MJERAČ OTPORA IZOLACIJE ISOLEKA EKA M126

Danas je nabavljen instrument za mjerenje otpora izolacije ISOLEKA mađarskog proizvođača EKA iz kraja 1950-tih godina. Mađarska tvrtka EKA (Engel Károly Elektromos, prev. Engel Károly električni aparati) bila je aktivna na tržištu u razdoblju od 1931. do 1975. godine kada je proizvodila električne mjerne uređaje i to uglavnom ugradnjom elemenata i šasija drugih proizvođača u kućišta vlastitog dizajna.

Danas je već teško rekonstruirati  proizvodni program tvrtke EKA, no možemo zaključiti da se instrument ISOLEKA proizvodio se u nekoliko inačica unutar istog kućišta sa donekle različitim električnim karakteristikama. Prvi modeli su imali ručni generator napona 8V i 250V, a kasniji modeli 8v i 500V. Tako je i mjerni opseg kod prvih instrumenata bio do 20MΩ, a povećanjem napona isti je povećan na 100MΩ. Niži napon koristio se za opseg reda kΩ (do 10kΩ ili do 100kΩ), a viši napon za opseg reda MΩ. No pojedini modeli su imali samo jedan opseg reda MΩ. U oba slučaja instrument ISOLEKA izvana nema nikakvih sklopki ni kontrola već samo dva para mjernih priključnica (stezaljki), svaki za jedan opseg. Sklopke za prebacivanje opsega ugrađene su unutrašnjosti instrumenta, a aktiviraju se pritiskom na pojedini par mjernih stezaljki.

Megaommetar ili instrument za mjerenje otpora izolacije je mjerni instrument za ispitivanje stanja izolacije na električnim elementima, uređajima, vodovima i postrojenjima. Posebnost megaommetra je mogućnost mjerenja velikih električnih otpora, što ovisno o tipu instrumenta može biti od nekoliko megaoma do nekoliko tisuća megaoma. Da bi mjerenje tako velikih otpora bilo moguće potrebni su visoki pomoćni naponi u mjernom krugu. Stoga megaommetri  proizvode (uglavnom istosmjerne) pomoćne napone i to od 250/500V za mjerenja otpora izolacije unutar električnih sustava predviđenih za mrežne napone 220/380V, pa sve do nekoliko stotina kilovolti za ispitivanje elektroenergetskih distribucijskih sustava. Naš ISOLEKA generira pomoćne napone od 8 i 250V kojima pokriva mjerne opsege do 10 kΩ , odnosno do 20 MΩ. Danas su na tržištu uobičajeni mjerači izolacije koji generiraju pomoćne napone od 100, 250, 500 i 1000V čime pokrivaju mjerne opsege i do 8000 MΩ. Modeli predviđeni za visokonaponske instalacije pak uobičajeno rade sa pomoćnim naponima u koracima do 10kV. Pomoćni napon kojim ćemo vršiti mjerenje u pravilu se bira s obzirom na nazivni napon za koji je predviđena oprema na kojoj se vrši mjerenje, odnosno prva veća vrijednost istosmjernog pomoćnog napona.

Samo mjerenje otpora izolacije se u osnovi vrši na isti način kako bi se i mjerio bilo kakav drugi otpor. Prije mjerenja električna oprema koju mjerimo isključuje se iz mrežnog napona i prazni od mogućih zaostalih naboja (kapaciteta) koji bi mogli utjecati na mjerenje.  Ako ispitivanje otpora izolacije vršimo za neki složeni sustav (npr. za kompletnu kućnu električnu instalaciju) tada ćemo ostaviti uključene (spojene u krug mjerenja) sve uređaje i aparate preko sklopki i na utičnicama za koje želimo da ulaze u ukupno mjerenje. Pri tome treba voditi računa o pomoćnom mjernom naponu instrumenta pa svakako treba odvojiti one uređaje koji bi mogli biti osjetljivi na taj napon (obično elektronički sklopovi). Stezaljke prislonimo na fazu i uzemljenje (najbolje na nekoj utičnici) zatim na nulti vodič i uzemljenje i pri tome mjerimo otpor izolacije između navedenih točaka. Jasno je da kod ovog mjerenja zaštitna sklopka mora biti isključena, odnosno u prekidu veza sa uzemljenjem i svim dolaznim mrežnim vodovima. Zaključno rečeno električni uređaj ili sustav na kojem mjerimo otpor izolacije uvijek mora biti isključen iz svih drugih sustava i poveznih vodova (posebno iz sustava mrežnih napajanja) kako bi rezultati mjerenja na njemu bili točni.

Slijedeće je pitanje kako na osnovu izmjerenog otpora izolacije utvrditi da li je ista dobra ili loša. Neko opće pravilo (koje je proizašlo više iz iskustava nego iz električnih proračuna) kaže da je minimalna dozvoljena vrijednost otpora izolacije 1 kΩ po 1 V napona (što daje struju curenja od 1 mA). To bi značilo da za vodove, aparate i sustave koji rade na naponu od 220 V minimalni otpor izolacije mora biti 220 kΩ. No, taj podatak svejedno treba uzeti s rezervom tako da bi bilo dobro da otpor izolacije nikad nije manji od 1 MΩ za bilo koju opremu, a kod dobre izolacije uobičajeno je da je ta vrijednost reda nekoliko stotina MΩ i više. Trenutno izmjerena vrijednost otpora izolacije govori da nam da li je izolacija dobra ili loša u trenutku mjerenja. No za točnu procjenu stanja izolacije potrebno je vršiti stalna periodična mjerenja i zatim uspoređivati dobivene rezultate. Samo na osnovu praćenja izmjerenih vrijednosti tijekom razdoblja možemo znati kako se ponaša izolacija, odnosno kojom brzinom eventualno propada i nastaju li kakva značajnija odstupanja u mjerenju koja bi ukazivala na pojavu nekog većeg poremećaja na izolaciji. Ovdje je potrebno naglasiti još jednu važnu činjenicu, a to je da će na mjerenje velikih otpora veliki utjecaj imati temperatura i čistoća izolacije koju mjerimo kao i temperatura i vlažnost zraka. Osim prljavštine, vlage i sličnih onečišćenja koje utječu  na izmjereni otpor treba biti svjestan činjenice da će i kvaliteta kontakta instrumenta sa mjernim točkama također imati utjecaj na mjerenje.  Stoga je sva mjerenja na jednom sustavu potrebno vršiti kod što sličnijih uvjeta glede temperature, vlage, čistoće i spojeva.

Na kraju ćemo još napomenuti kako s povećanjem pomoćnog napona kojim se mjeri otpor izolacije (reda kV) postaju sve izraženiji i drugi efekti koji utječu na mjerenje, a to je pojava različitih struja u mjernom krugu uslijed visokog napona (kapacitivnih, dielektričnih, ionizacijskih) kao i mogućnost proboja izolacije posebice pod utjecajem onečišćenja i vlage na izolaciji. Stoga kod mjerenja vrlo visokim naponima na visokoenergetskim strujnim elementima treba voditi računa o primjeni metoda koje će kompenzirati greške nastale zbog navedenih utjecaja.

Testiranje stanja izolacije može se vršiti izmjeničnim ili istosmjernim naponom, ovisno o tome što želimo mjeriti i na kojem sustavu vršimo mjerenja. Izmjenični naponi koriste se za testove sigurnosti izolacije, odnosno testiranje može li izolacija izdržati određeni napon. Time se dobije samo rezultat prolaznosti, dakle prolazi ili ne prolazi, ali ne i vrijednost krajnjeg napona koji izolacija izdrži. Testiranje izolacije na krajnji (probojni) napon je destruktivni jer na kraju uništi izolaciju, međutim, izmjeničnim naponom se mogu vršiti i neki ne destruktivni testovi (faktor snage, faktor disipacije, kapacitivnost i sl.). Za mjerenje otpora izolacije i neka druga mjerenja (nivo dielektrične apsorpcije, polarizacijski indeks) u pravilu se koristi istosmjerni napon jer bi se primjenom izmjeničnog napona zapravo dobila impedancija (kapacitivni i induktivni otpor najčešće prisutan u električnim vodovima).

Naš ISOLEKA opremljen je ručnim istosmjernim generatorom koji na izlazu daje napone efektivnih vrijednosti od 8V i 250V. Niži napon koristi se za mjerenje manjih otpora (do 10 kΩ), a viši za mjerenje otpora izolacije do 20 MΩ. Generator ima po jednu zavojnicu za svaki napon, svaka spojena na svoj dvopolni komutator. Time se na izlazu dobije istosmjerni valni oblik po izgledu jednak punovalnom ispravljanju izmjeničnog sinusnog napona. Poznato je da izlazni napon iz takvog generatora ovisi o brzini vrtnje rotora, stoga je za ručni generator potreban neki sistem stabilizacije broja okretaja kako bi na izlazu dobili konstantan napon. To se kod ovakvih mjerača izolacije postiže sustavom redukcijskog zupčanog prijenosa, a može biti ugrađena i mehanička centrifugalna kontrola vrtnje osovine generatora. Takav sistem vidjeli smo kod uređaja DVOSTRUKI OSCILOGRAF – MEHANIČKI TLAKOMJER Gesenius & Keller kod kojeg je potrebno stabilizirati okretaje oprugom pokretanog mehanizma za povlačenje papira ispod crtaćih igli.

Na našem generatoru uočavaju se oštećenja zubaca na dijelu jednog zupčanika čime često dolazi do zapinjanja ili preskakanja čitavog mehanizma tijekom vrtnje. Do ovih oštećenja mjedenog zupčanika vjerojatno je došlo upadom i prikliještenjem komadića metala koji služi za pričvršćenje prozorčića skale. Naime, kod rastavljanja instrumenta uočeno je da je jedan od četiri držača ispao iz ležišta te slobodno šeće po unutrašnjosti. Oštećenje zupčanika se vjerojatno moglo spriječiti da se nije silom pokušalo nastaviti okretati mehanizam.

Druga glavna komponenta  ISOLEKA je mjerni instrument za zakretnim zavojnicama. Kod analognih mjerača otpora izolacije u pravilu se susreće posebna izvedba mjernog instrumenta koji čine dvije zakretne zavojnice sa međusobno suprotnim zakretnim momentima postavljene unutar statora koji je stalni magnet (logometarski mjerni sistem). Rotor sa zakretnim zavojnicama nije oprugama namješten na neku početnu vrijednost (nulu na skali instrumenta) kako je to uobičajeno kod većine analognih mjernih instrumenata. Ovdje se opruge ne koriste već se rotor sa kazaljkom postavlja u određeni položaj isključivo ovisno o omjeru struja koje dolaze na svaku od zavojnica, odnosno o omjeru magnetskih polja koje iste stvaraju unutar polja stalnog magneta. Stoga kad nema nikakvog napona na zavojnicama kazaljka može zauzeti bilo koji položaj na skali uslijed mehaničkog djelovanja na sam mehanizam instrumenta (kod okretanja, protresanja ili sl.) što ne znači da je instrument neispravan. Tek kad se dovede neki napon na zavojnice, odnosno kad kroz njih proteče struja i stvori se magnetsko polje, rotor će se uslijed tog magnetskog polja fiksirati na određenoj poziciji unutar stalnog magnetskog polja statora.

Na prvim slikama vidjeli smo fotografije instrumenta, a sada dajemo crtež i shemu kako bi se bilje prikazala konstrukcija i način rada komponenti ISOLEKA. Zavojnice smo nazvali otklonska i kočeća. Otklonska se negdje u literaturi zove i strujna zavojnica, a kočeća se naziva kontrolna ili potisna. Kočeća zavojnica spojena je preko serijskog otpornika izravno na napon napajanja, dok je otklonska zavojnica spojena na isto napajanje preko serijskog otpornika i preko otpora izolacije koji mjerimo. Lijevo je kompletna električna shema ISOLEKA sa dva mjerna opsega, a desno je dati pojednostavljeni prikaz iste sheme za jedan odabrani opseg kako bi se bolje uočio osnovni princip rada instrumenta.

Ako su mjerni kontakti (Rx) otvoreni struja teče samo preko kočeće zavojnice te će njeno magnetsko polje zakrenuti kazaljku u krajnji lijevi otklon (beskonačni otpor) jer nema suprotnog magnetskog polja otklonske zavojnice koje bi se tome suprotstavilo.  Ako pak kratko spojimo mjerne kontakte vidimo da će zbog jednakih otpora kroz obje zavojnice teći jednaka struja te će one biti u ravnoteži. Konstrukcija rotora sa zavojnicama i kazaljkom izvedena je tako da u slučaju ravnoteže kazaljka pokazuje nulu (nema otpora, kratki spoj) dakle zauzima krajnji desni otklon. Ukoliko pak postoji neki otpor na stezaljkama instrumenta a time i u grani otklonske zavojnice, ravnoteža struja i magnetskih polja će se za određeni iznos narušiti, te će se rotor sa kazaljkom postaviti na odgovarajući otklon između dvije krajnje vrijednosti. Zbog konstrukcije otklonskog instrumenta mjerači otpora uzemljena imaju uglavnom nelinearne skale. Otpornici u krugu zavojnica također i ograničavaju struju čime se mjerni instrument kao i ostali elementi u mjernom strujnom krugu ne opterećuju nepotrebno velikim strujama.

Najveća prednost ugradnje logometarskog mjernog sistema u mjerače izolacije sa induktorom je u tome što istosmjerni mjerni napon ne mora biti posebno stabiliziran jer će odnos sila između zavojnica uvijek ostati konstantan bez obzira na fluktuacije napona, odnosno ovisiti će samo o otporu. Stoga induktoru nije potrebno ugrađivati posebne mehanizme stabilizacije broja okretaja (ili električne stabilizacijske elemente izlaznog napona), a najčešće se ne stavljaju ni filtarski kondenzatori za “ravnanje” izlaznog punovalnog oblika istosmjernog napona. Rukovatelj također ne mora posebnu pažnju pridavati održavanju konstantne brzine vrtnje induktora tijekom mjerenja no vrtnja ipak mora biti unutar nekih granica minimalnog i maksimalnog izlaznog mjernog napona. Također, dodatnom stabilizacijom mjernog napona dobilo bi se preciznije mjerenje otpora što kod većine mjerenja otpora izolacije i nije toliko presudno, no kod boljih (preciznijih) instrumenta unatoč logometarskom mjernom sistemu ugrađeni su i elementi stabilizacije mjernog napona.

U nastavku prilažemo još nekoliko slika iz postupka rastavljanja i čišćenja ručnog generatora. Dijelovi generatora su: ručica sa sistemom zupčanika za pokretanje rotora, stator kao stalni (permanentni) magnet, rotor i četkice.

Bolji pogled na stator i rotor…

Dva para četkica sa pritisnim oprugama i kontaktima…

Rotor u punom sjaju…

Četkice u svojem kućištu…

Mjerenjem napona i valnog oblika izlaznog napona iz generatora osciloskopom uočava se prilično nepravilni valni oblik izlaznog napona na svakoj drugoj četvrtini periode vjerojatno kao posljedica oštećenja mehanizma, no ukupni efektivni napon iz generatora i dalje je u granicama od 8V i 250V. Mjerač otpora izolacije ISOLEKA ispitan je spajanjem otpornika od 1 MΩ na mjerne stezaljke (pojedinačno i sa više njih u serijskom spoju) te je utvrđeno da prikazuje točne vrijednoti u čitavom opsegu skale.

Ručni generatori napona danas su ponovno postali u modi kod ručnih svjetiljki, nekih tranzistorskih prijemnika i sličnih uređaja gdje se želi izbjeći neugodna situacija ispražnjenih baterija u ključnom trenutku. Stoga možemo reći da današnji instrumenti za mjerenje otpora izolacije zasigurno imaju nekih prednosti naspram našeg ISOLEKA no uglavnom imaju i jedan nedostatak – a to je da ne rade bez baterija 🙂