Ocena stanu izolacji na podstawie rozkładu prądu i rezystancji w funkcji czasu trwania pomiaru

Pomiar rezystancji izolacji polega na zmierzeniu prądu płynącego przez materiał izolacyjny przy napięciu probierczym odpowiednim dla danego obiektu. Wykorzystując prawo Ohma obliczona zostanie rezystancja izolacji materiału, z którego ta izolacja została wykonana. Parametr ten – dzięki możliwości porównania go do wartości wymaganych – uważany jest powszechnie jako ostatecznie wystarczający do dokonania oceny, czy stan izolacji obiektu jest zadowalający, czy nie.

Należy zwrócić jednak uwagę na zjawiska, które zachodzą w trakcie badania (wynikające z pojemności i absorbcji), zwłaszcza dla obiektów o znacznych pojemnościach (kable) lub obiektów takich jak silniki czy transformatory. W tych przypadkach obserwacja zmian rezystancji i prądu pomiarowego w funkcji czasu może wykazać niebezpieczne osłabienie izolacji pomimo, że otrzymany wynik pomiaru rezystancji izolacji oceniony zostanie pozytywnie. W artykule zostaną przedstawione zasady pomiaru rezystancji izolacji, wyliczenia współczynników DAR i PI oraz przykłady praktycznego ich zastosowania.

Wprowadzenie

Każdy materiał izolacyjny charakteryzuje się pewną zdolnością do przewodzenia prądu elektrycznego, gdyż nie ma izolacji idealnej, całkowicie nieprzewodzącej. Właściwość ta wykorzystywana jest do wyznaczenia rezystancji materiałów izolacyjnych w urządzeniach elektrycznych. Kontrola stanu technicznego instalacji elektrycznych, wymagana Prawem Budowlanym [1] i prowadzona zgodnie z normą PN-HD 60364-6 [2], musi obejmować pomiar rezystancji izolacji m. in. przewodów elektrycznych, z których jest wykonana instalacja. Tak też pomiary te są powszechnie postrzegane w środowisku elektryków, którzy zajmują się pomiarami. Determinuje to pewien stereotyp co do wykorzystywanych w tym obszarze przyrządów pomiarowych. Polega on na tym, że do pomiarów rezystancji izolacji można wykorzystać dowolny miernik z właściwym napięciem probierczym. Zasadniczo można się z tym zgodzić – ale tylko jeśli chodzi o wspomniane pomiary instalacji elektrycznych.

Jedynym problemem, z którym trzeba się borykać, jest przygotowanie instalacji elektrycznej do prowadzenia pomiarów. W funkcjonujących instalacjach elektrycznych jest to proces pracochłonny, wymagający odłączenia napięcia, odbiorów i urządzeń sterujących (np. aktory), co nie zawsze jest możliwe. Można jednak pozbyć się tej niedogodności, jeśli skorzysta się z możliwości zwarcia przewodów czynnych na czas pomiaru w poszczególnych obwodach, na co pozwala norma PN-HD 60364-6 p 61.3.3. [2].

Sprawa wygląda zgoła inaczej przy pomiarach bardziej zaawansowanych np. silników elektrycznych, transformatorów, kabli SN czy urządzeń wymagających wysokich napięć probierczych. Niezbędne w tym przypadku jest przyjrzenie się zjawiskom występującym podczas pomiaru, jak również miernikom, które pozwolą na poprawne przeprowadzenie badania.

Prąd ładowania pojemności, prąd polaryzacji, prąd upływu

Rys. 1. Poglądowy wykres prądów w czasie pomiaru rezystancji izolacji

Rys. 1. prezentuje poglądowy przebieg prądów w funkcji czasu. Po przyłożeniu napięcia probierczego do mierzonego obwodu prąd wywołany pojemnością jest największy i zanika po jej naładowaniu znacznie szybciej niż prąd absorbcji, który także ulegnie rozproszeniu, co z kolei wynika ze zdolności materiału do gromadzenia ładunku. Dopiero po ustaniu tych zjawisk można odczytać wynik rezystancji izolacji. Należy zaznaczyć, iż zmiany wskazań przyrządu pomiarowego wywołane tymi prądami w rzeczywistości nie oznaczają zmian rezystancji izolacji, a są jedynie skutkiem procesu pomiarowego.

Rutynowo prowadzone badania ograniczają się właściwie tylko do odczytania wartości zmierzonej rezystancji izolacji po ustabilizowaniu się wyniku. Obserwacja tego procesu w czasie jest jednak bardzo ważnym i użytecznym narzędziem diagnostycznym. Może zdarzyć się bowiem takie uszkodzenie izolacji, które będzie dyskwalifikować badany obiekt pomimo spełnienia kryterium rezystancji dopuszczalnej. Przypadki takie występują często, kiedy podczas remontu np. silnika nastąpi specyficzne, niecałkowite uszkodzenie izolacji. Dotyczy to nie tylko stricte przezwajania silników, ale również napraw mechanicznych, np. wymiany łożysk (zakładanie dekla silnika może doprowadzić do uszkodzenia izolacji czoła uzwojenia). Właściwe wykorzystanie informacji, jakich dostarcza przebieg procesu badania, zabezpieczy nas przed błędnym orzeczeniem o pełnej sprawności kontrolowanego obiektu.

Współczynnik DAR oraz PI

Wykonując pomiar dobrej nieuszkodzonej i niezawilgoconej izolacji należy spodziewać się, iż wskazania przyrządu pomiarowego będą rosły w czasie, co jest wynikiem zmiany prądu całkowitego pokazanego na rys. 2. W oparciu o interwały czasowe oblicza się współczynniki charakterystyczne dla procesu pomiaru: DAR (dielectric absorption ratio) oraz PI (polarisation index).

Wzrost wskazań miernika spowoduje oczywiście, że wymienione współczynniki przyjmować będą wartości większe od 1, oczywiście dla dobrej izolacji.

Współczynnik absorpcji dielektrycznej (DAR) to stosunek wyniku pomiaru w MΩ w ciągu 1 minuty do wyniku w MΩ po 30 sekundach. Gdy zmierzony prąd upływu ustabilizuje się w ciągu 1 minuty, zazwyczaj nie stosuje się już badania w celu określenia współczynnika PI, ponieważ stosunek zmierzonych wartości wyniesie ok. 1. Współczynnik PI, jak wynika ze wzoru, to odpowiednio wynik w MΩ po 10 minutach do wyniku w MΩ po 1 minucie.

Wartości DAR i PI powszechnie podawane w literaturze oraz przez producentów aparatury badawczej do oceny stanu izolacji podano w tab. 1.

Tabela 1. Wartości współczynników DAR i PI

Lp.	DAR	PI	Stan izolacji
1.	<1,2	1 - 2	Niejasny, wątpliwy
2.	1,2 – 1,6	2 - 4	Dobry
3.	>1,6	>4	Doskonały

Współczynniki nie powinny przyjąć wartości mniejszych od 1, ponieważ wskazania rezystancji izolacji w trakcie pomiaru nie mogą maleć.

Trzeba również zaznaczyć, że zmiany prądów przy dużych wartościach rezystancji izolacji mogą być bardzo małe, rzędu kilku czy kilkunastu nA. Dlatego też norma IEEE 43-2013 [3] stwierdza co następuje:

„Gdy odczyt rezystancji izolacji R_iso uzyskany po przyłożeniu napięcia przez 1 minutę jest wyższy niż 5000 MΩ, w oparciu o wielkość przyłożonego napięcia stałego, całkowity zmierzony prąd (I _całkowity) może mieścić się w zakresie submikroamperowym. Na tym poziomie wymaganej czułości przyrządu pomiarowego, niewielkie zmiany napięcia zasilania, wilgotności otoczenia, połączeń testowych i innych niezwiązanych z nimi komponentów mogą znacznie wpłynąć na całkowity prąd mierzony podczas 1 min –10 min interwału wymaganego dla testu PI. Z powodu tych zjawisk, gdy R_iso jest wyższa niż 5000 MΩ, PI może, ale nie musi, oddawać właściwy stan izolacji i dlatego nie jest zalecany jako narzędzie oceny”.

Podsumowując, w przypadku silników o zerowym lub małym prądzie absorpcji, w których całkowity prąd upływu stabilizuje się w ciągu 1 minuty, wartości PI są bliskie lub równe 1. W tym przypadku PI nie jest właściwym narzędziem oceny. Dzieje się tak często w urządzeniach wirujących z nawinięciem losowym.

Przy wyznaczaniu współczynników nie jest konieczne dokonywanie korekty temperatury, ponieważ zarówno DAR, jak i PI są stosunkami, jeśli więc badanie przebiega w całym zakresie w stałych warunkach, jest to zrozumiałe. Zaleca się, aby silniki o niskich wartościach rezystancji izolacji nie były poddawane pomiarom wyższym napięciem probierczym niż zalecane. Ponieważ często można spotkać urządzenia, dla których w polskich normach jest brak wymagań co do wartości rezystancji izolacji. W tej sytuacji można korzystać ze standardu ANSI/NETA MTS-2011 (Tab. 2) [4]. Ponadto należy wspomnieć, że krajowe wymagania zawarte są m.in. w normie PN-E 04700 [5].

Tab. 2. Napięcie probiercze i wymagane minimalne wartości rezystancji izolacji w zależności od napięcia nominalnego badanego obiektu

Nominal Rating of Equipment (Volts)	Minimum Test Voltage (DC)	Recommended Minimum Insulation Resistance (Megohms)
250	500	25
600	1,000	100
1,000	1,000	100
2,500	1,000	500
5,000	2,500	1,000
8,000	2,500	2,000
15,000	2,500	5,000
25,000	5,000	20,000
34,500 and above	15,000	100,000

Przykład praktyczny

W celu przeprowadzenia prób badania rezystancji izolacji i współczynników DAR i PI jedna z firm zajmująca się remontami silników udostępniła losowo wybrany stojan silnika po przewinięciu. Do pomiarów wykorzystano miernik Sonel MIC-10k1 z funkcją tworzenia wykresów z przebiegiem prądu i napięcia w funkcji czasu.

Rys. 2. Wynik pomiaru na mierniku IMI i badany stojan silnika 40 kW / 400V

Badany stojan silnika 40kW/400V został przezwojony i wyremontowany. Po wygrzaniu i wystudzeniu poddano go pomiarom. Miernik IMI wskazał przekroczenie zakresu przy napięciu probierczym 500 V (>300 MΩ). Pomiary wykonane miernikiem Sonel MIC-10k1 z wyższym zakresem pomiarowym wskazały wartość rezystancji izolacji 430 MΩ. Jednak współczynnik DAR osiągnął wartość 1,2. Stworzyło to uzasadnioną wątpliwość co do stanu izolacji mimo wyniku wielokrotnie przekraczającego wymagany próg (5 MΩ lub ANSI NETA 25 MΩ). Ponieważ stojan wyposażono w nowe porcelanowe izolatory złącza, a ponadto został on wygrzany i wysuszony, wykluczono wpływy ewentualnego zawilgocenia.

Interesująco w tych okolicznościach wygląda przebieg prądu i rezystancji w czasie pomiaru.

Rys. 3. Wykres prądu i rezystancji. Widoczne anomalie

W ok. czterdziestej sekundzie następuje gwałtowny wzrost rezystancji izolacji, po czym prawie natychmiast rezystancja maleje i proces ten się powtarza. Z powodów, jak wyżej, wykluczone zostały zakłócające czynniki zewnętrzne. Problemu należało zatem poszukiwać w samej izolacji ułożonych w stojanie uzwojeń.

Dokładne oględziny nie doprowadziły do ustalenia przyczyny. Uczyniło to dopiero sukcesywne usuwanie uzwojeń. Problem stanowiła jedna preszpanowa przekładka, która była pęknięta. Podczas umieszczania uzwojeń w rowkach stojana drut nawojowy dostał się pomiędzy preszpan a rowek i spoczywał bezpośrednio w rowku, dotykając stojana pozbawionego preszpanowej izolacji. Drut nawojowy jest emaliowany, zatem otrzymane wskazania były wynikiem przepływu prądu w miejscu styku drutu nawojowego ze stojanem. Uruchomienie silnika w tym stanie spowodowałoby z pewnością jego uszkodzenie. Stojan ponownie przewinięto.

Rys. 4. Wykres prądu i rezystancji po ponownym przezwojeniu. Wykres prawidłowy

Jak widać na wykresie z Rys. 4, ponowne prawidłowe przewinięcie pozwoliło na osiągnięcie rezystancji izolacji na poziomie 12 GΩ (poprzednio 430 MΩ) przy jednoczesnym prawidłowym, stałym naroście rezystancji w trakcie pomiaru, co zostało również uwidocznione współczynnikiem DAR = 2.

Podsumowując, prezentowany przykład wskazuje na skuteczność metody, przy wykrywaniu uszkodzeń izolacji za pomocą współczynnika DAR oraz kształtu wykresu. Firma, w której prowadzono testy, po zdiagnozowaniu tego przypadku wprowadziła pełne procedury kontrolno-pomiarowe dla remontowanych silników, zmieniła sposób przycinania preszpanu, zaś warsztat wyposażyła w odpowiedni sprzęt pomiarowy. Od tamtej pory podobny przypadek już się w tej firmie nie powtórzył. Natomiast kilkukrotnie wykryto naruszenie izolacji po remontach mechanicznych (np. wymiana łożysk).

Rys. 5. Uszkodzenie koszulki izolacyjnej na skutek przycięcia deklem

Zatem biorąc pod uwagę skutki przestojów, których – choć w niewielkiej liczbie – przecież można uniknąć, pełne badanie nie tylko pod kątem samej rezystancji izolacji wydaje się szczególnie uzasadnione. W stosunku do skali zniszczeń, jakich może przysporzyć obiekt z utajoną wadą, koszty zakupu odpowiedniego miernika są niewielkie i z pewnością akceptowalne.

Informacje, które zostały zawarte w niniejszym artykule, są jedynie zasygnalizowaniem tematu w celu poszerzenia perspektywy i wskazania, by unikać rutyny podczas badań rezystancji izolacji urządzeń elektrycznych. Ta wiedza powinna zachęcić do zgłębiania przyczyn zjawisk występujących podczas pomiarów i praktycznego wykorzystania ich do oceny stanu izolacji badanych obiektów. W załączniku nr 1 znajduje się przykładowy protokół z badania silnika.

Literatura

[1] Prawo Budowlane. USTAWA z dnia 7 lipca 1994 r.
[2] Norma PN-HD 60364-6:2008 (2016) Instalacje elektryczne niskiego napięcia -- Część 6: Sprawdzanie
[3] IEEE 43-2013 IEEE Recommended Practice for Testing Insulation Resistance of Electric Machinery
[4] ANSI/NETA MTS-2011 Standard for Maintenance Testing Specifications for Electrical Power Equipment and Systems
[5] Norma PN-E 04700:2000 Urządzenia i układy elektryczne w obiektach elektroenergetycznych -Wytyczne przeprowadzania po montażowych badań odbiorczych
Materiały SONEL S.A. oraz własne autora

Roman Domański
SONEL S.A.