Что такое электрическая прочность изоляции

Диэлектрическая прочность, что это и как измеряется?

Согласно Википедии, диэлектрической прочности определяется следующим образом:

Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью. Когда напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность, диэлектрик начинает проводить электрический ток.

В физике термин диэлектрическая прочность имеет следующие значения:
Максимальная электрическая нагрузка на диэлектрический материал, которую может выдержать без пробоя

Касаемо продуктов LPS Laboratories, особенно очистителей для контактов, мы проверяем сколько вольт требуется, чтобы продукт начал проводить электричество. Визуализировать тест на диэлектрическую прочность таким образом: в емкость наливаем очиститель для контактов, один контакт помещаем в жидкость, второй контакт в жидкость на противоположной стороне емкости, между двумя контактами нет прямого контакта, кроме как через жидкость. Постепенно повышаем напряжение до тех пор, пока напряжение не повысит диэлектрическое сопротивление жидкости, цепь замкнется, и лампочка загорится. Количество вольт, при котором цепь замыкается (электричество проходит между двумя контактами погруженными в жидкость) — это и есть диэлектрическая прочность жидкости. (См. диаграмму ниже).

Почему это важно? Если Вы электрик или техник в энергетике, зная напряжение на очищаемом оборудовании, и зная диэлектрическую прочность очистителя можно быть уверенным в безопасности операции. Например: бытовая розетка находится под напряжением 220 вольт. Для ее очистки требуется очиститель с диэлектрической прочностью более 220В. В линейке LPS есть много очистителей для контактов с диэлектрической прочностью от 9000В до более чем 45 000В. А Вы знаете, какой из очистителей контактов имеет диэлектрическую прочность 47,5 кВ (45 000В)?

ПРОБОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Электрической прочностью изоляции кабеля или провода назы­вают напряжение, при достижении которого происходит пробой изо­ляции. По характеру пробоя изоляции различают электрический и тепловой.

Под электрическим (прокалывающим) пробоем понимается про­бой в наиболее ослабленном месте изоляции, происходящий в короткие промежутки времени и обычно связанный с местным разруше­нием изоляции кабелей и сопровождающийся иногда ветвистыми обугленными побегами. Электрический — ионизационный пробой про­исходит в воздушных включениях изоляции при достаточно высо­ких напряжениях в результате возникновения таких разрядов, переходящих в электрические скользя­щие разряды, заканчивающиеся про­боем изоляции.

Тепловой пробой изоляции кабе­лей имеет место в тех случаях, когда нагрев изоляции больше отводимого тепла (например, в кабелях высоко­го напряжения с большой толщиной изоляции). Этот вид пробоя развивается постепенно и происходит

обычно в тех местах, где повышение температуры из-за роста ди­электрических потерь происходит особенно интенсивно. Развитию теплового пробоя может способствовать повышенная температура окружающей среды. Место теплового пробоя изоляции представ­ляет радиальное отверстие с опаленной или оплавленной поверхно­стью без наличия в зоне пробоя ветвистых побегов.

Обычно пробой носит комбинированный характер. Нагрев, вы­званный скользящими разрядами, приводит к местному перегреву изоляции и развитию в этом месте теплового пробоя. Повышение напряженности поля в газовом включении снижает электрическую прочность изоляции, зависящую от его природы, толщины слоя и давления. Начальная напряженность ионизации маслонаполненного и газонаполненного кабелей при длительном приложении перемен­ного тока (50 гц) возрастает с увеличением давления (рис. 2-15), но электрическая прочность их снижается с увеличением длитель­ности приложения напряжения. Электрическая прочность пропитан­ной кабельной бумаги при кратковременном испытании на пробой переменным током уменьшается с увеличением толщины бумаги (рис. 2-16).

Пробивное напряжение кабеля при известной электрической прочности изоляции равно:

Пробивное напряжение кабеля при промышленной частоте мо­жет быть определено по эмпирической формуле:

где UH — номинальное линейное напряжение системы; k1=l, 15 — коэффициент, учитывающий возможность повышения рабочего на­пряжения; k2=l, 25/1,50 — коэффициент, учитывающий неоднород­ность изоляции (совпадение, зазоров лент, наличие вмятин, морщин и других дефектов технологии); k3 = 2,25/2,50 — коэффициент, учи­тывающий уровень внутренних перенапряжений в кабельных сетях; k4 = 1,10/1,20 — коэффициент, учитывающий уменьшение пробивного напряжения при снижении давления масла от расчетной величины до минимально допустимого значения. Запас электрической прочности

При расчете электрической прочности изоляции высоковольтных кабелей и проводов принимают 4—10-кратный запас допустимой на­пряженности электрического поля по сравнению с пробивной напря­женностью. Такой запас электрической прочности необходим из-за возможности ухудшения качества изоляции в процессе эксплуата­ции, а также за счет неоднородности изоляции по качеству, наличия острых углов и выступов токопроводящих жил кабеля и др. Элек­трическая прочность кабеля уменьшается с увеличением длины ка­беля, так как число слабых мест пропорционально поверхности токопроводящей жилы.

