книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

tg5* =	Q (6 i —& ) .	(4.20)
	0.\0.г{С\ ~Сг)
x	со2{C2- C iy	J

При последовательной схеме индуктивность образца должна быть близка или меньше L u а при параллельном подключении Lx>Ly. Соответственно емкость образца должна быть больше или меньше максимального значения С. В (4.19) и (4.20) С{ и Qt со­ ответствуют емкости и добротности контура. Образцовые индук­ тивности (их сопротивление равно R^) подбираются в соответствии с частотой генератора f при которой производятся измерения.

Добротность контура может быть измерена также методом вариации частоты. Если напряжение С/ 2 ПРИ резонансной частоте / 0 обозначить £/со, то при изменении частоты / на­ пряжение Uc снижается. Можно показать, что когда отношение

Uc/UCo = l / V i добротность вычисляется		по	формуле
	<2=/O/ ( / 2 - / I ),		(4.21)
где / 2 и	— значения частот справа и	слева	от резонансной
частоты	при и с/ UCo= 1j-Jl.

Технические характеристики куметров приведены в табл. 4.3.

	Т а б л и ц а 4.3.	Характеристики	куметров
Тип	Пределы изме­	Погрешность	Диапазон частот, Гц
прибора	рения емкости,	измерения,
	пФ	%
Е4-7	2 5 -4 5 0	1 - 2	50 103 —35-106
Е4-5А	10 -100	1 - 2	(15-250) 10*
Е4-10	80-110000	1 - 2	(1 —100) 103

Длина соединительных проводов при частотах более 1 МГц не должна превышать 5— 10 см, а при частоте более 10 МГц— 1—5 см.

Погрешность измерения tg 5 при значениях 0,1—0,001 находится в пределах 10%. При малых значениях tgS погреш­ ность измерений резко возрастает. В этом случае добротности 61 и Qi близки по значению и относительная погрешность разности QI ~ Q 2 в (4.20) будет очень большой. Для уменьшения погрешности емкость Сх должна быть близка к верхнему пределу измерений и соответственно должны быть подобраны частота и L v При tg 5> 0,1 расчетные формулы (4.19) и (4.20) становятся менее точными и затруднена регистрация резонанса.

41

2 d

	/ 2
		1
Рис. 4.13.	Расположение	диэлектрика	Рис. 4.14. К оаксиальны й	резонатор:
в	измерительной	линии:	1— образец; 2— корпус	резонатора

1— образец; 2— измерительная лииия

Измерения диэлектрической проницаемости и tg5 матери­ алов при частотах более 300 МГц производятся с применением объемных резонаторов. В этих методах используется сложная аппаратура, подробнее изложенная в § 7.5. Методы измерений на СВЧ можно условно разделить на следующие группы:

метод	коаксиальной измерительной			линии (0,5— 5 гГц), вол­
новодный метод (8—25 гГц).
Использование		измерительных коаксиальных волноводных
линий (см. § 7.5) для измерения			tg 5 и е основано		на анализе
стоячей	волны в	линии при отсутствии в ней			диэлектрика
и при	частичном	заполнении	ее	диэлектриком	(рис. 4.13).

Определив с помощью измерительной линии координаты минимума и коэффициент стоячей волны в обоих случаях, можно рассчитать tg 5 и е диэлектрика. Этот метод позволяет измерять характеристики диэлектрика во всем диапазоне СВЧ. Погрешности при этом методе измерений при е=2ч-3

и tg5= 1 • 10- 3ч-5• 10“ 4 составляют					1,5—2 и	30—40%	соот­
ветственно [5,		7,	9, 19].
В резонаторном методе используют коаксиальные резона­
торы	(рис. 4.14),		цилиндрические	резонаторы		с волной	типа
Е010	(рис. 4.15)	и	резонаторы с	волной типа		Н 01 (рис. 4.16).
В диапазоне		частот 0,3— 1 гГц			применяется коаксиальный

резонатор, в котором образец имеет форму диска. При этом

должно выполняться	условие		/г^Д ^/е,. Погрешность измере­
ний 1—2% по ег и	до	10%	по tg 5.
В диапазоне частот		1,5— ЮгГц		применяется цилиндричес­
кий резонатор с волной типа			Е010.	При условии а<^Ь поле

в образце будет близко к однородному. Образец имеет форму цилиндра со строгим совпадением оси образца и резонатора. В верхнем диапазоне частот это требование трудно выполнимо, так как диаметр образца становится очень малым. Погреш­ ность измерений 1—2% по ег и 10— 20% по tg 8.

