2.1. Задание на подготовку

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями, приведенными в настоящей работе.

2. Изучить схему моста Р-252 и методику измерения tg изоляции.

3. Ознакомиться с правилами безопасности при работе на этой установке.

2.2. Краткие теоретические сведения

Э лектрические машины, аппараты и приборы представляют собой конструкцию, содержащую проводники, находящиеся под различным напряжением, и диэлектрики, изолирующие между собой и относительно заземлённых конструкций проводники. Следовательно, всякое электрическое устройство обладает ёмкостью. Поэтому процессы, протекающие в диэлектриках (изоляции), правомерно рассмотреть на примере плоскопараллельного конденсатора (рис. 2.1).

При наличии разности потенциалов между обкладками конденсатора в диэлектрике возникает электрическое поле напряжённостью Е.

Е = U/d, (2.1)

где U – напряжение, приложенное к обкладкам конденсатора,

d – толщина диэлектрика.

Под действием электрического поля находящиеся в диэлектрике носители зарядов (электроны и ионы) перемещаются к обкладкам конденсатора, образуя ток сквозной проводимости I_скв, протекающий в объёме и по поверхности диэлектрика.

Связанные заряды под действием электрического поля смещаются ограниченно, образуя ток смещения (ток абсорбции I_абс).

Смещение связанных зарядов под действием электрического поля называется поляризацией диэлектрика.

В общем случае в диэлектрике могут быть два вида поляризации: упругая поляризация, возникающая мгновенно без рассеяния энергии; поляризация, протекающая замедленно и сопровождаемая рассеянием энергии в диэлектрике. Такой вид поляризации называется релаксационной. К ней относится дипольно-релаксационная поляризация, электронно-релаксационная и ионно-релаксационная поляризация, миграционная и спонтанная поляризации.

В результате смещения связанных зарядов в объёме диэлектрика образуется дополнительный заряд Q_д (см. рис. 2.1).

Заряд конденсатора Q равен

Q = CU, (2.2)

где C – емкость конденсатора;

U – напряжение, приложенное к обкладкам конденсатора.

При наличии поляризации диэлектрика заряд конденсатора

Q = Q₀ + Q_д, (2.3)

где Q₀ – заряд, который присутствовал бы на электродах, если бы их разделял вакуум;

Q_д – заряд, обусловленный поляризацией диэлектрика.

Количественно явление поляризации оценивается относительной диэлектрической проницаемостью:

. (2.4)

Как видно из (2.4), относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы и равна единице только для вакуума. Абсолютное значение диэлектрической проницаемости материала равно

Е =Е_  Е₀, (2.5)

где Е₀ = 10^-9/36π – диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м.

На основании вышеизложенного электрическую схему замещения реального диэлектрика можно представить, как показано на рис 2.2, а. Цепь С₀ обусловлена геометрическими размерами конденсатора (оборудования), если бы его изоляция представляла собой вакуум, и всеми видами упругой поляризации. Цепь С_абс и R_абс отражает все виды поляризации, связанные с потерями энергии. Цепь R_скв отражает сквозную проводимость, обусловленную перемещением свободных носителей зарядов.

Рис. 2.2

Векторная диаграмма токов для данной схемы замещения приведена на рис. 2.2, б. Как видно, ток опережает напряжение на угол , дополняющий угол фазового сдвига между током и напряжением  до 90º. Называется он углом диэлектрических потерь .

Суммарный ток, протекающий через диэлектрик, равен геометрической сумме токов:

, (2.6)

где I_скв – ток сквозной проводимости;

I_{0 с} – ток, обусловленный геометрическими размерами конструк-ции и упругой поляризацией;

I_абс – ток, обусловленный релаксационной поляризацией.

Числовое значение суммарного тока равно

, (2.7)

где I_а = I_скв + I_абс.а – активная составляющая тока;

I_с = I_{0 с} + I_абс.с – емкостная составляющая тока.

Используя известные выражения электротехники cos = I_a/I и tg = I_a/I_c и пренебрегая величинами второго порядка малости (например, tg²  0) можно показать, что активная мощность, рассеиваемая в диэлектрике, равна

P_a = U  I_a  U²    c  tg , (2.8)

где  = 2f – круговая частота;

с – эквивалентная ёмкость диэлектрика.

В процессе эксплуатации изоляция стареет. Следовательно, увеличиваются активная составляющая тока, tg и потери в диэлектриках. Увеличение tg свидетельствует об ухудшении изоляции по всему объёму. Поэтому измерение tg даёт возможность наиболее полно оценить состояние изоляции.