Artykuły techniczne

Przysłowie “A stitch in time saves nine” (przysłowie, którego sens jest taki: jeżeli naprawimy coś na czas, wtedy może służyć nam przez wiele lat) stanowi esencję korzyści wynikających z regularnych pomiarów rezystancji izolacji podczas przeglądów konserwacyjnych. Profilaktyka w tym zakresie zapobiega wydatkom związanym z naprawami, utraconą produkcją, straconymi zyskami, życiem ludzkim i innymi przypadkami będących rezultatem niebezpiecznych elektrycznych uszkodzeń.

Regularne pomiary izolacji sprzętu elektrycznego mogą pomóc w wykryciu pogarszającego się stanu izolacji. Przyczynami, które powodują utratę właściwości izolacji mogą być uszkodzenia mechaniczne, wibracja, nadmierne nagrzanie lub schłodzenie, brud, olej, wilgoć, przepięcia - każda z nich może pojawić się w większości urządzeń przemysłowych.

Czasami pomiary izolacji są traktowane jako obiektywny wskaźnik jakości izolacji. Takie podejście najbardziej odpowiada prawdzie w sytuacji, kiedy podczas instalowania sprzętu sprawdzana jest zgodność z wyspecyfikowanymi przez producenta poziomami parametrów. Dla sprzętu, będącego w ruchu, kluczowym wskaźnikiem są tendencje zmian rezultatów systematycznie przeprowadzanych pomiarów.

Z tego powodu bardzo istotne jest archiwizowanie wyników pomiarów izolacji, w odpowiedniej relacji do warunków w jakich pomiary były dokonywane, oddzielnie dla każdego elementu aparatu. Stosowane są specjalne karty pomagające w zbieraniu i przechowywaniu wyników. Niektóre przyrządy wyposażone są w złącza umożliwiające transmisję wyników pomiarów bezpośrednio do komputera.

Na wyniki pomiarów izolacji ma bezpośredni wpływ kilka czynników: temperatura, wilgotność, upływność powierzchniowa. Istnieją pewne techniki pomiarowe, które zostały opracowane, aby pomóc w interpretacji wyników pomiarów. Wiele z tych technik zostało zautomatyzowanych w miernikach rezystancji izolacji w celu lepszego wykorzystania czasu użytkownika oraz uzyskania pełniejszej informacji. Zapoznajmy się z opisem teorii pomiarów izolacji oraz zastosowania różnych technik pomiarowych.

Rezystancja izolacji może być rozpatrywana przy wykorzystaniu prawa Ohma. Mierzona rezystancja wyznaczana jest na podstawie podzielenia przyłożonego napięcia przez płynący prąd.

        V
R = ——-
        I

Występują tu dwa dodatkowe ważne czynniki, które powinny być uwzględnione.

Są to:

• charakter prądu płynącego przez i po izolacji,
• czas jaki upłynął od chwili przyłożenia napięcia.

Te dwa czynniki łączą się ze sobą.

Całkowity prąd jest sumą trzech prądów składowych.

1. Prąd ładowania pojemności. Prąd ten jest początkowo duży i spada w miarę jak ładowana jest pojemność.
2. Prąd absorpcji. Prąd ten jest również początkowo duży ale spada w dużo wolniejszym tempie niż prąd ładowania pojemności.
3. Prąd przewodzenia lub upływności. Jest to mały ustalony prąd, z którego można wydzielić dwie składowe:

• prąd płynący wzdłuż ścieżek przewodzących przez materiał izolacji (upływność skrośna),
• prąd płynący wzdłuż ścieżek przewodzących po powierzchni materiału izolacji (upływność powierzchniowa).

Tak więc, całkowity prąd zależy od czasu przez który przykładane jest napięcie do badanej izolacji. Prawo Ohma ma teoretycznie zastosowanie dopiero po czasie nieskończonym.

Prąd ładowania spada relatywnie szybko po tym, jak obiekt badany naładuje się. Faktyczna długość czasu zależy od wielkości pojemności badanego obiektu.

Duże obiekty z większą pojemnością ładują się dłuższy czas, na przykład długie kable energetyczne. Prąd absorpcji maleje relatywnie wolniej w porównaniu z prądem ładowania pojemności. Wynika to z natury zjawisk fizycznych zachodzących w materiałach izolacyjnych.

