6
BADANIE ODPORNOŚCI MATERIAŁÓW
ELEKTROIZOLACYJNYCH NA ŁUK ELEK-
TRYCZNY O MAŁYM NATĘśENIU PRĄDU
PRZY WYSOKIM NAPIĘCIU
I. WIADOMOŚCI TEORETYCZNE
1. Charakterystyka działania łuku na materiał
Wskutek działania łuku elektrycznego materiały organiczne ulegają degradacji.
W wyniku występowania procesu rozkładu wydzielają się części lotne i stałe. Wy-
dzielający się węgiel jest przyczyną tworzenia się na powierzchni materiałów izo-
lacyjnych ścieŜek przewodzących. Ponadto materiał, pod wpływem łuku, moŜe
ulegać topieniu, a nawet zapaleniu się. DuŜe znaczenie dla odporności materiałów
na łuk elektryczny ma ich odporność temperaturowa.
Ogólnie rzecz biorąc uszkodzenie powierzchni materiału podczas wyładowań
łukowych moŜe powstać na skutek:
a)
oddziaływania cieplnego – występuje, gdy wyładowania wzdłuŜ po-
wierzchni materiału osiągają intensywność zapewniającą wydzielanie się
energii cieplnej wystarczającej do rozkładu tworzywa lub jego topienia
się;
b)
oddziaływania chemicznego (zwykle w powiązaniu z oddziaływaniem
cieplnym) – wysoka temperatura i przepływ prądu sprzyja zachodzeniu
róŜnorakich reakcji chemicznych, zwłaszcza w zapylonych i agresywnych
ś
rodowiskach;
c)
oddziaływania erozyjnego – polega ono na mechanicznym niszczeniu po-
wierzchni materiału jonami rozpędzonymi w polu elektrycznym. Oddzia-
90
Ć
wiczenie 6
ływanie to występuje pod działaniem wysokiego napięcia przy duŜej rezy-
stancji powierzchniowej dielektryku.
Zjawisko erozji praktycznie nie zmienia powierzchniowych własności izolacji,
jednakŜe zachodząc w dłuŜszym czasie moŜe doprowadzić układ do nagłej utraty
własności izolacyjnych.
Materiały organiczne, pod wpływem łuku, ulegają zniszczeniu głównie wskutek
tworzenia się ścieŜek przewodzących. Decydujące znaczenie ma tutaj oddziaływa-
nie cieplne. Łatwość tworzenia się ścieŜek przewodzących zaleŜy od struktury
materiału i energii wiązań cząsteczek. Dla niektórych wiązań chemicznych energia
ta wynosi:
C
−
C
– 356 kJ/mol
C
=
C
– 615 kJ/mol
C
−
O
– 352 kJ/mol
C
−
H
– 414 kJ/mol
Ο −
H
– 460 kJ/mol
2. Warunki powstawania łuku elektrycznego na powierzchni izolatorów
Na występowanie wyładowań łukowych naraŜone są powierzchnie izolatorów
pracujących zarówno w sieciach napowietrznych,, jak i wnętrzowych. Wyładowa-
nia te mogą zachodzić pod wpływem przepięć pojawiających się w sieci elektro-
energetycznej. Drugą przyczyną powstawania tego typu wyładowań moŜe być
praca izolatorów wysokonapięciowych w warunkach zabrudzeniowych. Na działa-
nie łuku elektrycznego naraŜone są takŜe izolacyjne elementy konstrukcyjne urzą-
dzeń wysokiego napięcia, materiał komór gaszeniowych, osłony. Występowanie
wyładowań łukowych obniŜa wytrzymałość elektryczną układu – pod ich wpły-
wem powierzchnie izolatorów ulegają niszczeniu. Dotyczy to przede wszystkim
izolacji organicznej (tworzywa sztuczne, celuloza).
Rozwój wyładowań łukowych na granicy dielektryka stałego i powietrza zaleŜy
od układu elektrod, ich kształtu, stanu powierzchni, rodzaju zastosowanego mate-
riału i rozkładu natęŜenia pola elektrycznego.
3. Rozwój wyładowań na powierzchni izolatorów wysokonapięciowych
w warunkach zabrudzeniowych
Najlepsze warunki dla powstania wyładowań łukowych na izolatorach wystę-
pują przy pracy w warunkach zabrudzeniowych i przy duŜej wilgotności. Wilgoć,
kurz, pył i inne zanieczyszczenia atmosfery osadzają się na powierzchni izolato-
rów tworząc warstwę o duŜej wprawdzie rezystancji, ale niŜszej od rezystancji
Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...
91
czystej powierzchni izolatorów. Pojawienie się tej warstwy sprzyja przepływowi
niewielkich prądów (ułamki mikroampera). W stanie suchym prądy te wywołują
słabo widoczne iskrzenie na powierzchni, niegroźne dla izolatora, ale powodujące
zakłócenia radioelektryczne.
Zawilgocenie zmniejsza rezystancję warstwy zabrudzeń, dając większe prądy
upływu. Z chwilą gdy prąd upływu osiąga wartość rzędu kilkudziesięciu
µ
A, po-
jawiają się wyładowania o barwie fioletowo-niebieskiej, określane jako wyłado-
wania nitkowe lub smuŜyste. Gdy prąd upływu osiąga wartość kilkudziesięciu mA,
powstaje nowy rodzaj wyładowań, określanych jako wyładowania łukowe osusza-
jące albo łuki poprzeczne.
