Задача № 3.

Методы профилактического контроля внутренней изоляции высоковольтного оборудования по абсорбционным явлениям и по тангенсу угла диэлектрических потерь

Условие задачи и исходные данные. Внутренняя изоляция высоковольтного оборудования состоит из двух слоев имеющих в установившемся режиме соответственно сопротивление утечкиR₁, R₂ и емкости слоев С₁ и С₂.

Требуется по характеру изменения тока абсорбции и значению сопротивления изоляции в исходном состоянии изоляции и при уменьшении сопротивления первого слоя в 100 раз (0,01R¹) дать заключение о качестве изоляции и определить допустимость степени увлажнения.

Тангенс угла диэлектрических потерь при температуре

Т₀=20⁰С равен— tgδ₀; коэффициент, характеризующий температурную зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры, равен – α.

Требуется рассчитать и построить графики зависимости тангенса диэлектрических потерь и мощности потерь в диэлектрике при изменении температуры от 200С до 1000С и приложении переменного напряжения U = 10 кВ с частотой 50 Гц.

Значения всех переменных параметров для соответствующих

вариантов приведены в табл. 4.1Т аблица 4.1

Примечание. Например, при цифре шифра 1 сопротивление

R₁ = 110•10⁶ Ом.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАЧИ № 3

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

В процессе эксплуатации высоковольтного оборудования из-за перегрева, увлажнения, механических повреждений и перенапряжений происходит общее старение изоляции. В изоляции возникают распределенные и местные (сосредоточенные) дефекты. Постепенно развиваясь, эти дефекты способны настолько снизить пробивное или разрядное напряжение, что изоляция может не выдержать перенапряжений, время от времени появляющихся в электрических системах, или даже рабочего напряжения [1; 2; 9; 10].

В большинстве случаев эти дефекты не могут быть обнаружены путем простого осмотра изоляции и для их выявления необходимы специальные методы испытаний, которые называются профилактическими.

Группа профилактических методов контроля изоляции, при которых используются по сравнению с рабочими малые напряжения и различные косвенные способы оценки характеристик изоляции называется неразрушающие испытания. Другую группу испытаний с использованием напряжения, повышенного по сравнению с рабочим и вызывающего ускоренное разрушение изоляции в дефектном месте, называют разрушающими испытаниями.

Для каждого вида изоляции характерны определенные виды дефектов и применяются различные методы профилактических испытаний. Периодичность и нормы испытаний устанавливаются стандартами и ведомственными инструкциями для каждого вида электрооборудования.

Согласно существующим представлениям основной причиной старения внутренней изоляции при воздействии сильных электрических полей являются так называемые частичные разряды (ЧР). ЧР возникают в газовых включениях или прослойках жидкого диэлектрика. Скорость разрушения изоляции зависит от интенсивности ЧР. Регистрация интенсивности ЧР во время эксплуатации высоковольтного оборудования и в лабораторных условиях проводится с помощью электрических, оптических и ультразвуковых методов.

Проникновение в изоляцию из окружающей среды влаги, различных примесей и кислорода значительно ускоряют процессы старения изоляции.

При неразрушающих методах испытаний для оценки качества изоляции используются измерения характера изменения характеристик диэлектриков во времени, от частоты испытательного напряжения и от температуры.

В качестве внутренней изоляции высоковольтного оборудования очень часто применяются комбинации диэлектриков, сочетание которых позволяет получить наиболее благоприятные свойства изоляционной конструкции. В частности, очень большое распространение получила слоистая изоляция, в состав которой входят пропитанные маслами волокнистые материалы типа бумаги (кабели, конденсаторы, трансформаторы и др.).

Ухудшение качества слоистой изоляции в большинстве случаев происходит путем более или менее однородного изменения свойств одного из слоев, тогда как характеристика других слоев остаются практически неизменными. Это приводит к изменению неоднородности изоляции. По характеру этого изменения можно судить о состоянии изоляции.

В простейшем случае неоднородная изоляция состоит из двух слоев, каждый из которых характеризуется своей удельной

Рис. 4.1. Модель двухслойного диэлектрика

проводимостью слоев γ и диэлектрической проницаемостью ε. Модель двухслойного диэлектрика представлена на рис. 4.1.

Для анализа процессов в модели двухслойной изоляции можно использовать схемы замещения, показанные на рис. 4.2. В схеме на рис. 4.2, а сопротивление утечки первого и второго слоев в уста

вившемся режиме соответственно равны:

R₁ = d₁ / γ₁ S и R₂ = d₂ / γ₂ S, (4.1)

а емкости этих слоев равны

С₁ = ε₀ ε₁ S / d₁ и С₂ = ε₀ ε₂ S / d₂. (4.2)

Здесь γ₁ и γ₂ – удельные проводимости слоев;

ε₀ = 8,85•10^–12 Ф/м — электрическая постоянная;

ε₁ и ε₂ – диэлектрические проницаемости слоев;

d₁ и d₂ – толщина слоев;

S – площадь электродов и границы между слоями.

При подключении диэлектрика к источнику с постоянным напряжением, кроме постоянного тока утечки из-за миграционной поляризации диэлектриков, в течение непродолжительного времени наблюдается так называемый ток абсорбции. Со временем ток абсорбции спадает до нуля по экспоненциальному закону. В процессе старения изоляции, например увлажнении одного из слоев, ток абсорбции уменьшается.

Это обстоятельство используется для контроля состоянияизоляции.

Рис. 4.2. Схема замещения двухслойного диэлектрика

Схема представленная на рис. 4.2, б эквивалентна схеме на рис. 4.2, а. В этой схеме замещения:

сопротивление утечки всей изоляции в установившемся ре-

жиме

R = R₁ + R₂, (4.3)

геометрическая емкость изоляции

С_r = С₁ С₂ /(С₁ + С₂ ). (4.4)

Ветвь «r — ΔС» отражает накопление заряда абсорбции, параметры ее определяются из условия равенства полных сопротивлений обеих схем замещения:

r = R₁R₂ (R₁ + R₂ )(С₁ + С₂)² /(R₁С₁ – R₂С₂)²; (4.5)

ΔС = (R₁С₁ – R₂С₂)² / (R₁ + R₂)² (С₁ + С₂). (4.6)

Если изоляция однородна, т.е. R₁С₁ = R2С2 или ε₁ /γ₁ = ε₂ /γ₂, то

r = ∞ и ΔС = 0, т.е. заряд абсорбции в этом случае не накапливается.

Из схемы замещения на рис. 4.2, б следует, что при подключении неоднородной изоляции к источнику постоянного напряжения ток, проходящий через изоляцию (без учета кратковременного тока заряда геометрической емкости Сr), изменяется во времени в соответствии с выражением

I(t) = (U/R) + (U/r)ехр (–t/τ), (4.7)

где τ = rΔС = R₁R₂ (С₁ + С₂) /(R₁ + R₂). (4.8)

При этом изменяется и сопротивление изоляции

R(t) = U/I(t) = R/[1+(R/r)exp(–t / τ)]. (4.9)

Как следует из (4.8) и (4.9), пределы и скорость изменения

R(t) определяются всеми параметрами обоих слоев изоляции.

При сильном увлажнении, загрязнении или растрескивании изоляции из-за различной способности материалов к увлажнению или загрязнению объемное сопротивление одного из слоев резко падает. Диэлектрическая проницаемость при этом увеличивается незначительно.

Вследствие этого сопротивление утечки изоляции R(t) и постоянная времени τ уменьшаются.

На практике оценка состояния изоляции производится по значениям сопротивления R(t), измеренным через 15 с и 60 с после включения постоянного напряжения. В качестве источника постоянного тока используются переносные приборы мегаом-метры, имеющие напряжение 500, 1000 или 2500 В. Заключение о качестве изоляции делается по значению R₆₀ и коэффициенту абсорбции

kабс= R₆₀ /R₁₅. (4.10)

Для изоляции в нормальном состоянии характерны высокие значения R60 (не менее 1 МОм на 1 кВ номинального напряжения).

Опытным путем установлено, что R₆₀ /R₁₅<1,3 изоляция недопустимо увлажнена.

Если к двухслойному диэлектрику прикладывается переменное напряжение, то оказывается, что емкость неоднородного диэлектрика зависит от частоты.

Данная зависимость выражается формулой

С(ω ) = Сr + ΔС /(1+ω2 τ 2), (4.11)

где ω — круговая частота приложенного напряжения.

Контроль степени увлажнения при переменном токе производится путем измерения емкости изоляции на различных частотах. Емкость изоляции с ростом частоты изменяется тем сильнее, чем больше степень неоднородности изоляции, т.е. чем больше степень увлажнения.

