Jak správně změřit izolační odpor meggerem?

Pro bezpečný provoz musí mít všechny elektrické instalace a zařízení izolační odpor, který splňuje určité specifikace. Ať už jde o propojovací kabely, izolační a ochranná zařízení nebo elektromotory a generátory, elektrické vodiče jsou izolovány pomocí materiálů s vysokým elektrickým odporem, které co nejvíce omezují elektrický proud mimo vodiče.

V důsledku dopadů na zařízení se kvalita těchto izolačních materiálů v průběhu času mění. Takové změny snižují elektrický odpor izolačních materiálů, což zvyšuje svodový proud, což má následně vážné důsledky jak z hlediska bezpečnosti (pro osoby a majetek), tak z hlediska nákladů na odstávky výroby.

Pravidelné testování izolace prováděné na závodech a zařízeních, navíc k měřením prováděným na nových a renovovaných zařízeních během uvádění do provozu, pomáhá předejít takovým incidentům prostřednictvím preventivní údržby. Tyto testy umožňují odhalit stárnutí a předčasné zhoršení izolačních vlastností dříve, než dosáhnou úrovně, která by mohla vést k výše popsaným incidentům.

Na tomto místě je užitečné objasnit rozdíl mezi dvěma často zaměňovanými typy měření – testováním dielektrické pevnosti a testováním izolačního odporu.

Zkouška dielektrické pevnosti, nazývaná také jiskrová zkouška, určuje schopnost izolace odolat střednědobému napěťovému rázu bez jiskření. Ve skutečnosti může být takový napěťový ráz způsobený bleskem nebo indukcí v důsledku vadného elektrického vedení. Hlavním účelem této zkoušky je zajistit shodu se stavebními předpisy, pokud jde o povrchové vzdálenosti a vzdálenosti. Tento test se často provádí pomocí střídavého napětí, ale test také používá stejnosměrné napětí. Tento typ měření vyžaduje použití vysokonapěťového testeru. Výsledkem je hodnota napětí, obvykle vyjádřená v kilovoltech (kV). Testování elektrické pevnosti může být zničující, pokud selže, v závislosti na testovacích úrovních a energetických možnostech přístroje. Proto se tato metoda používá pro rutinní testování na nových nebo renovovaných zařízeních.

Za normálních zkušebních podmínek je měření izolačního odporu nedestruktivní zkouškou. Toto měření se provádí s použitím nižšího stejnosměrného napětí než zkouška dielektrické pevnosti a poskytuje výsledek vyjádřený v kOhm, MOhm, GOhm nebo TOhm. Hodnota odporu udává kvalitu izolace mezi dvěma vodiči. Jelikož je tento test nedestruktivní, je vhodný zejména pro sledování stárnutí izolace provozovaných elektrických zařízení nebo instalací. K tomuto měření se používá tester izolace, nazývaný také megger.

Vzhledem k tomu, že měření izolace pomocí meggeru je součástí širší politiky preventivní údržby, je důležité pochopit důvody, proč se může izolační výkon zhoršit. Pouze to vám umožní podniknout správné kroky k jejich odstranění.

Příčiny selhání izolace lze rozdělit do pěti skupin. Je však třeba mít na paměti, že při absenci jakýchkoli nápravných opatření se budou různé příčiny vzájemně překrývat, což povede k porušení izolace a poškození zařízení.

Elektrické zátěže

Elektrické zátěže jsou v zásadě spojeny s odchylkou provozního napětí od jmenovité hodnoty a přepětí i podpětí mají vliv na izolaci.

Mechanická zatížení

Časté sekvenční spouštění a zastavování zařízení může způsobit mechanické namáhání. Patří sem také problémy s vyvažováním točivých strojů a jakékoli přímé namáhání kabelů a instalací obecně.

Chemické vlivy

Přítomnost chemikálií, olejů, agresivních výparů a prachu obecně negativně ovlivňuje výkon izolačních materiálů.

Stresy spojené s kolísáním teplot

V kombinaci s mechanickým namáháním způsobeným po sobě jdoucími starty a zastaveními zařízení jsou vlastnosti izolačních materiálů ovlivněny také napětím generovaným roztahováním a smršťováním. Práce při extrémních teplotách také způsobuje stárnutí materiálů.