Электрическая прочность изоляции зависит от рода приложен­ного напряжения и снижается с увеличением длительности действия напряжения. Наибольшую электрическую прочность изоляция имеет при постоянном токе, а наименьшую — при переменном токе. Под влиянием электрического и теплового полей происходит ускорение процесса старения изоляции с медленным изменением ее физико-химических свойств, приводящих к местным ослаблениям электри­ческой прочности.

‘Кривую зависимости электрической прочности от времени при­ложения напряжения называют кривой жизни кабеля. Эта зависи­мость выражается уравнением

где т — коэффициент, зависящий от типа кабелей (для силовых ка­белей с вязкой пропиткой m = 7, для высоковольтных одножильных кабелей m≈ 6, для полиэтилена m≈ 4; τ —время до пробоя, мин; Eдл — прочность при бесконечно длительном приложении напряже­ния, кв/мм; Eпер — переменная часть электрической прочности,

кв/мм. Если откладывать по оси ординат Eпр, а по оси абсцисс ве­личину

(при правильно подобранном значении т), зависи­мость электрической прочности кабеля от времени имеет вид прямой линии. Пересечение ее с осью ординат дает предельное значение электрической прочности при бесконечно длительном приложении напряжения, равное для маслонаполненного кабеля низкого давле­ния 40 кв/мм, для газонаполненного кабеля высокого давления 20 кв/мм и для кабеля с вязкой пропиткой 12 кв/мм.

На рис. 2–17 приведена экспериментальная зависимость напря­женности поля при пробое кабеля с полиэтиленовой изоляцией (Δ = 10 мм), подвергавшегося циклическому нагреву. При частоте 80 Мгц электрическая прочность полиэтиленовой изоляции снижает­ся до 3—4 кв/мм. На рис. 2–18 приведена зависимость электриче­ской прочности кабеля с изоляцией из поливинилхлоридного пла­стиката от времени. Кратковременная электрическая прочность по­лиэтиленовой и поливинилхлоридной изоляции снижается с увели­чением радиуса провода:

Зависимость пробивного напряжения на постоянном токе при ступенчатом повышении напряжения (по 2 (кв/мм)/ч) от толщины полиэтиленовой изоляции и радиуса токопроводящих жил приве­дена на рис. 2–19. Средняя напряженность поля при пробое состав­ляет 45 кв/мм независимо от толщины изоляции, радиуса токопроводяшей жилы и полярности приложенного напряжения. Импульсная прочность изоляции кабелей на напряжение 100 кв и выше яв­ляется основной характеристикой при выборе толщины изоляции. Под импульсной прочностью понимают 10 положительных и 10 от­рицательных импульсов нормальной волны (1/50 мксек), не вызвав­ших пробоя изоляции.

Импульсное перенапряжение (Uмакс), возникающее в кабеле, зависит от емкости кабельной линии (С, мкф/км), ее длины (l, м) и величины перенапряжения в воздушной линии (U, кв):

Зависимость Uмакс /U1 от l/lо (где lо = 38 О м — строительная длина кабеля) приведена на рис. 2–20.

Величина импульсного напряжения кабеля по нормам МЭК принята не ниже

где U0 — напряжение между жилой и экраном кабеля, кв.

Импульсная прочность пропитанной бумажной изоляции высоко­вольтных кабелей возрастает с уменьшением толщины бумажных лент, применяемых для изоляции, увеличивается с повышением плот­ности бумаги и вязкости пропитывающего состава, но не зависит от давления. Значения напряженности поля при пробое импульсным напряжением для кабелей с вязкой пропиткой и маслонаполненного в зависимости от толщины бумаги приведены на рис. 2–21.

На рис. 2–22 приведены кривые средней и максимальной напря­женности электрического поля при пробое в зависимости от толщи­ны изоляции и радиуса токопроводящих жил при испытании на пе­ременном и постоянном токе и импульсным напряжением.

После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.

Моя заявка.
всего позиций: 0.

Proelectro2.ru (2005-2016), ООО «Виртуальные города» (2009-2016).
Администрация elrekl@yandex.ru, тел./факс: +7 (8552) 53-40-76

Электрическая прочность изоляции. Примеры расчетов

При постепенном увеличении напряжения U между проводниками, разделенными диэлектриком (изоляцией), например пластинами конденсатора или проводящими жилами кабеля, увеличивается интенсивность (напряженность) электрического поля в диэлектрике. Напряженность электрического поля в диэлектрике увеличивается также при уменьшении расстояния между проводниками.

При определенной напряженности поля в диэлектрике возникает пробой, образуется искра или дуга и в цепи появляется электрический ток. Напряженность электрического поля, при которой происходит пробой изоляции, называется электрической прочностью Eпр изоляции.

Электрическая прочность изоляции определяется как напряжение, приходящееся на 1 мм толщины изоляции, и измеряется в В/мм (кВ/мм) или кВ/см. Например, электрическая прочность воздуха между гладкими пластинами равна 32 кВ/см.

Напряженность электрического поля в диэлектрике для случая, когда проводники имеют форму пластин или лент, разделенных равномерным промежутком (например, в бумажном конденсаторе), рассчитывается по формуле

где U – напряжение между проводниками, В (кВ); d – толщина слоя диэлектрика, мм (см).

1. Какова напряженность электрического поля в воздушном зазоре толщиной 3 см между пластинами, если напряжение между ними U=100 кВ (рис. 1)?

Напряженность электрического поля равна: E=U/d=100000/3=33333 В/см.

Такая напряженность превышает электрическую прочность воздуха (32 кВ/см), и есть опасность возникновения пробоя.

Опасность пробоя при неизменном напряжении можно предотвратить увеличением зазора, например, до 5 см или применением другой более прочной изоляции вместо воздуха, например электрокартона (рис. 2).

Электрокартон имеет диэлектрическую проницаемость ε=2 и электрическую прочность 80000 В/см. В нашем случае напряженность электрического поля в изоляции равна 33333 В. Эту напряженность воздух не выдерживает, в то время как электрокартон в этом случае имеет запас по электрической прочности 80000/33333=2,4, так как электрическая прочность электрокартона в 80000/32000=2,5 раза больше, чем воздуха.

2. Какова напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора толщиной 3 мм, если конденсатор включен на напряжение U=6 кВ?

3. Диэлектрик толщиной 2 мм пробило при напряжении 30 кВ. Какова была его электрическая прочность?

E=U/d=30000/0,2=150000 В/см =150 кВ/см. Такой электрической прочностью обладает стекло.

4. Зазор между пластинами конденсатора заполнен слоями электрокартона и слоем слюды одинаковой толщины (рис. 3). Напряжение между пластинами конденсатора U=10000 В. Электрокартон имеет диэлектрическую проницаемость ε1=2, а слюда ε2=8. Как распределится напряжение U между слоями изоляции и какую напряженность будет иметь электрическое поле в отдельных слоях?

Напряжения U1 и U2 на одинаковых по толщине слоях диэлектриков не будут равны. Напряжение конденсатора разделится на напряжения U1 и U2, которые будут обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям:

U1/U2 =ε2/ε1 =8/2=4/1=4;

Так как U=U1+U2, то имеем два уравнения с двумя неизвестными.

Первое уравнение подставим во второе: U=4∙U2+U2=5∙U2.

Отсюда 10000 В =5∙U2; U2=2000 В; U1=4∙U2=8000 В.

Хотя слои диэлектриков имеют одинаковую толщину, нагружены они неодинаково. Диэлектрик с большей диэлектрической проницаемостью менее нагружен (U2=2000 В), и наоборот (U1=8000 В).

Напряженность электрического поля E в слоях диэлектриков равна:

E1=U1/d1 =8000/0,2=40000 В/см;

E2=U2/d2 =2000/0,2=10000 В/см.

Неодинаковость диэлектрической проницаемости приводит к увеличению напряженности электрического поля. Если бы весь зазор был заполнен только одним диэлектриком, например слюдой или электрокартоном, напряженность электрического поля была бы меньше, так как она была бы распределена по всему зазору совершенно равномерно:

E=U/d=(U1+U2)/(d1+d2 )=10000/0,4=25000 В/см.