42

Рис. 4.15. Цилиндрический резонатор:	Рис. 4.16.	Резонатор	с волной	Я 10:
1— образец; 2 — корпус резонатора	I — образец;	2 — корпус	резонатора;	3—
		поршень

В этих методах определяется резонансная частота и до­ бротность резонаторов при наличии и отсутствии образца диэлектрика. По этим данным рассчитывается sr и tg5.

Объемный резонатор с волной типа Н01 может иметь очень высокую добротность (до 30000), что позволяет измерять тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрика, равный (3—5)*10-4 при частотах 10—30 ГГц. В этом методе длина резонатора может изменяться с помощью подвижного поршня. При этом производится измерение на заданной частоте ре­ зонансной длины / и добротности пустого резонатора и ре­ зонатора с диэлектриком. Погрешности измерений не превыша­ ют 0,7% по £г и 20% по tg5 [5].

Г Л А В А ПЯТАЯ

ИСПЫТАНИЯ ПОВЫШЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ

5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ

ИСПЫТАНИЙ

Испытания напряжением проводятся:

при переменном напряжении (большинство испытаний); при импульсном напряжении (кабели высокого напряжения

и специальные импульсные кабели);

43

при постоянном напряжении (кабели постоянного напряже­ ния, профилактические испытания кабельных линий).

Испытания можно разделить на следующие группы: пробой сравнительно коротких образцов при различном

времени выдержки под напряжением; кратковременные испытания высоким напряжением (стро­

ительные длины, время до 24 ч); длительные испытания при повышенном напряжении (ис­

пытание силовых кабелей на стабильность).

Напряжение прикладывается между жилой и заземленной металлической оболочкой или заземленным экраном (метал­ лическая лента, фольга, металлизированная лента). В много­ жильных кабелях напряжение прикладывается также между жилами, При отсутствии таких оболочек и экранов наружный электрод должен быть создан специально. Это может быть

намотка	из фольги.	Иногда кабель	или провод	погружают
в воду,	напряжение	прикладывается	между жилой	и водой.

В аппаратах сухого испытания провод пропускают через ванну с металлическими шариками или охватывающими провод

электродами		в	виде	пружин.
Пробой эмалированных проводов производится при при­
ложении	напряжения между двумя					скрученными				проводами,
а для тонких			проводов— между		проводами			и металлическим
			цилиндром, на который навит этот провод.
			Длина провода, число скруток, натяжение
			регламентируется			ГОСТ		на	соответству­
			ющие провода.							[1 ] образцы
				При испытании материалов
			изготовляют		в	виде	пластин			толщиной
			0,5— 2 мм. Нижний электрод						выполняется
			в виде плоской полированной металличес­
			кой пластины, а верхний— в виде цилиндра
			с закругленными краями. Диаметр электро­
			дов и их форма оговариваются в стандартах
				на соответствующие испытания. Для предот­
				вращения перекрытия по воздуху и умень­
				шения влияния краевого эффекта электроды
				с образцом могут погружаться в электроизо­
				ляционную жидкость (минеральное масло).
				При высоком напряжении между жилой
				и оболочкой может произойти перекрытие
				по воздуху, а также сказывается влияние
				искажения характера распределения напря­
				женности электрического поля на пробой
устройство	при	испы­		изоляции. Поэтому при				таких		испытаниях
таниях кабеля на			на­	на концах образцов необходимо устанав­
пряжение	110 кВ			ливать специальные			концевые			муфты.

44

Пример конструкции муфты для испытаний строительных длин кабелей на напряжение 110 кВ показан на рис. 5.1 [3]. Свинцовая оболочка 7 и экран из полупроводящих или металлизированных лент обрезаются. На основную изоляцию 2 наматывается дополнительная изоляция 3 из пропитанных маслом бумажных лент. Поверх дополнительной изоляции наматывается экранирующий выравнивающий конус 4 из проволоки, который соединяется с 7. Для выравнивания электрического поля служит металлический экран 5. Вся конструкция крепится к опорной плите 6, а напряжение подводится к жиле 1.

При изготовлении электродов и концевых муфт необходимо следить за тем, чтобы около них не появлялись газовые включения, что приводит к возникновению частичных разрядов

иискажению результатов испытаний.

5.2.ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ ПЕРЕМЕННЫМ

ИПОСТОЯННЫМ НАПРЯЖЕНИЯМИ

Типовая электрическая схема испытаний напряжением по­ казана на рис. 5.2. На первичную обмотку повышающего трансформатора 7\ подают регулируемое напряжение Ux. При этом на образце Сх будет напряжение U2, которое вычисляется по приближенной формуле

U2* k U u

(5.1)

где k= w 2/wi ; w1 и w2— число витков в первичной и вторичной обмотках.

Для безопасности персонала вспомогательный контакт К8 установлен в двери, которая открывает доступ в испытательную зону высокого напряжения. При открывании двери К8 раз­ мыкается. Если выключатель S 1 замкнут, то загорается лампа Hi, что свидетельствует о том, что установка готова к работе. При нажатии кнопки пуск К4 через обмотку магнитного пускателя К7 идет ток и контакты К2 замыкаются, при этом

45

кнопка К4 будет блокирована. Напряжение будет подано на регулировочный трансформатор Т2 и Т1. При этом загорится лампа # 2, что свидетельствует о том, что на установке появилось высокое напряжение (часто дополнительно на лампе

# 2 высвечивается табло «Высокое напряжение»).

При пробое образца по обмоткам Т2 идет значительный ток, обмотка реле максимального тока Кб размыкает контакты К1 и К5. Для повторного включения установки при этом необходимо снова нажать кнопку К4. При этом предварительно необходимо снизить напряжение Ui с помощью Т2 до нуля. Для выключения установки необходимо нажать кнопку КЗ, установка отключается также при размыкании К8.

Рассмотренная схема гарантирует от поражения человека высоким напряжением при выполнении следующих несложных правил:

1. Если кто-либо из операторов находится в зоне высокого напряжения, то дверь установки должна быть открыта (К8 выключен).

2. Если в зоне высокого напряжения имеется не одна дверь, то на каждой должны быть вывешены табло с пред­

упреждением, что	идут испытания	высоким	напряжением.
3. Недопустимо проникать руками или с			помощью посто­
ронних предметов	в зону высокого	напряжения.

4.При проведении монтажных работ в зоне высокого напряжения необходимо выключить S x. Если лампы H t и Н 2 не загораются при соответствующих переключениях, то работу следует прекратить и исправность установки должна быть проверена квалифицированным сотрудником.

5.Установка должна быть оборудована резиновыми ков­ риками и другим предупредительным инвентарем. К работе на установке допускаются сотрудники, сдавшие экзамен на соответствующую квалификацию.

Мощность оборудования испытательной установки опреде­ ляется емкостью образцов. При испытании коротких образцов на пробой необходимо наиболее высокое напряжение, но емкость образцов при этом обычно невелика. При испытаниях строительных длин силовых кабелей напряжением емкость может достигать 0,1 мкФ или более, при этом ток и реактивная мощность в образце

1Х—С/оС; Рх= и 2ъ С х.

(5.2)

Например, для кабелей на напряжение 110 кВ испытательное напряжение составляет 159 кВ. Тогда при Сх=0,1 мкФ мощ­ ность установки составит 800 кВ • А. При такой большой мощности затруднено плавное и точное регулирование напряже­ ния. Для снижения мощности регуляторов применяется ин­ дуктивная компенсация емкостного тока в образце. Пример

46

Рис. 5.3. Принципиальная схема компенсации реактивной мощ­ ности

такой компенсации показан на рис. 5.3. Трансформатор 77 служит для получения испытательного напряжения, а Т2— для компенсации емкостных токов. Индуктивность 77 со стороны обмотки высокого напряжения w4

		L4 =*L(w4/w3) 2.				(5.3)
Подключая набор индуктивностей L, можно добиться
приближенной компенсации			токов при	условии
		<DL4 = 1/(юСх).				(5.4)
Тогда	полная мощность		трансформатора		Тл может быть
в пределе	уменьшена	до P = U 2(aCx/Q		(Q— добротность		ре­
зонансного контура),		т. е.	в десятки	раз.	Настолько	же

снижается мощность регулировочного трансформатора Тъ. Однако реактивная мощность Т2 и индуктивности L остаются прежними и Рх вычисляется по (5.2). Таким образом, главное преимущество такой системы состоит в уменьшении мощности Т3 и мощности, потребляемой установкой из сети.

