Определение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь

Низкие частоты (50 Гц)

Как известно, диэлектрическая проницаемость (ε) и тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ) являются важнейшими характеристиками электроизоляционных материалов. Единообразие определения их (а ε рассчитывается через емкость, значит все сказанное относится и к емкости С) устанавливает ГОСТ 6433.4 – 71 – на частоте 50 Гц для твердых электроизоляционных материалов, кроме пенопоропластов, конденсаторной бумаги и материалов толщиной 0,03 мм и менее.

Определение ε и tg δ проводят на плоских или трубчатых образцах, в которых, в случае необходимости, делают углубления для доведения толщины испытуемого материала до 3 мм.

Требования к образцам и электродам такие же, как и в случае определения удельных сопротивлений. В качестве электродов берутся те же материалы за исключением порошка графита. Используется трехэлектродная система подключения с размерами электродов, как и при определении R_x. Особенность расположения электродов при измерении ε и tg δ на расточенных плоских образцах: высоковольтный электрод располагается в месте расточки (см. рисунок).

Важным условием при измерениях является отсутствие коронирования электродов и соединительных проводов. Для этого необходимо применять экранированные провода и обеспечивать отсутствие короны в местах соединения измерительного электрода и его выводов.

Значения ε и tg δ жидких материалов определяются с помощью ячеек, как и в случае измерения их сопротивлений. Конкретный тип ячейки указывается в стандарте или ТУ на вид жидкости.

Измерения на частоте 50 Гц, как правило, проводят с помощью мостов переменного тока.

Напряжение, при котором должны производиться измерения, указывается в стандарте или ТУ на материал, причем оно должно быть ниже напряжения начала ионизации. Если оно не оговорено, то обычно составляет 1000 В.

Принципиальная схема высоковольтного моста переменного тока представлена на рисунке. Этот принцип реализован в промышленно выпускаемых мостах Р525, Р5026 и др.

Мост питается через повышающий трансформатор Т, позволяющий плавно поднимать напряжение до 10 кВ. Это напряжение подводится к высоковольтной вершине моста А. В два плеча, примыкающие к ней, включены: испытуемый образец С_х и образцовый газонаполненный конденсатор С₀ (конденсатор практически без потерь) С₀ = 50 или 100 пФ. При этом охранный электрод образца соединяется с заземленным экраном, а высоковольтный – с вершиной А.

В другие плечи моста включены: переменный резистор R₃ (практически – это магазин сопротивлений) и постоянное сопротивление R₄, шунтированное конденсатором переменной емкости C₄ (герметизированный слюдяной конденсатор с минимумом потерь).

В такой схеме почти все напряжение приходится на плечи АВ и АС, так как их сопротивления переменному току много больше сопротивлений резисторов, включенных в другие плечи моста. Поэтому, несмотря на наличие высокого напряжения, можно безопасно производить уравновешивание моста изменением величины R₃ и C₄. Равновесие моста наступает тогда, когда будут равны произведения полных сопротивлений противоположных плеч: Z_xZ₄ = Z₀Z₃ .

Для защиты цепи в случае непредвиденного пробоя образца или образцового конденсатора предусмотрены разрядники.

При равновесии потенциалы точек В и С должны быть равны, т.е. разность потенциалов равна нулю, или очень мало от него отличается. Для индикации равновесия (именно индикации – «качественной», а не «количественной» оценки) раньше применялся вибрационный гальванометр, а теперь электронные индикаторы нуля типа Ф582, Ф5046/1 и др.

Рассмотрим решение уравнения равновесия моста.

В начале определим значение полных сопротивлений, входящих в уравнение:

Тогда уравнение равновесия можно записать в следующем виде

(1)

Избавимся от знаменателей, преобразуя равенство (1)

(2)

Решим уравнение относительно tgδ_x и C_x, разделяя действительную и мнимую части. Сначала рассмотрим действительные части

Отсюда можно получить

Если вспомнить, что ω = 2πf = 2π·50 и R₄ = 10000/π, то

.

Или

tgδ = C₄ , (3)

где C₄ в [мкФ].

Теперь рассмотрим мнимые части уравнения (2)

Отсюда можно получить

В случае, если тангенс угла диэлектрических потерь меньше 0,1, то можно пользоваться формулой

. (4)

Как сказано в начале, измерения этим методом проводят на плоских и цилиндрических образцах. Тогда расчет ε следует вести по формулам

А) для плоского образца:

, где С_х в [Ф],

, где С_х в [см],

, где С_х в [пФ].

Здесь t – толщина образца.

Б) для цилиндрического образца:

, где С_х в [пФ],

, где С_х в [см].

Здесь l – ширина измерительного электрода, [см].

Приведенная выше схема моста применяется для испытания электроизоляционных материалов и тех конструкций, у которых оба электрода изолированы от земли. Однако, на практике часто встречаются случаи, когда необходимо измерять ε и tgδ у конструкции, один из электродов которой наглухо заземлен. Например, фланец изолятора, оболочка кабеля и т.п.

В этих случаях используется так называемая «перевернутая схема», содержащая все элементы предыдущей схемы (рис.).

Как видно из схемы, напряжение подводится к нижней вершине моста. В такой схеме изоляция всех ее элементов (резисторов R₃, R₄, конденсатора С₄), соединительных кабелей и других токоведущих частей должна иметь высокое сопротивление относительно земли (≥ 1 МОм при напряжении 1000 В). Кроме того, для мостов с номинальным напряжением до 10 кВ изоляция перечисленных элементов должна выдерживать испытательное напряжение 15 кВ в течение одной минуты.

У равновешивание моста, т.е. регулирование R₃ и С₄, как правило, производится на расстоянии с помощью изоляционной штанги для защиты персонала от попадания под высокое напряжение (см.рис.).

Применение высокого напряжения в мостах требует соблюдения особых мер техники безопасности. В первую очередь следует предусмотреть надежное заземление приборов, надежную изоляцию, ограждение всех доступных для прикосновения токоведущих частей установки.

Периодически следует проверять исправность разрядников. Трансформатор высокого напряжения, конденсатор С₀ и испытуемый образец должны быть помещены в шкаф с дверцей, снабженной блокировкой и световой сигнализацией, или за металлической заземленной оградой, исключающей возможность прикосновения к проводам и зажимам, находящимся под высоким напряжением.