Контроль диэлектрических потерь в изоляции

Измерение tg δ считается одним из основных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения, поскольку распределенные дефекты (увлажнение, ионизация газовых включений) в первую очередь вызывают увеличение диэлектрических потерь.

При измерениях контролируют абсолютную величину tg δ, изменения tg δ по сравнению с предыдущими измерениями, а в некоторых случаях, например, для изоляции электрических машин, снимают зависимость tg δ(U), иногда и при повышенных напряжениях (до 2 U_ном).

Измеренное значение tg δ в сопоставлении с нормативом дает представление о текущем состоянии изоляции, характер изменения tg δ при периодических измерениях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции в процессе эксплуатации, а рост tg δ при повышении напряжения свидетельствует о частичных разрядах в изоляции. Измерения tg δ на высоком напряжении проводят измерительными мостами переменного тока, построенными по схеме Шеринга.

Принципиальное устройство четырехплечего высоковольтного уравновешенного измерительного моста переменного тока, выполненного по схеме Шеринга, показано на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Принципиальное устройство моста Шеринга

На рис. 6.1 C_x - испытуемая изоляция, замещаемая параллельной схемой C_xR_x, C₀ - образцовый воздушный конденсатор, обладающий малыми диэлектрическими потерями, R₃ - магазин емкостей (набор образцовых резисторов), R₄ - образцовый резистор, C₄ - магазин емкостей (набор образцовых конденсаторов). Буквой Т обозначен высоковольтный трансформатор, питающий схему моста, НИ - нуль-индикатор, служащий для уравновешивания моста, FV1, FV2 - низковольтные разрядники, защищающие низковольтную часть моста при пробое испытуемой изоляции, Э - экран, роль которого объяснена далее при рассмотрении перевернутой схемы моста. Высоковольтные цепи схемы выделены красным цветом.

Отличительной особенностью моста по схеме Шеринга является высокое напряжение питания моста и достаточно хорошая сходимость моста при его уравновешивании. Последнее обстоятельство для моста переменного тока, работающего на синусоидальном напряжении и требующего для сходимости выравнивания модулей и фаз потенциалов на измерительной диагонали моста, имеет важнейшее значение.

Условием равновесия четырехплечего моста, как известно, является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч, то есть

,

, , , .

Комплексное уравнение произведения сопротивлений распадается на два вещественных уравнения, из которых получаются соотношения для C_X и tg δ:

, .

Если tg δ <0.1, то . При конкретном значении R₄ шкалу магазина емкостей C₄ можно проградуировать в единицах tg δ.

В нормальной схеме моста по рис. 6.1 оба электрода испытуемой изоляции изолированы от земли. Часто при проведении испытаний испытуемый объект имеет заземленный электрод, который сложно отсоединить от заземленных цепей, и в этих случаях для измерений используется перевернутая схема моста Шеринга, изображенная на рис. 6.2.

В случае перевернутой схемы нижние элементы схемы, изображенные красным цветом, находятся под высоким потенциалом. Поскольку все эти элементы расположены внутри заземленного корпуса, то на паразитных емкостях элементов по отношению к корпусу имеется высокое напряжение, и возникающие из-за этого паразитные токи приводят к невозможности правильного уравновешивания моста чувствительным нуль-индикатором.

Эта проблема решается установкой внутри заземленного корпуса дополнительного экрана Э, соединенного с нижней точкой моста и имеющего всегда тот же потенциал, что и измерительные элементы моста. При этом на паразитных емкостях внутри экрана напряжения и в нормальной, и в перевернутой схеме всегда очень небольшие.

Рис. 6.2. Перевернутая схема моста Шеринга

Наиболее распространенным прибором такого типа является мост Р5026, позволяющий измерять емкости изоляции от 10 пФ до 500 мкФ и тангенсы угла потерь от 0.0001 до 1.0 с погрешностями порядка единиц процентов при напряжении 10 кВ. Нередко встречаются старые модификации этого моста МД-16 и Р-595.

Для измерения угла потерь тарельчатых изоляторов существует прибор ИТП-1, позволяющий измерять tg δ в пределах 0.002..0.4 при напряжении 1.5 кВ на частоте 12.5 Гц, что обеспечивает высокую помехозащищенность измерений.

6.2. Контроль частичных разрядов

Обнаружение частичных разрядов основано на регистрации их внешних проявлений. Наибольшее распространение получил электрический метод, сущность которого состоит в регистрации скачка напряжения на изоляции Δu , происходящего при частичном разряде.

Скачок напряжения происходит за время порядка 10^-7..10^-8 с и пропорционален энергии частичного разряда.

На рис. 6.3 показана схема установки для измерения параметров частичных разрядов. Установка содержит высоковольтный трансформатор T, испытуемый объект C_X, конденсатор связи C₀, измерительный шунт Z< (резистор или катушка индуктивности), заградительный фильтр низких частот, усилитель-дискриминатор, осциллограф и счетчик импульсов.

Такая схема регистрирует скачкообразное снижение напряжения на испытуемой изоляции при каждом частичном разряде (при очень коротком импульсе частичного разряда напряжение падает на индуктивности рассеяния трансформатора) и частоту следования разрядов. C_ВХ - емкость входных цепей измерительной части установки. Если C_ВХ<< C₀, C₀<<C_X , то скачок напряжения на входе измерительной части практически равен скачку напряжения на испытуемой изоляции.

Рис. 6.3. Принцип работы установки контроля частичных разрядов

За меру интенсивности единичного частичного разряда принимают так называемый кажущийся заряд , а интенсивность многократных частичных разрядов определяется средним током частичных разрядов - число импульсов за 1 с. Поскольку импульсы разные по амплитуде, используется усилитель-дискриминатор, разделяющий импульсы по амплитуде, и далее подсчитываются импульсы каждого уровня, так что .

Опытным путем установлено, что при q =10^-16..10^-14 Кл происходит относительно медленное старение изоляции, а при q=10^-9..10^-6 Кл изоляция разрушается за очень короткое время и такие частичные разряды недопустимы даже при испытаниях повышенным напряжением.

РЕЗЮМЕ

Измерение - это один из основных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения. При измерениях контролируют абсолютную величину tg δ, изменения tg δ по сравнению с предыдущими измерениями, а в некоторых случаях снимают зависимость tg δ от напряжения.

Для измерения используют высоковольтный измерительный мост по схеме Шеринга.

Контроль частичных разрядов позволяет судить о темпах электрического старения изоляции. В электрическом методе контроля ЧР регистрируют скачок напряжения на изоляции и величину кажущегося заряда.

Контрольные вопросы

1. Какие свойства изоляции характеризует угол диэлектрических потерь?

2. Как проводят контроль изоляции измерением угла диэлектрических потерь?

3. Что означает название <четырехплечий уравновешенный мост переменного тока по схеме Шеринга>?

5. Объясните принцип работы моста Шеринга и возможности измерения угла диэлектрических потерь. Запишите уравнения равновесия моста.

6. Зачем и каким образом контролируют частичные разряды в изоляции?

ИЗОЛЯЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ ВИДОВ ОБОРУДОВАНИЯ КОНТРОЛЬ ПОВЫШЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ. ИСПЫТАНИЯ