13

2. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2 ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ИЗОЛЯЦИИ КОНТРОЛЬ ИЗОЛЯЦИИ ПО ТАНГЕНСУ УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

2.1. Предварительные сведения

Поляризация диэлектриков. В результате воздействия внешнего поля на диэлектрик в нем создается особое напряженное состояние, именуемое электрической поляризацией. Различают несколько видов поляризации:

электронная – возникновение несимметричности атомов под воздействием электрического поля. Подобная поляризация возможна и для молекул;

дипольная – приобретение, по направлению внешнего поля, составляющего момента у дипольных молекул;

внутрислоевая – накопление (абсорбция) зарядов в пограничных слоях, имеющих отличающиеся проводимости и диэлектрические проницаемости.

Степень поляризации емкости оценивается по разности заряда такой же емкости но при наличии вакуума вместо диэлектрика между обкладками.

Процессы поляризации в диэлектриках совершаются в течение некоторого конечного времени, а при приложении переменного тока повторяются каждый полупериод.

Внутрислоевая поляризация – это медленный процесс, соизмеримый по времени с частотой переменного тока 50 Гц или превышающий его, если изоляция сухая. При сильном увлажнении диэлектрика постоянная времени внутри слоевой поляризации резко уменьшается. Следовательно, исследование абсорбции в какой-то мере может характеризовать состояние изоляции. При медленной поляризации энергия поляризации возвращается источнику питания не полностью, и часть ее рассеивается в виде тепла. Помимо указанных затрат энергии, возможны дополнительные потери, если возник ток сквозной проводимости. Отражая описанные явления, можно составить электрическую схему замещения диэлектрика (рис. 2.1).

Все потери в диэлектрике, рассеиваемые при приложении к нему переменного напряжения, называются диэлектрическими потерями. Обычно потери от проходящих через диэлектрик токов сквозной проводимости по сравнению с потерями на поляризацию малы и имеют значение лишь при весьма большом увлажнении или больших положительных температурах. Векторная диаграмма токов, проходящих через диэлектрик при приложении переменного напряжения, представлена на рис. 2.2.

14

			С абс	C/
U	C∞			C//	S
		R1
			R2	R

Рис. 2.1. Схема замещения диэлектрика

С∞- геометрическая емкость (емкость вакуума и мгновенной поляризации); R1 – сопротивление сквозной проводимости; Cабс и R2 – цепочка абсорбирующей

составляющей и потерь диэлектрика; C′,C′′, R – цепочка, в которой возможны потери

из-за ионизации при наличии искрового промежутка S.

Как видно из диаграммы, диэлектрические потери обуславливают наличие активной составляющей токов Ià = Iïð + Iàâñ R , в силу чего сдвиг фаз между

напряжением U и током Iх отличается от 90° на угол δ, называемый углом

диэлектрических потерь. Чем больше угол δ, тем больше энергия рассеивания и, следовательно, диэлектрик менее качествен, а это может вызвать в свою очередь перегревы.

Полные потери в диэлектрике составляют:

P =UIà =UIC tgδ = ωCõU 2tgδ,

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику; Cх – емкость объекта; IC – реактивная составляющая (I∞ + Iàáñ C ).

Исходя из этих соотношений и векторной диаграммы, состояние изоляции можно характеризовать величиной tgδ = Ià IÑ .

В практике измерений, чтобы не оперировать малыми цифрами, абсолютное значение tgδ в основном принято выражать в процентах:

tg δ % = 100tg δ.

15

I к	U
I пр
I абс	ϕ
I абс R	δ
I абс C	I ∞

Рис. 2.2. Векторная диаграмма токов, проходящих через диэлектрик при приложении переменного напряжения

I∞ - ток, обусловленный мгновенной поляризацией; Iабс – ток абсорбционной составляющей (замедленной поляризации); Iпр – ток сквозной проводимости.

Из рассмотрения эквивалентной схемы можно сделать ряд выводов:

−при увлажнении диэлектрика или нагреве его сопротивления R1 и R2 уменьшаются и, следовательно, tgδ возрастает;

−все измерения необходимо выполнять при определенной установленной частоте переменного тока;

−угол диэлектрических потерь почти не зависит от геометрических размеров однородного диэлектрика в силу пропорциональности изменения активной и реактивной составляющих токов;

−местный, а также сосредоточенный дефекты ухудшения диэлектрика, например при увлажнении, могут быть не выявлены при измерении tgδ, так как токи, определяемые дефектом, могут оказаться значительно меньшими токов емкости в целом;

−по мере увеличения приложенного напряжения к диэлектрику отмечается весьма незначительное изменение tgδ. Лишь, после того как возникает ионизация во включениях диэлектрика, вызывающая дополнительные потери, tgδ будет резко возрастать;

−при отрицательных температурах, когда влага в диэлектрике переходит в твердое состояние, состояние изоляции по потерям трудно распознаваемо.

При эксплуатационных измерениях угла диэлектрических потерь одновременно измеряется и емкость, которая также в известных пределах может

16

служить показателем состояния диэлектрика. При значительном увлажнении диэлектрика изменяется характер релаксационного процесса и, следовательно, по емкости, возможно судить о состоянии изоляции. Так, измеряя емкость, устанавливается объемное увлажнение или загрязнение, при котором изменяется диэлектрическая постоянная и, следовательно, значение емкости, старение материала.

Значение tgδ изоляции может быть измерено с помощью моста переменного тока, схема которого показана на рис. 2.3.

С х С N

≈U UP

R 4

R 3 C 4

Рис. 2.3. Принципиальная схема моста переменного тока для измерения емкости и tgδ изоляции

Из условия равновесия моста следует, что:

Ñõ = CN R4 R3 и tg δ = ωR4C4 ,

(3)

где Cх и CN – емкости соответственно испытуемой изоляции и эталонного конденсатора.

В мостах для измерения tgδ при частоте 50 Гц сопротивление R4 принимает-

ся равным 104π, или 3184 Ом, поэтому tgδ = ωR4C4 =106C4 . Таким о бразом, tgδ численно равно емкости C4 , выраженной в микрофарадах. В связи с этим шкалы ручек (курбелей) емкости C4 снабжают делениями, непосредственно

указывающими значение измеряемого tgδ, %.

Благодаря относительной простоте измерения tgδ и сильной зависимости tgδ от количества загрязнения в изоляции контроль изоляции оборудования высоко-

17

го напряжения по значению tgδ стал одним из основных и самых распространенных методов проверки состояния изоляции на заводах – изготовителях и в энергосистемах.

Измерения tgδ изоляции при профилактических испытаниях обычно выполняют при напряжении 10 кВ независимо от номинального напряжения оборудо-

вания, если Uном ≥10 кВ. О состоянии изоляции судят по абсолютному значе-

нию tgδ.

Для изоляции электрооборудования высокого напряжения нормируются предельные допустимые значения tgδ. Поскольку tgδ зависит от температуры изоляции, эти нормы задаются для определенной температуры.

При испытаниях изоляции в лабораториях, имеющих стационарные источники высокого напряжения, определяют зависимость tgδ = f (U ) в интервале

(0,5 −1,5)Uраб (ранее эту зависимость называли кривой ионизации).

У изоляции нормального качества tg δ в указанном интервале практически не зависит от напряжения (рис. 2.4, кривая 1). Если же, начиная с некоторого

напряжения Uч.р., наблюдается значительный рост tg δ (рис. 2.4, кривая 2), то

это означает появление в изоляции частичных разрядов, сопровождающихся рассеянием дополнительной энергии. Частичные разряды, например, в газовых включениях, могут постепенно разрушить изоляцию до полного пробоя. Поэтому изоляция пригодна для дальнейшей эксплуатации только при условии

U÷.ð. >Uðàá.

2

tqδ

1

U

U ч.р.

Рис. 2.4. Характерные зависимости tgδ = f (U )

1 – в изоляции частичные разряды отсутствуют; 2 – в изоляции возникают частичные разряды при напряжении U ≥Uч.р.

18

Оценка напряжения Uч.р. по зависимости tgδ = f (U ) является приближен-

ной. Для точного определения используют специальные измерительные установки, непосредственно измеряющие уровень частичных разрядов.

Для измерения tgδ в условиях эксплуатации используются переносные мосты, которые позволяют проводить измерения как по «нормальной» схеме (рис. 2.5,а), когда оба электрода испытуемой изоляции могут быть изолированы от земли, так и по перевернутой схеме (рис. 2.5,б), когда один из электродов заземлен. В «перевернутой» схеме измерительная часть моста ( R3,C4

индикатор равновесия ИР и т. д.) находятся под высоким потенциалом.

Для обеспечения безопасных условий работы в переносных мостах предусмотрена изоляция ручек (курбелей) регулируемых элементов (R3,C4 )

и общий заземленный кожух, закрывающий те части моста, которые могут находиться под высоким напряжением (не более 10 кВ). На случай пробоя испытуемой изоляции в мостах устанавливаются защитные разрядники Р, которые, срабатывая, защищают элементы моста от токов короткого замыкания.

В качестве источников напряжения для мостов используют трансформаторы высокого напряжения Тр, например трансформаторы типа НОМ-10.

Мосты для измерения tgδ обладают высокой чувствительностью, поэтому на их работу могут сильно влиять внешние электрические и магнитные поля. Чтобы ограничить до минимума это влияние все элементы мостов, включая эталонный конденсатор, тщательно экранируют.

Тр

С х	С N		C х	С N	Тр
UP				UP
R 4				R 4
R 3		Р		R 3
P	C 4		Р	C 4	Р
Э				Э
К	а)		К
				б)

Рис. 2.5. Схемы мостов для измерения tgδ изоляции

а – «нормальная» или прямая схема; б – «перевернутая» схема