Значения tgd, как и другие параметры диэлектриков для данных образцов материалов или участков изоляции, не являются строго постоянными, а зависят от различных внешних факторов.
Эти зависимости имеют существенное практическое значение.
Температурная зависимость tgd. При рассмотрении температурной зависимости tgd необходимо различать полярные и неполярные диэлектрики.
У неполярного диэлектрика проявляется только потери на электропроводность. Поэтому с ростом температуры tgd, а, следовательно, и диэлектрические потери, растут (Рис. 4.5, а), что обусловлено возрастанием тока проводимости в диэлектрике.
У полярных диэлектриков к потерям на электропроводность, которые больше, чем у неполярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию дипольных молекул.
Рис. 4.5. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь:
а) от температуры, б) от частоты 1 — неполярный диэлектрик, 2 — полярный диэлектрик
При низких температурах вязкость материалов высока, диполи практически не разворачиваются при приложении поля, и дипольная поляризация отсутствует, а tgd имеет низкие значения (Рис. 4.5, а).
С ростом температур до значения T1 происходит уменьшение вязкости и усиление дипольной поляризации, вследствие чего возрастает и tgd. С дальнейшим ростом температуры (участок T1 —Т2) вязкость становится настолько мала, что диполи легко поворачиваются по полю и уменьшаются затраты энергии на трение. В результате чего tgd уменьшается. Рост tgd, а следовательно, активных потерь в диэлектрике, начиная с температуры Т2 и выше, вызван увеличением тока проводимости, так как вязкость вещества уменьшается и носители тока (свободные ионы и электроны) приобретают большую скорость.
Частотная зависимость tgd . В неполярных диэлектриках существуют только потери на электропроводность, которые не зависят от частоты переменного электрического поля. Вследствие этого произведение ωtgd в выражении (4.7) должно иметь постоянное значение. Поэтому тангенс угла потерь tgd с ростом частоты уменьшается по гиперболе (график I, Рис. 4.5,б).
Рис. 4.6. Зависимость диэлектрических потерь от частоты: 1- неполярный диэлектрик, 2 — полярный диэлектрик
В полярных диэлектриках рассеиваемая мощность в основном определяется потерями на трение при ориентации дипольных молекул. Поэтому диэлектрические потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля, при этом растет и tgd (график 2, Рис. 4.5,б). Когда же частота становится настолько велика что дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tgd падает, то потери Растановятся постоянными в соответствии с формулой (4.7).
Таким образом, зависимость диэлектрических потерь Раот частоты (Рис. 4.6) не соответствует частотной зависимости tgd.
3ависимость tgd от напряжения. При оценке качества изоляции большое практическое значение имеет зависимость tgd электрической изоляции от приложенного к ней напряжения.
Обычно tgd от напряжения практически не зависят, так что диэлектрические потери при повышении напряжения возрастают пропорционально U 2 . Однако иногда зависимость tgd(U) имеет весьма характерный вид, представленный на Рис. 4.7.
Рис. 4.7. Зависимость tgd от приложенного к изоляции напряжения: Uч.р — напряжение начала частичных разрядов
Из графика видно, что при значениях напряжения, превышающих Uч.р, tgd резко возрастает. Это связано с началом ионизации включений воздуха или других газов в изоляции. Ионизация в газовых включениях (мельчайших зазорах, прослойках и пузырьках газов) приводит к так называемым "частичным разрядам" в них. Частичные разряды локализуются в ограниченной части объема изоляции, т.е. не доходят до обоих электродов.
Возникновение разрядов в газовых включениях объясняется как малой диэлектрической проницаемостью газов (соответственно большой напряженностью во включениях), так и малой электрической прочностью газов. Рассеяние энергии частичными разрядами приводит к росту tgd при увеличении напряжения выше значения Uч.р. Частичные заряды в небольшом количестве не могут вызвать необратимых изменений в твердой изоляции. Если через небольшое время снизить напряжение на изоляции ниже напряжения начала частичных разрядов Uч.р, то частичные разряды гаснут и tgd снижается до исходного значения. Однако образование частичных разрядов в высоковольтной изоляции, предназначенной для длительной эксплуатации, весьма нежелательно. Частичные разряды вызывают дополнительный нагрев изоляции, ее эрозию и в результате приводят к ускоренному старению изоляции.
Сказанное определяет важность получения характеристики tgd(U) для высоковольтной изоляции.
Как правило, рабочее напряжение изоляции должно быть ниже напряжения начала частичных разрядов Uч.р. Следует считать более высококачественной такую изоляцию, у которой Uч.р более высокое, а подъем кривой tgd (U) более пологий.
Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:
Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением — возможны все виды диэлектрических потерь.
Твердые вещества можно подразделить на четыре группы:
— диэлектрики молекулярной структуры;
— диэлектрики ионной структуры;
— диэлектрики неоднородной структуры.
Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющие примесей, обладают очень малыми диэлектрическими потерями (церезин, неполярные полимеры — полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др.) — высочайшие диэлектрики.
Диэлектрики с полярными молекулами главным образом органические вещества (материалы на основе целлюлозы: бумага, картон), полярные полимеры (органическое стекло), полиамиды (капрон) и полиуретаны, каучуковые материалы (эбонит), фенолформальдегидные смолы и др. Эти вещества обладают большими потерями (дипольная релаксационная поляризация), которые существенно зависят от температуры.
Возрастание потерь после минимума объясняется увеличением потерь от сквозной электропроводности (рис. 3.7).
Диэлектрические потери твердых веществ ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке.
В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. Среди таких веществ: корунд (Al2O3), входящий в состав ультрафарфора, каменная соль (NaCl).
Рисунок 3.7 — Зависимость от t для высушенной бумаги
Кристаллические вещества с неплотной упаковкой ионов характеризуются релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные электрические потери: муллит — в составе изоляторного фарфора; кордиерит — компонент керамики с малым температурным коэффициентом расширения и др.
Так как для большинства видов электрокерамики число ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с температурой, то максимум tg 
отсутствует и температурная зависимость tg подобно температурной зависимости удельной проводимости имеет экспоненциальный характер (см. рис. 3.8).
Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной структуры — неорганических стеклах — связаны с явлением поляризации и электропроводности.
— потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямопропорционально частоте (tg не зависит от частоты);
— потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямопропорционально частоте (tg уменьшается с возрастанием частоты).
Рисунок 3.8 — Температурная зависимость tg для большинства видов электрокерамики
В первом случае потери обуславливаются релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Введение оксидов вызывает заметное возрастание диэлектрических потерь.
Термообработка — отжиг или закалка — также заметно влияет на угол диэлектрических потерь стекла в связи с изменением его структуры.
Во втором случае потери вызываются передвижениями слабосвязанных ионов и должны рассматриваться как потери, обусловленные электропроводностью. Такие потери появляются обычно при температурах выше 50 — 100 0 С.
Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем у обычных диэлектриков и мало изменяются с температурой в области самопроизвольной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда самопроизвольная поляризация исчезает. Диэлектрические потери в керамике определяются видом кристаллической и стекловидной фаз и количественного соотношения между ними.
Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при высоких напряженностях поля вследствие развития ионизации.
В электроизоляционной технике применяется большое количество композиционных материалов. В одних случаях это определяется требованиями механической прочности (волокнистая основа), в других — удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (наполнители в пластмассах и резинах), в третьих — использованием отходов (слюдяные материалы и т.д.).
1. Что называют диэлектрическими потерями? Какие механизмы диэлектрических потерь вам известны?
2. В каких случаях интересуются диэлектрическими потерями в материалах и с помощью каких параметров оценивают их величину?
3. Каковы основные виды диэлектрических потерь и зависимости их от внешних факторов?
4. Как влияет температура на положение частотного максимума tgd релаксационных потерь?
5. Какие диэлектрики относят к высокочастотным?
6. В каких диэлектриках и при каких условиях важную роль играют потери на ионизацию?
| | | следующая лекция ==> | |
| Рекомендации по защите населения от терроризма | | | Защита от техногенных ЧС, вызванных пожарами и взрывами |
Дата добавления: 2015-09-28 ; просмотров: 1954 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в электроизоляционном материале под воздействием на него электрического поля.
Способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле обычно характеризуют углом диэлектрических потерь , а также тангенсом угла диэлектрических потерь . При испытании диэлектрик рассматривается как диэлектрик конденсатора, у которого измеряется емкость и угол δ , дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Этот угол называется углом диэлектрических потерь .
При переменном напряжении в изоляции протекает ток, опережающий по фазе приложенное напряжение на угол ϕ (рис. 1), меньший 90 град. эл. на небольшой угол δ, обусловленный наличием активного сопротивления.
Рис. 1. Векторная диаграмма токов через диэлектрик с потерями: U — напряжение на диэлектрике; I — полный ток через диэлектрик; Ia,Ic — соответственно активная и емкостная составляющие полного тока; ϕ — угол фазного сдвига между приложенным напряжением и полным током; δ — угол между полным током и его емкостной составляющей
Отношение активной составляющей тока Ia к емкостной составляющей Ic называется тангенсом угла диэлектрических потерь и выражается в процентах:
В идеальном диэлектрике без потерь угол δ=0 и, соответственно, tg δ=0. Увлажнение и другие дефекты изоляции вызывают увеличение активной составляющей тока диэлектрических потерь и tgδ. Поскольку при этом активная составляющая растет значительно быстрее, чем емкостная, показатель tg δ отражает изменение состояния изоляции и потери в ней. При малом объеме изоляции удается обнаружить развитые местные и сосредоточенные дефекты.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь
Для измерения емкости и угла диэлектрических потерь (или tg δ ) эквивалентную схему конденсатора представляют как идеальный конденсатор с последовательно включенным активным сопротивлением (последовательная схема) или как идеальный конденсатор с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема).
Для последовательной схемы активная мощность:
Р=(U 2 ω tg δ )/( 1+tg 2 δ ) , tg δ = ω С R
Для параллельной схемы:
Р=U2 ω tg δ, tg δ = 1/ (ω С R )
где С — емкость идеального конденсатора; R — активное сопротивление.
Значение угла диэлектрических потерь обычно не превышает сотых или десятых долей единицы (поэтому угол диэлектрических потерь принято выражать в процентах), тогда 1+tg 2 δ ≈ 1, а потери для последовательной и параллельной схем замещения Р=U 2 ω tg δ, tg δ = 1/ (ω С R )
Значение потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте, что необходимо учитывать при выборе электроизоляционных материалов для аппаратуры высокого напряжения и высокочастотной.
С увеличением приложенного к диэлектрику напряжения до некоторого значения U о начинается ионизация имеющихся в диэлектрике газовых и жидкостных включений, при этом δ начинает резко возрастать за счет дополнительных потерь, вызванных ионизацией. При U1 газ ионизирован и уменьшается (рис. 2).
Рис. 2. Ионизационная кривая tg δ = f (U)
Значение тангенса угла диэлектрических потерь измеряют при напряжениях, меньших U о (обычно 3 — 10 кВ). Напряжение выбирается так, чтобы облегчить испытательное устройство при сохранении достаточной чувствительности прибора.
Значение тангенса угла диэлектрических потерь ( tg δ) нормируется для температуры 20 °С, поэтому измерение следует производить при температурах, близких к нормированной (10 — 20 о С). В этом диапазоне температур изменение диэлектрических потерь невелико, и для некоторых типов изоляции измеренное значение может без пересчета сравниваться с нормированным для 20 °С.
Для устранения влияния токов утечки и внешних электростатических полей на результаты измерения на испытуемом объекте и вокруг измерительной схемы монтируют защитные приспособления в виде охранных колец и экранов. Наличие заземленных экранов вызывает появление паразитных емкостей; для компенсации их влияния обычно применяют метод защитного — напряжения, регулируемого по значению и фазе.
Наибольшее распространение получили мостовые схемы измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь .
Местные дефекты, обусловленные сквозными проводящими мостиками, лучше обнаруживаются измерением сопротивления изоляции на постоянном токе. Измерение tg δ производят мостами переменного тока типов МД-16, Р5026 (Р5026М) или Р595, которые являются по существу измерителями емкости (мост Шеринга). Принципиальная схема моста приведена на рис. 3.
В этой схеме определяются параметры изоляционной конструкции, соответствующие схеме замещения с последовательным соединением конденсатора без потерь С и резистора R, для которой tg δ=ωRC, где ω — угловая частота сети.
Процесс измерения заключается в уравновешивании (балансировке) мостовой схемы поочередной регулировкой сопротивления резистора и емкости магазина конденсаторов. При равновесии моста, которое индицируется измерительным прибором Р, выполняется равенство. Если значение емкости С выразить в микрофарадах, то при промышленной частоте сети f = 50 Гц будем иметь ω=2πf = 100π и, следовательно, tg δ % = 0,01πRC.
П ринципиальная схема моста Р525 приведена на рис. 3.
