Определение напряжения и интенсивности ионизации

Появление ионизации, равно как и наличие газовых включений, в изоляции можно установить по излому в зависимости tgδ от напряжения U.

253

Точку излома (перегиба) зависимости tgδ = f(U) можно считать началом разрядов и соответствующее напряжение – напряжением начала частичных разрядов (U_нач).

Однако в объеме диэлектрика распределены самые разнообразные включения, а величина потерь, отвечающая какой-либо группе включений определенного типа и размера, весьма мала. Поэтому регистрируемое мостовыми методами увеличение tgδ соответствует не началу разрядов, а уже интенсивной ионизации, охватывающей значительную часть включений. Часто, точка перегиба tgδ = f(U) бывает выражена неявно.

В кабельной промышленности лимитируется приращение Δtgδ при изменении напряжения от 0,5 Uном до испытательного, которое свидетельствует об уровне ионизации.

Существует несколько методов регистрации частичных разрядов. Их можно разделить на две большие группы: неэлектрические и электрические.

Неэлектрические методы. 1. Метод свечения (оптический метод) – позволяет регистрировать ЧР главным образом на краях электродов. Хотя при использовании прозрачных электродов можно увидеть разряды и непосредственно под ними. Для регистрации разрядов применяются фотоэлектронные усилители, позволяющие регистрировать разряды до 0,001 пКл, а также место возникновения разрядов.

2.Акустический метод имеет чувствительность ниже, чем у оптического. Для фиксации возникновения ЧР применяют специальные микрофоны, позволяющие определять разряды до 50 пКл. Ухо человека фиксирует около 1000 пКл.

Электрические методы. Эти методы регистрации ЧР можно разделить на три вида. 1. Косвенные методы. В них определяют диэлектрические потери с помощью измерения tgδ или измерения вольт-кулоновых характеристик и получают зависимости tgδ = f(U). Эти методы дают представление о напряжении начала ЧР и об их мощности (по площади циклограммы или по tgδ). Но в этих методах затруднено выделение потерь, вызываемых непосредственно ЧР. Недостатком является также малая чувствительность методов.

2. Антенный метод. Используются схемы, рассчитанные для работы в диапазоне метровых или сантиметровых длин волн. Применяются они при профилактических испытаниях изоляции ЛЭП. В других случаях практически не используются.

3.Регистрация высокочастотных колебаний. Эти методы получили наиболее широкое распространение, т.к. позволяют надежно измерять основные характеристики ЧР и обеспечивают высокую чувствительность (минимальный регистрируемый заряд в ряде случаев составляет 10^-14 – 10^-15 Кл). Здесь для точного определения напряжения начала ионизации применяют одну из трех схем: мостовую, последовательную или параллельную.

Мостовая схема отличается от обычного моста тем, что в качестве регистрирующего прибора в диагонали моста применяют осциллограф с усилителем.

Здесь – РП – широкополосный усилитель с К = 10⁶. Рабочая частота от 10 до 100 кГц. К нему подсоединяется электронный осциллограф вместе с счетчиком импульсов. Мост уравновешивают на частоте 50 Гц. Затем поднимают напряжение. С ростом напряжения возникают ЧР, сопровождающиеся высокочастотными колебаниями. Их можно наблюдать на экране осциллографа. Мостовая схема применяется обычно для уменьшения влияния электрических помех.

Последовательная и параллельная схемы представлены на рисунках.

В этих схемах: ИТ – испытательный трансформатор, ВК – входной контур (измерительный элемент), У – усилитель (усиливает напряжение частотой 10 – 200 кГц; на входе усилителя стоит фильтр, который не пропускает напряжение с частотой меньше 10 кГц), РП – регистрирующий прибор (электронный осциллограф или стрелочный прибор), С₀ – соединительный конденсатор (создает пути замыкания импульсов тока ЧР), Ф или Z_ф – фильтр для подавления внешних помех (защитное сопротивление, индуктивность и/или емкость).

В последовательной схеме образец включается последовательно, а в параллельной – параллельно с ВК. К этому контуру подсоединяются У и РП. Вместо осциллографа или стрелочного прибора может быть подключен счетчик импульсов.

Для регистрации напряжения начала ионизации, когда ионизация неинтенсивна и сигнал невелик, контур 1 – 2 – 3 – 4 настраивают в резонанс (в качестве ВК используется катушка индуктивности L) с колебаниями частотой порядка 100 кГц, поскольку импульсы ЧР имеют максимум спектра частот в области этой частоты (при разложении в ряд Фурье). Для этого применяют резонансный усилитель с коэффициентом усиления не менее 10⁶.

Если сопротивление катушки индуктивности L равно R_к, то полоса пропускания усилителя должна составлять , так как при этом используется большая часть энергии входного сигнала.

