Все диэлектрики, используемые в качестве изоляторов, сохраняют свои свойства до определённых значений напряжений и токов. Кроме этого, в процессе долговременной эксплуатации происходит постепенная деградация диэлектрических характеристик. Периодический контроль параметров электроизоляции особенно важен для оборудования, работающего под высоким постоянным или переменным напряжением. Например, такие жизненно важные объекты, как трансформаторные подстанции, автотрансформаторы, генераторы, линии электропередач и высоковольтные изоляторы должны регулярно контролироваться с помощью специальных приборов. Одним из основных измеряемых параметров диэлектрических свойств является тангенс угла диэлектрических потерь tg δ.
Определение тангенса угла диэлектрических потерь
Для исследования свойств диэлектриков в качестве образцов для измерений берутся конденсаторы, в которых пространство между обкладками заполняется испытуемым диэлектриком. Идеальный конденсатор характеризуется двумя признаками:
1. При постоянном напряжении на обкладках ток утечки равен нулю вплоть до напряжения пробоя, то есть ja = 0. 2.
2. При переменном напряжении на обкладках сдвиг по фазе φ между током и напряжением равен в точности 90°.
Обкладки конденсатора под воздействием переменного напряжения поочерёдно заряжаются и разряжаются. Энергия, полученная во время заряда, возвращается обратно в сеть во время разряда. Величина ёмкостного тока, умноженная на напряжение равна ёмкостной мощности. Если бы существовал идеальный диэлектрик, то из сети потреблялась бы только ёмкостная (реактивная мощность). Но в реальных диэлектриках часть энергии электрического поля всегда необратимо преобразуется в тепло. Таким образом возникают диэлектрические потери, численно равные электрической мощности, идущей на нагрев диэлектрика, находящегося в переменном электрическом поле.
На Рис.1 представлена векторная диаграмма токов, протекающих через диэлектрик, рассеивающий часть электрической энергии в тепловую.
Здесь:
- U — напряжение на обкладках конденсатора;
- I — полный ток;
- Ia ,Ic — активная и ёмкостная компоненты полного тока;
- φ — фазовый сдвиг между приложенным напряжением и полным током;
- δ — угол между полным током I и ёмкостным Ic.
Рис.1 Векторная диаграмма токов в диэлектрике с потерями.
Из треугольника токов на Рис.1 следует, что:
tg δ = Ia / Ic (1).
То есть отношение активной компоненты тока к ёмкостной называется тангенсом угла диэлектрических потерь (ТУДП). Величина обратная ТУДП называется добротностью Q изоляции:
Q = 1/ tg δ (2).
Для идеального диэлектрика угол δ = 0, тогда и tg δ = 0. Величина ТУДП характеризует общее состояние изоляции, являясь интегральным параметром потерь. На рост активной составляющей влияют различные внутренние дефекты, наличие влаги, загрязнений и поляризационные процессы. От чего зависит ТУДП? В качестве диэлектриков могут применяться как газообразные, твердые и жидкие материалы. В зависимости от электрофизических свойств материалов различают следующие диэлектрические потери, вызывающие нагрев диэлектрика и изменение значений tg δ:
- Ионизационные потери, характерные для газов.
- Релаксационные потери в жидких диэлектриках, связанные с релаксационной поляризацией.
- Потери в веществах, обладающих дипольной поляризацией.
- Высокочастотные резонансные потери.
- Потери, связанные с неоднородностью структуры твердых, аморфных материалов.
- Потери в отдельных веществах, обладающих одновременно сквозной электропроводностью и поляризационным рассеянием.
Что такое мостовая схема
Для измерения электрического сопротивления англичанином С.Х.Кристи в 1833 г. была придумана электрическая схема, которую в 1843 г. усовершенствовал Ч.Уитстон.
Устройство получило название — мост (мостик) Уитстона. Принцип работы моста Уитстона показан на Рис.2. Имеется два плеча R-R2 и R1-R2. Здесь R — измеряемое сопротивление, R2 — известное, подобранное заранее) сопротивление, R1 — переменный резистор (реостат), регулировкой которого достигается выполнение условия равенства потенциалов в "мостике" на регистраторе V (гальванометр), то есть отсутствие тока через него:
VR/R = VR1/R1 (3).
Формула (3) — условие балансировки моста.
