LABORATORIUM INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ĆWICZENIE 3 BADANIE REZYSTYWNOŚCI SKROŚNEJ MATERIAŁÓW IZOLACYJNYCH Dr inż. MAREK OLESZ Rezystancja izolacji może być rozpatrywana przy wykorzystaniu prawa Ohma (1). Mierzona rezystancja wyznaczana jest na podstawie podzielenia przyłożonego napięcia przez płynący prąd. U R (1) I Występują tu jednak dwa dodatkowe ważne czynniki, wzajemnie powiązane, które należy uwzględniać w analizie przebiegu prądu przepływającego przez izolację: - występowanie prądu skrośnego i powierzchniowego, - zjawisko polaryzacji dielektryka zależne od czasu jaki upłynął od chwili przyłożenia napięcia. 1. ŁADOWANIE IZOLATORA Najczęściej stosowany wskaźnik rezystancyjny do oceny izolacji jest wyznaczany na podstawie przebiegu rezystancji urządzenia w czasie. Po przyłożeniu napięcia stałego do izolacji przepływający prąd zależy od pojemności badanego obiektu, wielkości absorpcji, prądu upływności oraz parametrów miernika izolacji rezystancji i pojemności wejściowej. Całkowity prąd jest sumą trzech składowych (rys. 1), wynikających z przyłożenia napięcia stałego U do schematu zastępczego izolacji pokazanego na rys. 2: - ładowania pojemności obiektu C, - ładowania pojemności absorpcyjnej C a wynikającej z ustawiania się dipoli (ładunków) w linii pola elektrycznego wewnątrz materiału. Dipole powrócą powoli do swoich pozycji spoczynkowych, stanu nieuporządkowanego, gdy napięcie probiercze zostanie odłączone (wywołując prąd reabsorpcji). Efekty te wydłużają się w czasie, gdy izolator został zanieczyszczony przez zabrudzenia lub pozostaje w nim wilgoć. Zależnie od typu izolatora czas tego zjawiska może trwać do 30 minut. - przewodzenia lub upływności będącej zwykle w stanie ustalonym niewielkim prądem, w którym można wydzielić dwie składowe: prąd płynący wzdłuż ścieżek przewodzących przez materiał izolacji (upływność skrośna R s ), prąd płynący wzdłuż ścieżek przewodzących po powierzchni materiału izolacji (upływność powierzchniowa R p - na schemacie zastępczym z rys. 2 rezystancja R jest wypadkową rezystancji R s i R p połączonych równolegle)
Rys. 1. Typowe prądy pomiaru izolacji [12]; 1-prąd ładowania pojemności; 2-prąd całkowity; 3-prąd absorpcji; 4-prąd przewodzenia Rys. 2. Schemat zastępczy izolatora [16] C pojemność obiektu, R wypadkowa R s i R p ; układ szeregowy R a, C a rezystancja i pojemność absorbcyjna W związku z powyższą charakterystyką przebiegu prądu w izolacji w czasie, mierzona przez miernik wartość prądu po podaniu stałego napięcia probierczego może być użyta do oceny stanu izolacji. W praktyce pomiarowej obserwuje się następujące zależności: - prąd ładowania zasadniczo zależy od pojemności badanego obiektu. Duże obiekty z większą pojemnością ładują się dłuższy czas, na przykład długie kable energetyczne. Natomiast prąd absorpcji maleje relatywnie wolniej w porównaniu z prądem ładowania pojemności. Wynika to z natury zjawisk fizycznych zachodzących w materiałach izolacyjnych. - prądy przewodzenia lub upływności narastają szybko do pewnej stałej wartości i pozostają stałe dla danego, niezmiennego napięcia probierczego. Prąd ten wynika z istnienia: wilgoci, zabrudzeń itp., które wpływają na jakość izolacji, oraz w konsekwencji na wartość zmierzonej rezystancji izolacji. Zwiększanie prądu upływności wskazuje na możliwość wystąpienia problemów eksploatacyjnych w przyszłości. - w praktyce do oceny jakości izolacji używa się pomiaru rezystancji izolacji w 2- momentach czasowych, na podstawie których oblicza się wskaźnik polaryzacji (R 10minut :R 1minuta ) lub absorpcji dielektryka (R 60sekund :R 15sekund ). Wskaźniki te mogą być używane do wyznaczenia poziomu zanieczyszczenia badanego obiektu, ponieważ mierzona jest różnica pomiędzy absorpcją i prądem
upływności. Nadmierny prąd upływności zdominuje wówczas prąd absorpcji, prowadząc do spłaszczenia charakterystyki R(t). 