background image

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA

Katedra Urządzeń Elektrycznych i Techniki Świetlnej

Materiałoznawstwo Elektryczne

ĆWICZENIE 6

BADANIE  ODPORNOŚCI  MATERIAŁÓW

ELEKTROIZOLACYJNYCH  NA  ŁUK  ELEKTRYCZNY  O  MA-

ŁYM  NATĘŻENIU  PRĄDU PRZY  WYSOKIM  NAPIĘCIU

I. WIADOMOŚCI  TEORETYCZNE

1. Charakterystyka działania łuku na materiał

Wskutek  działania  łuku  elektrycznego  materiały  organiczne  ulegają  degradacji.  W  wyniku  występo-

wania procesu rozkładu wydzielają się części lotne i stałe. Wydzielający się węgiel jest przyczyną two-
rzenia się na powierzchni materiałów izolacyjnych ścieżek przewodzących. Ponadto materiał, pod wpły-
wem  łuku,  może  ulegać  topieniu,  a  nawet  zapaleniu  się.  Duże  znaczenie  dla  odporności  materiałów  na
łuk elektryczny ma ich odporność temperaturowa.

Ogólnie  rzecz  biorąc  uszkodzenie  powierzchni  materiału  podczas  wyładowań  łukowych  może  po-

wstać na skutek:

a) 

 

oddziaływania cieplnego – występuje, gdy wyładowania wzdłuż powierzchni materiału osiągają
intensywność zapewniającą wydzielanie się energii cieplnej wystarczającej do rozkładu tworzy-
wa lub jego topienia się;

b) 

 

oddziaływania chemicznego (zwykle w powiązaniu z oddziaływaniem cieplnym) – wysoka tem-
peratura  i  przepływ  prądu  sprzyja  zachodzeniu  różnorakich  reakcji  chemicznych,  zwłaszcza  w
zapylonych i agresywnych środowiskach;

c) 

 

oddziaływania erozyjnego – polega ono na mechanicznym niszczeniu powierzchni materiału jo-
nami rozpędzonymi w polu elektrycznym. Oddziaływanie to występuje pod działaniem wysokie-
go napięcia przy dużej rezystancji powierzchniowej dielektryku.

Zjawisko erozji praktycznie nie zmienia powierzchniowych własności izolacji, jednakże zachodząc w

dłuższym czasie może doprowadzić układ do nagłej utraty własności izolacyjnych.

Materiały organiczne, pod wpływem łuku, ulegają zniszczeniu głównie wskutek tworzenia się ścieżek

przewodzących.  Decydujące  znaczenie  ma  tutaj  oddziaływanie  cieplne.  Łatwość  tworzenia  się  ścieżek
przewodzących  zależy  od  struktury  materiału  i  energii  wiązań  cząsteczek.  Dla  niektórych  wiązań  che-
micznych energia ta wynosi:

 C  

–  356 kJ/mol

=

 C 

–  615 kJ/mol

− 

–  352 kJ/mol

− 

H

–  414 kJ/mol

Ο −

 H

–  460 kJ/mol

2. Warunki powstawania łuku elektrycznego na powierzchni izolatorów

Na występowanie wyładowań łukowych narażone są powierzchnie izolatorów pracujących zarówno w

sieciach  napowietrznych,,  jak  i  wnętrzowych.  Wyładowania  te  mogą  zachodzić  pod  wpływem  przepięć
pojawiających  się  w  sieci  elektroenergetycznej.  Drugą  przyczyną  powstawania  tego  typu  wyładowań
może  być  praca  izolatorów  wysokonapięciowych  w  warunkach  zabrudzeniowych.  Na  działanie  łuku

background image

Ć

wiczenie 6

2

elektrycznego narażone są także izolacyjne elementy konstrukcyjne urządzeń wysokiego napięcia, mate-
riał komór gaszeniowych, osłony. Występowanie wyładowań łukowych obniża wytrzymałość elektryczną
układu  –  pod  ich  wpływem  powierzchnie  izolatorów  ulegają  niszczeniu.  Dotyczy  to  przede  wszystkim
izolacji organicznej (tworzywa sztuczne, celuloza).

Rozwój  wyładowań  łukowych  na  granicy  dielektryka  stałego  i  powietrza  zależy  od  układu  elektrod,

ich kształtu, stanu powierzchni, rodzaju zastosowanego materiału i rozkładu natężenia pola elektryczne-
go.

3. Rozwój wyładowań na powierzchni izolatorów wysokonapięciowych w warunkach za-

brudzeniowych

Najlepsze  warunki  dla  powstania  wyładowań  łukowych  na  izolatorach  występują  przy  pracy  w  wa-

runkach zabrudzeniowych i przy dużej wilgotności. Wilgoć, kurz, pył i inne zanieczyszczenia atmosfery
osadzają się  na  powierzchni  izolatorów  tworząc  warstwę  o  dużej  wprawdzie  rezystancji,  ale  niższej  od
rezystancji czystej powierzchni izolatorów. Pojawienie się tej warstwy sprzyja przepływowi niewielkich
prądów  (ułamki  mikroampera).  W  stanie  suchym  prądy  te  wywołują  słabo  widoczne  iskrzenie  na  po-
wierzchni, niegroźne dla izolatora, ale powodujące zakłócenia radioelektryczne.

Zawilgocenie  zmniejsza  rezystancję  warstwy  zabrudzeń,  dając  większe  prądy  upływu.  Z chwilą  gdy

prąd  upływu  osiąga  wartość  rzędu  kilkudziesięciu 

µ

A,  pojawiają  się  wyładowania  o  barwie  fioletowo-

niebieskiej, określane jako wyładowania nitkowe lub smużyste. Gdy prąd upływu osiąga wartość kilku-
dziesięciu  mA,  powstaje  nowy  rodzaj  wyładowań,  określanych  jako  wyładowania  łukowe  osuszające
albo łuki poprzeczne.

Wraz ze wzrostem prądu zwiększają się skutki termiczne jego przepływu. Izolatory ceramiczne mogą

ulec  uszkodzeniu  w  postaci  pęknięć,  natomiast  w  przypadku  izolatorów  z  tworzyw  sztucznych  wystąpi
miejscowe  wyzwalanie  się  węgla.  Zwęglenie  to  sprzyja  dalszemu  rozwojowi  wyładowań  łukowych.
Wywiązujące  się  ciepło  działa  osuszająco  powierzchnię  izolatora  zawilgoconego.  Jeśli  zjawisko  to  bę-
dzie miało charakter lokalny, to proces wyładowań będzie podtrzymywany.

Charakter  zabrudzeniowych  wyładowań  łukowych  zależy  od  wartości  prądów  tych  łuków.

W przypadku gdy prąd ma wartość od kilkunastu do kilkudziesięciu mA spadki napięcia są dość znaczne
i  łuki  nie  mają  tendencji  do  wydłużania  się.  Jednocześnie,  przy  niewielkim  nawet  prądzie,  występuje
osuszanie  izolatora,  co  może  doprowadzić  do  zgaśnięcia  łuku  względnie  jego  przesunięcie  w  kierunku,
gdzie podtrzymanie wyładowań nie wymaga zwiększenia napięcia. Powstają w ten sposób łuki poprzecz-
ne wędrujące.

Jeśli wraz z występowaniem łuków poprzecznych, rezystancja nie objętej wyładowaniami części izo-

latora  znacznie  spadnie  (w  atmosferze  pary  wodnej),  powstaje  nadwyżka  napięcia  ponad  potrzebną  do
podtrzymania wyładowań. Wyładowanie może wtedy pójść w kierunku zwiększenia prądu w istniejących
kanałach wyładowań albo powstania nowych łuków poprzecznych. W każdym z tych przypadków zwięk-
sza się prawdopodobieństwo przeskoku i pojawia się zjawisko łuków wędrujących podłużnych. Tworzy
się  silnie  zjonizowany  kanał  termiczny  o żółtym  zabarwieniu.  Wzrost  naprężeń  elektrycznych  na  krań-
cach kanału plazmowego sprzyja jego wydłużaniu się, natomiast silnie zjonizowana atmosfera pary wod-
nej  o  dużej  prężności  odpycha  łuk  od  powierzchni.  Procesy  te  prowadzą  do  przeskoku  w  powietrzu  (z
ominięciem kloszy).

Ś

ledząc  poszczególne  etapy  wyładowań  łukowych  dostrzega  się  znaczenie  i celowość  realizowania

badań odporności materiałów na łuk elektryczny Wyładowania łukowe poprzeczne rozwijają się bowiem
przy prądzie rzędu dziesiątków miliamperów, co odpowiada wartościom prądów w metodzie laboratoryj-
nej.  Prąd  ten  z  jednej  strony  sprzyja  wysuszaniu  powierzchni  materiału  izolacyjnego,  a z drugiej  może
oddziaływać destrukcyjnie na materiał.

background image

Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...

3

4. Odporność temperaturowa materiałów – klasy izolacji

Najwcześniejsza klasyfikacja materiałów elektroizolacyjnych jest oparta na najwyższej dopuszczalnej

temperaturze ich pracy (tab. 6.1). Zjawiska cieplne powodują obniżenie jakości materiału wynikające z
nieodwracalnych zmian chemicznych. Nie przekraczanie dopuszczalnej temperatury pracy (

θ

dop

) umożli-

wia  pracę  urządzeń,  w  których  dany  materiał  znajduje  zastosowanie,  przez  uzasadniony  technicznie  i
ekonomicznie czas pracy.

Tab. 6.1. Klasy izolacji

Klasa

θ

dop

Rodzaje materiałów elektroizolacyjnych (przykłady)

-

°

C

-

Z

50

Guma naturalna, polistyren.

X

75

Polichlorek winylu, polietylen.

Y

90

Materiały celulozowe i poliamidowe niezanurzone w oleju.

A

105

Materiały klasy Y nasycone lub zanurzone w oleju transformatorowym.

E

120

Tworzywa  fenolowo-formaldehydowe  i  melaminowo-formaldehydowe  na  nośniku  orga-
nicznym, folie z trójoctanu celulozy i politereftalanu etylenu.

B

130

Ż

ywice  epoksydowe  i  poliestrowe  lane  lub  z  napełniaczem  organicznym,  wyroby  z  miki,

azbestu lub włókna szklanego z lepiszczem organicznym.

F

155

Wyroby z miki, azbestu, włókna szklanego z lepiszczem o podwyższonej odporności tem-
peraturowej.

H

180

Ż

ywice silikonowe na nośniku nieorganicznym (np. tkanina szklana), kauczuk silikonowy.

C

>180

Materiały nieorganiczne – materiały ceramiczne, mika, szkło, azbest, materiał organiczny -
policzterofluoroetylen (teflon).

