Materiały izolacyjne są ważnym składnikiem niemal każdego urządzenia elektrycznego. Ich właściwości zależą zarówno od charakterystyki materiału bazowego jak i czynników zewnętrznych takich jak temperatura, stopień zanieczyszczenia, wilgotność, procesy starzeniowe, narażenia elektryczne oraz mechaniczne itd. Aby zapewnić odpowiednio wysokie bezpieczeństwo i niezawodność, konieczne jest okresowe badanie jakości materiału izolacji. W tym celu można wykorzystać wysokonapięciowe metody pomiarowe.

Izolacja jest właściwością materiału i jest mierzona jako rezystancja izolacji. Charakterystyka izolacji zmienia się w czasie, przeważnie pogarszając się wraz ze starzeniem. Różne zjawiska fizyczne mają wpływ na charakterystykę izolacji, np. temperatura, kurz, wilgotność, naprężenia mechaniczne, radiacja. Trudne warunki otoczenia, w szczególności ekstremalne temperatury, skażenia chemiczne powodują dalszą degradację.

Bezpieczeństwo, sprawność i niezawodność to najważniejsze parametry urządzeń elektrycznych zawierających izolację i jest to powód dla którego rezystancja izolacji powinna być mierzona. Izolacja jest badana w początkowym cyklu życia/stosowania urządzenia elektrycznego, a także później podczas czynności konserwacyjnych, kontrolnych, naprawczych itd.

Zgodnie z prawem Ohma, I=U/R, prąd nie zależy od czasu. Jednak proste pomiary izolacji pokazują, że w praktyce jest inaczej. Przyczyną takiego zachowania prądu są różne zjawiska w materiale izolacyjnym po przyłożeniu napięcia. 

Poniższy rysunek przedstawia elektryczny schemat zastępczy materiału izolacyjnego. 

• R_iss1 oraz R_iss2 - rezystancje upływów powierzchniowych
• R_iso - rezystancja izolacji
• C_iso - pojemność izolacji
• R_pi - rezystancja polaryzacyjna
• C_pi - pojemność polaryzacyjna

W praktyce pomiar rezystancji izolacji nie zawiera idealnego źródła napięciowego. Na początku cała dostępna moc przyrządu jest wykorzystywana do naładowania w krótkim okresie kondensatora C_iso. Napięcie na stykach w konsekwencji spada.

Jeśli napięcie DC zostanie nagle przyłożone do izolacji, prąd osiągnie dużą wartość, zmniejszając się stopniowo w czasie, aż do uzyskania wartości stabilnej. Prąd upływowy nie zmienia się w czasie i ten prąd jest głównym czynnikiem służącym do oceny stanu izolacji.

Poniższy wykres ukazuje przebiegi prądów w czasie przy pomiarze rezystancji izolacji:

gdzie:
R_iss1 i R_iss2.............Rezystancja powierzchniowa (pozycja opcjonalnego złącza guard)
R_iso........................Aktualna wartość rezystancji izolacji
C_iso........................Pojemność materiału
C_pi, R_pi...................Odzwierciedlają zjawisko polaryzacji
I_test.........................Całkowity prąd pomiarowy (I_test= I_PI+ I_RISO + I_RISS)
I_PI...........................Prąd absorpcji polaryzacyjnej
I_RISO....................... Aktualny prąd izolacji
I_RISS........................Powierzchniowy prąd upływowy

Różnice pomiędzy pomiarami DC i AC

Pomiary napięciem DC uznawane są za równie użyteczne i miarodajne jak pomiary z wykorzystaniem napięcia przemiennego lub napięcia o przebiegu impulsowym. Napięcie stałe może być z powodzeniem użyte w przypadku, gdy w układzie, po przyłożeniu napięcia przemiennego lub impulsowego występują duże pojemnościowe prądy upływowe. Przy pomiarach rezystancji izolacji wykorzystywane jest głównie napięcie stałe, a jego wartość wynika z konkretnego zastosowania danego wyrobu i jest mniejsze od napięcia stosowanego przy pomiarze wytrzymałości napięciowej izolacji. Dlatego taki pomiar może być wykonywany znacznie częściej, bez obawy nadmiernego obciążenia badanego materiału.

Typowe pomiary izolacji

Na ogół, badanie jakości izolacji składa się z następujących pomiarów:

• Prosty pomiar rezystancji izolacji nazywany również punktowym
• Pomiar krzywej rezystancji izolacji w funkcji napięcia
• Pomiar rezystancji izolacji w funkcji czasu
• Pomiar odzyskanego ładunku po rozładowaniu dielektryka

Wyniki poszczególnych pomiarów pozwalają stwierdzić, czy w badanym systemie konieczna jest wymiana izolacji na nową.

Typowymi zastosowaniami, dla których zalecane jest badanie jakości izolacji są transformatory, systemy izolacji silników elektrycznych, przewody oraz inne urządzenia elektryczne.

Wpływ wilgotności na pomiary rezystancji izolacji

Na jakość pomiarów rezystancji izolacji przeprowadzanych w warunkach odbiegających od typowych, może wpływać wilgotność otoczenia. Wilgoć powoduje powstanie w systemie pomiarowym dodatkowych ścieżek dla prądów upływowych tzn. w materiale badanym, przewodach pomiarowych i samym przyrządzie pomiarowym. Zwiększona wilgotność powoduje spadek marginesu tolerancji dla rezystancji izolacji, zwłaszcza przy wysokich wartościach (zakres TΩ). Najgorszy przypadek ma miejsce wtedy, gdy dochodzi do kondensacji, a w dodatku może to również znacząco obniżyć bezpieczeństwo. W przypadku dużej wilgotności zaleca się wentylować miejsce pomiaru przed i w trakcie jego wykonywania. W przypadku kondensacji system pomiarowy musi zostać wysuszony, co może potrwać kilka godzin lub nawet kilka dni.

W następnym wpisie na naszym blogu pomagamy dobrać odpowiedni miernik do pomiaru izolacji na przykładzie cech, funkcji i kilku czołowych producentów:

Jaki wybrać miernik do pomiarów izolacji? Pomagamy!