Isolasjonstesting av porselensisolator

Transkript

1 Avdeling for teknologiske fag Bachelorutdanningen RAPPORT FRA 1. OG 2. SEMESTERS PROSJEKT I EMNE E2802 KOMMUNIKASJON, IKT-VERKTØY OG PROSJEKT, HØSTEN OG VÅREN 2005/2006 Kommunikasjon, IKT-verktøy og prosjekt EY Isolasjonstesting av porselensisolator Avdeling for teknologiske fag Adresse: Pb 203, 3901 Porsgrunn, telefon , Bachelorutdanning - Masterutdanning Ph.D. utdanning

2 Avdeling for teknologiske fag Bachelorutdanningen RAPPORT FRA PROSJEKT I EMNE E2802 KOMMUNIKASJON, IKT-VERKTØY OG PROSJEKT HØSTEN 2005 OG VÅREN Emne: E2802 Kommunikasjon, IKT-verktøy og prosjekt Tittel: Isolasjonstesting av porselensisolator Rapporten utgjør en del av vurderingsgrunnlaget i emnet kommunikasjon, IKT-verktøy og prosjekt Prosjektgruppe: EY Tilgjengelighet: Åpen Gruppedeltakere: Christian Hervik Hjelmen Gunnar Nagell Hvoslef Ingolf Berger Johnsen Georg Kalland Eirik Lund Hovedveileder: Jorunn Kvennodd Sensor: Biveileder: Sammendrag: John Langeland Prosjektet gikk ut på å fremstille en rapport med to teorikapitler omhandlende resistans og kapasitans. Disse er skrevet ved hjelp av lærebøker og annet bakgrunnsmateriell. Videre skulle en porselensisolator isolasjonstestes. Resultatene av dette er fremstilt i denne rapporten. Til isolasjonstestingen ble det benyttet en isolasjonstester av typen AVO MEGGER BM25. Isolatoren ble testet i tørr, fuktig og saltforurenset tilstand. Resultatene er fremstilt grafisk og drøftet i denne rapporten og regneprogrammet Excel er benyttet til å fremstille resultatene. Isolatoren viste seg å være i god stand og har best egenskaper ved tørr tilstand og dårligst egenskaper i fuktig tilstand. Høgskolen tar ikke ansvar for denne studentrapportens resultater og konklusjoner EY

3 Avdeling for teknologiske fag Bachelorutdanningen EY

4 Forord FORORD Denne rapporten fremstiller det arbeidet som gruppen EY ved Høgskolen i Telemark har gjort i forbindelse med førsteårsprosjektet høsten 2005 og våren Gruppen er satt sammen av fem personer med ulik bakgrunn og forutsetninger innen fagområdet høyspent og høyspentmateriell. Kun en av gruppens medlemmer har erfaring med høyspentrelaterte ting fra tidligere. Opprinnelig var oppgaven målinger på oljeisolasjon. Dette ble senere forandret til porselensisolator med bakgrunn i at biveileder ble sykemeldt rett i forkant av vårt laboratoriearbeid, med de konsekvenser at det ikke var andre tilgjengelige personer med kunnskap om nødvendig utstyr med mer. Dette førte også til at vårt arbeid på laboratoriet ble gjort i samarbeid med en gruppe som opprinnelig hadde dette emnet. Det vil si at det er to grupper som har brukt de samme dataene fra målingene i sine rapporter. Denne rapporten er skrevet på en slik måte at dersom en har basisforståelse av hva elektrotekniske prinsipper er, så skal en skjønne alt det som er omtalt i denne rapporten. Vi ønsker da til slutt før vi tar fatt på selve rapporten å takke Jorunn Kvennodd som har vært vår veileder under arbeidet med dette prosjektet. Porsgrunn den 23. februar2006 Christian Hervik Hjelmen Gunnar Nagell Hvoslef Ingolf Berger Johnsen Georg Kalland Eirik Lund EY

5 Innholdsfortegnelse INNHOLDSFORTEGNELSE Forord...4 Innholdsfortegnelse Innledning Resistans Elektroner og resistans Elektrisk resistans Resistivitet Ohms lov Isolasjon Kapasitans Statisk elektrisitet Kondensatoren og kapasitans Utregning av kapasitans Kapasitans i elektriske anlegg Målemetoder I(t)-test R(t)-test PI-test DD-test Målinger Drøfting av måleresultatene Konklusjon...25 Referanser...26 Vedleggsliste...27 EY