Рис. Принципиальная схема моста Уитстона для измерения сопротивлений.
Для измерения ёмкостей немецкий изобретатель Г.Шеринг (1880-1959) предложил аналогичное устройство, названное в его честь мостом Шеринга. Эта версия мостового устройства используется в качестве для приборов, с помощью которых измеряются величина ёмкости и tg δ. Принципиальная схема одного из вариантов такого моста, работающего при протекании переменного тока, показана на Рис. .
Рис. Принципиальная схема моста Шеринга.
Обозначения на схеме:
- CX — экспериментальный образец (ёмкость с диэлектриком, ТУДП, которого получают после измерения ёмкости).
- CN — образцовый, калиброванный образец конденсатора.
- C4 — набор (магазин) ёмкостей, служащих для балансировки моста.
- G — гальванометр (стрелочный или электронный прибор).
- R3 — переменное, подстроечное сопротивление.
- R4 — постоянное, калиброванное сопротивление.
На Фото 1 показан пример прибора на базе моста Шеринга.
Фото 1.
Формула расчёта
Мощность тока, уходящая в тепло равна произведению напряжения U на активную составляющую переменного тока IА:
P = U * I = U * I cos φ = U * IА = U * IC * tg δ (4).
Реактивная составляющая переменного тока с частотой ω вычисляется по формуле:
IC = U * ω * С (5).
Тогда мощность P равна: P = U2 * ω * С * tg δ (6). Поскольку активная мощность по закону Джоуля-Ленца равна:
P = U2 / R (7),
то из (6) и (7) следует, что:
tg δ = 1/( ω * С * R) (8).
Выражение (8) — основная формула для вычисления ТУДП. Ёмкость и сопротивление получают путем измерений с помощью приборов на основе мостовых схем.
Какие значения используют для расчёта
Для корректных расчётов ТУДП изоляционных деталей электрооборудования используются следующие значения:
- Частота переменного тока 50 Гц, соответствующая частоте в линиях электропередач. При повышении частоты ТУДП снижается.
- Расчёты производятся для комнатной температуре 20°С, что обычно соответствуют температурам измерений 10-20°С.
- Напряжения, используемые м измерительных мостах, находятся в диапазоне от 0,2*Uном до Uном через интервал 0,2 * Uном, где Uном — номинальное напряжение для испытуемого изделия. Типичный диапазон: 3,0-10,0 кВ.
Факторы, увеличивающие (ТУДП)
Основные факторы, влияющие на величину ТУДП: температура окружающей среды, частота переменного тока, напряжение электрического поля и влажность.
Температура
Повышение температуры вызывает увеличение tg δ, т.к. происходит рост проводимости, вызванный активизацией колебаний и перемещений отдельный зарядов и диполей в полярных диэлектриках.
Частота
С ростом частоты tg δ снижается, если причиной потерь является проводимость диэлектрика. В этом случае активная компонента тока не зависит от частоты, а реактивная (ёмкостная) растёт прямо пропорционально частоте, поэтому отношение IА к IС , т.е. tg δ уменьшаться с ростом частоты. Если основной причиной потерь является поляризация, то tg δ при определённой частоте будет иметь максимум с последующим спадом. В сложных диэлектриках присутствуют потери обоих типов, поэтому результат получается путём суммирования обоих типов.
Влажность
Присутствие влаги в любом виде (жидком, газообразном) вызывает существенное увеличение tg δ. Основная причина связана с тем, что увлажнение уменьшает удельное сопротивление (повышает проводимость).
Напряжение электрического поля
Если основным механизмом потерь является ионизация атомов диэлектрика, то заметное увеличение tg δ начинается с Ui — напряжения, вызывающего ионизации газового фрагмента. В случае отсутствия газовых включений tg δ не зависит от напряжения.
Заключение
Измерительный контроль значений ТУДП позволяет отслеживать состояние изоляционных свойств электрооборудования. Например, измерение tg δ трансформаторного масла, являющегося основным изолятором в силовых трансформаторах высоковольтных подстанций, позволяет избежать выхода из строя объектов энергоснабжения. Полученные значения ТУДП дают информацию о текущем качестве изоляции. Измерение ТУДП необходимо производить в соответствии с требованиями действующих стандартов на конкретные изделия (электрическая аппаратура, трансформаторы, генераторы, кабельная продукция).
Оставить комментарий: