WSKAy
NIKI DIAGNOSTYCZNE OCENY IZOLACJI WYSOKONAPI
CIOWEJ
Rezystancja izolacji może być rozpatrywana przy wykorzystaniu prawa Ohma (1).
Mierzona rezystancja wyznaczana jest na podstawie podzielenia przyłożonego
napięcia przez płynący prąd.
U
R = (1)
I
Występują tu jednak dwa dodatkowe ważne czynniki, wzajemnie powiązane, które
należy uwzględniać w analizie przebiegu prądu przepływającego przez izolację:
- występowanie prądu skrośnego i powierzchniowego,
- zjawisko polaryzacji dielektryka zależne od czasu jaki upłynął od chwili
przyłożenia napięcia.
1. A
ADOWANIE IZOLATORA
Najczęściej stosowany wskaz
nik rezystancyjny do oceny izolacji jest
wyznaczany na podstawie przebiegu rezystancji urządzenia w czasie. Po przyłożeniu
napięcia stałego do izolacji przepływający prąd zależy od pojemności badanego
obiektu, wielkości absorpcji, prądu upływności oraz parametrów miernika izolacji 
rezystancji i pojemności wejściowej.
Całkowity prąd jest sumą trzech składowych (rys. 1), wynikających z
przyłożenia napięcia stałego U do schematu zastępczego izolacji pokazanego na rys.
2:
- ładowania pojemności obiektu C,
- ładowania pojemności absorpcyjnej Ca  wynikającej z ustawiania się dipoli
(ładunków) w linii pola elektrycznego wewnątrz materiału. Dipole powrócą powoli
do swoich pozycji spoczynkowych, stanu nieuporządkowanego, gdy napięcie
probiercze zostanie odłączone (wywołując prąd reabsorpcji). Efekty te wydłużają
się w czasie, gdy izolator został zanieczyszczony przez zabrudzenia lub
pozostaje w nim wilgoć. Zależnie od typu izolatora czas tego zjawiska może
trwać do 30 minut.
- przewodzenia lub upływności będącej zwykle w stanie ustalonym niewielkim
prądem, w którym można wydzielić dwie składowe: prąd płynący wzdłuż ścieżek
przewodzących przez materiał izolacji (upływność skrośna Rs ), prąd płynący
wzdłuż ścieżek przewodzących po powierzchni materiału izolacji (upływność
powierzchniowa Rp - na schemacie zastępczym z rys. 2 rezystancja R jest
wypadkową rezystancji Rs i Rp połączonych równolegle)
Rys. 1. Typowe prądy pomiaru izolacji [12]; 1-prąd ładowania pojemności; 2-prąd
całkowity; 3-prąd absorpcji; 4-prąd przewodzenia
Rys. 2. Schemat zastępczy izolatora [16]  C  pojemność obiektu, R
wypadkowa Rs i Rp; układ szeregowy Ra, Ca  rezystancja i pojemność absorbcyjna
W związku z powyższą charakterystyką przebiegu prądu w izolacji w czasie,
mierzona przez miernik wartość prądu po podaniu stałego napięcia probierczego
może być użyta do oceny stanu izolacji. W praktyce pomiarowej obserwuje się
następujące zależności:
- prąd ładowania zasadniczo zależy od pojemności badanego obiektu. Duże
obiekty z większą pojemnością ładują się dłuższy czas, na przykład długie
kable energetyczne. Natomiast prÄ…d absorpcji maleje relatywnie wolniej w
porównaniu z prądem ładowania pojemności. Wynika to z natury zjawisk
fizycznych zachodzących w materiałach izolacyjnych.
- prądy przewodzenia lub upływności narastają szybko do pewnej stałej
wartości i pozostają stałe dla danego, niezmiennego napięcia probierczego.
Prąd ten wynika z istnienia: wilgoci, zabrudzeń itp., które wpływają na jakość
izolacji, oraz w konsekwencji na wartość zmierzonej rezystancji izolacji.
Zwiększanie prądu upływności wskazuje na możliwość wystąpienia
problemów eksploatacyjnych w przyszłości.
- w praktyce do oceny jakości izolacji używa się pomiaru rezystancji izolacji w 2-
momentach czasowych, na podstawie których oblicza się wskaz
nik polaryzacji
(R10minut:R1minuta) lub absorpcji dielektryka (R60sekund:R15sekund). Wskaz
niki te
mogą być używane do wyznaczenia poziomu zanieczyszczenia badanego
obiektu, ponieważ mierzona jest różnica pomiędzy absorpcją i prądem
upływności. Nadmierny prąd upływności zdominuje wówczas prąd absorpcji,
prowadząc do spłaszczenia krzywej  rezystancja - czas .
2. ROZA
ADOWANIE IZOLATORA
A
adunek, zgromadzony podczas pomiaru izolacji jest automatycznie
rozładowywany po zakończeniu pomiaru przez rezystor dodatkowy miernika
dołączony pomiędzy zaciski przyrządu (Rys. 3). Szybkość rozładowania zależy od
rezystora i ilości ładunku zgromadzonego w izolatorze. Kiedy napięcie na izolatorze
zostanie zmniejszone prawie do zera efekt upływności powierzchniowej jest
pomijalnie mały.
Rys. 3. Prądy pomiaru izolacji podczas rozładowania [12]
Podczas fazy rozładowania występują zjawiska przeciwne do ładowania za
wyjątkiem prądu upływności. Nie ma wtedy napięcia probierczego, więc prąd
upływności jest pomijalny.
Prądy rozładowania (Rys. 4.) zmieniają się w podobny sposób do prądów
ładowania, prąd pojemnościowy zanika szybko (zazwyczaj kilka sekund) z powodu
małej stałej czasowej pojemności i rezystora rozładowującego, prąd absorpcji zanika
powoli, ponieważ mają miejsce efekty reabsorbcji (stała czasowa do kilku minut).
Prąd reabsorbcji jest powodowany przez ładunki. które wracają do chaotycznego
położenia wewnątrz izolatora. W czasie ładowania izolatora ładunki (dipole)
posiadające możliwość ruchu ustawiają się zgodnie z liniami pola elektrycznego.
Uporządkowanie to zanika samoczynnie po usunięciu napięcia probierczego, dipole
wracają wówczas do naturalnego, nieuporządkowanego stanu. Zjawisko to może
powodować przepływ prądu, jeżeli obwód rozładowujący jest dołączony w sposób
ciągły lub odbudowanie napięcia na badanym izolatorze, jeżeli pozostawimy obwód
otwarty.
Rys. 4. Typowe prądy rozładowania izolatora [12]
3. POMIARY DIAGNOSTYCZNE IZOLACJI
Głównym powodem uszkodzeń aparatury elektrycznej jest przebicie izolacji.
Do monitorowania stanu izolacji w celu przeprowadzenia konserwacji w odpowiednim
czasie stosuje siÄ™ szereg technik diagnostycznych opartych o wskaz
niki
rezystancyjne lub pojemnościowe. Każdy pojedynczy pomiar daje tylko punkt
widzenia na ogólny stan sprzętu i dopiero sekwencja pomiarów w czasie pozwala na
rzetelnÄ… ocenÄ™ degradacji izolacji.
3.1. Pomiar  punktowy
Jest to najprostszy pomiar izolacji dajÄ…cy wynik rezystancji izolacji w M&!.
Pomiar jest dokonywany dla krótkiego, ale określonego okresu czasu, po którym
odczytuje siÄ™ jest wynik. Czas ten zazwyczaj wynosi 60 sekund.
Przy instalowaniu aparatury, wyniki te są porównywane z minimalnymi
wartościami wymaganymi przez dane techniczne. Rezystancja izolacji zależy od
temperatury i z tego powodu należy stosować współczynnik korekcyjny (2), aby
pokazać prawidłową tendencję zmian rezystancji w stosunku do pomiarów
dokonanych w innych warunkach. Współczynnik korekcyjny Kt odniesiony do
temperatury 20°C podano wzorem (1) i w tabeli 1
R20°C = Kt * Rt (1)
gdzie :
Kt, współczynnik korekcji (podwaja siÄ™ co 10°C wzrostu temperatury)
R20°- przeliczona rezystancja w temperaturze 20°C,
Rt  rezystancja zmierzona w temperaturze t.
Tab. 1. Współczynnik korekcji k20(30) (od t[°C]) dla kabli i maszyn elektrycznych.
Kable, maszyny elektryczne, (transformatory) R20(30)=Rt*k20(30)
15 18 21 24 27 30 33 36 42
Temperatura T[°C]
Transformatory 0,50 0,57 0,66 0,76 0,87 1,0 1,14 1,32 1,74
4 8 10 12 16 20 24 26 28
Temperatura [°C]
Maszyny elektr. 0,63 0,67 0,7 0,77 0,87 1,0 1,13 1,21 1,30
Kable (IPO) 0,21 0,30 0,37 0,42 0,61 1,0 1,57 2,07 2,51
Kable (rubber) 0,47 0,57 0,62 0,68 0,83 1,0 1,18 1,26 1,38
Kable (PE,PCV) 0,11 0,19 0,19 0,25 0,625 1,0 1,85 2,38 3,125
Generalnie rezystancja izolacji zmniejsza siÄ™ ze wzrostem temperatury.
Tabele ze współczynnikami korekcji temperaturowej są tworzone dla różnych typów
aparatów elektrycznych (materiałów izolacyjnych) i mogą być uzyskane od
producenta aparatu. Zaleca się jednak opracować własną tabelę współczynnika
korekcji przez rejestrację dwóch wartości dla tego samego obiektu przy różnych
temperaturach. Na tej podstawie tworzy siÄ™ wykres rezystancji (w skali
logarytmicznej) w funkcji temperatury (w skali liniowej). Wykres ten jest prostÄ… liniÄ… i
może być ekstrapolowany dla dowolnej temperatury, umożliwiając bezpośredni
odczyt współczynnika korekcji.
Wykresy pokazane na rys. 5 i 6 zbudowano przy pomiarach dla maksymalnej
różnicy temperatur wynoszÄ…cej okoÅ‚o 15°C. Jak widać bez korekcji temperaturowej
trudno określić tendencję zmian.
Rys. 5. Przykład wyników skompensowanych temperaturowo [12]
Rys. 6. Przykład wyników bez korekcji temperaturowej [12]
Wilgotność ma również wpływ na rezystancję izolacji, ale nie da się określić jej
wpływu tak jednoznacznie jak dla temperatury. Różne typy izolatorów absorbują
wilgoć w różnym stopniu, zależnie od wieku i stanu izolatora.
3.2. POMIAR REZYSTANCJI W FUNKCJI CZASU
Prąd pomiarowy płynący przez izolację może być rozłożony na trzy składowe,
prąd ładowania pojemności, prąd polaryzacji (lub absorpcji) oraz prąd przewodzenia.
Dodatkowo może występować prąd upływności powierzchniowej, który może być
usunięty z obwodu pomiarowego przy zastosowaniu dodatkowego zacisku  G w
mierniku izolacji.
Daje się zauważyć, że wyniki rezystancji izolacji są zmienne w czasie.
Generalnie, przez pierwsze sekundy po rozpoczęciu pomiaru widziany jest głównie
prąd pojemnościowy, co objawia się wspinaniem wskazówki na skali miernika
izolacji. Po czasie jednej minuty, w najczęściej stosowanym pomiarze  punktowym ,
prąd jest kombinacją prądów polaryzacji i upływności. Po 10 minutach otrzymuje się
głównie prąd upływności, chociaż okres ten może trwać do 30 minut z powodów
długotrwałego wpływu zjawiska polaryzacji.
Pomiary rezystancji w funkcji czasu wymagajÄ… sekwencyjnego odczytu i majÄ…
ogromną przewagę nad pomiarem  punktowym , ponieważ korzystając ze stosunku
rezystancji pozyskuje się współczynnik K. Współczynnik ten stanowi informację o
szybkości zmian rezystancji (wskaz
nik polaryzacji PI i współczynnik absorpcji - DAR).
Generalnie, dobry dielektryk wykazuje wzrost rezystancji jeszcze po czasie 10
minut, natomiast w zanieczyszczonym izolatorze efekty polaryzacji sÄ… maskowane
przez wysokie prądy upływności i w związku z tym przebieg charakterystyki I(t) jest
bardziej płaski. W związku z tym do oceny izolacji ustalono 2 wskaz
niki
rezystancyjne:
R10 min
- PI określany jako stosunek
R1 min
R60s
- DAR określany jako stosunek
R15s
Tab. 2. Analiza wyników pomiarów
Stan izolacji PI DAR Stała czasowa TC
10minut 60sekund Rezystancja x
Definicja
1 minuta 15 sekund pojemność
SÅ‚aby < 1 < 1 < 100
Niejasny 1 do 2 1 do 1,4 100 do 800
OK. 2 do 4 1,4 do 1,6 800 do 2000
Dobry > 4 > 1,6 > 2000
Metoda Pomiar wskaz
ników polaryzacji (PI i DAR) polega na dokonywaniu
następujących po sobie odczytów rezystancji w ściśle określonych odcinkach czasu,
których stosunek jest niezależny od temperatury (rys. 7). Mogą one często pomóc w
sytuacjach, gdy jest ograniczony dostęp do wyników pomiarów wykonanych w
przeszłości.
