6. КОНТРОЛЬ СОСТОЯНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ИЗОЛЯЦИИ
6.1. Особенности поведения внутренней изоляции при эксплуатации
Изоляция в трансформаторах, кабелях, конденсаторах и других элементах, установленных в электрической системе, не имеющая предусмотренного контакта с атмосферным воздухом, является внутренней. По типу диэлектрика внутренняя изоляция бывает твердой, жидкой, газообразной, однородной или комбинированной. Внутренняя изоляция характеризуется изменением в худшую сторону диэлектрических свойств с течением времени эксплуатации под напряжением, этот процесс называют старением изоляции. Старение связано с химическим разложением диэлектрика под действием нагрева и электрического поля, вследствие чего снижаются такие физические характеристики диэлектрика, его механическая и электрическая прочность. Старению способствуют также электродинамические воздействия на изоляцию, вибрация изоляции. В ряде случаев приходится считаться с разрушением изоляции микроорганизмами. Старение изоляции ускоряется увлажнением и загрязнением.
В отличие от наружной внутренняя изоляция имеет меньшие возможности для самовосстановления после электрического пробоя и отключения тока дуги. Самовосстановление характерно для внутренней вакуумной, газовой или жидкой изоляции. Частичное самовосстановление может наблюдаться после пробоя изоляции импульсным напряжением; пробой в электрическом высоковольтном кабеле и бумажно-масляной изоляции иногда "заплывает". В общем случае пробой внутренней изоляции нежелателен, поэтому ограничить вероятность пробоя в течение некоторого срока эксплуатации можно либо повышением электрической прочности изоляции, либо ограничением перенапряжений.
Для эксплуатации важно не допустить внезапного неожиданного пробоя изоляции, что обычно приводит к аварийным ситуациям, в связи с чем большое внимание уделяется периодическому контролю качества внутренней изоляции. Контроль обеспечивается с разной степенью надежности трактовки получаемых результатов при испытаниях повышенным напряжением, когда возможно разрушение частично ослабленной изоляции, и при неразрушающих испытаниях непосредственно при рабочем напряжении /измерение тока 1ут изоляционной конструкции, параметров частичных разрядов/ и при пониженных напряжениях /tg
, коэффициент абсорбции/.
Испытания внутренней изоляции в целях экономии средств и удобства измерений могут выполняться на отдельных частях объекта, макетах, имитаторах.
6.2. Контроль состояния изоляции при повышенных напряжениях
Контроль изоляции повышенным напряжением выявляет сосредоточенные дефекты, которые трудно поддаются определению другими методами. Подъем и выдержка испытательного напряжения приводят к пробою дефектного места изоляции. Однако дефект может незначительно ухудшить изоляцию в нормальном рабочем режиме и такую изоляцию разрушать не имеет смысла. По этой причине контроль повышенным напряжением выполняется после применения неразрушающих методов и испытательные напряжения установлены на 15% меньше напряжений испытания нового объекта при выпуске его с завода. Время выдержки изоляции под напряжением принято не меньше 1 мин из соображений того, что за это время в изоляции с внутренним дефектом процессы частичных разрядов или пробоя четко приведут к однозначной трактовке результата испытания.
Полагают, что изоляция выдержала испытание повышенным напряжением, если за время испытания не наблюдалось пробоя или частичного повреждения изоляции, не появился дым, не выделялся газ, не было характерных звуков разрушения изоляции. При испытаниях целесообразно исполь ювать напряжение рабочей частоты, но для объектов с большой емкостью потребуется мощная испытательная установка.
Такие объекты, как кабели, большие электрические машины, конденсаторы ис-пытываются напряжением выпрямленного тока. Поскольку при постоянном напряжении слабее проявляются тепловые процессы и снижается уровень частичных разрядов, для приближения условий испытания на постоянном напряжении к условиям при напряжении рабочей частоты принято повышать испытательное напряжение выпрямленного тока. Например, уровень испытательного напряжения Uucn - составляет:
для электрических машин - 2,2...2,5UHOM',
для кабелей с UH0M до 10 кВ - 5...6 UH0M;
для кабелей с UH0M 10...35 кВ - 4...5 UHOM.
Длительность испытаний достигает 10... 15 мин. В случае постоянства значения или спада тока утечки изоляции признается нормальной.
6.3. Частичные разряды во внутренней изоляции
Широко применяется измерение характеристик частичных разрядов при профилактических испытаниях изоляционных конструкций. Частичный разряд /ч.р./ является электрическим пробоем обычно небольшого по размерам дефекта диэлектрика. Полагают установленной связь между появлением ч.р. и неоднородности в диэлектрике, причем отмечена корреляция характеристик ч.р. с размером дефекта изоляции.
Частичные разряды при длительном их существовании приводят к недопустимому снижению электрической прочности конструкции. Следует отметить три возможных механизма воздействия ч.р. на срок службы изоляции:
1/ нарушение электрической прочности из-за случайных процессов, не связанных с предварительным старением диэлектрика;
2/ местные разрушения диэлектрика в местах его неоднородностей;
3/ проявления местных неоднородностей как следствие воздействия ч.р.
Достаточно трудно выполнить изоляцию без каких либо ч.р. при длительной эксплуатации. Поэтому задача определения количественной связи между энергетическими характеристиками ч.р. и степенью разрушения диэлектрика актуальна. Применительно к диэлектрику энергия ч.р. сопоставляется с энергетической характеристикой В материала, причем В измеряется количеством разрушенного вещества при воздействии энергии разряда в 1 Дж и соответственно измеряется в граммах на джоуль (г/Дж) или в кубических сантиметрах ни джоуль (см3/Дж). Значение В определяется экспериментально Для полимерных материалов важен коэффициент эрозии: например, для полиэтилена Вэ=-1,3*10
мм
/Дж или Вэ = 1,2*10
г/Дж. Разложение жидких диэлектриков с образованием воскообразных веществ характеризуется коэффициентом Вх. Газовыделение из твердых и жидких диэлектриков характеризуется В
, см3 /Дж. Минеральное масло в бумажно-масляной изоляции под действием ч. р. разрушается с выделением водорода и 
см3 /Дж.
Возможность появления ч.р. рассмотрим на упрощенной модели плоского диэлектрика (рис. 6.1, а). Толщина диэлектрика d=dg+de, где газовое включение имеет высоту de. . Емкостная схема замещения диэлектрика показана на рис. 6.1, б. Емкость плоского включения Св , емкость участка исходного диэлектрика высотой dg и площадью сечения Se, такой же, как включение, обозначена Cg ; емкость остальной части плоского конденсатора с общей площадью поверхности электрода S составляет Са . Результирующая емкость между электродами Э; И Э2
Cx=(Ca + CвCg(Cв + Cg)
/6.1/
рис.6.1.
Приложенное к электродам 
напряжение и создает во включении напряженность электрического поля
/6.2/
Учитывая, что диэлектрическая проницаемость твердого диэлектрика 
>
для среды включения и что de « dg, отмечаем существенное повышение напряженности поля во включении,в частности, при 
/6.3/
Ориентировочно включение имеет толщину de порядка десятков микрометров и давление газа в нем близко к атмосферному, тогда напряжение пробоя 
включения составляет примерно 250'...300 В.
Процесс развития во времени ч.р. при приложении к электродам Э1 - Э2 синусоидального напряжения 
показан на рис. 6.2. Напряжение на включении ив составляет часть напряжения иэ , поскольку емкости Cg и Св образуют емкостный делитель напряжения:
ue=u3Cg(Cg+Ce)
/6.4/
82
Чтобы упростить решение вопроса, примем включение напряжения в момент нуля /точка а на рис 6,2/При
достижении на включении напряжения пробоя 
заряженная емкость Св разряжается достаточно быстро и напряжение на включении спадает практически сразу, но не до нуля, а до напряжения гашения ивг, . Ток в канале разряда, т.е. в цепи промежутка ИП /см. рис. 6.1, б/ достаточен для поддержания дуги только в первые мгновения (10 ...10'2 мкс) после пробоя, а затем при нейтрализации части заряда емкости Св ток в дуге слабеет, ее электропроводимость падает и дуга
гаснет. Далее в цепи делителя Cg-Ce протекает ток, определяемый изменяющимся напряжением иэ , в результате емкость Св подзаряжается до ивпр и процесс посторяется до изменения знака производной du/dt, т.е. до момента амплитуды напряжения Ue. Эксперименты показали, что для включений (воздух, масло) толщиной de 10.. 100 мкм Ue!
(0.5...0,8)Ue.np,
Число разрядов на емкости Св за полупериод напряжения 0,5Т равно количеству возможных восстановлений напряжения 
за этот период времени. В течение времени 
напряжение ив изменилось бы при отсутствии пробоев в емкости Св от +Ue до -Ue, т.е. на 2Ue. При изменении напряжения ив от +ивг до -и
разрядов нет, тогда
/6.5/
За время каждого частичного разряда, т.е. разряда емкости Св в канале ч.р. выделяется некоторая энергия W=0.5Ce(U2e.np.-U2e.г )Средняя мощность ч.р. за период Т
Р = 2n05W./6.6/
В последовательной цепи емкостей Cg -Св заряды на емкостях одинаковы. При пробое промежутка ИП разряжается как емкость Св ,так и емкость Cg. Заряд, протекающий через дугу пробоя искрового промежутка
/6.7/
Этот заряд создает эффекты разрушения диэлектрика, поскольку высокая температура дуги обжигает поверхности включения, и именно этот заряд был бы интересен для оценки действия ч.р. Однако измерить заряд q непосредственно нельзя, поскольку он имеет место внутри диэлектрика и о нем можно судить косвенно по регистрируемой величине так называемого кажущегося заряда qrp . Кажущийся заряд ч.р. - это Такой заряд, который, будучи мгновенно введен между выводами испытуемого объекта, вызовет такое же мгновенное изменение напряжения между его выводами, как и реальный ч.р. При разряде емкости Сй в основном на последующую подзарядку емкости С8<Св расходуется заряд емкости Са, и в целом на всем изоляционном объекте наблюдается изменение напряжения на 
иэх , что с учетом /6.7/ можно приписать действию кажущегося заряда:
.