6 1 Innledning 1 INNLEDNING Dette prosjektet har til hensikt å isolasjonsteste en porselensisolator, framstille de målingene som gjøres i en rapport, samt skrive et teorikapitel for henholdsvis resistans og kapasitans. Dette ønskes oppnådd ved å gjennomføre laboratoriemålinger av isolasjonstilstanden på en porselensisolator og fremstille de erfaringer som gjøres her i rapporten. Arbeidet med teorikapitlene er avgrenset til å omfatte en kort enkel definisjon av hva begrepene står for med litt eksempler og illustrasjoner. Disse skal skrives på en slik måte at en ikke nødvendigvis trenger noe inngående bakgrunnskunnskap for å forstå dets innhold. Som kilder skal det brukes lærebøker med mer. Arbeidet med isolasjonstestingen av isolatoren skal gjøres på laboratoriet til Høgskolen i Telemark i Porsgrunn, og resultatene skal fremstilles grafisk samt at de skal drøftes. EY

7 2 Resistans 2 RESISTANS Motstand er et begrep de fleste kjenner til. I dagligtale blir ordet motstand assosiert med noe negativt. En motstand kan defineres som en hindring eller motkraft som må overvinnes. I forkant av et større arbeid dukker det ofte opp flere utfordringer eller problemer som må løses. Eksempler på dette er ting som skal skaffes til veie, personressurser eller investeringer. Når disse ufordringene løses, skapes resultater. En motstand eller ufordring må overvinnes. I teknisk sammenheng kan en motstand både være til hinder og ulempe. Motstand er noen ganger helt nødvendig, avhengig av situasjonen. I teknisk sammenheng er det vanlig å bruke begrepet resistans istedenfor motstand. 2.1 Elektroner og resistans Figur 1. Elektroner i bevegelse gjennom et materiale. For å forklare hva teknisk resistans er, må det ses på det aller minste, elektronene. Alle stoffer er bygd opp av ulike atomer, som igjen danner større molekyler. Atomene og molekylene er med på å bestemme stoffets egenskaper og form. Atomene består igjen av bittesmå elektroner. Når et materiale blir påtrykket elektrisk spenning, blir det dannet en elektrisk krets. Elektroner vil strømme gjennom materialet, fra den ene polen til den andre. Når elektroner er i bevegelse, skapes det elektrisk strøm. Ledermaterialet som brukes til å transportere strøm, består av to forskjellige elektrontyper. Den er elektroner i bevegelse. Elektronene blir satt i bevegelse når materialet blir påtrykt elektrisk spenning. Den andre typen er statiske elektroner. Dette er elektroner som er i ro når elektrisk spenning blir påtrykket. I Figur 1 har materiale 1 få frie elektroner, som så resulterer i en stor resistans. Materiale 2 har mange frie elektroner, dette gjør at materiale 2 har liten resistans. EY

8 2 Resistans Når ledermaterialet blir påtrykket elektrisk spenning, vil det oppstå en reaksjon mellom elektronene som er i bevegelse og elektronene som er i ro. Elektronene som flyter gjennom ledermaterialet vil hele tiden støte på elektroner som står i ro. Det oppstår kollisjoner mellom disse to elektrontypene. Kollisjonene fører til at elektronene som er bevegelse, til stadighet mister noe av sin energi. De blir hindret i å flyte fritt gjennom materialet. Elektronene har en motkraft eller hindring som må overvinnes for å kunne komme frem. Dette fenomenet kan vi definere som resistans eller motstand. Dette er grunnen til at en kokeplate blir varm når den tilføres energi. Det som skjer er at det oppstår friksjon mellom elektronene i kokeplatene. Friksjonen resulterer i varme som er nyttig til matlaging. For å illustrere dette bedre tas et eksempel i bruk. Figur 2 En kasse som skyves langs gulvet skaper friksjon. [1] I Figur 2 benyttes det en blykasse med stor vekt, denne skyves med rask hastighet langs et gulv. For å kunne bevege kassen må den tilføres energi i form av at noe dytter på den. Siden kassen er av bly, må den tilføres mer energi, enn om kassen hadde vært laget av tre. Når kassen skyves bortover gulvet, vil det oppstå en resistans mellom gulvet og kassen. Etter en tid med bevegelse, vil undersiden av kassen kunne føles varm. Dette fordi det skapes friksjon mellom kassen og gulvet. Slik er det også når elektronene kolliderer med hverandre. EY