2. POMIARY DIAGNOSTYCZNE IZOLACJI Głównym powodem uszkodzeń aparatury elektrycznej jest przebicie izolacji. Do monitorowania stanu izolacji w celu przeprowadzenia konserwacji w odpowiednim czasie stosuje się szereg technik diagnostycznych opartych o wskaźniki rezystancyjne lub pojemnościowe. Najprostszy pomiar izolacji jest dokonywany dla krótkiego, ale określonego okresu czasu, po którym odczytuje się wynik. Czas ten zazwyczaj wynosi 60 sekund. Przy instalowaniu aparatury, wyniki te są porównywane z minimalnymi wartościami wymaganymi przez dane techniczne. Rezystancja izolacji zależy od temperatury i z tego powodu należy stosować współczynnik korekcyjny (2), aby pokazać prawidłową tendencję zmian rezystancji w stosunku do pomiarów dokonanych w innych warunkach. Współczynnik korekcyjny K t odniesiony do temperatury 20 C podano wzorem (2) i w tabeli 1 R 20 C = K t * R t (2) gdzie : K t, współczynnik korekcji (podwaja się co 10 C wzrostu temperatury) R 20 - przeliczona rezystancja w temperaturze 20 C, R t rezystancja zmierzona w temperaturze t. Tab. 1. Współczynnik korekcji k 20(30) (od t[ C]) dla kabli i maszyn elektrycznych. Kable, maszyny elektryczne, (transformatory) R 20(30) =R t *k 20(30) Temperatura T[ C] 15 18 21 24 27 30 33 36 42 Transformatory 0,50 0,57 0,66 0,76 0,87 1,0 1,14 1,32 1,74 Temperatura [ C] 4 8 10 12 16 20 24 26 28 Maszyny elektr. 0,63 0,67 0,7 0,77 0,87 1,0 1,13 1,21 1,30 Kable (IPO) 0,21 0,30 0,37 0,42 0,61 1,0 1,57 2,07 2,51 Kable (rubber) 0,47 0,57 0,62 0,68 0,83 1,0 1,18 1,26 1,38 Kable (PE,PCV) 0,11 0,19 0,19 0,25 0,625 1,0 1,85 2,38 3,125 Generalnie rezystancja izolacji zmniejsza się ze wzrostem temperatury. Tabele ze współczynnikami korekcji temperaturowej są tworzone dla różnych typów aparatów elektrycznych (materiałów izolacyjnych) i mogą być uzyskane od producenta aparatu. Zaleca się jednak opracować własną tabelę współczynnika korekcji przez rejestrację dwóch wartości dla tego samego obiektu przy różnych temperaturach. Na tej podstawie tworzy się wykres rezystancji (w skali logarytmicznej) w funkcji temperatury (w skali liniowej). Wykres ten jest prostą linią i może być ekstrapolowany dla dowolnej temperatury, umożliwiając bezpośredni odczyt współczynnika korekcji.
Wykresy pokazane na rys. 3 i 4 zbudowano przy pomiarach dla maksymalnej różnicy temperatur wynoszącej około 15 C. Jak widać bez korekcji temperaturowej trudno określić tendencję zmian. Rys. 3. Przykład wyników skompensowanych temperaturowo [12] Rys. 4. Przykład wyników bez korekcji temperaturowej [12] Wilgotność ma również wpływ na rezystancję izolacji, ale nie da się określić jej wpływu tak jednoznacznie jak dla temperatury. Różne typy izolatorów absorbują wilgoć w różnym stopniu, zależnie od wieku i stanu izolatora.
3. ZAKRES ĆWICZENIA W czasie ćwiczenia należy w układzie z rys. 5 określić po przyłożeniu napięcia stałego o wartości do 1 kv rezystancje objętościowe (rys. 5b) i/lub powierzchniowe(rys. 5a) wybranych materiałów izolacyjnych w funkcji czasu. Należy przeprowadzić pomiary odpowiedzi prądowej dielektryków typu folia polietylenowa lub żywica fenolowo formaldehydowa w 3 różnych temperaturach próbki. Z otrzymanych przebiegów prądu w czasie ładowania należy wyznaczyć wartość rezystancji po 60 sekundach oraz współczynnik absorbcji. Zastosowany do badań układ pomiarowy firmy JOTA wraz z komorą Tettex pozwala na badanie płaskich próbek materiałów izolacyjnych. Połączenie przyrządu z komputerem przez port szeregowy pozwala na przesyłanie próbkowanych co 1 s wartości prądu do komputera, co umożliwia późniejszą analizę danych pomiarowych. a) Rezystywność powierzchniowa b) Rezystywność objętościowa Rys. 8. Podstawowe techniki pomiarowe dla określenia rezystywności objętościowej i powierzchniowej z użyciem komory 8008 do badań rezystywności próbek płaskich 4. PYTANIA KONTROLNE 1) Co to jest rezystywność? 2) Czym się różni rezystywność skrośna od rezystywności powierzchniowej? 5. LITERATURA [1] Z. Flisowski, Technika wysokich napięć, WNT, Warszawa 1988 [2] Praca pod redakcją H. Mościckiej-Grzesiak, Inżynieria wysokich napięć w elektroenergetyce, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1996
[3] V. Adamec, J.H Calderwood, On the determination of electrical conductivity in polythylene, J.Phys., D.Appl.Phys., 1971 [4] D.M Taylor, T.J. Lewis, Electrical conduction in polyethylene terephthalate and polyethylene films, J.Phys.D.Appl.Phys. 1971, vol.4 [5] B.Hilczer, J.Małecki, Elektrety, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1980 [6] Keithley Model 6517 A Electrometer User s Manual [7] Keithley Model 6517 A Electrometer Service Manual [8] Model 6524 High Resistance Measurment Software [9] Model 8009 User s manual [10] Test Poin Quick Start [11] IEEE-488 Interface Board User s Manual [12] http://www.test-point.com/ [13] normy BS6266 i IEEE43 [14] http://www.tomtronix.com.pl/ [15] http://www.tomtronix.com.pl/spisart.htm [16] J.Włodziński Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów.