Propiedades y pruebas de aislamiento eléctrico.

Propiedades y circuito equivalente de aislamiento eléctrico.

Como sabes, el término «aislamiento» se utiliza en la práctica para referirse a dos conceptos:

1) un método para prevenir la formación de contacto eléctrico entre partes de un producto eléctrico,

2) materiales y productos de ellos utilizados para aplicar este método.

Materiales de aislamiento eléctrico bajo la influencia de un voltaje que se les aplica, se descubre la propiedad de conducir una corriente eléctrica. Aunque el valor de la conductividad de los materiales aislantes eléctricos es varios órdenes de magnitud inferior al de los cables, juega un papel importante y determina en gran medida la fiabilidad del funcionamiento de un producto eléctrico.

Bajo la acción de un voltaje aplicado al aislamiento, fluye una corriente a través de él, llamada corriente de fuga, que cambia con el tiempo.

Para estudiar e ilustrar las propiedades del aislamiento eléctrico, se acostumbra representarlo en forma de cierto modelo llamado circuito equivalente (Fig. 1), que contiene cuatro circuitos eléctricos conectados en paralelo.El primero de ellos contiene únicamente el condensador C1, denominado capacitancia geométrica.

Arroz. 1. Circuito equivalente de aislamiento eléctrico

La presencia de esta capacitancia provoca la aparición de una corriente de irrupción instantánea que se produce cuando se aplica una tensión de CC al aislamiento, que decae en casi unos segundos, y una corriente capacitiva que fluye a través del aislamiento cuando se le aplica una tensión de CA. Esta capacidad se denomina geométrica porque depende del aislamiento: sus dimensiones (espesor, longitud, etc.) y la ubicación entre la parte conductora de corriente A y la caja (tierra).

El segundo esquema caracteriza la estructura interna y las propiedades del aislamiento, incluida su estructura, la cantidad de grupos de capacitores y resistencias conectadas en paralelo. La corriente I2 que fluye a través de este circuito se llama corriente de absorción. El valor inicial de esta corriente es proporcional al área del aislamiento e inversamente proporcional a su espesor.

Si las partes conductoras de corriente de un producto eléctrico están aisladas con dos o más capas de aislamiento (por ejemplo, aislamiento de cables y aislamiento de bobinas), entonces, en el circuito equivalente, la rama de absorción se representa en forma de dos o más conectados en serie. grupos de un condensador y una resistencia que caracterizan las propiedades en una de las capas de aislamiento. En este esquema, se considera un aislamiento de dos capas, cuya capa se reemplaza por un grupo de elementos del condensador C2 y la resistencia R1, y el segundo por C3 y R2.

El tercer circuito contiene una sola resistencia R3 y caracteriza la pérdida de aislamiento cuando se le aplica un voltaje de CC.La resistencia de esta resistencia, también llamada resistencia de aislamiento, depende de muchos factores: tamaño, material, construcción, temperatura, condición del aislamiento, incluida la humedad y la suciedad en su superficie, y el voltaje aplicado.

Con algunos defectos de aislamiento (por ejemplo, por daño), la dependencia de la resistencia R3 del voltaje se vuelve no lineal, mientras que para otros, por ejemplo, con una fuerte humedad, prácticamente no cambia al aumentar el voltaje. La corriente I3 que fluye a través de esta rama se llama corriente directa.

El cuarto circuito está representado en el circuito equivalente de la vía de chispas MF, que caracteriza la rigidez dieléctrica del aislamiento, expresada numéricamente por el valor de la tensión a la que el material aislante pierde sus propiedades aislantes y se descompone bajo la acción de la corriente. I4 pasando a través de él.

Este circuito equivalente de aislamiento permite no solo describir los procesos que tienen lugar en él cuando se aplica un voltaje, sino también establecer parámetros que se pueden observar para evaluar su estado.

Métodos de prueba de aislamiento eléctrico.

La forma más sencilla y común de evaluar el estado del aislamiento y su integridad es medir su resistencia con un megóhmetro.

Prestemos atención al hecho de que la presencia de condensadores en el circuito equivalente también explica la capacidad del aislamiento para acumular cargas eléctricas. Por lo tanto, los devanados de máquinas eléctricas y transformadores antes y después de medir la resistencia de aislamiento deben descargarse poniendo a tierra el terminal al que están conectados. megaohmímetro conectado.

Al medir la resistencia de aislamiento de máquinas y transformadores eléctricos, se debe monitorear la temperatura de los devanados, que se registra en el informe de prueba. Es necesario conocer la temperatura a la que se realizaron las mediciones para comparar los resultados de la medición entre sí, ya que la resistencia de aislamiento cambia bruscamente según la temperatura: en promedio, la resistencia de aislamiento disminuye 1,5 veces con un aumento de temperatura cada 10 ° C y también aumenta con la correspondiente disminución de la temperatura.

Debido al hecho de que la humedad, que siempre está contenida en los materiales aislantes, afecta los resultados de la medición, la determinación de los parámetros que caracterizan la calidad del aislamiento no se realiza a temperaturas inferiores a + 10 ° C, ya que los resultados obtenidos no darán una idea correcta del verdadero estado de aislamiento.

Al medir la resistencia de aislamiento de un producto prácticamente frío, se puede suponer que la temperatura de aislamiento es igual a la temperatura ambiente. En todos los demás casos, se supone condicionalmente que la temperatura del aislamiento es igual a la temperatura de los devanados, medida por su resistencia activa.

Para que la resistencia de aislamiento medida no difiera significativamente del valor real, la propia resistencia de aislamiento de los elementos del circuito de medición (cables, aisladores, etc.) debería introducir un error mínimo en el resultado de la medición.Por lo tanto, al medir la resistencia de aislamiento de dispositivos eléctricos con un voltaje de hasta 1000 V, la resistencia de estos elementos debe ser de al menos 100 megaohmios, y al medir la resistencia de aislamiento de transformadores de potencia, no menos que el límite de medición del megaohmímetro. .

Si no se cumple esta condición, los resultados de la medición deben corregirse para la resistencia de aislamiento de los elementos del circuito. Para ello, la resistencia de aislamiento se mide dos veces: una con el circuito completamente montado y el producto conectado, y la segunda con el producto desconectado. El resultado de la primera medida dará la resistencia de aislamiento equivalente del circuito y del producto Re, y el resultado de la segunda medida dará la resistencia de los elementos del circuito de medida Rc. Entonces la resistencia de aislamiento del producto

Si para las máquinas eléctricas de algunos otros productos no se establece la secuencia de medición de la resistencia de aislamiento, entonces, para los transformadores de potencia, esta secuencia de medición está regulada por el estándar según el cual se mide primero la resistencia de aislamiento del devanado de baja tensión (BT). Los devanados restantes, así como el tanque, deben estar conectados a tierra. En ausencia de un tanque, la carcasa del transformador o su armazón debe estar conectado a tierra.

En presencia de tres devanados de tensión (baja tensión, media alta tensión y alta tensión) después del devanado de baja tensión, es necesario medir la resistencia de aislamiento del devanado de media tensión y solo entonces la tensión más alta.Naturalmente, para todas las mediciones, las bobinas restantes, así como el tanque, deben conectarse a tierra, y la bobina sin conexión a tierra debe descargarse después de cada medición conectándola a la caja durante al menos 2 minutos. Si los resultados de las mediciones no cumplen con los requisitos establecidos, las pruebas deben complementarse determinando la resistencia de aislamiento de los devanados conectados eléctricamente entre sí.

Para transformadores de dos devanados, se debe medir la resistencia de los devanados de alta y baja tensión con relación a la caja, y para transformadores de tres devanados, primero se deben medir los devanados de alta y media tensión, luego los de alta, media y baja tensión. .

Al probar el aislamiento de un transformador, es necesario realizar varias mediciones para determinar no solo los valores de la resistencia de aislamiento equivalente, sino también para comparar la resistencia de aislamiento de los devanados con otros devanados y el cuerpo de la máquina.

La resistencia de aislamiento de las máquinas eléctricas generalmente se mide con devanados de fase interconectados y en el sitio de instalación, junto con cables (barras colectoras). Si los resultados de la medición no cumplen con los requisitos establecidos, se mide la resistencia de aislamiento de cada devanado de fase y, si es necesario, cada rama del devanado.

Debe tenerse en cuenta que es difícil juzgar razonablemente la condición del aislamiento solo por el valor absoluto de la resistencia del aislamiento. Por tanto, para evaluar el estado de aislamiento de las máquinas eléctricas durante su funcionamiento, se comparan los resultados de estas medidas con los resultados de las anteriores.

Las discrepancias significativas, varias veces, entre las resistencias de aislamiento de las fases individuales suelen indicar algún defecto significativo. Una disminución simultánea en la resistencia de aislamiento para todos los devanados de fase, por regla general, indica un cambio en el estado general de su superficie.

Al comparar los resultados de la medición, debe recordarse la dependencia de la resistencia de aislamiento con la temperatura. Por lo tanto, es posible comparar entre sí los resultados de las mediciones realizadas a la misma o similar temperatura.

Cuando el voltaje aplicado al aislamiento es constante, la corriente total Ii (ver Fig. 1) que fluye a través de él disminuye cuanto más, mejor es la condición del aislamiento, y de acuerdo con la disminución de la corriente Ii, las lecturas del aumento del megaohmímetro. Debido al hecho de que la componente I2 de esta corriente, también llamada corriente de absorción, a diferencia de la componente I3, no depende del estado de la superficie aislante, así como de la contaminación y el contenido de humedad, la relación de los valores de resistencia de aislamiento en determinados momentos del tiempo se toma como característica del aislamiento el contenido de humedad.

Las normas recomiendan medir la resistencia de aislamiento después de 15 s (R15) y después de 60 s (R60) después de conectar el megaohmímetro, y la relación de estas resistencias ka = R60 / R15 se denomina coeficiente de absorción.

Con aislamiento no húmedo, ka > 2, y con aislamiento húmedo — ka ≈1.

Dado que el valor del coeficiente de absorción es prácticamente independiente del tamaño de la máquina eléctrica y de varios factores aleatorios, se puede normalizar: ka ≥ 1,3 a 20 °C.

El error en la medida de la resistencia de aislamiento no debe exceder el ± 20%, salvo que se establezca específicamente para un producto específico.

En los productos eléctricos, las pruebas de resistencia eléctrica someten el aislamiento de los devanados al cuerpo y entre sí, así como al aislamiento intermedio de los devanados.

Para verificar la rigidez dieléctrica del aislamiento de las bobinas o las partes que llevan corriente a la carcasa, se aplica un voltaje sinusoidal aumentado con una frecuencia de 50 Hz a los terminales de la bobina probada o las partes que llevan corriente. El voltaje y la duración de su aplicación se indican en la documentación técnica de cada producto específico.

Al probar la rigidez dieléctrica del aislamiento de los devanados y las partes vivas del cuerpo, todos los demás devanados y partes vivas que no participen en las pruebas deben conectarse eléctricamente al cuerpo del producto conectado a tierra. Después del final de la prueba, las bobinas deben conectarse a tierra para eliminar la carga residual.

En la Fig. La figura 2 muestra un diagrama para probar la rigidez dieléctrica de un devanado de un motor eléctrico trifásico.La sobretensión es generada por una instalación de prueba AG que contiene una fuente de tensión regulada E. La tensión se mide en el lado de alta tensión con un voltímetro fotovoltaico. Se utiliza un amperímetro PA para medir la corriente de fuga a través del aislamiento.

Se considera que el producto ha pasado la prueba si no hay rotura del aislamiento o superposición de la superficie, y también si la corriente de fuga no supera el valor especificado en la documentación de este producto. Tenga en cuenta que tener un amperímetro que monitorea la corriente de fuga hace posible usar un transformador en la configuración de prueba.

Arroz. 2. Esquema para probar la rigidez dieléctrica del aislamiento de productos eléctricos.

Además de la prueba de voltaje de frecuencia del aislamiento, el aislamiento también se prueba con voltaje rectificado. La ventaja de una prueba de este tipo es la posibilidad de evaluar el estado del aislamiento en función de los resultados de la medición de las corrientes de fuga a diferentes valores de la tensión de prueba.

Para evaluar el estado del aislamiento se utiliza un coeficiente de no linealidad

donde I1.0 e I0.5 son corrientes de fuga 1 min después de la aplicación de tensiones de prueba iguales al valor normalizado de Unorm y la mitad de la tensión nominal de la máquina eléctrica Urated, kn <1.2.

Las tres características consideradas —resistencia de aislamiento, coeficiente de absorción y coeficiente de no linealidad— se utilizan para resolver la cuestión de la posibilidad de encender una máquina eléctrica sin secar el aislamiento.

Al probar la rigidez dieléctrica del aislamiento de acuerdo con el diagrama de la fig. 2 todas las espiras del devanado están prácticamente a la misma tensión con respecto al cuerpo (tierra) y por tanto el aislamiento espira a espira queda sin comprobar.

Una forma de probar la rigidez dieléctrica del aislamiento aislante es aumentar el voltaje en un 30% con respecto al nominal. Este voltaje se aplica desde una fuente de voltaje regulada EK al punto de prueba sin carga.

Otro método es aplicable a los generadores que funcionan al ralentí y consiste en aumentar la corriente de excitación del generador hasta obtener la tensión (1,3 ÷ 1,5) Unom en los terminales del estator o del inducido, según el tipo de máquina.Dado que incluso en modo inactivo, las corrientes consumidas por los devanados de las máquinas eléctricas pueden exceder sus valores nominales, las normas permiten que dicha prueba se realice a una frecuencia aumentada de la tensión suministrada a los devanados del motor por encima del valor nominal o en aumento de la velocidad del generador.

Para probar motores asíncronos, también es posible utilizar una tensión de prueba con una frecuencia de fi = 1,15 fn. Dentro de los mismos límites, se puede aumentar la velocidad del generador.

Al probar la rigidez dieléctrica del aislamiento de esta manera, se aplicará un voltaje numéricamente igual a la relación del voltaje aplicado dividido por el número de vueltas de la bobina entre vueltas de bobina adyacentes. Difiere ligeramente (en un 30-50%) de la que existe cuando el producto funciona a tensión nominal.