Prądy przewodzenia lub upływu narastają szybko do pewnej stałej wartości i pozostają stałe dla danego, niezmiennego napięcia probierczego. Prąd ten jest wynikiem istnienia: wilgoci, zabrudzeń itp., które wpływają na jakość izolacji, oraz w konsekwencji na wartość zmierzonej rezystancji izolacji. Zwiększenie prądu upływu wskazuje na możliwość przyszłych kłopotów.

W trybie tym przeprowadzana jest natychmiastowa kontrola stanu izolacji. Jest to najprostsze badanie izolacji, dające w wyniku wartość rezystancji izolacji w MW. Badanie jest stosowane przez krótki, ale określony okres czasu. Natychmiast po nim dokonywany jest odczyt. Czas ten typowo wynosi 30 lub 60 sekund. Niektóre mierniki umożliwiają ustawienie tego czasu, wówczas pomiar kończy się automatycznie. Nie jest konieczne, aby wynik był wartością maksymalną. Jeżeli ten sam czas jest stosowany dla każdego pomiaru, wówczas porównywany jest ten sam punkt na krzywej wzrastającej rezystancji. Podczas instalacji obiektu odczyty te będą porównywane z minimalnymi, wymaganymi przez specyfikacje. Późniejsze odczyty dokonywane w związku z przeglądami muszą być monitorowane, aby pokazały trend zmian.

Porównanie trendów wyników pomiarów

Wyniki odczytów podlegają zmianom zależnym od temperatury oraz wilgotności i czynniki te mogą wymagać korygowania dokonanych odczytów.

Wpływ temperatury
Zmiany temperatury mogą mieć znaczący wpływ na wyniki pomiarów rezystancji izolacji. Rezystancja izolacji spada znacząco wraz ze wzrostem temperatury. Każdy typ materiału izolacyjnego ma różny stopień zmiany rezystancji w zależności od temperatury. Tabele ze współczynnikami korekcji temperaturowej są tworzone dla różnych typów aparatów elektrycznych i mogą być uzyskane od producenta aparatu. Zaleca się jednak opracować własną tabelę współczynnika korekcji przez rejestrację dwóch wartości dla tego samego obiektu przy dwóch różnych temperaturach. Może być narysowany wykres rezystancji (w skali logarytmicznej) w funkcji temperatury (w skali liniowej). Wykres jest prostą linią i może być ekstrapolowany dla dowolnej temperatury, umożliwiając bezpośredni odczyt współczynnika korekcji.

Poniższe wykresy zostały zbudowane przy maksymalnej różnicy temperatur wynoszącej około 15°C. Jak widać bez korekcji temperaturowej jest bardzo trudno określić tendencję zmian.

Przykład wyników korygowanych temperaturowo

Przykład wyników bez korekcji temperaturowej

Wpływ wilgotności
Wilgotność ma również wpływ na rezystancję izolacji, ale nie da się określić tego wpływu tak jednoznacznie, jak wpływu temperatury. Różne typy izolatorów absorbują wilgoć w różnym stopniu, zależnie od wieku i stanu izolatora. Jedyne co można powiedzieć, to fakt że wilgotność jest czynnikiem, którego nie należy pominąć podczas analizy wyników.

Mierniki oferują dwa tryby pomiaru chwilowego:

• Pomiar rezystancji izolacji (R).
  Izolacja badana jest w sposób ciągły przy wybranym napięciu pomiarowym. Końcowy wynik pomiaru prezentowany jest sekwencyjnie z odnośną wartością prądu upływu oraz wartością pojemności.
• Pomiar prądu upływu (I).
  Izolacja badana jest w sposób ciągły przy wybranym napięciu pomiarowym, ale na wyświetlaczu pokazywana jest wartość prądu upływu. Umożliwia to pomiar większych wartości rezystancji. Uwzględniając jednak fakt, że prąd upływu dąży do zera, dokładność pomiaru zmniejsza się. Używając tej metody teoretycznie możliwy jest pomiar do 500TW przy 5000V, ale wymaga to wykonania kalibracji przy rozwartym obwodzie w celu ustalenia prądu upływu obwodu pomiarowego oraz przewodów pomiarowych (wynosi on około ±0,2nA przy normalnej temperaturze przy nowych, czystych przewodach pomiarowych). Skala analogowa zawsze pokazuje wartość rezystancji. Końcowy wynik pomiaru jest prezentowany sekwencyjnie z odnośną wartością rezystancji oraz wartością pojemności.