Если в системе рис. 5.3 применяется два или три одинаковых трансформатора Гь то их обмотки высокого напряжения могут быть соединены последовательно (см. рис. 5.8). Тогда такая установка может быть использована для испытания

коротких образцов	кабеля	на пробой.
В установках	малой	мощности в качестве регулятора

напряжения используется реостат, включенный по схеме потен­ циометра. При мощности до 5— 10 кВ-А — автотрансформа­ торы. При мощности 25 кВ • А и более применяются регуляторы с подвижной короткозамкнутой катушкой.

Для получения плавной регулировки, и также напряжения повышенной частоты с формой кривой, близкой к синусоиде, применяются отдельные генераторы переменного напряжения, вращаемые синхронными двигателями. Плавно регулируя ток возбуждения в обмотках генератора при небольшой мощности, можно плавно управлять напряжением генератора при большой мощности.

Следует учитывать, что установки, предназначенные для испытаний при высоком напряжении, мало пригодны для испытаний при сравнительно небольшом напряжении. Так, регулировка напряжения в начале диапазона не будет плавной. Каждый трансформатор имеет характеристику, называемую

47

напряжением короткого замыкания £/к. Это напряжение, при котором в первичной обмотке течет номинальный ток / ном, если вторичная обмотка замкнута. Если образец будет пробит при низком напряжении или вообще замкнут накоротко, а реле максимального тока настроено на /ном, то установка отключа­ ется только при напряжении на первичной обмотке U ^ U K. При измерении напряжения на первичной обмотке оператор

вычислит напряжение	пробоя	по (5.1): Unp — kUK. Например,
для трансформатора малой мощности £/к^0,05			£/ном. Допустим,
к= 100, UH0M= 10 кВ.	Тогда	UnpkUK= 500 В,	что не будет

соответствовать действительности. В таких случаях напряжение необходимо измерять непосредственно на образце (на вторич­ ной обмотке трансформатора).

Для ограничения тока короткого замыкания в цепи включа­ ется защитное сопротивление R (см. рис. 5.2). На этом сопротивлении при существенной емкости образца может происходить заметное падение напряжения. Погрешность АС/, вносимая этим сопротивлением, при измерении напряжения на первичной обмотке составляет при постоянном напряжении

AU/U=R/RX} а при переменном ^ ^ « 0 ,5 R($CX.

При настройке реле на ток меньше /ном установка при высоком напряжении может отключиться вследствие значитель­ ного емкостного тока в образце, который еще не будет пробит.

При испытаниях постоянным напряжением используются схемы выпрямления с кремниевыми или селеновыми вы­ прямителями. Управление напряжением производится ана­ логично схеме рис. 5.2. Для получения очень высоких на­ пряжений используются каскадные схемы многократного ум­ ножения напряжения. После испытаний постоянным напря­ жением емкость образца необходимо разрядить специальным разрядником.

Испытанные образцы проявляют себя как емкости, их постоянная саморазряда для диэлектриков всегда превышает 0,1 с. При этом напряжение на конденсаторе Сх соответствует амплитудному значению переменного напряжения с автома­ тической фильтрацией переменной составляющей. В некоторых случаях необходимо подключение дополнительной емкости параллельно Сх для улучшения фильтрации (если ЛС*<0,01 с).

Кабельные линии в процессе эксплуатации периодически подвергаются профилактическим испытаниям повышенным по­ стоянным напряжением, которое в пять-семь раз выше но­ минального. При постоянном напряжении интенсивность ча­ стичных разрядов невелика и в процессе испытаний изоляция не подвергается дополнительному разрушению. Мощность установки постоянного напряжения невелика, и ее удобно

48

использовать на кабельных линиях. Испытательная установка переменного напряжения в этих условиях должна иметь очень большую мощность.

При испытаниях образцов со значительной емкостью по­ грешность измерения напряжения на первичной обмотке с ис­ пользованием формулы (5.1) может достигать bU ^IxUJ 1пом. В этом случае более точно можно измерить напряжение на вто­ ричной обмотке трансформатора или непосредственно на образ­ це (если имеется защитное сопротивление R — см. рис. 5.2).

