Измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь / коэффициента мощности
Состояние изоляции — очень важный фактор для обеспечения безопасной и надежной работы трансформатора. Измерение емкости и тангенса угла диэлектрических потерь / коэффициента мощности позволяет определять состояние изоляции высоковольтных вводов или между обмотками.
Изменение значения емкости может, например, указывать на механическое смещение обмоток или частичный пробой в высоковольтных вводах. Старение и разрушение изоляции вместе с воздействием влаги увеличивает потери энергии, которая рассеивается в электроизоляционном материале в форме теплоты. Интенсивность этих потерь измеряется в виде тангенса угла диэлектрических потерь.
Благодаря нашим испытательным системам можно даже определять емкость и тангенс угла диэлектрических потерь / коэффициент мощности на изменяющейся частоте. Следовательно, можно раньше обнаружить явления старения, а также инициировать соответствующие действия, например, ремонт, обработку масла или просушивание.
Эксперт рекомендует
TESTRANO 600 + CP TD12/15 + PTM
TESTRANO 600 + CP TD12/15 — первая в мире портативная трехфазная испытательная система, которая позволяет проводить все стандартные электрические испытания одно- и трехфазных силовых и распределительных трансформаторов.
Системой можно управлять с помощью TESTRANO TouchControl на встроенном дисплее либо с помощью ПО Primary Testing ManagerTM на ноутбуке. Благодаря гибкости управления система отлично подходит для проведения плановых и диагностических проверок на месте эксплуатации, а также заводских приемочных испытаний (FAT).
Метод измерения угла диэлектрических потерь силовых трансформаторов
Для измерения угла диэлектрических потерь (tg δ) к изоляции прикладывают переменное напряжение. При этом в изоляции возникают потери энергии, получившие название диэлектрических. Диэлектрические потери зависят от размеров и состояния изоляции и приложенного напряжения.
На рисунке 1 показана векторная диаграмма токов, проходящих через изоляцию при приложении к ней переменного напряжения, построенная для схемы замещения изоляции.
Рисунок 1 — Векторная диаграмма токов через неоднородный диэлектрик
Потери в схеме определяют по формуле:
P=IUcosφ=IcUtgδ,
где tg δ — соотношение активной и емкостной составляющих тока, возникающего в изоляции.
Увлажнение и другие дефекты изоляции вызывают увеличение активной составляющей тока Ia, причем она растет во много раз быстрее, чем емкостная составляющая Ic. Это приводит к увеличению угла δ и соответственно tg δ. Таким образом, по значению tg δ можно судить о степени ухудшения изоляции.
В отличие от диэлектрических потерь, характеризующих как состояние, так и геометрические размеры изоляции, tg δ является показателем только состояния изоляции.
Для изоляции силовых трансформаторов tg δ обычно не превышает сотых и тысячных долей единицы, поэтому в практике значение tg δ выражают в процентах:
tg δ =(Ia/Ic)*100.
Например, при отношении Ia/Ic=0,003 tg δ =0,003 x 100=0,3%.
Для оценки состояния трансформаторов tg δ изоляции обмоток измеряют при напряжении, составляющем не более 2/3 испытательного напряжения обмотки, но не более 10 кВ. В связи с высокими значениями прикладываемого к изоляции напряжения измерение tg δ необходимо проводить после оценки значений сопротивления изоляции.
Для измерения tg δ применяют мосты переменного тока типов Р-5026, Р-525, Р-595, МД-16, технические данных которых приведены в таблице 1.
Таблица 1 — Технические данные мостов переменного тока
Абсолютная ∆ и относительная δ погрешности при измерении tg δ
Измерение производят по перевернутой схеме моста, которую применяют при наличии одного заземленного электрода (бак трансформатора). Принципиальная схема моста переменного тока (перевернутая) показана на рисунке 2.
Т — испытательный трансформатор; Сх — испытуемый объект; СN — образцовый конденсатор высокого напряжения; Г — гальванометр; R3 — переменное сопротивление; R4 — постоянное сопротивление; С6 — магазин емкостей; Э — экран; Р — разрядник
Рисунок 2 — Принципиальная схема моста переменного тока (перевернутая).