Znečištění životního prostředí

Plísně a cizí částice v teplém vlhkém prostředí také přispívají ke zhoršování izolačních vlastností instalací a zařízení.

Níže uvedená tabulka ukazuje relativní četnost různých příčin selhání motoru.

Kromě náhlých poruch izolace v důsledku extrémních událostí, jako jsou povodně, se kombinují faktory, které snižují účinnost izolace provozovaného zařízení, a někdy se navzájem posilují. V konečném důsledku to z dlouhodobého hlediska bez neustálého sledování povede k situacím, které se stanou kritickými z hlediska bezpečnosti lidí a běžného provozu. Pravidelné testování izolace instalací nebo elektrických strojů je proto užitečným způsobem monitorování stavu izolace, což umožňuje provést nezbytná opatření dříve, než dojde k poškození.

Princip zkoušení izolace a faktory, které jej ovlivňují

Měření izolačního odporu je založeno na Ohmově zákonu. Přiložením známého stejnosměrného napětí na úrovni nižší, než je dielektrické testovací napětí a následným měřením hodnoty proudu, je velmi snadné určit hodnotu odporu. V zásadě je hodnota izolačního odporu velmi velká, ale ne nekonečná, proto při měření malého protékajícího proudu megohmetr ukazuje hodnotu izolačního odporu v kOhm, MOhm, GOhm a dokonce i v TOhm (u některých modelů) . Tento odpor charakterizuje kvalitu izolace mezi dvěma vodiči a může indikovat riziko úniku proudu.

Hodnota izolačního odporu, a tedy i množství proudu, který protéká při přivedení stejnosměrného napětí na testovaný obvod, je ovlivněna řadou faktorů. Mezi takové faktory patří například teplota nebo vlhkost, které mohou výrazně ovlivnit výsledky měření. Nejprve analyzujme povahu proudů tekoucích během měření izolace za použití hypotézy, že tyto faktory neovlivňují prováděné měření.

Celkový proud tekoucí v izolačním materiálu je součtem tří složek

Kapacita: Pro nabití kapacity testované izolace je zapotřebí kapacitní nabíjecí proud. Jedná se o přechodový proud, který začíná na relativně vysoké hodnotě a exponenciálně klesá na hodnotu blízkou nule, jak se testovaný obvod elektricky nabíjí. Po několika sekundách nebo desetinách sekundy se tento proud stane nevýznamným ve srovnání s naměřeným proudem.

Absorpce: Absorpční proud odpovídající dodatečné energii potřebné k přeorientování molekul izolačního materiálu pod vlivem aplikovaného elektrického pole. Tento proud klesá mnohem pomaleji než kapacitní nabíjecí proud; někdy trvá několik minut, než se dosáhne hodnoty blízké nule.

Svodový proud: Svodový proud nebo vodivý proud. Tento proud charakterizuje kvalitu izolace a v průběhu času se nemění.

Níže uvedený graf ukazuje tyto tři proudy jako funkci času. Časový rozsah je libovolný a může se lišit v závislosti na testované izolaci.

Pro zajištění správných výsledků testů u velmi velkých motorů nebo velmi dlouhých kabelů může minimalizace kapacitních a absorpčních proudů trvat 30 až 40 minut.

Když je na obvod aplikováno konstantní napětí, celkový proud protékající testovaným izolátorem se mění jako funkce času. To znamená významnou změnu izolačního odporu.

Než se podrobně podíváme na různé metody měření, bylo by užitečné znovu se podívat na faktory, které ovlivňují měření izolačního odporu.

Teplotní efekt

Teplota způsobí kvazi-exponenciální změnu hodnoty izolačního odporu. V rámci programu preventivní údržby by měla být měření prováděna za stejných teplotních podmínek, nebo pokud to není možné, měla by být korigována vzhledem k referenční teplotě. Například zvýšení teploty o 10 °C sníží izolační odpor přibližně o polovinu, zatímco snížení teploty o 10 °C zdvojnásobí hodnotu izolačního odporu.

Úroveň vlhkosti ovlivňuje izolaci podle stupně znečištění jejího povrchu. Nikdy neměřte izolační odpor, když je teplota pod rosným bodem.

Korekce izolačního odporu v závislosti na teplotě (zdroj IEEE-43-2000)

Testovací metody a interpretace výsledků

Krátkodobé nebo bodové měření

Toto je nejjednodušší metoda. Zahrnuje přiložení zkušebního napětí na krátkou dobu (30 nebo 60 sekund) a zaznamenání hodnoty izolačního odporu v tomto okamžiku. Jak je uvedeno výše, toto přímé měření izolačního odporu je výrazně ovlivněno teplotou a vlhkostí, proto by mělo být měření standardizováno na referenční teplotu a úroveň vlhkosti by měla být zaznamenána pro srovnání s předchozími měřeními. Pomocí této metody můžete analyzovat kvalitu izolace porovnáním aktuální naměřené hodnoty s výsledky několika předchozích testů. Postupem času to poskytne spolehlivější informace o izolačním výkonu testované instalace nebo zařízení ve srovnání s jediným testem.

Pokud podmínky měření zůstanou stejné (stejné zkušební napětí, stejná doba měření atd.), pak při periodických měřeních lze získat jasné posouzení izolačního stavu sledováním a interpretací jakýchkoli změn. Po zaznamenání absolutní hodnoty je nutné analyzovat změnu v čase. Měření vykazující relativně nízkou izolační hodnotu, která je nicméně v čase stabilní, by teoreticky mělo být méně znepokojivé než významné snížení izolačního odporu v čase, i když je izolační odpor vyšší než doporučená minimální hodnota. Obecně platí, že jakýkoli náhlý pokles izolačního odporu indikuje problém, který je třeba prošetřit.

Níže uvedený graf ukazuje příklad měření izolačního odporu pro elektromotor.

V bodě A klesá izolační odpor vlivem stárnutí a hromadění prachu.
Prudký pokles v bodě B indikuje selhání izolace.
V bodě C byla závada odstraněna (vinutí motoru bylo převinuté),
proto se vrátila vyšší hodnota izolačního odporu a zůstala stabilní v průběhu času, což ukazuje na dobrý izolační stav.
Zdroj: AEMC® Instruments

Zkušební metody založené na vlivu doby aplikace zkušebního napětí (PI a DAR)

Tyto metody zahrnují sekvenční měření hodnot izolačního odporu ve stanovených časech. Mají výhodu, že nejsou nijak zvlášť ovlivněny teplotou, takže je lze použít bez korekce výsledků, pokud není zkušební zařízení během zkoušky vystaveno výrazným teplotním výkyvům.

Tyto metody jsou ideální pro preventivní údržbu točivých strojů a pro monitorování izolace.

Pokud je izolační materiál v dobrém stavu, svodový nebo vodivý proud bude nízký a počáteční měření bude značně ovlivněno kapacitními nabíjecími a dielektrickými absorpčními proudy. Když je aplikováno zkušební napětí, naměřená hodnota izolačního odporu se časem zvyšuje, protože tyto rušivé proudy klesají. Doba stabilizace potřebná k měření izolace v dobrém stavu závisí na typu izolačního materiálu.

Pokud je izolační materiál ve špatném stavu (poškozený, špinavý a mokrý), svodový proud bude konstantní a velmi vysoký, často přesahující kapacitní nabíjecí a dielektrické absorpční proudy. V takových případech se měření izolačního odporu velmi rychle ustálí a ustálí se na hodnotě vysokého napětí.

Studium změny hodnoty izolačního odporu v závislosti na době aplikace zkušebního napětí umožňuje posoudit kvalitu izolace. Tato metoda umožňuje vyvozovat závěry, i když není veden protokol měření izolace. Doporučuje se však zaznamenávat výsledky periodických měření prováděných v rámci programu preventivní údržby.

Polarizační index (PI)

Při použití této metody se odečítají dva údaje po 1 minutě a 10 minutách. Poměr (bez rozměrů) 10minutové hodnoty izolačního odporu k 1minutové hodnotě se nazývá polarizační index (PI). Tento ukazatel lze použít k posouzení kvality izolace.

Metoda měření polarizačního indexu je ideální pro testování obvodů s pevnou izolací. Tato metoda se nedoporučuje používat na zařízení, jako jsou transformátory ponořené do oleje, protože poskytuje špatné výsledky, i když je izolace v dobrém stavu.

Doporučení IEEE 43-2000, Doporučené zkušební metody pro izolační odpor rotujících strojů, specifikuje minimální hodnotu polarizačního indexu (PI) 2.0 pro AC a DC rotující stroje v teplotních třídách B, F a H. Obecně platí, že hodnota PI vyšší než 4 je známkou vynikající izolace, zatímco hodnota nižší než 2 znamená potenciální problém.

PI = R (10 minutové měření izolace) / R (1 minutové měření izolace)

Výsledky jsou interpretovány následovně:

Hodnota PI

Stav izolace

Míra dielektrické absorpce (DAR)

U instalací nebo zařízení obsahujících izolační materiály, ve kterých rychle klesá absorpční proud, může být pro posouzení stavu izolace dostatečné měření po 30 sekundách a 60 sekundách. Koeficient DAR se určuje takto:

DAR = R (60 sekund měření izolace) / R (30 sekund měření izolace)

Výsledky jsou interpretovány následovně:

Hodnota DAR

Stav izolace

Metoda založená na vlivu měnícího se zkušebního napětí (testování skokového napětí)

Přítomnost znečištění (prach, nečistoty atd.) nebo vlhkosti na povrchu izolace je obvykle jasně detekována časově závislým měřením odporu (PI, DAR atd.). Tento typ testování, prováděný s použitím nízkého napětí vzhledem k dielektrickému napětí testovaného izolačního materiálu, však může někdy vynechat známky stárnutí izolace nebo mechanického poškození. Výrazné zvýšení aplikovaného zkušebního napětí může naopak způsobit poškození v těchto slabých místech, což povede k výraznému poklesu naměřené hodnoty izolačního odporu.

Aby byl účinný, musí být poměr mezi napěťovými kroky 1 až 5 a každý krok musí být stejný v čase (typicky 1 až 10 minut), přičemž musí zůstat pod klasickým testovacím napětím dielektrika (2Un + 1000 V). Výsledky získané touto metodou jsou zcela nezávislé na typu izolace a teplotě, protože nejsou založeny na vnitřní hodnotě měřeného izolantu, ale na efektivním snížení hodnoty získané po stejné době pro dvě různá zkušební napětí. .

Pokles hodnoty izolačního odporu o 25 % nebo více mezi prvním a druhým krokem měření je důkazem zhoršení izolace, které je obvykle spojeno s přítomností kontaminace.

Zkušební metoda dielektrického rozptylu (DD).

Test dielektrického úniku (DD), známý také jako měření reabsorpčního proudu, se provádí měřením svodového proudu dielektrika na testovaném zařízení.

Vzhledem k tomu, že během standardní zkoušky izolace jsou přítomny všechny tři složky proudu (kapacitní nabíjecí proud, polarizační proud a svodový proud), může být stanovení polarizačního nebo absorpčního proudu ovlivněno přítomností svodového proudu. Namísto pokusu o měření polarizačního proudu během testování izolace, testování dielektrického rozptylu (DD) měří depolarizační proud a kapacitní vybíjecí proud po testování izolace.

Princip měření je následující. Nejprve se testované zařízení nabíjí po dobu dostatečnou k dosažení ustáleného stavu (kapacitní nabíjení a polarizace jsou dokončeny a jediným proudem, který teče, je svodový proud). Zařízení se pak vybije přes odpor uvnitř meggeru a měří se protékající proud. Tento proud se skládá z kapacitního nabíjecího proudu a reabsorpčního proudu, které dohromady dávají celkový disipační proud v dielektriku. Tento proud se měří po standardní době jedné minuty. Elektrický proud závisí na celkové kapacitě a konečném zkušebním napětí. Hodnota DD se vypočítá pomocí vzorce:

DD = proud po 1 minutě / (zkušební napětí x kapacita)

Test DD identifikuje nadměrné vybíjecí proudy, když je jedna z vrstev vícevrstvé izolace poškozena nebo kontaminována. V bodových testech nebo testech PI a DAR může taková závada chybět. Pro dané napětí a kapacitu bude vybíjecí proud vyšší, pokud dojde k poškození jedné z izolačních vrstev. Časová konstanta této jednotlivé vrstvy již nebude stejná jako u ostatních vrstev, což má za následek vyšší hodnotu proudu ve srovnání s nepoškozenou izolací. Homogenní izolace bude mít hodnotu DD blízkou nule a přijatelná vícevrstvá izolace bude mít hodnotu DD až 2. Níže uvedená tabulka uvádí stav v závislosti na získané hodnotě DD.