Wraz ze wzrostem prądu zwiększają się skutki termiczne jego przepływu. Izo-
latory ceramiczne mogą ulec uszkodzeniu w postaci pęknięć, natomiast w przy-
padku izolatorów z tworzyw sztucznych wystąpi miejscowe wyzwalanie się węgla.
Zwęglenie to sprzyja dalszemu rozwojowi wyładowań łukowych. Wywiązujące się
ciepło działa osuszająco powierzchnię izolatora zawilgoconego. Jeśli zjawisko to
będzie miało charakter lokalny, to proces wyładowań będzie podtrzymywany.
Charakter zabrudzeniowych wyładowań łukowych zaleŜy od wartości prądów
tych łuków. W przypadku gdy prąd ma wartość od kilkunastu do kilkudziesięciu
mA spadki napięcia są dość znaczne i łuki nie mają tendencji do wydłuŜania się.
Jednocześnie, przy niewielkim nawet prądzie, występuje osuszanie izolatora, co
moŜe doprowadzić do zgaśnięcia łuku względnie jego przesunięcie w kierunku,
gdzie podtrzymanie wyładowań nie wymaga zwiększenia napięcia. Powstają w ten
sposób łuki poprzeczne wędrujące.
Jeśli wraz z występowaniem łuków poprzecznych, rezystancja nie objętej wy-
ładowaniami części izolatora znacznie spadnie (w atmosferze pary wodnej), po-
wstaje nadwyŜka napięcia ponad potrzebną do podtrzymania wyładowań. Wyła-
dowanie moŜe wtedy pójść w kierunku zwiększenia prądu w istniejących kanałach
wyładowań albo powstania nowych łuków poprzecznych. W kaŜdym z tych przy-
padków zwiększa się prawdopodobieństwo przeskoku i pojawia się zjawisko łu-
ków wędrujących podłuŜnych. Tworzy się silnie zjonizowany kanał termiczny
o Ŝółtym zabarwieniu. Wzrost napręŜeń elektrycznych na krańcach kanału pla-
zmowego sprzyja jego wydłuŜaniu się, natomiast silnie zjonizowana atmosfera
pary wodnej o duŜej pręŜności odpycha łuk od powierzchni. Procesy te prowadzą
do przeskoku w powietrzu (z ominięciem kloszy).
Ś
ledząc poszczególne etapy wyładowań łukowych dostrzega się znaczenie
i celowość realizowania badań odporności materiałów na łuk elektryczny Wyła-
dowania łukowe poprzeczne rozwijają się bowiem przy prądzie rzędu dziesiątków
miliamperów, co odpowiada wartościom prądów w metodzie laboratoryjnej. Prąd
ten z jednej strony sprzyja wysuszaniu powierzchni materiału izolacyjnego,
a z drugiej moŜe oddziaływać destrukcyjnie na materiał.
92
Ć
wiczenie 6
4. Odporność temperaturowa materiałów – klasy izolacji
Najwcześniejsza klasyfikacja materiałów elektroizolacyjnych jest oparta na
najwyŜszej dopuszczalnej temperaturze ich pracy (tab. 6.1). Zjawiska cieplne po-
wodują obniŜenie jakości materiału wynikające z nieodwracalnych zmian che-
micznych. Nie przekraczanie dopuszczalnej temperatury pracy (
θ
dop
) umoŜliwia
pracę urządzeń, w których dany materiał znajduje zastosowanie, przez uzasadnio-
ny technicznie i ekonomicznie czas pracy.
Tabela 6.1
Klasy izolacji
Klasa
θ
dop
Rodzaje materiałów elektroizolacyjnych (przykłady)
-
°
C
-
Z
50
Guma naturalna, polistyren.
X
75
Polichlorek winylu, polietylen.
Y
90
Materiały celulozowe i poliamidowe niezanurzone w oleju.
A
105
Materiały klasy Y nasycone lub zanurzone w oleju transformatorowym.
E
120
Tworzywa fenolowo-formaldehydowe i melaminowo-formaldehydowe
na nośniku organicznym, folie z trójoctanu celulozy i politereftalanu
etylenu.
B
130
ś
ywice epoksydowe i poliestrowe lane lub z napełniaczem organicz-
nym, wyroby z miki, azbestu lub włókna szklanego z lepiszczem orga-
nicznym.
F
155
Wyroby z miki, azbestu, włókna szklanego z lepiszczem o podwyŜszo-
nej odporności temperaturowej.
H
180
ś
ywice silikonowe na nośniku nieorganicznym (np. tkanina szklana),
kauczuk silikonowy.
C
>180
Materiały nieorganiczne – materiały ceramiczne, mika, szkło, azbest,
materiał organiczny - policzterofluoroetylen (teflon).
