Министерство образования и науки Российской Федерации

Алтайский государственный технический университет

имени И.И. Ползунова

Татьянченко Л.Н., Богданов П.Б., Денисенко Д.А.

Измерение тангенса угла диэлектрических потерь с использованием моста Р5026

Методические указания к выполнению лабораторной

работы по курсу «Изоляция и перенапряжения» студентами

специальности 10.04 – «Электроснабжение» (по отраслям)

Изд-во АлтГТУ

Барнаул 2005

УДК 621.311.1(075.5)

Татьянченко, Л.Н. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь с использованием моста Р5026: Методические указания к выполнению лабораторной работы по курсу «Изоляция и перенапряжения» студентами специальности 10.04 – «Электроснабжение» (по отраслям) / Л.Н. Татьянченко, П.Б. Богданов, Д.А. Денисенко / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005. – 27 с.

Приведена методика выполнения лабораторной работы по курсу «Изоляция и перенапряжения».

Для студентов, обучающихся по специальности «Электроснабжение» (по отраслям) по дневной, вечерней и заочной формам.

Содержание

1 Особенности испытания твёрдых диэлектрических материалов 4

2 Измерение при помощи моста Р5026 8

3 Лабораторный стенд на основе моста Р5026 18

4 Порядок работы установки 20

4.1 Работа на высоком напряжении 20

4.2 Работа на низком напряжении 23

4.3 Описание установки для измерения 24

4.4 Меры безопасности и порядок работы на установке 25

4.5 Описание электродов для испытания и ε твердых изоляционных материалов 26

4.6 Порядок получения и обработки результатов 27

1 Особенности испытания твёрдых диэлектрических материалов

На практике приходится иметь дело не с идеальными диэлектриками, а с техническими – неоднородными, обладающими некоторой степенью электропроводимости. Электропроводимость технических диэлектриков объясняется наличием свободных зарядов в тех случаях, когда внутри атомные связи отсутствуют и в этом случае под действием электрического напряжения в изоляционном материале возникает ток проводимости. В связи с этим отмеченным явлением качество диэлектрика можно охарактеризовать удельной объемной проводимостью и удельной поверхностной проводимостью, – величинами, обратными и соответствующими удельным значениям объемного и поверхностного сопротивлений.

В результате воздействия внешнего поля на диэлектрик в нём создаётся особое напряженное состояние, именуемое электрической поля­ризацией. Различают несколько видов поляризации:

– электронная – возникновение не симметричности атомов под воздействием электрического поля. Подобное возможно и для молекул;

– дипольная – приобретение, по направлению внешнего поля, составляющего момента у дипольных молекул;

– внутрислоевая – накопление (абсорбция) зарядов в пограничных слоях, имеющих отличающие проводимости и диэлектрические проницаемости,

Степень поляризации ёмкости оценивается по разности заряда такой же ёмкости, но при наличии вакуума вместо диэлектрика между обкладками.

Внутрислоевая поляризация – это медленный процесс, соизмеримый по времени с частотой переменного тока 50Гц или превышающего его, если изоляция сухая. При сильном увлажнении диэлектрика постоянная времени внутрислоевой поляризации резко уменьшается. Следовательно, исследование абсорбции в какой-то мере может характеризовать состоя­ние изоляции. При медленной поляризации энергия поляризации воз­вращается источнику питания не полностью и часть её рассеивается в виде тепла. Помимо указанных затрат энергии, возможны дополни­тельные потери, если возник ток сквозной проводимости. Отражая описанные явления, можно составить электрическую схему замещения диэлектрика (рисунок 1.1). Все потери энергии в диэлектрике, рассеиваемые при приложении к нему переменного напряжения, называют диэлектри­ческими потерями.

– геометрическая емкость (ёмкость вакуума и мгновенной поляризации); – сопротивление сквозной проводимости; С_абс и – цепочка абсорбирующей составляющей и потерь диэлектрика;

С', С", R – цепочка, в которой возможны потери из-за ионизации при наличии искрового промежутка S.

Рисунок 1.1 – Схема замещения диэлектрика

Обычно потери от проходящих через диэлектрик токов сквозной проводимости по сравнению с потерями на поляризацию малы и имеют значение лишь при весьма большом увлажнении или больших по­ложительных температурах. Векторная диаграмма токов, проходящих через диэлектрик, при приложении переменного напряжения будет иметь вид, приведённый на рисунке 1.2.

– ток, обусловленный мгновенной поляризацией;

– ток абсорбционной составляющей (замедленной поляризации);

– ток сквозной проводимости.

Рисунок 1.2 – Векторная диаграмма токов в диэлектрике

Как видно из диаграммы, диэлектрические потери обуславливают наличие активной составляющей токов , в силу чего сдвиг фаз между напряжением U и током отличается от 90 градусов на угол δ, называемый углом диэлектрических потерь. Чем больше угол δ, тем больше энергия рассеивания и, следовательно, диэлектрик менее качественен, а это может вызвать в свою очередь перегревы. Полные потери в диэлектрике составляют:

, (1.1)

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику;

С_х – ёмкость объекта;

I_С – реактивная составляющая ( ).

Исходя из этих соотношений и векторной диаграммы, состояние изоляции можно характеризовать величиной:

. (1.2)

В практике измерений, чтобы не оперировать малыми цифрами, абсолютное значение часто принято выражать в процентах:

. (1.3)

Из рассмотрения эквивалентной схемы можно сделать ряд выводов:

– при увлажнении диэлектрика или нагрева его сопротивления и уменьшается и, следовательно растёт,

– все измерения необходимо выполнять при определенной установленной частоте переменного тока ,

– угол диэлектрических потерь почти не зависит от геометрических размеров однородного диэлектрика в силу пропорциональности из­менения активной и реактивной составляющих токов,

– местный, а также, сосредоточенный дефекты ухудшения диэлек­трика, например при увлажнении, могут быть не выявлены при измере­нии так как токи, определяемые дефектом, могут оказаться значи­тельно меньшими токов ёмкости в целом,

– по мере увеличения приложенного напряжения к диэлектрику отмечается весьма незначительное изменения . Лишь после того как возникает ионизация во включениях диэлектрика, вызывающая допол­нительные потери, будет резко возрастать,

– при отрицательных температурах, когда влага диэлектрика пере­ходит в твердое состояние, состояние изоляции по потерям трудно распознаваемо.

При эксплуатационных измерениях одновременно измеряется и ёмкость, которая также в известных приделах может служить показате­лем состояния диэлектрика. При значительном увлажнении диэлектрика изменяется характер релаксационного процесса и, следовательно, по ёмкости возможно судить о состоянии изоляции. Так, измеряя ёмкость, устанавливают объемное увлажнение или загрязнение, при котором изменяется диэлектрическая постоянная и, следовательно, значение ем­кости; старение материала. Развивая методику измерения, основанную на поляризационных процессах, для определения состояния и, главным образом, степени увлажнения диэлектриков применяют методы, дающие возможность сопоставлять ёмкости или сопротивления при разных тем­пературах или за некоторый промежуток времени, например измерение сопротивления изоляции мегомметром через 15 и 60 секунд.

Измерение ёмкости при разных частотах (2, 50, 200 Гц) переменного тока также дает возможность судить о степени увлажнения и в настоящее время используется в технике. Например, прибор ПКВ-7.

Действие прибора ПКВ-7 основано на измерение емкости объекта при частотах 2 и 50Гц. О качестве изоляции судят по отношению:

. (1.4)

Зависимость от частоты описывается уравнением:

, (1.5)

где ω – угловая частота,

τ – постоянная времени,

S – величина, имеющая размерность проводимости,

G – проводимость сквозного тока,

С_г – геометрическая емкость.

Зависимость (1.5) соответствует графику , приведённому на рисунке 1.3.

На ряду с существует величина, называемая добротностью изоляции Q, обратная тангенсу угла диэлектрических потерь:

. (1.6)