3.1.1. Контроль изоляции по tgδ

Контроль изоляции по tgδ является одним из наиболее распространенных. Как показывает опыт, по значению tgδ можно установить наличие в изоляции различных по характеру дефектов. Однако дефекты одного и того же типа, но разных размеров неодинаково влияют на результаты измерения tgδ изоляции и поэтому обнаруживаются с различной чувствительностью. Объясняется это тем, что измеряемый tgδ изоляции, состоящей из нескольких различных материалов, представляет собой средневзвешенную величину. Например, для простейшей модели изоляции в виде плоского конденсатора с дефектным участком (рис. 4.1) выражение для измеряемого tg δ _изм будет иметь следующий вид:

tg δ _изм = (_нV_нtg δ_н + _дV_дtg δ_д)/(_нV_н + _дV_д), (4.1)

где tg δ_н и tg δ_д — значения тангенса угла потерь для нормальной и дефектной изоляции; V_н и V_д—объемы соответственно участков с нормальной и дефектной изоляцией.

Во многих случаях с появлением дефекта диэлектрическая проницаемость изоляции изменяется мало и можно считать, что ε_д ≈ε_н. Тогда

tg δ_изм = tg δ_н , (4.2)

где V — полный объем изоляции.

Рис. 4.1. Изоляция с дефектным участком

Из выражения (4.2) следует, что при малых размерах дефектного участка измеряемый tgδ_изм может незначительно отличаться от tg δ_н и дефект останется незамеченным. Например, появление в изоляции дефекта с Vд = 0.005V и tgδ_д=10tg δ_н вызовет увеличение измеряемого значения tgδ против нормального всего на 5%, что сравнимо с точностью измерений в эксплуатационных условиях и с возможными случайными разбросами значений tgδ_н для нормальной изоляции. Таким образом, измерения tgδ изоляции позволяют наиболее надежно выявлять распределенные дефекты. При испытаниях некоторых видов оборудования tgδ изоляции измеряют при нескольких напряжениях в интервале, равном (0,5—1,5)U_раб, и строят зависимость tgδ= f (U), по которой иногда можно судить не только о наличии, но и о характере дефектов в изоляции (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Зависимость tg δ изоляции от напряжения:

1 – изоляция нормальная; 2 – изоляция с газовыми включениями

У изоляции нормального качества значение tgδ при напряжениях до 1,5U_раб в большинстве случаев остается практически неизменным (кривая 1 на рис. 4.2).

В случае изоляции с газовыми включениями после возникновения ЧР tg δ с ростом напряжения увеличивается вследствие рассеяния в разрядах дополнительной энергии (кривая 2 на рис. 4.2). Такая зависимость tgδ= f (U) получила название «кривой ионизации». По ней можно ориентировочно определить напряжение U_чp появления ЧР как напряжение, при котором начинается рост tgδ_. Однако следует иметь в виду, что такая оценка напряжения U_чp может оказаться завышенной (иногда в 1,5—2,0 раза), так как при напряжениях, едва превышающих действительное значение U_чр, энергия, рассеиваемая в ЧР, еще мала и изменение величины tgδ не выходит за пределы точности измерения.

При профилактических испытаниях качество изоляции оценивают только по абсолютной величине tgδ, которую измеряют при напряжении не выше 10 кВ независимо от номинального напряжения оборудования. Измерения при более высоких напряжениях в условиях эксплуатации не проводятся, так как для этого требуется громоздкое оборудование.

Мосты для измерения tgδ изоляции. Величину tgδ изоляции измеряют с помощью моста Шеринга, принципиальная схема которого показана на рис. 4.3. На этой схеме С_Х — испытуемая изоляция; С_n — эталонный конденсатор с очень малыми диэлектрическими потерями (газовая изоляция); И — индикатор равновесия моста; РЗ — защитные разрядники, предохраняющие измерительные плечи моста в случае пробоя испытуемой изоляции. Для уменьшения ошибок измерения вследствие наводок от внешних полей мост экранируется.

Равновесие моста достигается при условии

Z_Х / Z₃ = Z_n / Z₄ или Z_ХZ₄ = Z_n Z₃, (4.3)

где Z_Х, Z_n, Z₃ и Z₄ — полные сопротивления плеч моста. Испытуемая изоляция с диэлектрическими потерями может быть замещена с помощью последовательного или параллельного соединения емкости С_Х изоляции и сопротивления R_Х, в котором происходит рассеяние энергии.

Рис. 4.3. Нормальная схема моста Шеринга для измерения емкости и tg δ изоляции

Пусть, например, принята последовательная схема замещения изоляции. Тогда Z_Х = R_Х + 1/jС_Х и условие (4.3) с учетом действительного сопротивления каждого плеча запишется в виде:

. (4.4)

Приравнивая действительные и мнимые части равенства (4.4), получены два условия равновесия моста (по амплитуде и по фазе):

С_Х = С_n R₄/R₃; R_Х = R₃ С₄/С_n. (4.5)

Так как tgδ изоляции при последовательной схеме замещения равен ωC_ХR_Х, то tgδ = ωC_ХR_Х = ωC₄R₄.

Обычно сопротивление R₄ в мостах для напряжения с частотой 50 Гц принимается равным R₄ = 10⁴/π =3184 Ом. Тогда tgδ = 10⁶С₄, т. е. значение tgδ численно равно емкости С₄, мкФ.

В условиях эксплуатации часто один из электродов испытуемой изоляционной конструкции «наглухо» заземлен, тогда нормальная схема моста по рис. 4.3 не может быть использована. В таких случаях измерения tgδ проводят по так называемой «перевернутой» схеме (рис. 4.4), которая отличается от основной тем, что высокое напряжение подается в точку соединения сопротивлений R₃ и R₄, а заземляется точка соединения С_Х и С_n.

Рис. 4.4. «Перевернутая» схема моста Шеринга для измерения емкости и tg δ изоляции

В «перевернутой» схеме оба измерительных плеча и индикатор И оказываются под высоким потенциалом. Чтобы обеспечить безопасные условия работы с мостом, ручки от регулируемых элементов моста (R₃, С₄, индикатора И) выполняются изолированными на напряжение, вдвое превышающее номинальное для моста.

Для контроля качества изоляции по tgδ в энергосистемах используются компактные переносные мосты типов МД-16 и Р-595, которые позволяют проводить измерения при напряжениях до 10 кВ по «нормальной» и «перевернутой» схемам. В качестве источника высокого напряжения обычно применяют измерительный трансформатор напряжения НОМ-10.