Obecnie taka klasyfikacja materiałów (tab. 6.1) straciła swoje znaczenie z kilku
powodów:
−
o dopuszczalnej temperaturze pracy decyduje nie tylko sam surowiec,
lecz takŜe jego chemiczna modyfikacja; występują duŜe róŜnice własno-
ś
ci materiałów pochodzących od róŜnych producentów;
−
silniejszy wpływ na trwałość izolacji mają warunki pracy urządzeń niŜ
własności samego materiału izolacyjnego;
Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...
93
−
wskaźnik temperaturowy zaleŜny jest od zachowania się danej własności
materiału mającej w danym urządzeniu decydujące znaczenie; dany mate-
riał, w zaleŜności od zastosowania, moŜe mieć kilka dopuszczalnych tem-
peratur;
−
brak jest jednoznacznego kryterium długości Ŝycia róŜnych materiałów;
−
w praktyce konstruktorskiej i eksploatacyjnej istnieje większa potrzeba
klasyfikacji układów izolacyjnych, a nie materiałów.
NiezaleŜnie od poprawności powyŜszej tabeli faktem jest, Ŝe czas Ŝycia izolacji
ulega skróceniu przy wzroście temperatury. Zatem wszelkie cieplne naraŜenia, któ-
rym moŜe być poddany materiał w czasie eksploatacji, mają wpływ na jego trwa-
łość. Takim naraŜenie jest równieŜ łuk elektryczny którego głównym oddziaływa-
niem na materiał jest oddziaływanie cieplne. Dla pewnych grup materiałów wyŜsza
dopuszczalna temperatura robocza moŜe wiązać się z większą odpornością na łuk
elektryczny. MoŜe zatem istnieć pewna korelacja między obiema klasyfikacjami.
Obecnie zaprzestaje się klasyfikowania materiałów elektroizolacyjnych w spo-
sób sztywny na klasy odporności temperaturowej. Pozostawiono jednak podział
związany z odpornością cieplną, zwaną ciepłoodpornością, do klasyfikowania
izolacji i układów izolacyjnych urządzeń elektrycznych (tab. 6.2).
Tabela 6.2
Symbole klas ciepłoodporności według PN-87/E-02050
Symbol klasy
ciepłoodporności
Y
A
E
B
F
H
200
220
250
Klasa ciepłood-
porności [
°
C]
90
105
120
130
155
180
200
220
250
Dla klas wyŜszych niŜ 250 stosuje się symbole numeryczne odpowiadające
wartościom temperatury stopniowanym co 25
°
C.
Ciepłoodporność naleŜy rozumieć jako zdolność spełniania wymaganych funk-
cji w warunkach odpowiadających danej klasie ciepłoodporności w znamionowych
warunkach pracy urządzenia przez czas uzasadniony względami technicznymi
i ekonomicznymi. Określenie ciepłoodporności wiąŜe się z określeniem wskaźnika
temperaturowego ciepłoodporności.
Wskaźnik temperaturowy ciepłoodporności jest to temperatura (w
°
C), w której
przez określony czas (np. 20000 h) materiał izolacyjny utrzymuje sprawdzaną wła-
sność powyŜej pewnego poziomu.
Klasa ciepłoodporności nie wiąŜe się z konkretnym czasem eksploatacji (trwa-
łością) urządzenia. Trwałość uwzględniająca wymagania techniczne i ekonomicz-
ne moŜe być róŜna dla róŜnych urządzeń, czyli dana izolacja w róŜnych urządze-
niach moŜe być zaliczona do róŜnych klas ciepłoodporności.
94
Ć
wiczenie 6
5. Opis metody badania odporności materiałów izolacyjnych na łuk
elektryczny o małym natęŜeniu prądu przy wysokim napięciu
5.1. Ogólna charakterystyka metody
Opisywana metoda umoŜliwia wstępną selekcję materiałów izolacyjnych stałych
pod względem ich odporności na działanie łuku elektrycznego o wysokim napięciu
i małym prądzie przebiegającym w pobliŜu powierzchni izolacji. Łuk ten moŜe
spowodować powstanie ścieŜki przewodzącej lub teŜ wprowadzić materiał w stan
przewodzenia na skutek lokalnej dekompozycji termicznej, chemicznej lub erozji.
W ogólnym przypadku omawiana metoda nie pozwala na wyciąganie wniosków
dotyczących względnej odporności na działanie łuku materiałów, które mogą pod-
legać oddziaływaniu innego rodzaju wyładowań łukowych, np. o wysokim napię-
ciu i duŜym prądzie lub niskim napięciu i duŜym lub małym prądzie. Przykładem
mogą być łuki powstające na skutek udarów napięciowych lub łuki powstające
w warunkach występowania zanieczyszczeń przewodzących. Istnieją w związku
z tym inne metody badań, ujęte w normach, pozwalające ocenić odporność mate-
riałów na działanie łuków i prądów powierzchniowych o róŜnych wartościach.
Badania laboratoryjne odporności materiałów na łuk elektryczny wykonywane
są w warunkach charakteryzujących się czystością i suchością otoczenia, co rzadko
ma miejsce w warunkach eksploatacyjnych. W związku z powyŜszym zachowanie
się materiału w warunkach typowych zastosowań, przy zmienności charakteru
otoczenia od czystego do zanieczyszczonego, moŜe znacznie odbiegać od rzeczy-
wistości. Przydatność omawianej metody badań naleŜy zatem widzieć jako wstęp-
ną ocenę zmian zaistniałych w strukturze i kompozycji materiałów, bez uwzględ-
niania czynników komplikujących, związanych z warunkami otoczenia, zwłaszcza
zanieczyszczeń i wilgoci.
Opisywana metoda nie nadaje się do badania tych materiałów nie tworzących
ś
cieŜek przewodzących, które stapiają się powodując zatapianie elektrod lub two-
rzą płynne pozostałości wypłukujące substancje przewodzące z czynnego obszaru
probierczego. Badaniu podlegają natomiast materiały równieŜ nie tworzące ścieŜek
ale ulegające pod wpływem łuku erozji lub ulegające topieniu tworzącemu wyraź-
ne zagłębienie w obszarze międzyelektrodowym.
5.2. Rodzaje uszkodzeń materiałów izolacyjnych
Odporność na łuk wysokiego napięcia o małym natęŜeniu prądu określona jest
zdolnością materiału do przeciwstawienia się działaniu takiego łuku i wyraŜona
jest, w większości przypadków, przez czas (w sekundach), jaki upłynie od poja-
wienia się pierwszego łuku aŜ do zniszczenia materiału. W niektórych przypad-
kach zniszczeń miarą odporności jest głębokość ubytku materiału spowodowanego
Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...
95
przez łuk. Zniszczenie materiału oznaczające trwałą utratę własności elektroizola-
cyjnych lub mechanicznych moŜe występować w postaci:
a)
ś
cieŜki przewodzącej (oznaczenie S),
b)
zapalenia się (P),
c)
topnienia (T),
d)
erozji (E).
Miarą odporności materiału w przypadkach a i b jest czas, jaki upływa od mo-
mentu rozpoczęcia badań do chwili zapalenia się materiału lub wytworzenia się
ś
cieŜki przewodzącej.
W przypadkach c i d miarą odporności jest głębokość ubytku materiału (w mm)
mierzona po ustalonym czasie badania (zwykle 240 s).
5.3. Stopnie badania
Czas próby podzielony jest na jednominutowe etapy nazwane stopniami bada-
nia. Łuk powstaje w sposób przerywany pomiędzy dwiema elektrodami na po-
wierzchni próbki. We wcześniejszej fazie próby (stopnie 1, 2, 3), warunki pracy
izolacji zaostrza się poprzez stopniowe zmniejszanie aŜ do zera przerw między
wyładowaniami o jednakowym czasie trwania. W fazie późniejszej zaostrzanie
próby realizuje się poprzez zwiększanie wartości prądu łuku.
Stopnie badania przedstawia tabela 6.3. Przechodzenie z jednego stopnia bada-
nia na drugi realizuje się w sposób płynny bez przerywania procesu badawczego.
Badanie przerywa się po stwierdzeniu zniszczenia próbki.
Tabela 6.3
Parametry procesu badawczego
Prąd
łuku
Czas
łuku
Czas
przerwy
Czas trwania
stopnia
Łączny czas
pomiaru
Ciepło
wydzielone
Stopień
badania
mA
s
s
s
s
W
I
10
0,25
1,75
60
60
3
II
10
0,25
0,75
60
120
6
III
10
0,25
0,25
60
180
12
IV
10
ciągły
0
60
240
24
V
20
ciągły
0
60
300
34
VI
30
ciągły
0
60
360
45
VII
40
ciągły
0
60
420
56
96
Ć
wiczenie 6
W miarę postępu chemii tworzyw sztucznych i produkcji materiałów o zwięk-
szonej odporności na łuk elektryczny, moŜna liczbę stopni badania zwiększyć do
13, a prądy kolejnych stopni powiększać co 10 mA aŜ do 100 mA. Zachowując 60
-sekundowy czas trwania kaŜdego stopnia uzyskuje się moŜliwość badania odpor-
ności na łuk do 780 s.
5.4. Przygotowanie próbek i elektrod pomiarowych
Jako próbki moŜna uŜyć dowolną część materiału o płaskiej powierzchni. Po-
wierzchnia próbki powinna być gładka, bez rys i zadrapań oraz nie powinna być
obrobiona mechanicznie. Grubość próbki nie powinna być mniejsza od 3 mm, a jej
wymiary powinny zapewniać ułoŜenie elektrod w odległości nie mniejszej niŜ
8 mm od jej krawędzi. Przy wykonywaniu kilku pomiarów na jednej próbce, odle-
głość między kolejnymi miejscami badania nie powinna być mniejsza od 15 mm.
Pył, wilgoć oraz odciski palców mogą mieć wpływ na wyniki badań, dlatego teŜ
próbki naleŜy uprzednio oczyścić zwilŜoną ściereczką, a następnie wytrzeć suchą
ś
ciereczką bezpośrednio przed rozpoczęciem próby.
JeŜeli warunki próby tego wymagają, próbki przed badaniami naleŜy poddać
klimatyzacji zgodnie z wymaganiami normy przedmiotowej na badany materiał.