Metoda ta jest szczególnym przykładem metody pomiaru rezystancji w czasie. Pomiar rezystancji w czasie polega na dokonywaniu następujących po sobie odczytów w ściśle określonych odcinkach czasu i jest niezależny od temperatury. Mogą one często pomóc w sytuacjach, gdy jest ograniczony dostęp do wyników pomiarów wykonanych w przeszłości. Dobra izolacja generalnie pokazuje wzrost rezystancji w okresie 10 minut.

Przy zanieczyszczonej izolacji, zjawiska absorpcji są maskowane przez wysokie prądy upływności i wyniki pomiarów są z tego powodu całkowicie płaskie. Wartość wskaźnika polaryzacji PI jest stosunkiem wartości rezystancji izolacji po 10 i 1 minucie. Wskaźnik PI ma tę zaletę, że nie wymaga temperaturowej korekcji. Wartość wskaźnika PI może dać zgrubną informację co do stanu izolacji, chociaż krzywa powinna zawsze być interpretowana w kontekście historii sprzętu oraz własnego doświadczenia. Wysoka absorpcja dielektryka jest sygnalizowana przez wysoką wartość PI.

Istnieją dwa charakterystyczne stany których znajomość jest przydatna, przy interpretowaniu wyników pomiarów PI, szczególnie wtedy, gdy dostępna jest historia danego sprzętu.

1. Sucha, skruszała izolacja (np. na uzwojeniach) może dawać wysoki PI ale przebijać w stanach narażeń.
2. Uszkodzona jedna z warstw w izolacji wielowarstwowej, w sytuacji gdy pozostałe utrzymują wysoką rezystancję. W efekcie mierzony prąd będzie dążył do zwiększenia wartości PI, mogąc maskować problemy upływności powierzchniowej powodowane przez zabrudzenia i zanieczyszczenia.

Pomiar może być przeprowadzany przy dowolnym napięciu. Domyślny czas trwania pomiaru wynosi 10 minut, ale może być zmieniany jeżeli jest to wymagane. Końcowy wynik jest prezentowany sekwencyjnie z odnośnym prądem upływu oraz wartością pojemności.

Wiele osób próbuje stosować pomiar PI dla transformatorów olejowych i nie może zrozumieć, dlaczego znany, dobry transformator daje wyniki bliskie 1. Odpowiedź jest prosta - pomiarów wskaźnika PI nie zaleca się stosować dla transformatorów olejowych. Zjawiska fizyczne wykorzystywane przy pomiarze PI odnoszę się wyłącznie do dielektryków będących ciałami stałymi, gdzie wymagana jest energia absorpcji do odpowiedniego ustawienia molekuł w stosunku do pola elektrycznego. Wykorzystanie tego efektu nie może mieć zastosowania w odniesieniu do cieczy, gdzie występują zupełnie inne zjawiska fizyczne.

Ten tryb pomiaru oparty jest na regule, że idealny izolator będzie dostarczał identyczne wyniki pomiarów niezależnie od napięć pomiarowych.

Ponieważ dobra izolacja jest rezystancją, zwiększenie napięcia probierczego będzie prowadziło do zwiększenia prądu, ale wynikowa rezystancja pozostaje niezmienna. Jakakolwiek odchyłka od tej wartości może sygnalizować defekt izolacji. Przy niższych napięciach probierczych (500V, 1000V) defekty izolacji mogą być niewidoczne. Przy wzroście napięcia możemy osiągnąć punkt, gdzie wystąpi jonizacja wewnątrz pęknięć lub jam, dająca w efekcie zwiększenie prądu i stąd redukcję rezystancji izolacji. Nie jest konieczne osiągnięcie napięcia roboczego danej izolacji, aby tego rodzaju defekty stały się widoczne.

Pomiar napięciem narastającym krokowo opiera się na powyższym efekcie i może być w pełni użyteczna przy napięciach osiągających wartość 2500V i powyżej. Należy pamiętać, że zastosowanie badania dla izolacji o niższym napięciu roboczym może, ze względu na dużą energię, spowodować katastrofalne uszkodzenie izolacji. Badania izolacji o wyższym napięciu roboczym, niż wykorzystywane w tej metodzie, zazwyczaj nie są w stanie spowodować uszkodzeń.

