Artykuły techniczne

Degradacja izolacji

Można wyróżnić pięć podstawowych czynników powodujących degradację izolacji: narażenia elektryczne i mechaniczne, agresja chemiczna, narażenia termiczne oraz zanieczyszczenie środowiska. W czasie normalnej eksploatacji izolacja starzeje się na skutek wcześniej podanych mechanizmów. Starzenie się izolacji jest wolnym procesem degradacji, czynniki degradujące oddziałują wspólnie prowadząc do stopniowego spadku jakości izolacji.

Ocena tempa osłabiania się izolacji cieszy się zwiększającym zainteresowaniem inżynierów zajmującymi się elektrycznymi sieciami zasilającymi zarówno w Europie, jak i w USA, gdzie duże części sieci były budowane 30 lub 40 lat temu w czasie boomu inwestycyjnego.

Pomiary

Na skutek osłabienia izolacji może zwiększać się prąd upływności, charakterystyka strat dielektrycznych może ulegać zmianom, jak również może zmieniać się stopień polaryzacji. Pomiary izolacji szukają zmian w jednym z tych zjawisk, które wskazują na osłabienie izolacji.

Pomiary diagnostyczne izolacji typu “dobry/zły”

Tradycyjny pomiar rezystancji izolacji jest najprostszym sposobem, aby uzyskać ogólne wskazanie stanu izolacji. Chociaż pomiar rezystancji izolacji może być stosowany, jako prosty pomiar typu “doby/zły”, ale może być również użyty do otrzymania bardziej wyczerpującej informacji diagnostycznej. Najbardziej popularnymi napięciami stosowanymi do badań nieniszczących izolacji są 2,5kV i 5kV d.c. (określone w BS6266 i IEEE43).

Pomiar “punktowy”

Przy instalowaniu aparatury, wyniki te są porównywane z minimalnymi wymaganymi przez dane techniczne. Rezystancja izolacji jest istotnie zależna od temperatury i z tego powodu należy stosować współczynnik korekcji, aby pokazać tendencję w sposób bardziej przejrzysty w stosunku do pomiarów dokonanych wcześniej.

Współczynnik do korygowania przy temperaturze 40°C jest podany poniżej:

R_skorygowane = K_t x R_pomierzone

Gdzie K_t, współczynnik kompensacji, podwaja się co 10°C wzrostu temperatury.

Prądy pomiarów d.c. izolacji

Prąd pomiarowy płynący przez izolację może być rozłożony na trzy składowe, prąd ładowania pojemności, prąd polaryzacji (lub absorpcji) oraz prąd przewodzenia upływności. Dodatkowo może występować prąd upływności powierzchniowej, który może być usunięty z obwodu pomiarowego przy zastosowaniu zacisku ochronnego miernika izolacji.

Prąd pojemności

Prąd ten jest początkowo duży, ale zanika do zera po naładowaniu dielektryka.

Prąd polaryzacji

Powodowany przez ładunki w materiale izolatora poruszane pod wpływem pola elektrycznego lub dipole molekuł ustawiające się zgodnie z liniami przyłożonego pola (ustawianie polaryzacyjne). Zjawisko to jest w dużej mierze powodowane przez wilgoć lub zanieczyszczenia w izolacji, ponieważ molekuła wody ma dodatkowe ustawienie polaryzacyjne. Proces zajmuje dużo więcej czasu niż ładowanie pojemnościowe.

Prąd upływności

Niezmienny (rezystywny) prąd płynący przez izolator.

Rysunek 1. Prądy pomiaru izolacji.

Daje się natychmiast zauważyć, że wyniki rezystancji izolacji są zmienne w czasie. Generalnie, przez pierwsze sekundy po rozpoczęciu pomiaru widziany jest głównie prąd pojemnościowy, co objawia się wspinaniem wskazówki na skali miernika izolacji. Po czasie jednej minuty, w najczęściej stosowanym pomiarze “punktowym”, prąd jest kombinacją prądów polaryzacji i upływności. Po 10 minutach otrzymuje się głównie prąd upływności, chociaż okres ten może trwać do 30 minut z powodów wpływu zjawiska polaryzacji.

Prądy rozładowania

Podczas fazy rozładowania występują zjawiska przeciwne za wyjątkiem prądu upływności. Nie ma wtedy napięcia probierczego więc prąd upływności jest pomijalny. Prąd pojemności zanika szybko, prąd reabsorpcji trwa kilka minut, być może godzin, aż spadnie do zera.

Pomiar rezystancji w funkcji czasu (PI i DAR)

Pomiary rezystancji w funkcji czasu wymagają sukcesywnych odczytów w określonych czasach i mają ogromną przewagę nad pomiarem “punktowym” ponieważ są niezależne od temperatury. Pomagają również w sytuacji, gdzie wyniki wcześniejszych pomiarów są notowane w postaci wykresu, ponieważ będąc współczynnikami, są niezależne od rozmiarów badanego sprzętu. Najcenniejszą informacją jest ustalenie trendu. Dużo łatwiej jest określić trend przy pomiarach rezystancji w funkcji czasu (wskaźnik polaryzacji i współczynnik absorpcji) niż przy pomiarach “punktowych”, ponieważ wtedy konieczna jest korekcja temperaturowa.