JeŜeli w normie przedmiotowej warunki klimatyzacji nie są podane, klimatyzację
naleŜy przeprowadzić w następujących warunkach:
−
w temperaturze 50
°
C przy wilgotności < 20% przez 24 h,
−
w temperaturze 15
÷
35
°
C i wilgotności 45
÷
75% przez 48 h.
ø
2,5
6
5
30°
3
5
°
6,5
±
0,1
Rys. 6.1. Elektrody i sposób ich ustawienia na próbce
Elektrody powinny być kwasoodporne, najlepiej wolframowe. Z wolframu mo-
gą być wykonane tylko robocze końce elektrod o długości co najmniej 10 mm.
Powierzchnia elektrod powinna być gładka i polerowana. Przed kaŜdym pomiarem
elektrody naleŜy oczyścić z sadzy i zabrudzeń powstałych przy poprzednich po-
miarach, drobnoziarnistym papierem ściernym 400. Nacisk kaŜdej elektrody na
próbkę w kierunku osi pionowej powinien wynosić około 0,5 N.
Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...
97
5.5. Schemat układu i warunki próby
Tp
Tr
W
1
układ sterowania
W
3
W
4
R
2
Ve
mA
elektrody
próbka
Z
0
R
3
R
4
R
1
W
2
220 V
50 Hz
Rys. 6.2. Schemat funkcjonalny układu do badania odporności materiałów na łuk elektrycz-
ny: Tr - transformator regulacyjny, Tp - transformator probierczy, R
1
÷
R
4
, W
1
÷
W
4
-
zespół rezystorów i łączników do regulacji prądu łuku, Ve - woltomierz elektrosta-
tyczny, mA - miliamperomierz, Z
0
- impedancja tłumiąca
Napięcie probiercze wynosi 12,5 kV. Napięcie to naleŜy ustawić przy rozsunię-
ciu elektrod na odległość uniemoŜliwiającą zapłon łuku. Weryfikacji prądu łuku
najlepiej dokonać przy prawidłowym ustawieniu elektrod na gładkim materiale
odpornym na działanie łuku (np. na porcelanie). Do ustawienia prądów 10, 20, 30
i 40 mA (zaleŜnie od stopnia badania) słuŜy zespół rezystorów i łączników uwi-
doczniony na schemacie (rys. 6.2).
Impedancja Z
0
(elementy R i L) słuŜy do wytłumienia wysokoczęstotliwościo-
wych pasoŜytniczych składowych prądu w obwodzie łuku.
Badania naleŜy wykonywać w otoczeniu o temperaturze 15
÷
35
°
C i wilgotno-
ś
ci względnej 45
÷
75%.
Badania wykonuje się poczynając od pierwszego stopnia (tab. 6.1). JeŜeli mate-
riał nie ulega zniszczeniu w czasie I stopnia, przechodzi się płynnie na II stopień a
potem kolejno na następne stopnie. JeŜeli materiał w dalszym ciągu nie zostaje
zniszczony, pomiar naleŜy zakończyć i przyjąć odporność na łuk większą od 420 s.
JeŜeli materiał w czasie próby ulega erozji lub topi się, naleŜy pomiar przerwać
po umownym czasie 240 s (4 stopnie) i zmierzyć maksymalną głębokość ubytku
(np. metodą mikroskopową).
98
Ć
wiczenie 6
5.6. Interpretacja zniszczenia próbki
W przypadku niszczenia próbki wskutek tworzenia się przewodzącej ścieŜki,
waŜnym elementem poprawności badań jest określenie momentu jej powstania.
JeŜeli obserwujemy zanik łuku i wyraźną zmianę dźwięku (lub jego zanik) towa-
rzyszącą przepływowi prądu przez badany materiał, jest to oznaką połączenia
elektrod przez przewodzący kanał, a moment utworzenia się tego kanału nie budzi
wątpliwości.
Dla niektórych materiałów określenie momentu zniszczenia próbki jest jednak
trudniejsze. W takich przypadkach naleŜy kierować się niŜej podanymi definicjami.
1.
W czasie badania obserwujemy wzrost tendencji do zniszczenia próbki ob-
jawiający się podziałem łuku na fragmenty lub jego skróceniem wynikają-
cym z coraz większego udziału przewodzących części powierzchni aŜ do cał-
kowitego zaniku łuku. W takim przypadku za końcowy uwaŜa się ten mo-
ment próby, od którego całość obszaru między elektrodami staje się przewo-
dząca i w Ŝadnej jego części przepływ prądu nie występuje pod postacią łuku.
2.
Pomimo utworzenia się ścieŜki przewodzącej obserwuje się ciągłe jarzenie
w sąsiedztwie styku elektrod z materiałem. Jarzenia tego nie naleŜy utoŜsa-
miać z łukiem. Występującego jarzenia przy elektrodach nie naleŜy zatem
uwzględniać przy określaniu odporności materiału na działanie łuku.
3.
Próbka w czasie występowania łuku pali się czyniąc łuk niewidocznym. Ba-
danie naleŜy przerwać i odnotować zniszczenie próbki wskutek spalenia się.
4.
JeŜeli w czasie badania elektrody zaczynają się wtapiać w próbkę albo wy-
stępuje wypłukiwanie substancji przewodzących uniemoŜliwiając powsta-
wanie ścieŜek przewodzących naleŜy uznać, Ŝe stosowana metoda nie nadaje
się do badania danego materiału.
