Propriedades e testes de isolamento elétrico

Propriedades e circuito equivalente de isolamento elétrico

Como você sabe, o termo «isolamento» é usado na prática para se referir a dois conceitos:

1) um método para prevenir a formação de contato elétrico entre partes de um produto elétrico,

2) materiais e produtos deles usados ​​para aplicar este método.

Materiais de isolamento elétrico sob a influência de uma tensão aplicada a eles, é descoberta a propriedade de conduzir uma corrente elétrica. Embora o valor da condutividade dos materiais isolantes elétricos seja várias ordens de grandeza inferior ao dos fios, ele desempenha um papel significativo e determina em grande parte a confiabilidade da operação de um produto elétrico.

Sob a ação de uma tensão aplicada ao isolamento, passa por ele uma corrente, denominada corrente de fuga, que varia com o tempo.

Para estudar e ilustrar as propriedades do isolamento elétrico, costuma-se representá-lo na forma de um determinado modelo denominado circuito equivalente (Fig. 1), contendo quatro circuitos elétricos ligados em paralelo.A primeira delas contém apenas o capacitor C1, chamado de capacitância geométrica.

Arroz. 1. Circuito equivalente de isolamento elétrico

A presença desta capacitância causa o aparecimento de uma corrente de irrupção instantânea que ocorre quando uma tensão CC é aplicada ao isolamento, que decai em quase alguns segundos, e uma corrente capacitiva fluindo através do isolamento quando uma tensão CA é aplicada a ele. Essa capacidade é chamada de geométrica porque depende do isolamento: suas dimensões (espessura, comprimento, etc.) e a localização entre a parte condutora de corrente A e o invólucro (terra).

O segundo esquema caracteriza a estrutura interna e as propriedades do isolamento, incluindo sua estrutura, o número de grupos de capacitores e resistores conectados em paralelo. A corrente I2 que flui através deste circuito é chamada de corrente de absorção. O valor inicial desta corrente é proporcional à área do isolamento e inversamente proporcional à sua espessura.

Se as partes que transportam corrente de um produto elétrico são isoladas com duas ou mais camadas de isolamento (por exemplo, isolamento de fio e isolamento de bobina), então, no circuito equivalente, o ramo de absorção é representado na forma de dois ou mais conectados em série grupos de um capacitor e um resistor que caracterizam as propriedades em uma das camadas de isolamento. Neste esquema, é considerado um isolamento de duas camadas, cuja camada é substituída por um grupo de elementos do capacitor C2 e do resistor R1, e a segunda por C3 e R2.

O terceiro circuito contém um único resistor R3 e caracteriza a perda de isolamento quando uma tensão CC é aplicada a ele.A resistência desse resistor, também chamada de resistência de isolamento, depende de muitos fatores: tamanho, material, construção, temperatura, condição do isolamento, incluindo umidade e sujeira em sua superfície e tensão aplicada.

Com alguns defeitos de isolamento (por exemplo, por danos), a dependência da resistência R3 da tensão torna-se não linear, enquanto para outros, por exemplo, com umidade forte, praticamente não muda com o aumento da tensão. A corrente I3 que flui através deste ramo é chamada de corrente direta.

O quarto circuito é representado no circuito equivalente do centelhador MF, que caracteriza a rigidez dielétrica do isolamento, expressa numericamente pelo valor da tensão na qual o material isolante perde suas propriedades isolantes e se decompõe sob a ação da corrente I4 passando por ele.

Este circuito equivalente de isolação permite não apenas descrever os processos que ocorrem nele quando uma tensão é aplicada, mas também definir parâmetros que podem ser observados para avaliar seu estado.

Métodos de teste de isolamento elétrico

A forma mais simples e comum de avaliar o estado do isolamento e sua integridade é medir sua resistência com um megaohmímetro.

Atentemos para o fato de que a presença de capacitores no circuito equivalente também explica a capacidade da isolação de acumular cargas elétricas. Portanto, os enrolamentos de máquinas elétricas e transformadores antes e depois da medição da resistência de isolamento devem ser descarregados aterrando o terminal ao qual megaohmímetro conectado.

Ao medir a resistência de isolamento de máquinas elétricas e transformadores, deve-se monitorar a temperatura dos enrolamentos, que é registrada no relatório de teste. Conhecer a temperatura em que as medições foram feitas é necessário para comparar os resultados das medições entre si, porque a resistência do isolamento muda drasticamente dependendo da temperatura: em média, a resistência do isolamento diminui 1,5 vezes com o aumento da temperatura a cada 10 ° C e também aumenta com a diminuição correspondente na temperatura.

