3. Электрическая изоляция токонесущих элементов электрооборудования и электрических цепей

Под электрической изоляцией понимают разобщение, разъединение токонесущих проводов и деталей в целях предотвращения контакта между ними. В качестве изоляции используют материалы с очень высоким удельным сопротивлением. К таким материалам относятся диэлектрики, удельное сопротивление которых колеблется в пределах 10⁸…10¹²  Ом·см.

Исправное состояние изоляции деталей электроустановок и электрических проводов является основным условием надежной работы электрооборудования и его безопасного обслуживания. Только при хорошем состоянии изоляция обеспечивает защиту человека от поражения электрическим током, от чрезмерных токов утечки, излишнего расхода электроэнергии, от возгораний, которые могут возникать в случае замыкания токонесущих проводов. Плохое состояние изоляции может привести к замыканию токонесущих проводов на корпус электроустановки, электроинструмента, увеличивая опасность поражения человека электрическим током, так как нетоковедущие части электрооборудования, с которыми обычно работает человек, оказываются под напряжением.

В процессе эксплуатации состояние электрической изоляции ухудшается за счет снижения ее электрической и механической прочности. Основными причинами ухудшения состояния изоляции являются:

нагревание от электрического тока при прохождении его по проводам, от токов короткого замыкания;

нагревание от посторонних источников;

механические повреждения в результате некачественного монтажа, вибраций и чрезмерно растягивающих усилий при прокладке проводов и кабелей;

влияние климатических условий и окружающей производственной среды.

При низком сопротивлении изоляции возможно замыкание токонесущих проводов на «землю», что в сетях с изолированной нейтралью резко ухудшает условия их эксплуатации, а в сетях с глухозаземленной нейтралью приводит к перерывам в электроснабжении.

Состояние изоляции характеризуется ее сопротивлением току утечки. Регулярный контроль за состоянием изоляции и своевременное обнаружение снижения ее сопротивления и возможного замыкания проводов на «землю» и на корпус электроустановки являются одной из мер защиты персонала от поражения электрическим током.

Контроль состояния изоляции производится:

при приемке электроустановки после ремонта или монтажа;

периодически в процессе эксплуатации, но не реже 1-2 раз в год в зависимости от производственных условий (в сырых помещениях 2-3 раза в год);

постоянно в процессе эксплуатации с помощью специальных приборов контроля состояния изоляции.

Наиболее распространенный вид испытания изоляции при приемке электроустановок после монтажа или ремонта – испытание повышенным напряжением постоянного или переменного тока. Для объектов, имеющих малую емкость относительно «земли» или корпуса (электрические машины, аппараты, приборы, линии электропередачи малой протяженности – до 1 км), применяется испытание повышенным напряжением переменного тока.

При исследовании качества изоляции установлено, что между электрической прочностью изоляции и временем воздействия повышенного напряжения существует определенная зависимость. Так с увеличением времени воздействия прочность изоляции падает и может наступить ее пробой. Пробой изоляции происходит быстрее, если в изоляции имеются дефекты – механические включения, влага, воздух и пр. Во избежание повреждения изоляции время воздействия измерительного напряжения должно продолжаться не более одной минуты, так как считается, что через одну минуту ток (процесс) в цепи можно принять установившимся.

Для объектов, имеющих большую емкость токонесущих элементов относительно «земли» (кабели связи, линии электропередачи большой протяженности), применяется испытание повышенным напряжением постоянного тока, так как для испытания переменным током в этом случае потребовались бы большие мощности испытательных трансформаторов.

По «Правилам устройства электроустановок» (ПУЭ) измерение сопротивления изоляции производится между двумя смежными предохранителями или за последними предохранителями между любым проводом и «землей», а также между двумя проводами. Сопротивление изоляции должно быть не менее 0,5 МОм. Обычно изоляцию линий электропередачи проверяют при снятых предохранителях (УЗО) (рис. 11).

Сопротивление изоляции электрических машин и установок рассчитывается по формуле

R_и = U / (1000 + P/100),

где R_и – сопротивление изоляции, МОм; U – рабочее напряжение установки, В; Р – мощность установки, кВА (кВт).

Рис. 11. Схема измерения сопротивления изоляции

в линиях электропередачи

Измерение сопротивления изоляции аппаратов, приборов, их катушек, вторичных цепей электроустановок и электропроводки напряжением до 1000 В производится мегомметром при испытательном напряжении 500…1000 В.

Сопротивление изоляции R_и измеряется только после отключения объекта измерения от всех источников питания, откуда может быть подано напряжение (рис. 11).

«Правила технической эксплуатации электрических приборов» (ПТЭЭП) нормируют величины сопротивления изоляции различных электроустановок (табл. 1).

Таблица 1

Нормирование величин сопротивления изоляции электроустановок

Объект испытания	Испытательное напряжение мегомметра, В	Норма сопротивления изоляции, МОм
Силовая и осветительная электропроводка	1000	Не менее 0,5
Обмотка статора электродвигателя на напряжение до 1000 В	1000	Не менее 1,0
Кабели связи	1000	Не менее 0,5
Обмотка статора синхронного генератора	2500	Не менее 0,5
Электромагнитные трансформаторы напряжения: первичная обмотка вторичная обмотка	2500 1000	Не менее 100,0 Не менее 2,0
Цепи управления, защиты, автоматики, телемеханики	1000	Не менее 1,0
Электроизделия и аппараты на номинальное напряжение до 380 В	500–1000	Не менее 0,5 или указана изготовителем

Контроль изоляции заключается в измерении ее активного сопротивления в целях обнаружения дефектов и предупреждения замыкания токонесущих проводов на «землю» и коротких замыканий между проводами.

Итак, измерения активного (омического) сопротивления изоляции R_и, которое определяет токи утечки, могут осуществляться:

непрерывно в течение всего периода эксплуатации;

в сроки, установленные ПТЭЭП.

Непрерывный контроль за состоянием изоляции. Непрерывный или постоянный контроль за состоянием изоляции возможен только в 3-фазных сетях переменного тока с изолированной нейтралью (рис. 12).

Рис. 12. Схема непрерывного контроля 3-фазной

сети переменного тока с изолированной нейтралью

(метод трех вольтметров)

Из схемы, приведенной на рис. 12, видно, что вольтметры включены по схеме «звезда» и, если сопротивления изоляции R_и всех фазных проводов относительно «земли» будут иметь примерно одинаковые значения, все три вольтметра покажут примерно одинаковые напряжения (рис. 4, а).

В случае уменьшения сопротивления изоляции провода одной из фаз, например фазы «С», вольтметр V_C покажет уменьшенное напряжение, а вольтметры V_B и V_A покажут увеличенное напряжение (рис. 4, б).

Если же произойдет замыкание фазы «С» на «землю», то вольтметр V_C покажет напряжение, близкое к нулевому, а вольтметры V_A и V_B покажут напряжения, по своей величине приближающиеся к линейному (рис. 4, в).

Для проведения такого контроля необходимо использовать вольтметры с высоким внутренним сопротивлением, чтобы не ухудшать состояния сети переменного тока при их включении.

Для постоянного контроля за состоянием сопротивления изоляции в 3-фазных сетях переменного тока может использоваться метод двух вольтметров, подключенных к одной из фаз (рис. 13).

Из рис. 13 видно, что при одинаковых величинах сопротивления изоляции R_иА = R_иВ = R_иС = R_и вольтметры V₁ и V₂ покажут примерно одинаковые величины напряжений U₁ U₂ 0,5U_ф. Если у провода фазы «С» произойдет резкое уменьшение сопротивления изоляции (случай 1), то вольтметр V₂ будет зашунтирован сопротивлением замыкания провода «С» на «землю» и его показания будут стремиться к нулевому значению, а показания вольтметра V₁ будут стремиться к фазному напряжению U_ф.

Рис. 13. Схема постоянного контроля состояния

изоляции 3-фазной сети переменного тока

методом двух вольтметров

Следовательно, показания вольтметра V₁ будут больше показаний вольтметра V₂.

Если произойдет резкое уменьшение сопротивления изоляции другого фазного провода (второй случай), то вольтметр V₁ окажется подключенным к фазе «В», а вольтметр V₂ окажется включенным между фазными проводами «С» и «В». Таким образом, вольтметр V₁ покажет напряжение фазы «В» – U_B, а вольтметр V₂ покажет линейное напряжение U_BС (U_л).

Периодический контроль состояния изоляции. Периодический контроль состояния изоляции токонесущих проводов, электроустановок, аппаратов, приборов проводится в целях измерения активного сопротивления изоляции в установленные Правилами сроки. Во время измерения сопротивления изоляции в электрических сетях должны быть отключены все токоприемники для того, чтобы они не вносили ошибок в измерения.

Критерием для суждения о состоянии изоляции служит сравнение величин сопротивления изоляции, полученных при измерениях в период эксплуатации, с первоначальными величинами, полученными перед вводом электроустановок в эксплуатацию. Сопротивление изоляции считается недостаточным, если оно меньше первоначальной величины на 30% и более. Электроустановки или осветительная сеть со сниженным сопротивлением изоляции на 30% и более от номинальной (табл. 1) подлежат ремонту.

Контрольные вопросы

1. Что такое изоляция?

2. Основные свойства изолирующих материалов, сред?

3. Относительно чего следует измерять сопротивление изоляции?

4. Какие токи могут протекать через изолирующие материалы?

5. В каких случаях измеряется сопротивление изоляции переменным и постоянным токами?

6. С какой целью регламентируются величины измерительных напряжений?

7. С какой целью производят измерение состояния изоляции электрических сетей и электрооборудования?

8. Где и как производится непрерывный контроль состояния изоляции?

9. В каких случаях и как производится периодический контроль состояния сопротивления изоляции?

10. Требования к схемам непрерывного контроля состояния изоляции?

11. Нормы допустимых величин сопротивления изоляции электрических сетей и электрооборудования?

12. Периодичность проведения контроля состояния изоляции?