Схемы измерения характеристик изоляции трансформаторов

Последовательность измерений	Двухобмоточные тр-ры. Измеряемые (заземляемые) обмотки, части	Трехобмоточные тр-ры. Измеряемые (заземляемые) обмотки части
1	НН (бак, ВН)	НН (бак, СН, ВН)
2	ВН (бак, НН)	СН (бак, НН, ВН)
3	ВН+НН* (бак)	ВН (бак, НН, СН)
4	-	ВН+СН* (бак, НН)
5	-	ВН+СН+НН* (бак)

*Измерения обязательны только для трансформаторов мощностью 16000 кВА и более.

Удельное объемное сопротивление изоляционных материалов снижается с ростом температуры θ:

ρ = ρ₀ ехр [–а(θ – θ)],

где а – коэффициент, зависящий от физико-химических свойств материала.

В связи с этим для величин k_абс и R₆₀ устанавливают разные нормы для различных температур. Сопротивление изоляции обычно измеряют переносными приборами – мегомметрами. Для измерения сопротивления изоляции оборудования высокого напряжения используются мегомметры на напряжение 500,1000,2500,5000,10000В.

Зависимость емкости изоляции от частоты. Из схем замещения на рис. 2.4.1 следует, что емкость неоднородной изоляции зависит от частоты ω:

∆С

С = Сг + ------------

1+ (ωТ) ².

Рис. 2. 4.3. Зависимость емкости неоднородной изоляции от частоты

Характерный вид этой зависимости показан на рис. 2.4.3.

Увлажнение изоляции приводит к снижению сопротивлений слоев изоляции, а следовательно, к уменьшению постоянной времени Т и изменению хода зависимости С =f(ω). По этому характеру зависимости можно судить о степени увлажнения изоляции.

Такой метод контроля используется для оценки степени увлажнения изоляции силовых трансформаторов. При контроле состояния изоляции обычно измеряют емкости при частотах 2 и 50 Гц, т. е. значения С₂ и С₅₀, а также ∆С и С_г. Заключение о степени увлажнения изоляции делают по значению отношений С₂/С₅₀ или ∆С/С_г.

Величина ∆С неоднородной изоляции определяется емкостями и сопротивлениями слоев изоляции. В свою очередь сопротивления слоев зависят не только от степени увлажнения, но и от температуры изоляции. Поэтому допустимые значения С₂/С₅₀ и ∆С /С_Г для изоляции силовых трансформаторов устанавливаются с учетом температуры контролируемой изоляции. Так, например, для изоляции в нормальном состоянии допустимые значения составляют С₂/С₅₀ ≤ 1,2…1,3 и ∆С/С_Г ≤ 0,1 при температуре +20°С.

Для измерения емкостей С₂, С₅₀, ∆С и С_Г используются приборы контроля влажности ПКВ. Упрощенная схема прибора ПКВ, работающего по принципу «емкость-частота», показана на рис. 2.4.4,а.

Переключатель П периодически подключает испытуемую изоляцию С_х к источнику постоянного напряжения U₀ (при этом С_х заряжается), а затем к цепи с гальванометром Г (С_х разряжается).

а) б)

Рис. 2.4.4. Упрощенные схемы приборов ПКВ:

а – по методу «емкость-частота»; б – по методу «емкость-время»

Схема прибора ПКВ, использующего «емкость-время», показана на рис. 2.4.5,6. Здесь измеряется емкость С_Г и ∆С и определяется отношение ∆С/С_Г. Емкость испытуемой изоляции заряжается около 1 мин от источника стабилизированного напряжения U₀. Затем, если измеряется геометрическая емкость С_Г, переключатель П₁ на 5-10 мс подключает емкость С_х к эталонному конденсатору С_э. За это время на емкость С_э успевает передать заряд только геометрическая емкость изоляции. Емкость С_э выбирается такой, чтобы С_э>>С_х, поэтому напряжение на ней получается пропорциональным С_Г:

U_э = U₀ ≈ U₀ .

Напряжение на С_э измеряется с помощью электронного вольтметра ЭВ, имеющего большое входное сопротивление.

Для измерения ∆С испытуемая изоляция повторно подключается к источнику. Затем отключается и на время 5-10 мс закорачивается переключателем П₂, чтобы разрядить только геометрическую емкость. После этого переключателем П₁ емкость С_х соединяется с эталонным конденсатором на время около 1 с и последний заряжается теперь от ∆С. Напряжение на С_э получается пропорциональным ∆С.

Метод «емкость-время» применяется и для измерения разности (С₂–С₅₀):

(С₂ – С₅₀) = ∆С[1 / (1+(4πT)²) – 1 / (1+(100πT)²)],

т. е. составляет некоторую долю ∆С. Поэтому измерение (С₂–С₅₀) выполняется следующим образом. Предварительно заряженная испытуемая изоляция отключается переключателем П₁ от источника и закорачивается переключателем П₂ на время, достаточное для того, чтобы полностью разрядилась емкость С_Г; затем с помощью П₁ изоляция подключается к конденсатору С_э на время около 0,15 с, чтобы ∆С разрядилась только частично. Отношение С₂/С₅₀ определяется как С₂/С₅₀ ≈ (С₂ – С₅₀) / Сг + 1.

Нормальному состоянию изоляции при температуре +20° соответствуют ∆С/С_Г ≤ 0,1 и k_абс ≥ 1,3.

