Jak badać WN, napięcie krokowe, dotykowe i rezystancję uziemienia?

Dowiedz się więcej na temat technik pomiaru rezystancji izolacji!

Izolacja jest właściwością materiału i jest mierzona jako rezystancja izolacji. Charakterystyka izolacji zmienia się w czasie, przeważnie pogarszając się wraz ze starzeniem. Różne zjawiska fizyczne mają wpływ na charakterystykę izolacji, np. temperatura, kurz, wilgotność, naprężenia mechaniczne, radiacja. Trudne warunki otoczenia, w szczególności ekstremalne temperatury, skażenia chemiczne powodują dalszą degradację.

Bezpieczeństwo, sprawność i niezawodność to najważniejsze parametry urządzeń elektrycznych zawierających izolację i jest to powód dla którego rezystancja izolacji powinna być mierzona. Izolacja jest badana w początkowym cyklu życia/stosowania urządzenia elektrycznego, a także później podczas czynności konserwacyjnych, kontrolnych, naprawczych itd.

Podstawy pomiaru izolacji

Zgodnie z prawem Ohma, I=U/R prąd nie zależy od czasu. Jednak proste pomiary izolacji pokazują, że w praktyce jest inaczej. Przyczyną takiego zachowania prądu są różne zjawiska w materiale izolacyjnym po przyłożeniu napięcia. Typowy schemat izolacji, prezentujemy poniżej.

Całkowity prąd Itot składa się z czterech prądów składowych.

W praktyce pomiar rezystancji izolacji nie zawiera idealnego źródła napięciowego. Na początku cała dostępna moc przyrządu jest wykorzystywana do naładowania w krótkim okresie kondensatora Ciso. Napięcie na stykach w konsekwencji spada.

Jeśli napięcie DC zostanie nagle przyłożone do izolacji, prąd osiągnie dużą wartość, zmniejszając się stopniowo w czasie, aż do uzyskania wartości stabilnej. Prąd upływowy nie zmienia się w czasie i ten prąd jest głównym czynnikiem służącym do oceny stanu izolacji.

Typy pomiaru izolacji

Stosowane są różne typy pomiaru izolacji w celu określenia jej charakterystyki.

Pomiar napięciem DC i pomiar napięciem AC

Pomiar AC jest bardziej odpowiedni do pomiaru testu wytrzymałości elektrycznej czy przebicia. Pomiar DC daje bardziej odpowiedni obraz testowanej izolacji.

Pomiar punktowy

Jest to najprostszy i najszybszy sposób pomiaru rezystancji izolacji. Niestety tylko jeden pomiar, bez wcześniejszych testów może być wstępną oceną jak dobra lub zła jest izolacja. Przy tym pomiarze przyrząd jest podłączony przez izolację testowanego obiektu. Napięcie pomiarowe przyłożone jest przez stały okres czasu, przeważnie odczyt po 1 minucie jest zbieżny z wykresem.

Pomiar punktowy powinien być wykonywany wyłącznie jeśli temperatura izolacji znajduje się powyżej punktu rosy.

Wskazówka METRELa:
Niższa wartość rezystancji izolacji może być osiągnięta zgodnie z zasadą 1 megohma: Rezystancja izolacji powinna wynosić przynajmniej 1 MΩ na każdy kV napięcia zasilania, ale nie mniej niż 1MΩ (np. silnik o napięciu pracy 5kV powinien posiadać minimalną rezystancję min. 5 MΩ).

Metoda wzrostu czasu / indeks polaryzacji / współczynnik absorpcji dielektryka

Przyłożone napięcie przy złej izolacji powoduje spadek wartości Riso i zwiększa prąd upływowy IRiso. Prąd absorpcji jest zamaskowany przez wysoki prąd upływowy izolacji. Prąd upływowy izolacji pozostaje na stałym poziomie i wartości mierzone izolacji pozostają niskie. Dobra izolacja wykazuje ciągły wzrost rezystancji w okresie. Jest to spowodowane absorpcją, którą łatwo zauważyć. Efekt absorpcyjny trwa znacznie dłużej niż czas potrzebny do naładowania pojemności izolacji.

Wynik takiego pomiaru określany jest współczynnikiem polaryzacji (PI), który jest definiowany jako współczynnik mierzonych rezystancji w dwóch odcinkach czasowych (typowy stosunek to wartość w 10 min odniesiona do wartości 1 min).

Typowe wartości indeksu polaryzacji.


Wynik tej metody nie zależy od temperatury i może dostarczyć użytecznych informacji bez porównywania z wcześniejszymi testami.

Współczynnik absorpcji dielektryka (DAR) jest podobny do indeksu polaryzacji. Jedyna różnica to długość okresu pomiarowego, który przeważnie = 30 s (lub 15 s) i 1 minutę.

Typowe wartości rozładowania dielektryka

Rozładowanie dielektryka

Trudno jest określić indeks polaryzacji, jeśli prąd IRCpi absoprcji polaryzacji jest niski w porównaniu do innych. Zamiast pomiaru prądu polaryzacji podczas pomiaru izolacji, można wykonać pomiar rozładowania dielektryka (DD). Pomiar DD jest wykonywany po ukończeniu pomiaru rezystancji izolacji. Przeważnie materiał izolacyjny pozostaje podłączony do napięcia pomiarowego przez 10 ... 30 min a następnie rozładowywany zanim zostanie wykonany pomiar DD. Po 1 min mierzony jest prąd rozładowania w celu wykrycia ładowania reabsorpcji materiału izolacyjnego. Wysoki prąd reabsorpcji wskazuje na zanieczyszczenie izolacji (przeważnie wilgocią).

Wartości rozładowania dielektrycznego

Typowe wartości rozładowania dielektrycznego

Pomiar rozładowania dielektryka jest użyteczny przy pomiarze wielowarstwowej izolacji.

Pomiar rezystancji izolacji napięciem krokowym

Pomiar wykonywany dużo niższym niż standardowo stosowanym napięciem, często pozwala na wykrycie wilgoci i zabrudzeń izolacji gdzie objawy starzenia lub mechaniczne uszkodzenia stosunkowo czystej i suchej izolacji mogą nie zostać wykryte przy małym obciążeniu. Metoda pomiaru napięciem krokowym jest bardzo użyteczna przy pomiarze przyrządem o niższym napięciu pomiarowym niż wartość znamionowa napięcia testowanego obiektu. Innymi słowy, napięcie krokowe pozwala na uzyskanie użytecznych wyników, nawet w przypadku gdy nie ma możliwości obciążenia izolacji napięciem znamionowym.

Testowany obiekt poddawany jest próbom różnym napięciem przykładanym w krokach. Napięcie podawane na początku ma małą wartość, a następnie zwiększa się w kolejnych krokach do osiągnięcia najwyższej wartości.

Kształt krzywej obrazuje jakość izolacji:

• Rezystancja uszkodzonej izolacji zmniejszy się drastycznie.
• Dobra izolacja przyjmuje mniej więcej stałą wartość rezystancji przy każdym napięciu.

Test wytrzymałości izolacji

Test wytrzymałości izolacji to jeden z podstawowych pomiarów izolacji. Zasada jest bardzo prosta, napięcie podawane jest na testowany obiekt przez określony czas lub do momentu przebicia napięcia przez izolację.

Okres w którym napięcie jest podawane i wzrasta, napięcie maksymalne i maks. wartość napięcia pomiarowego jest bardzo ważna i zależy od testowanego obiektu. Parametry te są zdefiniowane w odpowiednich normach. Wskaźnikiem przebicia jest nagły wzrost prądu przepływającego przez izolację, powyżej ustalonej wartości.

Typowy sposób podłączenia:

Przewody zasilania

Przewód kontrolny i komunikacyjny


Domowe i podobne urządzenia elektryczne

Silnik indukcyjny

Pomiar transformatora

Uziemienie

Poprawne podłączenie uziemienia do metalowych elementów obudowy, gwarantuje, że napięcia pojawiące się na ich powierzchni pozostaną poniżej niebezpiecznego poziomu w przypadku awarii. Jeśli nastąpi awaria, prąd uszkodzeniowy popłynie do elektrody uziemiającej.

Typowy sposób rozkładu napięcia wystepuje wokół elektrody (tzw. „stożek napięciowy”). Prądy uszkodzeniowe występujące blisko obiektów sieci energetycznej (podstacje, elektrownie itd.) mogą być bardzo wysokie i osiągać nawet 200kA. Może to doprowadzić do wystąpienia bardzo groźnego napięcia rażenia i krokowego. Jeśli występują dodatkowo podziemne instalacje metalowe (planowane bądź nieprzewidziane) stożek napięciowy może się znacząco odkształcić co spowoduje pojawienie się grożnych, wysokich napięć w znacznej odległości od punktu uszkodzenia. Dlatego też rozkład napięcia wokół obiektów energetycznych musi być dokładnie zbadany.

Norma PN-EN 61140 określa maksymalną dozwoloną relację czasu do napięcia krokowego:

Maksymalne okresy czasowe i napięcia uszkodzeniowe

Przy dłuższej ekspozycji, napięcie dotykowe musi pozostać poniżej 50V.

Podczas testu, prąd pomiarowy jest wprowadzany do gruntu przez sondę pomocniczną. Wyższe prądy wprowadzane do gruntu zwiększają odporność na zakłócenia wywołanie prądami błądzącymi.

Pomiar napięcia krokowego

Pomiar napięcia krokowego wykonywany jest pomiędzy dwoma uziemionymi punktami, oddalonymi o 1 m. Sondy 25kg symulują stopy. Napięcie pomiędzy sondami, mierzone jest woltomierzem o wewnętrznej rezystancji równej 1kΩ co odpowiada rezystancji ciała.

Pomiar napięcia dotykowego

Pomiar napięcia dotykowego wykonywany jest pomiędzy dostępnymi metalowymi elementami a uziemieniem. Napięcie pomiędzy sondami, mierzone jest woltomierzem o wewnętrznej rezystancji równej 1kΩ co odpowiada rezystancji ciała.

Pomiar rezystancji uziemienia

Do pomiaru rezystancji uziemienia, stosowane są sondy napięciowa i prądowa (wykorzystana jako pomocnicza). Ze względu na stożek napięciowy istotne jest aby elektrody były rozmieszczone poprawnie.

Pomiar rezystywności gruntu

Przy pomiarze rezystywności gruntu prąd wprowadzany jest do gruntu za pomocą dwóch prądowych elektrod (C1/H i C2/E).

Sondy napięciowe S i ES muszą być umieszczone pomiędzy sondami prądowymi (należy zachować takie same odległości „a”). Stosowanie różnych odległości pomiędzy sondami pomiarowymi oznacza, że pomiar wykonywany jest na różnej głębokości. Poprzez zwiększanie odległości ‚a’ mierzone są coraz głębsze warstwy gruntu.

Pomiar małych rezystancji 4 przewodową metodą Kelvina

Przy pomiarach rezystancji 20 Ω zalecane jest stosowanie czteroprzewodowej metody Kelvina zwiększającej dokładność pomiaru. Przy wykorzystaniu tej metody, rezystancja przewodów jest eliminowana z wyniku pomiaru jak  również konieczność kalibracji przewodów.

Typowe podłączenia:

Prąd pomiarowy przepływa przez nieznaną rezystancję Rx2 wykorzystując przewody C1 oraz C2. Umiejscowienie tych przewodów nie jest czynnikiem krytycznym, ale powinno zawsze znajdować się poza przewodami P1 oraz P2. Spadek napięcia na szerokości rezystancji jest mierzony na szerokości pomiędzy P1 oraz P2, dlatego powinny one być umieszczone dokładnie w punktach pokrywających się z mierzoną rezystancją.