電気絶縁特性と試験

電気絶縁の性質と等価回路

ご存知のとおり、「分離」という用語は実際には 2 つの概念を指すために使用されます。

1) 電気製品の部品間の電気的接触の形成を防止する方法、

2) この方法を適用するために使用される材料および製品。

電気絶縁材料 それらに印加された電圧の影響下で、電流が流れる特性が発見されました。電気絶縁材料の導電率の値はワイヤの導電率よりも数桁低いですが、それでも重要な役割を果たし、電気製品の動作の信頼性を大きく左右します。

絶縁体に電圧が印加されると、漏れ電流と呼ばれる電流が流れ、この電流は時間とともに変化します。

電気絶縁の特性を研究および説明するには、並列接続された 4 つの電気回路を含む等価回路 (図 1) と呼ばれる特定のモデルの形式で絶縁を表すのが通例です。最初のものには、幾何学的容量と呼ばれるコンデンサ C1 のみが含まれています。

米。 1. 電気的絶縁の等価回路

この静電容量の存在により、DC 電圧が絶縁体に印加されると瞬間的な突入電流が発生し、ほぼ数秒で減衰します。また、AC 電圧が絶縁体に印加されると、絶縁体を流れる容量性電流が発生します。この容量は、絶縁体の寸法 (厚さ、長さなど) と、通電部分 A とケース (アース) の間の位置に依存するため、幾何学的容量と呼ばれます。

2 番目のスキームは、絶縁体の構造、並列接続されたコンデンサと抵抗のグループの数など、絶縁体の内部構造と特性を特徴付けます。この回路に流れる電流 I2 を吸収電流といいます。この電流の初期値は絶縁体の面積に比例し、その厚さに反比例します。

電気製品の通電部分が 2 層以上の絶縁層 (ワイヤ絶縁とコイル絶縁など) で絶縁されている場合、等価回路では、吸収分岐は 2 つ以上の直列接続の形で表されます。絶縁層の 1 つの特性を特徴付けるコンデンサと抵抗のグループ。この方式では、2 層絶縁が考慮されます。その層はコンデンサ C2 と抵抗 R1 の要素のグループに置き換えられ、2 番目の層は C3 と R2 に置き換えられます。

3 番目の回路には単一の抵抗 R3 が含まれており、DC 電圧が印加されたときの絶縁損失を特徴付けます。絶縁抵抗とも呼ばれるこの抵抗器の抵抗は、サイズ、材質、構造、温度、表面の水分や汚れなどの絶縁状態、印加電圧などの多くの要因に依存します。

一部の絶縁欠陥（損傷など）がある場合、抵抗 R3 の電圧依存性は非線形になりますが、その他の場合、たとえば強い湿気がある場合、電圧が増加しても実質的に変化しません。この分岐を流れる電流 I3 は順電流と呼ばれます。

4 番目の回路は、絶縁体の絶縁耐力を特徴付ける MF スパーク ギャップの等価回路で表され、絶縁材料が絶縁特性を失い、電流の作用下で破壊する電圧の値によって数値化されます。そこを通過するI4。

この絶縁等価回路により、電圧が印加されたときに回路内で起こるプロセスを記述するだけでなく、その状態を評価するために観察できるパラメータを設定することもできます。

電気絶縁試験方法

絶縁の状態とその完全性を評価する最も簡単かつ一般的な方法は、絶縁抵抗計を使用して抵抗を測定することです。

等価回路内のコンデンサの存在によって、絶縁が電荷を蓄積する能力も説明できるという事実に注意してください。したがって、絶縁抵抗を測定する前後の電気機械や変圧器の巻線は、接続されている端子を接地して放電する必要があります。 接続されたメガオーム計.

