Проблемы метрологического обеспечения контроля качества электроизоляции

Воронов А.П., Кострикина И.А., Подшибякин С.В. ПРОБЛЕМЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИИ

Основным вопросом при пуско-наладочных работах и эксплуатации электрооборудования является обеспечение защиты людей от поражения электрическим током в электроустановках потребителей. При этом немаловажную роль играет качество электроизоляции. В процессе эксплуатации в изоляции электрооборудования возникают дефекты (увлажнение, загрязнение, возникновение трещин, воздушных включений и т.д.), постепенно приводящие к необратимому ухудшению свойств и характеристик изоляции, т.е. к деградации изоляции.

Можно выделить пять основных факторов, влияющих на деградацию изоляции: электрические, механические и термические повреждения, химическая агрессия, загрязнение среды. Воздействие указанных факторов приводит к деградации изоляции в процессе работы электроустановок и электрических устройств, поэтому в процессе активной эксплуатации различного электрооборудования необходимо систематическое выполнение испытаний и контроля.

Основным показателем состояния изоляции электрооборудования является сопротивление изоляции. Измерение сопротивления изоляции производится с помощью мегаомметров и тераомметров. Сопротивление изоляции практически не зависит от величины приложенного напряжения в довольно широких пределах, поэтому результаты измерений не зависят от номинального напряжения мегаомметра или тераомметра. Однако целесообразно выбирать более высокое выходное напряжение мегаомметра или тераомметра, что даёт возможность одновременно при измерении сопротивления изоляции выявить грубые дефекты изоляции. При этом надо убедиться, что номинальное напряжение мегаомметра или тераомметра ниже испытательного напряжения объекта (с тем, чтобы исключить при измерении возможность пробоя изоляции). Как правило, измерение сопротивления изоляции электрооборудования до 1 кВ производятся мегаомметрами или тераомметрами с выходным напряжением 500 или 1000 В. Измерение сопротивления изоляции электрооборудования на 6 - 35 кВ производится мегаомметрами или тераомметрами с выходным напряжением до 2500 В.

В последние годы в связи с ужесточением требований к качеству электроизоляции и совершенствованием высоковольтной техники возникла потребность в использовании мегаомметров и тераомметров повышенной точности с выходным напряжением не менее 5-10 кВ. К сожалению, развитие измерений высоких сопротивлений с высокой точность в России сдерживалось тем фактором, что такое оборудование в основном производилось на предприятиях республик бывшего СССР (Белоруссия, Украина, Эстония, Молдавия и т.д), которые после распада СССР, либо прекратили свое существование, либо по «инерции» выпускали оборудование не отвечающее международным стандартам. Такое положение дел привело к тому, что на отечественный рынок продвинулись импортные измерители высоких сопротивлений. При этом положение усугублялось тем, что для внесения в государственный реестр средств измерений импортных измерителей высоких сопротивлений отсутствовала соответствующая эталонная база.

Согласно федеральному закону № 102 от 26.06.2008 г. [1] мегаомметры и тераомметры относятся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений «выполнение работ по обеспечению безопасных условий и охраны труда», а следовательно подлежат внесению в государственный реестр средств измерений (СИ) и обязательной поверке. Поэтому в таблице 1 приведены сведения об эталонах, применяемых на территории РФ для поверки тераомметров и мегаомметров. При анализе рассматривались мегаомметры и тераомметры наивысшей точности, с наибольшим диапазоном сопротивлений и внесенные в государственный реестр средств измерений РФ.

Как видно из таблицы 1 полная поверка мегаомметров и тераомметров (N п.п (1 - 6) таблицы 1) в РФ обеспечивается в диапазоне сопротивлений до 1012 Ом при погрешности измерений ±3% и выше. Однако, в диапазоне сопротивлений выше 1012 Ом при погрешности менее ±3% мегаомметры и тераомметры метрологически не обеспечены. Единственным эталоном в данной области является мера-имитатор электрического сопротивления Р4085-М1 с диапазоном воспроизведения сопротивления до 1012 Ом, погрешностью не более ±0,2 % и рабочим напряжением 500 В. Но данная мера была введена в реестр средств измерений СССР в 1988 г. предприятием АО «Микрон» г. Кишинёв Молдавия и в настоящее время снята с производства. Отсутствие эталонных мер сопротивления в диапазоне сопротивлений до 1016 Ом, классом точности не более 0,2 и рабочим напряжением не менее 5 кВ приводит к необходимости существенного сокращения диапазона измерений мегаомметров и тераомметров при утверждении типа СИ на территории РФ. Например, тераомметр 4339В фирмы Agilent Technologies (США) с диапазоном сопротивления до 1016 Ом, базовой погрешностью ±0,6 % в 2008 году был внесен в государственный реестр средств измерений РФ с диапазоном сопротивлений только до 1012 Ом. Необходимо отметить еще один существенный момент в метрологическом обеспечении измерителей высоких сопротивлений - это рабочее напряжение эталонных мер. Как правило эталонные меры (магазины) высоких сопротивлений Р40102, Р4085-М1 и др. имеют рабочее напряжение не более 500 В, что недостаточно для поверки мегаомметров и тераомметров с выходным рабочим напряжением 5 или 10 кВ.

Таблица 1

Средства измерений

N пп Тип СИ Страна изготовитель Диапазон измерений, Ом Погрешность измерений, % Максимальное измерительное напряжение, кВ

1 Мегаомметр Е6-24 Россия д о 1 о ±(3-5) 2,5

2 Мегаомметр М4122 Россия д о 1 о ±(3-5) 2,5

3 Мегаомметр SEW 6212 METREL Словения д о 1 о ±5 10,0

4 Тераомметр MIC-2500 SONEL Польша д о 1 о ±3 2,5

5 Тераомметр MI 2 07 7 METREL Словения д о 1 о ±(3-5) 10,0

6 Тераомметр MI 32 0 0 METREL Словения до 1013 ±(3-5) 10,0

7 Тераомметр 2408 Resistomat Германия д о 1 о ± (0,5-1) 1,0

8 Тераомметр DSM-8104 HIOKI Япония д о 1 о ±(0,6-0,8) 1,0

9 Измеритель больших сопротивлений 6517а KEITHLEY США д о 1 о ±(0,3-1,0) 1,0

10 Тераомметр 4 33 9B Agilent Technolo- д о 1 о ± о 6 1,0

gies США

Средства поверки

N пп Тип СИ Страна изготовитель Диапазон измерений, Ом Погрешность измерений, % Максимальное измерительное напряжение, кВ

1 Калибратор сопротивления КС-100К5Т SONEL Польша д о 1 о 5 1 ± 0 5

6 Магазины сопротивлений высокоомный ЯСБ-1, ЯСБ-3 Standart Electric Works Тайвань до 5х101г 0 1 ± 1 о 0

1 7 О 1 Мера имитатор электрического сопротивления Р 4 0 85-М1 Микрон Молдова д о 1 О ±(0,05-0,2) 5 0

Анализ данных, приведенных в таблице 1 показал, что в настоящее время в России существует острая необходимость в разработке эталонных мер сопротивлений с диапазоном сопротивлений до 1016 Ом, классом точности не более 0,2 на рабочее напряжение 5 и 10 кВ для обеспечения передачи размера единиц рабочим и эталонным мегаомметрам и тераомметрам в полном объеме.

Основу эталонных высокоомных высоковольтных мер сопротивлений образуют прецизионные высокоомные высоковольтные резисторы. В настоящее время существует несколько фирм, специализирующихся на разработке и производстве таких резисторов.

В таблице 2 приведены сравнительные характеристики высокоомных высоковольтных резисторов лучших мировых производителей [2].

Очевидно, оптимальными техническими характеристиками обладают резисторы фирм Мсгош (Швейцария) и «Caddock» (США). При одинаковых допускаемых отклонениях и температурных коэффициентах, характеризующих прецизионные резисторы, резисторы серии 400 и Т91015 изготавливаются с номиналами от 1 МОм до 10 0 ГОм и рассчитаны на рабочие напряжения от 6 до 90 кВ и при одинаковых габаритах имеют допускаемую мощность рассеяния, превышающую в 5 раз установленную для других типов резисторов. Однако применение этих резисторов в отечественной аппаратуре невозможно из-за отсутствия их на отечественном рынке, поэтому на территории России в основном используются резисторы, максимальное рабочее напряжение которых не превышает до 7 50 В.

В настоящее время в ФГУП «НИИЭМП» ведутся разработки резистора Р1-201. При изготовлении таких резисторов для получения резистивных элементов используются керметные материалы, нанесенные на цилиндрическую или плоскую поверхность в виде дорожек определенной конфигурации.

Резисторы предназначены для работы в электрических цепях постоянного и переменного тока при рабочем напряжении до 15 кВ (АДШК 434114.001 ТУ) (рисунок 1).

