книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов
..pdfГ Л А В А Т Р Е Т Ь Я
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ И ПРОВОДОВ
3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Если к измеряемому образцу приложить постоянное на пряжение, то в первый момент после подключения напряжения в цепи будет протекать ток, обусловленный электрической емкостью образца (или процессами быстрой поляризации). Затем ток с течением времени уменьшается и достигает в конечном итоге постоянного значения. Этот ток называют
током, обусловленным сквозной проводимостью. |
|
|
Зависимость тока от времени можно представить в виде |
||
суммы экспонент |
|
|
/= /« .+ I |
(3.1) |
|
|
1=1 |
|
где Ц и xt— постоянные |
величины. |
соответству |
Величину х. называют |
постоянной времени, |
ющей экспоненциальной составляющей. В более общем виде функцию (3.1) можно представить так:
/= |
J 7(т)<Г,/т</х, |
(3.2) |
|
|
о |
|
|
где 7(т)— плотность распределения |
7, по |
т. |
|
Ток, представленный |
в виде |
суммы |
экспонент в (3.1), |
называют током абсорбции. Токи абсорбции обусловлены накоплением объемных зарядов на неоднородностях в ди электриках. В стандартизованных методиках измерения нор мируется время с момента подключения напряжения до момента отсчета показаний измерительного прибора. Таким образом, производится измерение некоторой условной ве личины для данной методики. Для определениясквозной проводимости необходимо весьма длительное время при из мерениях.
Иногда представляют (3.1) в виде суммы ограниченного количества экспонент (например, три) и по кривым тока абсорбции путем расчетов определяют каждое слагаемое в сум ме. По изменению этих слагаемых можно судить о качестве изоляции и качестве технологического процесса ее обработки, например сушки, поликонденсации. Абсолютное значение токов абсорбции также может характеризовать качество изоляции.
21
a ) |
S ) |
Рис. 3.1. Система из трех электродов для измерения объемного и поверхност ного сопротивлений
При измерении характеристик электроизоляционных матери алов обычно применяют образцы в виде пластин, на которые наносят три электрода. Размеры электродов регламентируются
стандартами |
(обычно ^ = 100 |
мм). При измерениях удельного |
||
объемного |
сопротивления |
рх, О м м , |
применяют |
схему |
рис. 3.1, а, а |
для измерения |
удельного |
поверхностного со |
|
противления |
р5, Ом, схему рис. 3.1, б. Измеряется ток |
I через |
образец 4, который проходит в схеме от измерительного электрода 1. В схеме рис. 3.1, а ток по поверхности образца от нижнего электрода 2, к которому подведено напряжение, отводится на заземление через охранный электрод 3 и не попадает в измерительную цепь.
При измерении ps (рис. 3.1, б) измеряемый ток проходит от электрода 3 к электроду 1 по поверхности образца. В этом
случае электрод |
|
2 заземлен. |
|
|
|
|
|
|
Кольцевой зазор между электродами 1 и 3 должен быть |
||||||||
минимальным |
(обычно 2 мм). |
Расчетный |
диаметр |
равен |
||||
dcp=1(d1+d2)l2. |
Тогда можно |
записать |
соотношения |
|
||||
|
|
|
4А |
р.=^?рлЛ„/4Д; |
|
(3.3) |
||
|
|
|
•R„ = p„ ^ r ; |
|
||||
|
|
|
|
|
ndcpRs |
|
(3.4) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
А— толщина |
образца; Rv и |
Rs— сопротивления |
образца |
||||
при |
измерениях |
|
по схемам |
рис. 3.1, а |
и б |
соответственно; |
||
^ |
2. |
|
|
|
|
|
|
|
Неточности при измерениях электрического сопротивления изоляции в значительной мере зависят от подготовки образца и применяемых электродов. Перед измерениями образцы должны длительное время выдерживаться при заданных тем пературе и влажности. Поверхность образцов не должна быть загрязнена.
22
К электродам предъявляются следующие требования: электрод должен обладать высокой проводимостью и обес
печивать хороший электрический контакт по всей поверхности соприкосновения с образцом;
в условиях испытания электрод не должен влиять на испытуемый образец (деформировать его, оказывать химическое воздействие и т. д.);
электрод должен быть таким, чтобы его легко было наносить и удобно применять при испытаниях.
Массивные электроды изготовляют из нержавеющей стали, меди и латуни. Фольговые электроды соединяют с образцом тремя способами. Плотный контакт с образцом достигается путем притирания электрода к его поверхности с помощью смазки (вазелина, трансформаторного масла или кремнийорганической жидкости). Как правило, толщина слоя смазки не должна превышать 1 мкм. При измерениях для образцов из пластмасс применяют прессовку с нагреванием. Фольговые электроды можно также прижимать к образцу через резину под давлением 10 кПа.
