Pomiary rezystancji izolacji

Spis treści:

1. Wprowadzenie

     Izolacja jest jednym z najczęściej stosowanych elementów ochrony podstawowej (ochrony przed dotykiem bezpośrednim). Ma ona decydujący wpływ na prawidłowe funkcjonowanie urządzeń, instalacji i sieci elektroenergetycznych. Dobra izolacja podstawowa jest gwarancją skutecznej ochrony przed porażeniem elektrycznym.
     Proces pogarszającego się stanu izolacji w czasie normalnej pracy instalacji i urządzeń elektrycznych związany jest z oddziaływaniem czynników wewnętrznych i zewnętrznych, wpływających na stopniową degradację układów izolacyjnych oraz z długotrwałą eksploatacją prowadzoną często w bardzo niekorzystnych warunkach środowiskowych.
     Do podstawowych czynników powodujących stopniową degradację izolacji należą:

– narażenia elektryczne i mechaniczne,
– agresja chemiczna,
– narażenia termiczne oraz
– zanieczyszczenie środowiska.

     Starzenie izolacji w czasie normalnej pracy urządzeń elektrycznych jest złożonym procesem degradacji, a wystąpienie uszkodzenia, np. awarii układu izolacyjnego, spowodowane jest najczęściej efektem oddziaływania kilku czynników wpływających w różnym stopniu na procesy starzeniowe.
     Praktycznym podejściem do oceny stopnia wieloczynnikowej degradacji izolacji jest diagnostyka oparta na wskazaniach norm i zawartych w nich zasadach wiedzy technicznej.
     Systematyczne i udokumentowane kontrole stanu technicznego urządzeń i instalacji elektrycznych, w tym badanie stanu izolacji w warunkach eksploatacyjnych, pozwalają na tworzenie bazy informacyjnej umożliwiającej:

a) wcześniejsze wykrycie pogarszającego się stanu izolacji i podjęcie stosownych działań zapobiegawczych,
b) zapobieganie awariom, które mogą wystąpić wskutek pogorszenia właściwości izolacji,
c) prowadzenie właściwej i bezpiecznej eksploatacji urządzeń, instalacji i sieci elektrycznych.

1.1. Badanie stanu izolacji obwodów i odbiorników instalacji elektrycznych należy przeprowadzać według następujących zasad:

1) sprawdzić prawidłowość doboru i funkcjonowania przyrządów pomiarowych,
2) dokonać oględzin badanego obiektu dla stwierdzenia jego kompletności, braku usterek
i prawidłowości wykonania,sprawdzenia stanu ochrony podstawowej, stanu urządzeń ochronnych
oraz prawidłowości połączeń,
3) zapoznać się z dokumentacją techniczną obiektu, celem ustalenia poprawnego sposobu
wykonania badań poprzez:

a) dokonanie wyboru poprawnej metody pomiaru,
b) ustalenie jednoznaczności kryteriów oceny wyników,
c) uwzględnienie możliwości popełnienia błędów lub uchybów pomiarowych i zastosowania
odpowiednich współczynników poprawkowych do wartości zmierzonych.

     Badania i pomiary powinny być wykonywane w warunkach identycznych lub zbliżonych do warunków normalnej pracy.

1.2. Podstawowe definicje:

Izolacja – może być stała, ciekła lub gazowa (na przykład powietrze) lub stanowić ich kombinację,
Izolacja podstawowa – izolacja części czynnych, która zapewnia ochronę podstawową,
Izolacja dodatkowa – izolacja niezależna zastosowana jako uzupełnienie izolacji podstawowej
do zapewnienia ochrony w przypadku uszkodzenia,
Izolacja podwójna – izolacja składająca się z izolacji podstawowej i izolacji dodatkowej,
izolacja wzmocniona – izolacja niebezpiecznych części czynnych, która zapewnia stopień ochrony przed porażeniem elektrycznym, równoważny izolacji podwójnej.

▲ do góry

2. Właściwości izolacji

     W czasie pomiaru rezystancji izolacji napięciem stałym, w izolacji zachodzą zjawiska fizyczne, w wyniku których następuje przepływ prądu. Całkowity prąd płynący przez izolację (Rys 1. oznaczenie 3.) jest sumą trzech prądów składowych, wynikających z przyłożenia napięcia stałego U:

1) Prąd przewodzenia (upływności) (oznaczenie 1) – w stanie ustalonym o niewielkiej ustalonej wartości, składa się z dwóch prądów:

a) prądu płynącego przez układ izolacyjny (upływność skrośna Rs, która zależy od rodzaju materiału izolacyjnego),
b) prądu płynącego po powierzchni materiału izolacji (upływność powierzchniowa Rp, zależna od czystości materiału izolacyjnego), Na schemacie zastępczym (Rys. 2) rezystancja R jest wypadkową rezystancji Rs i Rp połączonych równolegle;

2) Prąd pojemności C (oznaczenie 2) – jest prądem ładowania pojemności izolacji i zależy od pojemności C badanego obiektu, wartość prądu początkowo duża a następnie spada w miarę jak ładowana jest pojemność. Obiekty o większej pojemności ładują się dłuższy czas (na przykład długie kable energetyczne);

3) Prąd absorpcji Ca (oznaczenie 4) – początkowo ma dużą wartość, lecz maleje dużo wolniej niż prąd ładowania pojemności (zawsze, gdy izolator jest zanieczyszczony, zabrudzony lub zawilgocony). Prąd absorpcji związany z ustawianiem się ładunków w linii pola elektrycznego wewnątrz materiału izolacyjnego. Ten proces wynika z natury zjawisk fizycznych zachodzących w materiałach izolacyjnych.


Rys.1. Prądy płynące przez izolację
Oznaczenia:1- prąd przewodzenia (upływności),
2- prąd ładowania pojemności C, 3 – prąd całkowity, 4- prąd absorpcji.


Rys.2. Schemat zastępczy izolacji
Oznaczenia: U – napięcie probiercze stałe, R – rezystancja izolacji, która jest wypadkową
rezystancji skrośnej (Rs) i rezystancji powierzchniowej (Rp), połączonych równolegle;
C – pojemność izolacji, Ra, Ca – odpowiednio rezystancja i pojemność absorpcyjna.

2.1. W procesie pomiaru rezystancji izolacji należy uwzględnić:

– wilgotność,
– temperaturę,
– wartość napięcia probierczego,
– czas pomiaru,
– czystość powierzchni materiału izolacyjnego.

2.1.1 Wpływ wilgotności
     Wilgotność ma niewątpliwie istotny wpływ na rezystancję izolacji. Stopień absorbowania wilgoci przez izolatory jest różny w zależności od rodzaju i stanu izolatora. Na przykład, w czasie wykonywania
pomiaru rezystancji izolacji uzwojeń transformatora suchego należy uwzględnić wpływ wilgotności na
wynik pomiaru.

2.1.2 Wpływ temperatury
     Zmiany temperatury mogą mieć znaczący wpływ na wyniki pomiarów rezystancji izolacji. Rezystancja izolacji znacząco maleje ze wzrostem temperatury (Rys. 3a). Każdy rodzaj materiału izolacyjnego ma różny stopień zmian rezystancji izolacji w zależności od temperatury.
     Przy pomiarze rezystancji izolacji w temperaturze innej niż temperatura odniesienia 20 oC, wynik pomiaru Rx należy przeliczyć do temperatury odniesienia, przez zastosowanie współczynnika korekcji temperaturowej Kp, według wzoru:

R20 = Rx Kp

gdzie:
Rx – rezystancja zmierzona w temperaturze t, w Ω;
R20 – rezystancja po przeliczeniu do temperatury odniesienia, w Ω;
Kp – współczynnik korekcji temperaturowej.

      Zaleca się, aby pomiary rezystancji izolacji były przeprowadzane:

– w temperaturze od 10 do 25 o C,
– przy wilgotności względnej od 40% do 70%,
– po przygotowaniu izolacji badanej (stanu powierzchni izolatora),
– w stanie nagrzanym uzwojeń maszyn nagrzewających się w czasie pracy.

     Wartości współczynnika korekcji temperaturowej dla wybranych silników i kabli elektrycznych przedstawiono w tablicy 1.

Tablica 1. Wartość współczynnika korekcji temperaturowej Kp

     Współczynniki korekcji temperaturowej dla różnych urządzeń i aparatów elektrycznych podawane są przez producentów w instrukcjach techniczno – ruchowych. Często też współczynniki korekcji temperaturowej opracowywane są przez użytkowników w trakcie eksploatacji urządzeń i instalacji, na podstawie zmierzonych dwóch wartości rezystancji izolacji dla tego samego urządzenia, przy dwóch różnych temperaturach.
     Charakterystyki określające zależność rezystancji izolacji od temperatury, wartości napięcia probierczego i czasu pomiaru przedstawia rysunek 3.


Rys. 3. Zależność rezystancji izolacji od:
a) temperatury, b) wartości napięcia probierczego, c) czasu pomiaru.

2.1.3. Wpływ napięcia probierczego
     W zależności od wartości napięcia probierczego uzyskuje się różne wartości rezystancji izolacji, ponieważ prąd upływowy nie jest proporcjonalny do napięcia w całym zakresie. Ze wzrostem napięcia probierczego rezystancja maleje początkowo szybciej, potem wolniej, po czym ustala się. Po przekroczeniu pewnej granicy, charakteryzującej wytrzymałość danej izolacji następuje przebicie i wartość rezystancji izolacji spada do małych wartości lub zera (Rys. 3b).
     Pomiar należy wykonywać napięciem wyższym od nominalnego zgodnie z wymaganiami normy
HD 60364-6:2016-07 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 6: Sprawdzanie.
     Napięcie pomiarowe powinno być napięciem stałym o pomijalnym tętnieniu, aby wyeliminować wpływ pojemności na wynik pomiaru. Wartości napięć probierczych d.c. w zależności od napięcia znamionowego badanego urządzenia oraz wymagane minimalne wartości rezystancji izolacji, podano w Tablicy 6A.

2.1.4. Wpływ czasu pomiaru
     Przy utrzymywaniu przez pewien czas napięcia podczas pomiaru rezystancji izolacji jej wartość nie jest stała, lecz stopniowo wzrasta i stabilizuje się w czasie.
     Spowodowane jest to zmianami fizycznymi lub chemicznymi zachodzącymi w materiale izolacyjnym pod wpływem pola elektrycznego i przepływającego prądu.
     Izolowane części metalowe (np. w kablu chronionym metalowym płaszczem) stanowią kondensator i dlatego początkowo płynie prąd pojemnościowy ładowania kondensatora, większy od docelowego prądu upływowego (Rys. 3c).

2.1.5. Wpływ czystości powierzchni materiału izolacyjnego
     Rezystancja izolacji kabla elektroenergetycznego to połączona równolegle rezystancja skrośna – zależna od rodzaju materiału izolacyjnego i rezystancja powierzchniowa – zależna od czystości powierzchni izolacji. W przypadku materiałów o dużej rezystywności, rezystancja powierzchniowa może być znacznie mniejsza od skrośnej. Przy pomiarach należy wyeliminować prąd powierzchniowy jako niemiarodajny dla oceny izolacji.

▲ do góry

3. Badanie stanu izolacji urządzeń i instalacji elektrycznych

     Badania rezystancji izolacji wykonywane podczas okresowych lub odbiorczych kontroli stanu technicznego instalacji elektrycznej niskiego napięcia wykorzystywane są do oceny stanu izolacji obwodów rozdzielczych, obwodów odbiorczych instalacji i pojedynczych odbiorników. Wyniki pomiarów wykonywanych w innych warunkach, np. dla wielu odbiorników lub w rozległym układzie izolacyjnym, mogą być negatywne, bez szczegółowego wskazania odcinków lub miejsc w obwodzie o zaniżonej lub uszkodzonej izolacji.
     Pomiar rezystancji izolacji opiera się na pomiarze natężenia prądu płynącego przez izolację pod wpływem przyłożonego napięcia stałego. Wartość rezystancji izolacji wyznacza się z prawa Ohma:

gdzie
U – napięcie probiercze stałe, w V;
I – prąd płynący przez izolację, w A.

     Rezystancję izolacji obwodu instalacji elektrycznej i/lub pojedynczego odbiornika elektrycznego ustala się, w zależności od potrzeb i wymaganej dokładności, drogą pomiarów:

a) punktowych, które pozwalają ogólnie ocenić stan sprawdzanej izolacji oraz
b) w funkcji czasu, w wyniku których można dokładnie ocenić stan badanej izolacji.

3.1. Pomiar punktowy
     Pomiar punktowy jest najprostszym sposobem kontroli stanu izolacji. Polega na pomiarze rezystancji badanej izolacji raz na określony czas. Sam pomiar przeprowadzany jest przez krótki okres czasu, po którym następuje odczyt wartości zmierzonej rezystancji izolacji.
     Pomiar punktowy rezystancji izolacji wykonuje się napięciem pomiarowym stałym o pomijalnym tętnieniu przez krótki okres czasu, umożliwiający zredukowanie wpływu ładowania pojemności. Czas pomiaru typowo wynosi 60 sekund, po którym następuje odczyt wartości rezystancji izolacji w MΩ.
     Przy pomiarach miernikiem analogowym (induktorowym), ze względu na drganie wskazówki podczas kręcenia korbką prądnicy, odczyt wartości mierzonej należy dokonać po ustabilizowaniu się wskazówki, gdy wynik pomiaru nie zmienia się już znacząco.
     Prowadzona w ramach działalności eksploatacyjnej konsekwentna diagnostyka stanu izolacji pozwala na:

a) wcześniejsze wykrycie pogarszającego się stanu izolacji,
b) zapobieżenie awariom i pożarom, które mogą wystąpić wskutek pogorszenia właściwości izolacji,
c) prowadzenie właściwej i bezpiecznej eksploatacji urządzeń i instalacji elektrycznych.

     Punktowe pomiary rezystancji izolacji zależą od temperatury i wymagają odpowiedniej korekcji temperaturowej (Tablica 1).

3.2. Pomiary rezystancji w funkcji czasu
     Pomiary rezystancji izolacji oparte na ładowaniu dielektryka wymagają odczytów w ściśle określonych odcinkach czasu i mają ogromną przewagę nad pomiarem punktowym, ponieważ są niezależne od temperatury.
     Dielektryk o dobrej kondycji wykazuje wzrost rezystancji, nawet po czasie 10 minut od chwili przyłożenia napięcia (Rys. 4 – oznaczenie 1). W dielektryku zanieczyszczonym lub zawilgoconym, przez który przepływa o wysokiej wartości prąd upływowy (zmniejszający znacznie rzeczywistą wartość prądu przewodzenia), zmierzona wartość rezystancji izolacji jest odpowiednio mała, a przebieg charakterystyki R = f(t) jest bardziej płaski (Rys. 4 – oznaczenie 2).


Rys. 4. Przebieg charakterystyki rezystancji izolacji w funkcji czasu.

     Do oceny stanu izolacji stosuje się dwa wskaźniki rezystancyjne:

1) współczynnik absorpcji DAR określany jako:

gdzie:
R60 – rezystancja zmierzona po 60 sekundach od chwili przyłożenia napięcia;
R15 – rezystancja zmierzona po 15 sekundach od chwili przyłożenia napięcia.

2) wskaźnik polaryzacji PI – jest ilorazem wartości rezystancji izolacji zmierzonych
po 10 i 1 minucie:

gdzie:
R10min – rezystancja zmierzona po 10 minutach od chwili przyłożenia napięcia;
R1 min – rezystancja zmierzona po 1 minucie od chwili przyłożenia napięcia.

     Pomiar wskaźnika polaryzacji jest szczególnym przypadkiem pomiaru rezystancji izolacji w ściśle określonym czasie, bez konieczności stosowania korekcji temperaturowej. Z uwagi na niezależność od temperatury ten sposób oceny stanu izolacji ma ogromną przewagę nad pomiarem punktowym.

3.3. Pomiar rezystancji izolacji przewodu elektrycznego
     Pomiar rezystancji izolacji przewodu elektrycznego wykonuje się prądem stałym, aby wyeliminować wpływ pojemności na wynik pomiaru (Rys. 5).
     Odczyt zmierzonej wartości rezystancji izolacji w miernikach analogowych następuje po ustaleniu się wskazania (tj. po ok. 30 sekundach do 1 minuty).
     W czasie pomiaru megaomomierz mierzy natężenie prądu płynącego przez układ izolacyjny pod wpływem przyłożonego napięcia stałego.
     Wartość zmierzonej rezystancji izolacji odczytuje się na skali przyrządu opisanej w MΩ. Wymagana dokładność pomiaru rezystancji izolacji wynosi do 20%.
     W przebiegu pomiaru rezystancji izolacji występuje prąd przewodzenia (upływności) Iu, który składa się z dwóch składowych:

a) prądu Is płynącego przez izolację (upływność skrośna),
b) prądu Ip płynącego po powierzchni izolacji (upływność powierzchniowa).

     Prądy składowe Is i Ip prądu przewodzenia (upływności ) Iu są połączone i mierzone łącznie przez megaomomierz (Rys.5).
     Napięcie stałe o pomijalnym tętnieniu, w stanie jałowym Uo ≤ 1,5 Un;
     gdzie:
     Un – nominalne napięcie wyjściowe.
     Prąd In ≥ 1 mA (Imax ≤ 1,5 mA).

     Pomiar rezystancji izolacji odcinka przewodu elektrycznego przedstawia rysunek 5.


Rys. 5. Pomiar rezystancji izolacji odcinka przewodu elektrycznego
Oznaczenia: Iu – prąd przewodzenia (upływu), Is – prąd płynący przez izolację (upływność skrośna),
Ip – prąd płynący po powierzchni izolacji (upływność powierzchniowa), Up – napięcie pomiarowe stałe.

     Pomiary rezystancji izolacji poszczególnych obwodów instalacji elektrycznej należy wykonywać od strony zasilania, po wyłączeniu napięcia zasilania i po odłączeniu odbiorników oraz zapewnieniu skutecznej ochrony przed możliwością przypadkowego, ponownego włączenia napięcia zasilającego.

      Pomiary rezystancji izolacji można wykonać:

a) miernikiem rezystancji izolacji (megaomomierzem) o własnym źródle napięcia probierczego,

– o napięciu probierczym: 250 V, 500 V, 1000 V i 2500 V,
– i zakresach pomiarowych: 50 MΩ, 200 MΩ, 1 GΩ, 20 GΩ,

b) napięciem sieciowym za pomocą miliamperomierza,
c) innymi metodami specjalnymi.

     Mierniki przeznaczone do kontroli stanu technicznego instalacji i urządzeń elektrycznych powinny odpowiadać wymaganiom normy PN-EN 61557-10:2013-11 Bezpieczeństwo elektryczne w niskonapięciowych sieciach elektroenergetycznych o napięciach przemiennych do 1000 V i stałych do 1500 V — Urządzenia przeznaczone do sprawdzania, pomiarów lub monitorowania środków ochronnych — Część 10: Wielofunkcyjne urządzenia pomiarowe do sprawdzania, pomiarów lub monitorowania środków ochronnych.
     Osoby posługujące się miernikami odpowiedzialne są za poprawność ich wskazań i akceptację rażąco błędnych wskazań.

3.4. Najmniejsze dopuszczalne wartości rezystancji izolacji
     W normie PN-HD 60364-6:2016-07 określone zostały najmniejsze dopuszczalne wartości rezystancji izolacji pojedynczego obwodu instalacji elektrycznej (odbiorczego z odłączonymi odbiornikami albo rozdzielczego począwszy od złącza). Napięcie pomiarowe powinno być napięciem stałym o pomijalnym tętnieniu, aby wyeliminować wpływ pojemności na wynik pomiaru.
     W tablicy 6A. podano najmniejsze dopuszczalne wartości rezystancji izolacji przewodów instalacji elektrycznej dla obwodu o określonym napięciu znamionowym i wymaganym napięciu pomiarowym.

Tablica 6A. Najmniejsze dopuszczalne wartości rezystancji izolacji przewodów instalacji niskiego napięcia

     Rezystancja izolacji jest zadawalająca, jeżeli jej wartość zmierzona przy napięciu pomiarowym d.c., w każdym obwodzie z odłączonymi odbiornikami, jest nie mniejsza niż odpowiednia wartość podana w tablicy 6A.
     Jeżeli zmierzona wartość rezystancji izolacji jest mniejsza niż określona w tablicy 6A, to drogą kolejnych prób, należy ustalić miejsce i przyczynę niższej rezystancji izolacji od wymagane.
     W przypadku gdy urządzenia do ograniczania przepięć (SPD) lub inne urządzenia mogą mieć wpływ na wynik pomiaru, albo ulec uszkodzeniu, to przed pomiarem rezystancji izolacji należy je wyłączyć na czas pomiaru. Po wykonaniu pomiaru urządzenia te należy ponownie przyłączyć. Jeżeli wyłączenie urządzeń przeciwprzepięciowych jest w sposób uzasadniony niemożliwe, napięcie probiercze dotyczące tego obwodu może być obniżone do 250 V d.c., przy zachowaniu wymaganej wartości rezystancji izolacji, co najmniej 1 MΩ.
     Wartości podane w tablicy 6A należy także stosować do sprawdzania rezystancji izolacji między nieuziemionymi przewodami ochronnymi a ziemią.
     Przy urządzeniach elektrycznych z układami elektronicznymi, pomiar rezystancji izolacji należy wykonać, celem uniknięcia uszkodzenia elementów elektronicznych, między połączonymi (zwartymi ze sobą) przewodami czynnymi, a ziemią.

3.5. Rezystancje cząstkowe
     Przy pomiarach rezystancji izolacji przewodu o trzech żyłach nieuziemionych powszechnie uważa się, że rezystancja izolacji mierzona pomiędzy dowolnymi parami żył tego przewodu jest rezystancją tylko pomiędzy tymi żyłami. W rzeczywistości jednak, w przewodzie o trzech żyłach nieuziemionych, występuje sześć cząstkowych rezystancji izolacji, jak na rysunku 6.


Rys. 6. Cząstkowe rezystancje izolacji przewodu o trzech żyłach nieuziemionych

     Rezystancja izolacji zmierzona pomiędzy żyłami L1-PE w jednofazowym obwodzie trójprzewodowym, jest rezystancją wypadkową wszystkich sześciu cząstkowych rezystancji izolacji (Rys. 7).


Rys. 7. Cząstkowe rezystancje izolacji w trójprzewodowym obwodzie jednofazowym
przy pomiarze L-PE

     Inaczej wygląda sytuacja w pięcioprzewodowym obwodzie trójfazowym, gdzie cząstkowych rezystancji jest więcej. W obwodzie zawierającym n biegunów nieuziemionych, liczba cząstkowych rezystancji izolacji Np mających wpływ na wynik pojedynczego pomiaru wynosi:

     Jeżeli w kolejnych kontrolach stanu izolacji, pomiary wykonuje się w podobny sposób, to można przyjąć ten sposób oceny rezystancji izolacji.

3.6. Pomiary rezystancji izolacji w obwodach instalacji elektrycznych
     Zgodnie z PN-HD 60364-6:2016-07 rezystancję izolacji w obwodach instalacji elektrycznej należy zmierzyć:

a) między przewodami czynnymi.
b) między przewodami czynnymi a uziemionym przewodem ochronnym bądź ochronno-neutralnym,
(podczas tego pomiaru wszystkie przewody czynne mogą być zwarte ze sobą).

     Przy sprawdzaniu okresowym pomiar rezystancji izolacji nie jest konieczny w instalacjach z monitorowaniem stanu izolacji, np. przy użyciu urządzenia RCM lub IMD.
     Przewody ochronne (PE) oraz ochronno-netralne (PEN) należy traktować jako ziemię, a przewód neutralny (N) – jako przewód czynny.

1) Rezystancję izolacji przewodów w obwodach instalacji elektrycznej o układzie TN-C należy zmierzyć:

a) między każdym przewodem czynnym, a przewodem ochronno-neutralnym (PEN), np. L1- PEN, L2- PEN, L3- PEN (Przewody czynne na czas pomiaru mogą być połączone)(Rys. 8).


Rys. 8. Pomiar rezystancji izolacji między każdym przewodem czynnym, a przewodem ochronno-neutralnym (PEN) w układzie TN-C

b) między kolejnymi parami przewodów czynnych np. L1- L2, L1- L3, L2- L3 (Rys. 9).
(Przewód neutralny (N) odłącza się, do celów pomiarowych, od przewodu ochronnego (PE)).


Rys. 9. Pomiar rezystancji izolacji między kolejnymi parami przewodów czynnych w układzie TN-C

2) Rezystancję izolacji przewodów w obwodach instalacji elektrycznej o układzie TN-S należy zmierzyć:

a) między każdym przewodem czynnym, a przewodem ochronnym (PE) np. L1- PE, L2- PE, L3- PE, N- PE* (Rys. 10).
(Przewody czynne na czas pomiaru mogą być połączone).


Rys. 10. Pomiar rezystancji izolacji między każdym przewodem czynnym, a przewodem ochronnym (PE) w układzie TN-S

b) między kolejnymi parami przewodów czynnych, np.: L1- L2, L1- L3, L2 – L3, L1- N, L2- N, L3- N (Rys. 11)


Rys. 11. Pomiar rezystancji izolacji między kolejnymi parami przewodów czynnych w układzie TN-S

3.7. Pomiary rezystancji izolacji w obwodach rozdzielczych, odbiorczych i oświetleniowych

1) Pomiary rezystancji izolacji w obwodach rozdzielczych – wykonuje się po wyłączeniu zasilania określonych odcinków obwodów, między kolejnymi zabezpieczeniami. Na czas pomiarów należy skutecznie zabezpieczyć obwody rozdzielcze będące przedmiotem pomiarów, przed możliwością przypadkowego, ponownego włączenia zasilania;
2) Pomiary rezystancji izolacji w obwodach odbiorczych – powinny być wykonywane po wyłączeniu zasilania sprawdzanych obwodów, między wyłącznikami nadprądowymi a punktami przyłączenia odbiorników. Na czas wykonania pomiaru odbiornik powinien być odłączony od instalacji. W przypadku odbiorników zasilanych przewodami ruchomymi (przedłużaczami), na czas pomiaru przewód należy odłączyć zarówno od zasilania (najczęściej przez wyjęcie wtyczki), jak i od zasilanego odbiornika;
3) Pomiary rezystancji izolacji w obwodach oświetleniowych – powinny być wykonywane przy wyłączonym zasilaniu sprawdzanych obwodów oraz przy zamkniętych wyłącznikach. Przygotowanie układu obwodów oświetleniowych do pomiaru rezystancji izolacji polega na:

a) sprawdzeniu, czy wszystkie obwody oświetleniowe są włączone (czy świecą źródła światła),
b) wyłączeniu zasilania badanych obwodów – łączniki w badanych obwodach pozostają włączone,
c) wyłączeniu zabezpieczeń nadprądowych i/lub wyjęciu bezpieczników topikowych,
d) usunięciu źródeł światła z opraw oświetleniowych lub odłączeniu opraw od badanych obwodów,
e) sprawdzeniu skuteczności zabezpieczenia badanych obwodów przed przypadkowym ponownym włączeniem zasilania.

3.8. Pomiary rezystancji izolacji odbiorników elektrycznych
     Pomiary rezystancji izolacji odbiorników elektrycznych wykonuje się przy sprawdzaniu odbiorczym lub okresowym, według powszechnie stosowanych zasad wymaganych przy badaniu stanu izolacji.
     Jeżeli pomiar rezystancji izolacji odbiornika klasy ochronności I. nie jest możliwy, albo uzyskany wynik nie spełnia wymagań, to należy w tym przypadku wykonać badania zastępcze polegające na pomiarze prądu w przewodzie ochronnym.
     Po wykonaniu pomiaru należy każdorazowo sprawdzić, czy zmierzony prąd w przewodzie ochronnym nie przekracza dopuszczalnej wartości podanej w tablicy 3.

Tablica 3. Graniczne dopuszczalne wartości parametrów urządzeń odbiorczych przy badaniach okresowych – według DIN VDE 0701/0702

3.9. Praktyczne sposoby wykonywania pomiarów rezystancji izolacji odbiorników
     Wykonanie pomiarów rezystancji izolacji odbiorników energii elektrycznej polega głównie na:

1) przygotowaniu odbiornika do pomiaru rezystancji izolacji. Należy przede wszystkim sprawdzić, czy wszystkie składniki układu izolacyjnego zostaną objęte badaniem oraz, czy jest zamknięty jego łącznik główny i inne zestyki aparatury, jeśli występują. Jeżeli wymagania te nie są spełnione, to należy wykonać jako równoważny, pomiar prądu w przewodzie ochronnym albo pomiar prądu dotykowego. Należy również sprawdzić, czy uzyskane wartości prądów nie przekraczają dopuszczalnych wartości podanych w tablicy 3;
2) wykonaniu pomiaru rezystancji izolacji odbiornika klasy ochronności I, w układzie jak na rysunku 12 b i c, megaomomierzem o nominalnym napięciu pomiarowym 500 V, między połączonymi częściami czynnymi, a częścią przewodzącą dostępną, do której jest przyłączony przewód ochronny;
3) wykonaniu pomiaru rezystancji izolacji odbiornika klasy ochronności II. o ochronnej obudowie izolacyjnej (rysunek 13), pomiędzy częścią czynną a folią aluminiową ściśle przylegającą do obudowy izolacyjnej odbiornika na całej jego powierzchni (po uprzednim sprawdzeniu ciągłości przewodów zasilających).


Rys. 12. Pomiary rezystancji izolacji odbiorników
a) klasy ochronności II i III o metalowej obudowie, b, c), klasy ochronności I.

     Pomiar rezystancji izolacji odbiornika klasy ochronności II o ochronnej obudowie izolacyjnej przedstawiono na rysunku 13.


Rys. 13. Pomiar rezystancji izolacji odbiornika klasy ochronności II o ochronnej obudowie izolacyjnej

3.10. Inne równoważne sposoby oceny stanu izolacji odbiorników elektrycznych
     Jeżeli brak jest możliwości wykonania pomiaru rezystancji izolacji odbiornika, to stan izolacji można ocenić na podstawie pomiaru:

a) prądu w przewodzie ochronnym odbiornika klasy ochronności I,
b) prądu dotykowego – odbiorników klasy ochronności II,
c) prądu upływowego zastępczego – dla pomiarów wymienionych w pkt. a) i b), jeżeli wymagana wartość rezystancji izolacji nie jest dotrzymana:

– w odbiornikach klasy ochronności I zawierających elementy grzejne,
– w odbiornikach klasy ochronności I lub II zawierających wbudowane kondensatory przeciwzakłóceniowe i/lub rezystory rozładowcze.

3.10.1. Pomiar prądu w przewodzie ochronnym
     W przypadkach gdy pomiar rezystancji izolacji odbiornika klasy ochronności I nie jest możliwy do wykonania, albo uzyskany wynik pomiaru przekracza największą dopuszczalną wartość, to jako równoważną ocenę stanu izolacji odbiornika klasy ochronności I można przyjąć wartość prądu w przewodzie ochronnym. Po wykonaniu pomiaru należy sprawdzić, czy zmierzona wartość prądu w przewodzie ochronnym nie przekracza największej dopuszczalnej wartości podanej w tablicy 3.

3.10.2. Pomiar prądu dotykowego

     Jeżeli pomiar rezystancji izolacji odbiornika klasy ochronności II nie jest możliwy do wykonania albo wynik pomiaru przekracza największą dopuszczalną wartość, to pomiar prądu dotykowego będzie wystarczający do oceny stanu izolacji odbiornika. Każdorazowo jednak należy sprawdzić, czy zmierzona wartość prądu dotykowego mieści się w granicach dopuszczalnych wartości podanych w tablicy 3.
     Prąd dotykowy jest prądem płynącym do ziemi (lub do przewodu ochronnego PE) przez modelową impedancję ciała człowieka (2 kΩ), umożliwiającą dotykanie części dostępnych urządzenia elektrycznego w sposób:

1) bezpośredni – do części przewodzących dostępnych urządzenia klasy ochronności II o izolacji podwójnej po to, aby ustalić stan niekorzystny dla układu izolacyjnego (Rys. 15a);
2) pośredni – przy wykorzystaniu elektrody przewodzącej E, usytuowanej w takim miejscu obudowy izolacyjnej urządzenia klasy ochronności II, w którym wynik pomiaru jest największy (Rys. 15b).


Rys. 15. Pomiar prądu dotykowego odbiorników klasy ochronności II
E – elektroda przewodząca, a) pomiar bezpośredni, b) pomiar pośredni.

     Pomiar prądu dotykowego stosuje się również do urządzeń klasy ochronności I o wyjątkowej konstrukcji, które mają dostępne części przewodzące nie połączone z przewodem ochronnym.
     Prąd dotykowy oblicza się ze spadku napięcia, jaki wywołuje on na rezystancji ciała człowieka (500 Ω).

3.10.3. Pomiar prądu upływowego zastępczego
     Pomiar zastępczego prądu upływowego powinien być stosowany w przypadku, gdy wymagana wartość rezystancji izolacji jest niższa od dopuszczalnej w odbiornikach:

a) klasy ochronności I. zawierających elementy grzejne,
b) klasy ochronności I. lub II. zawierających kondensatory przeciwzakłóceniowe i/lub rezystory rozładowcze.

     Prąd upływowy zastępczy odbiornika klasy ochronności I mierzy się przykładając pełne napięcie robocze (230 V, 50 Hz) między zwarte zaciski L-N, do których są przyłączone elementy czynne, a przewód ochronny PE jest przyłączony do metalowej obudowy odbiornika.

▲ do góry

4. Badanie stanu izolacji kabli elektroenergetycznych

     Według normy SEP N – E-004 Elektroenergetyczne i sygnalizacyjne linie kablowe. Projektowanie i budowa, ocenę stanu izolacji żył kabla można dokonać po wykonaniu::

a) pomiaru rezystancje izolacji oraz
b) próby napięciowej izolacji żył kabla.

     Rezystancja izolacji każdej żyły kabla względem pozostałych zwartych i uziemionych, przeliczona na temperaturę odniesienia 20 oC, w linii o długości do 1 km, nie powinna być mniejsza niż:

1) w linii kablowej o napięciu znamionowym do 1 kV:

75 MΩ – w przypadku kabla o izolacji gumowej,
20 MΩ – w przypadku kabla o izolacji papierowej,
20 MΩ – w przypadku kabla o izolacji polwinitowej,
100 MΩ – w przypadku kabla o izolacji polietylenowej;

2) linii kablowej o napięciu znamionowym powyżej 1 kV:

50 MΩ – w przypadku kabla o izolacji papierowej,
40 MΩ – w przypadku kabla o izolacji polwinitowej,
100 MΩ – w przypadku kabla o izolacji polietlenowej,
1000 MΩ – w przypadku kabla o napięciu znamionowym 110 kV.

     Jeżeli wymaga się określonej wartości rezystancji izolacji zyły kabla o długości do 1 km, to wymaga się tej samej wartości również dla każdego odcinka krótszego.
     Linię kablową dłuższą niż 1 km należy rozpatrywać jako linię długą, czyli obwód elektryczny składający się z dwóch odcinków połączonych równolegle o stałych rozłożonych, w której parametrem poprzecznym jest rezystancja izolacji. Ze zwiększeniem długości linii kablowej najmniejsza dopuszczalna wartość rezystancji izolacji jednorodnego kabla maleje odwrotnie proporcjonalnie do długości.
     Rezystancja żył roboczych i powrotnych powinna być zgodna z danymi producenta. Przy pomiarze rezystancji izolacji w temperaturze innej niż 20 oC wynik pomiaru Rx należy przeliczyć do temperatury odniesienia 20 oC, przez zastosowanie odpowiedniego współczynnika korekcji temperaturowej K20 (podany w tablicy 4)), zgodnie ze wzorem:

Robl. = K20 ∙ Rx

gdzie:
Robl. – rezystancja przeliczona do temperatury odniesienia, w Ω;
Rx – rezystancja zmierzona w temperaturze t, w Ω;
K20. – współczynnik korekcji temperaturowej.

     Pomiar rezystancji izolacji żył kabla należy wykonać miernikiem rezystancji izolacji
o napięciu 2500 V. Wartość mierzonej rezystancji należy odczytać w stanie ustalonym miernika.

4.1. Pomiary dużych rezystancji izolacji
     Przy pomiarach dużych wartości rezystancji izolacji (umownie powyżej 1000 MΩ) zachodzi potrzeba wyeliminowania lub co najmniej ograniczenia prądu płynącego często po zawilgoconej lub zabrudzonej powierzchni materiału izolacji (upływność powierzchniowa np. po powierzchni izolacji żył kabla, izolatora przepustowego lub pomiędzy górnym i dolnym uzwojeniem transformatora), równoległego do prądu płynącego przez izolację (upływność skrośna).
     Duże wartości prądu powierzchniowego mogą dawać fałszywe wrażenie uszkodzenia izolacji. Zjawisko to jest szczególnie istotne przy pomiarach wykonywanych wysokimi napięciami probierczymi.
W takich sytuacjach, dla wyeliminowania lub ograniczenia prądów powierzchniowych, stosuje się ekranowanie powierzchni dielektryka.
     Pomiary rezystancji skrośnej lub powierzchniowej układu izolacyjnego wymagają odpowiednich połączeń tak wykonanych, aby prąd wskazany przez miernik, był tylko prądem płynącym przez mierzoną rezystancję.
     Mierniki do pomiaru dużych rezystancji izolacji z wyższymi napięciami próby (2,5 kV i wyższym), wyposażone są w zacisk ekranujący (ochronny) oznaczony literą „E”. Mierniki izolacji firmy Megger wyposażone są w zacisk ekranujący (ochronny), oznaczony literą „G” (od słowa Guard).
     Wykonanie ekranu polega na owinięciu drutem lub metalową folią odsłoniętej powierzchni izolacji żył kabla lub wokół izolatora przepustowego transformatora i przyłączenia tak wykonanego ekranu do zacisku ekranującego „E” miernika, możliwie jak najbliżej połączenia ujemnego. W takim układzie pomiarowym prąd upływności powierzchniowej płynie do zacisku „E” miernika, nie jest mierzony przez miernik i nie jest uwzględniany przy pomiarze rezystancji izolacji.

4.2. Przygotowanie linii kablowej do prób i pomiarów
      Przygotowanie linii kablowej do wykonania prób i pomiarów polega na:

a) wyłączeniu linii kablowej spod napięcia;
b) zastosowaniu odpowiedniego zabezpieczenia przed przypadkowym włączeniu zasilania;
c) sprawdzenie braku napięcia;
c) rozładowaniu poszczególnych żył kabla.


     Mierniki rezystancji izolacji
Mirnikami rezystancji izolacji są megaomomierze o własnym źródle napięcia probierczego. Pomiar rezystancji izolacji żył kabla można wykonać:

a) miernikiem izolacji o napięciu 1000 V – dla linii kablowych o napięciu znamionowym do 250 V,
b) miernikiem izolacji o napięciu 2500 V- dla linii kablowych o napięciu znamionowym do 1 kV,
c) miernikiem izolacji o napięciu co najmniej 2500 V- dla linii kablowych o napięciu znamionowym powyżej 1 kV.

Przygotowanie i wykonanie pomiaru:
     Przy pomiarze rezystancji izolacji miernikiem izolacji wyposażonym w zacisk ekranujący E stosuje się, jeżeli jest to uzasadnione, układy pomiarowe przedstawione na rysunkach 16, 17 i 18.

4.3. Przykłady układów pomiarowych do badania stanu izolacji żył kabli elektroenergetycznych

1) Układ pomiarowy do badania stanu izolacji żył kabla z ekranem ochronnym wykonanym z gołego drutu (lub opaski z folii aluminiowej), nawiniętego na odsłoniętej izolacji kabla, przyłączony do zacisku ochronnego E miernika, eliminuje (lub ogranicza) prąd upływu powierzchniowego na izolacji kabla, jak na rysunku 16.


Rys. 16. Pomiar rezystancji izolacji żył kabla elektroenergetycznego
z wykorzystaniem ekranu E do przejęcia prądu upływu powierzchniowego z izolacji kabla

2) Przykład przyłączenia ekranu ochronnego do wolnych żył kabla L2 i L3 w celu eliminacji prądu upływu powierzchniowego między żyłami w kablu, w układzie jak na rysunku 17.


Rys. 17. Pomiar rezystancji izolacji kabla elektroenergetycznego
z wykorzystaniem ekranu ochronnego E do przejęcia prądu upływu
powierzchniowego z izolacji kabla oraz między żyłami w kablu

3) W przypadku jak na rysunku 18, jedna żyła w kablu została użyta do połączenia ekranów ochronnych E, wykonanych po obu stronach kabla i przyłączenia do zacisku ochronnego E miernika.. Ten sposób eliminacji prądu upływu po powierzchni izolacji kabla oraz między żyłami w kablu jest rozwiązaniem pracochłonnym, lecz najbardziej skutecznym.


Rys. 18. Pomiar rezystancji izolacji kabla elektroenergetycznego
z wykorzystaniem ekranów ochronnych E, wykonanych po obu
stronach kabla, połączonych przy użyciu jednej wolnej żyły w kablu

4.4. Próba napięciowa izolacji żył kabla
     Próba wytrzymałości elektrycznej izolacji żył kabla umożliwia wykrywanie i lokalizowanie postępujących uszkodzeń izolacji oraz pomiar innych parametrów układu izolacyjnego, które kontroluje się w urządzeniach wysokiego napięcia.
     Według normy SEP N-E-004 próbę napięciową izolacji żył kabla należy wykonać na wszystkich żyłach linii kablowej. Podczas próby pozostałe żyły kabla, żyła powrotna i pancerz, powinny być zwarte i uziemione.
     Izolacja każdej żyły powinna wytrzymywać napięcie probiercze stałe, wyprostowane lub przemienne 50 Hz, o wartości równej 0,75 napięcia probierczego fabrycznego, w czasie 20 minut, bez przeskoku i przebicia.
     W przypadku kabli o izolacji polietylenowej dopuszcza się wykonie próby napięciowej napięciem wolnozmiennym 0,1 Hz, o wartości 3Un, w czasie 60 minut.
     Izolacja kabla o napięciu 110 kV powinna wytrzymywać bez przebicia i bez przeskoków w czasie 15 minut napięcie probiercze stałe lub wyprostowane o wartości:

– 4,5 Uo – kable olejowe,
– 3 Uo – kable o izolacji polietylenowej.

     Po wykonaniu próby napięciowej i rozładowaniu linii kablowej wykonanej kablem o izolacji polietylenowej należy żyły linii kablowej uziemić i pozostawić uziemione przez co najmniej 3 godziny.
W linii kablowej o napięciu znamionowym 1 kV < UN ≤ 30 kV, przy wykonywaniu próby napięciem stałym lub wyprostowanym, należy mierzyć prąd upływu każdej żyły.
     Wartość prądu upływu poszczególnych żył nie powinna przekroczyć 300 μA/km i nie powinna wzrastać w czasie ostatnich 4 minut próby.
     Dopuszcza się w liniach kablowych o długości nie przekraczającej 300 m prąd upływu o wartości nie większej niż 100 μA.
     Dla kabli o napięciu znamionowym 110 kV nie normalizuje się prądu upływu.
     W przypadku kabli o napięciu znamionowym 15 kV < UN ≤ 30 kV należy rejestrować przebieg wszystkich prób napięciowych danej linii.
     Dopuszcza się niewykonywanie próby napięciowej izolacji linii kablowej o napięciu znamionowym do 1 kV, pod warunkiem wykonania pomiaru rezystancji izolacji miernikiem o napięciu 2500 V.

4.5 Pozostałe badania pomontażowe
     W zakresie badań pomontażowych, poza badaniem stanu izolacji i próbą napięciową kabla, należy również wykonać:

1) pomiar rezystancji żył roboczych i powrotnych kabla – powinna być zgodna z danymi producenta.
Pomiar należy wykonać metodą techniczną lub mostkiem Thomsona. Dla kabla o napięciu znamionowym nie wyższym niż 30 kV wymagania te są nieobligatoryjne;
2) sprawdzenie zgodności faz oraz ciągłości żył roboczych i powrotnych – napięciem stałym
o wartości nie wyższej niż 24 V;
3) pomiar pojemności kabla – mostkiem do pomiaru pojemności.

     Linie kablową należy uznać za spełniającą wymagania normy SEP N-E-004, jeżeli uzyskane wyniki badań są pozytywne – mieszczą się w granicach dopuszczalnych.

▲ do góry

5. Badania stanu izolacji uzwojeń transformatorów

     Wytyczne przeprowadzania badań stanu izolacji uzwojeń transformatorów zostały określone w normie PN-E-04700:1998 Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych.
     Normą objęto pomontażowe badania odbiorcze urządzeń i układów elektrycznych o napięciu znamionowym do 1 kV oraz o napięciu znamionowym powyżej 1 kV i przynależnych do nich obwodów pomocniczych. Podano podstawowe wymagania dotyczące urządzeń i układów elektrycznych, ich dokumentacji, warunków w miejscu zainstalowania oraz programu, zakresu, metod, warunków wykonywania badań, oceny wyników pomontażowych badań odbiorczych – w celu określenia ich przydatności do eksploatacji.

5.1. Przygotowanie i wykonanie pomiaru rezystancji izolacji uzwojeń transformatorów
      Zgodnie z PN-E-04700:1998/Az1:2000 przygotowanie i wykonanie pomiaru rezystancji izolacji uzwojeń transformatora należy przeprowadzić w następujący sposób:

– wyłączyć transformator spod napięcia,
– odłączyć wszystkie zaciski uzwojeń od sieci,
– oczyścić izolatory z brudu i osuszyć,
– zmierzyć temperaturę uzwojeń przez pomiar temperatury oleju,
– na czas pomiaru kadź transformatora uziemić,
– badane uzwojenie uziemić przed pomiarem na około 2 minuty.

     Pomiary należy wykonać przy temperaturze uzwojeń od 15 do 45 oC. Temperatura otaczającego powietrza powinna zawierać się w granicach od 5 do 35 oC. Wyniki pomiarów wykonanych w innej temperaturze należy traktować jako orientacyjne.
     Pomiar rezystancji izolacji uzwojeń transformatora wykonuje się miernikiem izolacji (megaomomierzem) o napięciu pomiarowym stałym, co najmniej 2500 V, według następujących kombinacji połączeń:

uzwojenie WN – uziemiona kadź – uzwojenie n/n przyłącza się do zacisku ekranującego E;
uzwojenie n/n – uziemiona kadź – uzwojenia WN przyłącza się do zacisku ekranującego E;
uzwojenie WN – uzwojenie n/n – kadź przyłącza się do zacisku ekranującego E.

     Wartość rezystancji izolacji uzwojeń transformatora odczytuje się po 15 s – R15 i po 60 s – R60, a dla transformatora o mocy większej niż 1,6 MVA – dodatkowo po 300 s – R300.
     Po każdym pomiarze transformator należy rozładować w czasie nie krótszym niż czas trwania pomiaru. Wyniki pomiarów rezystancji izolacji uzwojeń transformatora należy przeliczyć na umownie przyjętą temperaturę odniesienia 30 oC według wzoru:

R30 = K30Rt

gdzie:
Rt – rezystancja izolacji uzwojenia w temperaturze innej niż temperatura odniesienia, w MΩ,
R30 – rezystancja izolacji uzwojenia po przeliczeniu do temperatury odniesienia, w MΩ,
K30 współczynnik przeliczeniowy podany w tablicy 4.

Tablica 4. Współczynnik przeliczeniowy K30 dla rezystancji izolacji uzwojeń transformatorów

     Rezystancja izolacji transformatorów o mocy 1,6 MVA i mniejszej nie wymaga przeliczenia do temperatury odniesienia, jeżeli zmierzona rezystancja izolacji wynosi co najmniej 200 MΩ.
     Wykonanie pomiaru rezystancji izolacji uzwojeń transformatora w dwóch momentach czasowych – po 15 s – R15 i po 60 s.- R60– umożliwia obliczenie współczynnika absorpcji Ka – charakteryzującego stan dielektryczny oleju transformatorowego, ze wzoru:

gdzie:
R15 – wartość rezystancji izolacji zmierzona po 15 sekundach,
R60 – wartość rezystancji izolacji zmierzona po 60 sekundach.

     Doświadczenia eksploatacyjne pozwoliły na ustalenie granicznych dopuszczalnych wartości wskaźników izolacji, w zależności od mocy i napięć znamionowych transformatorów.

      Ocena wyników pomiarów
     Wymagane wartości rezystancji izolacji uzwojeń w zależności od od mocy i napięcia znamionowego transformatora wynoszą:

a) dla transformatorów olejowych o mocy do 315 kVA:

– o napięciu znamionowym do 10 kV – 70 MΩ,
– o napięciu znamionowym powyżej 10 kV – 100 MΩ,

b) dla transformatorów olejowych o mocy od 315 kVA do 1,6 MVA:

– o napięciu znamionowym do 10 kV – 35 MΩ,
– o napięciu znamionowym powyżej 10 kV – 50 MΩ,

c) dla transformatorów suchych w temp. 20 oC przy wilgotności wzgl. 65 %:

– o napięciu znamionowym do 10 kV – 15 MΩ,
– o napięciu znamionowym powyżej 10 kV – 25 MΩ.

     Dla pomontażowych badań odbiorczych rezystancja izolacji uzwojeń transformatora olejowego o mocy mniejszej niż 1,6 MVA zmierzona po 60 s od chwili przyłożenia napięcia nie powinna być mniejsza niż 70% wartości zmierzonej w wytwórni przy temperaturze uzwojeń transformatora 30 oC.

5.2. Przykłady eliminacji lub ograniczenia prądu upływu powierzchniowego

1) Uzwojenia WN i n/n dowolnej fazy transformatora trójfazowego, mogą być zmierzone każde z każdym. Na rysunku 19. przedstawiono sposób pomiaru rezystancji izolacji uzwojenia wysokiego napięcia (WN) transformatora olejowego w stosunku do uziemionej kadzi, z użyciem zacisku ekranującego E miernika izolacji, przyłączonego do izolatora przepustowego niskiego napięcia (n/n).
Prąd upływu Iu płynący po powierzchni, wzdłuż zabrudzonego i/lub zawilgoconego porcelanowego izolatora przepustowego n/n do kadzi oraz pomiędzy uzwojeniami WN i n/n, zostały wyeliminowane przez wprowadzony wysoki potencjał ekranu E.


Rys. 19. Pomiar rezystancji izolacji uzwojenia WN transformatora w stosunku do uziemionej kadzi
przy użyciu zacisku ekranującego E, w celu eliminacji prądu upływu Iu

2) Na rysunku 20. przedstawiono sposób pomiaru rezystancji izolacji między uzwojeniami WN i n/n transformatora olejowego, z użyciem zacisku ekranującego E, przyłączonego do kadzi.
Wprowadzony wysoki potencjał ekranu E miernika izolacji uniemożliwił przepływ prądów upływu powierzchniowego Iu, na zewnątrz po powierzchni zabrudzonych i/lub zawilgoconych izolatorów przepustowych WN i n/n do kadzi.


Rys. 20. Pomiar rezystancji izolacji między uzwojeniami WN i n/n
przy użyciu zacisku ekranującego E, w celu eliminacji prądu upływu powierzchniowego
płynącego na zewnątrz po powierzchni izolatorów przepustowych, a uziemioną kadzią

     Wartość rezystancji izolacji uzwojeń transformatora wskazana przez miernik izolacji będzie w obu przykładach dokładniejsza, po wyeliminowaniu prądów upływu.
     Ten sposób połączeń jest stosowany przy pomiarach dużych rezystancji lub przy neutralizacji sprzężeń.

▲ do góry

6. Badania stanu izolacji uzwojeń silników asynchronicznych

     Okresowe badania diagnostyczne silników pozwalają na oszacowanie stopnia degradacji izolacji uzwojeń i ocenę zdolności do dalszej eksploatacji.
     Istnieje wiele metod diagnostycznych, które pozwalają określać stan techniczny oraz proces starzenia się układu izolacyjnego uzwojeń silnika.
Badania te można podzielić na:

1) Badania diagnostyczne napięciem stałym, do których zalicza się:

– pomiar rezystancji izolacji
– wyznaczenie wskaźnika zmian rezystancji R60/ R15 i wskaźnika polaryzacji PI,
– pomiar rozładowania dielektryka DD,
– pomiar napięciem narastającym schodkowo SV;

2) Badania diagnostyczne napięciem przemiennym, które obejmują:

– pomiar współczynnika strat dielektrycznych tgδ,
– pomiar poziomu wyładowań niezupełnych.

6.1. Badania diagnostyczne układu izolacyjnego napięciem stałym
6.1.1. Pomiary stanu izolacji uzwojeń silników asynchronicznych o napięciu znamionowym do 1 kV
     Pomiary rezystancji izolacji uzwojeń silników wykonuje się po wyłączeniu zasilania, odłączeniu przewodów zasilających i urządzeń pomocniczych.
     Temperatura izolacji w czasie pomiaru powinna być ≥ 10 0C. Dla pomiarów wykonywanych przed rozruchem maszyn zainstalowanych w pomieszczeniach, po ich postoju dłuższym niż 7 dni, można przyjąć, że temperatura jest równa temperaturze powietrza w pomieszczeniu.
     Pomiary rezystancji izolacji uzwojeń silników oraz urządzeń pomocniczych wykonuje się miernikami izolacji (megaomomierzami) o napięciu znamionowym probierczym:

500 V – dla uzwojeń maszyn na napięcie znamionowe do 500 V,
1000 V – dla uzwojeń maszyn na napięcie znamionowe większe od 500 do 1000 V.

     Przed przystąpieniem do pomiaru badane uzwojenie należy uziemić na okres 1 minuty.

1) Rezystancja izolacji uzwojeń stojana silnika indukcyjnego trójfazowego,
Pomiar rezystancji izolacji uzwojeń silnika trójfazowego należy wykonać:

a) przy zwartych na czas pomiaru, początkach uzwojeń U1,V1,W1, a przewodem ochronnym przyłączonym do metalowej obudowy silnika.
b) osobno początek każdego uzwojenia U1, V1 i W1 – do przewodu ochronnego PE, przy pozostałych zwartych i uziemionych (jeżeli w wyniku pomiaru wykonanego w pkt. a, stwierdzono zaniżoną rezystancję izolacji poniżej wartości dopuszczalnej), w celu ustalenia, które z badanych uzwojeń posiada zaniżoną rezystancję izolacji;

2) Rezystancja izolacji uzwojeń wirnika silnika trójfazowego pierścieniowego.
Uzwojenie trzech faz wirnika silnika pierścieniowego traktuje się jako jedno uzwojenie. Należy wykonać jeden pomiar między uzwojeniem a masą wirnika, przy podniesionych szczotkach. Wskazania miernika należy odczytać po upływie 1 minuty od chwili podania napięcia pomiarowego.

     Po wykonaniu pomiaru badane uzwojenie stojana silnika należy rozładować przez co najmniej czas trwania pomiaru.
     Uzyskane w czasie pomiarów wyniki rezystancji izolacji uzwojeń silnika należy przeliczyć do temperatury odniesienia 20 oC, według wzoru:

R20 = K20Rs

gdzie:
Rs – rezystancja izolacji zmierzona w temperaturze innej niż temperatura odniesienia, w MΩ;
R20 – rezystancja izolacji po przeliczeniu do temperatury odniesienia, w MΩ;
K20 – współczynnik przeliczeniowy podany w tablicy 5.

Tablica 5. Współczynniki przeliczeniowe K20 dla rezystancji izolacji uzwojeń silników

3) Ocena wyników pomiarów
Zmierzone wartości rezystancji izolacji uzwojeń silników asynchronicznych uznaje się za pozytywne, jeżeli:

1) dla silników I grupy o mocy większej niż 250 kW:

a) rezystancja izolacji uzwojeń przy temperaturze 75 oC, zmierzona po upływie 60 s od chwili rozpoczęcia pomiaru, jest nie mniejsza od 1 MΩ na 1 kV napięcia znamionowego uzwojenia,
b) rezystancja izolacji wirnika silnika asynchronicznego przy temperaturze 75 oC jest nie mniejsza niż 0,5 MΩ;

2) dla silników asynchronicznych:
Rezystancja izolacji uzwojeń przy temperaturze 20 oC i wyższej nie powinna być mniejsza niż 5 MΩ dla silników:

a) II grupy o mocy od 50 kW do 250 kW o napięciu znamionowym 1 kV i niższym,
b) III grupy o mocy poniżej 50 kW, ale nie mniej niż 5,5 kW,
c) IV grupy o mocy poniżej 5,5 kW.

6.1.2. Badania diagnostyczne układów izolacyjnych silników asynchronicznych wysokonapięciowych
     Układ izolacyjny uzwojeń silnika jest narażony na działanie pola elektrycznego oraz wpływy następujących czynników:

1) Narażenia termiczne – mogą mieć charakter ciągły, kiedy na skutek strat w czasie normalnej pracy silnika izolacja jest poddana ciągłemu działaniu wysokiej temperatury, ze wzrostem której zmniejsza się wytrzymałość elektryczna układu izolacyjnego. Zachodzące pod wpływem temperatury zmiany fizykochemiczne w izolacji powodują pogorszenie jej właściwości mechanicznych;
2) Narażenia mechaniczne – powstają w czasie normalnej pracy silnika, szkodliwe dla układu izolacyjnego:

a) drgania w stojanie silnika – przenoszą się na część czołową uzwojeń, powodują korozję blach pakietu stojana i prowadzą do uszkodzeń: zawieszenia żelaza czynnego oraz do przecięcia izolacji głównej pręta stojana,
b) drgania zębów pakietu – powodują cykliczne wycieranie się klinów w żłobkach i poluzowanie się uzwojeń.
c) drgania, które mogą spowodować uszkodzenie chłodnic wodoru bądź rurek chłodzących w prętach stojana.
d) ruchy dylatacyjne uzwojeń zarówno stojana, jak i wirnika mogą być skutkiem różnych rozszerzalności cieplnych izolacji oraz miedzi. Prowadzi to najczęściej do rozwarstwienia izolacji pręta stojana;

3) Czynniki środowiskowe, – działające na układy elektroizolacyjne można podzielić na:

a) pyły i inne zanieczyszczenia przemysłowe,
b) agresywne związki chemiczne,
c) wilgotność.

6.1.2.1. Pomiar rezystancji izolacji uzwojenia silnika asynchronicznego WN
     Rezystancja izolacji uzwojeń silnika asynchronicznego WN, wyrażona w megaomach w temperaturze odniesienia 75 oC, nie powinna być liczbowo mniejsza niż wartość napięcia znamionowego wyrażonego w kilowoltach (czyli jest nie mniejsza niż 1 MΩ na 1 kV napięcia znamionowego).
     Pomiar jest wykonywany przy stałej wartości napięcia, a do jego wykonania zaleca się stosować megaomomierze o napięciu:

– 500 V – dla uzwojeń na napięcie niższe od 1000 V,
– 500 – 1000 V – dla uzwojeń na napięcie 1000 – 2500 V,
– 1000 – 2500 V – dla uzwojeń na napięcie 2501 – 5000 V,
– 2500 – 5000 V – dla uzwojeń na napięcie 5001 – 12000 V,
– 5000 – 10000 V – dla uzwojeń na napięcie wyższe od 12000 V.

     Przed przystąpieniem do pomiaru badane uzwojenie na napięcie powyżej 1 kV należy uziemić na okres 5 minut.
     Pomiar uzwojenia wirnika lub stojana wykonuje się między uzwojeniem i ziemią. W przypadku uzwojeń trójfazowych stojana, tam gdzie połączenia między uzwojeniami faz i przewodem neutralnym można rozewrzeć, należy wykonać badania między uzwojeniami poszczególnych faz i ziemią oraz między uzwojeniami poszczególnych faz.
     Negatywne wyniki pomiarów świadczyć mogą o zawilgoceniu, zabrudzeniu lub uszkodzeniu izolacji uzwojeń silnika albo urządzeń pomocniczych.

1) Wskaźnik zmian rezystancji izolacji R60//R15 , jako stosunek rezystancji izolacji zmierzonej po 60s (R60/), od chwili przyłożenia napięcia do rezystancji zmierzonej po 15s (R15/) nie powinien być mniejszy niż:

– 1.5 w temperaturze 20 oC,
– 1.4 w temperaturze 40 oC,
– 1.3 w temperaturze 60 oC.

Wartości rezystancji izolacji poszczególnych faz silnika WN, zmierzonej po 60 s (R60), nie powinny różnić się między sobą więcej niż o 30%;

2) Wskaźnik polaryzacji PI (Polarization Index).
Wartość wskaźnika polaryzacji jest ilorazem wartości rezystancji izolacji zmierzonych po 10 i 1 minucie:

     W czasie procesu pomiarowego wskaźnik polaryzacji daje w krótkim czasie obraz stanu zawilgocenia lub zanieczyszczenia izolacji – nie wymaga korekcji temperaturowej.
     W czasie badań okresowych wskaźnik polaryzacji PI może być używany do obserwacji zmian zachodzących w układzie izolacyjnym.

6.1.2.2. Pomiar rozładowania dielektryka DD (ang. Dielectric Discharge) należy do nowych metod badania stanu izolacji.
     W czasie pomiaru parametru rozładowania dielektryka DD mierzony jest prąd płynący w układzie izolacyjnym podczas rozładowania dielektryka.
     Układ izolacyjny ładowany jest przez długi czas – około 30 minut, a następnie przeprowadzane jest szybkie rozładowanie układu, w trakcie którego mierzona jest pojemność.
     Aby wyeliminować składową rozładowania pojemności, pomiar prądu rozpoczyna się po 1 minucie, a wartość parametru DD obliczana jest z zależności:

gdzie:
I1min – prąd mierzony po 1 minucie od rozpoczęcia rozładowywania izolacji, w mA;
U – napięcie próby, w V;
C – pojemność badanego układu izolacyjnego, w μF.

     Wartości wielkości PI, DAR i DD, określające stan izolacji silników asynchronicznych wysokonapięciowych, przedstawia tablica 6.

Tablica 6. Wielkości określające stan izolacji silników WN

6.1.2.3. Pomiar napięciem narastającym schodkowo SV
     Pomiar napięciem narastającym schodkowo SV (ang. step voltage) opiera się na założeniu:

a) że układ izolacyjny w dobrym stanie będzie posiadał jednakową wartość rezystancji niezależnie od napięcia probierczego,
b) natomiast izolacja z wadami ma rezystancję wyraźnie zmniejszającą się przy wyższych napięciach próby.

     Pomiar napięciem narastającym schodkowo dokonuje się przy ciągłej rejestracji wartości rezystancji izolacji i pojemności, a napięcie jest stopniowo podnoszone w pięciu równych krokach. Zakłada się, że odchyłki rezystancji większe niż 25% wskazują na obecność zanieczyszczeń lub wilgoci.

6.2. Badania diagnostyczne układu izolacyjnego napięciem przemiennym
     Izolacja silników asynchronicznych wysokonapięciowych (WN) jest istotnym czynnikiem decydującym o prawidłowej i bezpiecznej eksploatacji silników WN i dlatego powinna być poddawana wiarygodnej ocenie podczas odbiorczych i okresowych kontroli ich stanu technicznego. W eksploatacji silników WN, jak również innych maszyn elektrycznych, pożądane są jednoznaczne kryteria pozwalające określić stopień zużycia izolacji.
     Badania diagnostyczne stanu izolacji silników asynchronicznych wysokonapięciowych napięciem przemiennym obejmują:

– pomiar współczynnika strat dielektrycznych tgδ,
– pomiar poziomu wyładowań niezupełnych.

6.2.1. Pomiar współczynnika strat dielektrycznych tgδ
     W warunkach eksploatacyjnych w zakładach przemysłowych lub w zakładach produkujących i remontujących silniki asynchroniczne wysokonapięciowe pomiar współczynnika strat dielektrycznych tgδ jest niezbędnym składnikiem oceny procesu starzenia izolacji nowoczesnych układów izolacyjnych.
     Pomiar współczynnika strat dielektrycznych tgδ w istotny sposób uzupełnia informacje o stanie izolacji maszyn elektrycznych.
     Zmiana współczynnika strat dielektrycznych i pojemności układu izolacyjnego wskazuje na degradację izolacji pod wpływem oddziaływania temperatury, zawilgocenia, obecności zanieczyszczeń i substancji chemicznych, a także na upływność powierzchniową izolacji.
     Jeżeli przy zwiększeniu współczynnika strat dielektrycznych towarzyszy również wzrost pojemności obiektu, oznacza to zawilgocenie izolacji. Jeżeli natomiast obserwuje się wyłączny wzrost współczynnika strat dielektrycznych – oznacza to jego termiczną degradację lub obecność zanieczyszczeń chemicznych.
     Innym przykładem będzie próba badania urządzenia przy różnych napięciach. Jeżeli uzyskana przy różnych napięciach krzywa współczynnika strat dielektrycznych w funkcji napięcia próby (Rys. 21) zmienia swój kąt nachylenia, oznacza to, że przy określonej wartości napięcia ujawniają się zjawiska jonizacji. W przypadku, gdy wartość napięcia progowego jest mniejsza od znamionowego napięcia pracy danego obiektu, wówczas procesy jonizacji występują w sposób ciągły powodując degradację izolacji.
     W celu wykrycia procesów jonizacji wykonuje się dwa pomiary współczynnika strat dielektrycznych przy różnych napięciach próby:

– niższym, przy którym zazwyczaj procesy jonizacji nie występują,
– wyższym, równym lub nieco wyższym od wartości znamionowej napięcia.

     Pomiary wykonane przy różnych napięciach próby wskazują wartość progową napięcia, przy której składowa czynna prądu płynącego przez izolację zaczyna nieliniowo wzrastać (Rys. 21).


Rys.21. Zależność współczynnika strat dielektrycznych
od napięcia próby w obecności zjawiska jonizacji

     Zaleca się przeprowadzenie pomiaru współczynnika strat dielektrycznych tgδ w następujących przypadkach:

– dla nowych silników po próbie odbiorczej,
– w czasie okresowego przeglądu oraz przed i po remoncie silnika,
– w trudnych warunkach eksploatacyjnych.

     Pomiar ten wykonuje się wysokonapięciowym mostkiem Scheringa podając na badany układ napięcie zmienne o częstotliwości 50 Hz.
     Przy pomiarze współczynnika strat dielektrycznych tgδ należy uwzględniać wpływ czynników zewnętrznych na pomiar, takich jak temperatura, wilgotność, zanieczyszczenia, czy wpływy pola elektrycznego. Największy wpływ na wynik pomiaru mają jednak zmiany temperatury i wilgotności.

6.2.2. Pomiar poziomu wyładowań niezupełnych
     Wyładowanie niezupełne (ang. Partial Discharge) można ogólnie zdefiniować, jako lokalne wyładowanie elektryczne zachodzące w części układu elektroizolacyjnego generatora synchronicznego, silnika asynchronicznego, kabla energetycznego, transformatora – bez utraty przez ten układ własności izolacyjnych. Natomiast długotrwałe działanie wyładowań niezupełnych, powiązane z postępującym procesem starzenia się izolacji uzwojeń silnika, prowadzi w konsekwencji do wyładowania zupełnego (czyli przebicia izolacji). Tak więc szacowanie zaawansowania procesów wyładowań niezupełnych jest bardzo istotnym kryterium oceny stanu izolacji.
     Wyeliminowanie lub ograniczenie zjawiska wyładowań niezupełnych polega przede wszystkim na właściwym doborze materiałów izolacyjnych, których struktura powinna posiadać dużą odporność na wyładowania niezupełne. Takim materiałem jest, np. mika. Na przykład silniki asynchroniczne wysokiego napięcia, w których w układzie izolacyjnym zastosowano mikę, mogą pracować przy ładunku wyładowań niezupełnych rzędu tysięcy pikokulombów (pC).
     Wyładowania niezupełne wykorzystuje się do diagnostyki stanu izolacji maszyn elektrycznych wysokiego napięcia, a także w laboratoriach wysokonapięciowych i na stacjach prób, po zapewnieniu starannego ekranowania układów pomiarowych.
     Zjawiska towarzyszące wyładowaniom niezupełnym w układach izolacyjnych były podstawą do opracowania różnych metod ich wykrywania i pomiaru (elektryczna, chematograficzna, akustyczna).
     W metrologii wyładowań niezupełnych (wnz) podstawowe znaczenie mają metody elektryczne obejmujące pomiary:

– ładunku pozornego,
– zakłóceń radiofonicznych,
– średniego kwadratu ładunków, – pomiar mostkowy.

     Metody elektryczne o bardzo wysokiej czułości wykorzystywane są do detekcji i pomiaru wyładowań o intensywności poniżej 0,1 pC.
     Pomiar poziomu wyładowań niezupełnych w warunkach przemysłowych należy do zadań szczególnie trudnych. Przede wszystkim brak możliwości bezpośredniego pomiaru reprezentatywnych wielkości, czyli ładunku rzeczywistego lub realnej energii wyładowań. Przy zastosowaniu metody obwodów zastępczych przybliża się główny parametr fizyczny – ładunek rzeczywisty qr ładunkiem pozornym qp
     Zachodzi wtedy liniowa zależność qp od spadku napięcia ∆U w zewnętrznym układzie pomiarowym, co pozwala na wprowadzenie współczynnika proporcjonalności, wyznaczanego każdorazowo dla badanego obiektu (np. fazy uzwojenia stojana generatora synchronicznego lub silnika asynchronicznego wysokiego napięcia o pojemności Ca).
     Ten element procesu pomiarowego nazywa się kalibracją ładunkiem wykonywaną za pomocą kalibratora, który podaje na układ pojemnościowy Ca badanego obiektu impuls rozładowania dokładnie określonego ładunku elektrycznego.
     Odpowiedź mierzonego układu jest zapamiętywana przez detektor wnz i służy do skalowania wartości ładunków pozornych wyładowań niezupełnych, rejestrowanych podczas zasadniczej próby napięciowej.
     Pewnym utrudnieniem jest również detekcja słabych sygnałów prądowych pojedynczych wyładowań niezupełnych – spadek napięcia ΔU na badanym obiekcie jest trzy do pięciu rzędów wielkości niższy od napięcia próby.
     Metoda detekcji ładunku pozornego polega na wykorzystaniu szerokiego pasma widma generowanego przez pojedyncze impulsy wyładowań (górna granica to ok. 1500 kHz) i scałkowaniu ich sygnałów prądowych po czasie:

     Czułość pomiaru wyładowań niezupełnych zależy w tym przypadku od pojemności kondensatora sprzęgającego Ck.
     Impedancję pomiarową Zm stanowi obwód rezonansowy RLC równoległy.
     Na wejściu wzmacniacza detektora impuls prądowy i(t) o charakterze impulsu Diraca zamienia się na napięciowy u(t), określony zależnością:

gdzie:
qp – ładunek pozorny impulsu wyładowań niezupełnych,
α – współczynnik tłumienia obwodu równy,
ω – pulsacja drgań własnych obwodu RLC.

     Układ do pomiaru wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojeń stojana generatora przedstawia rys. 22.


Rys. 22. Schemat układu do pomiaru wyładowań niezupełnych w izolacji uzwojeń stojana.
Oznaczenia: TR – transformator regulacyjny, TP – transformator probierczy, Z – filtr, kV – woltomierz,
Ck – kondensator sprzęgający, Ca – badany obiekt pojemnościowy, KWN – kabel wysokonapięciowy,
K – kalibrator, CD – urządzenie sprzęgające, CC – kabel połączeniowy, MI – przyrząd pomiarowy.

     W praktyce eksploatacyjnej stosowane są dwie metody rejestracji wyładowań niezupełnych:

1) Metoda on-line, czyli stałego monitoringu rozwoju wyładowań niezupełnych w czasie pracy maszyny, wymaga odpowiedniego przygotowania obiektu przed uruchomieniem oraz zapewnienia transmisji danych;
2) Metoda off-line, czyli pomiarów i rejestracji wyładowań niezupełnych podczas postoju maszyny.
Metoda ta daje możliwość pomiaru ładunku pozornego wyładowań niezupełnych, będących następstwem typowych defektów izolacji.

▲ do góry