Методы измерения сопротивления изоляции и внутреннего сопротивления

Обеспечение надежности и безопасности функционирования электрических сетей требует систематического контроля их параметров. Одной из ключевых задач при проведении измерительных процедур является определение сопротивления изоляции проводников и внутреннего сопротивления источников постоянного тока. Контроль параметров изоляционных материалов позволяет предотвратить утечки тока, короткие замыкания и возникновение пожароопасных ситуаций, а точные измерения параметров химических источников тока критически важны для их правильной эксплуатации в лабораторных и технических условиях.

В фундаментальной физике и электротехнике разработана целая система лабораторных и практических методов исследования электрических цепей. Применение таких приборов, как омметр, мегаомметр, мостик Уитстона и мостик Кольрауша, дает возможность проводить измерения с высокой точностью. Ниже рассмотрены ключевые теоретические аспекты, методики экспериментального контроля изоляции осветительных сетей и методы определения внутреннего сопротивления гальванических элементов.

Методика измерения сопротивления изоляции электрической проводки. Измерение сопротивления изоляции электрических сетей освещения является важным практическим экспериментом, наглядно демонстрирующим явление проводимости изоляционных материалов. В условиях лабораторного или технического контроля проводятся три основных типа измерений:

- Измерение между фазным и нулевым проводниками: определяется сопротивление одного провода по отношению к другому при всех выключенных приемниках электрической энергии (лампах накаливания и иных нагрузках).

- Измерение относительно земли: проводится проверка каждого проводника сети отдельно по отношению к контуру заземления при полностью отключенных приемниках.

- Измерение всей сети под нагрузкой относительно земли: определяется суммарное сопротивление изоляции системы (одного или всех проводников) при включении части или всех электроприемников.

Для проведения измерений используется следующее оборудование: омметр, мостик Уитстона, мостик Кольрауша, гальванические элементы или аккумуляторы, а также компоненты исследуемой сети электрического освещения.

Подготовительный этап и правила безопасности. Перед началом измерительных процедур обязательно соблюдение строгих правил техники безопасности. Сеть освещения полностью обесточивается: для этого выключаются оба предохранителя или автоматических выключателя на распределительном щите. Необходимо контрольным прибором убедиться в отсутствии напряжения между проводами и относительно заземленных конструкций. При работе с трехфазными сетями переменного тока производится отключение всех трех фазных проводников, если проверяется вся установка в целом, а не отдельная однофазная группа.

Измерительные схемы и порядок действий. Для проведения измерений относительно земли один из выводов омметра (клемма X₁) подключается к исследуемому проводнику A (в штепсельной розетке или на цоколе патрона лампы), как показано на схеме:

Рис. 259. Измерение изоляции одного из проводов освещения по отношению к земле.

Вторая клемма прибора X₂ надежно соединяется с контуром заземления B (в качестве которого эффективно использовать металлические водопроводные трубы или трубы системы центрального отопления). После подключения фиксируется показание прибора. Аналогичная процедура повторяется для второго проводника сети C.

Далее проводится проверка общей изоляции при включенных приемниках тока: включив несколько ламп, измеряют сопротивление обоих проводов относительно земли. Для проверки междупроводной изоляции приемники выключаются, заземляющий проводник отсоединяется, а клеммы прибора X₁ и X₂ подключаются непосредственно к проводам сети A и C:

Рис. 260. Измерение изоляции между двумя проводами освещения омметром.

Рис. 258. Монтажная схема омметра (включено напряжение 8 В — показания соответствуют тысячам омов).

В лабораторных условиях аналогичные измерения могут выполняться с помощью мостика Уитстона или мостика Кольрауша, что обеспечивают высокую точность за счет балансировки мостовой схемы:

Рис. 261. Измерение изоляции одного из проводов освещения по отношению к земле мостиком Уитстона.

Нормы допустимого сопротивления изоляции. Для оценки состояния электропроводки используются нормативные требования, определяющие минимально допустимые значения:

1. Для внутренних участков проводки между предохранителями: минимальное сопротивление изоляции должно составлять не менее 1000 Ом на каждый вольт рабочего напряжения. К примеру, для сети с рабочим напряжением U = 120 В нормативный порог рассчитывается следующим образом: R = 1000 ⋅ 120 = 120 000 Ом (120 кОм).

2. Для ответвлений внутренней проводки относительно земли: допустимая величина определяется по эмпирической формуле: R = 10 000 + 1 000 000 / n (Ом), где n — количество подключенных ламп. При расчетах дуговые лампы и электродвигатели приравниваются к 10 стандартным лампам накаливания.

Измерение изоляции с помощью мегаомметра с индуктором. Для технических измерений высокого сопротивления изоляции широкое применение получили мегаомметры (мегометры), оснащенные встроенным индуктором — генератором постоянного тока с ручным приводом.

Рис. 262. Устройство мегометра.

Рис. 264. Схема устройства и включения мегометра.

В отличие от приборов, питающихся от гальванических батарей, в данном типе мегаомметра источником высокого напряжения служит индуктор J, приводимый во вращение рукояткой. Пульсации генерируемого напряжения сглаживаются с помощью постоянного конденсатора C.

Измерительный механизм представляет собой логометр магнитоэлектрической системы с двумя подвижными рамками:
- Рабочая рамка B: включается последовательно с измеряемым сопротивлением Rₓ и создает вращающий момент, пропорциональный току утечки.

- Противодействующая рамка D: намотана с внутренней стороны рамки B и подключена через добавочное сопротивление R параллельно индуктору, создавая противодействующий момент.

Благодаря противодействию двух магнитных полей, показания логометра не зависят от скорости вращения рукоятки индуктора (в рабочем диапазоне от 60 до 180 оборотов в минуту), что обеспечивают стабильность и точность измерений. Подключение мегаомметра к проверяемой сети выполняется по схемам, аналогичным приведенным выше (Рис. 259 и Рис. 260).

Методика определения внутреннего сопротивления гальванических элементов. Определение внутреннего сопротивления r источника тока в лабораторных или школьных условиях представляет собой комплексную измерительную задачу. Ниже представлены два наиболее эффективных и доступных метода.

Метод вольтметра и амперметра. Для проведения эксперимента используются: исследуемый гальванический элемент, вольтметр (на 3–5 В с ценой деления 0,1 В), амперметр (на 3–5 А с ценой деления 0,01 А), ползунковый реостат и выключатель.

Метод основан на замере падения напряжения на клеммах источника при различных значениях силы тока в цепи, изменяемых с помощью реостата. По закону Ома для полной цепи внутреннее сопротивление вычисляется для каждой пары измерений по формулам:

r₁ = (U₂ - U₁) / (I₁ - I₂)

r₂ = (U₃ - U₁) / (I₁ - I₃)

где U₁, U₂, U₃ — напряжение на клеммах элемента при соответствующей силе тока I₁, I₂, I₃.

Для повышения точности полученных данных рассчитывается среднее арифметическое значение внутреннего сопротивления:

r = (r₁ + r₂ + ... + r_n) / n

Метод мостика с телефоном. Для исключения влияния постоянного тока источника на балансировку мостовой схемы применяется специализированный метод измерений с использованием мостика Уитстона (или мостика Кольрауша) и головного телефона (наушников) в качестве индикатора нуля.

Рис. 265. Схема для измерения внутреннего сопротивления мостиком с телефоном.

Для эксперимента подбираются два идентичных гальванических элемента (1 и 2) с одинаковой степенью отработки электролита (свежезаряженные или находившиеся под одинаковой нагрузкой). Элементы включаются в плечо мостика встречно-последовательно.

При таком способе соединения их электродвижущие силы (ЭДС) взаимно уравновешиваются, благодаря чему суммарный собственный ток элементов в измерительной ветви практически равен нулю. Далее производится стандартная балансировка мостика по минимальному звуку в телефоне. Найденная величина Rₓ представляет собой суммарное сопротивление двух элементов. Следовательно, внутреннее сопротивление одного элемента рассчитывается по формуле:

r = Rₓ / 2

Представленные методики позволяют провести точную диагностику состояния электрической изоляции и оценить технические характеристики источников постоянного тока.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Д. Д. Галанин, Е. Н. Горячкин, С. Н. Жарков, А. В. Павша, Д. И. Сахаров.

Источник: Физический эксперемент в школе. т. 3

Данные материалы будут полезны преподавателям физики и электротехники, студентам инженерно-технических специальностей, учащимся старших классов, а также всем, кто интересуется вопросами практической электродинамики и методиками наглядного моделирования физических процессов.