Полная диаграмма плотностей токов и напряженности поля для диэлектрика с потерями

7. Потери в диэлектриках. Угол диэлектрических потерь δ. Эквивалентные схемы диэлектрика с потерями. Требования, предъявляемые к изоляционным материалам.

Диэлектрическими потерями Р (Вт) называют ту часть энергии приложенного электрического поля, которая рассеивается в диэлек­трике за единицу времени. Эта энергия переходит в тепло, и диэлек­трик нагревается.

При недопустимо высоких диэлектрических потерях электроизо­ляционная конструкция может нагреться до температуры теплового разрушения, т.е. наступит электротепловой пробой (см. гл. 5.3.1 и 5.4.2).

Диэлектрические потери электроизоляционных материалов и кон­струкций часто характеризуют тангенсом угла диэлектрических по­терь tgδ, где δ— угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между то­ком и напряжением (угол φ) в емкостной цепи (рис. 4.1):

Величина tgδ является важной характеристикой диэлектриков. Она определяет диэлектрические потери в материале: чем больше tgδ, тем более высокие (при прочих равных условиях) диэлектриче­ские потери. Для наиболее широко применяемых диэлектриков tgδ имеет значение в пределах от 0,0001 до 0,03. О величине диэлектри­ческих потерь участка изоляции и некоторых радиодеталей (конден­саторов, катушек индуктивности и т.п.) можно судить также по зна­чению их добротности Q:

Q=-1/tgδ = ctgδ = tg φ. (4.2)

Диэлектрические потери могут быть как при постоянном, так и при переменном на­пряжении. При постоянном напряжении потери обусловлены только током сквозной проводимости, и величина диэлектриче­ских потерь в данном случае зависит (об­ратно пропорционально) от значений удельных объемного и поверхностного со­противлений. При переменном напряже­нии диэлектрические потери возникают под действием как тока сквозной проводи­мости, так и релаксационных видов поля­ ризации.

Рис 4.1. Векторная диаграмма диэлектрика с потерями.

В сильных электрических полях (в постоянном и переменном) дополнительно

возникают ионизационные потери.

4.2. Эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями

Чтобы изучить диэлектрические потери какого-либо материала, необходимо рассмотреть конденсатор с этим материалом в цепи пере­менного напряжения. Конденсатор с исследуемым диэлектриком, имеющий емкость С, рассеиваемую мощность Р и угол сдвига фаз ме­жду током и напряжением φ, заменим эквивалентной схемой, в кото­рой к идеальному конденсатору активное сопротивление подключено либо параллельно — параллельная эквивалентная схема, либо после­довательно — последовательная эквивалентная схема. Эти эквива­лентные схемы замещения диэлектрика с потерями должны быть вы­браны так, чтобы расходуемая в них активная мощность была равна мощности Р, которая рассеивается в конденсаторе с исследуемым ди­электриком, а ток опережал бы напряжение на тот же угол φ. Эквива­лентные схемы вводятся условно и не объясняют механизма диэлек­трических потерь. Величины емкости идеального конденсатора и активного сопротивления для параллельной и последовательной схем замещения обозначим соответственно Ср и R, Cs и r.

Параллельная эквивалентная схема замещения диэлектрика с по­терями и векторная диаграмма токов в ней представлены на рис.4.2, из которого видно, что активная составляющая тока Iа совпадает по фазе с напряжением U, а реактивная составляющая тока Ir опережает напряжение на угол, равный 90°. Значения соответствующих токов равны

I = U/Z, Ia = U/R, Ir = U/Xc = UωCp, (4.3)

где Z — полное сопротивление, Z = (Xc 2 + R 2 ) 1/2 ; Xс — реактивное (емко­стное) сопротивление конденсатора с диэлектриком, Xс = 1/ω Ср (ω — угловая частота).

Из треугольника токов (см. рис. 4.2, б) следует, что

tgδ = Ia/Ic = U/ RUωCp = 1/ωRCp (4.4)

Для параллельной схемы замещения, используя выражение (4.7) и векторную диаграмму токов, изображенную на рис. 4.2, б, получим

P=UIcosφ = UI sin δ = U Ir sinδ / cosδ = UIr, tgδ,

Рис. 4.2. Параллельная эквивалентная схема замещения диэлектрикас потерями (а) и векторная диаграмма токов в ней (б)

где I = Ir /cosδ (см. рис. 4.2, б).

Подставив в это выражение из (4.3) значение тока Ir получим

P = U 2 ω Cp tgδ (4.8)

Для последовательной схемы замещения имеем (без вывода)

P= U 2 tgδ /(Xc(1+ tgδ )) P = U 2 ωCstgδ /(1+ tg 2 δ )) (4.9)

Приравняв друг к другу правые части выражений (4.8) и (4.9), (4.4) и (4.5), определим соотношения между Ср и Cs, а также между Rиr:

Cp = Cs/(1+ tg 2 δ )) (4-10)

R = r(1+ 1/tg 2 δ )) (4.11)

Для высококачественных диэлектриков значением tg 2 δ в сравне­нии с единицей можно пренебречь и считать, что Ср ~ Cs ~ С. Тогда величина мощности, рассеиваемой в диэлектрике, будет одинакова для обеих схем и равна

P = U 2 ωC tgδ (4.12)

где Р — активная мощность, Вт; U — напряжение, приложенное к конденсатору с испытуемым диэлектриком, В; С — его емкость, Ф; ω — угловая частота, с -1 (ω = 2πf , где f — циклическая частота, Гц).

Для диэлектриков с высокими значениями tgδ при переменном напряжении емкость С и, следовательно, диэлектрическая проницае­мость ε становятся величинами неопределенными, зависящими от выбора модели эквивалентной схемы замещения. Величина же tgδ диэлектриков от выбранной схемы замещения не зависит. Она зави­сит от природы материала, частоты f напряжения и температуры Т. Поэтому в справочной литературе для каждого диэлектрика указыва­ются f и Т, при которых измерены tgδ и ε.

Из формулы (4.12) следует, что величина рассеиваемой мощности Р (диэлектрические потери) зависит от квадрата приложенного на­пряжения и его частоты, емкости и tgδ материала. Емкость, в свою очередь, зависит от ε материала, а ε и tgδ — от природы материала (химического состава и структуры) и внешних условий (температу­ры, частоты и величины напряжения, влажности среды и т.п.). Сле­довательно, все перечисленные факторы будут влиять на величину рассеиваемой мощности в диэлектриках. Из формулы (4.12) также видно, что диэлектрические потери могут приобретать существенные и даже опасные значения для диэлектриков, используемых в уста­новках высокого напряжения или высокой частоты и особенно в ус­тановках при одновременном воздействии высокого напряжения и высокой частоты.

3. Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называется активная мощность Р_а, рассеиваемая в диэлектрике при приложении к нему электрического напряжения и вызывающая его нагрев, постоянном электрическом поле; (5. 17) переменном электрическом поле, (5. 18) где Р_а – активная мощность – диэлектрические потери, Вт; U – приложенное напряжение, В; I – протекающий ток, А; φ – угол сдвига фаз между током и напряжением.

5. 3. 1. Виды диэлектрических потерь

1. потери на замедленные виды поляризации;
2. потери на сквозную электропроводность (токи утечки):
3. потери на ионизацию (в газообразных или твердых пористых диэлектриках);
4. потери на структурную неоднородность (в неоднородных диэлек­триках).

5. 3. 2. Схемы замещения диэлектриков и векторные диаграммы к ним

Идеальный диэлектрик, который совсем не проводит ток, может быть представлен в постоянном поле как разрыв в элек­трической цепи, а в переменном — как чистая емкость. Схема замещения такого диэлектрика представлена на рис. 5. 15; рядом векторная диаграмма тока и напряжения для неё; вектор тока на емкости опережает вектор напряжения на 90° (опережение — против часовой стрелки) Рис. 5. 15 В таком идеальном диэлектрике диэлектрические потери отсутствуют. Однако реальный диэлектрик всегда имеет токи утечки, которые мож­но представить активным сопротивлением R. Схема замещения такого диэлектрика представлена, на рис. 5. 16. Рядом векторная диаграмма U и I; вектор тока на активном сопротивлении совпадает с вектором напряжения, а полный ток I является суммой векторов I_c и I_a. Рис. 5. 16 Угол δ дополняет угол сдвига фаз между током и напряжением (φ) до 90° и называется углом диэлектрических потерь. Как видим, чем меньше сопротивление диэлектрика, тем будет больше ток I, и тем больше будет угол δ — угол диэлектрических потерь. Для характеристики потерь пользуются tg угла потерь, чтобы избавиться от размерности угла (градус, ми­нут). Из векторной диаграммы тока и напряжения определяем: (5. 19) где ω – круговая частота поля , где f – линейная частота; С – емкость диэлектрика (5. 20) R – его активное сопротивление. Подставив значение тока (I) через tgδ в формулу диэлектрических потерь, получим выражение для Р_а: Вт. (5. 21) Эта мощность (Р_а) характеризует диэлектрические потери при определенных напряжении, частоте и габаритах изделия. В справочнике приводится tgδ, который характеризует потери в материале, независимо от других факторов (кроме частоты электрического поля).

5. 3. 3. Зависимость tgδ и Ра от внешних факторов

Зависимость диэлектрических потерь от различных факторов отра­жает зависимости величин, входящих в формулу потерь, от этих факторов. Например, С зависит от ε, а ε от температуры и частоты. То же самое можно сказать и о электропроводности, ионизации и др. Посмотрим поведение полярного диэлектрика при изменении температуры; будем рассматривать величины ε, γ, tgδ и Р_а в функции Т (рис. 5. 17). На рис. 5. 17 показана зависимость этих же параметров от частоты переменного поля. Рис. 5. 17 Рис. 5. 18 Особенности поведения каждого компонента сказываются на поведении tgδ и Р_а. Если диэлектрик неоднородный, в нем проявляются особенности каждого входящего в него компонента. В качестве примера рассмотрим поведение tgδ от Т для картона (это полярный диэлектрик на основе целлюлозы), пропитанного полярной жидкостью (маслом). У целлюлозы максимальные потери наблюдаются при отрицатель­ных температурах, а у масла при положительных. Это отражается на зави­симости tgδ от Т (рис. 5.19). Рис. 5. 19 Величина tgδ приводится в справочных таблицах и характеризует потери в материале. Для полярных диэлектриков значения tgδ лежат в диапазоне десятых или сотых долей единиц, для нейтральных меньше, — тысячных или десятитысячных долей единиц. Для газов, например воздуха, при напряжениях ниже ионизации, потери малы tgδ ~ 10 -7 , но как только напряжение превысит ионизационный потенциал, потери быстро растут. Примеры tgδ для конкретных изоляционных материалов и их использование; полиуретан (полярный) – tgδ ≈ 0,02 — изоляционные платы, каркасы катушек, панели; виниппласт (полярный) – tgδ ≈ 0,01 — изоляционные пленки; полистирол (нейтральный) — tgδ ≈ 0,0001 — материал для конденсаторов и изоляции; фторопласт-4 (нейтральный) — tgδ ≈ 0,0002 — изоляционные платы; керамика KM-1 — tgδ ≈ 0,002 — платы для микросхем. Вопросы для самоконтроля 1. Что собой представляют диэлектрические потери? 2. Какие виды потерь вы знаете? 3. Каким параметром представлены потери для диэлектриков в справочных таблицах? 4. Какой электрической схемой замещения можно изобразить ре­альный диэлектрик? 5. Чтo такое угол диэлектрических потерь? 6. Как выглядит векторная диаграмма тока и напряжения для ре­ального диэлектрика? 7. Как выглядит зависимость tgδ и Р_а для полярного диэлектрика в широком диапазоне температур? 8. Напишите формулу для мощности (P_а) потерь в диэлектрике с учетом приложенного напряжения, размеров диэлектрика и особенности материала. 9. Сопоставьте значения tgδ для полярных и нейтральных диэлектриков (на конкретных примерах).

Что такое тангенс угла диэлектрических потерь

Изоляционные свойства диэлектриков зависят как от величины приложенного напряжения и его частоты, так и от внешних факторов (температуры, влажности). В процессе эксплуатации в структуре материалов происходит постепенное накопление дефектов, следствием которых является деградация диэлектрических параметров. В связи с этим необходим регулярный контроль электроизоляционных характеристик для высоковольтного оборудования и приборов. Мощные генераторы, трансформаторные электроподстанции, изоляторы высоковольтных линий электропередач, автотрансформаторы регулярно проходят проверку посредством специализированных приборов контроля. Основная характеристика в системе контроля диэлектрических свойств — тангенс угла потерь.

Общие положения

Образцами для исследования электрофизических свойств диэлектриков служат конденсаторы, между обкладками которых находится тестируемое вещество. Конденсатор с идеальными параметрами должен удовлетворять двум условиям:

• При подаче на обкладки постоянного электронапряжения ток утечки отсутствует (j_a = 0) вплоть до напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика. Ток при этом лавинообразно нарастает.
• При подаче переменного напряжения с определённой частотой фазовый сдвиг (угол φ) между напряжением U и током I_c равен 90 градусов.

Переменное электронапряжение поочерёдно заряжает обкладки конденсатора. В ходе этого процесса конденсатор получает порцию энергии, чтобы на следующем этапе вернуть её обратно в сеть. Произведение ёмкостного тока I_c на величину напряжения равно потребляемой ёмкостной (реактивной) мощности. Диэлектрик с идеальными параметрами позволил бы полностью избежать потерь энергии, то есть, из сети потреблялась бы исключительно реактивная мощность.

Во всех реальных диэлектриках существуют потери энергии, которая преобразуется в тепло. На картинке механизм потерь обозначен в виде активного сопротивления, подключенного параллельно конденсатору. Здесь же изображена векторная диаграмма различных токов, присутствующих в диэлектрике, когда часть электрической энергии переходит в тепло.

Из треугольника токов следует, что:

В данной формуле и на схеме δ — угол диэлектрических потерь, а отношение активного и реактивного электротока — тангенс угла потерь конденсатора для рассматриваемого случая. В общем тангенс угла диэлектрических потерь является интегральным параметром, характеризующим качество изоляции. Увеличение потерь связано с ростом температуры, влажностью, наличием поляризационных процессов.

Кроме tg δ часто используется обратная величина Q, называемая добротностью:

Влияние внутренних свойств диэлектриков на tg δ

Диэлектрическими свойствами обладают вещества в различных агрегатных состояниях: твёрдом, газообразном и жидком. Энергетические потери, которые отражаются на величине тангенса угла потерь (ТУДП) в разных материалах могут быть обусловлены следующими факторами:

• В газовых средах — потерями, вызванными ионизацией атомов и молекул.
• В жидкостях — релаксационными потерями (релаксационная поляризация).
• Дипольной поляризацией — часто встречающийся механизм в твёрдых диэлектриках.
• Сквозной электропроводностью в сочетании с поляризационным рассеянием.
• Наличием неоднородностей и структурными дефектами в аморфных веществах.

Влияние внешних факторов

Тангенс угла при изменении диэлектрических потерь (ТУДП) также меняется. На значение ТУДП влияют следующие факторы:

• Температура внешней среды.
• Наличие и количество влажности.
• Амплитуда электрического напряжения.
• Частота переменного тока и напряжения.

Температура

Рост температуры внешней среды вызывает увеличение tg δ, поскольку растёт электропроводность, обусловленная возбуждением колебаний атомов и движением отдельных ионов и диполей.

Частота

Увеличение частоты приложенного электронапряжения вызывает уменьшение ТУДП, если главным механизмом потерь выступает проводимость диэлектрика. При этом на активную токовую компоненту I_А частота не оказывает влияния, а реактивная составляющая I_С увеличивается прямо пропорционально частоте. Тангенс угла при этом уменьшается.

В случаях, когда главным механизмом потерь выступает поляризация, tg δ на отдельной частоте будет иметь скачок до некоторого максимума с последующим спадом.

В диэлектриках, имеющих разные механизмы потерь, общая величина tg δ будет суммой вкладов отдельных механизмов.

Влажность

Наличие влаги в том или ином виде (пар, жидкость) вызывает однозначное увеличение tg δ, так как влажность способствует уменьшению удельного сопротивления.

Напряжение электрического поля

Значительный рост ТУДП начинается с U_и — напряжения, когда включается механизм ионизации атомов, приводящий к резкому росту потерь.

Значения ТУДП материалов, часто используемых в качестве диэлектриков, можно узнать из справочных таблиц. Например, тангенс угла диэлектрических потерь составляет для трансформаторного масла 5–10 -3 , а для конденсаторной бумаги — 9–10 -3 .

Измерение ТУДП

Для определения величины ТУДП на практике используется измеритель тангенса угла диэлектрических потерь.

Обязательный контроль величины tg δ даёт информацию о текущем состоянии параметров изоляции токопроводящих частей электрической аппаратуры. Например, мониторинг тангенса угла диэлектрических потерь рабочего масла трансформатора, которое является главным изолятором в этом мощном оборудовании электрических подстанций (от 10 кВ и выше), позволяет предотвратить аварийные ситуации. Измерение и контроль тангенса угла диэлектрических потерь производится в соответствии с нормативными требованиями с помощью сертифицированных приборов.

Испы­та­ния диэлек­три­че­ских материалов

Реко­мен­да­ции насто­я­щей мето­ди­ки рас­про­стра­ня­ют­ся на про­ве­де­ние испы­та­ний диэлек­три­че­ских мате­ри­а­лов неза­ви­си­мо от их назна­че­ния и состо­я­ния. Мето­ди­ка содер­жит общие реко­мен­да­ции в обла­сти испы­та­ния диэлек­три­ков и диэлек­три­че­ских материалов.

Мате­ри­а­лы, при­ме­ня­е­мые при изго­тов­ле­нии элек­тро­тех­ни­че­ско­го обо­ру­до­ва­ния, раз­де­ля­ют на ряд групп: про­вод­ни­ко­вые, изо­ли­ру­ю­щие (диэлек­три­ки), маг­нит­ные и полупроводниковые.

Харак­тер рабо­ты изо­ли­ру­ю­щих мате­ри­а­лов в обо­ру­до­ва­нии в боль­шей мере опре­де­ля­ет надёж­ность элек­три­че­ских устройств.

Изо­ля­ция токо­ве­ду­щих частей может быть сле­ду­ю­щих видов: газо­вой, жид­кой, твёр­дой или ком­би­ни­ро­ван­ной (сме­шан­ной) из отдель­ных пере­чис­лен­ных видов.

Тео­ре­ти­че­ски иде­аль­ный диэлек­трик мож­но рас­смат­ри­вать как ней­траль­ный атом, кото­рый состо­ит из поло­жи­тель­но заря­жен­но­го ядра и элек­три­че­ски урав­но­ве­ши­ва­ю­ще­го его элек­тро­нов. Если элек­три­че­ски ней­траль­ный атом поме­стить в область, в кото­рой име­ет­ся воз­дей­ствие внеш­не­го элек­три­че­ско­го поля, то, под вли­я­ни­ем послед­не­го, поло­жи­тель­но заря­жен­ные части сдви­нуть­ся в направ­ле­нии поля, а отри­ца­тель­ные – про­тив поля.

При исчез­но­ве­нии внеш­не­го поля они воз­вра­тят­ся в исход­ное поло­же­ние. Подоб­ные пере- меще­ния свя­за­ны с затра­той энер­гии или воз­вра­том её при пре­кра­ще­нии воз­дей­ствия, с извест­ной долей потерь. При­ме­ром ука­зан­ных про­цес­сов может явить­ся в неко­то­ром роде заряд и раз­ряд конденсатора.

В тех слу­ча­ях, когда энер­гия, сооб­ща­е­мая элек­тро­ну под вли­я­ни­ем внеш­них усло­вий, пре- высит неко­то­рое пре­дель­ное зна­че­ние, он может стать неза­ви­си­мым, т.е. атом будет раз­ру­шен – атом иони­зи­ру­ет­ся. Таким обра­зом, при опре­де­лён­ных усло­ви­ях, ато­мы могут терять или при­со­еди­нять электроны.

На прак­ти­ке при­хо­дит­ся иметь дело не с иде­аль­ны­ми диэлек­три­ка­ми, а с тех­ни­че­ски­ми – неод­но­род­ны­ми, обла­да­ю­щи­ми неко­то­рой сте­пе­нью элек­тро­про­во­ди­мо­сти. Элек­тро­про­во­ди­мость тех­ни­че­ских диэлек­три­ков объ­яс­ня­ет­ся нали­чи­ем сво­бод­ных заря­дов в тех слу­ча­ях, когда внут­ри ато­ма свя­зи отсут­ству­ют и в этих слу­ча­ях под воз­дей­стви­ем элек­три­че­ско­го напря­же­ния в изо­ля­ци­он­ном мате­ри­а­ле воз­ни­ка­ет ток про­во­ди­мо­сти. В свя­зи с отме­чен­ным явле­ни­ем каче­ство диэлек­три­ка мож­но оха­рак­те­ри­зо­вать удель­ной объ­ём­ной про­во­ди­мо­стью и удель­ной поверх­ност­ной про­во­ди­мо­стью, — вели­чи­на­ми, обрат­ны­ми соот­вет­ству­ю­щим удель­ным зна­че­ни­ям объ­ём­но­го и поверх­ност­но элек­три­че­ско­го сопротивления.

Все диэлек­три­ки могут рабо­тать при напря­же­ни­ях, не пре­вы­ша­ю­щих пре­дель­ных зна­че­ний, харак­тер­ных для них в опре­де­лён­ных усло­ви­ях и состо­я­нии, при пре­вы­ше­нии пре­дель­но­го зна­че­ния насту­па­ет про­бой диэлектрика.

Если плот­ность тока про­во­ди­мо­стей через диэлек­трик, нахо­дя­щий­ся под напря­же­ни­ем в рабо­чих усло­ви­ях, очень мала, то при пре­вы­ше­нии напря­же­ния ток рез­ко воз­рас­та­ет — вне­зап­но обра­зу­ет­ся про­во­дя­щий канал меж­ду элек­тро­да­ми, т.е. изо­ля­ци­он­ные свой­ства мате­ри­а­ла ухуд­ша­ют­ся, а затем насту­па­ет про­бой. Зна­че­ние напря­же­ния, при кото­ром про­ис­хо­дит про­бой диэлек­три­ка, назы­ва­ют про­бив­ным напря­же­ни­ем Uпроб.

Наи­бо­лее важ­ны­ми фак­то­ра­ми, вли­я­ю­щи­ми на про­бив­ное напря­же­ние всех видов диэлек­три­ков, явля­ют­ся: фор­ма поля, дли­тель­ность при­ло­же­ния напря­же­ния, род тока, кли­ма­ти­че­ские усло­вия, тем­пе­ра­ту­ра, дав­ле­ние для газов, вид мате­ри­а­ла и его толщина.

Фор­ма элек­три­че­ско­го поля опре­де­ля­ет­ся фор­мой элек­тро­дов. Поле в диэлек­три­ке может быть рав­но­мер­ным (одно­род­ным) или нерав­но­мер­ным (неод­но­род­ным). Напри­мер, рав­но­мер­ным явля­ет­ся поле в сред­ней части обкла­док плос­ко­го конденсатора.

Кли­ма­ти­че­ские усло­вия под­час опре­де­ля­ют­ся обсто­я­тель­ства­ми, при кото­рых про­из­во­дит­ся экс­пе­ри­мент, но кото­рые долж­ны учи­ты­вать­ся как один из фак­то­ров, вли­я­ю­щих на результат.

В при­ро­де суще­ству­ет есте­ствен­ный диэлек­трик – атмо­сфер­ный воз­дух. Воз­дух, а послед­нее вре­мя и ряд дру­гих газов (водо­род, эле­газ, фре­он и др.) исполь­зу­ют­ся как изо­ля­тор во мно­гих устрой­ствах высо­ко­го напряжения.

Объ­ект испытания.

Мето­ди­ка испы­та­ний и оцен­ка по их резуль­та­там состо­я­ния изо­ля­ции элек­тро­обо­ру­до­ва­ния выте­ка­ют из физи­че­ской сущ­но­сти изо­ля­ции. Любая изо­ля­ция (диэлек­трик), при­ме­ня­е­мая в элек­три­че­ских маши­нах и аппа­ра­тах, по суще­ству есть кон­ден­са­тор со слож­ной сре­дой. Обклад­ка­ми его явля­ют­ся наруж­ные эле­мен­ты кон­струк­ции аппа­ра­та (кор­пус, сер­деч­ник) и токо­ве­ду­щие части (жилы кабе­ля, про­во­да, шина). Сре­да – изо­ля­ци­он­ный мате­ри­ал, струк­ту­ра кото­ро­го опре­де­ля­ет­ся не толь­ко исполь­зу­е­мым мате­ри­а­лом (волок­но, бума­га и т.д.), но и состо­я­ни­ем её – нали­чи­ем дефек­тов, в част­но­сти увлаж­не­ни­ем. Физи­че­ская сущ­ность изо­ля­ции опре­де­ля­ет­ся теми про­цес­са­ми, кото­рые про­те­ка­ют в элек­три­че­ском поле конденсатора.

В резуль­та­те воз­дей­ствия внеш­не­го поля на диэлек­трик в нём созда­ёт­ся осо­бое напря­жён- ное 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, име­щих отли­ча­ю­щи­е­ся про­во­ди­мо­сти и диэлек­три­че­ские проницаемости.

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, при усло­вии, что изо­ля­ция сухая. При силь­ном увлаж­не­нии изо­ля­ции посто­ян­ная вре­ме­ни внут­ри­сло­е­вой поля­ри­за­ции рез­ко умень­ша­ет­ся. На этом осно­ва­но иссле­до­ва­ние абсорб­ции изо­ля­ции при про­ве­де­нии испы­та­ний – при мед­лен­ной поля­ри­за­ции энер­гии поля­ри­за­ции воз­вра­ща­ет­ся источ­ни­ку пита­ния не пол­но­стью и часть её рас­се­и­ва­ет­ся в виде теп­ла (коэф­фи­ци­ент абсорб­ции высокий).

Опре­де­ля­е­мые характеристики.

Сопро­тив­ле­ние изо­ля­ции посто­ян­но­му току Rиз. явля­ет­ся основ­ным пока­за­те­лем состо­я­ния изо­ля­ции. Нали­чие гру­бых внут­рен­них и внеш­них дефек­тов (повре­жде­ние, увлаж­не­ние, поверх­ност­ное загряз­не­ние) сни­жа­ет сопро­тив­ле­ние. Опре­де­ле­ние Rиз (Ом) про­из­во­дит­ся изме­ре­ни­ем тока утеч­ки Iут, про­хо­дя­ще­го через изо­ля­цию, при при­ло­же­нии к ней выпрям­лен­но­го напряжения:

В свя­зи с явле­ни­ем поля­ри­за­ции, име­ю­щим место в изо­ля­ции, опре­де­ля­е­мое сопро­тив­ле­ние Rиз зави­сит от вре­ме­ни с момен­та при­ло­же­ния напря­же­ния. Пра­виль­ный резуль­тат может дать изме­ре­ние тока утеч­ки по исте­че­нию 60 секунд после при­ло­же­ния напря­же­ния, т.е. в момент, к кото­ро­му ток абсорб­ции в изо­ля­ции в основ­ном затухает.

Вто­рым основ­ным пока­за­те­лем состо­я­ния изо­ля­ции машин и транс­фор­ма­то­ров явля­ет­ся коэф­фи­ци­ент абсорб­ции. Кабс луч­ше все­го опре­де­ля­ет увлаж­не­ние изо­ля­ции. Коэф­фи­ци­ент абсорб­ции — это отно­ше­ние Rиз, изме­рен­но­го мега­ом­мет­ром через 60 сек с момен­та при­ло­же­ния напря­же­ния, к Rиз. изме­рен­но­го через 15 секунд после нача­ла при­ло­же­ния испы­та­тель­но­го напря­же­ния от мегаомметра:

Если изо­ля­ция сухая, то коэф­фи­ци­ент абсорб­ции зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет еди­ни­цу, в то вре­мя как у влаж­ной изо­ля­ции коэф­фи­ци­ент абсорб­ции бли­зок к единице.

Объ­яс­ня­ет­ся это вре­ме­нем заря­да абсорб­ци­он­ной емко­сти у сухой и влаж­ной изо­ля­ции. В пер­вом слу­чае (сухая изо­ля­ция) вре­мя вели­ко, ток заря­да изме­ня­ет­ся мед­лен­но зна­че­ния Rиз, соот­вет­ству­ю­щие 15 и 60 секун­дам после нача­ла изме­ре­ния, силь­но раз­ли­ча­ют­ся. Во вто­ром слу­чае (влаж­ная изо­ля­ция) вре­мя мало — ток заря­да изме­ня­ет­ся быст­ро и уже к 15 секун­дам после нача­ла изме­ре­ния дости­га­ет уста­но­вив­ше­го­ся зна­че­ния, поэто­му Rиз, соот­вет­ству­ю­щие 15 и 60 секун­дам после нача­ла изме­ре­ния, почти не различаются.

Для оцен­ки состо­я­ния волок­ни­стой изо­ля­ции клас­са А, исполь­зу­е­мой в транс­фор­ма­то­рах, при­ме­ня­ет­ся метод частот­ной зави­си­мо­сти емко­сти. Ток заря­да гео­мет­ри­че­ской емко­сти изме­ня­ет­ся как у сухой, так и у влаж­ной изо­ля­ции очень быст­ро. Ёмкость влаж­ной изо­ля­ции в отли­чие от сухой изо­ля­ции содер­жит более зна­чи­тель­ную абсорб­ци­он­ную емкость, ток заря­да кото­рой изме­ня­ет­ся мед­лен­нее, чем ток заря­да гео­мет­ри­че­ской емко­сти. Это свой­ство и исполь­зо­ва­но в мето­де частот­ной зави­си­мо­сти емко­сти, при кото­рой изме­ря­ет­ся емкость изо­ля­ции на часто­тах 2 и 50 Гц. При изме­ре­нии емко­сти изо­ля­ции на часто­те 50 Гц (С50) успе­ва­ет про­явить­ся толь­ко гео­мет­ри­че­ская емкость, оди­на­ко­вая у сухой и влаж­ной изо­ля­ции. При изме­ре­нии емко­сти изо­ля­ции на часто­те 2Гц (С2) успе­ва­ет про­явить­ся абсорб­ци­он­ная емкость влаж­ной изо­ля­ции, так. как у сухой изо­ля­ции она мень­ше и заря­жа­ет­ся она очень мед­лен­но. У сухой изо­ля­ции отно­ше­ние С2/С50 в свя­зи с этим близ­ко к еди­ни­це, а у влаж­ной зна­чи­тель­но боль­ше единицы.

Зави­си­мость емко­сти изо­ля­ции от часто­ты вид­на из выра­же­ния для двух­слой­но­го конденсатора:

Cw = C2 + ((Cф – C2)/(1 + w))

где Сw — емкость эффек­тив­ная С2 — емкость геометрическая

СФ — емкость пол­ная или Физи­че­ская (емкость двух­слой­но­го кон­ден­са­то­ра при дли­тель­ном заря­де посто­ян­ным напряжением)

W — посто­ян­ная вре­ме­ни конденсата.

Наи­бо­лее рас­про­стра­нен­ным мето­дом опре­де­ле­ния состо­я­ния изо­ля­ции элек­тро­обо­ру­до­ва­ния явля­ет­ся изме­ре­ние тан­ген­са угла диэлек­три­че­ских потерь. Как извест­но, tg есть отно­ше­ние актив­ной состав­ля­ю­щей тока Iа, про­хо­дя­ще­го через изо­ля­цию при при­ло­же­нии к ней пере­мен­но­го напря­же­ния к реак­тив­ной Iс. Диа­грам­ма пред­став­ле­на на рисун­ке 2.

Как вид­но из диа­грам­мы, диэлек­три­че­ские поте­ри обу­слав­ли­ва­ют нали­чие актив­ной состав­ля­ю­щей токов Iа = Iпр + Iаб­сR в силу чего сдвиг фаз меж­ду напря­же­ни­ем U и током Iх отли­ча­ет­ся от 90 гра­ду­сов на угол, назы­ва­е­мый углом диэлек­три­че­ских потерь. Чем боль­ше этот угол, тем боль­ше энер­гия рас­се­и­ва­ет­ся и, сле­до­ва­тель­но, диэлек­трик менее каче­ствен, а это может вызвать в свою оче­редь пере­гре­вы и дру­гие раз­лич­ные нару­ше­ния в рабо­те обо­ру­до­ва­ния. Пол­ные поте­ри в диэлектрике:

Р = U*Ic*tg = wCx*U*tg

где U – напря­же­ние, при­ло­жен­ное к диэлек­три­ку; Cx – ёмкость объекта;

Ic – реак­тив­ная состав­ля­ю­щая тока (I + Iабс)

Исхо­дя из этих соот­но­ше­ний и век­тор­ной диа­грам­мы, состо­я­ние изо­ля­ции мож­но харак­те­ри­зо­вать величиной:

В прак­ти­ке изме­ре­ний, что­бы не опе­ри­ро­вать малы­ми циф­ра­ми, абсо­лют­ное зна­че­ние tg выра­жа­ют в процентах:

Из рас­смот­ре­ния схе­мы заме­ще­ния диэлек­три­ка и век­тор­ной диа­грам­мы мож­но сде­лать ряд выводов:

• При увлаж­не­нии диэлек­три­ка или нагре­ве его сопро­тив­ле­ния R1 и R2 умень­ша­ют­ся и, сле­до­ва­тель­но, tg возрастает.
• Угол диэлек­три­че­ских потерь почти не зави­сит от гео­мет­ри­че­ских раз­ме­ров одно- род­но­го диэлек­три­ка в силу про­пор­ци­о­наль­но­сти изме­не­ния актив­ной и реак­тив­ной состав­ля­ю­щих тока.
• Мест­ный, а так­же сосре­до­то­чен­ный, дефек­ты ухуд­ше­ния диэлек­три­ка, напри­мер при увлаж­не­нии, могут быть не выяв­ле­ны при изме­ре­нии tg так как токи, опре­де­ля­е­мые дефек­том, могут быть зна­чи­тель­но мень­ше токов ёмко­сти в целом.
• По мере уве­ли­че­ния при­ло­жен­но­го напря­же­ния к диэлек­три­ку отме­ча­ет­ся весь­ма незна­чи­тель­ной изме­не­ние tg. Лишь после того, как воз­ник­нет иони­за­ция во вклю­че­ни­ях диэлек­три­ка, вызы­ва­ю­щая допол­ни­тель­ные поте­ри, tg, будет рез­ко возрастать.
• При отри­ца­тель­ных тем­пе­ра­ту­рах, когда вла­га диэлек­три­ка пере­хо­дит в твёр­дое состо­я­ние, состо­я­ние изо­ля­ции по поте­рям труд­но распознаваемо.
• Изме­ре­ние тан­ген­са угла диэлек­три­че­ских потерь про­во­дит­ся при помо­щи мостов пере­мен­но­го тока типа Р5026 или при­бо­ра «ВЕК­ТОР М».

Испы­та­ние изо­ля­ции элек­тро­обо­ру­до­ва­ния повы­шен­ным напря­же­ни­ем про­из­во­дит­ся для выяв­ле­ния гру­бых и сосре­до­то­чен­ных дефек­тов, кото­рые, из – за недо­ста­точ­но­го уров­ня напря­жен­но­сти элек­три­че­ско­го поля, не мог­ли быть выяв­ле­ны при пред­ва­ри­тель­ной про­вер­ке и изме- рени­ях. По этой при­чине испы­та­ние повы­шен­ным напря­же­ни­ем явля­ет­ся основ­ным испы­та­ни­ем, после кото­ро­го выно­сит­ся окон­ча­тель­ное суж­де­ние о воз­мож­но­сти нор­маль­ной рабо­ты обо­ру­до­ва­ния в усло­ви­ях экс­плу­а­та­ции. Испы­та­ние повы­шен­ным напря­же­ни­ем счи­та­ет­ся раз­ру­ша­ю­щим испы­та­тель­ным мето­дом испы­та­ния, т.к. в слу­чае нали­чия дефек­та изо­ля­ции при­ло­же­ние испы­та­тель­но­го напря­же­ния при­во­дит к про­бою изоляции.

Испы­та­тель­ное напря­же­ние регла­мен­ти­ру­ет­ся «Объ­ё­мом и нор­ма­ми испы­та­ний элек­тро­обо­ру­до­ва­ния». Кон­крет­ные зна­че­ния испы­та­тель­ных напря­же­ний для про­ве­де­ния испы­та­ний соот­вет­ству­ю­ще­го обо­ру­до­ва­ния ука­за­ны в мето­ди­ках на дан­ный тип оборудования.\

Усло­вия испы­та­ний и измерений

Вли­я­ние тем­пе­ра­ту­ры под­чи­ня­ет­ся закону:

Rt2 = Rt1* 10((t2 – t1)/a)

Где: Rt1 и Rt2 — сопро­тив­ле­ние изо­ля­ции посто­ян­но­му току при тем­пе­ра­ту­рах T1 и T2 соответственно.

а – коэф­фи­и­ент, зави­ся­щий от типа изо­ля­ции; для изо­ля­ции клас­са А – 40, для изо­ля­ции клас­са В – 60.

Сопро­тив­ле­ние изо­ля­ции Rиз и коэф­фи­ци­ент абсорб­ции Кабс не изме­ря­ют­ся при тем­пе­ра­ту­ре менее 10 С, так как в этом слу­чае резуль­та­ты изме­ре­ния из-за неста­биль­но­го пове­де­ния вла­ги не отра­жа­ют истин­но­го состо­я­ния изо­ля­ции. При тем­пе­ра­ту­ре ниже 0 С вода пре­вра­ща­ет­ся в лед, а послед­ний явля­ет­ся реаль­ным диэлектриком.

Испы­та­ния могут про­из­во­дит­ся как до ремон­та обо­ру­до­ва­ния (про­фи­лак­ти­че­ские испы­та­ния) – для выяв­ле­ния необ­хо­ди­мо­сти в ремон­те по резуль­та­там испы­та­ния, так и после про­ве­де­ния ремон­та (после­ре­монт­ные испы­та­ния) – для опре­де­ле­ния каче­ства ремон­та и при­год­но­сти обо­ру­до­ва­ния к даль­ней­шей эксплуатации.

Высо­ко­вольт­ные испы­та­ния про­во­дят­ся в сле­ду­ю­щем поряд­ке: испы­та­тель­ное напря­же­ние пода­ёт­ся скач­ком до 1/3 необ­хо­ди­мой вели­чи­ны, затем под­ни­ма­ет­ся посте­пен­но со ско­ро­стью при­мер­но 2–3 кВ в секун­ду при пери­о­ди­че­ском кон­тро­ле токов утеч­ки (токов про­во­ди­мо­сти). После уста­нов­ки необ­хо­ди­мой вели­чи­ны испы­та­тель­но­го напря­же­ния начи­на­ет­ся отсчёт вре­ме­ни испы­та­ний и фик­си­ру­ет­ся ток утеч­ки (про­во­ди­мо­сти) в нача­ле испы­та­ний. За 5 секунд до окон­ча­ния вре­ме­ни испы­та­ний фик­си­ру­ет­ся ток утеч­ки в кон­це испы­та­ний, напря­же­ние плав­но сни­жа­ет­ся до нуля, испы­та­тель­ная уста­нов­ка отклю­ча­ет­ся от сети, высо­ко­вольт­ный вывод зазем­ля­ет­ся. Если объ­ект испы­та­ния име­ет боль­шую ёмкость, зазем­ле­ние испы­та­тель­но­го выво­да сна­ча­ла про­из­во­дит­ся через раз­ряд­ное сопро­тив­ле­ние, а затем зазем­ля­ет­ся напря­мую (эти опе­ра­ции про­из­во­дят­ся с помо­щью спе­ци­аль­ной раз­ряд­ной штанги).

Сред­ства измерений.

Опре­де­ле­ние Rиз про­из­во­дит­ся с помо­щью мега­ом­мет­ров, кото­рые пред­став­ля­ют собой лого­мет­ри­че­ский при­бор, изме­ря­ю­щий ток, но со шка­лой, отгра­ду­и­ро­ван­ной в мега­о­мах и килоомах.

Испы­ту­е­мый объект

Пре­дель­ное изме­ря­е­мое сопро­тив­ле­ние (МОм)

Допол­ни­тель­ное требование

Таб­ли­ца 2 Тех­ни­че­ские дан­ные неко­то­рых мегаомметров.

Тип

нутых зажи­мах (В)

Пре­дел измерения

Рабо­чая часть шкалы Мас­са