Wartości bezwzględne wskaz
ników mogą dawać informację o stanie izolacji,
chociaż wyniki są lepiej interpretowane w kontekście wielokrotnych (np. corocznych)
pomiarów izolacji. Jeżeli PI spada o 30% lub więcej, wtedy należy rozważyć
przeprowadzenie akcji zapobiegawczej takiej, jak czyszczenie lub przeprowadzenie
innych badań.
Istnieją dwa charakterystyczne stany, których znajomość jest przydatna, przy
interpretowaniu wyników pomiarów PI, szczególnie wtedy, gdy dostępne są
wcześniejsze wyniki rezystancji izolacji.
1. Sucha, skruszała izolacja (np. na uzwojeniach) może dawać wysoki PI, ale
przebijać w stanach narażeń.
2. Uszkodzona jest jedna z warstw w izolacji wielowarstwowej, w sytuacji, gdy
pozostałe utrzymują wysoką rezystancję. W efekcie mierzony prąd będzie
dążył do zwiększenia wartości PI, mogąc maskować problemy upływności
powierzchniowej powodowane przez zabrudzenia i zanieczyszczenia.
Sytuacje takie są możliwe, jeżeli zastosowane do badania napięcie probiercze
wytworzone przez przyrząd pomiarowy jest zbyt niskie, aby spowodować przebicie
wewnętrznych, uszkodzonych warstw izolacji, co dopiero powoduje wyraz
nÄ… zmianÄ™
rezystancji wskazujÄ…c na uszkodzenie.
Dodatkowo w trakcie pomiaru przebiegu rezystancji R w czasie t, przyrzÄ…d
może mierzyć stałą czasową (TC) izolacji, która jest związana z podstawowymi
cechami materiału izolacyjnego stałą dielektryczną oraz rezystywnością, jak również
niewielkim wpływem polaryzacji. Tendencja zmiany tego wskaz
nika jest parametrem
umożliwiającym monitorowanie degradacji, zmniejszenie się TC wskazuje, bowiem
na osłabienie izolacji.
Rys. 7. Rezystancja w funkcji czasu
4. ZAKRES ĆWICZENIA
W czasie ćwiczenia należy w układzie z rys. 8 określić po przyłożeniu napięcia
stałego o wartości do 5 kV rezystancje objętościowe wybranych materiałów
izolacyjnych w funkcji czasu.
Zastosowany do badań miernik rezystancji izolacji Megger pozwala na
przesłanie próbkowanych co 5 s wartości prądu do komputera, co umożliwia
póz
niejszÄ… analizÄ™ danych pomiarowych.
Elektroda
górna
próbka
Elektroda
ekranujÄ…ca
Elektroda
dolna
6517A 6517A
Żródło
Rys. 8. Technika pomiaru rezystywności skrośnej
Przykładowo pomiary prądu polaryzacji w próbkach z folii polietylenowej
wskazują na powolne zanikanie prądu w próbce (Rys. 9).
pr óbka nr 1
2, 00E- 09
1, 80E- 09
1, 60E- 09
1, 40E- 09
50 V
1, 20E- 09
100 V
1, 00E- 09 200 V
500 V
8, 00E- 10
1000 V
6, 00E- 10
4, 00E- 10
2, 00E- 10
0, 00E+00
0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6
czas [ s]
Rys. 9. Uśrednione przebiegi odpowiedzi prądowej dla próbki nr 1 dla różnych
napięć probierczych (50 V, 100 V, 200 V, 500 V, 100
Przedstawione wykresy prądów po kilku sekundach od chwili rozpoczęcia
pomiaru (doprowadzenia napięcia pomiarowego do próbki) przedstawiają w skali
podwójnie logarytmicznej prostą, która w przybliżeniu ma postać (2):
- n
I = A * t
(2)
gdzie,
A  współczynnik zależny od temperatury
t - czas
n - współczynnik zależny od procesów polaryzacyjnych [3]
Za pomocą tego wzoru można obliczyć współczynnik n, który dla polietylenu
według opracowania [4] wynosi około 0,76). Poniżej przedstawiono analizę obliczeń
współczynnika n oraz współczynnika korelacji (r) dla pierwszej i drugiej próbki folii
przy napięciu probierczym 50 V oraz 1000 V. Regresji potęgowej dokonano za
pomocą programu napisanego w aplikacji MathCad. Do wprowadzenia wyników
pomiarów z pliku do programu użyto instrukcji  READPRN .