Pomiar przeprowadzany jest przez 5 minut. Napięcie podnosi się (do wartości 2,5kV lub 5,0kV) o jeden krok co każde 5 minut. Odpowiednie pomiary są rejestrowane. Na zakończenie, każdy z pięciu oddzielnych wyników jest sekwencyjnie wyświetlany obok wartości pojemności.

Przyjmuje się, że odchyłki rezystancji izolacji większe niż 25% wskazują na obecność zanieczyszczeń lub wilgoci. Gwałtowne zmiany, "drganie" wyniku pomiaru mogą wskazywać na punkt bliski przebicia. Należy wtedy wstrzymać pomiar, aby nie doprowadzić do dalszego pogorszenia stanu izolacji.

Pomiar rozładowania dielektryka (DD) jest relatywnie nową metodą badania stanu izolacji. W odróżnieniu do innych metod mierzących prądy płynące w czasie procesu ładowania dielektryka, w metodzie DD mierzony jest prąd płynący podczas rozładowania dielektryka. Pomiar ten nie zastępuje innych metod diagnostycznych, jest stosowany, jako dodatkowa metoda diagnostyczna.

Pomiar ten diagnozuje jeden z izolacyjnych problemów, który może pozostawać nie wykryty przy badaniach chwilowych i przy pomiarze wskaźnika PI. W wielowarstwowych izolatorach, uszkodzenie jednej z warstw nie będzie dostrzeżone, jeżeli pozostałe warstwy mają wysoką rezystancję. Badanie to zostało opracowane dla generatorów. Mierzona jest absorpcja dielektryka badanego obiektu przy zignorowaniu efektu równoległych upływów od ścieżek powierzchniowych.

Schemat pokazuje efekt przy uszkodzonej jednej warstwie.

1. Po długim okresie ładowania, dołożone napięcie jest podzielone głównie pomiędzy C1, C2 i C3. Napięcie na C4 jest bardzo małe.
2. Po kilku sekundach rozładowania, napięcie na zaciskach będzie prawie równe zeru, ale indywidualne warstwy pojemności będą nadal naładowane.
3. Po jednej minucie, prąd będzie nadal płynął przez 100MW rezystor (stała czasowa rozładowania wynosi 33s). Prąd ten (około 0,3mA) da w wyniku wartość DD wynoszącą około 2,5. Należy zauważyć, że te same wyniki będą otrzymywane niezależnie od istnienia jakiejkolwiek rezystancji upływności między zaciskami.

Prądy reabsorpcji

Jednorodne izolatory będą zawsze generowały wartość DD równą zero. Niejednorodne izolatory będą dawały większą wartość - typowo około 1. Jest to spowodowane wyższą absorpcją dielektryka. Uszkodzone warstwy izolacji (np. te, które są zawilgocone) będą powodowały wzrost wartości. Wartość DD większa niż 2 sugeruje, że w jednej z warstw występuje problem z izolacją.

Domyślnymi nastawami dla tego trybu są 500V i 30 minut, ale wartości te mogą być zmieniane według potrzeb. W celu osiągnięcia stabilnego stanu badany izolator przez 30 minut ładowany jest napięciem 500V. Następnie przeprowadzane jest szybkie rozładowanie, podczas trwania którego mierzona jest pojemność. Pozostający płynący prąd jest następnie mierzony po 1 minucie. Wartość “DD” jest obliczana z równania:

Prąd po 1 minucie (nA)
—————————————————
Napięcie próby (V) x Pojemność (mF)

Końcowy wynik jest prezentowany sekwencyjnie z odnośnym prądem upływu oraz wartością pojemności.

W trybie tym blokowany jest detektor przebicia co umożliwia pomiar w stanie ciągłego przebicia. Mała wartość prądu przebicia jest wykorzystywania do określenia miejsca przebicia izolacji badanego obiektu.

Miernik umożliwia pomiar w stanie ciągłego przebicia znamionowym prądem np. 2mA. Jeżeli nie wystąpi całkowite przebicie, końcowa zmierzona wartość rezystancji izolacji jest wyświetlana sekwencyjnie z odnośnym prądem upływu i wartością pojemności.

Niektóre mierniki rezystancji izolacji mają dwa zaciski, inne mają trzy. Ponieważ są to mierniki prądu stałego, dwa zaciski są oznaczone przez „+” i „–”. Trzeci zacisk oznaczany literą „G” (od słowa Guard) jest zaciskiem ochronnym. Podczas pomiaru wykonywanego z wykorzystaniem tylko dwóch zacisków, uzyskamy wynik rezystancji izolacji będący wypadkową połączenia równoległego: prądu upływności płynącego przez ciało izolatora (upływność skrośna) oraz po jego powierzchni (upływność powierzchniowa).