Devido ao fato de que a umidade, sempre contida nos materiais isolantes, afeta os resultados da medição, a determinação dos parâmetros que caracterizam a qualidade do isolamento não é realizada em temperaturas abaixo de + 10 ° C, pois os resultados obtidos não darão idéia correta do verdadeiro estado de isolamento.

Ao medir a resistência de isolamento de um produto praticamente frio, a temperatura de isolamento pode ser considerada igual à temperatura ambiente. Em todos os outros casos, a temperatura do isolamento é condicionalmente considerada igual à temperatura dos enrolamentos, medida por sua resistência ativa.

Para que a resistência de isolamento medida não difira significativamente do valor real, a própria resistência de isolamento dos elementos do circuito de medição - fios, isoladores, etc. - deve introduzir um erro mínimo no resultado da medição.Portanto, ao medir a resistência de isolamento de dispositivos elétricos com tensão de até 1000 V, a resistência desses elementos deve ser de pelo menos 100 megohms e ao medir a resistência de isolamento de transformadores de potência - não inferior ao limite de medição do megohmímetro .

Se esta condição não for atendida, os resultados da medição devem ser corrigidos para a resistência de isolamento dos elementos do circuito. Para fazer isso, a resistência de isolamento é medida duas vezes: uma vez com um circuito totalmente montado e o produto conectado e a segunda vez com o produto desconectado. O resultado da primeira medição dará a resistência de isolamento equivalente do circuito e o produto Re, e o resultado da segunda medição dará a resistência dos elementos do circuito de medição Rc. Então a resistência de isolamento do produto

Se para máquinas elétricas de alguns outros produtos a sequência de medição da resistência de isolamento não for estabelecida, então para transformadores de potência esta sequência de medição é regulada pelo padrão segundo o qual a resistência de isolamento do enrolamento de baixa tensão (LV) é medida primeiro. Os demais enrolamentos, assim como o tanque, devem ser aterrados. Na ausência de um tanque, a carcaça do transformador ou seu esqueleto deve ser aterrado.

Na presença de três enrolamentos de tensão — baixa tensão, média alta tensão e alta tensão — após o enrolamento de baixa tensão, é necessário medir a resistência de isolamento do enrolamento de média tensão e só depois do de maior tensão.Naturalmente, para todas as medições, as bobinas restantes, assim como o tanque, devem ser aterradas, e a bobina não aterrada deve ser descarregada após cada medição conectando-se à caixa por pelo menos 2 minutos. Se os resultados das medições não atenderem aos requisitos estabelecidos, os testes devem ser complementados pela determinação da resistência de isolamento dos enrolamentos conectados eletricamente entre si.

Para transformadores de dois enrolamentos, a resistência dos enrolamentos de alta e baixa tensão deve ser medida em relação ao caso, e para transformadores de três enrolamentos, os enrolamentos de alta e média tensão devem ser medidos primeiro, depois os enrolamentos de alta, média e baixa tensão .

Ao testar o isolamento de um transformador, é necessário fazer várias medições para determinar não apenas os valores da resistência de isolamento equivalente, mas também para comparar a resistência de isolamento dos enrolamentos com outros enrolamentos e o corpo da máquina.

A resistência de isolamento de máquinas elétricas geralmente é medida com enrolamentos de fase interconectados e no local de instalação - juntamente com cabos (barramentos). Se os resultados da medição não atenderem aos requisitos estabelecidos, a resistência de isolamento de cada enrolamento de fase e, se necessário, de cada ramo do enrolamento é medida.

Deve-se ter em mente que é difícil julgar razoavelmente a condição do isolamento apenas pelo valor absoluto da resistência do isolamento. Portanto, para avaliar o estado de isolamento das máquinas elétricas durante a operação, os resultados dessas medições são comparados com os resultados das anteriores.

Muitas vezes, discrepâncias significativas entre as resistências de isolamento de fases individuais geralmente indicam algum defeito significativo. Uma diminuição simultânea na resistência de isolamento para todos os enrolamentos de fase, via de regra, indica uma mudança no estado geral de sua superfície.

Ao comparar os resultados da medição, a dependência da resistência do isolamento com a temperatura deve ser lembrada. Portanto, é possível comparar entre si os resultados das medições realizadas na mesma temperatura ou similar.

Quando a tensão aplicada ao isolamento é constante, a corrente total Ii (ver Fig. 1) que passa por ele diminui tanto mais quanto melhor a condição do isolamento e, de acordo com a diminuição da corrente Ii, as leituras do aumento do megaohmímetro. Devido ao fato de que o componente I2 desta corrente, também chamado de corrente de absorção, ao contrário do componente I3, não depende da condição da superfície isolante, bem como da contaminação e teor de umidade, a relação dos valores de resistência de isolamento ​​em determinados momentos de tempo é considerado como característica do teor de umidade isolante.

As normas recomendam medir a resistência de isolamento após 15 s (R15) e após 60 s (R60) após conectar o megaohmímetro, e a relação dessas resistências ka = R60 / R15 é chamada de coeficiente de absorção.

Com isolamento não úmido, ka> 2, e com isolamento úmido — ka ≈1.

Como o valor do coeficiente de absorção é praticamente independente do tamanho da máquina elétrica e de vários fatores aleatórios, ele pode ser normalizado: ka ≥ 1,3 a 20 ° C.

O erro na medição da resistência de isolamento não deve exceder ± 20%, a menos que especificamente estabelecido para um produto específico.

Em produtos elétricos, os testes de resistência elétrica submetem o isolamento dos enrolamentos ao corpo e entre si, bem como ao isolamento intermediário dos enrolamentos.

Para verificar a rigidez dielétrica do isolamento de bobinas ou peças condutoras de corrente para o invólucro, uma tensão senoidal aumentada com uma frequência de 50 Hz é aplicada aos terminais da bobina testada ou das peças condutoras de corrente. A tensão e a duração da sua aplicação são indicadas na documentação técnica de cada produto específico.

Ao testar a rigidez dielétrica do isolamento de enrolamentos e partes vivas do corpo, todos os outros enrolamentos e partes vivas não envolvidos nos testes devem ser conectados eletricamente ao corpo aterrado do produto. Após o término do teste, as bobinas devem ser aterradas para retirar a carga residual.

Na fig. A figura 2 mostra um diagrama para testar a rigidez dielétrica de um enrolamento de um motor elétrico trifásico A sobretensão é gerada por uma instalação de teste AG contendo uma fonte de tensão regulada E. A tensão é medida no lado de alta tensão com um voltímetro fotovoltaico. Um amperímetro PA é usado para medir a corrente de fuga através do isolamento.

O produto é considerado aprovado no teste se não houver quebra do isolamento ou sobreposição da superfície e também se a corrente de fuga não exceder o valor especificado na documentação deste produto. Observe que ter um amperímetro que monitora a corrente de fuga possibilita o uso de um transformador na configuração de teste.

Arroz. 2. Esquema para testar a rigidez dielétrica do isolamento de produtos elétricos

Além do teste de tensão de frequência do isolamento, o isolamento também é testado com tensão retificada. A vantagem desse teste é a possibilidade de avaliar a condição do isolamento com base nos resultados da medição das correntes de fuga em diferentes valores da tensão de teste.

Para avaliar a condição do isolamento, é utilizado um coeficiente de não linearidade

onde I1.0 e I0.5 são correntes de fuga 1 min após a aplicação de tensões de teste iguais ao valor normalizado de Unorm e metade da tensão nominal da máquina elétrica Urated, kn <1,2.

As três características consideradas — resistência do isolamento, coeficiente de absorção e coeficiente de não linearidade — são utilizadas para resolver a questão da possibilidade de ligar uma máquina elétrica sem ressecar o isolamento.

Ao testar a rigidez dielétrica do isolamento de acordo com o diagrama da fig. 2 todas as espiras do enrolamento estão praticamente na mesma tensão em relação ao corpo (terra) e, portanto, a isolação espira a espira permanece sem controle.

Uma forma de testar a rigidez dielétrica do isolamento isolante é aumentar a tensão em 30% em relação ao nominal. Esta tensão é aplicada de uma fonte de tensão regulada EK ao ponto de teste sem carga.

Outro método é aplicável a geradores operando em marcha lenta e consiste em aumentar a corrente de excitação do gerador até que a tensão (1,3 ÷ 1,5) Unom seja obtida nos terminais do estator ou da armadura, dependendo do tipo de máquina.Dado que, mesmo em modo inativo, as correntes consumidas pelos enrolamentos das máquinas elétricas podem exceder seus valores nominais, as normas permitem que esse teste seja realizado com uma frequência aumentada da tensão fornecida aos enrolamentos do motor acima do valor nominal ou em aumento da velocidade do gerador.

Para testar motores assíncronos, também é possível usar uma tensão de teste com frequência fi = 1,15 fn. Dentro dos mesmos limites, a velocidade do gerador pode ser aumentada.

Ao testar a rigidez dielétrica do isolamento dessa maneira, uma tensão numericamente igual à razão da tensão aplicada dividida pelo número de voltas da bobina será aplicada entre as voltas da bobina adjacente. Difere ligeiramente (em 30-50%) do que existe quando o produto opera em tensão nominal.

Como você sabe, o limite de aumento de tensão aplicado aos terminais da bobina localizada no núcleo se deve à dependência não linear da corrente nesta bobina com a tensão em seus terminais. Em tensões próximas ao valor nominal Unom, o núcleo não está saturado e a corrente depende linearmente da tensão (Fig. 3, seção OA).

À medida que a tensão aumenta, U acima da corrente nominal na bobina aumenta acentuadamente e em U = 2Unom a corrente pode exceder o valor nominal em dezenas de vezes. Para aumentar significativamente a tensão por volta do enrolamento, a resistência do isolamento entre as voltas é testada em uma frequência muitas vezes (dez vezes ou mais) maior que a nominal.

Arroz. 3. Gráfico da dependência da corrente na bobina com núcleo da tensão aplicada

Arroz. 4.Esquema de teste de isolamento de enrolamento em frequência de corrente aumentada

Vamos considerar o princípio de testar o isolamento intermediário das bobinas do contator (Fig. 4). A bobina de teste L2 é colocada na haste do circuito magnético dividido. Uma tensão U1 é aplicada aos terminais da bobina L1 com uma frequência aumentada, de modo que para cada volta da bobina L2 haja uma tensão necessária para testar a rigidez dielétrica do isolamento de volta para volta. Se o isolamento dos enrolamentos da bobina L2 estiver em boas condições, a corrente consumida pela bobina L1 e medida com o amperímetro PA após a instalação da bobina será a mesma de antes. Caso contrário, a corrente na bobina L1 aumenta.

Arroz. 5. Esquema para medição da tangente do ângulo das perdas dielétricas

A última das características de isolamento consideradas — tangente de perda dielétrica.

Sabe-se que a isolação possui resistência ativa e reativa, e quando uma tensão periódica é aplicada a ela, correntes ativas e reativas circulam pela isolação, ou seja, existem potências P ativas e Q reativas. A razão P para Q é chamada de tangente do ângulo de perda dielétrica e é denotada por tgδ.

Se lembrarmos que P = IUcosφ e Q = IUsinφ, podemos escrever:

tgδ é a razão entre a corrente ativa que flui através do isolamento para corrente reativa.

Para determinar tgδ, é necessário medir simultaneamente a potência ativa e reativa ou a resistência de isolamento ativa e reativa (capacitiva). O princípio de medir tgδ pelo segundo método é mostrado na fig. 5, onde o circuito de medição é uma única ponte.

Os braços da ponte são compostos por um exemplo de capacitor C0, capacitor variável C1, resistores R1 e R2 constantes, bem como a capacitância e resistência de isolamento do enrolamento L ao corpo do produto ou massa, convencionalmente representado como capacitor Cx e resistor Rx. Caso seja necessário medir tgδ não na bobina, mas no capacitor, suas placas são conectadas diretamente aos terminais 1 e 2 do circuito da ponte.

A diagonal da ponte inclui um galvanômetro P e uma fonte de energia, que no nosso caso é um transformador T.

Como em outros circuitos de ponte o processo de medição consiste em obter as leituras mínimas do dispositivo P alterando sequencialmente a resistência do resistor R1 e a capacitância do capacitor C1. Normalmente, os parâmetros da ponte são escolhidos de forma que o valor de tgδ nas leituras zero ou mínimas do dispositivo P seja lido diretamente na escala do capacitor C1.

A definição de tgδ é obrigatória para capacitores e transformadores de potência, isoladores de alta tensão e outros produtos elétricos.

Devido ao fato de que os testes de resistência dielétrica e medições de tgδ são realizados, via de regra, em tensões acima de 1000 V, todas as medidas de segurança gerais e especiais devem ser observadas.

Procedimento de teste de isolamento elétrico

Os parâmetros e características do isolamento discutidos acima devem ser determinados na sequência estabelecida pelas normas para tipos específicos de produtos.

Por exemplo, em transformadores de potência, a resistência de isolamento é determinada primeiro e então a tangente de perda dielétrica é medida.

Para máquinas elétricas rotativas, após medir a resistência de isolamento antes de testar sua rigidez dielétrica, é necessário realizar os seguintes testes: com frequência de rotação aumentada, com sobrecarga de corrente ou torque de curto prazo, com curto-circuito repentino (se for destinado a esta máquina síncrona), teste de isolamento da tensão retificada dos enrolamentos (se especificado na documentação desta máquina).

Padrões ou especificações para tipos específicos de máquinas podem complementar esta lista com outros testes que podem afetar a rigidez dielétrica do isolamento.