Диэлектрических потерь

Схема замещения изоляции на переменном напряжении может быть представлена как параллельное соединение конденсаторов С_Х и резистора R_Х (рис. 4.1а) независимо от того, является ли изоляция однослойной, двухслойной или многослойной, т.к. явление накопления зарядов на границе раздела двух слоев на переменном напряжении отсутствует. В сопротивлении R_Х происходит рассеивание энергии.

Отношение активной проводимости к емкостной проводимости называется тангенсом угла диэлектрических потерь и обозначается . Таким образом, для параллельной схемы замещения выразится (рис.4.1,а):

(5-6)

Из формулы (-9.6) следует, что не зависит от размеров изоляции и является косвенным показателем состояния изоляции. Диэлектрические потери пропорциональны и выражаются формулой (4-1).

Измерение при частоте 50 Гц является одним из наиболее распространенных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения, поскольку распределенные дефекты (увлажнение, ионизация газовых включений) вызывают увеличение диэлектрических потерь. Измерение значения дает представление о качестве изоляции, а характер изменения при периодических измерениях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции.

Оценка состояния изоляции по значениям предусматривается Правилами устройства электроустановок (ПУЭ) почти для всех видов изоляции. В некоторых случаях снимают зависимость от приложенного напряжения. У изоляции нормального качества значение при напряжениях до 1,5U_раб в большинстве случаев остается практически неизменным (кривая 1 на рис.9.9). Если же при повышении напряжения начинает быстро возрастать (кривая 2 на рис.9.9), то это свидетельствует об ионизации и возникновении частичных разрядов (ЧР) в газовых включениях. За счет ЧР возрастает рассеяние дополнительной энергии, что и вызывает резкий рост .

Зависимость = f(U) получила название "кривой ионизации". По ней можно ориентировочно определить напряжение U_ЧР появления ЧР. Оно определится как напряжение, при котором начинается рост .

Величину изоляции измеряют с помощью моста переменного тока Р5026 или Р5026М (моста Шеринга), принципиальная схема которого приведена на рис.9.10.

Плечами моста переменного тока являются:

С_Х, R_Х - емкость и сопротивление утечки испытуемой изоляции;

С_N - эталонный конденсатор с малыми потерями;

R₃ - регулируемый образцовый резистор;

R₄ и С₄ - нерегулируемый образцовый резистор и регулируемый образцовый конденсатор.

К одной из диагоналей моста подводится переменное напряжение (до 10 кВ). В другую диагональ включен гальванометр Г, служащий индикатором моста. Защитные разрядники Р предохраняют измерительные плечи моста в случае пробоя испытуемой изоляции. Для уменьшения ошибок измерения вследствие наводок от внешних полей мост экранируется. Изменяя величину сопротивления резистора R₃ и емкости конденсатора С₄, добиваются равновесия моста, при котором индикатор Г не отклоняется от нулевого значения. Как известно, условием равновесия моста переменного тока является равенство произведений полных сопротивлений (или полных проводимостей) противоположных плеч моста, т.е.:

(5-7)

или

Подставим в формулу (9-8) значения проводимостей каждого плеча:

и перемножим выражения в скобках:

(5-9)

Приравнивания действительные и мнимые части равенства (9-9), получим два условия равновесия моста (по амплитуде и фазе):

или (510)

или (5-11)

Учитывая, что , из уравнения (9-10) получим:

. (5-12)

Пренебрегая членом , в уравнении (9-11) найдем выражение для :

. (5-13)

Обычно берется равным Ом. Тогда , если берется в Фарадах, или , если берется в микрофарадах.

Схема измерения , показанная на рис 5.10, называется “нормальной” схемой. Она может быть использована лишь в том случае, если оба электрода испытуемого объекта изолированы от "земли". Однако в условиях эксплуатации часто один из электродов испытуемой изоляции "наглухо" заземлен и “нормальная” схема не может быть использована. В таких случаях измерение производят по так называемой "перевернутой" схеме, которая отличается от основной тем, что высокое напряжение подается в точку соединения резисторов R₃ и R₄, а заземляются точки соединения С_Х и С_N.

В "перевернутой" схеме оба измерительных плеча и индикатор Г оказываются под высоким потенциалом. Чтобы обеспечить безопасные условия работы с мостом, ручки регулируемых элементов моста (R₃, C₄ и Г) выполняются на двойное номинальное напряжение моста.

В качестве источника высокого напряжения обычно применяют измерительный трансформатор напряжения НОМ-10.

В условиях эксплуатации обеспечить хорошую экранировку испытываемой конструкции практически невозможно. Поэтому для уменьшения ошибки, обусловленной внешними влияниями, производят два измерения с изменением фазы испытательного напряжения на 180˚, а величину определяют, как средневзвешенное двух измерений, т.е.

, (5-14)

где: С_Х1 и С_Х2 – емкости изоляции по результатам первого и второго

измерений.

Измерения с изменением фазы испытательного напряжения на 180˚ дают ошибки с разными знаками, которые при усреднении результатов измерений отчасти компенсируются.

Измерение тангенса угла диэлектрических потерь обмоток трансформаторов производится между каждой обмоткой и корпусом при заземленных свободных обмотках. Измерения на трансформаторах, залитых маслом, допускается производить при напряжении, не превышающем 60% заводского испытательного напряжения измеряемой обмотки, но не выше 10 кВ.

Наибольшие допустимые значения в процентах, устанавливаемые ПУЭ [29] для обмоток трансформаторов приведены в таблице 9.3.

Таблица 5.3.

Наибольшее допустимое значениев процентах для

обмоток трансформаторов.

Примечание. Значения , указанные в таблице, относятся ко всем обмоткам данного трансформатора. Правила регламентируют также значения для изоляции высоковольтных вводов трансформаторов и трансформаторного масла [29].

Следует отметить, что величина , , измеренная на промышленной частоте, зависит не только от свойств изоляции, но и от свойств масла, залитого в трансформатор и соотношения объемов масла и твердой изоляции. Это делает критерии отбраковки изоляции по “размытыми”,оценку состояния приближенной и приводит к тому, что во многих случаях диагноз приходится ставить на основании сравнения результатов измерений с предыдущими данными. Так например, в российских энергосистемах в соответствии с рекомендациями «Объема и норм испытания электрооборудования» [25] браковочным критерием по для трансформаторов напряжением 110кВ и выше является превышение его значения на 50% по сравнению с заводскими данными. Однако, если при температуре 20^оС не превышает 1%, его сравнение с исходными данными не требуется.

В практике энергокомпаний США для силовых трансформаторов удовлетворительным считается до 1%, если =1-2%, то состояние изоляции вызывает сомнения. Если же значение >2%, то состояние изоляции плохое. Во всех случаях значения приведены к температуре 20^оС.

В заключении следует сказать, что даже приближенная оценка состояния изоляции трансформатора по величине имеет очень большое значение и измерения широко распространены во всем мире. Приборы для измерения продолжают совершенствоваться. В качестве иллюстрации можно привести выпуск малогабаритного переносного прибора типа ИТП-1М для измерения объектов с малой емкостью, например линейных изоляторов. К изолятору прикладывается пилообразное напряжение с амплитудой 1500В. Действующее значение напряжения 750В. Прибор работает от сети и от встроенных химических источников тока.