ĆWICZENIE 6
MATERIAA
Y ELEKTROIZOLACYJNE.
BADANIE ODPORNOÅšCI NA PR
DY PEA
ZAJ
CE
METOD
KROPLOW

1. WPROWADZENIE
1.1. Mechanizm powstawania śladów pełznych
Zawilgocenie i zanieczyszczenie powierzchni materiału izolacyjnego mogą spowodować
znaczne pogorszenie właściwości izolacyjnych dielektryka, które w stanie suchym i czy-
stym są wystarczająco dobre. Przyczyną destrukcji materiału są zjawiska, które ogólnie
określa się procesem tworzenia śladów pełznych. Jego efektem jest trwałe zniszczenie po-
wierzchniowych zdolności izolacyjnych danego elementu. Ślady pełzne powstają na skutek
płynięcia po powierzchni i w zewnętrznej warstwie materiału izolacyjnego prądów upływu,
zwanych prądami pełzającymi.
Wartość natężenia prądu upływu zależy od rodzaju materiału, sposobu obróbki jego po-
wierzchni, stopnia jej zawilgocenia i zanieczyszczenia oraz wielkości lokalnych natężeń
pola elektrycznego. Długotrwałe działanie prądów pełzających może doprowadzić do nad-
miernego miejscowego nagrzania się materiału i w efekcie do jego rozpadu. Produktami
rozpadu dielektryka są drobnokrystaliczne cząstki węgla (pozostające w miejscu rozpadu)
tworzące węglowy mostek łączący elektrody, czyli ślad pełzny oraz gazowe związki węgla
ulatniające się do otoczenia. W przypadku niektórych materiałów, związki te, przechodząc
przez gorącą strefę wyładowań powierzchniowych, mogę ulec rozpadowi wydzielając
wolny węgiel, który może osadzać się dodatkowo na powierzchni tworzywa, ułatwiając
tworzenie się śladu pełznego.
Ilość węgla wydzielonego w procesie rozpadu tworzywa zależy od budowy chemicznej czą-
steczek materiału, a w szczególności od energii wiązań chemicznych atomów węgla z in-
nymi pierwiastkami. Jeżeli w cząsteczce przeważają, wiązania atomowe o dużej energii, to
tworzywo będzie mięć większą odporność na prądy pełzające.
Szybkość tworzenia się śladów pełznych na powierzchni tworzywa jest warunkowana
dwoma przeciwstawnymi procesami:
" osadzaniem się węgla na powierzchni materiału w wyniku jego rozpadu oraz
" usuwaniem cząstek węgla na skutek działania czynników zewnętrznych.
Usuwanie może zachodzić na drodze mechanicznej poprzez zmywanie węgla przez roztwo-
ry zwilżające lub na drodze chemicznej przez utlenianie węgla. Warunkiem powstawania
śladu pełznego jest szybszy przebieg procesu osadzania węgla niż procesu usuwania.
Ślad pełzny w materiałach mniej odpornych (np. tłoczywa fenolowe) ma postać ciągłej wą-
skiej ścieżki łączącej elektrody układu. W materiałach bardziej odpornych (np. tłoczywa
aminowe) ślad pełzny jest utworzony z rozległych, niekiedy dość głębokich zagłębień.
Dwie różne formy śladu pełznego są wynikiem dwu nakładających się zjawisk:
" powstawania stałych produktów rozpadu,
" tworzenia się gazów, gaszących łuk elektryczny prowadzony wzdłuż przewodzącej
ścieżki.
Cechą charakterystyczną opisywanego procesu jest jego rozwój pod działaniem zarówno
niskiego jak i wysokiego napięcia. W praktyce eksploatacyjnej ślady pełzne powstają na
powierzchniach izolatorów, izolacyjnych powierzchniach tablic rozdzielczych oraz prze-
wodów energetycznych.
Znanych jest kilka metod badania odporności dielektryków na prądy pełzające, czyli zdol-
ności materiału do przeciwstawiania się powstawaniu śladów pełznych przy zawilgoceniu i
zanieczyszczeniu ich powierzchni. Przyjęte do stosowania metody badawcze modelują
znacznie ostrzejsze warunki środowiskowe niż warunki rzeczywiste z uwagi na koniecz-
ność przyspieszenia przebiegu zjawisk i ograniczenia czasu prób laboratoryjnych. Przy
dużej rozmaitości wpływów, jak również na skutek braku korelacji między wynikami badań
laboratoryjnych a długością życia izolacji w warunkach eksploatacji, ilościowe porówny-
wanie wyników badań tych samych materiałów przy użyciu różnych metod jest bardzo
utrudnione. Można natomiast porównywać materiały między sobą na podstawie wyników
uzyskanych tą samą metodą. Wyniki porównania są na ogół jednoznaczne, gdy materiały
pochodzą z grup o znacznie zróżnicowanej odporności na prądy pełzające. Selektywne roz-
różnienie materiałów o zbliżonej odporności jest trudniejsze, a w niektórych metodach
wręcz niemożliwe.