Generalnie, dobry izolator wykazuje wzrost rezystancji po czasie 10 minut, gdyż w zanieczyszczonym izolatorze efekty polaryzacji są maskowane przez wysokie prądy upływności i w związku z tym przebieg charakterystyki jest bardziej płaski.

Wartości bezwzględne wskaźników mogą dawać informację o stanie izolacji, chociaż wyniki są lepiej interpretowane w kontekście historii sprzętu. Jeżeli PI spada o 30% lub więcej, wtedy należy rozważyć przeprowadzenie akcji zapobiegawczej takiej, jak czyszczenie lub dalsze badania.

Stała czasowa (TC)

Stała czasowa izolacji jest związana z podstawowymi cechami stałą dielektryczną oraz rezystywnością, jak również niewielkim wpływem od polaryzacji. Tendencja tego wskaźnika jest prostym parametrem umożliwiającym monitorowanie degradacji, zmniejszenie się TC wskazuje na osłabienie izolacji

Pomiary oparte na rozładowaniu

Istnieje szereg technik pomiarowych stosowanych podczas rozładowania dielektryka. Celem wszystkich tych pomiarów jest sprawdzenie zachowania się polaryzacji izolatora, która jest bardzo wrażliwa na wilgoć. Ponieważ wszystkie trzy składowe prądu (ładowania pojemności, polaryzacji i upływności), są obecne podczas fazy ładowania, przy pomiarze izolacji, wyznaczenie prądu polaryzacji lub absorpcji jest kłopotliwe ze względu na nakładanie się prądów pojemnościowego oraz upływności. W fazie rozładowania można szybciej usunąć te niechciane prądy (ładowania pojemności oraz upływności), otrzymując możliwość interpretowania stopnia polaryzacji izolacji i zależności od zawilgocenia oraz innych wpływów na polaryzację.

Pomiar rozładowania dielektryka (DD)

Pomiaru tego dokonuje się podczas rozładowania dielektryka, jest to bardzo prosty i praktyczny pomiar. Pomiar DD był rozwijany z myślą o generatorach, przez EdF we Francji. Izolator jest ładowany przez wystarczająco duży czas, aby osiągnąć stan “stabilny” (zazwyczaj 30 minut). Oznacza to, że procesy ładowania i polaryzacji są zakończone i jedynym pozostającym prądem jest składowa upływności. Następnie izolator jest rozładowywany i mierzony jest wynikowy prąd. Prąd ten tworzony jest przez rozładowanie pojemności i “prądy reabsorpcji” dające w połączeniu całkowity prąd “rozładowania dielektryka”.

W celu umożliwienia dokonania porównania pomiędzy sprzętem, prąd jest mierzony po standardowej 1 minucie, która jest znacznie większa od stałej czasowej rozładowania pojemnościowego. Na wynik nie ma wpływu upływność powierzchniowa, która jest pomijalna przy zwartym obwodzie (praktycznie brak napięcia).

Wypadkowy prąd jest zależny od całkowitej pojemności ( C ), końcowego napięcia probierczego (V) oraz stopnia polaryzacji dielektryka. Podczas rozładowania mierzone są również napięcie oraz pojemność badanego obiektu, aby móc rejestrować “DD – od słów Dielectric Discharge”, jako prosty wskaźnik:

DD = I_1min/VxC [mAV^-1F^-1]

Wskaźnik DD może identyfikować zaabsorbowaną przez izolację wilgoć ponieważ ma ona wpływ na zachowanie się absorpcji dielektryka - jest natomiast maskowana przez wpływ upływności, jeżeli próbujemy mierzyć absorpcję w cyklu ładowania.

Pomiary a.c.

Przy pomiarach a.c. prąd polaryzacji nigdy nie ma wystarczającego czasu, aby zaniknąć i łącznie z prądem pojemnościowym, przeważa w całkowitych stratach w dielektryku. Z tej przyczyny jest również wrażliwy na wilgotność oraz degradację materiału izolatora.

Niektóre pomiary nie wymagają WN sygnału pomiarowego i nie powodują narażenia izolacji. Znaczy to, że jest bardzo małe prawdopodobieństwo uszkodzenia dielektryka.

Podsumowanie

Dzięki pomiarom diagnostycznym uzyskuje się zdecydowanie więcej informacji o stanie izolacji. Pomiary te mogą okazać się bezcennymi w programie okresowych przeglądów. Pomiar a.c. również daje wcześniejszą informację, która może wskazać na późniejsze problemy z izolacją. Każdy typ pomiaru pomaga w otrzymaniu bardziej kompletnego obrazu stanu izolacji.