Непосредственное подключение вольтметра возможно толь­ ко при напряжении до нескольких киловольт. При переменном и постоянном напряжении до 100 кВ применяются электро­ статические киловольтметры [27].

Наиболее точно переменное напряжение может быть измере­ но с применением измерительного трансформатора напряжения.

Если вторичная обмотка трансформатора w2 имеет отводы, то к ним может быть подключен вольтметр. При этом относительное падение напряжения вследствие протекания тока

на	всей вторичной обмотке и	на ее части будет одинаковой
и	напряжение вычисляется по	формуле U2 = U5w2/w5.
	В современных установках для измерения высокого перемен­

ного напряжения применяются емкостные делители напряжения. К выводу высокого напряжения (рис. 5.4). подключается кон­ денсатор Ci небольшой емкости, рассчитанный на работу при наивысшем рабочем напряжении установки. Напряжение на конденсаторе С2 равно U2 = U1C1l(Cl + C2). Это напряжение выпрямляется, и на конденсаторе С3 измеряется напряжение, равное амплитудному значению напряжения.

В некоторых случаях на результаты испытаний может влиять чувствительность и время срабатывания реле мак­ симального тока. Особенно это относится к испытаниям образцов очень малого размера, в состав которых входят газовые промежутки. При этом для предотвращения порчи электродов при пробое или перегорания тонких проводов ток срабатывания реле может составлять десятки или единицы миллиампер, время срабатывания также очень мало.

Такие условия создаются, например, при испытаниях на пробой тонких эмалированных проводов, когда напряжение подводится между проводом и металлическим цилиндром.

Рис. 5.4. И змерение амплитуды на­ пряжения с применением емкост­ ного делителя напряжения

4 Заказ 1841

49

При повышении напряжения сначала пробивается воздушный слой между изоляцией и цилиндром, тогда как слой изоляции может быть еще целым. Происходит частичный разряд, кото­ рый создает импульс тока, что приводит к срабатыванию реле и отключению установки. Напряжение, при котором отключает­ ся установка, будет принято за пробивное напряжение изоляции провода, которая на самом деле еще не будет пробита. Для предотвращения такого несоответствия ток срабатывания мак­ симального реле должен быть не менее нескольких десятков

миллиампер	и регламентирован	в технических	условиях.
В ряде	случаев применяется	непрерывное	испытание на­

пряжением на проход. Так, в стандартах на эмалированные провода малых диаметров (менее 0,35 мм) оговорено определе­ ние числа точечных повреждений на определенной длине

(обычно	15 м). Провод пропускается			через фетровые	обжимы,
на длине	20 мм	смоченные	водой.	Напряжение на	влажном
контакте	обычно	составляет	60 В.	Длина контакта 20 мм.

Скорость движения провода 22—25 м/мин. Время срабатывания счетчика точечных повреждений должно быть меньше времени прохождения повреждения через контакт.

Электрическое сопротивление повреждения, при котором срабатывает счетчик, составляет 250 кОм.

Провода с резиновой изоляцией испытываются повышенным напряжением непрерывно по всей длине с помощью аппаратов сухого испытания (АСИ). Такие аппараты устанавливаются непосредственно на изолирующей установке. Для повышения безопасности испытания производят при повышенных частотах (20 кГц) с помощью установок ЗАСИ (звуковые АСИ) или при часто повторяющихся кратковременных импульсах с по­ мощью ИАСИ (импульсные АСИ).

5.3. ИСПЫТАНИЯ ИМПУЛЬСАМИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Кабели высокого напряжения испытывают апериодическими импульсами, форма которых показана на рис. 5.5 [28]. Стан­ дартный грозовой импульс имеет длительность фронта тф=1,2мкс и длительность импульса ти = 50мкс. Допускается применять стандартный импульс с наложенными на него колебаниями и единичными выбросами напряжения при усло­ вии, что наибольшие отклонения напряжения от средней кривой не превышают вблизи ее максимума 5% от этого значения, а период наложенных колебаний не превышает 2 мкс.

У срезанного грозового импульса после момента среза напряжение быстро падает до нуля. Срез может происходить на фронте, при амплитудном значении и на спаде импульса.

По требованиям МЭК (Публикация 60-3, 1976 г.) амп­ литудное значение полного импульса и импульса, срезанного

50