Основні теоретичні відомості

В електричному полі відбувається поляризація діелектриків, яка полягає в тому, що центр негативного заряду електронів атома зміщується в бік позитивно зарядженого електрода, а позитивно заряджене ядро прагне - до негативного електрода. Таку поляризацію називають електронною або орієнтаційною, час її здійснення – 10^-15 c. Інший вид поляризації,яка називаеться міграційною , пов'язана з переміщенням незв'язаних зарядів у середині діелектрика з однієї його ділянки в іншу і протікає за досить тривалий час, що складає декілька секунд.

Остання має практичне значення, оскільки проявляється в ізоляції конструкцій високої напруги, де використовують неоднорідні (кoмбiновaні) діелектричні матеріали: порцеляна-масло-папір-повітря та ін. У реальній ізоляції завжди присутня деяка кількість домішків, які є джерелом носіїв заряду. В змінному електричному полі в діелектрику протікають струми провідності, які на схемі (рис.6.1,б) позначені резистором, й струми зміщення, що позначені емністю С. Через ємності ΔС (рис. 6.1) та проводячи домішки r протікають струми, що мають назву струмів абсорбції, або струми поляризації. Крім того, через ізоляцію по каналах суцільної провідності протікає струм провідності, або витоку: i_пр=U/R_пр(U – напруга, прикладена до діелектрика).

а) б)

Рис.6.1. Реальна ізоляція. а – присутні домішки; б –схема заміщення ізоляції.

Протікання поляризаційних струмів приводить до розігріву діелектрика, в результаті чого електрична енергія перетворюється в тепло. Такі втрати електроенергії мають назву діелектричних втрат і виникають в основному за рахунок явища міграційної поляризації.

При змінній напрузі через ізоляцію протікає активний струм:

, (6.1)

а також ємнісний (поляризаційний) струм:

. (6.2)

Тут Т=rΔС постійна часу; ω -кутова частота (3І4 рад/с при f = 50 Гц).

На рис. 6.2 зображена еквівалентна схема заміщення діелектрика та векторна діаграма її струмів, з яких виходить, що:

tg δ = I_a/I_с . (6.3)

Рис. 6.2. Еквівалентна схема заміщення діелектрика і векторна діаграма
струмів через діелектрик.

Втрати електроенергії в ізоляції дорівнюють:

p=U∙I_c ∙tgδ= ωCU² ∙tgδ=U∙I_a . (6.4)

Фізичну інтерпретацію tgδ можна провести, виходячи з того, що реальний

діелектрик характеризується переважно діелектричними властивостями, яківизначаються емністю С':

(6.5)

та провідністю γ':

(6.6)

Доля провідникових властивостей діелектрика I_a може бути визначена з пропорції, якщо струм I_c, який визначає основні його діелектричні властивості

прийняти за одиницю: I_a – х; I_c – 1.

Звідси випливає, що tgδ=х = I_a / I_c, що вказує на долю провідникових властивостей діелектрика, якщо його діелектричні властивості прийняти за одиницю.

Таким чином, tgδ є найважливішою характеристикою електричної ізоляції, оскільки від її величини залежить, насамперед, потужність діелектричних втрат (6.4) і, відповідно, температурний режим роботи ізоляції, а також напруга теплового пробою і режим теплового старіння ізоляції.

Величина tgδ дуже чутлива до зміни якості ізоляції, і при її погіршенні спостерігається значне зростання питомої провідності γ, а значить і величини tgδ. Отже за величиноюtgδ можна зробити висновок про наявність в ізоляції забруднень або вологи.

На практиці для вимірювання tgδ і ємності ізоляції використовують міст змінного струму типу МД-І6 (міст Шерінга), який дає змогу проводити виміри за нормальною схемою, коли обидва електрода ізольовані від землі, або за перевернутою схемою, коли один з електродів об'єкта заземлений (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Схема вимірювання tgδ ізоляції за допомогою моста змінного струму типу МД-І6 (міст Шерінга).

Нормальна схема вимірювання використовується в лабораторних умовах, а також при контролі міжфазної ізоляції машин і кабеля.

Перевернута схема включення моста використовується при вимірюванні ізоляційних характеристик стаціонарного обладнання, де один з електродів переважно заземлений.

Оскільки робоча напруга моста дорівнює 5 - 10 кВ, для безпеки в роботі при нормальній схемі та захисту вимірювальних приладів застосовують розрядники FV.

Еталонний конденсатор С_N має один високовольтний (ВВ) і два низьковольтних НВ та Э виводи. Останні мають відносно слабку ізоляцію по відношенню до металевого корпуса конденсатора, тому для підсилання ізоляції вводів НВ тa Э корпус еталонного конденсатора встановлюють на ізоляторах.

Індикатором рівноваги моста є вібраційний гальванометр РА, який реагує на струм 0,1 мкА. Для запобігання пошкоджень гальванометра забороняється включення - вимкнення випробувального трансформатора (И-50 або НОМ-10) і різкого збільшення напруги при максимальній чутливості гальванометра.

Якщо ємнісний струм об'єкта при номінальній напрузі перевищує 0,1 А, треба приєднувати шунт у плече RЗ моста, що здійснюється за допомогою перемикача шунтів плеча R3, які відповідають наступним значенням струмів і опоруn шунта (табл. 6.1)

Таблиця 6.1

Розрахунок ємності об'єкта здійснюють за формулою:

(6.5)

Величину tgδ відраховують за показаннями плеча С₄ і розраховують за формулою

tgδ= ω∙ С₄ ∙R₄=10⁶ ∙С₄,

оскільки для моста підбирають співвідношення ω∙R₄= 10⁶.