9 2 Resistans 2.2 Elektrisk resistans I alle gjenstander finnes det resistans. Det vil derfor i prinsippet dannes varme når et materiale tilføres elektrisk energi. Resistansen varierer sterkt fra materiale til materiale. Noen stoffer har liten resistans, mens andre har stor resistans. Stoffer med liten resistans er blant annet metallene kobber, aluminium og gull. Materialer med liten resistans kalles ledere og egner seg godt i elektrisk sammenheng. Plast og glass er eksempler på stoffer som har stor resistans, disse egner seg dårlig til å lede strøm. Stoffer som leder strøm dårlig, er ikke ubrukelige. De kan istedenfor ha egenskapen å isolere mot elektrisk strøm. Dette skal det ses på senere i kapittelet. Som nevnt, benyttes metaller til å lede elektrisitet. Den tyske fysikeren Georg Ohm ( ) gjorde forsøk med ulike metaller som ble tilført elektrisk energi. I sine forsøk tok han i bruk ulike kobbertråder. Kobbertrådene hadde ulik dimensjon og lengde. Trådene ble koblet til en spenningskilde med konstant spenning. I kretsen ble det koblet inn et amperemeter. Amperemeteret målte den elektriske strømmen som passerte gjennom kobbertråden. Ohms forsøk viste at en tykk tråd gav mindre motstand enn en tynn tråd. Ut i fra dette er det konstruert et instrument som kan måle resistans. Instrumentet kalles et ohmmeter og måler resistansen i målenheten ohm (Ω). Ved hjelp av dette instrumentet kan den elektriske resistansen i metaller måles. EY

10 2 Resistans 2.3 Resistivitet Tabell 1 Utdrag fra resistivitetstabell.[2] Materialet Kjemisk Symbol Resistivitet (Ω) Aluminium Al 0,0278 Bly Pb 0,208 Gull Au 0,022 Jern Fe 0,1 Kadmium Cd 0,077 Karbon C 100 Kobolt Co 0,062 Kobber Cu 0,0178 Krom Cr 0,130 Kvikksølv Hg 0,9406 Litium Li 0,044 Magnesium Mg 0,08 0,05 Mangan Mn 1,85 Molybden Mo 0,047 Nikkel Ni 0,095 Platina Pt 0,089 Ved hjelp av Tabell 1 kan resistansen til en leder med andre mål enn 1 meters lengde og tykkelsen 1 mm 2, beregnes med bruk av formelen: Formel 1 R = ρ x L A R: Lederens resistans. ρ : Resistivitetsverdien til metallet. L: Lederens lengde. A: Lederens tverrsnitt. En resistivitetstabell inneholder resistansverdien til de aller mest brukte metallene, som benyttes i elektrisk sammenheng. I en resistivitetstabell er det tatt utgangspunkt i en leder av hvert metall. Lederen har lengden 1 meter og tykkelsen 1 mm 2. Med bruk av denne tabellen kan resistansverdien mellom de forskjellige metallene sammenlignes.av tabellen ser man at gull har EY

