periodica, le correnti attive e reattive fluiscono attraverso l'isolamento, ovvero ci sono potenze P attive e Q reattive. Il rapporto tra P e Q è chiamato tangente dell'angolo di perdita dielettrica ed è indicato con tgδ.

Se ricordiamo che P = IUcosφ e Q = IUsinφ, allora possiamo scrivere:

tgδ è il rapporto tra la corrente attiva che scorre attraverso l'isolamento e corrente reattiva.

Per determinare tgδ, è necessario misurare simultaneamente la potenza attiva e reattiva o la resistenza di isolamento attiva e reattiva (capacitiva). Il principio di misurazione di tgδ con il secondo metodo è mostrato in fig. 5, dove il circuito di misura è un ponte singolo.

I bracci del ponte sono composti da un esempio di condensatore C0, condensatore variabile C1, resistori R1 variabile e R2 costante, nonché la capacità e la resistenza di isolamento dell'avvolgimento L rispetto al corpo del prodotto o massa, convenzionalmente rappresentata come condensatore Cx e resistenza Rx. Nel caso in cui sia necessario misurare tgδ non sulla bobina, ma sul condensatore, le sue piastre sono collegate direttamente ai terminali 1 e 2 del circuito a ponte.

La diagonale del ponte comprende un galvanometro P e una fonte di alimentazione, che nel nostro caso è un trasformatore T.

Come negli altri circuiti a ponte il processo di misurazione consiste nell'ottenere le letture minime del dispositivo P modificando in sequenza la resistenza del resistore R1 e la capacità del condensatore C1. Solitamente i parametri del ponte sono scelti in modo che il valore di tgδ a letture zero o minime del dispositivo P sia letto direttamente sulla scala del condensatore C1.

La definizione di tgδ è obbligatoria per condensatori e trasformatori di potenza, isolanti ad alta tensione e altri prodotti elettrici.

Poiché le prove di rigidità dielettrica e le misurazioni tgδ vengono eseguite, di norma, a tensioni superiori a 1000 V, è necessario osservare tutte le misure di sicurezza generali e speciali.

Procedura di prova di isolamento elettrico

I parametri e le caratteristiche dell'isolamento discussi sopra devono essere determinati nella sequenza stabilita dalle norme per specifici tipi di prodotti.

Ad esempio, nei trasformatori di potenza, viene prima determinata la resistenza di isolamento e quindi viene misurata la tangente di perdita dielettrica.

Per le macchine elettriche rotanti, dopo aver misurato la resistenza di isolamento prima di verificarne la rigidità dielettrica, è necessario eseguire le seguenti prove: a frequenza di rotazione aumentata, con un sovraccarico di corrente o di coppia di breve durata, con un cortocircuito improvviso (se è destinato a questa macchina sincrona), prova di isolamento della tensione raddrizzata degli avvolgimenti (se specificato nella documentazione di questa macchina).

Gli standard o le specifiche per tipi di macchine specifici possono integrare questo elenco con altri test che possono influire sulla rigidità dielettrica dell'isolamento.