Тангенс угла диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в изоляции при воздействии постоянного электрического поля обусловлены наличием проводимости у реальных изоляционных материалов. В переменных электрических полях, кроме того, рассеяние энергии происходит и при некоторых видах поляризации, развивающихся относительно медленно во времени. Мощность диэлектрических потерь Рд в единице объема изоляции при воздействии переменного поля с круговой частотой ω определяется выражением

Р_д = ωε₀ε_д Е²tgδ,

где ε₀ – диэлектрическая постоянная;

ε_д – действительная оставляющая комплексной относительной диэлектрической проницаемости;

Е – напряженность электрического поля;

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

Величина tgδ, как известно, представляет собой отношение активной и емкостной составляющих тока, протекающего через диэлектрик при воздействии переменного электрического поля, т. е. tgδ = I_а / I_с. Для однородного диэлектрического материала

tgδ =

где γ – удельная объемная проводимость материала;

ε_м и ε_д – соответственно мнимая и действительная составляющие комплексной относительной диэлектрической проницаемости (ε = ε_д – jε_м).

Для композиционных диэлектрических материалов и многих видов электрической изоляции, состоящей из нескольких различных по свойствам материалов, используются понятие эквивалентного значения тангенса угла диэлектрических потерь, которое зависит от характеристик всех входящих в изоляцию материалов, соотношения их масс и от распределения этих материалов по объему изоляции. В общем случае расчет эквивалентного значения tgδ для комбинированной изоляции представляет собой сложную задачу; для ряда относительно простых и часто встречающихся.случаев в литературе имеются пригодные для инженерной практики решения.

Величина tgδ – важнейшая характеристика электрической изоляции. От tgδ зависит мощность диэлектрических потерь и, следовательно, температурный режим работы изоляции. От последнего, в свою очередь, зависит скорость термического старения. Кроме того, величина tgδ и ее зависимость от температуры определяют напряжение теплового пробоя, представляющего собой нарушение устойчивости теплового режима изоляции. Важное практическое значение имеет и потому, что его величина чувствительна к изменениям состояния или качества изоляции. Ухудшение качества изоляции обычно сопровождается значительным ростом удельной проводимости γ и, следовательно, величины tgδ. Поэтому по значению tgδ можно судить о состоянии изоляции, о наличии в ней загрязнений, в частности влаги.

Измерения tgδ на высоком напряжении проводят измерительными мостами переменного тока, построенными по схеме Шеринга.

Благодаря относительной простоте измерения tgδ и сильной зависимости tgδ от количества загрязнений в изоляции контроль изоляции оборудования высокого напряжения по значению стал одним из основных и самых распространенных методов проверки состояния изоляции на заводах-изготовителях и в энергосистемах. Измерения значения tgδ изоляции при профилактических испытаниях обычно выполняют при напряжении 10 кВ независимо от номинального напряжения оборудования, если U_ном ≥10 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.

Частичные разряды (ЧР) – это пробои небольших участков внутренней изоляции, размеры которых в направлении электрического поля много меньше полного расстояния между электродами. Частичные разряды могут возникать в газовых включениях, оставшихся в изоляции при изготовлении из-за несовершенства технологии (усадочные каверны, неполная пропитка и т. д.) или образовавшихся во время эксплуатации вследствие чрезмерно высоких механических воздействий (трещины, расслоения), местных нагревов (термическое разложение изоляции с выделением газов) и по другим причинам. Газовые включения, как правило, имеют малые размеры (доли миллиметра), тем не менее, они представляют собой ослабленные участки внутренней изоляции. Из-за различия диэлектрических проницаемостей газа во включении и основных диэлектрических материалов напряженность во включении выше, чем в изоляции (обычно в 2-4 раза). Вместе с тем электрическая прочность газов ниже, чем жидких и твердых диэлектриков. Поэтому при постепенном повышении напряжения на изоляции разрядные процессы, т. е. ЧР, начинаются именно в газовых включениях. Эти разряды не приводят к немедленному полному пробою всей изоляции, так как диэлектрические материалы, составляющие внутреннюю изоляцию, имеют значительно более высокую электрическую прочность, чем газ во включении. Однако ЧР, многократно воздействуя на диэлектрические материалы, постепенно разрушают их, вызывая так называемое электрическое старение изоляции, которое завершается полным пробоем лишь спустя некоторое время. Это время зависит от интенсивности ЧР (энергии отдельных разрядов, частоты их повторения), от стойкости диэлектрических материалов к воздействию ЧР, а также от конструктивных особенностей изоляции (толщины, конфигурации электрического поля и др.). При неблагоприятных условиях оно исчисляется секундами или минутами; по мере уменьшения интенсивности ЧР продолжительность процесса старения увеличивается постепенно до многих часов и далее до нескольких десятков лет. Чтобы внутренняя изоляция оборудования высокого напряжения была способна выдерживать воздействие рабочего напряжения в течение требуемого срока службы (15-30 лет и более), т. е. чтобы она обладала необходимой длительной электрической прочностью, в ней при рабочем напряжении ЧР, как правило, должны отсутствовать.

В некоторых видах внутренней изоляции (бумажно-масляной, маслобарьерной и др.) ЧР при рабочем напряжении могут иметь место, однако их интенсивность не должна превышать допустимые уровни, которые устанавливаются с учетом требований к срокам службы и стойкости материалов к воздействию разрядов.

Измерения параметров частичных разрядов. Для обнаружения ЧР и измерения их характеристик могут быть использованы различные внешние проявления разрядов (свечение, акустические сигналы и др.). В практике заводских и исследовательских лабораторий наибольшее распространение получил электрический метод, основанный на регистрации сигналов от ЧР, возникающих в цепях испытательной установки, соединенных с испытуемой изоляционной конструкцией.

Общие требования к установкам для измерения характеристик ЧР, к их отдельным элементам, правила проведения градуировки и самих измерений регламентированы ГОСТ 200-74.