Tangens strat dielektrycznych, pomiar wskaźnika strat dielektrycznych

Strata dielektryczna to energia rozpraszana w materiale izolacyjnym pod wpływem pola elektrycznego.

Zdolność dielektryka do rozpraszania energii w polu elektrycznym jest zwykle charakteryzowana przez kąt strat dielektrycznych i tangens kąta strat dielektrycznych... W teście dielektryk jest uważany za dielektryk kondensatora, których pojemność i kąt są mierzone. δ, uzupełniając kąt fazowy między prądem a napięciem w obwodzie pojemnościowym do 90 °. Kąt ten nazywany jest kątem strat dielektrycznych.

Przy napięciu przemiennym w izolacji płynie prąd, który jest w fazie z przyłożonym napięciem pod kątem φ (rys. 1), mniejszym niż 90 stopni. e-mail pod małym kątem δ, ze względu na obecność aktywnego oporu.

Ryż. 1.Wykres wektorowy prądów płynących przez dielektryk ze stratami: U — napięcie na dielektryku; I to całkowity prąd płynący przez dielektryk; Ia, Ic — odpowiednio składowa czynna i pojemnościowa prądu całkowitego; ϕ jest kątem przesunięcia fazowego między przyłożonym napięciem a całkowitym prądem; δ jest kątem między całkowitym prądem a jego składową pojemnościową

Stosunek składowej czynnej prądu Ia do składowej pojemnościowej Ic nazywany jest tangensem kąta strat dielektrycznych i wyrażany jest w procentach:

W idealnym dielektryku bez strat kąt δ = 0 i odpowiednio tan δ = 0. Zwilżanie i inne wady izolacji powodują wzrost składowej czynnej prądu strat dielektrycznych i tgδ. Ponieważ w tym przypadku składnik aktywny narasta znacznie szybciej niż składnik pojemnościowy, wskaźnik tan δ odzwierciedla zmianę stanu izolacji i straty w niej. Przy niewielkiej ilości izolacji możliwe jest wykrycie rozwiniętych miejscowych i skoncentrowanych defektów.

Pomiar tangensa strat dielektrycznych

Aby zmierzyć pojemność i kąt strat dielektrycznych (lub tgδ), równoważny obwód kondensatora jest reprezentowany jako idealny kondensator z aktywną rezystancją połączoną szeregowo (obwód szeregowy) lub jako idealny kondensator z aktywną rezystancją połączoną równolegle (obwód równoległy ).

W przypadku obwodu szeregowego moc czynna wynosi:

P = (U2ωtgδ)/(1 + tg2δ), tgδ = ωCR

Dla obwodu równoległego:

P = U2ωtgδ, tgδ = 1 /(ωСR)

gdzie B. — pojemność kondensatora idealnego, R — rezystancja czynna.

Kąt zwrotny strat dielektrycznych zwykle nie przekracza setnych lub dziesiątych części jedności (stąd kąt strat dielektrycznych zwykle wyraża się w procentach), wtedy 1 + tg2δ≈ 1, a straty dla szeregowych i równoległych obwodów zastępczych P = U2ωtgδ, tgδ = 1 / (ωCR)

Wartość strat jest proporcjonalna do kwadratu napięcia i częstotliwości przyłożonej do dielektryka, co należy wziąć pod uwagę przy wyborze materiałów elektroizolacyjnych do urządzeń wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości.

Wraz ze wzrostem napięcia przyłożonego do dielektryka do określonej wartości UО rozpoczyna się jonizacja wtrąceń gazu i cieczy obecnych w dielektryku, podczas gdy δ zaczyna gwałtownie rosnąć z powodu dodatkowych strat spowodowanych jonizacją. W U1 gaz jest jonizowany i redukowany (rys. 2).

Ryż. 2. Krzywa jonizacji tgδ = f (U)

Średni tangens strat dielektrycznych mierzony przy napięciach niższych niż UО (zwykle 3 — 10 kV) Napięcie dobiera się tak, aby ułatwić testowanie urządzenia przy zachowaniu wystarczającej czułości przyrządu.

Oznacza tangens strat dielektrycznych (tgδ) znormalizowany dla temperatury 20°C, dlatego pomiar należy wykonywać w temperaturach zbliżonych do znormalizowanych (10 — 20 ОС). W tym zakresie temperatur zmiana strat dielektrycznych jest niewielka, a dla niektórych typów izolacji zmierzoną wartość można porównać bez ponownego przeliczenia z wartością znormalizowaną dla 20°C.

