Предварительные сведения. Поляризация диэлектриков

Поляризация диэлектриков. В результате воздействия внешнего поля на диэлектрик в нем создается особое напряженное состояние, именуемое электрической поляризацией. Различают несколько видов поляризации:

электронная – возникновение несимметричности атомов под воздействием электрического поля. Подобная поляризация возможна и для молекул;

дипольная – приобретение, по направлению внешнего поля, составляющего момента у дипольных молекул;

внутрислоевая – накопление (абсорбция) зарядов в пограничных слоях, имеющих отличающиеся проводимости и диэлектрические проницаемости.

Степень поляризации емкости оценивается по разности заряда такой же емкости но при наличии вакуума вместо диэлектрика между обкладками.

Процессы поляризации в диэлектриках совершаются в течение некоторого конечного времени, а при приложении переменного тока повторяются каждый полупериод.

Внутрислоевая поляризация – это медленный процесс, соизмеримый по времени с частотой переменного тока 50 Гц или превышающий его, если изоляция сухая. При сильном увлажнении диэлектрика постоянная времени внутри слоевой поляризации резко уменьшается. Следовательно, исследование абсорбции в какой-то мере может характеризовать состояние изоляции. При медленной поляризации энергия поляризации возвращается источнику питания не полностью, и часть ее рассеивается в виде тепла. Помимо указанных затрат энергии, возможны дополнительные потери, если возник ток сквозной проводимости. Отражая описанные явления, можно составить электрическую схему замещения диэлектрика (рис. 2.1).

Все потери в диэлектрике, рассеиваемые при приложении к нему переменного напряжения, называются диэлектрическими потерями. Обычно потери от проходящих через диэлектрик токов сквозной проводимости по сравнению с потерями на поляризацию малы и имеют значение лишь при весьма большом увлажнении или больших положительных температурах. Векторная диаграмма токов, проходящих через диэлектрик при приложении переменного напряжения, представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.1. Схема замещения диэлектрика

- геометрическая емкость (емкость вакуума и мгновенной поляризации);

– сопротивление сквозной проводимости; и – цепочка абсорбирующей

составляющей и потерь диэлектрика; – цепочка, в которой возможны потери из-за ионизации при наличии искрового промежутка S.

Как видно из диаграммы, диэлектрические потери обуславливают наличие активной составляющей токов , в силу чего сдвиг фаз между напряжением U и током отличается от 90° на угол δ, называемый углом диэлектрических потерь. Чем больше угол δ, тем больше энергия рассеивания и, следовательно, диэлектрик менее качествен, а это может вызвать в свою очередь перегревы.

Полные потери в диэлектрике составляют:

,

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику; – емкость объекта; – реактивная составляющая .

Исходя из этих соотношений и векторной диаграммы, состояние изоляции можно характеризовать величиной .

В практике измерений, чтобы не оперировать малыми цифрами, абсолютное значение tgδ в основном принято выражать в процентах:

tg δ % = 100tg δ.

Рис. 2.2. Векторная диаграмма токов, проходящих через диэлектрик при приложении переменного напряжения

- ток, обусловленный мгновенной поляризацией; – ток абсорбционной

составляющей (замедленной поляризации); – ток сквозной проводимости.

Из рассмотрения эквивалентной схемы можно сделать ряд выводов:

- при увлажнении диэлектрика или нагреве его сопротивления и уменьшаются и, следовательно, tgδ возрастает;

- все измерения необходимо выполнять при определенной установленной частоте переменного тока;

- угол диэлектрических потерь почти не зависит от геометрических размеров однородного диэлектрика в силу пропорциональности изменения активной и реактивной составляющих токов;

- местный, а также сосредоточенный дефекты ухудшения диэлектрика, например при увлажнении, могут быть не выявлены при измерении tgδ, так как токи, определяемые дефектом, могут оказаться значительно меньшими токов емкости в целом;

- по мере увеличения приложенного напряжения к диэлектрику отмечается весьма незначительное изменение tgδ. Лишь, после того как возникает ионизация во включениях диэлектрика, вызывающая дополнительные потери, tgδ будет резко возрастать;

- при отрицательных температурах, когда влага в диэлектрике переходит в твердое состояние, состояние изоляции по потерям трудно распознаваемо.

При эксплуатационных измерениях угла диэлектрических потерь одновременно измеряется и емкость, которая также в известных пределах может служить показателем состояния диэлектрика. При значительном увлажнении диэлектрика изменяется характер релаксационного процесса и, следовательно, по емкости, возможно судить о состоянии изоляции. Так, измеряя емкость, устанавливается объемное увлажнение или загрязнение, при котором изменяется диэлектрическая постоянная и, следовательно, значение емкости, старение материала.

Значение tgδ изоляции может быть измерено с помощью моста переменного тока, схема которого показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Принципиальная схема моста переменного тока

для измерения емкости и tgδ изоляции

Из условия равновесия моста следует, что:

и , (3)

где и – емкости соответственно испытуемой изоляции и эталонного конденсатора.