На практике измерения емкостей производятся с помощью приборов контроля влажности (ПКВ) при двух частотах: 2 Гц и 50 Гц.

Заключение о степени увлажнения изоляции делают по значению отношения С₂ /С₅₀ или ΔС /С_r.

На основе опыта установлено, что для изоляции в нормальном состоянии допустимые значения составляют

С₂ /С₅₀ ≤ 1,2 ч 1,3.

Изоляция недопустимо увлажнена, если измеренные значения различаются более, чем в 1,3 раза, т.е. если С₂ /С₅₀>1,3.

Под воздействием переменного напряжения в диэлектрике возникают токи проводимости и смещения, которые обуславливают так называемые диэлектрические потери. Величина диэлектрических потерь является хорошим показателем состояния диэлектрика, так как появление всякого рода примесей, газовых включений и увлажнения диэлектриков приводят к заметному их увеличению.

Мощность потерь в диэлектрике при неизменной температуре равна

Р = U2 ωСtgδ, (4.12)

т.е. мощность потерь пропорциональна тангенсу угла диэлектрических потерь.

В связи с этим, в качестве количественного показателя, характеризующего потери в диэлектрических материалах на переменном напряжении, на практике используется не непосредственно угол диэлектрических потерь δ = 900 – ψ, а его тангенс — tgδ.

Напомним, что ψ – угол фазового сдвига между током и напряжением в диэлектрике.

Величину тангенса диэлектрических потерь tgδ при профилактических испытаниях обычно измеряют с помощью моста переменного тока (моста Шеринга) при напряжении 10 кВ независимо от номинального напряжения, если U_ном>10 кВ.

В лабораториях определяют зависимость tgδ = f (U) в интервале (0,5ч1,5)U раб. У изоляции нормального качества значение tgδ при напряжении до 1,5 U раб в большинстве случаев остается практически неизменным. Если же при повышении напряжения tgδ начинает быстро возрастать, то это свидетельствует о возникновении частичных разрядов в газовых включениях, которые приведут к ухудшению свойств изоляции.

Отметим, что диэлектрические потери пропорциональны частоте приложенного напряжения. Измерение tgδ при частоте 50

Гц является одним из наиболее распространенных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения.

Оценка состояния изоляции по значениям tgδ предусматривается Правилами устройств электроустановок (ПУЭ) почти для всех видов изоляции.

В справочниках и ПУЭ даны нормированные значения tgδ0 в абсолютных значениях или в процентах для диэлектрических материалов и отдельных видов электрооборудования.

Удельная проводимость γ диэлектриков, а, следовательно, и tgδ, достаточно сильно зависит от температуры, тогда как диэлектрическая проницаемость в небольшом интервале температур можно считать независящей от температуры. От tgδ зависит мощность диэлектрических потерь и, следовательно, температурный режим работы изоляции. Для большинства материалов зависимость tgδ = f (T) может быть хорошо описана экспоненциальным законом

tgδ = tgδ_о⋅ ехр[α (Т – Т0], (4.13)

где tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь при температуре Т;

tgδ₀ — тоже при температуре Т₀;

α – постоянный коэффициент, характеризующий материал.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ОФОРМЛЕНИЯ ЗАДАЧИ

3.1.В расчетно-пояснительной записке привести условие задачи и исходные данные выбранного варианта. Нарисовать обе схемы замещения двухслойного диэлектрика.

3.2. По формулам (4.3) – (4.6) вычислить параметры схемы замещения (рис.4.2, б) по данным, приведенным в табл. 4.1 и при уменьшении значения R1 в сто раз.

3.3. По формуле (4.9) определить сопротивление изоляции при приложении постоянного напряжения в течение 60 и 15 с, когда R₁ соответствует табл. 4.1 и 0,01 R₁.

3.4. Вычислить коэффициент абсорбции по формуле (4.10) и по коэффициенту абсорбции и значению сопротивления R60 сделать заключение о состоянии изоляции, когда R₁ соответствует табл. 4.1 и 0,01 R₁.

3.5. По формуле (4.13) рассчитать зависимость tgδ от температуры с шагом 20_оС. Результаты привести на графике.

3.6. Рассчитать по формуле (4.12) и изобразить графическую зависимость мощности потерь от температуры. Расчетные точки взять из пункта 3.5.