電気機械や変圧器の絶縁抵抗を測定する場合、巻線の温度を監視する必要があり、その温度は試験報告書に記録されます。絶縁抵抗は温度によって急激に変化するため、測定結果を比較するには、測定時の温度を知る必要があります。平均して、温度が 10 ℃上昇するごとに絶縁抵抗は 1.5 倍減少します。また、対応する温度の低下に伴って増加します。

断熱材には常に含まれる水分が測定結果に影響を与えるため、+ 10°C未満の温度では断熱材の品質を特徴付けるパラメータの決定は行われません。本当の孤立状態についての正しい考え方。

実質的に冷たい製品の絶縁抵抗を測定する場合、絶縁温度は周囲温度と等しいと仮定できます。他のすべての場合、絶縁体の温度は、アクティブ抵抗によって測定される巻線の温度と条件付きで等しいと想定されます。

測定された絶縁抵抗が真の値と大きく異なることがないように、測定回路の要素（ワイヤ、絶縁体など）自体の絶縁抵抗が測定結果に最小限の誤差を導入する必要があります。したがって、最大1000 Vの電圧の電気機器の絶縁抵抗を測定する場合、これらの要素の抵抗は少なくとも100メガオームである必要があり、電源変圧器の絶縁抵抗を測定する場合、メガオーム計の測定限界以上である必要があります。 。

この条件が満たされない場合、回路素子の絶縁抵抗について測定結果を補正する必要があります。これを行うために、絶縁抵抗は 2 回測定されます。1 回目は完全に組み立てられた回路と製品が接続された状態で、2 回目は製品が切断された状態で測定されます。最初の測定の結果から回路と積の等価絶縁抵抗 Re が得られ、2 回目の測定の結果から測定回路の素子の抵抗 Rc が得られます。次に製品の絶縁抵抗

他の製品の電気機械の場合、絶縁抵抗の測定順序が確立されていない場合、電力変圧器の場合、この測定順序は規格によって規定されており、これに従って低電圧巻線 (LV) の絶縁抵抗が最初に測定されます。残りの巻線とタンクは接地する必要があります。タンクがない場合は、変圧器のケーシングまたはその骨格を接地する必要があります。

低電圧巻線、中高電圧巻線、および高電圧巻線の 3 つの電圧巻線が存在する場合、低電圧巻線の後に、中電圧巻線の絶縁抵抗を測定し、次に高電圧巻線のみを測定する必要があります。当然のことながら、すべての測定において、タンクと同様に残りのコイルも接地する必要があり、接地されていないコイルは各測定後にボックスに少なくとも 2 分間接続して放電する必要があります。測定結果が確立された要件を満たしていない場合は、互いに電気的に接続されている巻線の絶縁抵抗を測定することによってテストを補足する必要があります。

2 巻線変圧器の場合は、高電圧巻線と低電圧巻線の抵抗をケースに対して測定する必要があり、3 巻線変圧器の場合は、最初に高電圧巻線と中電圧巻線を測定し、次に高電圧巻線、中電圧巻線、低電圧巻線の抵抗を測定する必要があります。 。

変圧器の絶縁をテストするときは、等価絶縁抵抗の値を決定するだけでなく、巻線の絶縁抵抗を他の巻線や機械本体と比較するためにいくつかの測定を行う必要があります。

電気機械の絶縁抵抗は通常、相互接続された相巻線と設置場所でケーブル (バスバー) とともに測定されます。測定結果が確立された要件を満たしていない場合は、各相巻線、および必要に応じて巻線の各分岐の絶縁抵抗が測定されます。

絶縁抵抗の絶対値だけで絶縁状態を合理的に判断することは困難であることに注意してください。したがって、運転中の電気機械の絶縁状態を評価するために、これらの測定結果は以前の測定結果と比較されます。

個々の相の絶縁抵抗間の大幅な不一致が数回発生する場合は、通常、何らかの重大な欠陥が存在することを示します。すべての相巻線の絶縁抵抗が同時に減少する場合は、通常、その表面の全体的な状態が変化していることを示します。

測定結果を比較するときは、絶縁抵抗の温度依存性に留意する必要があります。したがって、同じまたは類似の温度で実行された測定結果を相互に比較することができます。

絶縁体に印加される電圧が一定の場合、絶縁体に流れる総電流Ii（図1参照）が減少するほど絶縁状態は良好となり、電流Iiの減少に応じて測定値も変化します。メガオーム計の増加。この電流の I2 成分 (吸収電流とも呼ばれます) は、I3 成分とは異なり、絶縁表面の状態、汚れや水分含有量に依存しないため、絶縁抵抗値の比は特定の瞬間における水分含有量の断熱特性として考慮されます。