Настроенный в резонанс контур 1 – 2 – 3 – 4 имеет незначительное сопротивление, а напряжение на индуктивности L_вх при частоте резонанса достаточно велико для того, чтобы после усиления его можно было зарегистрировать (на входе У U не менее 40 мкВ).

При снятии ионизационных характеристик, когда уже имеет место значительная интенсивность ионизации, и измеряется I_х , входной контур содержит обычно активное сопротивление R_вх . На входе включают широкополосный усилитель с коэффициентом усиления не менее 10⁵, полоса пропускания составляет обычно от 10 до 1000 кГц.

Если С_э – эквивалентная емкость схемы, то для использования большей части энергии входного сигнала полоса пропускания должна составлять .

При широкой полосе пропускания в этом случае получаются также небольшие искажения сигнала. Подобные усилители имеют чувствительность не менее 40 мкВ, а на входе заградительные фильтры для частоты 50 Гц с коэффициентом ослабления на этой частоте не менее 10⁴.

Конденсатор С_ф, включенный параллельно вторичной обмотке трансформатора, предназначен для фильтрации и защищает схему от проникновения высокочастотных наводок от питающей сети. В последовательной схеме он также обеспечивает низкое сопротивление для токов высокой частоты, возникающих при ионизации. Трансформатор представляет для них высокое сопротивление.

Чтобы в параллельной схеме токи ионизации высокой частоты не замыкались через емкость С_ф, между С_ф и С_х включается заградительный фильтр Ф.

Когда ЧР нет, тогда реактивное сопротивление образца (С_х) или емкости (С₀) при f = 50 Гц так велико, что в цепи протекает незначительный ток.

Мерой чувствительности различных схем может служить минимальное изменение электрического заряда (q_x) образца, обнаруживаемое тем или иным методом. Величина этого заряда зависит от емкости образца и числа зарядов за цикл (в среднем, при емкости образца порядка 100 пФ и двух разрядов за период, минимальный заряд составляет примерно 10^-13 Кл).

Градуировку схемы осуществляют обычно с помощью калибрующих импульсов, которые подаются от разрядной емкости или импульсного генератора, включенных последовательно с образцом. Изменение заряда Q_гр на образце будет пропорционально амплитуде напряжения калибрующего импульса U_имп. Постоянную отклонения луча осциллографа К_ос можно получить как отношение Q_гр к отклонению луча l_гр при подаче калибровочного импульса:

, [Кл/мм] .

Чувствительность схемы для регистрации начальной ионизации должна составлять около 10^-13 Кл/мм.

Если к выходу усилителя присоединен стрелочный прибор, то его показания будут мерой средней интенсивности ионизации I_ср:

, где

,

n_гр – число калибрующих импульсов в секунду;

α_гр – отклонение по шкале прибора при градуировке.

Для построения ионизационной характеристики находят значение I_ср для ряда возрастающих напряжений и строят зависимость I_ср = f(U).

При исследовании ЧР в изоляции необходимо устранить влияние внешних помех (от сети, наведенное напряжение на образце) и возможность появления короны на подводящих проводах и электродах.

Для исключения помех от питающей сети, как уже говорилось, применяют блокировочные конденсаторы и фильтры. Для устранения наводок образец и входной контур желательно помещать в металлический экран. Для устранения короны переходные контакты в подводящих проводах и различные клеммы должны иметь полированную сферическую поверхность. На рисунке приведена форма электродов, исключающая влияние короны.

Образец изоляции 2 одевается на цилиндрический электрод (это может быть и жила кабеля). На концах этого электрода закрепляются сферические металлические поверхности для исключения коронирования. По краям измерительного внешнего электрода 3 расположены охранные заземленные электроды 4. Появление короны возможно лишь на краях электродов 4, которые заземлены. Импульсы от короны, таким образом, не могут проникнуть в измерительную цепь – входной контур.

Для контроля ионизации в кабелях с пластмассовой изоляцией при их производстве применяют внешний электрод из дистиллированной воды (см. рисунок).

Методы механических испытаний электроизоляционных материалов

В этом разделе рассмотрим ряд механических характеристик, в основном, таких твердых материалов как пластмассы. Важность измерения механических характеристик обусловлена тем, что при эксплуатации различных машин, аппаратов и других устройств детали, изготовленные из электроизоляционных материалов, могут подвергаться значительным механическим нагрузкам.

По отношению к действию механических нагрузок могут быть выделены три важнейшие группы материалов: эластичные, пластичные и хрупкие. Однако это разделение в известной степени условно, поскольку часто свойства материалов находятся в прямой зависимости от температуры, и характеристики одного и того же материала при разных температурах позволяют относить его к разным выделенным нами группам.

Механические испытания имеют своей основной задачей определение механических разрушающих напряжений и возникающих при этом деформаций материала. Наиболее массовыми техническими измерениями механических свойств пластмасс являются измерения при однократном кратковременном нагружении. К этой группе относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, раздир, твердость и другие, в ходе которых производится нагружение образца до разрушения или до заданного значения механического напряжения (деформации).

Испытания при растяжении

Показатели свойств пластмасс при растяжении определяют на образцах, форма и размеры которых приведены на рисунке. Они устанавливаются ГОСТ 11262-80.

Δ₁ ≤ 3 мм; Δ₂ ≤ 10 мм; l = 80 ÷ 150 мм; h = 25 ÷ 50 мм; b = 11 ÷ 25 мм; l₀ ≥ 5Δ.

Испытания керамических материалов проводят на образцах существенно отличающихся от пластмасс. Они имеют форму тел вращения – так называемых «восьмерок».

Обычные зажимы разрывных машин для керамики не пригодны. Поэтому применяются специальные пластины из свинца (см. рисунок выше) с отверстиями, в которые вставляют керамические образцы. Свинец, являясь мягким металлом, не вызывает разрушение поверхности керамических образцов.

При проведении испытаний образец кондиционируют, закрепляют в зажимах испытательной машины, измеряют по меткам, определяющим положение кромок захватов на образце, задают скорость движения активного захвата испытательной машины и проводят испытание.

Испытания проводят на разрывной машине. Разрывная машина имеет зажимы, в которых закрепляется испытуемый образец, датчик силы и деформации, приборы для их регистрации. Машина может иметь ручной или электрический привод, может быть снабжена термокриокамерой для измерения характеристик материалов при различных температурах.

Среди российских (советских) разрывных машин можно перечислить следующие:

Р-5 – с маятниковым силоизмерителем, предел измерения силы: до 5000 кГс (5 тонн!), диапазон скоростей испытания 1 ÷ 100 мм/мин, может работать на растяжение, сжатие и изгиб при комнатной температуре, деформация измеряется до 200 мм с погрешностью 1 мм.

Аналоги: РМИ-5, РМИ-60, РМИ-250 (СССР) ZDM-2,5, ZDM-5, ZDM-10 (ГДР, WPM).

РМУ – 0,05 – 1 – электронным силоизмерителем, предел измерения силы: до 50 кГс, диапазон скоростей испытания 1 ÷ 60 мм/мин, работает при комнатной температуре только на растяжение, деформация измеряется до 200 мм с погрешностью 1 мм.

Аналоги: Серия 14 (ФРГ, «Цвик»), 659А, 658А (ФРГ, «Франк»).

МРС –500 – с электронным силоизмерителем и термокриокамерой стандартного диапазона, предел измерения силы: до 500 кГс, диапазон скоростей испытания 0,06 ÷ 600 мм/мин, работает от – 90 до + 300ºС на растяжение, сжатие, изгиб, релаксацию, ползучесть и усталость, деформация измеряется до 350 мм с погрешностью 1 мм.

Аналоги: Серия 13 (ФРГ, «Цвик»).

Существуют и настольные (лабораторные) машины, например,

РПМ – 0,05Т – до 50 кГс, диапазон скоростей изменяется ступенчато: 0,2; 1,5; 10 мм/мин, работает на растяжение, сжатие, изгиб, релаксацию, теплостойкость и определение твердости от – 90 до + 300ºС, деформация измеряется до 100 мм с погрешностью 0,1 – 0,01 мм.

Если материал поперечного сечения S подвергается плавно возрастающему растягивающему усилию, то предельное для образца усилие P_р вызывает разрыв образца. Предел прочности при растяжении находится из выражения

, .

Одновременно с определением σ_р можно определить еще одну механическую характеристику материала – относительное удлинение при растяжении (разрыве), ε_р

.

Здесь: l₀ – первоначальная длина образца (расстояние между зажимами разрывной машины до начала испытаний); l_р – длина образца в момент разрыва.

Естественно, что l₀ и l_р должны измеряться в одних и тех же единицах.

Определение модуля упругости

В ходе испытаний на растяжение может быть определена еще одна механическая характеристика материалов – модуль упругости. По закону Гука σ = Е ε, где Е – модуль упругости.

1. жесткие хрупкие полимеры при Т < Т_{хрупкости};

2. жесткие пластичные аморфные полимеры в интервале от Т_{хрупкости} до Т_{стеклования} (стеклообразное состояние);

3. эластичные аморфные полимеры в высокоэластическом состоянии.

Модуль упругости характеризует устойчивость материала к деформации под действием внешних нагрузок. Упругая деформация невелика и полностью обратима.

В ходе испытаний определяется начальный модуль упругости.

Здесь 1 – нагрузка при 3% от предела прочности при растяжении (σ_р), а 2 – нагрузка при 10% от σ_р.

В ходе испытаний проводят 5 измерений и определяют среднее значение Е.