11 2 Resistans en resistans på 0,022 Ω ved 1 meter, mens kobber her en resistans på 0,0178 Ω ved 1 meter. Ut i fra dette har gull en mindre resistans enn kobber, gull er derfor en bedre leder enn kobber. Som tidligere nevnt fant Ohm ut at en tykk tråd har mindre resistans enn en tynn tråd. For å bevise at Ohms konklusjoner stemmer, tas resistivitetsformelen i bruk. I dette eksempelet benyttes to kobbertråder. Begge trådene er like lange, men tykkelsen varierer. Tråd nummer 1: lengde meter, tykkelse 3 mm 2 Tråd nummer 2: lengde meter, tykkelse 1 mm 2. Resistansen til en kobbertråd lengde meter og tykkelsen 3 mm 2, skal beregnes m R = 0,0175 Ω = 5, 8 Ω 2 3 mm Resistansen til en kobbertråd lengde meter og tykkelsen 1 mm 2, skal beregnes m R = 0,0175 Ω = 17, 5 Ω 2 1 mm Med bruk av Formel 1 bevises det at Ohms konklusjon stemmer. Tråd nr 1 som er 3 ganger tykkere enn tråd nummer 2, har mindre resistans enn den tynneste tråden. 2.4 Ohms lov Fysikeren Ohm fant ut at kobbertråder med forskjellig dimensjon og lengde har ulik resistans. I sine forsøk koblet han de ulike trådene til en spenningskilde. Spenningskilden ga konstant spenning. Dette skjedde uavhengig av hvilken tråd som ble brukt i kretsen. I kretsen ble det koblet inn et amperemeter. Amperemeteret hadde til hensikt å måle strømmen som gikk gjennom kobbertråden. I sine forsøk så han at strømmen gjennom tråden varierte, avhengig av hvilken tråd som var innkoblet. En tråd med liten resistans resulterte i en stor strøm, mens en tråd med stor resistans resulterte i en liten strøm. Med dette forsøket fant han ut at det var en sammenheng mellom spenning, resistans og strøm i en elektrisk krets. Når spenningen var konstant, ville resistansen og strømmen variere i forhold til hverandre. Denne sammenhengen kan utrykkes med Ohms lov. Formel 2 U = R I U: Spenning R: Resistans I: Strøm Matematisk kan Ohms lov omskrives med hensyn på strøm, spenning og resistans. EY

12 2 Resistans Eksemplene i Figur 3 viser at strømmen varierer med resistansen, i dette eksempelet brukes to kobbertråder. Beregnede verdier er hentet fra kapittel 2.3. Kobbertrådene har dimensjonen 3 mm 2 og 1 mm 2. Lengden på begge trådene er meter. Kretsen består av en spenningskilde, med konstant spenning 100 V og et amperemeter. I serie med spenningskilden og amperemeteret kobles de to trådene inn. Ved første beregning er tråden på 3 mm 2 innkoblet i kretsen. Fra tidligere beregninger er resistansen til denne tråden 5,8 Ω. I den neste beregning er kobbertråden på 1 mm 2 innkoblet. Fra tidligere beregninger var denne 17,5 Ω. Tråd med resistansverdi 5,8 Ω innkoblet I U 100 Volt = = = 17, A R 5,8 Ω 24 Tråd med resistansverdi 17,5 Ω innkoblet. I U 100 Volt = = = 5, A R 17,5 Ω 71 Figur 3 Krets 1 viser kobbertråden med tverrnitt 3 mm 2 innkoblet i kretsen. Krets 2 viser kobbertråden med tverrsnitt 1 mm 2 innkoblet i kretsen. Med beregningene der Ohms lov benyttes vil en kobbertråd med dimensjonen 3 mm 2 resultere i en strøm på 17,24 A. En kobbertråd med dimensjonen 1 mm 2 vil resultere i en strøm på 5,71 A. Med denne beregningen bevises det at strømmen varierer i forhold til verdien på resistansen. EY

13 2 Resistans 2.5 Isolasjon I tidligere eksempler har metallet kobber blitt benyttet. Kobber egner seg godt til å lede elektrisitet, men dette gjelder ikke alle materialer. Noen stoffer har få frie elektroner som kan settes i bevegelse. Eksempler på materialer er glass, plast og porselen (Figur 4). Slike materialer går under fellesbetegnelsen isolatorer. Som det ligger i navnet, betyr isolasjon beskyttelse. I hverdagen brukes isolasjon for å hindre kulde i å trenge inn i huset. Isolasjonsmateriale beskytter huset mot kulde. Figur 4 Porselensisolator. Det kan trekkes en parallell til elektrisk isolasjon. I elektrisk sammenheng benyttes isolasjonen til å beskytte omgivelsene mot elektrisk strøm. Dette er fordi en isolator ikke vil lede elektrisk strøm. Isolatoren har llikevel sine begrensninger. Utsettes isolatoren for større elektriske spenninger, vil det oppstå små strømmer gjennom isolatoren. Til isolasjon av elektriske ledninger og kabler er plast et velbrukt isolasjonsmateriale. Plasten rundt ledninger og kabler hindrer at strømmen tar andre veier enn gjennom lederen. En uisolert leder, vil kunne forårsake stor skade. For eksempel når en person kommer i kontakt med jord og leder på samme tidspunkt. Strømmen vil da gå gjennom personen og til jord. Mennesket er ikke skapt for å tåle slike store spenninger. Utfallet kan bli større personskade eller død. EY