規格では絶縁抵抗計を接続してから15秒後(R15)と60秒後(R60)の絶縁抵抗を測定することが推奨されており、これらの抵抗の比ka=R60/R15を吸収係数と呼びます。

非湿潤断熱材では ka > 2、湿潤断熱材では ka ≈ 1 となります。

吸収係数の値は電気機械のサイズやさまざまなランダム要因に実質的に依存しないため、20 °C で ka ≥ 1.3 と正規化できます。

特定の製品に対して特に定められていない限り、絶縁抵抗の測定誤差は ± 20% を超えてはなりません。

電気製品の耐電圧試験では、巻線の本体と巻線相互の絶縁、および巻線の中間絶縁が検査されます。

ハウジングに対するコイルまたは通電部品の絶縁の絶縁耐力をチェックするには、周波数 50 Hz の増加した正弦波電圧を試験対象のコイルまたは通電部品の端子に印加します。電圧とその印加期間は、各製品の技術文書に記載されています。

巻線および本体に対する充電部の絶縁の絶縁耐力を試験する場合、試験に関与しない他のすべての巻線および充電部は製品の接地された本体に電気的に接続する必要があります。テスト終了後、残留電荷を除去するためにコイルを接地する必要があります。

図では。図 2 は、三相電動機の巻線の絶縁耐力を試験するための図を示しています。過電圧は、調整された電圧源 E を備えた試験設備 AG によって生成されます。電圧は、太陽光発電電圧計を使用して高電圧側で測定されます。電流計 PA は、絶縁体の漏れ電流を測定するために使用されます。

絶縁破壊や表面の重なりがなく、漏れ電流がこの製品の説明書に指定されている値を超えない場合、製品はテストに合格したとみなされます。漏れ電流を監視する電流計を使用すると、テスト設定で変圧器を使用できるようになります。

米。 2. 電気製品の絶縁体の耐電圧試験の仕組み

絶縁の周波数電圧試験に加えて、絶縁は整流電圧でも試験されます。このようなテストの利点は、さまざまなテスト電圧値での漏れ電流の測定結果に基づいて絶縁の状態を評価できることです。

絶縁の状態を評価するために、非直線性係数が使用されます。

ここで、I1.0 と I0.5 は、Unorm の正規化値と電気機械 Urated の定格電圧の半分に等しい試験電圧を印加してから 1 分後の漏れ電流です、kn <1.2。

考慮された 3 つの特性 (絶縁抵抗、吸収係数、非線形係数) は、絶縁体を乾燥させることなく電気機械をオンにする可能性の問題を解決するために使用されます。

図の図に従って絶縁体の絶縁耐力を試験する場合、 2 巻線のすべての巻線は、本体 (アース) に対して実質的に同じ電圧にあるため、巻線間の絶縁はチェックされません。

絶縁体の絶縁耐力をテストする 1 つの方法は、電圧を公称値と比較して 30% 増加させることです。この電圧は、安定化電圧源 EK から無負荷テスト ポイントに印加されます。

別の方法は、アイドル状態で動作する発電機に適用でき、機械のタイプに応じて、固定子または電機子の端子で電圧 (1.3 ÷ 1.5) Unom が得られるまで発電機の励磁電流を増加させることから構成されます。アイドルモードであっても、電気機械の巻線によって消費される電流が公称値を超える可能性があることを考慮すると、規格では、モータ巻線に供給される電圧の周波数を公称値より高くするか、または発電機の速度が増加しました。

非同期モーターのテストでは、周波数 fi = 1.15 fn のテスト電圧を使用することもできます。同じ制限内で、発電機の速度を高めることができます。

このような方法で絶縁体の絶縁耐力をテストする場合、印加電圧をコイルの巻き数で割った比率に数値的に等しい電圧が、隣接するコイルの巻き線間に印加されます。これは、製品が公称電圧で動作する場合の値とはわずかに (30 ～ 50%) 異なります。