Результаты измерения tg δ могут быть искажены внешними токами утечки, протекающими по изоляции вводов трансформатора, и токами, наведенными находящимися в работе электроустановками. Для исключения этих влияний осуществляются экранирование измерительного устройства и проводов, протирка вводов или применение охранных колец.
Оценку полученных результатов измерения tg δ изоляции обмоток производят так же, как и результатов измерения сопротивления изоляции обмоток, путем сравнения их с такими же измерениями, проведенными при изготовлении трансформатора или для трансформаторов на напряжение до 35 кВ по допустимым предельным значениям.
Значения tg δ изоляции обмоток трансформатора, измеренных при температуре заводского измерения или приведенных к этой температуре, должны быть не более 130% значений, указанных в паспорте трансформатора. При сравнении tg δ с предельным значением полученные значения tg δ изоляции обмоток трансформаторов напряжением 35 кВ должны быть не более значений, указанных в таблице 2.
Таблица 2 — Наибольшие допустимые значения tg δ изоляции обмоток трансформаторов на напряжение до 35 кВ включительно, залитых маслом
Значения tg δ, %, при температуре, °С
TD Измерители тангенса угла диэлектрических потерь
Для чего нужно проводить измерение тангенса диэлектрических потерь.
Значение tg δ (угла диэлектрических потерь), является показателем потерь в изоляции и характеризует её общее состояние. Если предположить, что изоляция изготовлена из идеального диэлектрика, то в ней должно быть потерь и при подаче рабочего переменного напряжения она не потребляет активной мощности.
При подаче переменного напряжения к такой идеальной изоляции происходят повторяющиеся циклы заряда и разряда и в цепи появляется переменный емкостный ток. При этом вся энергия, полученная изоляцией за время положительной полу-волны, компенсируется во время отрицательной полу-волны.
Однако, на практике идеальных диэлектриков не бывает. В реальной изоляции всегда имеется потеря энергии, поэтому при приложении к ней напряжения из сети потребляется не только реактивная, но и активная мощность, обусловленная потреблением энергии изоляцией. Отношение активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности и называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Так как активная мощность, потребляемая изоляцией, значительно меньше реактивной и отношение их обычно измеряется сотыми долями, то удобнее тангенс угла диэлектрических потерь выражать в процентах.
Потребление энергии изоляцией вызывается разными причинами. Во многих твердых диэлектриках под воздействием приложенного переменного напряжения происходят колебания частиц, имеющих электрические заряды (атомов, молекул), что сопровождается затратой энергии. Кроме того, все диэлектрики в какой-то степени проводят ток не только путем заряда и разряда, а непосредственно протеканием тока проводимости и так же, как и в проводниках это сопряжено с потерями.
Благодаря этим свойствам величины тангенса угла диэлектрических потерь измерение его широко применяется для контроля качества изоляции. Измеряя величину tg δ можно вынести правильное суждение о состоянии изоляции, тем самым заблаговременно осуществить ремонт или замены кабельных линий и избежать аварий и больших затрат на локализацию мест повреждений.
Кроме всего, измерение tg δ это диагностический метод контроля качества изоляции, а не испытательный, что более благоприятно сказывается на долговечности изоляции, т.к. она не подвергается испытаниям большими напряжениями.
Таким образом регулярное измерение величины tg δ позволяет добиться двух очень важных результатов:
— Сделать заблаговременный и правильный вывод о состоянии изоляции, предусмотрительно осуществив ремонт или замену кабеля;
— Измерение tg δ является методом неразрушающего контроля качества изоляции, что значительно продлевает срок службы кабельных линий и благоприятно сказывается на сроке службы изоляции.
Профессионально измерить tg δ вам поможет высокотехнологичное оборудование австрийской компании b2hv серии TD.
Выбор модуля измерения tg δ серии TD.
Установки b2hv могут иметь, как встроенный модуль измерения tg δ в этом случае к маркировке HVAXX добавляются буквы DT (tg δ), так и внешним отдельным модулем TD, который приобретается к уже имеющейся СНЧ установке серии HVA;
Установки со встроенным модулем TD:
— HVA28TD;
— HVA34TD-1;
— HVA45TD;
3.2. Модуль измерения tg δ приобретается отдельно к СНЧ установке серии HVA.
В случае если в СНЧ установке серии HVA отсутствует встроенный модуль измерения tg δ, то его без труда можно подобрать и приобрести.
Модули измерения tg δ серии TD представлены следующей линейкой приборов:
— TD30;
— TD60;
— TD90;
— TD120.
При выборе модуля TD важно соблюсти одно условие: первая цифра индекса СНЧ установки должен быть НЕ ВЫШЕ первой цифры индекса модуля TD. Модуль TD30 можно использовать с СНЧ установкой HVA28. Но для установки HVA40-5 необходим модуль TD60. Соблюдая данное условие имеем следующую таблицу применимости модулей измерения tg δ серии TD с СНЧ установками серии HVA.
Наименование модуля измерения tg δ
Совместимость с СНЧ установкой
HVA28; HVA30; HVA30-7; HVA34-1
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь tg изоляции обмоток трансформатора
Если вам интересна история реле и вы изучаете принцип работы разных типов реле . Подписывайтесь на мой канал на Ютубе .
Что такое тангенс угла диэлектрических потерь, от чего он зависит и как его измеряют
Автор: Кандидат технических наук. В. Б. Кулаковский
Объем и нормы испытаний электрооборудования регламентируют нам при разных видах контроля (П, К, Т, М….) среди прочих испытаний, проводить у разного электрооборудования, например, силовых трансформаторов (автотрансформаторов), реакторов, генераторов, вводах и проходных изоляторах, проверку тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ).
Данная, на мой взгляд, очень хорошо написанная статья даст ответ на вопросы, что такое тангенс угла диэлектрических потерь, от чего он зависит, как его измеряют.
Статья написана в 1958 году, и естественно, по состоянию на 2015 год существует большое количество приборов для измерения тангенса угла диэлектрических потерь, а мост МД-16 уже раритет.
Величина tg δ (угла диэлектрических потерь), являясь мерилом потерь в изоляции, характеризует общее ее состояние. Если изоляция была бы изготовлена из идеального диэлектрика, то в ней не было бы потерь и при включении на переменное напряжение она не потребляла бы активной мощности.
При приложении переменного напряжения к такой идеальной изоляции происходят поочередно повторяющиеся заряд и разряд и в цепи появляется переменный емкостный ток. При этом вся энергия, полученная изоляцией за время заряда, возвращается в сеть во время разряда.
Произведение емкостного тока на напряжение дает величину реактивной или емкостной мощности; она пропорциональна емкости изоляции (кроме того, частоте и квадрату приложенного напряжения). Таким образом, изоляция из идеальных диэлектриков потребляла бы из сети только реактивную (емкостную) мощность.
Однако практически идеальных диэлектриков не существует. В реальной изоляции всегда имеется потеря энергии, поэтому при приложении к ней напряжения из сети потребляется не только реактивная, но и активная мощность, обусловленная потреблением энергии изоляцией. Отношение активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности и называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Так как активная мощность, потребляемая изоляцией, значительно меньше реактивной и отношение их обычно измеряется сотыми долями, то удобнее тангенс угла диэлектрических потерь выражать в процентах.
Потребление энергии изоляцией вызывается разными причинами. Во многих твердых диэлектриках под воздействием приложенного переменного напряжения происходят колебания частиц, имеющих электрические заряды (атомов, молекул), что сопровождается затратой энергии. Кроме того, все диэлектрики в какой-то степени проводят ток не только путем заряда и, разряда, а непосредственно, и протекание этого тока (тока проводимости), так же как в проводниках, сопряжено с потерями. Особенно большие потери возникают в неоднородных изолирующих материалах, в которых наряду с хорошими диэлектриками имеются вещества с пониженными диэлектрическими свойствами. Емкостные токи, протекая через вкрапления этих веществ в толще материала, создают значительные потери; достаточно сравнительно небольших примесей таких веществ, распределенных по всему объему материала, чтобы потери в таком материале существенно возросли. Особенно заметно действие вкраплений такого сравнительно хорошо проводящего вещества, как вода, которая, проникая в поры волокнистых материалов, существенно увеличивает диэлектрические потери.
Так, увеличение влагосодержания электрокартона с 0,5 до 3,0% вызывает рост диэлектрических потерь примерно в 25 раз.
Поскольку реактивная мощность при этом меняется сравнительно мало (она, как указывалось выше, зависит от емкости), тангенс угла диэлектрических потерь также существенно возрастает. В указанном случае он возрастает с 0,8 до 11,0%.
Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь является чувствительным показателем увлажнения изоляции, особенно если она состоит из волокнистых материалов и увлажняется во всем объеме (как, например, в трансформаторах).
При этом существенно, что величина тангенс угла диэлектрических потерь не зависит от размеров изоляции: если вся изоляция однородна по своим свойствам, то активная и реактивная мощности будут зависеть от них в одинаковой степени.
Благодаря этим ценным свойствам величины тангенса угла диэлектрических потерь измерение ее широко применяется для контроля влажности изоляции трансформаторов и некоторых других видов электрооборудования.
Однако применение тангенса угла диэлектрических потерь как показателя увлажнения изоляции имеет и недостатки.
Величина тангенса угла диэлектрических потерь зависит не только от степени увлажнения изоляции, но и от других причин. В частности, увеличение тока проводимости какого-либо участка изоляции (например, из-за загрязнения) в некоторых случаях может привести к увеличению тангенса угла диэлектрических потерь. Известны случаи повышения tg δ у трансформаторов из-за загрязнения вводов, трещин на них, что создавало ложное впечатление об увлажнении изоляции трансформаторов.
Увеличение тангенса угла диэлектрических потерь у трансформаторов может быть также вызвано наличием воздуха в вводах, зашламлением обмоток, применением масла с большим тангенсом угла диэлектрических потерь и другими причинами; у некоторых трансформаторов тангенс угла диэлектрических потерь имеет повышенное значение из-за конструктивных особенностей. С другой стороны, опасное увлажнение небольших участков изоляции может мало отразиться на суммарных потерях в изоляции и, следовательно, на величине tg δ.
Поэтому измерению tg δ на трансформаторах должно сопутствовать определение других диэлектрических характеристик изоляции (сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции, величины С2/С50 и т. д.). Только сопоставив все эти характеристики, можно вынести правильное суждение о состоянии изоляции.
Кроме увлажнения изоляции, tg δ является в известной степени показателем наличия воздушных включений в ней. Так, если тангенс угла диэлектрических потерь растет с ростом приложенного напряжения, то это означает, что в изоляции имеются воздушные включения. Объясняется это тем, что с ростом напряжения воздух во все большей степени начинает проводить ток, в связи с чем возрастают потери. Раньше этим свойством тангенса угла диэлектрических потерь пытались воспользоваться для определения состояния изоляции электрических машин. В настоящее время такие измерения в эксплуатации не применяются, так как практика эксплуатации показала, что при оценке состояния изоляции электрических машин наличие в ней воздушных включений играет далеко не главную роль.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электрооборудования производится при частоте 50 Гц при измерениях на более высокой частоте тангенс угла диэлектрических потерь этой изоляции будет ниже, чем при 50 Гц. Для измерений tg δ изоляции вводов и обмоток трансформаторов применяются специальные приборы — высоковольтные мосты, в которых производится сравнение тока, текущего через изоляцию, с током в искусственной цепи, составленной из конденсаторов и сопротивлений.
Наиболее распространенным является переносный мост типа МД-16 производства завода «Энергоприбор». Измерения обычно производятся при напряжении 10 кВ (мост при этом питается от повышающего трансформатора).
Величина tg δ сильно увеличивается с ростом температуры изоляции, что следует иметь в виду при сравнении результатов измерений, сделанных при разных температурах.
Источники:
1. Журнал «Энергетик» 1958, №1, стр.31-32
2. РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования»