Propriétés et tests d'isolation électrique

Propriétés et circuit équivalent d'isolation électrique

Comme vous le savez, le terme « isolement » est utilisé en pratique pour désigner deux concepts :

1) un procédé pour empêcher la formation d'un contact électrique entre des parties d'un produit électrique,

2) matériaux et produits de ceux-ci utilisés pour appliquer cette méthode.

Matériaux d'isolation électrique sous l'influence d'une tension qui leur est appliquée, on découvre la propriété de conduire un courant électrique. Bien que la valeur de la conductivité des matériaux isolants électriques soit inférieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des fils, elle joue néanmoins un rôle non négligeable et conditionne largement la fiabilité du fonctionnement d'un produit électrique.

Sous l'action d'une tension appliquée à l'isolant, un courant le traverse, appelé courant de fuite, qui évolue dans le temps.

Afin d'étudier et d'illustrer les propriétés de l'isolation électrique, il est d'usage de la représenter sous la forme d'un certain modèle appelé circuit équivalent (Fig. 1), contenant quatre circuits électriques connectés en parallèle.Le premier d'entre eux ne contient que le condensateur C1, appelé capacité géométrique.

Riz. 1. Circuit équivalent d'isolation électrique

La présence de cette capacité provoque l'apparition d'un courant d'appel instantané qui se produit lorsqu'une tension continue est appliquée à l'isolant, qui décroît en presque quelques secondes, et d'un courant capacitif traversant l'isolant lorsqu'une tension alternative lui est appliquée. Cette capacité est dite géométrique car elle dépend de l'isolant : de ses dimensions (épaisseur, longueur...) et de l'emplacement entre la partie conductrice A et le boîtier (masse).

Le deuxième schéma caractérise la structure interne et les propriétés de l'isolation, y compris sa structure, le nombre de groupes de condensateurs et de résistances connectés en parallèle. Le courant I2 circulant dans ce circuit est appelé courant d'absorption. La valeur initiale de ce courant est proportionnelle à la surface de l'isolant et inversement proportionnelle à son épaisseur.

Si les parties conductrices de courant d'un produit électrique sont isolées avec deux ou plusieurs couches d'isolation (par exemple, l'isolation des fils et l'isolation des bobines), alors dans le circuit équivalent, la branche d'absorption est représentée sous la forme de deux ou plusieurs connectés en série groupes d'un condensateur et d'une résistance qui caractérisent les propriétés sur l'une des couches d'isolation. Dans ce schéma, une isolation à deux couches est considérée, dont la couche est remplacée par un groupe d'éléments de condensateur C2 et de résistance R1, et la seconde par C3 et R2.

Le troisième circuit contient une seule résistance R3 et caractérise la perte d'isolement lorsqu'une tension continue lui est appliquée.La résistance de cette résistance, également appelée résistance d'isolement, dépend de nombreux facteurs : taille, matériau, construction, température, état de l'isolation, y compris l'humidité et la saleté à sa surface, et la tension appliquée.

Avec certains défauts d'isolation (par exemple, par des dommages), la dépendance de la résistance R3 à la tension devient non linéaire, tandis que pour d'autres, par exemple, avec une forte humidité, elle ne change pratiquement pas avec l'augmentation de la tension. Le courant I3 circulant dans cette branche est appelé courant direct.

Le quatrième circuit est représenté dans le circuit équivalent de l'éclateur MF, qui caractérise la rigidité diélectrique de l'isolant, exprimée numériquement par la valeur de la tension à laquelle le matériau isolant perd ses propriétés isolantes et claque sous l'action du courant I4 qui le traverse.

Ce circuit équivalent d'isolation permet non seulement de décrire les processus qui s'y déroulent lorsqu'une tension est appliquée, mais également de définir des paramètres observables pour évaluer son état.

Méthodes de test d'isolation électrique

La façon la plus simple et la plus courante d'évaluer l'état de l'isolant et son intégrité est de mesurer sa résistance à l'aide d'un mégohmmètre.

Faisons attention au fait que la présence de condensateurs dans le circuit équivalent explique également la capacité de l'isolant à accumuler des charges électriques. Par conséquent, les enroulements des machines électriques et des transformateurs avant et après la mesure de la résistance d'isolement doivent être déchargés en mettant à la terre la borne à laquelle mégohmmètre connecté.

Lors de la mesure de la résistance d'isolement des machines électriques et des transformateurs, la température des enroulements doit être surveillée, ce qui est enregistré dans le rapport de test. Connaître la température à laquelle les mesures ont été faites est nécessaire pour comparer les résultats de mesure entre eux, car la résistance d'isolement change fortement en fonction de la température : en moyenne, la résistance d'isolement diminue de 1,5 fois avec une augmentation de température tous les 10°C et augmente également avec la diminution correspondante de la température.

Du fait que l'humidité, toujours contenue dans les matériaux isolants, affecte les résultats de mesure, la détermination des paramètres caractérisant la qualité de l'isolation n'est pas effectuée à des températures inférieures à + 10 ° C, car les résultats obtenus ne donneront pas une idée correcte du véritable état d'isolement.

Lors de la mesure de la résistance d'isolement d'un produit pratiquement froid, la température d'isolement peut être supposée égale à la température ambiante. Dans tous les autres cas, la température de l'isolation est conditionnellement supposée égale à la température des enroulements, mesurée par leur résistance active.

Pour que la résistance d'isolement mesurée ne diffère pas de manière significative de la valeur réelle, la propre résistance d'isolement des éléments du circuit de mesure - fils, isolants, etc. - doit introduire une erreur minimale dans le résultat de la mesure.Par conséquent, lors de la mesure de la résistance d'isolement d'appareils électriques avec une tension allant jusqu'à 1000 V, la résistance de ces éléments doit être d'au moins 100 mégohms, et lors de la mesure de la résistance d'isolement des transformateurs de puissance - pas moins que la limite de mesure du mégohmmètre .

Si cette condition n'est pas remplie, les résultats de mesure doivent être corrigés pour la résistance d'isolement des éléments du circuit. Pour ce faire, la résistance d'isolement est mesurée deux fois : une fois avec un circuit entièrement assemblé et le produit connecté, et une seconde fois avec le produit déconnecté. Le résultat de la première mesure donnera la résistance d'isolement équivalente du circuit et du produit Re, et le résultat de la seconde mesure donnera la résistance des éléments du circuit de mesure Rc. Puis la résistance d'isolement du produit

Si pour les machines électriques de certains autres produits, la séquence de mesure de la résistance d'isolement n'est pas établie, alors pour les transformateurs de puissance, cette séquence de mesure est régie par la norme selon laquelle la résistance d'isolement de l'enroulement basse tension (BT) est mesurée en premier. Les enroulements restants, ainsi que le réservoir, doivent être mis à la terre. En l'absence de cuve, l'enveloppe du transformateur ou son squelette doit être mis à la terre.

En présence de trois enroulements de tension - basse tension, moyenne haute tension et haute tension - après l'enroulement basse tension, il est nécessaire de mesurer la résistance d'isolement de l'enroulement moyenne tension et ensuite seulement la tension plus élevée.Naturellement, pour toutes les mesures, les bobines restantes, ainsi que le réservoir, doivent être mises à la terre, et la bobine non mise à la terre doit être déchargée après chaque mesure en se connectant au boîtier pendant au moins 2 minutes. Si les résultats des mesures ne répondent pas aux exigences établies, les tests doivent être complétés en déterminant la résistance d'isolement des enroulements électriquement connectés les uns aux autres.

Pour les transformateurs à deux enroulements, la résistance des enroulements haute et basse tension doit être mesurée par rapport au boîtier, et pour les transformateurs à trois enroulements, les enroulements haute et moyenne tension doivent être mesurés en premier, puis les enroulements haute, moyenne et basse tension .

Lors du test d'isolation d'un transformateur, il est nécessaire d'effectuer plusieurs mesures pour déterminer non seulement les valeurs de la résistance d'isolement équivalente, mais également pour comparer la résistance d'isolement des enroulements avec d'autres enroulements et le corps de la machine.

La résistance d'isolement des machines électriques est généralement mesurée avec des enroulements de phase interconnectés et sur le site d'installation - avec des câbles (barres omnibus). Si les résultats de mesure ne répondent pas aux exigences établies, la résistance d'isolement de chaque enroulement de phase et, si nécessaire, de chaque branche de l'enroulement est mesurée.

Il convient de garder à l'esprit qu'il est difficile d'évaluer raisonnablement l'état de l'isolation par la seule valeur absolue de la résistance d'isolation. Par conséquent, afin d'évaluer l'état d'isolation des machines électriques en fonctionnement, les résultats de ces mesures sont comparés aux résultats des précédentes.

Des écarts importants, à plusieurs reprises, entre les résistances d'isolement des phases individuelles indiquent généralement un défaut important. Une diminution simultanée de la résistance d'isolement pour tous les enroulements de phase indique généralement un changement de l'état général de sa surface.

Lors de la comparaison des résultats de mesure, il convient de se souvenir de la dépendance de la résistance d'isolement à la température. Par conséquent, il est possible de comparer entre eux les résultats de mesures effectuées à la même température ou à une température similaire.

Lorsque la tension appliquée à l'isolation est constante, le courant total Ii (voir Fig. 1) qui la traverse diminue d'autant plus, meilleur est l'état de l'isolation, et en fonction de la diminution du courant Ii, les lectures du augmentation du mégohmmètre. En raison du fait que la composante I2 de ce courant, également appelée courant d'absorption, contrairement à la composante I3, ne dépend pas de l'état de la surface isolante, ainsi que de la contamination et de la teneur en humidité, le rapport des valeurs de résistance d'isolement ​​à des instants donnés est pris comme caractéristique de la teneur en humidité de l'isolant.

Les normes recommandent de mesurer la résistance d'isolement après 15 s (R15) et après 60 s (R60) après avoir branché le mégohmmètre, et le rapport de ces résistances ka = R60 / R15 est appelé coefficient d'absorption.

Avec isolation non humide, ka> 2, et avec isolation humide — ka ≈1.

La valeur du coefficient d'absorption étant pratiquement indépendante de la taille de la machine électrique et de divers aléas, elle peut être normalisée : ka ≥ 1,3 à 20°C.

L'erreur dans la mesure de la résistance d'isolement ne doit pas dépasser ± 20 %, sauf si elle est spécifiquement établie pour un produit spécifique.

Dans les produits électriques, les tests de rigidité diélectrique soumettent l'isolation des bobinages au corps et entre eux, ainsi qu'à l'isolation intermédiaire des bobinages.

Afin de vérifier la rigidité diélectrique de l'isolation des bobines ou des pièces conductrices de courant par rapport au boîtier, une tension sinusoïdale accrue avec une fréquence de 50 Hz est appliquée aux bornes de la bobine testée ou des pièces conductrices de courant. La tension et la durée de son application sont indiquées dans la documentation technique de chaque produit spécifique.

Lors du test de rigidité diélectrique de l'isolation des enroulements et des parties sous tension du corps, tous les autres enroulements et parties sous tension non impliqués dans les tests doivent être connectés électriquement au corps du produit mis à la terre. Après la fin du test, les bobines doivent être mises à la terre pour éliminer la charge résiduelle.

En figue. La figure 2 représente un schéma de test de rigidité diélectrique d'un bobinage d'un moteur électrique triphasé La surtension est générée par une installation de test AG contenant une source de tension régulée E. La tension est mesurée côté haute tension avec un voltmètre photovoltaïque. Un ampèremètre PA permet de mesurer le courant de fuite à travers l'isolant.

Le produit est considéré comme ayant réussi le test s'il n'y a pas de rupture de l'isolation ou de recouvrement de la surface, et également si le courant de fuite ne dépasse pas la valeur spécifiée dans la documentation de ce produit. Notez que le fait d'avoir un ampèremètre qui surveille le courant de fuite permet d'utiliser un transformateur dans la configuration de test.

Riz. 2. Schéma de test de la rigidité diélectrique de l'isolation des produits électriques

En plus des tests de tension de fréquence de l'isolation, l'isolation est également testée avec une tension redressée. L'avantage d'un tel test est la possibilité d'évaluer l'état de l'isolation sur la base des résultats de la mesure des courants de fuite à différentes valeurs de la tension de test.

Afin d'évaluer l'état de l'isolation, on utilise un coefficient de non-linéarité

où I1.0 et I0.5 sont des courants de fuite 1 min après l'application de tensions d'essai égales à la valeur normalisée de Unorm et à la moitié de la tension nominale de la machine électrique Urated, kn <1,2.

Les trois caractéristiques considérées — résistance d'isolement, coefficient d'absorption et coefficient de non linéarité — permettent de résoudre la question de la possibilité d'allumer une machine électrique sans assécher l'isolant.

Lors du test de la rigidité diélectrique de l'isolation selon le schéma de la fig. 2 toutes les spires de l'enroulement sont pratiquement à la même tension par rapport au corps (masse) et donc l'isolation spire à spire reste non contrôlée.

Une façon de tester la rigidité diélectrique de l'isolant consiste à augmenter la tension de 30 % par rapport à la valeur nominale. Cette tension est appliquée à partir d'une source de tension régulée EK au point de test à vide.

Une autre méthode est applicable aux alternateurs fonctionnant au ralenti et consiste à augmenter le courant d'excitation de l'alternateur jusqu'à obtenir la tension (1,3 ÷ 1,5) Unom aux bornes du stator ou de l'induit, selon le type de machine.Etant donné que même au repos, les courants consommés par les bobinages des machines électriques peuvent dépasser leurs valeurs nominales, les normes permettent de réaliser un tel test à une fréquence augmentée de la tension fournie aux bobinages du moteur au-dessus de la valeur nominale ou à augmentation de la vitesse du générateur.

Pour tester les moteurs asynchrones, il est également possible d'utiliser une tension de test avec une fréquence de fi = 1,15 fn. Dans les mêmes limites, la vitesse du générateur peut être augmentée.

Lors du test de la rigidité diélectrique de l'isolation de cette manière, une tension numériquement égale au rapport de la tension appliquée divisée par le nombre de spires de la bobine sera appliquée entre les spires de bobine adjacentes. Elle diffère légèrement (de 30 à 50 %) de celle qui existe lorsque le produit fonctionne à la tension nominale.

Comme vous le savez, la limite d'augmentation de tension appliquée aux bornes de la bobine située sur le noyau est due à la dépendance non linéaire du courant dans cette bobine à la tension à ses bornes. Aux tensions proches de la valeur nominale Unom, le noyau n'est pas saturé et le courant dépend linéairement de la tension (Fig. 3, coupe OA).

Lorsque la tension augmente, U au-dessus du courant nominal dans la bobine augmente fortement et à U = 2Unom, le courant peut dépasser la valeur nominale de dizaines de fois. Afin d'augmenter considérablement la tension par tour de l'enroulement, la résistance de l'isolation entre les tours est testée à une fréquence plusieurs fois (dix fois ou plus) supérieure à la fréquence nominale.

Riz. 3. Graphique de la dépendance du courant dans la bobine avec un noyau sur la tension appliquée

Riz. 4.Schéma de test d'isolation d'enroulement à fréquence de courant accrue

Considérons le principe du test de l'isolation intermédiaire des bobines de contacteur (Fig. 4). La bobine de test L2 est placée sur la tige du circuit magnétique dédoublé. Une tension U1 est appliquée aux bornes de la bobine L1 avec une fréquence augmentée, de sorte que pour chaque spire de la bobine L2 il y ait une tension nécessaire pour tester la tenue diélectrique de l'isolant de spire en spire. Si l'isolation des enroulements de la bobine L2 est en bon état, alors le courant consommé par la bobine L1 et mesuré avec l'ampèremètre PA après l'installation de la bobine sera le même qu'avant. Sinon, le courant dans la bobine L1 augmente.

Riz. 5. Schéma de mesure de la tangente de l'angle des pertes diélectriques

La dernière des caractéristiques d'isolation considérées - tangente de perte diélectrique.

On sait que l'isolation a une résistance active et réactive, et lorsqu'une tension périodique lui est appliquée, des courants actifs et réactifs traversent l'isolation, c'est-à-dire qu'il existe des puissances actives P et réactives Q. Le rapport P sur Q est appelé la tangente de l'angle de perte diélectrique et est noté tgδ.

Si on se souvient que P = IUcosφ et Q = IUsinφ, alors on peut écrire :

tgδ est le rapport du courant actif traversant l'isolation à courant réactif.

Pour déterminer tgδ, il est nécessaire de mesurer simultanément la puissance active et réactive ou la résistance d'isolement active et réactive (capacitive). Le principe de mesure de tgδ par la deuxième méthode est illustré à la fig. 5, où le circuit de mesure est un pont unique.

Les bras du pont sont composés d'un exemple de condensateur C0, de condensateur variable C1, de résistances variables R1 et constante R2, ainsi que de la capacité et de la résistance d'isolement de l'enroulement L par rapport au corps du produit ou de la masse, classiquement représenté par le condensateur Cx et la résistance Rx. Dans le cas où il faut mesurer tgδ non pas sur la bobine, mais sur le condensateur, ses armatures sont reliées directement aux bornes 1 et 2 du montage en pont.

La diagonale du pont comprend un galvanomètre P et une source d'alimentation, qui dans notre cas est un transformateur T.

Comme dans d'autres circuits en pont le processus de mesure consiste à obtenir les lectures minimales du dispositif P en modifiant séquentiellement la résistance de la résistance R1 et la capacité du condensateur C1. Habituellement, les paramètres du pont sont choisis pour que la valeur de tgδ aux lectures nulles ou minimales du dispositif P soit lue directement sur l'échelle du condensateur C1.

La définition de tgδ est obligatoire pour les condensateurs et transformateurs de puissance, les isolateurs haute tension et autres produits électriques.

Étant donné que les tests de rigidité diélectrique et les mesures de tgδ sont effectués, en règle générale, à des tensions supérieures à 1000 V, toutes les mesures de sécurité générales et spéciales doivent être respectées.

Procédure de test d'isolation électrique

Les paramètres et les caractéristiques de l'isolant discutés ci-dessus doivent être déterminés dans l'ordre établi par les normes pour des types de produits spécifiques.

Par exemple, dans les transformateurs de puissance, la résistance d'isolement est d'abord déterminée, puis la tangente de perte diélectrique est mesurée.

Pour les machines électriques tournantes, après avoir mesuré la résistance d'isolement avant de tester sa tenue diélectrique, il est nécessaire d'effectuer les tests suivants : à fréquence de rotation augmentée, avec une surcharge de courant ou de couple de courte durée, avec un court-circuit brutal (s'il est prévu pour cette machine synchrone), test d'isolement de la tension redressée des enroulements (si précisé dans la documentation de cette machine).

Des normes ou des spécifications pour des types de machines spécifiques peuvent compléter cette liste avec d'autres tests qui peuvent affecter la rigidité diélectrique de l'isolation.