книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Если к измеряемому образцу приложить постоянное на­ пряжение, то в первый момент после подключения напряжения в цепи будет протекать ток, обусловленный электрической емкостью образца (или процессами быстрой поляризации). Затем ток с течением времени уменьшается и достигает в конечном итоге постоянного значения. Этот ток называют

током, обусловленным сквозной проводимостью.
Зависимость тока от времени можно представить в виде
суммы экспонент
/= /« .+ I		(3.1)
	1=1
где Ц и xt— постоянные	величины.	соответству­
Величину х. называют	постоянной времени,

ющей экспоненциальной составляющей. В более общем виде функцию (3.1) можно представить так:

/=	J 7(т)<Г,/т</х,		(3.2)
	о
где 7(т)— плотность распределения		7, по	т.
Ток, представленный	в виде	суммы	экспонент в (3.1),

называют током абсорбции. Токи абсорбции обусловлены накоплением объемных зарядов на неоднородностях в ди­ электриках. В стандартизованных методиках измерения нор­ мируется время с момента подключения напряжения до момента отсчета показаний измерительного прибора. Таким образом, производится измерение некоторой условной ве­ личины для данной методики. Для определениясквозной проводимости необходимо весьма длительное время при из­ мерениях.

Иногда представляют (3.1) в виде суммы ограниченного количества экспонент (например, три) и по кривым тока абсорбции путем расчетов определяют каждое слагаемое в сум­ ме. По изменению этих слагаемых можно судить о качестве изоляции и качестве технологического процесса ее обработки, например сушки, поликонденсации. Абсолютное значение токов абсорбции также может характеризовать качество изоляции.

21

a )

S )

Рис. 3.1. Система из трех электродов для измерения объемного и поверхност­ ного сопротивлений

При измерении характеристик электроизоляционных матери­ алов обычно применяют образцы в виде пластин, на которые наносят три электрода. Размеры электродов регламентируются

стандартами	(обычно ^ = 100	мм). При измерениях удельного
объемного	сопротивления	рх, О м м ,	применяют	схему
рис. 3.1, а, а	для измерения	удельного	поверхностного со­
противления	р5, Ом, схему рис. 3.1, б. Измеряется ток			I через

образец 4, который проходит в схеме от измерительного электрода 1. В схеме рис. 3.1, а ток по поверхности образца от нижнего электрода 2, к которому подведено напряжение, отводится на заземление через охранный электрод 3 и не попадает в измерительную цепь.

При измерении ps (рис. 3.1, б) измеряемый ток проходит от электрода 3 к электроду 1 по поверхности образца. В этом

случае электрод			2 заземлен.
Кольцевой зазор между электродами 1 и 3 должен быть
минимальным		(обычно 2 мм).			Расчетный		диаметр	равен
dcp=1(d1+d2)l2.		Тогда можно		записать		соотношения
			4А	р.=^?рлЛ„/4Д;				(3.3)
			•R„ = p„ ^ r ;
					ndcpRs			(3.4)
где	А— толщина		образца; Rv и		Rs— сопротивления			образца
при	измерениях		по схемам	рис. 3.1, а		и б	соответственно;
^	2.

Неточности при измерениях электрического сопротивления изоляции в значительной мере зависят от подготовки образца и применяемых электродов. Перед измерениями образцы должны длительное время выдерживаться при заданных тем­ пературе и влажности. Поверхность образцов не должна быть загрязнена.

22

К электродам предъявляются следующие требования: электрод должен обладать высокой проводимостью и обес­

печивать хороший электрический контакт по всей поверхности соприкосновения с образцом;

в условиях испытания электрод не должен влиять на испытуемый образец (деформировать его, оказывать химическое воздействие и т. д.);

электрод должен быть таким, чтобы его легко было наносить и удобно применять при испытаниях.

Массивные электроды изготовляют из нержавеющей стали, меди и латуни. Фольговые электроды соединяют с образцом тремя способами. Плотный контакт с образцом достигается путем притирания электрода к его поверхности с помощью смазки (вазелина, трансформаторного масла или кремнийорганической жидкости). Как правило, толщина слоя смазки не должна превышать 1 мкм. При измерениях для образцов из пластмасс применяют прессовку с нагреванием. Фольговые электроды можно также прижимать к образцу через резину под давлением 10 кПа.

Электроды из осажденных металлов в виде плотно прилега­ ющих пленок могут быть выполнены из серебра, золота, платины, меди, алюминия. Обычно это делают способом напыления в вакууме путем испарения металла при нагревании или катодным напылением. На неорганические материалы можно наносить электроды из серебра способом вжигания из специальных паст. При этом требуется нагревание до несколь­ ких сотен градусов.

В качестве смазки для электродов можно применять суспензии, наполненные распыленным графитом (лаки, масла, вода). Толщина смазки должна быть примерно на порядок меньше толщины образца, а ее удельная проводимость на несколько порядков больше, чем образца.

Общие требования при определении электрического со­ противления изоляции кабельных изделий регламентированы ГОСТ 3345—76. Напряжение при измерениях от 90 до 500 В. Погрешность должна быть не более 10% при измерениях сопротивления до 1010 Ом и не более 25% при сопротивлении 10 Ом и более. Точность измерения температуры регламен­ тируется в конкретных стандартах на изделия.

Сопротивление изоляции должно быть измерено:

для изделий без металлической оболочки, экрана и бро­

ни— между жилой и металлическим	цилиндром,	на кото­
рый навивается изделие, между жилой	и водой,	между жи­

лой и другими жилами, соединенными между собой (и с водой);

для изделий с металлической оболочкой, экраном и броней— между каждой жилой и остальными, соединенными между

23

Рис. 3.2. Подключение кабеля при изме­ рении электрического сопротивления изо­ ляции:

1— жила;	2— оболочка		или	экран;
3— охранный электрод		для	исключения влия­
ния токов	утечки по	поверхности		изоляции

собой и с оболочкой, экраном или броней; в этом случае

измерения можно производить и по	трехэлектродной схеме
в соответствии с рис. 3.2. Электроды	7, 2, 3 соответствуют
рис. 3.1.

3.2.ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ИЕМКОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

ГАЛЬВАНОМЕТРА

Схема измерений методами непосредственного отсчета по­ казаний гальванометра и сравнения показана на рис. 3.3. Напряжение источника питания может достигать 5000 В и бо­ лее. Образец имеет сопротивление Rx и емкость. В схеме предусмотрено ограничительное образцовое сопротивление R 0, которое равно 0,1..ЛОМОм и обычно много меньше Rx. Образцовая емкость С0 составляет около 10“ 7 Ф.

В, И, 3— соответственно клеммы подключения высокого напряжения, гальванометра и заземления

24

Чувствительность гальванометра постепенно повышают в процессе измерения с помощью переключателя шунта S2. Сопротивление образца рассчитывают по формуле

Rx= U/I= Ul(krrm )-R 0,				(3.5)
где а — отклонение	по шкале	гальванометра;	п=1/1г	(все
значения при S x в	положении	1).
Постоянную гальванометра кг можно уточнить путем
измерения тока через R0 при		St в положении	2
	kT=U l(R0n0ct0).			(3.6)

При этом метод двух измерений называют методом сравнения. После подстановки кг из (3.6) в (3.5) получим

аПп

K - R o о"о (3.7) ап

Если в схеме использовать баллистический гальванометр, то ее можно применять для измерения емкости образцов. Переключатель S x ставят в положение 3. Далее переключатель S3 переводят из положения 1 в положение 2. В момент переключения через гальванометр протекает ток разряда кон­ денсатора. Количество электричества при разряде равно

Qo~^6^ono = ^'0

(3*8)

где р0 и п0— максимальный отброс гальванометра и шунтовое число при измерении образцовой емкости.

Второе измерение проводят в положении 1 переключателя St . Емкость образца

с = с J*!L

(3.9)

'С ° Р о « о '

Измерения при высоком напряжении удобно проводить методами заряда конденсатора (рис. 3.4) и саморазряда измеря­ емого образца.

/?х

Рис. 3.4. Схема измерения методом заряда конденсатора

25

Рис. 3.5. Схема измерения электричес­ кого сопротивления изоляции методом саморазряда

В методе заряда конденсатора С последний заряжается через измеряемый образец Rx. Постоянная времени самораз­ ряда конденсатора С, равная RC, должна быть много больше RXCX и С » С Х. Напряжение на конденсаторе возрастает со временем по зависимости

и = и

Если t/(CRx) меньше 0,1, то для разряда конденсатора получим

Q=UcC * U t/R x. (ЗЛО)

Перебрасывая S± из положения 1 в положение 2 в заданный момент времени t баллистическим гальванометром измеряем заряд 2 и по (3.10) вычисляем Rx.

В схеме рис. 3.5 при положении 1 переключателя S l сначала заряжаем испытываемый кабель до высокого напряжения U, затем устанавливаем в нейтральное положение 2 и в этот момент время t принимаем равным нулю. Через некоторое время t измеряем заряд на Сх баллистическим гальванометром, переключая St в положение 3. Заряд на конденсаторе изменя­ ется по формуле

UCxexр [ —tl{RxCxj} = Q exp [ - t/(RxCxj].

(3.11)

Построив зависимость заряда от времени, по (3.11) можно вычислить Rx. Начальный заряд Q вычислим по результатам измерения заряда при t —0. Этот метод позволяет получить только приближенную оценку Rx, так как сопротивление изоляции зависит от напряжения.

3.3.ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

СПРИМЕНЕНИЕМ СХЕМ С УСИЛИТЕЛЯМИ

При измерении сопротивлений более 1011 Ом чувствитель­ ность схем с применением гальванометра может быть недо­ статочной. В этих случаях используют схемы с усилителями. Общий принцип измерения показан на рис. 3.6.

26

Рис. 3.6. Схема измерения электрического сопротивления с применением усилителей

Ток I при измерениях протекает через образец Rx и об­ разцовое сопротивление R0. При измерениях обычно выпол­ няется соотношение Ro = (\0~2 — \0~5)RX. Ток утечки в конст­ руктивных зажимах образца (через Ry) должен быть много меньше I (Ry^>Rx). Входное сопротивление RBX усилителя А должно быть много больше R0. Регистрирующий прибор обычно измеряет выходное напряжение или ток усилителя. При указанных условиях

Rx= R0U/UBX= R0Ukl и вых,		(3Л2)
где k= U BKlx/UBX— коэффициент усиления	усилителя.
Максимальное значение измеряемого	сопротивления и точ­

ность измерений во многом определяются качеством изоляции конструкции измерительной ячейки (величиной Ry) и обес­ печением большого значения входного сопротивления усили­ теля. Кроме того, это зависит от R0— оно должно быть 1011 Ом и более. Чувствительность применяемых приборов зависит от помех при измерениях, поэтому все провода и детали, связанные с зажимом 1 должны быть тщательно экранированы. Напряжение питания не должно иметь пульсаций (и других импульсных изменений), так как переменная со­ ставляющая напряжения относительно свободно проходит к зажиму 1 через Сх.

Напряжение на зажимах 7, 2 измеряется несколькими способами. Для этой цели могут быть использованы элект­ ростатические электрометры, входное сопротивление которых достигает 1017 Ом, емкость 2,5— 5 пФ. Электрометры бывают квадрантные, струнные и крутильные (ЭС-2, СГ-1М) [27].

Первый каскад усилителей постоянного напряжения выпол­ няется обычно с применением электрометрической лампы (ЭМ-5, ЭМ-6). Благодаря специальной конструкции и режиму работы входное сопротивление электрометрического усилителя достигает 1014— 1(г5 Ом. Последующие каскады усиления выполняются транзисторами. Первый каскад может быть

27

Ro

Рис. 3.7. Схема измерения электрического сопротивления с применением электрометрического усилителя с отрицательной обратной связью

выполнен также с применением полевых транзисторов (входное сопротивление 1012— 1014 Ом). Для стабилизации коэффици­ ента усиления и работы всего прибора в целом применяются схемы с отрицательной обратной связью (рис. 3.7).

Сопротивление образца по схеме рис. 3.7.

		U Rt +R2			(3.13)
		RX—R Q ил	R,
		вых
По этой схеме выполнены тераомметры					ЕК6-11, ЕК6-7,
Е6-14. Их основные		параметры	приведены	в	табл. 3.1.
	Т а б л и ц а 3.1. Параметры тераомметров
Тип прибора	Диапазон измерения		Погрешность		Напряжение	при
	сопротивлений, Ом		измерений,	%	измерениях,	В
ЕК6-11	3	107— 1015	6— 10		2,5— 500
ЕК6-7		107— 1017	4— 10		1— 1000
Е6-14		107— 1017	—		—

Если на входе усилителя применить преобразователь посто­ янного напряжения в переменное, то усиление переменного напряжения осуществляется легче и усилители работают ста­ бильнее. При этом можно измерять очень большие сопротив­ ления. В качестве преобразователя можно, например, исполь­ зовать динамический конденсатор с газовым диэлектриком, один из электродов которого соединен с вибратором, так что емкость конденсатора меняется с определенной частотой. Такой конденсатор можно подключить параллельно R0.

Для измерения напряжения на R 0 в схеме рис. 3.4 можно использовать цифровые автоматические вольтметры с большим входным сопротивлением. При этом возможен вывод на цифропечатающее устройство и преобразование в код для применения в системах с ЭВМ. Например, вольтметр типа Щ1513 [2] на шкале 0...0,3 В имеет входное сопротивление

28

109 Ом.	При этом		R0 может	быть	106— 107 Ом. Если с по­
мощью	такого	вольтметра		измерить Ux,		равное	0,05 В,
а £7=1000 В,		то	максимальное		значение	Ях	составит
R0U/U3X= 107 • 103/(5 • 10~2)= 2 • 1011 Ом.

ГЛ А В А ЧЕТВЕРТАЯ

ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ЕМКОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ МАТЕРИАЛОВ И КАБЕЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ

ЧАСТОТАХ

4.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Вкабельной технике приходится измерять полные комп­ лексные сопротивления образцов. Для кабелей связи эти сопротивления могут иметь как емкостный, так и индуктивный характер. При измерении характеристик электроизоляционных материалов используются последовательная и параллельная схемы замещения образцов с диэлектриком или отрезков кабелей (рис. 4.1).

Тангенс угла диэлектрических потерь

tg8 = /a//p,		(4.1)
где /а, /р— активная и реактивная составляющие тока.
Для параллельной схемы замещения получим
Ia= U lR i; /р= U(oC;	со=2л/; tg5= l^ c o C ^ ),	(4.2)
где / — частота переменного	тока.

Под емкостью при включении в цепь некоторого комп­ лексного сопротивления понимают величину, определяющую реактивный ток в цепи:

		Сх= / р/(ш1/).			(4.3)
При		этом	емкость параллельной
схемы	соответствует			емкости,	опре­
деленной		по	(4.3).
Для	последовательной схемы за­
мещения		справедливы		соотношения
		tg 6 = toC2R 21			(4.4)
		/ р= {7coC2/(l+ tg 25).			(4.5)

о

о

*7

Рис. 4.1. Схемы замещения измеряемых образцов

29

Подставив /р из (4.5) в (4.3), получим формулу для Сх:

C, = C2/(l+ tg 25).

(4.6)

Следовательно, если расчетные формулы измерительной схемы прибора получены для последовательной схемы замеще­ ния, то полученную емкость С2 необходимо пересчитать по

(4.6)	.	Если tg 5< 0,1,	то значение	(l+ tg 25)	близко
к 1	и СХ=С1 = С2. При больших значениях			tg8 соотношением
(4.6)	пренебрегать нельзя.		образцов диэлектрика и		кабеля
При		измерениях емкости

применяют электроды, показанные на рис. 3.1 и 3.2. Емкость таких образцов вычисляется соответственно по формулам

Cx=e4 ^ ( l+ B g ) ;		C ^ — ^ i l + B g ) ,			(4.7)
где е— относительная диэлектрическая проницаемость				матери­
ала; б 0 — электрическая	постоянная (8,854-10“ 12 Ф/м);				г0—
внешний радиус жилы кабеля; R — радиус по изоляции кабеля
(внутренний радиус внешнего		электрода);	/— длина	образца
кабеля; g — зазор между	измерительным		и охранным		элект­

родом; В — коэффициент, учитывающий искажение электричес­ кого поля на краях электрода.

Если	толщина электродов а больше толщины образца А,
то 5=1.
Если	а< А, то В рассчитывают по формуле
	В=1 -2,932 ^lgch ^0,7854 | \	(4.8)

Требования к электродам и рекомендации по их применению аналогичны требованиям, изложенным в § 3.1. Следует подчерк­ нуть, что потери энергии в приэлектродных слоях должны быть много меньше потерь в диэлектрике. В частности, при использовании электропроводящих смазок или при окисленной поверхности электродов электрическое сопротивление приэлектродного слоя гэ должно удовлетворять соотношению

(D ^C ^tg S * .

(4.9)

При измерениях на высоких частотах индуктивность со­ единительных проводов (их длина) должна быть минимальной. При измерениях образцов небольшой емкости и при малых значениях tg 5 необходимо тщательное экранирование изме­ рительных схем и образцов для защиты от внешних помех.

При измерениях е и tg 5 материалов по двухэлектродной системе, когда электрод 3 на рис. 3.1 отсутствует, необходимо учитывать емкость краевого эффекта электродов. При измере­ ниях е и tg 5 на тонких пленках большие погрешности могут

зо