14 3 Kapasitans 3 KAPASITANS Kapasitans er et fenomen som de fleste personer kjenner effektene av, men som de færreste kjenner mekanismene bak. Et vanlig tilfelle av dette er statisk elektrisitet. Dette oppstår når to objekter har forskjell i sin elektriske ladning. Et eksempel er når en person går ut av bilen, og får et statisk støt av dørkarmen når vedkommende lukker døren etter seg. I dette tilfellet har personen fått en annen elektrisk ladning enn bilens karosseri, og når vedkommende berører bilen utlignes forskjellen med en elektronstrøm. 3.1 Statisk elektrisitet Grunnen til elektronstrømmen i eksemplet i avsnittet over er, at de involverte objektene (personen og bilen) har forskjellig elektrisk ladning. Dette betyr at det ene objektet har et større overskudd av elektroner 1 enn det andre. Så lenge objektene er adskilt beholder de sine respektive overskudd/underskudd av elektroner. Når avstanden er så liten at elektroner kan "hoppe" fra den ene siden til den andre, vil forskjellen utlignes. Et annet hverdagslig eksempel er lynnedslag. I tilfellet med lyn er det luftstrømmer og regn/is i skyer som forskyver elektroner opp og ned i skyene. Dette fører til at enten toppen eller bunnen av en sky blir negativt ladet (overskudd av elektroner). Resultatet av denne prosessen er at skyen får en ladning i forhold til bakken, og i forhold til andre deler av skyen Figur 5. I dette tilfellet er det oftest ikke avstanden mellom ladningene som endres mest, men ladningenes styrke. Jo større ladningsforskjellen er, jo lengre kan elektronene "hoppe" for å utligne forskjellen. Når ladningen blir for stor, får vi et overslag enten mellom skyer eller mellom sky og bakke. Denne utladningen er en stor elektrisk gnist, som observeres som et lyn. Figur 5: Sky og bakke med positiv og negativ ladning 1 Elektron er en negativt ladet atompartikkel. EY

15 3 Kapasitans 3.2 Kondensatoren og kapasitans Det faktum at det kan oppstå en ladning mellom to nærliggende objekter, er et fenomen som i flere sammenhenger utnyttes. Ved å ha to plater av elektrisk ledende materiale, isolert fra hverandre, kan det konstrueres en kondensator. En kondensator er en forminsket versjon av tordenskyen. Ved å koble hver plate til en spenningskilde (for eksempel et batteri) tvinges den ene platen til å bli positivt ladet, og den andre til å bli negativt ladet Figur 6. Hvor stor denne ladningen kan være bestemmes av platenes areal, deres innbyrdes avstand, og materialet som isolerer disse fra hverandre. Størrelsen på denne elektriske ladningsforskjellen heter kapasitans, og måles i Farad (F). Figur 6: To plater tilkoblet en spenningskilde opptar en ladning Kapasitansen mellom to plater kan varieres ved å ha forskjellige materialer som isolator, selv om platenes areal og innbyrdes avstand forblir lik. Dette kommer av at isolasjonsmaterialet blir polarisert av de elektriske feltlinjene mellom platene. Elektronene kan ikke hoppe fra atom til atom inne i det isolerende stoffet, men elektronene og protonene 2 inne i atomene blir forskjøvet, slik at hvert enkelt atom i materialet får en positiv og en negativt ladet side. Lokalt inne i materialet vil positive og negative sider på de forskjellige atomene være rettet mot hverandre. Da disse positive og negative områdene ligger inntil hverandre, blir materialet likevel lokalt sett nøytralt. Det eneste stedet dette ikke er tilfelle er på endene, der hvor isolasjonsmaterialet er i kontakt med platene. Her er det ikke noe "neste" atom, så ladningen der hvor materialet stopper er enten positivt eller negativt, avhengig av om den er i kontakt med den positive eller negative platen. Denne lokale ubalansen i ladning fører til at hver enkelt plate kan oppta en større ladning. Se Figur 7. 2 Proton er en positivt ladet atompartikkel. EY

16 3 Kapasitans spenningskilde Plate Isolasjon, upolarisert Plate Plate spenningskilde Isolasjon, hvert enkelt atom er polarisert. Plate Figur 7: Dielektrikum i upåvirket og påvirket (polarisert) tilstand 3.3 Utregning av kapasitans Når et stoff brukes som isolator i en kondensator, kalles stoffet et dielektrikum. Evnen et stoff har til å påvirke kapasitansen, når stoffet brukes som dielektrikum, kalles stoffets permittivitet (ε). Dette er definert som en faktor som sammenligner stoffets permittivitet med den tilsvarende egenskapen til luft, og kalles relativ permittivitet (ε r ). Eksempelvis så har bakelitt en permittivitet på 7,0. Dette vil si at hvis luften mellom to plater blir erstattet av bakelitt, vil kapasitansen øke med 7 ganger. Referansen, luft, har en permittivitet på 8,85 x F/m. Dette kalles dielektrisitetskonstanten (ε 0 ). Kapasitansen til et system bestående av to parallelle plater kan regnes ut etter følgende formel: Formel 3 C = ε 0 ε d r A C = Systemets kapasitans i Farad. ε 0 = Dielektrisitetskonstanten, 8,85 x F/m ε r = Materialets relative permittivitet. EY

17 3 Kapasitans A = Arealet av platene i kvadratmeter d = Avstanden mellom platene i meter Med utgangspunkt i to plater på 1 kvadratmeter, for enkelhets skyld, og en innbyrdes avstand på 1 cm, vil systemets kapasitans kunne regnes ut på følgende måte: -12 8, ,01 = F For å benytte en normalt brukt enhet så tilsvarer dette 0,885 nf (nanofarad). Ved erstatning av luften mellom platene, med for eksempel bakelitt med en relativ permittivitet på 7, vil regnestykket se ut som følger: -12 8, ,01 = Her ender vi opp med en kapasitans på nf. F 3.4 Kapasitans i elektriske anlegg Kapasitans vil oppstå i alle tilfeller hvor man har to stoffer med potensialforskjell i nærheten av hverandre, atskilt av noe isolerende. Dette er bakgrunnen for at en person kan få statisk elektrisk støt av mange forskjellige objekter. Dette er også opphavet til et fenomen som oppstår i ethvert større elektrisk anlegg forsynt med vekselspenning. Årsaken er at et moderne elektrisk anlegg inneholder milevis kabel, som i utgangspunktet er to (eller flere) ledere atskilt av et isolerende materiale. Med tanke på at dette også er grunnoppskriften for en enkel kondensator, så er resultatet at elektriske anlegg har en viss kapasitans i seg selv. Dette varierer med utstrekningen av anlegget, type isolasjon, osv. Når det settes spenning på anlegget vil det forekomme en oppog utladning av kapasitansen i anlegget, hver gang spenningen skifter retning. Med andre ord, først lades anlegget opp, spenningen skifter så retning, og man får først en utladning, og så en oppladning. Dette fenomenet forårsaker kapasitiv lekkasjestrøm. Isolasjonens tilstand og type påvirker også et elektrisk anleggs kapasitans. Dette er årsaken til at det er interessant å måle en isolators kapasitans under belastning, for å få en indikasjon på hvor godt isolasjonen fungerer som dielektrikum. I et anlegg er det normalt ønskelig å minimalisere den kapasitive lekkstrømmen. EY

18 4 Målemetoder 4 MÅLEMETODER I dette kapittelet forklares de målemetodene som ble brukes i isolasjonstesten i kapittel I(t)-test Denne testen måler lekkasjestrømmen i µa gjennom isolatoren over en periode på 30 minutter. Denne verdien bør være så liten som mulig. Egentlig består denne strømmen av tre bestanddeler: kapasitiv oppladningsstrøm, absorbasjonsstrøm og lekkasjestrøm. Figur 8 viser hvordan strømmene opptrer ved en isolasjonstest. Figur 8 Eksempel på strømmene ved en isolasjonstest. [3] 4.2 R(t)-test Dette er egentlig samme måling som I(t) og regnes ut av isolasjonstesteren ved hjelp av Ohms lov: se Formel 2, dvs. målespenningen delt på lekkasjestrømmen. Resultatet avleses i MΩ (megaohm). Figur 9 Eksempel på forskjellige PI måleresultater.[3] EY

19 4 Målemetoder 4.3 PI-test Denne målingen er en beregning av utviklingen av resistans (R) over tid. Verdien beregnes slik: R etter 10 minutter deles på R etter 1 minutt. Teorien bak denne målingen går ut på at i begynnelsen av testen vil det skje en kapasitiv oppladning av måleobjektet og at denne oppladingsstrømmen vil avta etter en tid. Hvis dette ikke skjer i tilstrekkelig grad kan det finnes mistanke om at det finnes uønskede faktorer som tar opp ladning i kretsen, for eksempel fuktighet. Tabell 2 viser hvordan måleresultatet bedømmes. Tabell 2 Tabell for vurdering av måleresultater. [4] EY

20 4 Målemetoder 4.4 DD-test Dette er en test av dielektrisk utladning. Denne utføres ved at kretsen lades opp med målespenning 5kV i 30 minutter. Deretter lades kretsen ut gjennom motstander internt i isolasjonstesteren i ett minutt. Etter ett minutt skal normalt all kapasitiv oppladning være utladet. Den utladningsstrømmen som er igjen da er absorbert strøm som trenger lenger tid på å lades ut. I de fleste tilfeller skjer dette på grunn av dårlig isolasjon. Figur 10 Eksempel på dielektrisk utladning.[3] Sluttverdien regnes ut etter følgende formel; Lekkasjestrøm etter ett minutt utladning / (målespenning * kapasitans). Resultatet bedømmes ved hjelp av Tabell 3. Tabell 3 Eksempel på bedømmelse av DD-test.[3][2] EY

21 5 Målinger 5 MÅLINGER Forsøkene i prosjektet ble utført på elektrolaboratoriet ved Høgskolen i Telemark. Det ble benyttet en isolasjonstester av typen Megger BM25. Alle testene ble utført med 5kV testspenning. Figur 11 viser et bilde av oppkoblingen. Det ble utført tre målinger på porselensisolatoren. En måling på tørr isolator, en måling på isolator fuktet med rent vann og til slutt en måling på isolator fuktet med saltvann. Hver måling tok 30 minutter å utføre pluss ett minutt utladning. Isolatoren ble fuktet med ca. 6,5 ml væske med et intervall på 5 minutter. Saltvannet som ble brukt hadde en konsentrasjon på 2 g salt pr. liter vann. Verdiene fra isolasjonstesteren ble overført til en datamaskin hvor alle verdiene ble lagt inn i et regneark. Figur 11 Bilde av testriggen. Resultatene fra hver deltest er satt inn i en grafisk fremstilling som sammenligner de tre testene. Disse resultatene vises i EY

22 5 Målinger 0,1 Lekkasjestrøm som funksjon av tid 0,09 Lekkasjestrøm (µa) 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 Tørr Rent vann Saltvann 0,01 0 0:05:00 5:05:00 10:05:00 15:05:00 20:05:00 25:05:00 Figur 12 og Tid (minutt/sekund) 800 Isolasjonsresistans som funksjon av tid Isolasjonsresitans (GΩ) Tørr Rent vann Saltvann :05:00 5:05:00 10:05:00 15:05:00 20:05:00 25:05:00 Tid (minutt/sekund) Figur 13. For å få en forståelse av resultatene bør foregående kapittel 4 leses, dette kapittelet beskriver hva de forskjellige testene fremstiller. EY

23 5 Målinger I(t)-test: 0,1 Lekkasjestrøm som funksjon av tid 0,09 Lekkasjestrøm (µa) 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 Tørr Rent vann Saltvann 0,01 0 0:05:00 5:05:00 10:05:00 15:05:00 20:05:00 25:05:00 Tid (minutt/sekund) Figur 12 Lekkasjestrømmen gjennom isolatoren er her vist over en periode på 30 minutter. R(t)-test: 800 Isolasjonsresistans som funksjon av tid Isolasjonsresitans (GΩ) Tørr Rent vann Saltvann :05:00 5:05:00 10:05:00 15:05:00 20:05:00 25:05:00 Tid (minutt/sekund) Figur 13 Grafen viser isolasjonsresistansen over en periode på 30 minutter. EY

24 5 Målinger DD-test: Det var ikke utslag på målingene på DD-testen. PI-test: Tabell 4 viser verdiene av PI-testene. Tørr tilstand 1,36 Rent vann 2,02 Salt vann 1, Drøfting av måleresultatene I-test Tørr isolator hadde de laveste verdiene på målingen. Da isolatoren ble fuktet med rent vann, fikk den litt høyere verdier enn da den ble fuktet med saltvann. Dette skyldes at isolatoren i tørr tilstand ikke får noen krypstrømmer. Mens den i salt tilstand får lavere verdier enn i fuktig tilstand skyldes at isolatoren er ren og saltet er med på å bryte vannhinnen fremfor å lede strøm. Målingene viser at isolatoren er i utmerket stand, og har lavest lekkasjestrøm når den er tørr. R-test Tørr isolator hadde de største verdiene på målingen. Da isolatoren ble fuktet med saltvann, fikk den litt høyere verdier enn da den ble fuktet med rent vann. Målingene viser at isolatoren er i utmerket stand, og har høyest isolasjonsresistans når den er tørr. DD-test Årsaken til at det ikke ble utslag på DD-testen er at porselensisolatoren er et veldig dårlig dielektrikum. Dette begrenser kapasitansen i isolatoren. Den tar derfor ikke opp kapasitiv ladning av målbar størrelse. PI-test Den kapasitive ladningen er såpass liten at oppladningen er gjennomført før PI-testen starter. Dette kommer av samme årsak som på DD-testen. EY

25 6 Konklusjon 6 KONKLUSJON Det er utført isolasjonstesting av en porselensisolator. Resultatene av dette er fremstilt i denne rapporten. Det er skrevet teorikapitler for resistans og for kapasitans. Målingene viser at isolatoren har best egenskaper ved tørr tilstand og dårligst egenskaper ved fuktig tilstand med rent vann. Målingene viser også at isolatoren er i utmerket stand. Teorikapitlene gir en enkel og forstålig forklaring av begrepene resistans og kapasitans. EY

26 Referanser REFERANSER [1] Trond Ekeren/Anders Isnes/Odd Terje Nilsen, Univers 2 Fysikk for den videregående skolen 2 FY, 1. utgave, NKI forlaget, Bekkestua, [2] Peter Bastian/Hans Rinn/Gunter Springer/Klaus Tkotz/Ullrich Winter, Elektroteknisk formelsamling, 1.utgave, Elforlaget, Norsk Elektroentrepenørforbund, Oslo, [3] Tore Solhaug, Diagnose Isolasjonstesting på Høyspenningssystemer, 2000 [4] Avo International, Technical Note 12, Diagnostical insulation testing, Avo International, 2001 [5] Gustaf Gustafsson/Karl-Erik Wingkvist, Grunnleggende Elektrisitetslære, norsk utgave ved Anders Øverbye, NKI forlaget, 1987 [6] Robert L. Boylestad, Introductory circuit analysis, tenth edition, Prentice Hall, New Jersey, 2003 [7] Rune Sundin/Erik Magnusson, Ellære-Grunnleggende elektroteknikk, Norsk utgave ved Øystein Bakken, Elforlaget, 1994 Kristian Haukeli, Elementær elektroteknikk, 1. utgave, Universitetsforlaget, 1970 [8] Christian Callin, Øystein Flach, Karl Torstein Hetland, Jan Pålsgård, Jostein Walle, Ergo Fysikk 2 FY grunnbok, 2.utgave, H. Aschehoug (W. Nygaard), EY

27 Vedleggsliste VEDLEGGSLISTE Vedlegg 1: Regneark Med sluttresultater fra hver test, samt grafer. EY