Rzeczywiste wartości współczynnika korelacji i współczynnika n obliczone
aplikacją w programie MathCad przedstawia tabela poniżej.
Napięcie probiercze
Numer próbki
50 V 1000 V
n=0,526 n=0,514
1
r=0,959 r=0,995
n=0,526 n=0,526
2
r=0,959 r=0,959
W opisywanej aplikacji program MathCad obliczono również inne rodzaje regresji:
liniową, logarytmiczną i wykładniczą uzyskują w każdym przypadku mniejsze
współczynniki korelacji w stosunku do regresji potęgowej. Potwierdza to
prÄ…d [A]
prawidłowość założenia wzoru (4) do opisu przebiegu krzywej prądu dielektryka w
czasie. Przykładowe wyniki obliczeń dla wszystkich rodzajów regresji podano
poniżej.
Regresja potęgowa y=axb
vx := READPRN("czas.prn" )
vy := READPRN("prad.prn" )
k := 194
fp(x)
i := 0.. (k - 1)
vyi
vypi := ln vyi
( )
vxpi := ln vxi
( )
b := slope (vxp, vyp )
a := intercept (vxp, vyp)
a := exp(a)
a = 2.055× 10- 11
b = -0.526
x, vxi
corr(vxp, vyp) = -0.959
fp(x) := aÅ"xb
Regresja liniowa y=ax+b
a := slope(vx, vy)
b := intercept(vx, vy)
a = -1.188× 10- 12
b = 1.855× 10- 11
f(x)
corr(vx, vy) = -0.77
vyi
f(x) := aÅ"x + b
x, vxi
Regresja wykładnicza y=aebx
vywi := ln vyi
( )
vxwi := vxi
b := slope (vxw, vyw)
fw(x)
a := intercept(vxw, vyw)
vyi
a := exp(a)
a = 1.873× 10- 11
b = -0.109
corr(vxw, vyw) = -0.901
fw(x) := aÅ"e( bÅ"x)
x, vxi
Regresja logarytmiczna y=a*ln(x)+b
vyli := vyi
( )
vxli := ln vxi
( ( ))
a := slope(vxl, vyl)
b := intercept(vxl, vyl)
fl(x)
a = -6.819× 10- 12
vyi
b = 2.141× 10- 11
corr(vx, vy) = -0.77
fl(x) := (aÅ"ln(x) + b)
x, vxi
5. LITERATURA
[1] Z. Flisowski,  Technika wysokich napięć , WNT, Warszawa 1988
[2] Praca pod redakcją H. Mościckiej-Grzesiak,  Inżynieria wysokich napięć w
elektroenergetyce , Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1996
[3] V. Adamec , J.H Calderwood,  On the determination of electrical conductivity
in polythylene , J.Phys. , D.Appl.Phys., 1971
[4] D.M Taylor, T.J. Lewis,  Electrical conduction in polyethylene terephthalate
and polyethylene films , J.Phys.D.Appl.Phys. 1971, vol.4
[5] B.Hilczer, J.Małecki,  Elektrety , Państwowe Wydawnictwo Naukowe,
Warszawa 1980
[6] Keithley Model 6517 A Electrometer User s Manual
[7] Keithley Model 6517 A Electrometer Service Manual
[8] Model 6524 High Resistance Measurment Software
[9] Model 8009 User s manual
[10] Test Poin Quick Start
[11] IEEE-488 Interface Board User s Manual
[12] http://www.test-point.com/
[13] normy BS6266 i IEEE43
[14] http://www.tomtronix.com.pl/
[15] http://www.tomtronix.com.pl/spisart.htm
[16] J.Włodziński  Wysokonapięciowa technika prób i pomiarów .