Często uszkodzenie próbki występuje w ciągu kilku sekund od momentu przej-
ś
cia na ostrzejsze warunki próby. W związku z tym, przy porównywaniu odporno-
ś
ci materiałów naleŜy szczególnie zwrócić uwagę na kilkusekundowe okresy czasu
na granicy dwóch etapów. Znacznie większa jest róŜnica odporności materiałów
wyraŜonych czasami 178 i 182 s niŜ 174 i 178 s.
5.7. Wynik próby i protokół pomiarów
Za wynik badania podaje się przy zniszczeniu materiału:
a)
w postaci ścieŜki przewodzącej lub zapalenia się – średnią arytmetyczną
10 pomiarów czasu w sekundach oraz wartość minimalną czasu,
b)
w postaci erozji lub wytopienia – średnią arytmetyczną 10 pomiarów
głębokości ubytku w milimetrach oraz wartość maksymalną ubytku.
Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...
99
JeŜeli wartość minimalna czasu lub wartość maksymalna głębokości ubytku
róŜni się więcej niŜ 20% od wartości średniej, naleŜy wykonać 10 dodatkowych
pomiarów i za wynik przyjąć średnią z 20 pomiarów.
Po wykonaniu badań naleŜy sporządzić protokół, który powinien zawierać:
−
oznaczenie i nazwę materiału,
−
liczbę, kształt i wymiary próbek,
−
warunki przygotowania próbek,
−
liczbę wykonanych pomiarów,
−
warunki badania,
−
wyniki badań,
−
opis zewnętrzny wyglądu próbek po badaniach i zjawiska zachodzące
w czasie badania,
−
szczególne warunki wpływające na wynik badania.
Przykłady podania wyniku w przypadku:
−
ś
cieŜki przewodzącej 196/191 – S (czas średni/czas minimalny – rodzaj
uszkodzenia),
−
erozji
0,70/0,85 – E,
−
topienia
0,65/0,75 – T,
−
zapalenia się
196/188 – P.
6. Pytania kontrolne
1.
Działanie łuku na materiał.
2.
Mechanizm powstawania wyładowań łukowych na izolatorach.
3.
Klasy izolacji i klasy ciepłoodporności.
4.
Metoda badania odporności materiałów na łuk elektryczny.
5.
Elektrody i sposób ich umieszczenia na próbce.
6.
Rodzaje uszkodzenia próbki przez łuk.
7.
Miary odporności materiałów izolacyjnych na działanie łuku elektrycznego.
Literatura
1.
Florkowska B.: Badanie układów elektroizolacyjnych. Skrypt AGH, 1976
2.
Pohl Z.: Izolacja wysokonapięciowa w warunkach zwiększonej upływności
powierzchniowej. Prace Naukowe Instytutu Podstaw Elektrotechniki i Elek-
trotechnologii Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 1975
3.
Siciński Z.: Badanie materiałów elektroizolacyjnych. WNT, Warszawa 1975
4.
Stryszowski S.: Materiałoznawstwo elektryczne. Skrypt. Wydawnictwo Po-
litechniki Świętokrzyskiej nr 276. Kielce 1995
100
Ć
wiczenie 6
5.
PN-74/E-04441 Badanie odporności na łuk elektryczny o małym natęŜeniu
prądu przy wysokim napięciu
6.
PN-87/E-02050 - Izolacja elektryczna urządzeń elektrycznych. Klasyfikacja
według ciepłoodporności.
II. BADANIA
1. Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych
na łuk elektryczny
1.1. Układ pomiarowy i jego cechowanie
Stanowisko do badania odporności materiału na łuk elektryczny o małym natę-
Ŝ
eniu prądu przy wysokim napięciu jest zautomatyzowane. Przebiegiem badań
steruje mikroprocesorowy układ sterowania, którego płytę czołową przedstawia
rys. 6.3. Uruchomienie układu rozpoczyna realizację programu badania zgodnie ze
stopniami przedstawionymi w tabeli 6.1. Układ sterowania, obok załączania napię-
cia w określonych odcinkach czasowych, dokonuje przełączeń rezystorów słuŜą-
cych do regulacji prądu łuku. Zarówno wartość prądu w poszczególnych stopniach
badania jak i wartość napięcia probierczego musi być przed przystąpieniem do
badań sprawdzona i ewentualnie ustawiona ręcznie. Rysunek 6.4 przedstawia pul-
pit zasilania a rysunek 6.5 schemat układu pomiarowego.
Regulacja napięcia realizowana jest przy pomocy pierwszego autotransformato-
ra (T
1
). Po ustawieniu napięcia probierczego (12,5 kV) woltomierz elektrostatycz-
ny (Ve) moŜna odłączyć.
Sieć
Licznik czasu w sek.
Stopień badania
MIKROPROCESOROWY UKŁAD STEROWANIA
Stan
procesu
Program
Łuk
stop/clear
Start
Rys. 6.3. Widok przedniej płyty sterownika mikroprocesorowego
Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...
101
Zał
1
Wył
2
G
1
G
2
L
2
L
1
Wył
1
Zał
2
Rys. 6.4. Pulpit zasilania: G
1
, G
2
- gniazda zasilające (jedno z gniazd za-
sila sterownik mikroprocesorowy), L
1
, L
2
- lampki sygnaliza-
cyjne, Zał, Wył - przyciski „załącz” i „wyłącz”- pierwsze słuŜą
do sterowania zasilaniem gniazd, drugie sterują zasilaniem ze-
społu probierczego
Przed przystąpieniem do pomiarów naleŜy sprawdzić:
−
połączenie mikroprocesorowego układu sterowania z resztą systemu, a tak-
Ŝ
e z siecią zasilającą (gniazdo 15 -stykowe na ściance tylnej przyrządu
oraz gniazdo zasilania G
1
lub G
2
na pulpicie zasilającym),
−
ustawienie napięcia probierczego,
−
stan elektrod.
T
3
R
0
L
0
Ve
elektrody
próbka
R
R
T
2
V
1
T
1
mA
Układ regulacji
prądu łuku
Sw
1
L
1
Sz
2
Sk
K
1
L
2
Mikroprocesorowy
układ sterowania
Sw
2
K
2
Sz
1
L
3
L3
L2
L1
N
Układ załączania
napięcia probierczego
Układ zasilania
Rys. 6.5. Schemat zasadniczy układu do badania odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk elektryczny o małym natęŜeniu prądu przy
wysokim napięciu: K
1
, K
2
- styczniki, L
1
- lampka sygnalizacyjna przy drzwiach pola probierczego, L
2
- lampka sygnalizacyjna napięcia
zasilania układu sterowania, L
3
- lampka sygnalizacyjna zasilania zespołu probierczego, T
1
, T
2
- autotransformatory, T
3
- transformator
probierczy, Sw
1
, Sw
2
- przyciski "wyłącz", Sz
1
, Sz
2
- przyciski "załącz", S
k
- wyłącznik krańcowy (blokada drzwi pola probierczego), R
- rezystory, V
1
- triak, R
0
, L
0
- impedancja tłumiąca, Ve - woltomierz elektrostatyczny, mA - miliamperomierz
Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych ...
103
1.2. Przebieg pomiarów
NaleŜy zbadać odporność na łuk elektryczny kilku materiałów elektroizolacyj-
nych podanych przez prowadzącego ćwiczenia.
Kolejność czynności przy uruchomieniu programu badania jest następująca:
a)
ustawić elektrody na próbce przeznaczonej do badania,
b)
opuścić pole probiercze i zamknąć drzwi do tego pola,
c)
włączyć zasilanie stanowiska (przycisk na pulpicie zasilającym), powin-
na zapalić się lampka sygnalizacyjna L
1
,
d)
włączyć mikroprocesorowy układ sterowania (przycisk „Sieć”) - powin-
ny zapalić się wyświetlacze pomiaru czasu i stopnia badania,
e)
załączyć zespół probierczy - drugi stycznik w pulpicie zasilającym - za-
pala się lampka sygnalizacyjna L
2
,
f)
uruchomić program badania - przycisk „Start stop/clear” na płycie przed-
niej sterownika. Uruchomienie programu sygnalizuje pomarańczowa
dioda LED natomiast załączenie napięcia probierczego (palenie się łuku)
wskazuje dioda zielona.
g)
w chwili wystąpienia ścieŜki przewodzącej lub zapalenia się materiału
naleŜy zatrzymać proces badania równieŜ przyciskiem „Start stop/clear”,
natomiast w przypadku materiałów ulegających erozji lub topieniu za-
trzymujemy proces po 240 sekundach (4 stopnie badania),
h)
odczytać na wyświetlaczu i wpisać do tabeli pomiarowej czas pomiaru.
Ten sam przycisk - „Start stop/clear)” - słuŜy do wyzerowania licznika czasu
przygotowując układ sterowania do ponownego uruchomienia programu.
Kolejność czynności przy wyłączaniu układu jest następująca:
a)
Wyłączyć zespół probierczy (Wył
2
na pulpicie zasilającym) - gaśnie
lampka L
2
,
b)
wyłączyć mikroprocesorowy układ sterowania (wyłącznik „Sieć”),
c)
wyłączyć zasilanie stanowiska (Wył
1
na pulpicie zasilającym) - gaśnie
lampka L
1
,
d)
w przypadku materiałów ulegających erozji lub topieniu naleŜy pomie-
rzyć głębokość ubytku materiału za pomocą mikroskopu optycznego.
Dla danego rodzaju próbki materiału elektroizolacyjnego powyŜszy cykl po-
miaru naleŜy powtórzyć dziesięć razy.
1.3. Opracowanie wyników pomiarów
W przypadku materiałów niszczonych wskutek powstawania ścieŜki przewodzą-
cej lub zapalenia się materiału, miarą odporności na łuk elektryczny jest czas do
zniszczenia w sekundach odczytany na wyświetlaczu mikroprocesorowego układu
104
Ć
wiczenie 6
sterowania. Większość materiałów organicznych ulega zniszczeniu w ten właśnie
sposób (Ŝywice fenolowo-formaldehydowe, epoksydowe, silikonowe itp.).