Рисунок 1

Резисторы, имея габаритные размеры 26*8,2 (71*8,2) мм и вес 4(10) г, рассеивают мощность

1(3) Вт и способны работать при напряжениях 4 - 15 кВ. Диапазон номинальных сопротивлений от 1 до 100 00 МОм. Промежуточные значения номинальных сопротивлений соответствуют ряду Е24 ГОСТ 28884 [3]

с допускаемым отклонением сопротивления, соответствующим ряду ±0,25, ±0,5, ±1,0, ±3,0, ±5,0 и

10,0 %.

Резисторы изготавливают с температурным коэффициентом сопротивления, соответствующим ряду (±10, ±20, ±30, ± 50, ±100, ±200)*10-6 1/°С.

Таблица 2

Параметры Значения

С5-58 г. Кишинев Молдова С5-60Д г. Пенза РФ TG1015, Фирма «Caddock» США Серия 400, Фирма «Nicrom» Швейцария С5-23А г. Кишинев Молдавия C2-29 г. Нижний Новгород РФ Р1-2 01 Пенза РФ

Диапазон номинальных сопротивлений, МОм до 2 0 до 2 0 до 103 до 1-104 (50 ГОм)* до 250 до 2 0 до 2 0-103

Допускаемые отклонения от номинальных значений сопротивления, % 0 0 2 ! О 5 0,005-1 0,25-5 0,05-1 0,5-2,5 0,05-1 0,25-5

Номинальная мощность рассеяния, Вт 1 2 6 10 (20)* 3,5 2 1-3

Нестабильность 0,05 (0, 005) 0,1 0,1 - (в преде- 0,3

за 1000

Максимальное рабочее напряжение, В 1000 750 30000 45000 (90000)* 250 750 15000

Температурный коэффициент сопротивления, 106, 1/ °С 10 3,5-50 25-50 5-25 30 5-50 10-200

Коэффициент напряжения, 10-6, 1/ В 0,2 (0,04) 0,2 (0,04)* 0,8

Габаритные размеры, мм 57x12x12 75 77x8 (152x8) 77x8 (152x8)* 68x95 28x9,8 71x8,2

Масса, г, не более 2,8 112 10 10 220 5 10

* Значения параметров приведены для типоразмера 152x8 серии 400.

Однако для применения в высокоомных мерах сопротивлений необходимы резисторы с отклонением от номинального значения сопротивления и временной стабильность не более ±0,2 %. Дальнейшее повышение точности разработанных резисторов Р1-201 и улучшение других технических параметров до уровня характеристик изделий ведущих фирм Мсгош и Caddock возможно только при наличии соответствующего метрологического обеспечения. В настоящее время для измерения параметров высокоомных резисторов и мер используется следующее оборудование: установка мостовая У-401, мост цифровой электрического

сопротивления Щ402-М1, компаратор электрического сопротивления МБ4000 с диапазонами измерений сопротивлений от 106 до 1012 с погрешностью от ±0, 0005 до ±2%, а в диапазонах от 1012 до 1015 с погрешностью от ±1 до ±10 %. Однако, данные установки были разработаны АО «Микрон» (г. Кишинев) в 80-х годах прошлого столетия, и в тоже время внесены в реестр средств измерений СССР. К настоящему времени соответствие утвержденному типу на территории РФ предприятием-разработчиком не проведено, что не позволяет использовать их в качестве эталонов для поверки высокоомных мер сопротивлений и указывать их в методиках поверки. Но основным обстоятельством, сдерживающим применение таких установок для измерения параметров высокоомных высоковольтных резисторов является выходное напряжение. Указанные установки имеют выходное напряжение не более 500 В, в то время как для высокоомных высоковольтных резисторов и мер необходимо напряжение выше 5 кВ.

В настоящее время в ФГУП «НИИЭМП» помимо задач разработки высокоомных высоковольтных мер сопротивлений для поверки мегаомметров и тераомметров ведутся работы по созданию средств их метрологического обеспечения в части прецизионных измерителей высоких сопротивлений, которые позволяют сохранить высокие точностные характеристики существующего оборудования при увеличении рабочего напряжения на испытуемом резисторе или мере.

ЛИТЕРАТУРА

1. Закон РФ №102 от 26.06.2008 г. «Об обеспечении единства измерений».

2. Солодимова Г.А., Воронов А.П. Высоковольтные высокоомные резисторы на основе нанотехнологий. //Проблемы организации патентной деятельности, правовой охраны и использование результатов работ, создаваемых за счет средств федерального бюджета: материалы научно-методической конференции (г. Пенза, 26 ноября 2009 г.)/ под ред. М.А.Щербакова. - Пенза: Изд - во ПГУ, 2009.- с. 130131.

3. ГОСТ 28884-90. Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов.