Глава вторая
ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ
2-1. Электрическая изоляция как средство электробезопасности
Тот или иной вид поражения человека электрическим током возможен в результате попадания под разность потенциалов и возникновения замкнутой электрической цепи, одним из элементов которой является человек. В электрических установках основным средством, препятствующим такой ситуации, является электрическая изоляция элементов, находящихся под напряжением.
Посредством изоляции осуществляется защита человека при различных обстоятельствах, возникающих в процессе эксплуатации электроустановок.
Защита от замыканий на землю и корпуса электрооборудования. Человек, как правило, непосредственно соприкасается с землей и элементами электроустановок, в нормальных условиях изолированными. В случае повреждения изоляции человек попадает под воздействие потенциала поврежденного элемента электроустановки и тем самым создается первое условие поражения. Если при этом конструктивные особенности электроустановки или характер прикосновения обеспечат возникновение замкнутой электрической цепи, поражение станет неизбежным.
Защита от прикосновения к элементам электроустановок, находящихся под напряжением. Поражение человека возможно и в совершенно исправных электроустановках, если в результате ошибочных действий он попадает под воздействие рабочего напряжения.
Защита от поражения электрическим током при прикосновении к элементам, находящимся под напряжением. В таких случаях изоляция препятствует созданию замкнутой электрической цепи либо ограничивает значение тока через организм человека до безопасной величины. Защиту осуществляет как изоляция токоведущих элементов (например, при прикосновениях к фазным проводам в сети с изолированной нейтралью), так и специальная изоляция безопасности в дополнение к основной изоляции (например, размещение электрооборудования на изолирующих площадках). В последнем случае принято говорить, что электроустановка обладает двойной изоляцией.
Следовательно, электрическую изоляцию необходимо отнести к основным защитным средствам, а иногда и к единственному защитному средству (в некоторых специальных видах электроустановок).
2-2. Методы поддержания высокого уровня электрической изоляции
Чтобы электрическая изоляция не вызывала нарушений режимов работы электрооборудования и безопасности его эксплуатации, необходимо обеспечить ее высокое качество, определяемое степенью электропроводности (чем меньше электропроводность, тем выше качество).
Параметры, характеризующие качество электрической изоляции. При включении изоляции под напряжение через нее в силу неоднородности структуры и наличия проводящих включений проходят электрические токи, величина которых определяется активным и емкостным сопротивлением изоляции.
Емкость изоляции зависит от ее геометрических размеров. За короткий промежуток времени после включения происходит зарядка этой емкости, сопровождающаяся прохождением электрического тока. Вообще говоря, через изоляцию проходят три вида тока: ток поляризации, абсорбции и сплошной проводимости. Однако токи поляризации, обусловленные смещением связанных зарядов в изоляции до момента установления равновесного состояния (быстрая поляризация), настолько кратковременны, что их не удается обычно зарегистрировать. Это приводит к тому, что прохождение таких токов не связано с потерями энергии, поэтому на эквивалентной схеме сопротивления изоляции (рис. 2-1) ветвь, учитывающая прохождение токов поляризации, представлена чистой емкостью, без активного сопротивления.
Ток абсорбции, обусловленный процессами замедленной поляризации, связан с потерями энергии в диэлектрике (например, на преодоление сопротивления молекул при повороте диполей в направлении поля), поэтому соответствующая ветвь эквивалентного сопротивления включает и активное сопротивление (Са, Rа рис. 2-1). Наконец, наличие проводящих включений в изоляции (в виде пузырьков газа, влаги и т. п.) приводит к возникновению каналов сквозной проводимости (Rпр).
Электропроводность (сопротивление) изоляции различна при воздействии постоянного и переменного напряжения, так как при переменном напряжении через изоляцию проходят токи абсорбции в течение всего времени воздействия напряжения. Изменение во времени токов через изоляцию при воздействии постоянного напряжения представлено на рис. 2-2. Сопротивление изоляции определяется величиной тока проводимости и может измеряться через некоторое время после приложения напряжения, достаточное для завершения процессов поляризации. Чем больше емкостная проводимость изоляции, тем больше время прохождения тока абсорбции, поэтому по крутизне спада тока в изоляции (рис. 2-2) можно судить о ее качестве (чем меньше крутизна спада тока абсорбции, тем хуже качество изоляции). Крутизну спада определяют отношением сопротивлений изоляции, измеренных через 15 с после приложения напряжения и через 1 мин. Отношение 
будет тем меньше, чем плавнее спадает ток абсорбции, т. е. чем хуже качество изоляции.
Таким образом, при воздействии постоянного напряжения качество изоляции характеризуется двумя параметрами: активным сопротивлением 
и емкостным сопротивлением, косвенно характеризуемым отношением R60/R15.
Рис. 2-1. Электрическая схема замещения изоляции.
Рис. 2-3. Векторная диаграмма токов и изоляции при воздействии переменного напряжения.
Рис. 2 2. Зависимость тока через изоляцию и сопротивления изоляции от времени воздействия постоянного напряжения.
При воздействии на изоляцию переменного напряжения невозможно разделить ток утечки на его составляющие (ток сквозной проводимости и ток абсорбции), поэтому о качестве изоляции судят по величине потерь энергии в ней (диэлектрических потерь). Количественной характеристикой потерь является тангенс угла диэлектрических потерь, т. е. тангенс угла, дополняющего до 90° угол между током и напряжением в изоляции. В случае идеальной изоляции ее можно представить в виде конденсатора, в котором вектор тока опережает вектор напряжения на 90° (tgδ=0). Чем больше рассеиваемая в изоляции мощность, тем больше tgδ и тем хуже качество изоляции (рис. 2-3).
Нормирование изоляции. Для поддержания уровня электрической изоляции, отвечающего требованиям безопасности и режиму эксплуатации электроустановок, в ПУЭ предусмотрено нормирование сопротивления изоляции сетей. Для потребителей электрической энергии нормируются периодические испытания изоляции [Л. 9]. Сопротивление изоляции между любым проводом и землей, а также между любыми проводами на участке между двумя соседними предохранителями в распределительной сети напряжением до 1 000 В должно составлять не менее 0,5 МОм. Нормы и сроки испытаний электрооборудования напряжением до 1 000 В при капитальных (К) и текущих (Т) ремонтах приведены в [Л. 10]. В табл. 2-1 приведены некоторые из указанных норм, причем буквой «М» обозначены межремонтные испытания.
Таблица 2-1
Сроки и нормы испытаний электрооборудования напряжением до 1 000 В
Продолжение табл. 2-1
Для измерений и испытаний сопротивления изоляции в элекnроустановках до 1 000 В чаще всего применяются мегомметры на 1 000 и 2 500 В типа М1101, МС-06 и др. Прибор состоит из генератора постоянного тока, возбуждаемого мощными магнитами и приводимого во вращение от руки. В качестве показывающего прибора используется магнитоэлектрический логометр постоянного тока. Время воздействия на изоляцию напряжения, создаваемого мегомметром, должно составлять не менее 1 мин. За это время в изоляции устанавливается ток, определяемый ее проводимостью.
Испытания изоляции повышенным напряжением постоянного и переменного тока объектов с номинальным напряжением выше 1 000 В подробно описаны в [Л. 11].
Рис. 2-4. Схема измерения полного сопротивления изоляции замыканием одной из фаз на землю через добавочное сопротивление.
Условия безопасности определяются полным сопротивлением изоляции, которое, безусловно, будет отличаться от нормированного для участка сети. Кроме того, иногда возникает необходимость для оценки условий безопасности измерять активную и емкостную составляющие сопротивления изоляции в эксплуатационных условиях, т. е. без снятия рабочего напряжения. Для измерения полной проводимости изоляции либо замыкают одну из фаз на землю (непосредственно или через добавочное сопротивление), либо создают искусственное смещение нейтрали от постороннего источника.
Методы измерения по первому способу могут применяться только с соблюдением особых мер безопасности, так как на время замыкания фазы на землю корпуса заземленного электрооборудования оказываются под напряжением и возрастает напряжение неповрежденных фаз, что в свою очередь может привести к двухфазному замыканию при наличии ослабленных мест изоляции в сети. Для уменьшения опасности в сетях с ослабленной изоляцией целесообразнее осуществлять замыкания через добавочное сопротивление (рис. 2-4). Полное сопротивление изоляции определяют как частное от деления результатов измерений напряжения смещения нейтрали и тока замыкания:
(2-1)
Основную погрешность в измерение может внести наличие естественного смещения нейтрали, обусловленное несимметрией напряжений источника и проводимости изоляции отдельных фаз. Для уменьшения погрешности можно рекомендовать производить измерение токов замыкания на землю каждой фазы и брать для расчета по (2-1) среднее арифметическое значение тока замыкания, найденное по результатам измерений. Для уменьшения погрешности измерительных приборов используются вольтметры с высоким внутренним сопротивлением (электронные или электростатические) и высокочувствительные миллиамперметры).
Измерения полного сопротивления изоляции введением искусственного смещения нейтрали нашли применение только в сетях напряжением выше 1000 В[Л. 12].
Для измерения активной составляющей сопротивления изоляции целесообразно использовать метод наложения постоянного оперативного тока на контрольную сеть. Простейший пример такого метода—измерения мегомметром (рис. 2-5). Для измерения необходимо пользоваться мегомметрами Ml101 с большим внутренним сопротивлением, так как переменный ток через измерительный прибор постоянного тока, создаваемый рабочим напряжением сети, может вызвать перегрев обмотки прибора и его повреждение. Измеренное мегомметром сопротивление равно активному сопротивлению изоляции:
(2-2)
где rА, rB, rC — сопротивления изоляции фаз относительно земли.
Рис. 2-5. Схема измерения активного сопротивления изоляции мегомметром.
Измерив полное и активное сопротивления электрической изоляции электроустановки нетрудно вычислить его емкостную составляющую (Ом):
(2-3)
Существуют и другие способы измерения полного сопротивления изоляции и его составляющих [Л. 13]. Очевидно, что измерения указанных величин имеет смысл производить только в сетях с изолированной нейтралью.