W celu wyeliminowania wpływu prądów upływowych i zewnętrznych pól elektrostatycznych na wyniki pomiarów badanego obiektu oraz wokół obwodu pomiarowego instaluje się zabezpieczenia w postaci pierścieni ochronnych i ekranów.Obecność uziemionych ekranów powoduje powstawanie pojemności błądzących; aby zrekompensować ich wpływ, zwykle stosuje się metodę ochrony - napięcie o regulowanej wartości i fazie.

Są najczęstsze mostkowe obwody pomiarowe tangens pojemności i straty dielektryczne.

Lokalne defekty spowodowane mostkami przewodzącymi najlepiej wykrywać, mierząc rezystancję izolacji DC. Pomiar tan δ jest wykonywany za pomocą mostków AC typu MD-16, P5026 (P5026M) lub P595, które są zasadniczo miernikami pojemności (mostek Scheringa). Schemat ideowy mostu pokazano na rys. 3.

Na tym schemacie wyznacza się parametry struktury izolacyjnej odpowiadającej obwodowi zastępczemu z szeregowym połączeniem bezstratnego kondensatora C i rezystora R, dla których tg δ = ωRC, gdzie ω jest częstotliwością kątową sieci.

Proces pomiarowy polega na zbilansowaniu (balansowaniu) obwodu mostkowego poprzez sukcesywną regulację rezystancji rezystora i pojemności skrzynki kondensatora. Gdy most jest w równowadze, jak wskazuje urządzenie pomiarowe P, równość jest spełniona. Jeżeli wartość pojemności C wyrażona jest w mikrofaradach, to przy częstotliwości przemysłowej sieci f = 50 Hz będziemy mieli ω = 2πf = 100π, a zatem tan δ% = 0,01πRC.

Schemat ideowy mostka P525 pokazano na rys. 3.

Ryż. 3. Schemat ideowy mostka pomiarowego AC P525

Pomiar jest możliwy dla napięć do 1 kV i powyżej 1 kV (3-10 kV) w zależności od klasy izolacji i mocy obiektu. Jako źródło zasilania może służyć przekładnik do pomiaru napięcia. Mostek jest używany z zewnętrznym kondensatorem powietrznym C0.Schematyczny diagram włączenia sprzętu podczas pomiaru tan δ pokazano na ryc. 4.

Ryż. 4. Schemat połączeń transformatora probierczego przy pomiarze tangensa kąta strat dielektrycznych: S — przełącznik; TAB — regulacja autotransformatora; SAC — przełącznik polaryzacji dla transformatora testowego T

Stosowane są dwa mostkowe obwody przełączające: tzw. normalny lub prosty, w którym element pomiarowy P jest włączony między jedną z elektrod badanej konstrukcji izolacyjnej a ziemią oraz odwrócony, w którym jest włączony między elektrodą badanej konstrukcji izolacyjnej. obiekt i zacisk wysokiego napięcia mostu. Normalny obwód jest używany, gdy obie elektrody są odizolowane od ziemi, odwrócony - gdy jedna z elektrod jest mocno połączona z ziemią.

Należy pamiętać, że w tym drugim przypadku poszczególne elementy mostu będą pod pełnym napięciem próbnym. Pomiar jest możliwy przy napięciach do 1 kV i powyżej 1 kV (3-10 kV) w zależności od klasy izolacji i mocy obiektu. Jako źródło zasilania może służyć przekładnik do pomiaru napięcia.

Mostek jest używany z zewnętrznym kondensatorem powietrza odniesienia. Most i niezbędny sprzęt są umieszczane w pobliżu miejsca badań i instalowane jest ogrodzenie. Przewód prowadzący od transformatora probierczego T do kondensatora wzorcowego C oraz przewody łączące mostka P będące pod napięciem należy odsunąć od uziemionych obiektów na co najmniej 100-150 mm. Transformator T i jego urządzenie regulujące TAB ( LATR) musi znajdować się w odległości co najmniej 0,5 m od mostu.Mostek, obudowy transformatora i regulatora oraz jeden zacisk uzwojenia wtórnego transformatora muszą być uziemione.

Wskaźnik tan δ jest często mierzony w obszarze roboczym rozdzielnicy, a ponieważ zawsze istnieje połączenie pojemnościowe między obiektem testowym a elementami rozdzielnicy, prąd wpływający przepływa przez obiekt testowy. Prąd ten, zależny od napięcia i fazy wpływającego napięcia oraz pojemności całkowitej połączenia, może prowadzić do błędnej oceny stanu izolacji, zwłaszcza w przypadku obiektów o małej pojemności, w szczególności przepustów (do 1000-2000 pF).

Równoważenie mostka odbywa się poprzez wielokrotne dostosowywanie elementów obwodu mostka i napięcia ochronnego, dla którego wskaźnik równowagi jest zawarty albo w przekątnej, albo między ekranem a przekątną. Mostek jest uważany za zrównoważony, jeśli nie przepływa przez niego prąd z jednoczesnym włączeniem wskaźnika równowagi.

W czasie równoważenia mostu

Gde f to częstotliwość prądu przemiennego zasilającego obwód

° Cx = (R4 / Rx) Co

Wybrano stałą rezystancję R4 równą 104/π Ω W tym przypadku tgδ = C4, gdzie pojemność C4 wyrażona jest w mikrofaradach.

Jeżeli pomiar został wykonany przy częstotliwości f 'innej niż 50 Hz, to tgδ = (f '/ 50) C4

Gdy pomiar tangensa strat dielektrycznych jest wykonywany na małych odcinkach kabla lub próbkach materiałów izolacyjnych; ze względu na małą pojemność konieczne są wzmacniacze elektroniczne (np. typu F-50-1 o wzmocnieniu ok. 60).Należy zauważyć, że mostek uwzględnia straty w przewodzie łączącym mostek z badanym obiektem, a zmierzona wartość tangensa strat dielektrycznych będzie bardziej miarodajna przy 2πfRzCx, gdzie Rz — rezystancja przewodu.

Podczas pomiaru według schematu odwróconego mostka, regulowane elementy obwodu pomiarowego znajdują się pod wysokim napięciem, dlatego regulacja elementów mostka odbywa się albo na odległość za pomocą prętów izolacyjnych, albo operator jest umieszczony we wspólnym ekranie z pomiarem elementy.

Tangens kąta strat dielektrycznych transformatorów i maszyn elektrycznych mierzy się między każdym uzwojeniem a obudową z uziemionymi wolnymi uzwojeniami.

Efekty pola elektrycznego

Rozróżnij efekty elektrostatyczne i elektromagnetyczne pola elektrycznego. Wpływy elektromagnetyczne są wykluczone dzięki pełnemu ekranowaniu. Elementy pomiarowe umieszczone są w metalowej obudowie (np. mostki P5026 i P595). Oddziaływania elektrostatyczne są tworzone przez znajdujące się pod napięciem części rozdzielnic i linii elektroenergetycznych. Wpływający wektor napięcia może zajmować dowolne położenie względem wektora napięcia probierczego.

Istnieje kilka sposobów zmniejszenia wpływu pól elektrostatycznych na wyniki pomiarów tan δ:

• wyłączenie napięcia generującego pole wpływające. Ta metoda jest najskuteczniejsza, ale nie zawsze ma zastosowanie w zakresie dostaw energii do odbiorców;

• wycofanie obiektu testowego ze strefy wpływu. Cel zostaje osiągnięty, ale przetransportowanie przedmiotu jest niepożądane i nie zawsze możliwe;

• pomiar częstotliwości innej niż 50 Hz. Jest rzadko używany, ponieważ wymaga specjalnego wyposażenia;

• metody obliczeniowe wykluczania błędów;

• metoda kompensacji wpływów, w której uzyskuje się wyrównanie wektorów napięcia probierczego i pola elektromagnetycznego pola oddziaływania.

W tym celu w obwód regulacji napięcia włączony jest przesuwnik fazowy, a po wyłączeniu badanego obiektu osiągana jest równowaga mostka. W przypadku braku regulatora fazy skutecznym środkiem może być zasilanie mostka z tego napięcia układu trójfazowego (uwzględniając biegunowość), wtedy wynik pomiaru będzie minimalny. Często wystarczy przeprowadzić pomiar czterokrotnie przy różnych polaryzacjach napięcia probierczego i podłączonym galwanometrem mostkowym; Stosuje się je zarówno samodzielnie, jak i w celu poprawy wyników uzyskanych innymi metodami.