/6.8/
Представляющее интерес напряжение 
весьма мало: например, при Сх=10
Фи 
Кл 
В. Измерять напряжение на уровне милливольт в установках с напряжением иэ десятки-сотни киловольт достаточно сложно. Измеряемые характеристики ч.р. относятся к кажущимся зарядам. Средний ток при наблюдениях одинаковых qгp в течение 1с
/6.9/
Средняя мощность за рассматриваемый интервал времени At
/6.10/
где 
- мгновенные значения напряжения на электродах при наблюдении разрядов
. Определение 
в процессе эксперимента для объекта с емкостью Сх реализуется с помощью специальной схемы измерения ч.р. /рис. 6.3/. Особенность схемы в том, что ч.р. вызывает высокочастотный колебательный затухающий процесс на входе схемы измерения СИ, а чувствительность схемы
может быть доведена до 10
14 Кл.
Объект испытания в схеме представлен емкостью Сх . Напряжение на объект подается с испытательного трансформатора Тр при необходимой регулировке путем изменения первичного напряжения uvar . На выходе трансформатора напряжение U должно быть синусоидальным без искажений высшими гармониками, а возможные высокочастотные помехи, в том числе и ч.р. со стороны трансформатора подавляются фильтром с сопротивлением 
. Конденсатор связи Ссв необходим для создания цепи замыкания импульсных токов ч.р., возникающих в Сх , именно через измерительный элемент (индуктивность или резистор). Входное сопротивление схемы измерений обозначено
. Особое внимание уделяется исполнению соединений, т.е. монтажу схемы: соединения не должны коронировать при расчетном напряжении схемы, что возможно при использовании труб больших диаметров и плавных закруглений. Задача исключения коронирования элементов схемы особенно усложняется с увеличением расчетного напряжения и , а также при работе с объектами Сх большой емкости. Сигнал на входе схемы СИ от одного и того же ч.р. составляет 0,1 В при Сх = 100 пкФ-и 0,1 мВ при С
=1,0 мкФ. После сборки схемы в целом необходимо установить соответствия между наблюдаемой реакцией А схемы измерений (например, на экране осциллографа или по шкале визуального отсчета) и параметрами кажущегося заряда. Практически экспериментально определяются масштабные коэффициенты
и 
:
При градуировке в целом имитатором частичных разрядов является обычный генератор е прямоугольных имцульсов ГИ, подключение с которого показано на рис. 6.4. Генератор /лучше использовать транзисторный с автономным электропитанием/ через небольшую (CГ<0.1Cсв) емкость вводит в схему градуировочный заряд. 
/где U
- амплитуда импульса генератора/. Длительность импульса 
должна быть не менее 3zC3 , где эквивалентная емкость схемы относительно входа схемы измерения СИ
.
Схему в целом рекомендуется
градуировать при частоте 
следования импульсов ГИ, примерно соответствующей ожидаемой частоте появления ч.р.: нижняя частота 100 имп/с, верхняя частота до 10 имп/с. Масштабные коэффициенты
/6.11/
/6.12/
В случае m
учтено, что от прямоугольного импульса ГИ в схему поступают заряды от переднего и заднего фронтов.
Большое число исследований было посвящено определению взаимосвязи в
доступной для практического использования форме между сроком службы 
сл изоляции и регистрируемой мощностью Рг.р . Проф. Г.С.Кучинский ввел понятие внутреннего ресурса изоляционной конструкции R , т.е. способности изоляции в течение некоторого времени сохранять диэлектрические свойства не хуже заданного уровня в условиях действия разрушающих изоляцию процессов при высоких напряженностях электрического поля /т.е. ч.р./. Внутренний ресурс
Если допустить неизменность во времени тсл энергетической характеристики
материала В и Рr.р. , то
|/6.13/
Характерная экспериментальная зависимость пробивного напряжения 
слоя изоляции от времени старения t под воздействием электрического поля, показан ная на рис. 6,5, иллюстрирует сущность поня
тия внутреннего ресурса. Зависимость получена путем приложения к изоляции некоторого напряжения
, и регистрации момента пробоя 
. Такого типа зависимости удовлетворительно описываются выражением вида
/6.14/