W kraju, zgodnie z zaleceniami aktualnych norm uwzględniających również zalecenia norm
europejskich, do badań odporności na prądy pełzające można stosować trzy metody:
" kroplową [5] dla materiałów niskonapięciowych, która nadaje się do klasyfikacji die-
lektryków mało odpornych,
" pochyłej próbki [4] dla materiałów wysokonapięciowych, która charakteryzuje się dłu-
gim czasem pomiarów i dobrą selektywnością wyników,
" koła obrotowego [6] dla materiałów pracujących w warunkach wewnętrznych lub napo-
wietrznych, które charakteryzują się szczególnie długim czasem pomiarów przy zasto-
sowaniu metody kroplowej.
W celach porównawczych w badaniach konstruktorskich odporności na prądy pełzające
różnych materiałów można stosować metodę wysokonapięciową według normy [7] wyco-
fanej z katalogu norm aktualnych. Zaletą tej metody jest szybkość uzyskania wyników prób,
jednak jest ona mało selektywna z powodu zastosowanych ostrych warunków badania.
1.2. Metoda kroplowa
Dla oceny różnych materiałów metodą kroplową [3, 5] wyznacza się porównawczy wskaz
nik
odporności na prądy pełzające - CTI (ang.: comparative tracking index), to znaczy napię-
cie, przy którym zwarcie elektrod układu pomiarowego powstaje po opadnięciu na próbkę
materiału pięćdziesiątej kropli roztworu przewodzącego. Badania przeprowadza się w poko-
jowych warunkach otoczenia, wyznaczając kolejno przy różnych napięciach liczbę kropli
konieczną do zwarcia elektrod. Na podstawie uzyskanych dla każdego napięcia średnich
wartości (z badań pięciu próbek materiału) liczby kropli określa się zależność pokazaną
przykładowo na rys. 6.1 i wyznacza wartość CTI badanego dielektryka.
Ogólny schemat układu pomiarowego pokazano na rys. 6.2a. Układ jest zasilany z trans-
formatora probierczego o napięciu, co najmniej 500 V i mocy 500 VA. Elektrody wykonane
z platyny lub mosiądzu umieszcza się na próbce w sposób pokazany na rys. 6.2b. Nacisk
każdej z elektrod na próbkę powinien wynosić ok. 1
N. Oczyszczoną powierzchnię próbki materiału
zwilża się elektrolitem (0,1% roztwór chlorku
amonowego NH4Cl w wodzie destylowanej) po-
dawanym w odstępach czasu 25 - 35 s przez urzą-
dzenie UK, które zlicza i dozuje krople o objętości
20  25 mm3.
Rys. 6.1. Przykład krzywej do wyznaczania wskaz
nika CTI
Jako próbki materiału stosuje się dowolne części o
płaskiej powierzchni i tak dobranych wymiarach, aby roztwór zwilżający w czasie badań
nie spływał poza krawędzie. Powierzchnia powinna być gładka, nie obrabiana mechanicz-
nie, oczyszczona przed pomiarem suchÄ… szmatkÄ….
a.
Rys. 6.2. Schemat układu pomiarowego (a) oraz kształt, wymiary i
sposób ustawienia elektrod na próbce (b) według metody kroplowej,
V1 - woltomierz, R - rezystor regulacyjny, E - elektrody, P - próbka,
UK - urzÄ…dzenie dozujÄ…ce i zliczajÄ…ce krople elektrolitu, Pz i Pw -
odpowiednio przycisk załączający i wyłączający zasilanie, Ob 
ruchoma obudowa elektrod pomiarowych
1.3. Metoda pochyłej próbki
Odporność na prądy pełzające według metody pochyłej próbki [4] wyraża się klasą napięcio-
wą, którą uzyskuje badany materiał w ściśle określonych warunkach próby.
Badania przeprowadza się w pokojowych warunkach otoczenia w układzie pokazanym na
rys. 6.3. Układ jest zasilany z transformatora Tp o, napięciu co najmniej 5 kV i prądzie
zwarcia nie mniejszym niż 100 mA na każdą badaną próbkę materiału. Elektrody wykona-
ne ze stali nierdzewnej umieszcza się na badanej próbce w sposób pokazany na rys. 6.3c.
Rys. 6.3. Schemat układu pomiarowego (a), kształt i wymiary próbki (b) oraz sposób ustawienia elektrod na
próbce (c) według metody pochyłej próbki; AT - autotransformator, Tp - transformator probierczy, V - wol-
tomierz, R - zestaw rezystorów, P - próbka. B - wyłącznik nadmiarowo-prądowy,1 - elektroda górna, 2 - pakiet
bibuły filtracyjnej, 3 - dolna elektroda, 4 - miejsce wkraplania roztworu zwilżającego
Powierzchnię próbki materiału zwilża się elektrolitem (0,1% roztwór NH4Cl w wodzie de-
stylowanej z dodatkiem 0,02% niejonowego środka zwilżającego) podawanym w miejsce 4
(rys. 6.3c) przez specjalne urządzenie pozwalające na regulację natężenia wypływu cieczy.
Pomiary wykonuje się na płaskich próbkach o wymiarach podanych na rys. 6.3b.
Ustalono 3 stopnie badania:
" l. stopień - napięcie probiercze 2, 5 kV, natężenie wypływu cieczy zwilżającej
0,15 cm3/min Ä…10%,
" 2. stopień - 3,5 kV, 0,30 cm3/min ą10%,
" 3. stopień - 4,5 kV, 0,60 cm3/min ą10%.
Pomiary rozpoczyna się od badań 1. stopnia. Jeżeli co najmniej 1 z 5 badanych próbek ma-
teriału zostanie uszkodzona w czasie krótszym niż 6 godzin, badania należy zakończyć
uznając wynik próby za ujemny. Jeżeli żadna z 5 próbek nie została uszkodzona w ciągu 6
godzin, należy próbę przerwać i zmierzyć największą głębokość erozji zaobserwowaną w
badanych próbkach materiału. Następnie w analogiczny sposób na 5 nowych próbkach
przeprowadza siÄ™ badania 2. stopnia. Uzyskanie pozytywnego wyniku na 2. stopniu po-
zwala przeprowadzić badania 3. stopnia.
Ostatecznym wynikiem badań jest osiągnięta przez materiał klasa napięciowa, to znaczy
najwyższa wartość napięcia probierczego, przy której żadna z 5 próbek nie uległa uszko-
dzeniu przez 6 godzin oraz największa ze zmierzonych podczas prób głębokość erozji.
1.4. Metoda koła obrotowego
Metodę koła obrotowego [6] (lub inaczej metodę karuzelową) stosujemy w przypadku mate-
riałów izolacyjnych, które charakteryzują się znaczną odpornością na prądy pełzające pracu-
jących w warunkach napowietrznych. Odporność na prądy pełzające według metody koła
obrotowego wyraża się czasem do uszkodzenia, który uzyskuje badany materiał w ściśle
określonych warunkach próby.
Badania przeprowadza się w temperaturze otoczenia w specjalnym układzie probierczym.
Układ jest zasilany napięciem o częstotliwości 48  62 Hz z transformatora probierczego o
napięciu 10 ą 0,5 kV i prądzie zwarcia nie mniejszym niż 10 A przy pełnym napięciu zasi-
lania. Układ pomiarowy powinien mierzyć wartość napięcia probierczego z dokładnością
1,5%.
Próbki materiału w postaci pręta lub rury o uszczelnionych obu końcach i tak dobranej
grubości ścianki, aby erozja dielektryka nie spowodowała w czasie próby przedostania się
płynu zwilżającego do wnętrza próbki. Badany materiał umieszcza się w uziemionych
elektrodach wykonanych ze stali nierdzewnej rozmieszczonych równomiernie na obwodzie
koła probierczego o średnicy 1  1,1 m, prostopadle do jego powierzchni. Na każdej prób-
ce instaluje się elektrodę wysokonapięciową ze stykiem sprężystym. Koło obraca się z
prędkością 3 obr/min wokół osi nachylonej do poziomu pod kątem 15 ą 20.
Pod obracającym się kołem probierczym należy umieścić otwarty zbiornik mieszczący 150 l
elektrolitu zwilżającego powierzchnie próbek materiału badanego. Elektrolit to roztwór
NaCl w wodzie dejonizowanej o takim stężeniu, aby rezystywność roztworu wynosiła 7,5
&!m ą 5% w temperaturze 250 C. W czasie próby temperaturę elektrolitu należy utrzymy-
wać w granicach 25 ą 20C, natomiast jego poziom w zbiorniku powinien być utrzymywany
z dokładnością ą10 mm, przy czym ubytki roztworu należy systematycznie uzupełniać
wodą dejonizowaną. Zbiornik należy ustawić tak, aby każda próbka zanurzała się w elek-
trolicie na 1/6 każdego obrotu. Elektrolit powinien w czasie badań cyrkulować w zbiorniku
oraz być filtrowany przez filtr 75 µm z natężeniem przepÅ‚ywu 1 l/min. Po upÅ‚ywie miesiÄ…ca
elektrolit należy wymienić na nowy.
Napięcie probiercze jest podawane na próbki badane za pomocą półkolistej wysokonapię-
ciowej elektrody oraz indywidualnych sprężystych elektrod Å›lizgowych przez ½ obrotu
każdej próbki. Próbki są połączone z ziemią układu przez własne zespoły kontrolno-
pomiarowe, które wyłączają próbki spod napięcia po ich uszkodzeniu, sygnalizują obec-
ność napięcia na próbkach oraz zliczają sumaryczne czasy włączenia każdej próbki pod
napięcie probiercze. Próby przerywa się w razie potrzeby raz na dobę w celu usunięcia
próbek uszkodzonych. Jako uszkodzenie próbki kwalifikujące ją do usunięcia z dalszych
badań rozumie się wystąpienie przeskoku powierzchniowego lub wzrost prądu upływu
próbki powyżej 300 mA.
Badania przeprowadza się na minimum pięciu próbkach. Jednocześnie można badać próbki
tylko jednego materiału izolacyjnego, chyba że nie występuje wpływ obecności innego
materiału na wyniki badań. Próby kończy się po uszkodzeniu wszystkich badanych próbek
lub po przekroczeniu wymaganego dla materiału (określonego przed próbami) czasu do
uszkodzenia.
Ostatecznym wynikiem badań materiału izolacyjnego metodą koła obrotowego jest czas do
uszkodzenia (wartość średnia, odchylenie standardowe i mediana) osiągnięty przez dielek-
tryk oraz największa ze zmierzonych podczas prób głębokość erozji.
1.5. Metoda wysokonapięciowa
Miarą odporności na prądy pełzające według metody wysokonapięciowej [7] jest czas, jaki
mija od wystąpienia pierwszego wyładowania na powierzchni badanej próbki do momentu
powstania śladu pełznego, w którym obserwuje się trwały wzrost prądu w obwodzie probier-
czym oraz utworzenie ścieżki przewodzącej na powierzchni próbki. W pomiarach wyznacza
się czasy do uszkodzenia próbek o płaskiej powierzchni nie mniejszej niż 20 x 30 mm2 i gru-
bości co najmniej 2 mm, oczyszczonych przed pomiarami suchą szmatką. Na jednej próbce
wykonuje siÄ™ tylko jeden pomiar.
Badania przeprowadza się w pokojowych warunkach otoczenia przy napięciu probierczym
5 kV w układzie pokazanym na rys. 6.4a. Układ jest zasilany z transformatora Tp o na-
pięciu znamionowym do 6 kV i prądzie zwarcia nie mniejszym niż 100 mA. Elektrody
wykonane ze stali nierdzewnej lub wolframu (rys. 6.4b) umieszcza się na badanej próbce w
sposób pokazany na rys. 6.4c. Nacisk każdej z elektrod na próbkę określony w kierunku
pionowym powinien wynosić ok. 0,5 N.
Rys. 6.4. Schemat układu pomiarowego (a), kształt i wymiary elektrod pomiarowych (b) oraz sposób ustawie-
nia elektrod na próbce (c) według metody wysokonapięciowej; AT - autotransformator, Tp - transformator
probierczy, V1, V2 - woltomierze, R - rezystor, P  próbka, E - elektrody, UZ - urządzenie zwilżające
Powierzchnię próbki materiału zwilża się elektrolitem (0,1% roztwór chlorku amonowego
NH4Cl w wodzie destylowanej) w postaci mgły wytwarzanej przez urządzenie zwilżające
UZ, która powinna opadać na próbkę pionowo z intensywnością 0,35 mg/cm2 s.
Ostatecznym wynikiem badań materiału izolacyjnego metodą wysokonapięciową jest czas
do uszkodzenia (wartość średnia obliczona z dokładnością do 2 cyfr znaczących) określony
na podstawie badań dziesięciu próbek, jeżeli poszczególne wyniki pomiarów nie różnią się
o więcej niż 25% od wartości średniej lub na podstawie badań dwudziestu próbek w przy-
padku większych odchyleń.
2. PRZEBIEG ĆWICZENIA
Określić odporność na prądy pełzające metodą kroplową kilku materiałów izolacyjnych wskaza-
nych przez prowadzącego ćwiczenie.
Ogólny schemat połączeń elektrycznych układu probierczego pokazano na rys. 6.2. W celu
przygotowania stanowiska pomiarowego należy:
" sprawdzić poprawność ustawienia elektrod - odstęp, nacisk, usytuowanie względem
urządzenia zwilżającego,
" wyregulować nastawy wyłącznika automatycznego W tak, aby dla napięć do 500 V
wyłączanie następowało po 2 s działania prądu 0,5 A,
" ustawić prąd zwarcia w obwodzie na l ą 0,1 A regulując odpowiednio wartości rezy-
stancji R,
" wypuścić 15 - 20 kropli elektrolitu, sprawdzić poprawność działania licznika kropel
oraz ich objętość.
Pomiary należy przeprowadzić w następujący sposób:
" oczyścić suchą szmatką powierzchnię próbki,
" umieścić próbkę pod elektrodami,
" włączyć napięcie i urządzenie nawilżające,
" zanotować liczbę kropel n do chwili wyłączenia układu.
Wyniki badań zestawić w tablicy 1.
Tablica 1. Wyniki badań odporności na prądy pełzające metodą kroplową
Napięcie
np np CTI
Opis śladu
probiercze
Lp. Materiał badany
pełznego
V - - V
Dla każdej wartości napięcia zbadać, co najmniej 5 próbek, obliczyć wartość średnią np
liczby kropel koniecznej do zwarcia elektrod. Na podstawie wyników wykreślić zależność
pokazaną przykładowo na rys. 6.1 i wyznaczyć wartość wskaz
nika CTI.
3. OPRACOWANIE WYNIKÓW
Opisać wygląd powierzchni badanych próbek, oceniając na tej podstawie odporność mate-
riału na prądy pełzające, porównać z wynikami pomiarów.
Porównać wyniki przeprowadzonych badań z wartościami z literatury, uzasadnić ewentual-
ne różnice.
4. ZAGADNIENIA
1. Co rozumiemy przez pojęcia: prąd pełzający, ślad pełzny, odporność na
prądy pełzające?
2. Omówić mechanizm procesu powstawania śladów pełznych.
3. Co warunkuje odporność materiału na prądy pełzające?
4. Jak można odróżnić materiały mało odporne od bardziej odpornych na
podstawie kształtu śladu pełznego?
5. Dlaczego wyniki pomiarów odporności na prądy pełzające uzyskane dla
jednego materiału różnymi metodami mogą różnić się od siebie?
6. Podać zasadnicze warunki badania odporności na prądy pełzające metodą kroplową,
metodą pochyłej próbki, metodą koła obrotowego i metodą wysokonapięciową.
5. BIBLIOGRAFIA
1. Siciński Z.: Badanie materiałów elektroizolacyjnych. WNT, Warszawa 1968
2. Kurowski W., Sulima T.: Odporność materiałów elektroizolacyjnych na prądy pełzają-
ce. PrzeglÄ…d Elektrotechniczny 1957, nr 4
3. PN-86/E-04410.23 Lakiery elektroizolacyjne. Metody badań. Sprawdzanie odporności na
łuk elektryczny i prądy pełzające
4. PN-89/E-04442 Materiały elektroizolacyjne stałe. Badanie odporności na prądy pełzające
przy wysokim napięciu i pochyłej próbce
5. PN-EN 60112:2003 (U) Metoda wyznaczania wskaz
ników porównawczych i odporności
na prądy pełzające materiałów elektroizolacyjnych stałych
6. PN-EN 61302:2002 (U) Materiały elektroizolacyjne. Metoda oceny odporności na prądy
pełzające i erozję. Próba na kole obrotowym
7. PN-64/E-04442 Badanie odporności na prądy pełzające metodą wysokonapięciową