Электроды из осажденных металлов в виде плотно прилега ющих пленок могут быть выполнены из серебра, золота, платины, меди, алюминия. Обычно это делают способом напыления в вакууме путем испарения металла при нагревании или катодным напылением. На неорганические материалы можно наносить электроды из серебра способом вжигания из специальных паст. При этом требуется нагревание до несколь ких сотен градусов.
В качестве смазки для электродов можно применять суспензии, наполненные распыленным графитом (лаки, масла, вода). Толщина смазки должна быть примерно на порядок меньше толщины образца, а ее удельная проводимость на несколько порядков больше, чем образца.
Общие требования при определении электрического со противления изоляции кабельных изделий регламентированы ГОСТ 3345—76. Напряжение при измерениях от 90 до 500 В. Погрешность должна быть не более 10% при измерениях сопротивления до 1010 Ом и не более 25% при сопротивлении 10 Ом и более. Точность измерения температуры регламен тируется в конкретных стандартах на изделия.
Сопротивление изоляции должно быть измерено:
для изделий без металлической оболочки, экрана и бро
ни— между жилой и металлическим |
цилиндром, |
на кото |
рый навивается изделие, между жилой |
и водой, |
между жи |
лой и другими жилами, соединенными между собой (и с водой);
для изделий с металлической оболочкой, экраном и броней— между каждой жилой и остальными, соединенными между
23
Рис. 3.2. Подключение кабеля при изме рении электрического сопротивления изо ляции:
1— жила; |
2— оболочка |
или |
экран; |
|
3— охранный электрод |
для |
исключения влия |
||
ния токов |
утечки по |
поверхности |
изоляции |
собой и с оболочкой, экраном или броней; в этом случае
измерения можно производить и по |
трехэлектродной схеме |
в соответствии с рис. 3.2. Электроды |
7, 2, 3 соответствуют |
рис. 3.1. |
|
3.2.ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ИЕМКОСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ГАЛЬВАНОМЕТРА
Схема измерений методами непосредственного отсчета по казаний гальванометра и сравнения показана на рис. 3.3. Напряжение источника питания может достигать 5000 В и бо лее. Образец имеет сопротивление Rx и емкость. В схеме предусмотрено ограничительное образцовое сопротивление R 0, которое равно 0,1..ЛОМОм и обычно много меньше Rx. Образцовая емкость С0 составляет около 10“ 7 Ф.
В, И, 3— соответственно клеммы подключения высокого напряжения, гальванометра и заземления
24
Чувствительность гальванометра постепенно повышают в процессе измерения с помощью переключателя шунта S2. Сопротивление образца рассчитывают по формуле
Rx= U/I= Ul(krrm )-R 0, |
|
(3.5) |
||
где а — отклонение |
по шкале |
гальванометра; |
п=1/1г |
(все |
значения при S x в |
положении |
1). |
|
|
Постоянную гальванометра кг можно уточнить путем |
||||
измерения тока через R0 при |
St в положении |
2 |
|
|
|
kT=U l(R0n0ct0). |
|
(3.6) |
При этом метод двух измерений называют методом сравнения. После подстановки кг из (3.6) в (3.5) получим
аПп
K - R o о"о (3.7) ап
Если в схеме использовать баллистический гальванометр, то ее можно применять для измерения емкости образцов. Переключатель S x ставят в положение 3. Далее переключатель S3 переводят из положения 1 в положение 2. В момент переключения через гальванометр протекает ток разряда кон денсатора. Количество электричества при разряде равно
Qo~^6^ono = ^'0 |
(3*8) |
где р0 и п0— максимальный отброс гальванометра и шунтовое число при измерении образцовой емкости.
Второе измерение проводят в положении 1 переключателя St . Емкость образца
с = с J*!L |
(3.9) |
'С ° Р о « о '
Измерения при высоком напряжении удобно проводить методами заряда конденсатора (рис. 3.4) и саморазряда измеря емого образца.
/?х
Рис. 3.4. Схема измерения методом заряда конденсатора
25
Рис. 3.5. Схема измерения электричес кого сопротивления изоляции методом саморазряда
В методе заряда конденсатора С последний заряжается через измеряемый образец Rx. Постоянная времени самораз ряда конденсатора С, равная RC, должна быть много больше RXCX и С » С Х. Напряжение на конденсаторе возрастает со временем по зависимости
и = и
Если t/(CRx) меньше 0,1, то для разряда конденсатора получим
Q=UcC * U t/R x. (ЗЛО)
Перебрасывая S± из положения 1 в положение 2 в заданный момент времени t баллистическим гальванометром измеряем заряд 2 и по (3.10) вычисляем Rx.
В схеме рис. 3.5 при положении 1 переключателя S l сначала заряжаем испытываемый кабель до высокого напряжения U, затем устанавливаем в нейтральное положение 2 и в этот момент время t принимаем равным нулю. Через некоторое время t измеряем заряд на Сх баллистическим гальванометром, переключая St в положение 3. Заряд на конденсаторе изменя ется по формуле
UCxexр [ —tl{RxCxj} = Q exp [ - t/(RxCxj]. |
(3.11) |
Построив зависимость заряда от времени, по (3.11) можно вычислить Rx. Начальный заряд Q вычислим по результатам измерения заряда при t —0. Этот метод позволяет получить только приближенную оценку Rx, так как сопротивление изоляции зависит от напряжения.
3.3.ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
СПРИМЕНЕНИЕМ СХЕМ С УСИЛИТЕЛЯМИ
При измерении сопротивлений более 1011 Ом чувствитель ность схем с применением гальванометра может быть недо статочной. В этих случаях используют схемы с усилителями. Общий принцип измерения показан на рис. 3.6.
26
Рис. 3.6. Схема измерения электрического сопротивления с применением усилителей
Ток I при измерениях протекает через образец Rx и об разцовое сопротивление R0. При измерениях обычно выпол няется соотношение Ro = (\0~2 — \0~5)RX. Ток утечки в конст руктивных зажимах образца (через Ry) должен быть много меньше I (Ry^>Rx). Входное сопротивление RBX усилителя А должно быть много больше R0. Регистрирующий прибор обычно измеряет выходное напряжение или ток усилителя. При указанных условиях
Rx= R0U/UBX= R0Ukl и вых, |
(3Л2) |
|
где k= U BKlx/UBX— коэффициент усиления |
усилителя. |
|
Максимальное значение измеряемого |
сопротивления и точ |
ность измерений во многом определяются качеством изоляции конструкции измерительной ячейки (величиной Ry) и обес печением большого значения входного сопротивления усили теля. Кроме того, это зависит от R0— оно должно быть 1011 Ом и более. Чувствительность применяемых приборов зависит от помех при измерениях, поэтому все провода и детали, связанные с зажимом 1 должны быть тщательно экранированы. Напряжение питания не должно иметь пульсаций (и других импульсных изменений), так как переменная со ставляющая напряжения относительно свободно проходит к зажиму 1 через Сх.
Напряжение на зажимах 7, 2 измеряется несколькими способами. Для этой цели могут быть использованы элект ростатические электрометры, входное сопротивление которых достигает 1017 Ом, емкость 2,5— 5 пФ. Электрометры бывают квадрантные, струнные и крутильные (ЭС-2, СГ-1М) [27].
Первый каскад усилителей постоянного напряжения выпол няется обычно с применением электрометрической лампы (ЭМ-5, ЭМ-6). Благодаря специальной конструкции и режиму работы входное сопротивление электрометрического усилителя достигает 1014— 1(г5 Ом. Последующие каскады усиления выполняются транзисторами. Первый каскад может быть
27
Ro
Рис. 3.7. Схема измерения электрического сопротивления с применением электрометрического усилителя с отрицательной обратной связью
выполнен также с применением полевых транзисторов (входное сопротивление 1012— 1014 Ом). Для стабилизации коэффици ента усиления и работы всего прибора в целом применяются схемы с отрицательной обратной связью (рис. 3.7).
Сопротивление образца по схеме рис. 3.7.
|
|
U Rt +R2 |
|
(3.13) |
||
|
|
RX—R Q ил |
R, |
|
||
|
|
вых |
|
|
|
|
По этой схеме выполнены тераомметры |
ЕК6-11, ЕК6-7, |
|||||
Е6-14. Их основные |
параметры |
приведены |
в |
табл. 3.1. |
|
|
|
Т а б л и ц а 3.1. Параметры тераомметров |
|
||||
Тип прибора |
Диапазон измерения |
Погрешность |
Напряжение |
при |
||
|
сопротивлений, Ом |
измерений, |
% |
измерениях, |
В |
|
ЕК6-11 |
3 |
107— 1015 |
6— 10 |
|
2,5— 500 |
|
ЕК6-7 |
|
107— 1017 |
4— 10 |
|
1— 1000 |
|
Е6-14 |
|
107— 1017 |
— |
|
— |
|
Если на входе усилителя применить преобразователь посто янного напряжения в переменное, то усиление переменного напряжения осуществляется легче и усилители работают ста бильнее. При этом можно измерять очень большие сопротив ления. В качестве преобразователя можно, например, исполь зовать динамический конденсатор с газовым диэлектриком, один из электродов которого соединен с вибратором, так что емкость конденсатора меняется с определенной частотой. Такой конденсатор можно подключить параллельно R0.