Поэтому необходимо избегать применения сложной изоляции с сильно различающимися диэлектрическими проницаемостями. По той же причине опасность возникновения пробоя увеличивается при образовании в изоляции воздушных пузырей.

5. Определить напряженность электрического поля в диэлектрике конденсатора из предыдущего примера, если толщина слоев диэлектриков неодинакова. Электрокартон имеет толщину d1=0,2 мм, а слюда d2=3,8 мм (рис. 4).

Напряженность электрического поля распределится обратно пропорционально диэлектрическим проницаемостям:

Так как E1=U1/d1 =U1/0,2, а E2=U2/d2 =U2/3,8, то E1/E2 =(U1/0,2)/(U2/3,8)=(U1∙3,8)/(0,2∙U2 )=19∙U1/U2.

Отсюда E1/E2 =4=19∙U1/U2, или U1/U2 =4/19.

Сумма напряжений U1 и U2 на слоях диэлектриков равна напряжению источника U: U=U1+U2; 10000=U1+U2.

Так как U1=4/19∙U2, то 10000=4/10∙U2+U2=23/19∙U2; U2=190000/23=8260 В; U1=U-U2=1740 В.

Напряженность электрического поля в слюде E2∙8260/3,8≈2174 В/см.

Слюда обладает электрической прочностью 80000 В/мм и выдержит такую напряженность.

Напряженность электрического поля в электрокартоне E1=1740/0,2=8700 В/мм.

Электрокартон не выдержит такой напряженности, так как его электрическая прочность равна всего 8000 В/мм.

6. К двум металлическим пластинам, находящимся друг от друга на расстоянии 2 см, подключено напряжение 60000 В. Определить напряженность электрического поля в воздушном зазоре, а также напряженность электрического поля в воздухе и стекле, если в зазор введена стеклянная пластина толщиной 1 см (рис. 5).

Если между пластинами находится только воздух, напряженность электрического поля в нем равна: E=U/d=60000/2=30000 В/см.

Напряженность поля близка к электрической прочности воздуха. Если в зазор ввести стеклянную пластину толщиной 1 см (диэлектрическая проницаемость стекла ε2=7), то E1=U1/d1 =U1/1=U1; E2=U2/d2 =U2/1=U2; E1/E2 =ε2/ε1 =7/1=U1/U2 ;

U1=7∙U2; U1=60000-U2; 8∙U2=60000; U2=7500 В; E2=U2/d2 =7500 В/см.

Напряженность электрического поля в стекле E2=7,5 кВ/см, а его электрическая прочность 150 кВ/см.

В этом случае стекло имеет 20-кратный запас прочности.

Для воздушной прослойки имеем: U1=60000-7500=52500 В; E1=U1/d1 =52500 В/см.

Напряженность электрического поля в воздушной прослойке в этом случае больше, чем в первом, без стекла. После внесения стекла вся комбинация имеет меньшую прочность, чем один воздух.

Опасность пробоя возникает и тогда, когда толщина стеклянной пластины равна зазору между проводящими пластинами, т. е. 2 см, так как в зазоре неизбежно останутся тонкие промежутки воздуха, которые будут пробиты.

Электрическую прочность промежутка между проводниками, находящимися под высоким напряжением, следует усиливать материалами, имеющими малую диэлектрическую проницаемость и большую электрическую прочность, например, электрокартоном с ε=2. Следует избегать комбинаций из материалов с большой диэлектрической проницаемостью (стекло, фарфор) и воздуха, который следует заменять маслом.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Методы и приборы для проверки изоляции кабелей и электрооборудования

Надежность работы электрооборудования и электрических сетей во многом зависит от качества изоляции. Чтобы оценить состояние изоляции проводят измерение ряда параметров, в числе которых электрическое сопротивление, электрическая прочность, коэффициент абсорбции. В соответствие с отраслевыми нормами подобные измерения выполняют квалифицированные специалисты электролабораторий, обладающие соответствующими лицензиями и сертификатами. Для измерений используется оборудование из перечня рекомендованных средств измерений Минэнерго и Ростехнадзора.

Качество изоляции контролируется на заводе-изготовителе и в процессе технического обслуживания. Своевременное обслуживание в требуемом объеме и сроках позволяет снизить риск аварийных ситуаций и экономических потерь.