Obecnie taka klasyfikacja materiałów (tab. 6.1) straciła swoje znaczenie z kilku powodów:

 

o dopuszczalnej temperaturze pracy decyduje nie tylko sam surowiec, lecz także jego chemiczna
modyfikacja;  występują  duże  różnice  własności  materiałów  pochodzących  od  różnych  produ-
centów;

 

silniejszy wpływ na trwałość izolacji mają warunki pracy urządzeń niż własności samego mate-
riału izolacyjnego;

 

wskaźnik  temperaturowy  zależny  jest  od  zachowania  się  danej  własności  materiału  mającej  w
danym  urządzeniu  decydujące  znaczenie;  dany  materiał,  w  zależności  od  zastosowania,  może
mieć kilka dopuszczalnych temperatur;

 

brak jest jednoznacznego kryterium długości życia różnych materiałów;

 

w  praktyce  konstruktorskiej  i  eksploatacyjnej  istnieje  większa  potrzeba  klasyfikacji  układów
izolacyjnych, a nie materiałów.

Niezależnie od poprawności powyższej tabeli faktem jest, że czas życia izolacji ulega skróceniu przy

wzroście  temperatury.  Zatem  wszelkie  cieplne  narażenia,  którym  może  być  poddany  materiał  w  czasie
eksploatacji, mają wpływ na jego trwałość. Takim narażenie jest również łuk elektryczny którego głów-
nym  oddziaływaniem  na  materiał  jest  oddziaływanie  cieplne.  Dla  pewnych  grup  materiałów  wyższa  do-
puszczalna temperatura robocza może wiązać się z większą odpornością na łuk elektryczny. Może zatem
istnieć pewna korelacja między obiema klasyfikacjami.

Obecnie  zaprzestaje  się  klasyfikowania  materiałów  elektroizolacyjnych  w  sposób  sztywny  na  klasy

odporności  temperaturowej.  Pozostawiono  jednak  podział  związany  z  odpornością  cieplną,  zwaną  cie-
płoodpornością, do klasyfikowania izolacji i układów izolacyjnych urządzeń elektrycznych (tab. 6.2).

background image

Ć

wiczenie 6

4

Tab. 6.2. Symbole klas ciepłoodporności według PN-87/E-02050

Symbol klasy
ciepłoodporności

Y

A

E

B

F

H

200

220

250

Klasa ciepłood-
porności  [

°

C]

90

105

120

130

155

180

200

220

250

Dla klas wyższych niż 250 stosuje się symbole  numeryczne  odpowiadające  wartościom  temperatury

stopniowanym co 25

°

C.

Ciepłoodporność należy rozumieć jako zdolność spełniania wymaganych funkcji w warunkach odpo-

wiadających  danej  klasie  ciepłoodporności  w  znamionowych  warunkach  pracy  urządzenia  przez  czas
uzasadniony  względami  technicznymi  i ekonomicznymi.  Określenie  ciepłoodporności  wiąże  się  z  okre-
ś

leniem wskaźnika temperaturowego ciepłoodporności.

Wskaźnik temperaturowy ciepłoodporności jest to temperatura (w 

°

C), w której przez określony czas

(np. 20000 h) materiał izolacyjny utrzymuje sprawdzaną własność powyżej pewnego poziomu.

Klasa  ciepłoodporności  nie  wiąże  się  z  konkretnym  czasem  eksploatacji  (trwałością)  urządzenia.

Trwałość  uwzględniająca  wymagania  techniczne  i  ekonomiczne  może  być  różna  dla  różnych  urządzeń,
czyli dana izolacja w różnych urządzeniach może być zaliczona do różnych klas ciepłoodporności.

5.  Opis  metody  badania  odporności  materiałów  izolacyjnych  na  łuk  elektryczny  o  małym

natężeniu prądu przy wysokim napięciu

5.1. Ogólna charakterystyka metody

Opisywana metoda umożliwia wstępną selekcję materiałów izolacyjnych stałych pod względem ich od-

porności na działanie łuku elektrycznego o wysokim napięciu i małym prądzie przebiegającym w pobliżu
powierzchni  izolacji.  Łuk  ten  może  spowodować  powstanie  ścieżki  przewodzącej  lub  też  wprowadzić
materiał w stan przewodzenia na skutek lokalnej dekompozycji termicznej, chemicznej lub erozji.

W ogólnym przypadku omawiana metoda nie pozwala na wyciąganie wniosków dotyczących względ-

nej odporności na działanie łuku materiałów, które mogą podlegać oddziaływaniu innego rodzaju wyła-
dowań łukowych, np. o wysokim napięciu i dużym prądzie lub niskim napięciu i dużym lub małym prą-
dzie.  Przykładem  mogą  być  łuki  powstające  na  skutek  udarów  napięciowych  lub  łuki  powstające
w warunkach  występowania  zanieczyszczeń  przewodzących.  Istnieją  w  związku  z tym  inne  metody  ba-
dań,  ujęte  w  normach,  pozwalające  ocenić  odporność  materiałów  na  działanie  łuków  i  prądów  po-
wierzchniowych o różnych wartościach.

Badania laboratoryjne odporności materiałów na łuk elektryczny wykonywane są w warunkach cha-

rakteryzujących się czystością i  suchością  otoczenia,  co  rzadko  ma  miejsce  w  warunkach  eksploatacyj-
nych.  W  związku  z  powyższym  zachowanie  się  materiału  w  warunkach  typowych  zastosowań,  przy
zmienności charakteru otoczenia od czystego do zanieczyszczonego, może znacznie odbiegać od rzeczy-
wistości.  Przydatność  omawianej  metody  badań  należy  zatem  widzieć  jako  wstępną  ocenę  zmian  zaist-
niałych  w  strukturze  i  kompozycji  materiałów,  bez  uwzględniania  czynników  komplikujących,  związa-
nych z warunkami otoczenia, zwłaszcza zanieczyszczeń i wilgoci.

Opisywana metoda nie nadaje się do badania tych materiałów nie tworzących ścieżek przewodzących,

które stapiają się powodując zatapianie elektrod lub tworzą płynne pozostałości wypłukujące substancje
przewodzące z czynnego obszaru probierczego. Badaniu podlegają natomiast materiały również nie two-
rzące ścieżek ale ulegające pod wpływem łuku erozji lub ulegające topieniu tworzącemu wyraźne zagłę-
bienie w obszarze międzyelektrodowym.

5.2. Rodzaje uszkodzeń materiałów izolacyjnych

Odporność na łuk wysokiego napięcia o małym natężeniu  prądu  określona  jest  zdolnością  materiału

do przeciwstawienia się działaniu takiego łuku i wyrażona jest, w większości przypadków, przez czas (w
sekundach), jaki upłynie od pojawienia  się  pierwszego  łuku  aż  do  zniszczenia  materiału.  W  niektórych
przypadkach  zniszczeń  miarą  odporności  jest  głębokość  ubytku  materiału  spowodowanego  przez  łuk.

background image

Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...

5

Zniszczenie materiału oznaczające trwałą utratę własności elektroizolacyjnych lub mechanicznych może
występować w postaci:

a) 

 

ś

cieżki przewodzącej (oznaczenie S),

b) 

 

zapalenia się (P),

c) 

 

topnienia (T),

d) 

 

erozji (E).

Miarą odporności materiału w przypadkach a i b jest czas, jaki upływa od momentu rozpoczęcia ba-

dań do chwili zapalenia się materiału lub wytworzenia się ścieżki przewodzącej.

W przypadkach c i d miarą odporności jest głębokość ubytku materiału (w mm) mierzona po ustalo-

nym czasie badania (zwykle 240 s).

5.3. Stopnie badania

Czas  próby  podzielony  jest  na  jednominutowe  etapy  nazwane  stopniami  badania.  Łuk  powstaje  w

sposób przerywany pomiędzy dwiema elektrodami na powierzchni próbki. We wcześniejszej fazie próby
(stopnie 1, 2, 3), warunki pracy izolacji zaostrza się poprzez stopniowe zmniejszanie aż do zera przerw
między  wyładowaniami  o  jednakowym  czasie  trwania.  W  fazie  późniejszej  zaostrzanie  próby  realizuje
się poprzez zwiększanie wartości prądu łuku.

Stopnie  badania  przedstawia  tabela  6.3.  Przechodzenie  z  jednego  stopnia  badania  na  drugi  realizuje

się w sposób płynny bez przerywania procesu badawczego. Badanie przerywa się po stwierdzeniu znisz-
czenia próbki.

Tab. 6.3. Parametry procesu badawczego

Prąd

łuku

Czas

łuku

Czas

przerwy

Czas trwania

stopnia

Łączny czas

pomiaru

Ciepło

wydzielone

Stopień
badania

mA

s

s

s

s

W

I

10

0,25

1,75

60

60

3

II

10

0,25

0,75

60

120

6

III

10

0,25

0,25

60

180

12

IV

10

ciągły

0

60

240

24

V

20

ciągły

0

60

300

34

VI

30

ciągły

0

60

360

45

VII

40

ciągły

0

60

420

56

W miarę postępu chemii tworzyw sztucznych i produkcji materiałów o zwiększonej odporności na łuk

elektryczny, można liczbę stopni badania zwiększyć do 13, a prądy  kolejnych  stopni  powiększać  co  10
mA  aż  do  100  mA.  Zachowując  60  -sekundowy  czas  trwania  każdego  stopnia  uzyskuje  się  możliwość
badania odporności na łuk do 780 s.

5.4. Przygotowanie próbek i elektrod pomiarowych

Jako  próbki  można  użyć  dowolną  część  materiału  o  płaskiej  powierzchni.  Powierzchnia  próbki  po-

winna być gładka, bez rys i zadrapań oraz nie powinna być obrobiona mechanicznie. Grubość próbki nie
powinna  być  mniejsza  od  3  mm,  a  jej  wymiary  powinny  zapewniać  ułożenie  elektrod  w  odległości  nie
mniejszej  niż  8 mm  od  jej  krawędzi.  Przy  wykonywaniu  kilku  pomiarów  na  jednej  próbce,  odległość
między kolejnymi miejscami badania nie powinna być mniejsza od 15 mm.

Pył,  wilgoć  oraz  odciski  palców  mogą  mieć  wpływ  na  wyniki  badań,  dlatego  też  próbki  należy

uprzednio oczyścić zwilżoną ściereczką, a następnie wytrzeć suchą ściereczką bezpośrednio przed rozpo-
częciem próby.

background image

Ć

wiczenie 6

6

Jeżeli warunki próby tego  wymagają,  próbki  przed  badaniami  należy  poddać  klimatyzacji  zgodnie  z

wymaganiami  normy  przedmiotowej  na  badany  materiał.  Jeżeli  w  normie  przedmiotowej  warunki  kli-
matyzacji nie są podane, klimatyzację należy przeprowadzić w następujących warunkach:

 

w temperaturze 50

°

C przy wilgotności < 20% przez 24 h,

 

w temperaturze 15 

÷

 35

°

C i wilgotności 45 

÷

 75% przez 48 h.

ø

2,5

6

5

30°

3

5

°

6,5 

±

0,1

Rys. 6.1. Elektrody i sposób ich ustawienia na próbce

Elektrody powinny być kwasoodporne, najlepiej wolframowe. Z wolframu mogą być wykonane tylko

robocze końce elektrod o długości co najmniej 10 mm. Powierzchnia elektrod powinna być gładka i pole-
rowana.  Przed  każdym  pomiarem  elektrody  należy  oczyścić  z  sadzy  i  zabrudzeń  powstałych  przy  po-
przednich  pomiarach,  drobnoziarnistym  papierem  ściernym  400.  Nacisk  każdej  elektrody  na  próbkę  w
kierunku osi pionowej powinien wynosić około 0,5 N.

5.5. Schemat układu i warunki próby

Tp

Tr

W

1

układ sterowania

W

3

W

4

R

2

Ve

mA

elektrody

próbka

Z

0

R

3

R

4

R

1

W

2

220 V
50 Hz

Rys. 6.2. Schemat  funkcjonalny  układu  do  badania  odporności  materiałów  na  łuk  elektryczny:

Tr - transformator regulacyjny, Tp  -  transformator  probierczy,  R

1

 

÷

  R

4

,  W

1

 

÷

  W

4

  -  zespół

rezystorów i łączników do regulacji prądu łuku, Ve - woltomierz elektrostatyczny, mA -
 miliamperomierz, Z

0

 - impedancja tłumiąca

Napięcie  probiercze  wynosi  12,5  kV.  Napięcie  to  należy  ustawić  przy  rozsunięciu  elektrod  na  odle-

głość uniemożliwiającą zapłon łuku. Weryfikacji prądu łuku najlepiej dokonać przy prawidłowym usta-
wieniu  elektrod  na  gładkim  materiale  odpornym  na  działanie  łuku  (np.  na  porcelanie).  Do  ustawienia
prądów 10, 20, 30 i 40 mA (zależnie od stopnia badania) służy zespół rezystorów i łączników uwidocz-
niony na schemacie (rys. 6.2).

Impedancja  Z

0

  (elementy  R  i  L)  służy  do  wytłumienia  wysokoczęstotliwościowych  pasożytniczych

składowych prądu w obwodzie łuku.

Badania należy wykonywać w otoczeniu o temperaturze 15 

÷

 35

°

C i wilgotności względnej 45 

÷

 75%.

Badania wykonuje się poczynając od pierwszego stopnia (tab. 6.1). Jeżeli materiał nie ulega zniszcze-

niu w czasie I stopnia, przechodzi się płynnie na II stopień a potem kolejno na następne stopnie. Jeżeli

background image

Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...

7

materiał  w  dalszym  ciągu  nie  zostaje  zniszczony,  pomiar  należy  zakończyć  i  przyjąć  odporność  na  łuk
większą od 420 s.

Jeżeli materiał w czasie próby ulega erozji lub topi się, należy pomiar przerwać po umownym czasie

240 s (4 stopnie) i zmierzyć maksymalną głębokość ubytku (np. metodą mikroskopową).

5.6. Interpretacja zniszczenia próbki

W przypadku niszczenia próbki wskutek tworzenia się przewodzącej ścieżki, ważnym elementem po-

prawności badań jest określenie momentu jej powstania. Jeżeli obserwujemy zanik łuku i wyraźną zmia-
nę dźwięku (lub jego zanik) towarzyszącą przepływowi prądu przez badany materiał, jest to oznaką połą-
czenia elektrod przez przewodzący kanał, a moment utworzenia się tego kanału nie budzi wątpliwości.

Dla niektórych materiałów określenie momentu zniszczenia próbki jest jednak  trudniejsze.  W takich

przypadkach należy kierować się niżej podanymi definicjami.

1.

 

W czasie badania obserwujemy wzrost tendencji do zniszczenia próbki objawiający się podziałem
łuku  na  fragmenty  lub  jego  skróceniem  wynikającym  z  coraz  większego  udziału  przewodzących
części powierzchni aż do całkowitego zaniku łuku. W takim przypadku za końcowy uważa się ten
moment próby, od którego całość obszaru między elektrodami staje się przewodząca i w żadnej je-
go części przepływ prądu nie występuje pod postacią łuku.

2.

 

Pomimo  utworzenia  się  ścieżki  przewodzącej  obserwuje  się  ciągłe  jarzenie  w sąsiedztwie  styku
elektrod z materiałem. Jarzenia tego nie należy utożsamiać z łukiem. Występującego jarzenia przy
elektrodach nie należy zatem uwzględniać przy określaniu odporności materiału na działanie łuku.

3.

 

Próbka w czasie występowania łuku pali się czyniąc łuk niewidocznym. Badanie należy przerwać i
odnotować zniszczenie próbki wskutek spalenia się.

4.

 

Jeżeli  w  czasie  badania  elektrody  zaczynają  się  wtapiać  w  próbkę  albo  występuje  wypłukiwanie
substancji  przewodzących  uniemożliwiając  powstawanie  ścieżek  przewodzących  należy  uznać,  że
stosowana metoda nie nadaje się do badania danego materiału.

Często uszkodzenie próbki występuje w ciągu kilku sekund od momentu przejścia na ostrzejsze wa-

runki próby. W związku z tym, przy porównywaniu  odporności  materiałów  należy  szczególnie  zwrócić
uwagę na kilkusekundowe okresy czasu na granicy dwóch etapów. Znacznie większa jest różnica odpor-
ności materiałów wyrażonych czasami 178 i 182 s niż 174 i 178 s.

5.7. Wynik próby i protokół pomiarów

Za wynik badania podaje się przy zniszczeniu materiału:

a) 

 

w postaci ścieżki przewodzącej lub zapalenia się – średnią arytmetyczną 10 pomiarów czasu w
sekundach oraz wartość minimalną czasu,

b) 

 

w postaci erozji lub wytopienia – średnią arytmetyczną 10 pomiarów głębokości ubytku w mi-
limetrach oraz wartość maksymalną ubytku.

Jeżeli wartość minimalna czasu lub wartość maksymalna głębokości ubytku różni się więcej niż 20%

od wartości średniej, należy wykonać 10 dodatkowych pomiarów i za wynik przyjąć średnią z 20 pomia-
rów.

Po wykonaniu badań należy sporządzić protokół, który powinien zawierać:

 

oznaczenie i nazwę materiału,

 

liczbę, kształt i wymiary próbek,

 

warunki przygotowania próbek,

 

liczbę wykonanych pomiarów,

 

warunki badania,

 

wyniki badań,

 

opis zewnętrzny wyglądu próbek po badaniach i zjawiska zachodzące w czasie badania,

 

szczególne warunki wpływające na wynik badania.

Przykłady podania wyniku w przypadku:

 

ś

cieżki przewodzącej 196/191 – S (czas średni/czas minimalny – rodzaj uszkodzenia),

background image

Ć

wiczenie 6

8

 

erozji

0,70/0,85 – E,

 

topienia

0,65/0,75 – T,

 

zapalenia się

196/188 – P.

6. Pytania kontrolne

1.

 

Działanie łuku na materiał.

2.

 

Mechanizm powstawania wyładowań łukowych na izolatorach.

3.

 

Klasy izolacji i klasy ciepłoodporności.

4.

 

Metoda badania odporności materiałów na łuk elektryczny.

5.

 

Elektrody i sposób ich umieszczenia na próbce.

6.

 

Rodzaje uszkodzenia próbki przez łuk.

7.

 

Miary odporności materiałów izolacyjnych na działanie łuku elektrycznego.

Literatura

1.

 

Florkowska B.: Badanie układów elektroizolacyjnych. Skrypt AGH, 1976

2.

 

Pohl Z.: Izolacja wysokonapięciowa w warunkach zwiększonej upływności powierzchniowej. Prace
Naukowe Instytutu Podstaw Elektrotechniki i Elektrotechnologii Politechniki Wrocławskiej. Wro-
cław 1975

3.

 

Siciński Z.: Badanie materiałów elektroizolacyjnych. WNT, Warszawa 1975

4.

 

Stryszowski  S.:  Materiałoznawstwo  elektryczne.  Skrypt.  Wydawnictwo  Politechniki  Świętokrzy-
skiej nr 276. Kielce 1995

5.

 

PN-EN  61621:2002  Materiały  elektroizolacyjne  stałe  suche.  Odporność  na  wyładowania  łukowe
wysokonapięciowe, niskoprądowe (oryg.)

6.

 

PN-EN 60085:2008  Izolacja elektryczna. Ocena termiczna i oznaczenia (oryg.)

II. BADANIA

1. Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych

na łuk elektryczny

1.1. Układ pomiarowy i jego cechowanie

Stanowisko do badania odporności materiału na łuk elektryczny o małym natężeniu prądu przy wyso-

kim  napięciu  jest  zautomatyzowane.  Przebiegiem  badań  steruje  mikroprocesorowy  układ  sterowania,
którego płytę czołową przedstawia rys. 6.3. Uruchomienie układu rozpoczyna realizację programu bada-
nia  zgodnie  ze  stopniami  przedstawionymi  w  tabeli 6.1.  Układ  sterowania,  obok  załączania  napięcia
w określonych odcinkach czasowych, dokonuje przełączeń rezystorów służących do regulacji prądu łuku.
Zarówno  wartość  prądu  w  poszczególnych  stopniach  badania  jak  i wartość  napięcia  probierczego  musi
być przed przystąpieniem do badań sprawdzona i ewentualnie ustawiona ręcznie. Rysunek 6.4 przedsta-
wia pulpit zasilania a rysunek 6.5 schemat układu pomiarowego.

Regulacja napięcia realizowana jest przy pomocy pierwszego autotransformatora (T

1

). Po ustawieniu

napięcia probierczego (12,5 kV) woltomierz elektrostatyczny (Ve) można odłączyć.

background image

Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych na łuk ...

9

Sieć

Licznik czasu w sek.

Stopień badania

MIKROPROCESOROWY UKŁAD STEROWANIA

Stan
procesu

Program

Łuk

stop/clear

Start

Rys. 6.3. Widok przedniej płyty sterownika mikroprocesorowego

Zał

1

Wył

2

G

1

G

2

L

2

L

1

Wył

1

Zał

2

Rys. 6.4. Pulpit zasilania: G

1

, G

2

 - gniazda zasilające (jedno z gniazd zasila

sterownik mikroprocesorowy), L

1

, L

2

 - lampki sygnalizacyjne, Zał,

Wył - przyciski „załącz” i „wyłącz”- pierwsze służą do sterowania
zasilaniem gniazd, drugie sterują zasilaniem zespołu probierczego

Przed przystąpieniem do pomiarów należy sprawdzić:

 

połączenie  mikroprocesorowego  układu  sterowania  z  resztą  systemu,  a  także  z  siecią  zasilającą
(gniazdo 15 -stykowe na ściance tylnej przyrządu oraz gniazdo zasilania G

1

 lub G

na pulpicie

zasilającym),

 

ustawienie napięcia probierczego,

 

stan elektrod.

background image

T

3

R

0

L

0

Ve

elektrody

próbka

R

R

T

2

V

1

T

1

mA

Układ regulacji

prądu łuku

Sw

1

L

1

Sz

2

Sk

K

1

L

2

Mikroprocesorowy 

układ sterowania

Sw

2

K

2

Sz

1

L

3

L3

L2

L1

N

Układ załączania

napięcia probierczego

Układ zasilania

Rys. 6.5. Schemat  zasadniczy  układu  do  badania  odporności  materiałów  elektroizolacyjnych  na  łuk  elektryczny  o  małym  natężeniu  prądu  przy  wysokim  napięciu:  K

1

,  K

2

  -  styczniki,  L

1

  -

lampka sygnalizacyjna przy drzwiach pola probierczego, L

2

 - lampka sygnalizacyjna napięcia zasilania układu sterowania, L

3

 - lampka sygnalizacyjna zasilania zespołu probiercze-

go, T

1

, T

2

 - autotransformatory, T

3

 - transformator probierczy, Sw

1

, Sw

2

 - przyciski "wyłącz", Sz

1

, Sz

2

 - przyciski "załącz", S

k

 - wyłącznik krańcowy (blokada drzwi pola probiercze-

go), R - rezystory, V

1

 - triak, R

0

, L

0

 - impedancja tłumiąca, Ve - woltomierz elektrostatyczny, mA - miliamperomierz

background image

Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych ...

11

1.2. Przebieg pomiarów

Należy  zbadać  odporność  na  łuk  elektryczny  kilku  materiałów  elektroizolacyjnych  podanych  przez

prowadzącego ćwiczenia.

Kolejność czynności przy uruchomieniu programu badania jest następująca:

a)

 

ustawić elektrody na próbce przeznaczonej do badania,

b)

 

opuścić pole probiercze i zamknąć drzwi do tego pola,

c)

 

włączyć  zasilanie  stanowiska  (przycisk  na  pulpicie  zasilającym),  powinna  zapalić  się  lampka
sygnalizacyjna L

1

,

d)

 

włączyć mikroprocesorowy układ sterowania (przycisk „Sieć”) - powinny zapalić się  wyświe-
tlacze pomiaru czasu i stopnia badania,

e)

 

załączyć zespół probierczy - drugi stycznik w pulpicie zasilającym - zapala się lampka sygnali-
zacyjna L

2

,

f)

 

uruchomić program badania - przycisk „Start stop/clear” na  płycie  przedniej  sterownika.  Uru-
chomienie programu sygnalizuje pomarańczowa dioda LED natomiast załączenie napięcia pro-
bierczego (palenie się łuku) wskazuje dioda zielona.

g)

 

w chwili wystąpienia ścieżki przewodzącej lub zapalenia się materiału należy zatrzymać proces
badania również przyciskiem „Start stop/clear”, natomiast w przypadku materiałów ulegających
erozji lub topieniu zatrzymujemy proces po 240 sekundach (4 stopnie badania),

h)

 

odczytać na wyświetlaczu i wpisać do tabeli pomiarowej czas pomiaru.

Ten sam przycisk - „Start stop/clear)” - służy do wyzerowania licznika czasu przygotowując układ ste-

rowania do ponownego uruchomienia programu.

Kolejność czynności przy wyłączaniu układu jest następująca:

a)

 

Wyłączyć zespół probierczy (Wył

2

 na pulpicie zasilającym) - gaśnie lampka L

2

,

b)

 

wyłączyć mikroprocesorowy układ sterowania (wyłącznik „Sieć”),

c)

 

wyłączyć zasilanie stanowiska (Wył

1

 na pulpicie zasilającym) - gaśnie lampka L

1

,

d)

 

w  przypadku  materiałów  ulegających  erozji  lub  topieniu  należy  pomierzyć  głębokość  ubytku
materiału za pomocą mikroskopu optycznego.

Dla  danego  rodzaju  próbki  materiału  elektroizolacyjnego  powyższy  cykl  pomiaru  należy  powtórzyć

dziesięć razy.

1.3. Opracowanie wyników pomiarów

W  przypadku  materiałów  niszczonych  wskutek  powstawania  ścieżki  przewodzącej  lub  zapalenia  się

materiału, miarą odporności na łuk elektryczny jest czas do zniszczenia w sekundach odczytany na wy-
ś

wietlaczu mikroprocesorowego układu sterowania. Większość materiałów organicznych ulega zniszcze-

niu w ten właśnie sposób (żywice fenolowo-formaldehydowe, epoksydowe, silikonowe itp.).

Wyniki pomiarów należy umieścić w tabeli 6.4.

Tab. 6.4. Wyniki pomiarów odporności materiału na łuk elektryczny

τ

τ

τ

τ

por

ś

r

ś

r

=

min

100%

Wyniki pomiarów odmierzonego czasu (

τ

)

do powstania ścieżki przewodzącej w sekundach

τ

ś

r

τ

min

τ

por

Rodzaj
próbki

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

s

s

%

W przypadku  erozji  (np.  policzterofluoroetylen)  lub  topienia  (np.  polimetakrylan  etylenu)  miarą  od-

pornością materiałów jest głębokość ubytku materiału w milimetrach. Głębokość  ubytku  należy  pomie-
rzyć metodą mikroskopową, a wyniki pomiarów umieścić w podobnej tabeli jak tabela 6.4.

background image

Ć

wiczenie 6

12

Za wynik badania należy podać średnią arytmetyczną 10 pomiarów czasu (lub głębokości ubytku ma-

teriału) oraz wartość minimalną czasu (wartość maksymalną ubytku). Jeżeli wartość minimalna czasu lub
wartość maksymalna ubytku różni się więcej niż 20% od wartości średniej, należy wykonać 10 dodatko-
wych pomiarów i za wynik przyjąć średnią z 20 pomiarów.

Podając  wyniki  badań  należy  przeprowadzić  klasyfikację  materiałów  pod  względem  ich  odporności

na działanie łuku elektrycznego.

1.4. Statystyczna obróbka wyników pomiarów

Rozrzuty  wyników  pomiarów  przy  badaniach  mogą  mieć  różne  rozkłady  prawdopodobieństwa.  Do

najczęściej spotykanych należą:

 

rozkład Gaussa (normalny),

 

rozkład Studenta,

 

rozkład Weibulla.

Na podstawie wyników pomiarów podlegających prawom statystycznym nie można dokładnie wyzna-

czyć parametrów rozkładu (wartość oczekiwana i odchylenie standardowe).

W praktyce liczba pomiarów z reguły jest ograniczona z wielu względów (np. duża pracochłonność).

Ograniczoną  liczbę  informacji  uwzględnia  rozkład  Studenta.  Do  opracowania  wyników  pomiaru  przy
badaniach odporności materiałów elektroizolacyjnych należy zatem zastosować rozkład Studenta. Doty-
czy  on  bowiem  niezbyt  wielkiej  liczby  pomiarów  (n  =  2 

÷

30).  Już  przy  n    >  30  rozkłady  Studenta

i Gaussa pokrywają się.

Rozkład Studenta  stosowany  jest  przede  wszystkim  do  wyznaczania 

przedziału  ufności  przy  niezna-

nym 

odchyleniu  standardowym,  którego  nie  można  z  dobrą  dokładnością  wyznaczyć  przy  niewielkiej

liczbie  pomiarów.  Przedział  ufności,  w którym  zawarta  jest  interesująca  cecha  (odmierzony  czas  do
chwili uszkodzenia próbki) wyznacza się z określonym prawdopodobieństwem 

β

, tzw. poziomem ufno-

ś

ci. W praktyce najczęściej przyjmuje się do wyznaczenia przedziału ufności poziom 

β

 = 0,95.

Przy liczbie pomiarów n < 30 trzeba skorzystać z rozkładu Studenta. W tym przypadku przedział uf-

ności będzie miał granice:

x

t

s

n

x

x

t

s

n

n

r

n

≤ +

α

α

,

,

1

1

 ,

(6.1)

gdzie: 

x

n

x

i

i

n

= ⋅

=

1

1

 - średnia arytmetyczna, 

s

x

x

n

i

i

n

=

=

(

)

2

1

1

 - odchylenie standardowe z próby (od-

chylenie  średnie  kwadratowe  jednego  pomiaru  z danej  serii  pomiarów),  t

α

,n-1 

=  kwantyl  rozkładu

Studenta dla poziomu istotności 

α

 (

β

 = 1- 

α

) i liczby pomiarów n, x

= wartość rzeczywista.

Wartość kwantyli Studenta podano w tabeli 6.5.

Tabela 6.5

Kwantyle t

α

,n-1 

rozkładu Studenta

n – 1

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

α

 = 0,05

12,71

4,30

3,18

2,78

2,57

2,45

2,36

2,31

2,26

2,23

Na poziomie ufności 0,95 i przy liczbie pomiarów n wartość rzeczywista mierzonego czasu w sekun-

dach będzie się zawierała w przedziale

τ

 = 

τ

ś

r

±

t

s

n

n

α

,

1

.

(6.2)

background image

Badanie odporności materiałów elektroizolacyjnych ...

13

2. Obserwacja mikroskopowa śladów wyładowań

Przeprowadzić obserwację mikroskopową efektów działania łuku na próbki różnych materiałów elek-

troizolacyjnych.

3. Wnioski

We wnioskach należy umieścić własne spostrzeżenia i uwagi dotyczące metody badań i otrzymanych

wyników. Ponadto należy:

a)

 

porównać uzyskaną klasyfikację materiałów pod względem odporności na łuk elektryczny z ich
odpornością cieplną określoną przez klasy izolacji,

b)

 

opisać spostrzeżenia z obserwacji mikroskopowych śladów wyładowań na różnych materiałach.