- •ПО ЭЛЕМЕНТАМ ИЗОЛЯЦИОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
- •1.1. Предварительные сведения
- •1.2. Задание на предварительную подготовку
- •1.3. Задание на измерения
- •1.4. Контрольные вопросы
- •1.5. Схема испытательной установки
- •1.6. Подготовка к работе, порядок работы
- •2.1. Предварительные сведения
- •2.2. Задание на измерения
- •2.3. Контрольные вопросы
- •2.4. Схема измерительной установки
- •2.5. Подготовка к работе, порядок работы
- •НА ПЕРЕМЕННОМ НАПРЯЖЕНИИ
- •3.1. Предварительные сведения
- •3.2. Задание на измерение
- •3.3. Контрольные вопросы
- •3.4. Схема испытательной установки
- •3.5. Подготовка к работе, порядок работы
- •НА ЯВЛЕНИИ АБСОРБАЦИИ ЗАРЯДОВ
- •4.1. Предварительные сведения
- •4.2. Задание на предварительную подготовку
- •4.3. Задание на измерения
- •4.4. Контрольные вопросы
- •4.5. Схема испытательной установки
- •4.6. Подготовка к работе, порядок работы
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 1
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 2
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 3
- •ПРИЛОЖЕНИЕ 4
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
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