Wyniki pomiarów naleŜy umieścić w tabeli 6.4.
Tabela 6.4
Wyniki pomiarów odporności materiału na łuk elektryczny
.
τ
τ
τ
τ
por
ś
r
ś
r
=
−
⋅
min
100%
Rodzaj
próbki
Wyniki pomiarów odmierzonego czasu (
τ
)
do powstania ścieŜki przewodzącej w sekundach
τ
ś
r
τ
min
τ
por
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
s
s
%
W przypadku erozji (np. policzterofluoroetylen) lub topienia (np. polimetakry-
lan etylenu) miarą odpornością materiałów jest głębokość ubytku materiału w mi-
limetrach. Głębokość ubytku naleŜy pomierzyć metodą mikroskopową, a wyniki
pomiarów umieścić w podobnej tabeli jak tabela 6.4.
Za wynik badania naleŜy podać średnią arytmetyczną 10 pomiarów czasu (lub
głębokości ubytku materiału) oraz wartość minimalną czasu (wartość maksymalną
ubytku). JeŜeli wartość minimalna czasu lub wartość maksymalna ubytku róŜni się
więcej niŜ 20% od wartości średniej, naleŜy wykonać 10 dodatkowych pomiarów
i za wynik przyjąć średnią z 20 pomiarów.
Podając wyniki badań naleŜy przeprowadzić klasyfikację materiałów pod
względem ich odporności na działanie łuku elektrycznego.
1.4. Statystyczna obróbka wyników pomiarów
Rozrzuty wyników pomiarów przy badaniach mogą mieć róŜne rozkłady praw-
dopodobieństwa. Do najczęściej spotykanych naleŜą:
−
rozkład Gaussa (normalny),
−
rozkład Studenta,
−
rozkład Weibulla.
Na podstawie wyników pomiarów podlegających prawom statystycznym nie
moŜna dokładnie wyznaczyć parametrów rozkładu (wartość oczekiwana i odchyle-
nie standardowe).
W praktyce liczba pomiarów z reguły jest ograniczona z wielu względów (np.
duŜa pracochłonność). Ograniczoną liczbę informacji uwzględnia rozkład Studen-
ta. Do opracowania wyników pomiaru przy badaniach odporności materiałów
elektroizolacyjnych naleŜy zatem zastosować rozkład Studenta. Dotyczy on bo-
Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych ...
105
wiem niezbyt wielkiej liczby pomiarów (n = 2
÷
30). JuŜ przy n > 30 rozkłady
Studenta i Gaussa pokrywają się.
Rozkład Studenta stosowany jest przede wszystkim do wyznaczania
przedziału
ufności przy nieznanym odchyleniu standardowym, którego nie moŜna z dobrą
dokładnością wyznaczyć przy niewielkiej liczbie pomiarów. Przedział ufności,
w którym zawarta jest interesująca cecha (odmierzony czas do chwili uszkodzenia
próbki) wyznacza się z określonym prawdopodobieństwem
β
, tzw. poziomem uf-
ności. W praktyce najczęściej przyjmuje się do wyznaczenia przedziału ufności
poziom
β
= 0,95.
Przy liczbie pomiarów n < 30 trzeba skorzystać z rozkładu Studenta. W tym
przypadku przedział ufności będzie miał granice:
x
t
s
n
x
x
t
s
n
n
r
n
−
⋅
≤
≤ +
⋅
−
−
α
α
,
,
1
1
,
(6.1)
gdzie:
x
n
x
i
i
n
= ⋅
=
∑
1
1
- średnia arytmetyczna,
s
x
x
n
i
i
n
=
−
−
=
∑
(
)
2
1
1
- odchylenie
standardowe z próby (odchylenie średnie kwadratowe jednego pomiaru
z danej serii pomiarów), t
α
,n-1
= kwantyl rozkładu Studenta dla poziomu
istotności
α
(
β
= 1-
α
) i liczby pomiarów n, x
r
= wartość rzeczywista.
Wartość kwantyli Studenta podano w tabeli 6.5.
Tabela 6.5
Kwantyle t
α
,n-1
rozkładu Studenta
n – 1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
α
= 0,05
12,71
4,30
3,18
2,78
2,57
2,45
2,36
2,31
2,26
2,23
Na poziomie ufności 0,95 i przy liczbie pomiarów n wartość rzeczywista mie-
rzonego czasu w sekundach będzie się zawierała w przedziale
τ
=
τ
ś
r
±
t
s
n
n
α
,
−
⋅
1
.
(6.2)
2. Obserwacja mikroskopowa śladów wyładowań
Przeprowadzić obserwację mikroskopową efektów działania łuku na próbki
róŜnych materiałów elektroizolacyjnych.
106
Ć
wiczenie 6
3. Wnioski
We wnioskach naleŜy umieścić własne spostrzeŜenia i uwagi dotyczące metody
badań i otrzymanych wyników. Ponadto naleŜy:
a)
porównać uzyskaną klasyfikację materiałów pod względem odporności na
łuk elektryczny z ich odpornością cieplną określoną przez klasy izolacji,
b)
opisać spostrzeŜenia z obserwacji mikroskopowych śladów wyładowań na
róŜnych materiałach.