Для измерения напряжения на R 0 в схеме рис. 3.4 можно использовать цифровые автоматические вольтметры с большим входным сопротивлением. При этом возможен вывод на цифропечатающее устройство и преобразование в код для применения в системах с ЭВМ. Например, вольтметр типа Щ1513 [2] на шкале 0...0,3 В имеет входное сопротивление
28
109 Ом. |
При этом |
R0 может |
быть |
106— 107 Ом. Если с по |
|||
мощью |
такого |
вольтметра |
измерить Ux, |
равное |
0,05 В, |
||
а £7=1000 В, |
то |
максимальное |
значение |
Ях |
составит |
||
R0U/U3X= 107 • 103/(5 • 10~2)= 2 • 1011 Ом. |
|
|
ГЛ А В А ЧЕТВЕРТАЯ
ИЗМЕРЕНИЕ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ, ЕМКОСТИ И ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ МАТЕРИАЛОВ И КАБЕЛЕЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ
ЧАСТОТАХ
4.1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Вкабельной технике приходится измерять полные комп лексные сопротивления образцов. Для кабелей связи эти сопротивления могут иметь как емкостный, так и индуктивный характер. При измерении характеристик электроизоляционных материалов используются последовательная и параллельная схемы замещения образцов с диэлектриком или отрезков кабелей (рис. 4.1).
Тангенс угла диэлектрических потерь
tg8 = /a//p, |
(4.1) |
|
где /а, /р— активная и реактивная составляющие тока. |
|
|
Для параллельной схемы замещения получим |
|
|
Ia= U lR i; /р= U(oC; |
со=2л/; tg5= l^ c o C ^ ), |
(4.2) |
где / — частота переменного |
тока. |
|
Под емкостью при включении в цепь некоторого комп лексного сопротивления понимают величину, определяющую реактивный ток в цепи:
|
|
Сх= / р/(ш1/). |
(4.3) |
||
При |
|
этом |
емкость параллельной |
||
схемы |
соответствует |
емкости, |
опре |
||
деленной |
по |
(4.3). |
|
|
|
Для |
последовательной схемы за |
||||
мещения |
справедливы |
соотношения |
|||
|
|
tg 6 = toC2R 21 |
(4.4) |
||
|
|
/ р= {7coC2/(l+ tg 25). |
(4.5) |
о |
о |
*7
Рис. 4.1. Схемы замещения измеряемых образцов
29
Подставив /р из (4.5) в (4.3), получим формулу для Сх:
C, = C2/(l+ tg 25). |
(4.6) |
Следовательно, если расчетные формулы измерительной схемы прибора получены для последовательной схемы замеще ния, то полученную емкость С2 необходимо пересчитать по
(4.6) |
. |
Если tg 5< 0,1, |
то значение |
(l+ tg 25) |
близко |
к 1 |
и СХ=С1 = С2. При больших значениях |
tg8 соотношением |
|||
(4.6) |
пренебрегать нельзя. |
образцов диэлектрика и |
кабеля |
||
При |
измерениях емкости |
применяют электроды, показанные на рис. 3.1 и 3.2. Емкость таких образцов вычисляется соответственно по формулам
Cx=e4 ^ ( l+ B g ) ; |
C ^ — ^ i l + B g ) , |
|
(4.7) |
||
где е— относительная диэлектрическая проницаемость |
матери |
||||
ала; б 0 — электрическая |
постоянная (8,854-10“ 12 Ф/м); |
г0— |
|||
внешний радиус жилы кабеля; R — радиус по изоляции кабеля |
|||||
(внутренний радиус внешнего |
электрода); |
/— длина |
образца |
||
кабеля; g — зазор между |
измерительным |
и охранным |
элект |
родом; В — коэффициент, учитывающий искажение электричес кого поля на краях электрода.
Если |
толщина электродов а больше толщины образца А, |
|
то 5=1. |
|
|
Если |
а< А, то В рассчитывают по формуле |
|
|
В=1 -2,932 ^lgch ^0,7854 | \ |
(4.8) |
Требования к электродам и рекомендации по их применению аналогичны требованиям, изложенным в § 3.1. Следует подчерк нуть, что потери энергии в приэлектродных слоях должны быть много меньше потерь в диэлектрике. В частности, при использовании электропроводящих смазок или при окисленной поверхности электродов электрическое сопротивление приэлектродного слоя гэ должно удовлетворять соотношению
(D ^C ^tg S * . |
(4.9) |
При измерениях на высоких частотах индуктивность со единительных проводов (их длина) должна быть минимальной. При измерениях образцов небольшой емкости и при малых значениях tg 5 необходимо тщательное экранирование изме рительных схем и образцов для защиты от внешних помех.
При измерениях е и tg 5 материалов по двухэлектродной системе, когда электрод 3 на рис. 3.1 отсутствует, необходимо учитывать емкость краевого эффекта электродов. При измере ниях е и tg 5 на тонких пленках большие погрешности могут
зо