Выдерживаемое напряжение AC / DC. Часть 2

Ссылка на страничку сайта Магазина Gtest(R) с номенклатурой мегомметров, тестеров изоляции, а также рекомендуемые приборы и статьи для дальнейшего самообразования - в самом конце этого Раздела

2. Какова величина стандартно выдерживаемого испытательного напряжения?

Для выдерживаемых испытаний напряжения используются три распространенных испытательных напряжения: 1) переменное, 2) постоянное и 3) импульсное. Испытание на переменное напряжение (АС) наиболее общепринято для стандартных устройств, поскольку напряжение АС такое же, как и в реальной электрической среде. Тестирование осуществляется как положительных, так и отрицательных полупериодов. Что касается паразитной емкости ИУ (испытываемого устройства), испытание переменным напряжением не вызывает проблем с зарядкой и разрядкой. В этом состоят преимущества испытания переменного напряжения. Однако испытание переменным напряжением также имеет и свои недостатки. Недостатки этого вопроса поясним эквивалентной схемой теста. Во время испытаний производственной линии ток утечки обычно используется в качестве критерия оценки «Прошел/Не прошел». Целью использования испытания постоянного напряжения является решение проблемы, связанной с большей погрешности измерения тока утечки при испытании переменного напряжения.

 Последнее испытательное напряжение — импульсное. Компания Impulse в основном сосредоточена на тестировании схем или компонентов устройств ограничения переходных перенапряжений путем симулирования фактического внешнего формата на линиях передачи и распределения. Переходное напряжение разделяется на импульсное и колебательное. Impulse моделирует импульсное переходное напряжение, такое как удар молнии, а также устройства, используемые на подстанциях и в системах передачи и распределения, такие как автоматические выключатели, изоляторы, изоляторы напряжения, которые необходимо проверять этим задействованным напряжением. В целом, испытательное напряжение применяется для восстановления внешнего вида фактической среды использования или решения тех или иных проблем тестирования.

 3. На какой временной период рекомендуется устанавливать время испытания?

 Испытание выдерживаемым напряжением подразделяется на стандартно установленное испытание на этапе НИОКР (Научно Исследовательские и Конструкторские Разработки) и плановое испытание уже при массовом производстве. Общепринятые испытания проходят на стадии НИОКР от выбора изоляционных материалов и состава модулей до прототипа устройства. Время типовых испытаний прототипа составляет 60 секунд. Если материал или модуль подвергнут маржинальной проверке, то будет проведен эксперимент на разрушение. Запитка испытательным напряжением и период испытания прекращаются, когда в материале или модуле возникает пробой изоляции.

При плановых испытаниях учитываются производственные мощности и стоимость этих самых испытаний, поэтому время испытания обычно укладывается в 1–3 секунды. Чтобы решить проблему, заключающуюся в том, чтобы время тестирования позволяло обнаруживать дефектные продукты/артефакты, испытательное напряжение стандартно увеличивается на 10–20%. Для определённого рода применений, в которых ни в коем случае не должны допускаться ошибки или же у производителей, присутствуют высокие требования к качеству, 60 секунд типового испытания по-прежнему будут задействованы как период планового испытания.

Примечание. Вышеуказанное время испытания предполагает, что на ИУ выставлено достаточное испытательное напряжение.

Требуется установить достаточное испытательное напряжение: выдерживаемое напряжение переменного тока должно учитывать время, необходимое для установления стандартного испытательного напряжения с нуля, а выдерживаемое напряжение постоянного тока (DC) должно принимать в расчёт время зарядки паразитной ёмкости и ёмкости фильтра. Характеристики конденсаторов привязаны к тому, что изменяющееся во времени напряжение генерирует ток. Конденсаторы не предполагают переходных изменений напряжения.

Из приведенной выше формулы (2) очевидно, что на изменение напряжения влияют две переменные. Первая переменная — это зарядный ток (I charge), а вторая переменная — величина ёмкости (C).

Учитывая, что зарядный ток в линии равен 1 мкА, а паразитная емкость составляет 0,0025 мкФ, то если мы хотим установить на этой ёмкости напряжение 1500 В, то применяя формулу (2) вычисляем, что возрастающее напряжение каждую 1 секунду составляет 400 В. . Следовательно, для установления 1500 вольт требуется 3,75 секунды, что представляет собой физическое ограничение.

Из всего этого следует, что перед испытанием очень даже эффективно использовать измеритель LCR для измерения параметров эквивалентной ёмкости ИУ, что помогает точно подтвердить необходимое время нарастания напряжения. Из этой концепции можно сделать вывод о присутствующем недостатке в отношении испытания, выдерживаемым постоянным напряжением, заключающемся в том, что время зарядки и разрядки конденсаторов будет влиять на эффективность и точность при производственных испытаниях  .

4. Как подобрать величину выходной мощности тестера выдерживаемого напряжения?

Время перейти к вопросу, присутствующем в вопросе 2. Почему необходимо испытание на выдержку постоянным напряжением? А также и причина, по которой ошибка измерения тока утечки превышает на период испытания на выдерживаемое переменное напряжение.

Рисунок 4 – Упрощённая схема ИУ

IR – ток, протекающий через сопротивление изоляции; IC — ток, текущий через эквивалентную ёмкость (включая паразитную ёмкость и ёмкость фильтра); IT — ток утечки, измеренный тестером выдерживаемого напряжения, IC=VTest/XC, XC=1/2πfC. Во время испытания выдерживаемым напряжением переменного тока частота (f) составляет 60 Гц. Когда емкость (C) больше, XC будет меньше, IC будет больше, как и ошибка тока утечки IT также будет больше.

Что, если вместо этого использовать постоянный ток? Частота (f) равна 0 Гц, XC бесконечна, а IC равна 0, поэтому измеренный ток утечки IT = IR, тем самым всё это не приведет к ошибкам.

Необходимо выставить достаточную величину испытательного напряжения на сопротивлении изоляции и ток, необходимый для испытаний с помощью источника постоянного тока, уменьшится, что для инженеров относительно безопасно по сравнению с переменным током.

После обсуждения точности выдерживания переменного/постоянного напряжения эквивалентной схемы, можно вернуться к данной теме. Как подобрать выходную мощность тестера выдерживаемого напряжения? Выходная мощность тестера выдерживаемого напряжения измеряется в ВА и представляет собой симбиоз максимального номинального испытательного напряжения переменного тока и максимального номинального тока. В настоящее время на рынке Измерительных приборов доступны тестеры выдерживаемого напряжения 100 ВА/200 ВА/250 ВА/500 ВА. Если использовать в качестве примера напряжение переменного тока 5000 В, то 500 ВА может гарантировать ток 100 мА, а 200 ВА может обеспечить ток 40 мА. Выходная мощность фактически зависит от того, какая величина тока требуется для поддержания испытательного напряжения. Мы ожидаем, что на сопротивление изоляции будет монтировано достаточное испытательное напряжение, чтобы подтвердить, что по факту изоляция хорошая. При разрушении изоляции, сопротивление изоляции, естесственно, снижается. Если ток в это время недостаточен (недостаточная мощность), он не может установить на этом сопротивлении достаточное напряжение с уменьшающейся величиной.

Это явление похоже на переключение источника питания постоянного тока из режима CV в режим CC. Когда сопротивление изоляции очень велико (ток нагрузки мал), а при пробое изоляции её сопротивление уменьшается (ток нагрузки становится большим), то необходима емкость для его поддержания. Поэтому для разрушительного эксперимента с материалами в научно-исследовательском подразделении или лаборатории тестировании от стороннего производителя потребуется мощность 500ВА. Для планового производственного испытания обычно используется модель мощностью 100 ВА. Причина в том, что при массовом производстве процент выхода продукта чрезвычайно высок. Если взять в качестве примера сопротивление изоляции 100 МОм, то для установления испытательного напряжения 5000 В ток нагрузки составляет всего 50 мкА, а для установления испытательного напряжения 1500 В ток нагрузки составляет всего 15 мкА, что более чем достаточно для мощности 100 ВА. Конечно, если это выдерживаемое переменное напряжение, то необходимо учитывать влияние эквивалентной емкости.

Тем самым, можно суммировать преимущества и недостатки испытаний выдерживаемым напряжением переменного и постоянного токов.

Таблица 1. Преимущества и недостатки выдерживаемого напряжение переменного/постоянного токов

5. Что такое изолятор и пробой изоляции?

 В учебниках по электротехнике удельное сопротивление часто используется для определения проводников (ниже 10-5 Омм), полупроводников (удельное сопротивление находится между проводниками и изоляторами) и изоляторов (выше 108 Омм). Если следовать этому определению, то медь является проводником, а воздух — изолятором, но из явления молнии/удара молнии в природе можно узнать, что изоляция является условной, пока напряжение достаточно высокое, а изолятор также может стать и проводником. С микроскопической точки зрения медь является проводником, а нано медь — изолятором; углерод — изолятор, а нано углерод — проводник. Следовательно, физические свойства на уровнях макро и микро могут измениться. Ниже приведено определение изолятора в Википедии: Изолятор, также известный как диэлектрик или электрический изолятор, представляет собой материал, который препятствует потоку электрического заряда. В изоляторе электроны валентной зоны прочно связаны вокруг его атомов. Этот материал используется в качестве изолятора или изоляции в электрооборудовании. Его роль состоит в том, чтобы поддерживать или разделять отдельные электрические проводники, чтобы ток не мог проходить через них.

Всё это описание можно очень кратко сформулировать следующим образом: изолятор не пропускает ток. После понимания определения изолятора последует определение термина «пробоя изоляции». Ниже приводится исходное описание пробоя изоляции в UL/IEC 60950-1, глава 5.2.2: Считается, что пробой изоляции произошел, когда ток, протекающий в результате приложения испытательного напряжения, быстро увеличивается неконтролируемым образом, при этом изоляция не ограничивает протекание тока.

Определение пробоя изоляции заключается в следующем: ток, протекающий через испытываемую изоляцию, уже может генерировать соответствующий ток при повышении испытательного напряжения (неконтролируемое резкое повышение). То есть испытуемая изоляция больше не может эффективно ограничивать рост тока при установленной напряженности испытательного электрического поля. Газообразные и жидкие изоляционные вещества обладают обратимостью разрушения изоляции. При исчезновении высокого напряжения, ранее вызвавшего пробой изоляции, эти вещества могут вернуться в изоляционное состояние, в то время как твердая изоляция не обладает такой обратимостью. Если изоляция выйдет из строя, это приведет к необратимому повреждению ее изоляционных свойств.

 (Продолжение следует) 

Магазин Gtest® - официальный поставщик мегомметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/megaommetr

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик мультиметров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry