Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают? Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

2.2. Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям
подразделяют на четыре основных вида:

1. потери на электропроводность;

2. релаксационные потери;

3. ионизационные потери;

4. резонансные потери.

2.2.1. Потери на электропроводность

Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих
заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Если при этом потери
от других механизмов несущественны, то частотные зависимости  могут быть получены при
использовании параллельной эквивалентной схемы замещения реального диэлектрика.
Они показаны на рис. 2.2, а. Диэлектрические потери этого вида не зависят от
частоты приложенного напряжения;  уменьшается с частотой по гиперболическому
закону.

Рис. 2.2. Частотные (а) и
температурные (б) зависимости потерь на электропроводность

Значение тангенса угла диэлектрических потерь при данной частоте
может быть вычислено по формуле:

если известно удельное сопротивление , измеренное на
постоянном токе, и ,
измеренная при данной частоте. Потери сквозной электропроводности возрастают с
ростом температуры по экспоненциальному закону:

где  – постоянные материала.

В зависимости от температуры  изменяется по тому же закону, так как можно
считать, что реактивная мощность  от температуры практически не зависит.

2.2.2. Релаксационные потери

Релаксационные потери обусловлены активными составляющими
поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков, обладающих замедленными
видами поляризации, и проявляются в области достаточно высоких частот, когда
сказывается отставание поляризации от изменения поля. Рассмотрим происхождение
релаксационных потерь на примере дипольно-релаксационной поляризации полярных
жидкостей, где физическая картина более проста и отчётлива.

При воздействии на диэлектрик синусоидального напряжения высокой
частоты дипольные молекулы не успевают ориентироваться в вязкой среде и
следовать за изменением поля. Отстаивание поляризации можно охарактеризовать
зависимостями, показанными на рис. 2.3, а. Оно выражается в появлении некоторого
угла фазового запаздывания  между поляризованностью диэлектрика  и напряженностью поля.

Рис. 2.3. Пояснение механизма
релаксационных потерь в диэлектриках

С помощью кривых рис. 2.3, а легко показать, что зависимость  при наличии фазового
сдвига между ними имеет форму эллипса (рис. 2.3, б). Интеграл по замкнутому
контуру 0-б-г-е-0, т. е. площадь петли переполяризации, характеризует энергию,
затрачиваемую электрическим полем на поляризацию единицы объема диэлектрика за
один период:

При неизменной напряженности поля площадь петли зависит от
амплитудного значения поляризованности  и угла фазового сдвига , которые в свою очередь
определяются соотношением времени релаксации  и периода изменения поля. Если выполняется
условие , то за
время каждого полупериода поляризации получает полное развитие, ее отставание
от изменения поля практически отсутствует. При этом эллипс, характеризующий
зависимость ,
вырождается в прямую линию (рис. 2.3, в), т. е. . Таким образом, если нет запаздывания поляризации
по отношению к полю, то нет и релаксационных потерь.

В противоположном случае, когда , релаксационная поляризация выражена очень
слабо, т. е. средний угол поворота диполей за короткое время полупериода
оказывается весьма незначительным. Поэтому потери энергии за период будут также
малы (рис. 2.3, г). Максимуму потерь соответствуют такие условия, при которых
период изменения поля сравним со временем установления поляризации  (рис. 2.3, б).

Рассмотренный механизм релаксационных потерь позволяет объяснить
температурную и частотную зависимости , которые отличаются наличием
взаимосвязанных максимумов (рис. 2.4, а, б).

При низкой температуре из-за большой вязкости жидкого диэлектрика
велико время релаксации поляризации (), возможности поворота диполей в вязкой
среде крайне ограничены. Поэтому амплитудное значение поляризованности  оказывается
незначительным; соответственно, мал и тангенс угла диэлектрических потерь. С
повышением температуры вязкость жидкости уменьшается, а время релаксации
приближается к времени периода изменения поля. Дипольно-релаксационная
поляризация получает большее развитие, благодаря чему возрастает . При еще более высоких
температурах время релаксации становится существенно меньше времени периода
изменения напряженности поля. Поэтому практически исчезает запаздывание
поляризации относительно поля (т. е. уменьшается угол отставания по фазе ) и уменьшаются
релаксационные потери.

Рис. 2.4. Особенности
релаксационных потерь в диэлектриках

С повышением частоты максимум  смещается  в область более высокой
температуры. Это связано с тем, что при меньшем времени полупериода
инерционность поворота диполей будет сказываться даже при малых , т.е. при более высоких
температурах.

На рис. 2.4, б приведены два максимума частотной зависимости  при двух температурах;
ещё раз подчеркивается различие в частотных зависимостях  и активной мощности  (на рисунке кривая  дана только для температуры
). Возрастание
потерь с ростом частоты обусловлено усиливающимся отставанием поляризации от изменения
поля (возрастает угол ).
Когда же частота становится настолько велика, что , дипольно-релаксационная поляризация
выражена очень слабо, т.е. амплитудное значение поляризованности  оказывается
незначительным. Поэтому малы потери энергии за период , а соответственно мало значение , характеризующего эти
потери. Однако на высоких частотах велико число циклов поляризации диэлектрика
в единицу времени и активная мощность, выделяющаяся в диэлектрике, остается
практически постоянной, несмотря на уменьшение  с ростом частоты, что находится в соответствии
с формулой (2.6).

На рис. 2.4, в показано взаимное расположение частотных зависимостей
трех параметров диэлектрика  и  характеризующих дипольно-релаксационную
поляризацию. Этот рисунок представляет собой выборку узкого частотного
диапазона из широкого спектра частот.

Рис. 2.4, г–е характеризует изменение потерь с учетом вкладов
релаксационного механизма и электропроводности диэлектрика.

Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с
ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации.

Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в
материалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно
введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств. Случайными
примесями в диэлектрике могут быть, в частности, полупроводящие вещества,
например, восстановленные окислы, образовавшиеся в диэлектрике или попавшие в него
в процессе изготовления. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков
и особенностей содержащихся в них компонентов не существует общей формулы
расчета диэлектрических потерь [1, 2].

2.2.3. Ионизационные потери

Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном
состоянии. Механизм этого вида потерь приведен далее при рассмотрении
диэлектрических потерь в связи с агрегатным состоянием вещества.

2.2.4. Резонансные потери

Резонансные потери наблюдаются в некоторых газах при строго определенной
частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля.
Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных
колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных
колебаний твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости  характерно
и для резонансного механизма потерь, однако при изменении температуры максимум
не смещается.

Удельные диэлектрические потери и угол диэлектрических по­терь. Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощае­мую в диэлектрике под действием приложенного напряжения. Поте­ри мощности вызываются электропроводностью и медленными поля­ризациями. Если в диэлектрике имеют место газовые включения (поры), то при работе его на высоких напряжениях и высоких часто­тах происходит ионизация газа в порах, что вызывает потери на ио­низацию.

При включении на постоянное напряжение конденсатора, между электродами которого находится диэлектрик, через него проте­кает падающий со временем ток, равный I=Ic+Ick (рис. 7.16, а).

Ток смещения (емкостный ток) Iс вызван смещением электрон­ных оболочек атомов, ионов, молекул, т. е. процессом установления быстрых, упругих поляризаций; он спадает в течение 10-16-10-15с, а поэтому практически не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции Iабс обусловлен сме­щением связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызы­вает рассеяние энергии в диэлектрике, диэлектрические потери.

Сквозной ток утечки Iск вызван перемещением свободных заря­дов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем и вызывает потери, аналогичные потерям по закону Джоуля-Ленца в проводниках.

Следовательно, на постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т. е. при включении конденсатора.

На переменном напряжении Iабс имеет место, если время релак­сации процесса медленной поляризации меньше или соизмеримо с полупериодом приложенного напряжения (τ<Т/2). В этом слу­чае мощность, рассеиваемая в диэлектрике под воздействием на него электрического поля – диэлектрические потери, обусловливае­мые токами Iск и Iабс, наблюдаются в течение всего времени прило­жения напряжения.

На рис. 7.16, б приведена диаграмма токов, протекающих через конденсатор с диэлектриком на переменном напряжении. Емкостный ток Iс опережает напряжение U по фазе на угол 90° и поэтому не создает потерь мощности в диэлектрике. Ток абсорции Iабс определяется поляризациями, процесс установления которых свя­зан с потерями энергии. Поэтому он имеет реактивную Iра и ак­тивную Iаа составляющие. Сквозной ток Iск совпадает по фазе с при­ложенным напряжением. Суммарный ток I имеет реактивную Iр= Ic+Ipa и активную Iа=Iаа+Icк составляющие и опережает напряжение на угол φ<90°. Угол δ, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи, назы­вают углом диэлектрических потерь.

Рис. 7.16. Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени на постоянном напряжении (а) и векторная диаграмма токов, протекающих через диэлектрик на переменном напряжении (б).

Из векторной диаграммы токов следует, что

tg δ = Ia/Ip, (7.12)

где tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь, который является важным параметром, характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и вы­соких напряжений, значение tg δ не должно превышать 10-3-10-4. Значение tg δ диэлектриков, предназначенных для работы в менее ответственных условиях, допускается много большей.

Если емкость конденсатора С (Ф), то реактивный ток равен Iр=UωC, где U – приложенное напряжение. В; ω=2πƒ – угло­вая частота, рад/с; ƒ – частота приложенного напряжения, Гц. Следовательно, активная составляющая суммарного тока Iа равна Iа=Iptgδ–UωCtgδ. Тогда мощность Pа=UIa (Вт), выделяю­щихся в конденсаторе диэлектрических потерь равна

Pa=U2ωCtg δ. (7.13)

Подставив в (7.13) значение емкости плоского конденсатора, рассчитываемой по (7.7), и приняв S=1 м2, h=1 м, получим формулу для расчета удельных диэлектрических потерь (Вт/м3):

Pауд =5,56.10-11 E2εrƒtgδ, (7.14)

где Е – напряженность электрического поля, В/м; εr tg δ = εr» – коэффициент диэлектрических потерь; σа=5,56·10-11εr»ƒtgδ – проводимость диэлектрика на переменном напря­жении частоты ƒ, См·м-1.

Измерение tg δ на частоте 50 Гц производят по той же стандарти­зованной методике, которая применяется для измерения электри­ческой емкости с помощью четырехплечего моста.

Рис. 7.17. Зависимость tgδ от напряжения для диэлектрика с газовыми включениями.

Диэлектрические потери в газо­образных диэлектриках. В слабых электрических полях диэлектричес­кие потери в газах обусловливаются электропроводностью. Сквозной ток утечки Ick, протекающий через кон­денсатор с газовым диэлектриком, весьма мал и tg δ для такого конденсатора при 50 Гц обычно не более 10-7.

Если диэлектрическим материа­лом в конденсаторе служит ди­электрик с газовыми включениями, то при росте напряжения в них начинается ионизация газа. Энергия, затрачиваемая на ионизацию, называется потерями на ионизацию. Потери на ионизацию Pаи можно рассчитать по приближенной формуле Раи=Af(U-Uи)3, где А – коэффициент, который зависит от размера, фор­мы и расположения газового включения, плотности газа и диэлект­рической проницаемости диэлектрика; ƒ – частота приложенного напряжения; U – рабочее напряжение; UИ – напряжение, при котором в газовых включениях начинается ионизация.

Зависимость tg δ от напряжения приведена на рис. 7.17, кото­рую называют кривой ионизации, а точку С – точкой ионизации.

Если при увеличении U напряженность электрического поля в воздушном включении достигнет пробивного значения, то происхо­дит разряд, пробой. Такие разряды в воздушном включении называ­ют частичными разрядами. Обычно изоляция электрических ма­шин и аппаратов, кабелей и других устройств содержит воздушные включения разных размеров. Ионизация сначала возникает в круп­ных (большого объема) включениях и сростом напряжения развива­ется в более мелких. Поэтому с ростом напряжения tgδ увеличива­ется, достигая максимума при напряжении Uм=2Uи. Если все воздушные включения ионизированы, то энергия на ионизацию новых включений больше не требуется и сростом напряжения tgδ уменьшается.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. В неполярных жидкостях диэлектрические потери вызваны электропроводностью. Поэтому tgδ определяется I_ск (рис. 7.16, б), значение которого пря­мо пропорционально удельной проводимости σ диэлектрика. Проводимость экспоненциально увеличивается с ростом тем­пературы [см. (7.2)], также изменяется и tgδ жидкого диэлектрика при нагреве (рис. 7.17).

С ростом частоты увеличивается емкостный ток I_c, протекаю­щий через диэлектрик, а активный ток сквозной утечки I_сk остается постоянным. Следовательно, [см. (7.12)] tgδ неполярного жидкого диэлектрика с ростом частоты уменьшается (рис. 7.17, б). В полярных жидких диэлектриках потери вызваны электро­проводностью и поляризацией, которые обусловливают значение токов I_сk и I_абс (рис. 7.16,б).

При низких температурах вязкость диэлектрика так велика, что диполи «заморожены», не ориентируются в электрическом поле и дипольная поляризация не происходит.

Проводимость диэлектрика при низких температурах мала, а поэтому невелики Iск и вызывае­мые им диэлектрические потери. Поэтому tg δ жидкого полярного диэлектрика при низких температурах имеет небольшое значение (рис. 7.17, а, пунктирная линия). С ростом температуры вязкость диэлектрика уменьшается, время релаксации полярных молекул становится меньше и они вовлекаются в процесс поляризации. Ори­ентация (поворот молекул в поле в результате преодоления межмо­лекулярных сил) происходит с «трением». На работу против сил трения затрачивается энергия электрического поля, которая и рас­сеивается в диэлектрике, активная составляющая Iаа тока абсорб­ции Iабс увеличивается и tg δ диэлектрика растет (рис. 7.17, а), При температуре Тм вязкость диэлектрика уменьшается до такого значения, что время релаксации и полупериод (T/2= 1/2ƒ) приложенного напряжения становятся одинаковыми. Полярные молеку­лы в течение одного полупериода поворачиваются на максимальный угол, а в течение другого полупериода, где направление элект­рического поля противоположно, ориентируются в другом направле­нии. Таким образом, полярная молекула, непрерывно следуя за изменением электрического поля, поворачивается на максимальный угол, диэлектрические потери и tg δ достигают максимума. При по­следующем росте температуры вязкость снижается еще больше и время τ становится меньше полупериода τ < T/2. Диэлектриче­ские потери за полупериод приложенного напряжения, которые возникают только в течение вре­мени ориентации диполя, умень­шаются. К тому же начинает сказываться дезориентирующее действие теплового движения, расстраивающее ориентацию дипольных молекул в поле. В резуль­тате при τ ≤ T/2 tgδ уменьшается до малых значений.

Рис. 7.17. Зависимость tgδ неполярного (1) и полярного (2) диэлектриков от температуры и частоты.

Дальнейшее изменение температуры приводит к заметному уве­личению σ диэлектрика, а поэтому к росту Iск, который определяет на этом участке диэлектрические потери, и tg δ.

Если потери измерять на другой, большей, частоте, то максимум tgδ наблюдается при более высокой температуре. Для того чтобы на большей частоте (меньшем полупериоде) соблюдалось равенст­во τ =T/2, необходимо уменьшить τ, чего можно достигнуть нагре­вом диэлектрика до большей температуры.

На низких частотах диэлектрические потери в полярных жид­ких диэлектриках в основном определяются электропроводностью, т. е. не изменяющимся с частотой током I_ск. Диэлектрические поте­ри от тока I_абс намного меньше, так как число поворотов диполей в единицу времени еще мало. С увеличением частоты реактивный ток I_р растет, a tg δ уменьшается, как у неполярных диэлектри­ков [см. (7.12)].

С увеличением частоты число поворотов полярной молекулы в единицу времени растет и диэлектрические потери, вызванные то­ком Iавс, увеличиваются, становятся намного большими, чем по­тери от электропроводности. Растет и tg δ, достигая максимума при частоте fм, где T/2 = τ (см. рис, 7.17, б). На этой частоте по­лярные молекулы, следуя за изменением электрического поля, не­прерывно поворачиваются на максимальный угол. Наконец, на частотах, где T/2<<τ, времени для поворота молекулы не хватает, lабс уменьшается, a tgδ становится малым.

При нагреве образца максимум tgδ сдвигается в область боль­ших частот. При этом τ уменьшается и для того, чтобы выполнялось равенство T/2=τ, необходимо увеличивать частоту приложенного напряжения.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках.В неполярных твердых диэлектриках диэлектрические потери вызваны электро­проводностью, а в полярных — электропроводностью и дипольной поляризацией. Выше отмечалось, что в твердых диэлект­риках дипольная поляризация представляет собой деформацию звеньев, сегментов или ориентацию полярных групп молекул в электрическом поле. Изменение tgδ от температуры и частоты для твердых неполярных и полярных диэлектриков такие же, как и для жидких (рис. 7.17).

В ходе тепловой ионной поляризации твердых диэлектриков переброс слабосвязанных ионов в электрическом поле происходит с потерями энергии. В некоторых диэлектриках с неплотной упа­ковкой объема частицами, например стеклах, где имеет место ионно-релаксационная поляризация, также наблюдаются закономер­ности изменения tgδ от температуры и частоты, характерные для ди­польной поляризации.

Увеличение tgδ при нагреве в стекле или в поликристалличе­ском диэлектрике – керамике – может также вызываться одно­временно увеличением проводимости материала и ростом числа сла­босвязанных ионов, участвующих в ионно-релаксационной поляри­зации.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках определяются электропроводностью и доменной поляризацией. Изменения tgδ от температуры и частоты для них такие же, как и для твердых по­лярных диэлектриков.

Диэлектрические потери в композиционных диэлектрических материалах определяются свойствами компонентов и их взаимным расположением, т. е. строением материала.

Наиболее часто изоляционные материалы представляют собой последовательно расположенные слои диэлектриков. Для двухслой­ного диэлектрика tgδ рассчитывается по формуле

Если диэлектрик представляет собой статистическую смесь не взаимодействующих между собой материалов, то tgδ композиции можно рассчитать по полуэмпирической формуле

,

где 1–v объемная концентрация первой компоненты.

Ошибка в параметрах страницы, или недостаточно прав для открытия страницы, или закончилась текущая сессия.
Уточните запрос или перейдите на главную страницу сайта

��������� ���. 3� ������� ��������� ��� ������� ������ ��������������� ������ P = U Ia = U Ic tgδ ,
Ic = U ω C �����

��� ω = 2 π f — ������� �������.

Тангенс угла диэлектрических потерь в трансформаторах и изоляции

Использование электроэнергии во всех областях хозяйственной деятельности человека вызывает необходимость своевременной диагностики и обслуживания объектов, которые выполняют функции её преобразования и поставки потребителям. Это различного рода трансформаторные подстанции, линии электропередачи, переключающие устройства и многое другое.

Обслуживание объектов энергетики требует проведение различных, порой, весьма сложных испытаний. В первую очередь это касается изоляции электрооборудования, работающего под высоким напряжением, которое также необходимо для эксплуатационного контроля, позволяющего определить работоспособность и уровень надежности объектов по рабочим параметрам, определяемым при помощи приложения как переменного, так и постоянного тока. Особо важным является измерение диэлектрических характеристик, наиболее информативной из которых является тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ).

По результатам анализа Евразийской экономической комиссии износ основных производственных фондов в отрасли энергетического машиностроения РФ в 2015 году характеризуется следующими цифрами: более 30 лет проработало оборудование на 50% высоковольтных линий, 60% — ТЭС, 35% — АЭС и 80% — ГЭС. На 70% выработан нормативный срок распределительного электросетевого комплекса. Испытательное и стендовое оборудование изношено, как правило, более, чем на 90%. Ситуация в других странах — членах ЕАЭС схожая.

Диагностическое измерительное оборудование устарело морально и физически. Необходимость безаварийной эксплуатации этого оборудования указывает на остроту проблемы оценки состояния и качества изоляции и делает её ещё более значимой.

Точность измерений тангенса угла диэлектрических потерь значительно снижается из-за электростатического и электромагнитного влияния находящихся под напряжением частей РУ и ЛЭП.

Измерительная схема должна быть огорожена различными защитными приспособлениями в виде экранов и охранных колец. Именно заземленные экраны приводят к появлению нежелательных паразитных емкостей, которые нужно минимизировать, как правило, при помощи метода защитного напряжения, которое надо тонко регулировать по величине и фазе.

Сложности измерений тангенса угла диэлектрических потерь при помощи мостовой схемы

Наибольшее распространение получили и до сих пор широко используются мостовые схемы измерения, определяющие ёмкость и тангенс угла диэлектрических потерь. Было выяснено, что основной причиной снижения качества изоляции является сквозные проводящие мостики, которые несложно обнаружить измерением сопротивления, производимого на постоянном токе. Измерение более информативной характеристики — тангенса угла диэлектрических потерь часто производят при помощи мостов переменного тока, таких как Р595, МД-16 и Р5026 (Р5026М), по существу являющимися измерителями ёмкости, в принципе работы которых лежит мост Шеринга.

Измерение по схеме перевернутого моста должно производиться на определённом расстоянии, при помощи изолирующих штанг. Другой способ — помещение оператора и измерительных элементов в общий экран. Эти неудобства объясняются наличием высокого напряжения на измерительной схеме. При измерении тангенса угла диэлектрических потерь в электрических машинах и трансформаторах необходимо непрерывное уточнение значения напряжения между корпусом и каждой обмоткой. При этом, свободные обмотки должны быть заземлены. Процесс довольно сложен и занимает много времени.

Устаревающие способы измерения tg δ предполагают следующие способы увеличения точности:

• Отключение напряжений, создающих влияющие поля. Способ является наиболее эффективным, но не всегда применяется из-за условий энергоснабжения потребителей.
• Вывод испытываемого объекта из области полей. Цель будет достигнута при помощи транспортировки, которая не всегда желательна или невозможна.
• Произведение измерений на частотах, отличающихся от 50 Гц, требующее особых возможностей аппаратуры.
• Исключение погрешностей при помощи различных методов расчета.
• Применение метода компенсации влияний, требующего совмещения векторов ЭДС влияющего поля и испытательного напряжения. Для этого в цепь регулирования напряжения должен быть включён фазорегулятор. Объект отключается. Равновесие моста подбирается вручную.

Новые возможности современных методов измерения характеристик изоляции

Эффективность диагностирования может быть повышена при помощи испытаний изоляции при различных напряжениях и температурах. Таким образом, основные дефекты могут быть выявлены на ранних стадиях развития. Благодаря относительной простоте испытаний, эффективность испытаний повышается за счёт увеличения их частоты, так как своевременное обнаружение произойдёт с большей вероятностью. Это особенно важно для быстро развивающихся повреждений. Появляется возможность обнаружения и построения зависимостей измеряемых параметров от времени, которые более точно оценивают характер и опасность дефектов. Для передачи измеряемых параметров оператору используется дистанционный способ доступа к измерительным системам.

Раннее выявление дефектов уменьшает ущерб, наносимый оборудованию, при этом, значительно снижаются затраты на проведение контроля. Выводить всё оборудование из работы не требуется. Отключаются лишь те части системы, в которых испытания под напряжением выявили дефекты. Применение стационарных схем измерений и исключение необходимости подготовки измерительного оборудования к испытаниям значительно уменьшает трудозатраты для их проведения.

Специальная оснастка облегчает контроль изоляции оборудования, которое находится под напряжением. Из-за уменьшения объёма работ, требующих нахождения персонала в зоне интенсивных полей заметно улучшаются условия работы. Испытания становятся более безопасными.

Диагностика без общего отключения оборудования даёт возможность применить более современную и эффективную стратегию обслуживания, заключающуюся в контроле технического состояния. В этом случае экономический эффект определяется не одним снижением аварийности, а и сокращением затрат на периодические и планово-предупредительные ремонты.

Роль измерений тангенса угла диэлектрических потерь в современных методах контроля

В настоящее время контроль состояния изоляции, в том числе, периодический, как правило, проводится при помощи переносных устройств.

В современных приборах применяется автоматический контроль состояния изоляции, имеющий функцию сигнализации в предаварийной ситуации. Важно, что измеряющие устройства могут быть установлены на стационарном пульте, удалённом от места измерения.

Автоматический контроль может входить в систему АСУ-ТП подстанции. В этом случае устройства АСУ-ТП управляют измерениями, оценивают их результаты и формируют сообщение о состоянии объекта.

Новые приборы для измерения тангенса угла диэлектрических потерь сделали методы контроля качества высоковольтной изоляции весьма эффективными. Измеренные значения tg δ оказываются значительно точнее, чем полученные при помощи испытаний высоким напряжением. Это объясняется следующими причинами:

• измерения не причиняют вреда изоляции по причине более низкого испытательного напряжения в сравнении с рабочим;
• появляется возможность прогнозирования дальнейшего состояния изоляции благодаря непрерывным наблюдениям в течение длительного времени;
• результаты измерений тангенса угла диэлектрических потерь автоматически заносятся в протокол и хранятся в электронном виде;
• резкое увеличение измеряемой величины свидетельствует о необходимости ремонта или замены, которые предупреждают аварию.

Референсные значения тангенса угла диэлектрических потерь наиболее часто применяемых диэлектриков

Диапазон значений тангенса угла потерь в различных справочных источниках может быть несколько шире или уже, но среднее значение остаётся постоянным.

Тип диэлектрика	tg δ
Политетрафторэтилен (фторопласт-4)	0,0001 — 0,0004
Полиэтилен	0,0001 — 0,0005
Полистирол	0,0001 — 0, 0005
Поливинилхлорид	0,03 — 0,08
Полиметилметакрилат	0,002 — 0,08
Шеллак	0,01
Битумы	0,01
Слюда мусковит	0,0003
Слюда флогопит	0,0015
Микалекс	0,003 — 0,01
Кварцевое стекло (SiO2 — 100%)	0,0002
Технические стёкла (SiO2 и В2О3 с примесями металлов)	0,0002 — 0,01
Трансформаторное масло (t=90оС)	0,005
Трансформаторное масло (t=20оС)	0,002
Силиконы	0,0003
Электрофарфор	0,01
Гетинакс, текстолит	0,02 — 0,2
Лаки	0,001 — 0,01
Резина	0,01 — 0,1
Фторорганические жидкости	0,0001 — 0,0002

Характеристики и особенности некоторых приборов для измерения тангенса угла диэлектрических потерь и других параметров

Приборы для измерения диэлектрических потерь в трансформаторном масле и жидких диэлектриках

Предельно компактные приборы для оценки пригодности или возможности дальнейшей эксплуатации трансформаторного масла просты в эксплуатации и дают важную информацию для длительной, безаварийной работы важных электроустановок. Тангенс-3М (Tangent-3M) – малогабаритная установка для измерения tgδ трансформаторного масла

При помощи этой компактной установки можно проанализировать важный показатель — тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторного масла, на промышленной частоте 50 Гц, в полном соответствии с ГОСТ 6581-75 и IEC 60247. В энергонезависимой памяти прибора сохраняется до 2000 измерений, используется до 6 ячеек для масла, имеется возможность подключения ПК. Программное обеспечение для компьютера прилагается на компакт-диске. Диапазон измерения тангенса угла потерь — 0,0001 1,0. Действующее значение переменного напряжения, прилагаемого к измерительной ячейке, составляет 2000 В. Измеряемая ёмкость лежит в пределах 5-50 пФ. Масло может иметь температуру от 10 до 100оС и нагревается прибором до 90°С. При этом, измерение производится автоматически, через каждые 10 градусов. В случае проведения измерений при повышенных температурах требуется подключение к сети с напряжением 205-235 Вольт.