Методы контроля качества изоляции проводов и электрооборудования

Пример протокола проверки сопротивления изоляции кабелей, проводов

Рассмотрим основные методы контроля качества изоляции проводов и электрооборудования. Параметры, характеризующие качество изоляции:

• коэффициент абсорбции (R60/R15 – отношение сопротивлений, рассчитанных через 60 и 15 секунд после подачи напряжения);
• тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ=P/Q – отношение активной и реактивной мощности);
• электрическая прочность при подаче повышенного напряжения 3-35 кВ;
• температура поверхностных или внутренних слоев изоляции.

Коэффициент абсорбции

При измерениях сопротивления или коэффициента абсорбции о состоянии изоляционного материала судят по разнице показателей сопротивления однотипных элементов или изменению параметров за определенный промежуток времени. Чем коэффициент абсорбции выше, тем лучше.

Контрольные измерения на кабельном вводе

Тангенс угла потерь

Данные измерения тангенса угла диэлектрических потерь используются при обобщенном анализе состояния гигроскопичной изоляции (картон, бакелит). Измерение проводится при помощи высоковольтных мостов с рабочим напряжением около 10 кВ. Результаты таких измерений зависят от температуры материалов и характеризуют, в основном, уровень увлажненности, загрязненность или наличие воздушных прослоек.

Электрическая прочность изоляции

Испытание изоляции на пробой позволяют определить её способность выдерживать перенапряжения. Электрическая прочность проверяется при подаче повышенного испытательного напряжения:

• постоянного выпрямленного;
• промышленной частоты 50 Гц в течение 1 мин;
• импульсного (длительность 1,5-50 мкс с интервалом не менее 1 мин).

Параметры переменного напряжения от 3 кВ для испытания нового электрооборудования на заводе-изготовителе определяются ГОСТом 1516.2-97, при техническом обслуживании в процессе эксплуатации используются напряжения на 10…15% ниже заводских нормативов.

Для проверки электрической прочности изоляции используют два метода: электрический (подача испытательного напряжения) или акустический (мониторинг звуковых сигналов пробоя изоляции).

Обследование температуры поверхности изоляции проводится при помощи тепловизоров. Самый точный результат метод дает при максимальной рабочей нагрузке электрооборудования.

Тепловизионное обследование кабельных линий

Приборы для контроля качества изоляции

Выбор приборов для контроля качества изоляции зависит от типа обследуемого электрооборудования, кабелей, метода и условий проведения испытаний. При выборе измерителей следует обратить внимание на следующие факторы:

• допустимый измерительный диапазон контрольно-измерительного прибора, категория электробезопасности (CAT I…IV);
• параметры исследуемой электросистемы (постоянное/переменное напряжение на входе/выходе, ток нагрузки, частота, мощность), возможность отключения электроснабжения оборудования при проведении исследований;
• свойства материала изоляции (тепловые, диэлектрические);
• параметры окружающей среды (уровень влажности, температура);
• возможность доступа к тестируемому оборудованию (контакт, дистанционно).

Универсальные измерители электрических параметров – мультиметры, мегаомметры. Для бытовых, офисных и промышленных низковольтных электрических установок и проводов достаточно измерителей CAT I, II, для высоковольтных линий электропередач или распределительных ячеек – не ниже CAT III (1000 В).

Для проверки изоляции кабелей и электрооборудования постоянным/переменным повышенным напряжением применяют установки T99/1, T26/1, MMG5/10, HPG 50/70 с приборами для преобразования дефектов (прожига). Для дистанционного обнаружения дефектов подземных кабельных жил и оценки расстояния до неисправности пользуются популярностью генераторы ударных импульсов RSP 3, PWG 2000 и рефлектометры СТЭЛЛ РЕЙС-205, СТЭЛЛ РЕЙС-305, СТЭЛЛ РЕЙС-405.

Рефлектометр СТЭЛЛ-РЭЙС 405 для проверки кабелей

Бесспорные преимущества тепловизоров линнейки Testo 868/871/872/882/885 – это компактность, мобильность, простота в использовании. Тепловизоры Fluke TiX500/580 обладают точностью 0,025 °С и расширенным диапазон измерений до +400 °С.

Выводы

Контроль сопротивления изоляции

Современные приборы позволяют оценивать качество изоляции разнообразного оборудования и кабелей с высокой точностью и в различных условиях. Затраты на проведение испытаний специализированными сервисными организациями или ведомственными службами компенсируются сокращения расходов на простой и ремонт электрооборудования, а также на компенсации потребителям в случае аварийных перебоев в снабжении электроэнергией.

Если вам нужна профессиональная консультация по проверке изоляции кабелей и электрооборудовани, просто отправьте нам сообщение!