Przykładowo, kiedy badany jest kabel, wtedy z powodu obecności wilgotności lub zabrudzeń na jego powierzchni, mogą tworzyć się ścieżki dla prądów płynących po powierzchni pomiędzy żyłą kabla i zewnętrznym ekranem. Podobne zjawiska mogą powstawać na izolatorach dowolnych aparatów. Duże wartości prądu powierzchniowego mogą dawać fałszywe wrażenie uszkodzenia izolacji. Zjawisko to jest szczególnie istotne przy pomiarach wykonywanych wysokimi napięciami probierczymi.

W takich sytuacjach konieczne jest usunięcie wpływu prądu upływności powierzchniowej na wynik pomiaru. W tym celu należy gołym przewodem (lub metalową folią) starannie owinąć izolację kabla i podłączyć przewodem pomiarowym z zaciskiem „G”. Gniazdo „G” jest bliższe co do potencjału gniazdu „–” i dlatego zaleca się umieszczanie podłączenia ochronnego bliżej podłączenia ujemnego.

Sposób podłączenia zacisku ochronnego

Ponieważ składowa rezystancji upływności powierzchniowej jest równoległa do składowej mierzonej rezystancji skrośnej, użycie zacisku ochrony sprawia, że prąd płynący po powierzchni jest oddzielany od obwodu pomiarowego. Dzięki temu przyrząd daje bliższe prawdzie wyniki pomiarów rezystancji izolacji. Zasada działania pomiaru rezystancji izolacji z zastosowaniem zacisku ochronnego jest pokazana na rysunku poniżej.

Zasada pomiaru izolacji z zaciskiem ochronnym

Fakt, że jakiś miernik rezystancji izolacji jest wyposażony w zacisk ochronny „G” nie gwarantuje prawidłowości wykonanych przy jego użyciu pomiarów. Przed zakupem miernika rezystancji izolacji, wyposażonym w zacisk ochronny „G”, należy upewnić się, jaki dodatkowy błąd pomiaru jest wprowadzany przez zastosowanie obwodu ochronnego.

W zależności od wybranego przyrządu, poziom błędu może mieć zakres od poniżej 1,0% do ponad 80,0%. Jeżeli zamierzamy używać zacisku ochronnego, powinniśmy upewnić się o poziomie błędu przed zakupem przyrządu.

Badania z wykorzystaniem zacisku ochronnego oraz bez wykorzystania tego zacisku mogą dostarczać bardzo różne wyniki pomiarów. Dlatego jest bardzo ważne, aby w protokołach zawierających wyniki pomiarów umieszczać informację, czy zacisk „G” był używany, czy nie.

Jeżeli na badanym obiekcie nie ma możliwości powstania prądów upływności powierzchniowej, wtedy używanie zacisku ochronnego nie jest konieczne.

Suszenie zawilgoconej izolacji

W praktyce często zachodzi konieczność osuszenia izolacji. Niektóre części aparatów elektrycznych mają wbudowane grzałki, które mogą być do usuwania zawilgocenia.

Najlepszym rozwiązaniem jest umieszczenie uzwojeń w piecyku, który ma możliwość ustawienia żądanej temperatury oraz posiada wymuszony obieg powietrza. Można stosować również inne metody nagrzewania zewnętrznymi źródłami ciepła, ale trzeba pamiętać o zapewnieniu swobodnej cyrkulacji powietrza bowiem w przeciwnym przypadku zamiast usuwania zawilgocenia spowodujemy jego wzrost. W celu wymuszenia przepływu powietrza można zastosować dmuchawy. Inną często używaną metodą jest niskonapięciowe wymuszenie przepływu prądu w uzwojeniach. Wartość prądu powinna być ograniczona do części prądu znamionowego, należy również uważać, aby nie przekroczyć maksymalnych temperatur izolowanych części. Maksymalne temperatury suszenia nie powinny przekroczyć 90°C.

Rejestracja zmian rezystancji izolacji w trakcie suszenia pomaga w określeniu, kiedy izolacja jest już wolna od wilgoci. Poniżej przedstawiony wykres pokazuje proces suszenia wcześniej zatopionego silnika.