ПрофКИП Тангенс-М

Такое же назначение имеет установка измерения диэлектрических потерь ПрофКИП Тангенс-М, но позволяющая измерять потери не только в трансформаторном масле, но и в жидких диэлектриках:

Устаревающий и новый приборы для измерения tg δ

Измеритель диэлектрических потерь ИДП-10

Этот сравнительно простой прибор позволяет определить тангенс угла диэлектрических потерь и ёмкость изоляции различного электрооборудования при помощи высокого переменного напряжения (до 10 кВ), имеет цифровой дисплей и стрелочный индикатор высокого напряжения. Измерение проводится при помощи высоковольтного измерительного моста СА7100-2, имеет переключатель вида измерения, короткозамыкатель типа КЗМК-10, понижающий и разделительный высоковольтные трансформаторы. Прибор размещается на стойке с колёсами, имеющей отсек для кабелей.

Измеритель параметров изоляции «Тангенс-2000»

«Тангенс-2000» является многофункциональным и помехозащищённым прибором, позволяющим точно оценивать свойства и характеристики изоляции агрегатов, установок и различных высоковольтных устройств. Блок проверки, входящий в комплект, позволяет производить измерения при напряжении до 10 000 В. Минимальные отклонения коэффициента диэлектрических потерь изоляции и ёмкости фиксируются во время процессов периодического тестирования испытательным напряжением, уровень которого устанавливается заранее. В отличие от многих их приборов подобного рода «Тангенс-2000» достаточно просто управляется, имеет повышенную безопасность при эксплуатации из-за применения 3-х блочного исполнения. Каждый модуль представляет собой конструктивно законченное устройство, выполняющее строго определенные функции.

Повышенная эффективность измерений, их качество и безопасность обусловлены беспроводным способом передачи информации, который обеспечивает полную гальваническую развязку и исключает дополнительные искажения. В конструкцию включён специальный генератор испытательного напряжения, рабочая частота которого не совпадает с частотой питающей электрической сети и периодических промышленных помех благодаря автоматической отстройке. Встроенный генератор значительно увеличивает точность измерений в условиях существенных паразитных электромагнитных полей.

Многофункциональные приборы для измерения тангенса угла диэлектрических потерь и других характеристик при низких и средних напряжениях

Измеритель параметров изоляции ПАРМА ТЕНЗОР-2

Часто возникает необходимость в измерении параметров изоляции в установках, работающих при невысоком напряжении — от 1 до 500 В. Компактный прибор автоматически измеряет ёмкость и тангенс угла потерь изоляции конденсаторов, вводов трансформаторов, жидких диэлектриков, как в лаборатории, так и в «полевых» условиях. При помощи прибора может быть измерено действующее значение первой гармоники тока и напряжения на частоте 50 Гц, фазового сдвига между двумя сигналами и частоты сети. Компактный блок позволяет с достаточной точностью оценить значения электроёмкости в диапазоне от 2 пФ до 9,9 мкФ, индуктивности — от 1 мкГн до 16 Гн, полное сопротивление цепи и диэлектрические потери в жидких диэлектриках.

Измерения можно производить как по прямой, так и по инверсной, то есть, перевернутой схеме. При помощи прибора ПАРМА ТЕНЗОР-2 можно выделить вектор тока влияния. Фазорегулятор источника опорного напряжения и устройства компенсации тока влияния не требуются. Измерению подлежит коэффициент трансформации, потери холостого хода, потери короткого замыкания, комплексное сопротивление, в том числе, при коротком замыкании. Калибровочные коэффициенты и параметры задаются перед проведением измерений. Измерительный блок может взаимодействовать с ПК. Безопасное управление может осуществляться при помощи пульта или по интерфейсу Bluetooth. Диапазон измерения тангенса угла диэлектрических потерь — 0,0001-1.

Установка для испытания кабеля HVA28

HVA28 позволяет испытывать кабели высоковольтным переменным напряжением, имеющим специальную форму, синусоиды или меандра, с очень низкой частотой. Измерения при постоянном токе позволяют оценить качество изоляции из сшитого полиэтилена и других материалов. Тестированию подлежат двигатели, генераторы, разъединители, трансформаторы, вакуумные камеры и другое оборудование. Режим работы может быть ручным или автоматическим. Действия выполняются заранее запрограммированным микропроцессором. Это касается выбора оптимальной частоты испытательного сигнала и заданного порядка тестов. Информация отображается в режиме онлайн и передаётся по Bluetooth или USB на ноутбук.

Важной особенностью прибора является отсутствие масляных компонентов, предназначенных для преобразования или охлаждения. Полупроводниковые элементы позволяют разместить сложную систему в компактном корпусе. Тепловые ограничения времени работы отсутствуют.

Высоковольтная СНЧ-установка с модулем для измерения tgδ HVA45TD

Установка позволяет испытывать кабели, имеющие изоляцию из сшитого полиэтилена и других изоляторов напряжением сверхнизкой частоты, равным 6,10 или 20 кВ. Силовые высоковольтные кабели испытываются постоянным напряжением. Тангенс угла диэлектрических потерь измеряется с высокой точностью. Испытания могут проводиться постоянным напряжением с различной полярностью, или переменным напряжением, имеющем форму синуса или прямоугольника. Можно проводить испытания как жил, так и оболочки кабеля, производить дожиг изоляции. Важным преимуществом является возможность точного определения места дефекта.

HVA45TD является наиболее современным на сегодняшний день устройством из предлагаемых на сегодняшний день. Форма высоковольтного сигнала на всём диапазоне напряжений не зависит от нагрузок и дает возможность избежать возникновения остаточных объемных зарядов в изоляциях различных типов. Режим измерений может быть ручным или автоматическим, что позволяет гибко использовать устройство для любых испытаний. Установка имеет функцию осциллографа, наглядно представляющего форму тестирующего сигнала, отражающего напряжение, силу тока, сопротивление, ёмкость и время в реальном времени. Все данные сохраняются в памяти. Контроль и управление этой современной системы дают возможность задавать требуемые пороги срабатывания и всевозможные условия испытаний. Величина пробивного напряжения отображается и запоминается. При детектировании дуги происходит автоматическая остановка испытания или продолжается в режиме контролируемого прожига.

Встроенный индикатор наличия высокого напряжения, находящегося поблизости, дополнен звуковым сигналом. Для измерений можно использовать как механическое, так и электронное разрядное устройство, которое встроено в прибор. Высокое напряжение генерируется при помощи сухой высоковольтной системы последнего поколения. Это значительно облегчает обслуживание установки. Микропроцессорное управление вместе с удобным и простым пользовательским интерфейсом, в виде колесика, облегчает работу с устройством. Меню установки представлено, в том числе, на русском языке. Энергонезависимая память усовершенствована функцией хранения результатов. Входящие в комплект съемные кабели имеют различную длину.

Погрешность измерения тангенса угла диэлектрических потерь не превышает 0,0001, при максимальной возможной нагрузке, равной 10,0 мкФ. При необходимости установка преобразуется в систему диагностики кабелей, при помощи добавления модуля, измеряющего частичные разряды (PD). Установка включена в Государственный реестр средств измерений РФ. Тестирование кабельных линий производится в полном соответствии со всеми международными стандартами.

Измерение tgδ при напряжениях до 120 кВ

Измеритель параметров изоляции ИПИ-100

Назначение прибора — измерение тангенса угла потерь и электроемкости высоковольтной изоляции при проведении технического обслуживания, наладки, ремонта и испытаний энергетических объектов на месте установки и в условиях лабораторий. В прибор входит высоковольтный блок, блок индикации и датчик. Тангенс может лежать в пределах от 0,0005 до 0,3, а напряжение — от 10 кВ до 100 кВ. Измерение производится на частотах 50 и 54 Гц. При подаче испытательного напряжения 100 кВ измеряемая ёмкость лежит в пределах от 5 пФ до 3 нФ. Измерение тангенса угла на частоте 54 Гц автоматически пересчитывается для частоты 50 Гц. Сопоставление этих значений увеличивает точность измерений. Блок индикации связан с измерительным блоком по радиоканалу. При помощи ИПИ-100 производятся измерения как по «прямой», так и «перевернутой» схемам, для измерения параметров объектов как с заземленными, так и изолированными выводами.

Высоковольтный измеритель тангенса угла диэлектрических потерь TD30

Модуль TD30 входит в линейку приборов серии TD, отличающихся главным образом значением максимального напряжения, которое может достигать 120 кВ. Высокое напряжение измеряется на низкой частоте и имеет специальную форму. Кроме этого, можно точно измерять тангенс угла диэлектрических потерь и силу тока. Метод измерения тангенса потерь представляет картину изменения измеряемых величин в реальном времени, исключающую негативные влияния на кабель, позволяет увидеть состояние изоляции по измеренным параметрам для взятия проблемных кабелей под дополнительный контроль. При этом обнаруживаются «водные триинги» в кабелях, имеющих изоляцию из сшитого полиэтилена. Изоляция может быть бумажно-масляной, этилен-пропиленовой, поливинилхлоридной, комбинированной. Измерения можно проводить на генераторах, трансформаторах, двигателях, емкостях, выключателях, изоляторах и муфтах.

Измерение Tan Delta производится быстро и в реальном времени, с предоставлением полной картины, включающий форму выходного высоковольтного сигнала, как по напряжению, так и по току, который может быть постоянным или переменным. Информация передаётся на компьютер посредством Bluetooth. Это обеспечивает дополнительную безопасность при работе с высокими напряжениями и сокращает время подключения. Программное обеспечение поставляется в комплекте. Прибор должен быть подключен к высоковольтному кабелю и СНЧ-установке серии HVA, предназначенной для соответствующего напряжения, которая будет рассмотрена ниже. Питание осуществляется от стандартных батарей типа «C», обеспечивающих непрерывную работу в течение 10 часов.