ご存知のとおり、コア上にあるコイルの端子にかかる電圧増加の制限は、このコイルの電流が端子の電圧に非線形に依存するためです。公称値 Unom に近い電圧では、コアは飽和せず、電流は電圧に線形に依存します (図 3、セクション OA)。

電圧が増加すると、コイル内の公称電流を超える U が急激に増加し、U = 2Unom では、電流が公称値を数十倍超える可能性があります。巻線の 1 ターンあたりの電圧を大幅に高めるために、公称周波数よりも数倍 (10 倍以上) 高い周波数でターン間の絶縁強度がテストされます。

米。 3. コア付きコイルに流れる電流の印加電圧依存性のグラフ

米。 4.増加した電流周波数での巻線絶縁試験スキーム

コンタクタコイルの中間絶縁をテストする原理を考えてみましょう（図4）。テストコイル L2 は分割磁気回路のロッド上に配置されます。電圧Ｕ１がコイルＬ１の端子に高い周波数で印加されるので、コイルＬ２の各巻において、巻ごとに絶縁体の絶縁耐力を試験するのに必要な電圧が生じる。コイル L2 の巻線の絶縁状態が良好であれば、コイル設置後に電流計 PA で測定したコイル L1 の消費電流は以前と同じになります。そうしないと、コイル L1 の電流が増加します。

米。 5. 誘電損失の角度の正接を測定するためのスキーム

考慮される絶縁特性の最後は、誘電正接です。

絶縁体には有効抵抗と無効抵抗があり、周期的な電圧が印加されると、絶縁体に有効電流と無効電流が流れます。つまり、有効 P 電力と無効 Q 電力が存在することが知られています。 PとQの比は誘電損失角の正接と呼ばれ、tgδと表されます。

P = IUcosφ および Q = IUsinφ であることを覚えていれば、次のように書くことができます。

tgδ は、絶縁体を流れる有効電流と絶縁体を流れる有効電流の比です。 無効電流.

tgδを求めるには、有効電力と無効電力、または有効電力と無効電力（容量性）の絶縁抵抗を同時に測定する必要があります。 2番目の方法によるtgδの測定原理を図に示します。図５では、測定回路は単一のブリッジである。

ブリッジのアームは、コンデンサ C0、可変コンデンサ C1、可変抵抗 R1、定抵抗 R2 の例と、製品または質量の本体に対する巻線 L の静電容量と絶縁抵抗 (通常はコンデンサ Cx として表されます) で構成されます。と抵抗Rx。コイルではなくコンデンサの tgδ を測定する必要がある場合、そのプレートはブリッジ回路の端子 1 と 2 に直接接続されます。

ブリッジの対角線には検流計 P と電源 (この場合は変圧器 T) が含まれています。

他の人たちと同じように ブリッジ回路 測定プロセスは、抵抗器 R1 の抵抗とコンデンサ C1 の静電容量を連続的に変更することにより、デバイス P の最小読み取り値を取得することから構成されます。通常、ブリッジのパラメータは、デバイス P のゼロまたは最小読み取り値での tgδ の値がコンデンサ C1 のスケールで直接読み取られるように選択されます。

tgδ の定義は、電力コンデンサや変圧器、高電圧絶縁体、その他の電気製品には必須です。

絶縁耐力試験と tgδ 測定は、原則として 1000 V を超える電圧で実行されるため、すべての一般的および特別な安全対策に従う必要があります。

電気絶縁試験手順

上で説明した断熱材のパラメータと特性は、特定のタイプの製品の規格によって確立された順序で決定する必要があります。

たとえば、電源変圧器では、まず絶縁抵抗が測定され、次に誘電正接が測定されます。

回転電機の場合、絶縁耐力を試験する前に絶縁抵抗を測定した後、回転周波数を高めた場合、短時間の電流またはトルクによる過負荷、突然の短絡（故障した場合）などの試験を行う必要があります。 (この同期機を対象としています)、巻線の整流電圧の絶縁テスト (この機械のマニュアルに指定されている場合)。

特定のマシンタイプの規格または仕様は、絶縁体の絶縁耐力に影響を与える可能性のある他のテストでこのリストを補足する場合があります。