Como sabe, el límite de aumento de voltaje aplicado a los terminales de la bobina ubicada en el núcleo se debe a la dependencia no lineal de la corriente en esta bobina con el voltaje en sus terminales. A voltajes cercanos al valor nominal Unom, el núcleo no está saturado y la corriente depende linealmente del voltaje (Fig. 3, sección OA).

A medida que aumenta el voltaje, U por encima de la corriente nominal en la bobina aumenta considerablemente, y en U = 2Unom la corriente puede exceder el valor nominal por decenas de veces. Para aumentar significativamente el voltaje por vuelta del devanado, la resistencia del aislamiento entre las vueltas se prueba a una frecuencia que es muchas veces (diez veces o más) mayor que la nominal.

Arroz. 3. Gráfico de la dependencia de la corriente en la bobina con un núcleo en el voltaje aplicado.

Arroz. 4.Esquema de prueba de aislamiento de devanados a frecuencia de corriente aumentada

Consideremos el principio de probar el aislamiento intermedio de las bobinas del contactor (Fig. 4). La bobina de prueba L2 se coloca en la varilla del circuito magnético dividido. Se aplica un voltaje U1 a los terminales de la bobina L1 con una frecuencia aumentada, de modo que por cada vuelta de la bobina L2 hay un voltaje necesario para probar la rigidez dieléctrica del aislamiento de vuelta a vuelta. Si el aislamiento de los devanados de la bobina L2 está en buenas condiciones, entonces la corriente consumida por la bobina L1 y medida con el amperímetro PA después de la instalación de la bobina será la misma que antes. De lo contrario, la corriente en la bobina L1 aumenta.

Arroz. 5. Esquema para medir la tangente del ángulo de pérdidas dieléctricas.

La última de las características de aislamiento consideradas: tangente de pérdida dieléctrica.

Se sabe que el aislamiento tiene resistencia activa y reactiva, y cuando se le aplica un voltaje periódico, fluyen corrientes activas y reactivas a través del aislamiento, es decir, hay potencias P activa y Q reactiva. La relación P a Q se denomina tangente del ángulo de pérdida dieléctrica y se denota como tgδ.

Si recordamos que P = IUcosφ y Q = IUsinφ, entonces podemos escribir:

tgδ es la relación entre la corriente activa que fluye a través del aislamiento y la corriente reactiva.

Para determinar tgδ, es necesario medir simultáneamente la potencia activa y reactiva o la resistencia de aislamiento activa y reactiva (capacitiva). El principio de medir tgδ por el segundo método se muestra en la fig. 5, donde el circuito de medida es un solo puente.

Los brazos del puente están compuestos por un capacitor de ejemplo C0, capacitor variable C1, resistencias R1 variable y R2 constante, así como también la capacitancia y la resistencia de aislamiento del devanado L al cuerpo del producto o masa, convencionalmente representado como capacitor Cx y resistencia Rx. En el caso de que sea necesario medir tgδ no en la bobina, sino en el capacitor, sus placas se conectan directamente a los terminales 1 y 2 del circuito puente.

La diagonal del puente incluye un galvanómetro P y una fuente de alimentación, que en nuestro caso es un transformador T.

como en otros circuitos puente el proceso de medición consiste en obtener las lecturas mínimas del dispositivo P cambiando secuencialmente la resistencia de la resistencia R1 y la capacitancia del capacitor C1. Por lo general, los parámetros del puente se eligen de modo que el valor de tgδ en lecturas cero o mínimas del dispositivo P se lea directamente en la escala del capacitor C1.

La definición de tgδ es obligatoria para condensadores y transformadores de potencia, aisladores de alta tensión y otros productos eléctricos.

Debido a que las pruebas de rigidez dieléctrica y las medidas de tgδ se realizan, por regla general, a tensiones superiores a 1000 V, se deben observar todas las medidas de seguridad generales y especiales.

Procedimiento de prueba de aislamiento eléctrico

Los parámetros y características del aislamiento discutidos anteriormente deben determinarse en la secuencia establecida por las normas para tipos específicos de productos.

Por ejemplo, en los transformadores de potencia, primero se determina la resistencia de aislamiento y luego se mide la tangente de pérdida dieléctrica.

Para máquinas eléctricas rotativas, después de medir la resistencia de aislamiento antes de probar su rigidez dieléctrica, es necesario realizar las siguientes pruebas: a frecuencia de rotación aumentada, con una sobrecarga de corriente o par de corta duración, con un cortocircuito repentino (si es destinados a esta máquina síncrona), prueba de aislamiento de la tensión rectificada de los devanados (si está especificado en la documentación de esta máquina).

Las normas o especificaciones para tipos de máquinas específicos pueden complementar esta lista con otras pruebas que pueden afectar la rigidez dieléctrica del aislamiento.