В мостах для измерения tgδ при частоте 50 Гц сопротивление принимается равным , или 3184 Ом, поэтому . Таким образом, tgδ численно равно емкости , выраженной в микрофарадах. В связи с этим шкалы ручек (курбелей) емкости снабжают делениями, непосредственно указывающими значение измеряемого tgδ, %.

Благодаря относительной простоте измерения tgδ и сильной зависимости tgδ от количества загрязнения в изоляции контроль изоляции оборудования высокого напряжения по значению tgδ стал одним из основных и самых распространенных методов проверки состояния изоляции на заводах – изготовителях и в энергосистемах.

Измерения tgδ изоляции при профилактических испытаниях обычно выполняют при напряжении 10 кВ независимо от номинального напряжения оборудования, если кВ. О состоянии изоляции судят по абсолютному значению tgδ.

Для изоляции электрооборудования высокого напряжения нормируются предельные допустимые значения tgδ. Поскольку tgδ зависит от температуры изоляции, эти нормы задаются для определенной температуры.

При испытаниях изоляции в лабораториях, имеющих стационарные источники высокого напряжения, определяют зависимость в интервале (ранее эту зависимость называли кривой ионизации).

У изоляции нормального качества tg δ в указанном интервале практически не зависит от напряжения (рис. 2.4, кривая 1). Если же, начиная с некоторого напряжения , наблюдается значительный рост tg δ (рис. 2.4, кривая 2), то это означает появление в изоляции частичных разрядов, сопровождающихся рассеянием дополнительной энергии. Частичные разряды, например, в газовых включениях, могут постепенно разрушить изоляцию до полного пробоя. Поэтому изоляция пригодна для дальнейшей эксплуатации только при условии >

Рис. 2.4. Характерные зависимости

1 – в изоляции частичные разряды отсутствуют; 2 – в изоляции возникают частичные разряды при напряжении

Оценка напряжения по зависимости является приближенной. Для точного определения используют специальные измерительные установки, непосредственно измеряющие уровень частичных разрядов.

Для измерения tgδ в условиях эксплуатации используются переносные мосты, которые позволяют проводить измерения как по «нормальной» схеме (рис. 2.5,а), когда оба электрода испытуемой изоляции могут быть изолированы от земли, так и по перевернутой схеме (рис. 2.5,б), когда один из электродов заземлен. В «перевернутой» схеме измерительная часть моста ( индикатор равновесия ИР и т. д.) находятся под высоким потенциалом.

Для обеспечения безопасных условий работы в переносных мостах предусмотрена изоляция ручек (курбелей) регулируемых элементов и общий заземленный кожух, закрывающий те части моста, которые могут находиться под высоким напряжением (не более 10 кВ). На случай пробоя испытуемой изоляции в мостах устанавливаются защитные разрядники Р, которые, срабатывая, защищают элементы моста от токов короткого замыкания.

В качестве источников напряжения для мостов используют трансформаторы высокого напряжения Тр, например трансформаторы типа НОМ-10.

Мосты для измерения tgδ обладают высокой чувствительностью, поэтому на их работу могут сильно влиять внешние электрические и магнитные поля. Чтобы ограничить до минимума это влияние все элементы мостов, включая эталонный конденсатор, тщательно экранируют.

Рис. 2.5. Схемы мостов для измерения tgδ изоляции

а – «нормальная» или прямая схема; б – «перевернутая» схема

Экранировать сам объект, подвергаемый испытаниям, в условиях эксплуатации невозможно. Поэтому в реальных условиях при измерении tgδ на действующем оборудовании, избежать внешних влияний не удается. Поэтому применяют дополнительные методы отстройки от помех: измерение с питанием схемы от фазосдвигающих схем, либо фазорегуляторов; измерения на других частотах питающего напряжения не кратных 50, с последующим пересчетом на 50 Гц.

Задание на измерения

Перед началом работы необходимо:

- ознакомиться со схемой установки, на которой будут выполняться измерения, с расположением отдельных элементов схемы.

- изучить инструкции по работе с измерительными приборами, используемыми на данной установке.

- измерить по «нормальной» и «перевернутой» схеме (рис. 2.5) tgδ и емкость основной и дополнительной изоляции ввода 110 кВ.

- измерить по «нормальной» (рис. 2,5) схеме tgδ и емкость конденсатора делителя воздушного выключателя.

- сравнить результаты измерений с нормативными (прил. 2), сделать анализ.

2.3. Контрольные вопросы

1. Какие дефекты в изоляции можно обнаружить с помощью измерения tgδ?

2. Почему при возникновении частичных разрядов в изоляции наблюдается значительный рост tgδ?

3. Выведите формулу (3) из условия равновесия моста переменного тока.

4. Для чего принимается сопротивление резистора Ом в мосту переменного тока?

5. Приведите примеры применения «нормальной» и «перевернутой» схемы моста (рис. 2,5) для измерения tgδ изоляции электрооборудования.