Если Вам нужна профессиональная консультация в подборе оборудования , — заполните форму

Поделитесь этой страницей с друзьями и коллегами

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Диэлектрические потери в диэлектрике можно характеризовать рассеиваемой мощностью, которая определяется по формуле

P = U2·ωC·tgδ,

где ω – угловая частота (ω = 2πf); C – емкость диэлектрика; U – напряжение, прикладываемое к диэлектрику; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

На рис.4 приведена схема замещения и векторная диаграмма диэлектрика с потерями. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90о угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Рис. 4. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) диэлектрика с потерями

Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

1) потери, обусловленные поляризацией;

2) потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные потери;

4) потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Из всех видов поляризации с потерями наиболее часто в диэлектриках встречаются дипольная и ионно-релаксационная.

У них есть общие закономерности:

а) tgδ при определенной частоте f1 имеет максимум;

б) у tgδ наблюдается также максимум при некоторой температуре t1, характерной для данного диэлектрика.

В схеме замещения эти виды потерь хорошо описываются цепочкой из емкости C и сопротивления r (рис. 4,a).

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, в схеме замещения хорошо описываются сопротивлением R

(рис. 4,a).

Они не зависят от частоты:

P = U2/R.

Так как сопротивление R зависит от температуры, то и потери от нее также зависят. Они возрастают с температурой по экспоненциальному закону:

P = A·exp(–b/T),

где A и b – постоянные материала.

Тангенс δ в этом случае может быть вычислен по формуле:

tgδ = , (1)

где f – частота напряжения, Гц; ρ – удельное сопротивление, ;

Ионизационные диэлектрические потери. Эти потери свойственны газообразным диэлектрикам. Они появляются, если напряжение, приложенное к диэлектрику, превысит критическое значение Uкр, при котором начинаются ионизационные процессы. До напряжения Uкр диэлектрические потери практически равны нулю, а затем они резко увеличиваются, и их можно оценить по приближенной формуле:

где A – постоянный коэффициент, f – частота поля.

Ионизационные потери возникают также в жидких и твердых диэлектриках в газовых пузырьках и включениях.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. Они наблюдаются в слоистых диэлектриках: бумаге, пропитанной маслом, в пористой керамике, текстолите, стеклотекстолите и т. д. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации из-за больших расстояний между молекулами не сопровождается диэлектрическими потерями.

Но так как у газов электропроводность очень мала, то угол диэлектрических потерь ничтожно мал. Величину tgδ можно определить по формуле (1). Для газа tgδ ≈ 4·10–8.

При напряженностях поля больше Eкр в газе начинается ионизация, и потери резко возрастают.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. Среди жидких диэлектриков следует отдельно рассматривать неполярные и полярные.

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. У чистых жидких диэлектриков электропроводность мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Можно рассчитать tgδ по формуле (1). Например, для нефтяного конденсаторного масла получим tgδ ≈ 0,001. Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается удельное сопротивление жидкого диэлектрика. У неполярного диэлектрика tgδ с ростом частоты уменьшается. А диэлектрические потери не зависят от частоты.

В полярных жидкостях потери обусловлены двумя причинами:

а) электропроводностью; б) дипольной поляризацией.

Потери, вызванные электропроводностью, зависят только от температуры. Для дипольной поляризации tgδ имеет максимум при некоторой температуре t1. Если теперь учесть оба вида потерь и просуммировать обе зависимости, то получим график, показанный на рис.5,а. Влияние частоты f на tgδ и рассеиваемую мощность показано на рис.5,б

Рис.5. Влияния температуры а) и частоты б) на потери в полярном жидком диэлектрике

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. В твёрдых диэлектриках возможны все виды поляризации и потерь. Для выяснения общих закономерностей твёрдые диэлектрики делят на следующие группы.

1. Диэлектрики молекулярной структуры:

а) неполярные, б) полярные.

2. Диэлектрики ионной структуры:

а) плотной упаковки, б) неплотной упаковки.

3. Сегнетоэлектрики.

4. Диэлектрики неоднородной структуры.

Неполярные диэлектрики обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями, и их применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Тангенс δ для них можно рассчитать по формуле (1). Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков не зависят от частоты. При увеличении температуры уменьшается удельное сопротивление диэлектрика, а это приводит к увеличению тангенса диэлектрических потерь.

Изменение tgδ от температуры и частоты в полярных диэлектриках такое же, как и для жидкого полярного диэлектрика.

В твёрдых веществах ионной структуры с плотной упаковкой ионов только два вида поляризации: электронная и ионная. В этих диэлектриках диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах увеличиваются потери от сквозной электропроводности. С ростом частоты tgδ уменьшается, как и у неполярных диэлектриков, так как активный ток остаётся постоянным, а реактивный увеличивается.

В твёрдых веществах ионной структуры с неплотной упаковкой ионов имеет место значительная ионно–релаксационная поляризация, поэтому наблюдаются закономерности изменения tgδ от температуры и частоты, характерные для дипольной поляризации.

Здесь два вида потерь:

а) потери, вызванные передвижением слабосвязанных ионов. Они рассматриваются как потери, обусловленные электропроводностью, возрастающие с температурой и почти не зависящие от частоты (tgδ уменьшается с ростом частоты);

б) потери, вызванные релаксационной поляризацией, у которых tgδ зависит от температуры и частоты.

Для большинства видов электрокерамики количество ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с температурой, поэтому максимум tgδ отсутствует и температурная зависимость tgδ подобно неполярным диэлектрикам в первом приближении имеет экспоненциальный характер.

Особенностью сегнетоэлектриков является то, что в них самопроизвольная (спонтанная) поляризация проявляется в определённом температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области спонтанной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда доменная структура разрушается.

Зависимости tgδ от температуры и частоты в диэлектриках неоднородной структуры очень сложные и определяются как суммы зависимостей составляющих.