В любой электрической цепи, на уровне физического взаимодействия движущихся зарядов и порождаемого ими электромагнитного поля, одной из основных задач является обеспечение строгой замкнутой системы передачи и преобразования электроэнергии с минимальными потерями. Для решения данной задачи часто недостаточно просто создать токопроводящий контур с низким сопротивлением относительно окружающий среды, особенно, когда речь идёт о сетях высокого напряжения, так как порождаемая ими высокая напряженность электромагнитного поля наводит напряжение на других проводниках поблизости и также приводит к образованию токов утечки в сторону низкого потенциала, т.е. обычно на землю. Логично, что для устранения данной проблемы необходимо создать область высокого электрического сопротивления вокруг проводника, используя различные диэлектрические материалы (твердые, жидкие, газообразные), которые не только помогут в более оптимальном распределении электрической энергии в системе, но и в безопасности персонала, работающего с данными системами, и отказоустойчивости самой системы. Очевидно, что чем выше электрическое сопротивление изоляции, тем лучше, но с конструктивной и экономической точки зрения необходимо искать оптимальный вариант, который будет отвечать техническим требованиям выполняемой задачи при минимальных затратах на реализацию. Из таких соображений появляется необходимость в стандартизации различных физических и конструктивных параметров огромного количества видов изоляции для каждой задачи или группы задач, а также нормирование общих электрических характеристик изоляции разных типов. В этой статье мы как раз поговорим про эти электрические параметры и характеристики, по которым возможно количественно определить состояние и пригодность изоляции системы, и представим вашему вниманию приборы для их измерения.

            Как можно догадаться, основной характеристикой изоляции является её электрическое сопротивление. Нормируется именно электрическое сопротивление постоянному току, так как изоляция по своей природе имеет значительную электрическую ёмкость и при измерении переменным током часть электрического сопротивления будет реактивным, которое зависит от частоты измерительного напряжения и самой ёмкости, что усложняет оценку активной составляющей электрического сопротивления. Сложность данных измерений заключается в первую очередь в очень высоких значениях электрического сопротивления (могут достигать порядка ТОм), соответственно, при подаче напряжения на такое сопротивление, протекающая через него сила тока будет очень мала и для измерения таких токов потребуется крайне чувствительная и помехоустойчивая аппаратура. Поэтому гораздо удобней проводить такие измерения, используя высокое напряжение, к тому же реакция диэлектрика на практике зависит от величины приложенного к нему напряжения. Методы генерации высокого постоянного измерительного напряжения могут быть реализованы с помощью усиления напряжения от аккумулятора прибора или с помощью ручного генератора. Данные методы имеют свои плюсы и минусы, например, отсутствие питания прибора с ручным генератором и аналоговой измерительной шкалой помогает работать с прибором в условиях сильного мороза, так как электронные дисплеи и аккумуляторы непригодны при низких температурах, но в ту же очередь конструкция таких приборов неустойчива к вибрациям и падению, что делает эти приборы недолговечными, также, нестабильность величины высокого напряжения генератора и показания аналоговой шкалы менее точные, чем у современных цифровых приборов. Дальнейшие сложности при измерении электрического сопротивления изоляции вызывают переходные электрические процессы, возникающие в диэлектрике при приложении к нему постоянного напряжения. Так как изоляция имеет значительную ёмкость, то часть энергии будет уходить на заряд электрической ёмкости изоляции. Длительность такого заряда до напряжения источника определяется постоянной времени, которая прямо пропорциональна электрической ёмкости и не зависит от приложенного напряжения. По статистическим данным для большинства изоляционных конструкций время полного заряда составляет примерно минуту. Помимо тока заряда ёмкости в переходном процессе также участвуют токи утечки, абсорбции и поляризации. Ток утечки не имеет переходного процесса и на практике стабилизируется почти мгновенно, именно эта величина является током, протекающим через активное сопротивление изоляции и должна быть измерена прибором для вычисления электрического сопротивления изоляции. В отличие от тока заряда ёмкости, чей переходной процесс начинается от очень высоких значений силы тока и экспоненциально падает со временем, ток утечки сохраняет своё неизменное значение, позволяя почти всей энергии источника напряжения уходить на заряд электрической ёмкости и прочие переходные процессы. Ток абсорбции и поляризации связан с содержанием влаги и микроскопических загрязнений в изоляции, которые являются полярными веществами, т.е. состоят из атомов разной электроотрицательности, расположенных в пространстве таким образом, что их заряд имеет полюса с разных сторон, как видно из рисунка молекулы воды ниже. Поэтому, когда источник высокого постоянного напряжения создаёт в изоляции электрическое поле с постоянно направленным в одну сторону вектором напряженности, эти молекулы начинают располагаться по направлению вектора соответствующим полюсом, поглощая часть энергии источника. Данный процесс еще более продолжительный, чем заряд ёмкости, а величина тока абсорбции и поляризации сильно зависит от массы подобных дипольных загрязнителей в изоляции. Общий вид отдельных компонентов суммарного тока переходного процесса представлен на графике ниже.

Рисунок 1 – Полярность молекулы воды

Рисунок 2 – Распределение токов переходного процесса при измерении сопротивления изоляции

            Поэтому показания сопротивления изоляции прибора будут обратно пропорциональны суммарной силе тока и также изменятся во времени. Нормируются показания, измеренные мегаомметром через 15 с (30 с по международным стандартам), 60 с и 600 с. Так как в первые секунды измерения сопротивления изоляции будет намного меньше, то для оценки больше подойдёт значение, измеренное через 15 или 30 секунд. Несмотря на то, что для многих объектов испытания имеются строгие нормативы по допустимому уровню сопротивления изоляции само сопротивление изоляции не несёт в себе достаточно информации, чтобы оценить её пригодность, что связано с естественными процессами деградации изоляции и механизмом выхода изоляции из строя, представляющего из себя мгновенный пробой диэлектрика, который может привести к аварийным ситуациям или срабатыванию защиты. Изоляция деградирует медленно и до последнего момента может иметь допустимое значение сопротивления, поэтому следует также брать в расчет значения, измеренные через 60 секунд, когда должен завершиться процесс заряда ёмкости и через 600 секунд, когда должны завершиться процессы абсорбции и поляризации. Для количественной оценки протекания данных процессов в изоляции существует коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR – Dielectric Absorption Ratio) и индекс поляризации (PI – Polarization Index). Данные показатели позволяют оценить насколько изоляция увлажненная, загрязненная и деградировавшая. Например, распределенные дефекты изоляции, вызванные частичными разрядами, впитанной влагой или механическими повреждениями уменьшают ёмкость изоляции, соответственно процесс её заряда проходит быстрее и отношение сопротивления через 60 секунд к сопротивлению через 15 или 30 секунд будет меньше, чем у хорошей изоляции. Аналогичная оценка применима к индексу поляризации, если процесс поляризации проходит медленно, что свидетельствует о высоком содержании влаги и загрязнений в изоляции, то сопротивление изоляции вырастет не сильно по прошествии 9 минут от 60 секунд до 600 секунд, и даже может начать падать снова из-за роста тока утечки, что уже свидетельствует о критическом состоянии изоляции. Как видно из примера на рисунке ниже, несмотря на гораздо лучшее значение сопротивления изоляции на синей кривой, её коэффициент поляризации свидетельствует об ухудшенном состоянии изоляции, возможно по причине увлажненности и загрязнения. Разъяснения по значениям данных коэффициентов представлены в таблице ниже.

Рисунок 3 – Пример плохого коэффициента поляризации при удовлетворительном сопротивлении изоляции

Таблица 1 – Расшифровка значений диагностических коэффициентов

            Измерений сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции и индекса поляризации достаточно для большинства задач оценки пригодности изоляции, но существуют еще методики, которые реализованы в функционале уже более дорогих мегаомметров. Подобные приборы скорее являются анализаторами параметров изоляции, так как имеют очень широкий спектр возможностей анализа протекающих в диэлектрике электрических процессов. Подробнее рассмотрим каждую из подобных популярных методик.

            Тест ступенчато повышающимся напряжением (SV - Step Voltage) – Одним из параметров изоляции является её диэлектрическая прочность, которая оценивается максимальным выдерживаемым напряжением до возникновения электрического пробоя изоляции. Электрический пробой повреждает изоляцию и делает её непригодной для дальнейшего использования, но можно оценить аномальные процессы в изоляции до возникновения пробоя и остановить тест преждевременно. Такая методика реализована в тесте ступенчато повышающегося напряжения. Принято проводить тест, используя 5 ступеней напряжения, во многих приборах пользователь может настроить начальное напряжение, шаг повышения и длительность каждой ступени. Исправная изоляция не должна изменять свои процессы в зависимости от величины прикладываемого напряжения, если оно заведомо меньше напряжения пробоя, как можно увидеть на рисунке ниже. Если на каком-то из шагов ток утечки значительно увеличивается, то это свидетельствует о наличии дефектов изоляции и тест необходимо прекратить, так как диэлектрическая прочность изоляции снижена и пробой может наступить при меньшем напряжении, чем было рассчитано.

Рисунок 4 – Пример хорошей изоляции (зеленым) и деградировавшей (красным) при тесте ступенчато повышающимся напряжением

            Тест плавно повышающимся напряжением (Ramp Test) – Является улучшенной методикой теста ступенчато повышающимся напряжением. Пользователь задаёт начальное, конечное значения напряжения и скорость его подъема. В сравнении со ступенчато повышающимся напряжением данный тест удобней тем, что плавный рост напряжения не вызывает скачков тока заряда ёмкости, которые мешают оценить ток утечки изоляции. Поэтому по мере проведения теста можно сразу обнаружить дефекты изоляции, например, локальные механические дефекты, которые будут выглядеть на графике силы тока или сопротивления как резкий скачок (пример на рисунке ниже).

Рисунок 5 – Пример обнаружения дефекта изоляции тестом с плавно повышающимся напряжением

            Тест рассеивания в изоляции (DD – Dielectric Discharge) – Данный тест оценивает процессы, которые происходят во время разряда диэлектрика. Если при подаче напряжения происходит заряд ёмкости изоляции и поляризация дипольных молекул в материале диэлектрика, то при снятии напряжения происходят обратные процессы – ёмкость изоляции разряжается на сопротивление внутри прибора, а дипольные молекулы снова постепенно принимают случайное пространственное положение, вызывая токи реабсорбции. Так как постоянная времени разряда ёмкости намного меньше, чем постоянная времени процесса деполяризации, то типичный график рассеивания тока будет выглядеть, как показано на рисунке ниже. В качестве количественной оценки состояния изоляции данный тест использует отношение общей силы тока теста через минуту от начала разряда к произведению напряжения заряда и емкости изоляции . Высокие значения этого отношения указывают на то, что рассеивание токов проходит медленно, что может свидетельствовать об увлажнении и загрязнении изоляции. Особым применением данного теста является обнаружение дефектов слоёв изоляции. При повреждении одного из слоёв изоляции уменьшается её сопротивление току утечки, но ёмкость скорей всего изменится незначительно, такое повреждение невозможно обнаружить обычными методами, так как сопротивление изоляции всё равно будет достаточно высоким, тесты повышающимся напряжением и измерения коэффициентов при длительном воздействии напряжения также могут не выявить данную проблему. Но при разряде ёмкости можно обнаружить её неравномерность из-за дефекта распределения ёмкости.

Рисунок 6 – Типичная форма тока теста рассеивания

            Некоторые модели анализаторов параметров изоляции, особенно те, что имеют довольно высокое измерительное напряжение (10 кВ и выше) также оснащаются функциями обнаружения частичных разрядов, испытания защитной оболочки кабельной линии, прожигом изоляции и так далее, но такие функции уже скорее относятся к другим типам приборов и подобный дополнительный функционал в мегаомметрах встречается довольно редко, поэтому оставим информацию о таких методиках для других статей, так как методов оценки и контроля состояния изоляции достаточно много и здесь лучше рассмотреть только те, что используют методы тестирования высоким постоянным напряжением.

            На рынке измерительных приборов можно найти огромное количество моделей мегаомметров от производителей со всего мира и бывает сложно определиться с выбором подходящей модели. Так как стандарты в первую очередь приводят требования к измерительному напряжению, то и прежде всего стоит обратить внимание на него. Если говорить о нормативах по сопротивлению изоляции, то они почти всегда намного ниже, чем полная шкала современных мегаомметров, даже бюджетных, и как мы обсуждали в начале статьи, данный диапазон связан с измерительным напряжением прибора, так что если вам требуется мегаомметр, например, до 1000 В, то скорей всего его измерительного диапазона будет более чем достаточно для любой изоляции, требующей такого измерительного напряжения. Если предстоит работа в сильный мороз, то рекомендуется выбирать модели с аналоговым дисплеем и ручным генератором, но есть исключения в виде мегаомметров с диодным сегментным дисплеем с подогревом производства Радио-Сервис, которые могут работать при температурах от -30 °С. Далее уже следует выбирать исходя из желаемых функций, которые были описаны в статье выше. Мы подготовили удобную сводную таблицу предлагаемых нами моделей, по которой вы можете выбрать подходящую для вас. Также на странице категории мегаомметров на нашем сайте можно воспользоваться фильтрами поиска.

Таблица 2 – Характеристики предлагаемых мегаомметров.

            Можно подробнее ознакомиться с каждой из предложенных моделей на нашем сайте, названия в таблице содержат ссылки на страницы товаров, если вам понадобится помощь в подборе оборудования, то наш технический специалист поможет вам определиться с оптимальным вариантом, по вопросам цен и сроков поставки обращайтесь к менеджерам по контактной информации на сайте.