Рис. 3. Принципиальная схема измерительного моста переменного тока Р525
Измерение возможно на напряжение до 1 кВ и выше 1 кВ (3—10 кВ) в зависимости от класса изоляции и емкости объекта. В качестве источника питания может служить измерительный трансформатор напряжения. Мост используется с внешним воздушным конденсатором С0. Принципиальная схема включения аппаратуры при измерении tg δ показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема включения испытательного трансформатора при измерении тангенса угла диэлектрических потерь: S — рубильник; TAB — регулировочный автортрансформатор; SAC — переключатель полярности выводов испытательного трансформатор Т
Применяют две схемы включения моста: так называемую нормальную, или прямую, в которой измерительный элемент Р включен между одним из электродов испытуемой изоляционной конструкции и землей, и перевернутую, где он включен между электродом испытуемого объекта и выводом высокого напряжения моста. Нормальную схему применяют, когда оба электрода изолированы от земли, перевернутую — когда один из электродов наглухо соединен с землей.
Необходимо помнить, что в последнем случае отдельные элементы моста будут находиться под полным испытательным напряжением. Измерение возможно на напряжении до 1 кВ и выше 1 кВ (3—10 кВ) в зависимости от класса изоляции и емкости объекта. В качестве источника питания может служить измерительный трансформатор напряжения.
Мост используется с внешним образцовым воздушным конденсатором. Мост и необходимую аппаратуру размещают в непосредственной близости к испытуемому объекту и устанавливают ограждение. Провод, идущий от испытательного трансформатора Т к образцовому конденсатору С, а также соединительные кабели моста Р, находящиеся под напряжением, должны быть удалены от заземленных предметов не менее чем на 100—150 мм. Трансформатор Т и его регулировочное устройство ТАВ (ЛАТР) должны отстоять от моста не менее чем на 0,5 м. Корпуса моста, трансформатора и регулирующего устройства, а также один вывод вторичной обмотки трансформатора обязательно заземляют.
Показатель tg δ часто измеряется в зоне действующего РУ, а, поскольку между объектом испытания и элементами РУ всегда имеется емкостная связь, через испытуемый объект протекает ток влияния. Этот ток, зависящий от напряжения и фазы влияющего напряжения и суммарной емкости связи, может привести к неправильной оценке состояния изоляции, особенно объектов небольшой емкости, в частности вводов (до 1000—2000 пФ).
Уравновешивание моста производится путем многократного регулирования элементов схемы моста и защитного напряжения, для чего индикатор равновесия включается то в диагональ, то между экраном и диагональю. Мост считается уравновешенным, если при обоих включениях индикатора равновесия ток через него отсутствует.
В момент равновесия моста
г де f — частота переменного тока, питающего схему
Постоянное сопротивление R4 выбирается равным 10 4 / π Ом. В этом случае tg δ = С4, где емкость С4 выражена в микрофарадах.
Если измерение проводилось на частоте f’ , отличной от 50Гц, то tg δ = (f’/50)C4
Когда измерение тангесна угла диэлектрических потерь производится на небольших отрезках кабеля или образцах изоляционных материалов, из-за их малой емкости необходимы электронные усилители (например, типа Ф-50-1 с коэффициентом усиления около 60). Следует иметь в виду, что мост учитывает потери в проводе, соединяющем мост с испытуемым объектом, и измеренное значение тангенса угла диэлектрических потерь будет больше действительного на 2 π fRzCx , где Rz — сопротивление провода.
При измерениях по схеме перевернутого моста регулируемые элементы измерительной схемы находятся под высоким напряжением, поэтому регулирование элементов моста либо производят и а расстоянии с помощью изолирующих штанг, либо оператора помещают в общем экране с измерительными элементами.
Тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторов и электрических машин измеряют между каждой обмоткой и корпусом при заземленных свободных обмотках.
Влияния электрического поля
Различают электростатические и электромагнитные влияния электрического поля. Электромагнитные влияния исключаются полным экранированием. Измерительные элементы размещают в металлическом корпусе (например, мосты Р5026 и Р595). Электростатические влияния создаются находящимися под напряжением частями РУ и ЛЭП. Вектор влияющего напряжения может занимать любое положение по отношению к вектору испытательного напряжения.
Известны несколько способов уменьшения влияния электростатических полей на результаты измерения tg δ:
отключение напряжения, создающего влияющее поле. Этот способ наиболее эффективен, но не всегда применим по условиям энергоснабжения потребителей;
вывод объекта испытания из зоны влияния. Цель достигается, но транспортировка объекта нежелательна и не всегда возможна;
измерение на частоте, отличной от 50 Гц. Применяется редко, так как требует специальной аппаратуры;
расчетные методы исключения погрешности;
метод компенсации влияний, при котором достигается совмещение векторов испытательного напряжения и ЭДС влияющего поля.
С этой целью в цепь регулирования напряжения включают фазорегулятор и при отключенном объекте испытания добиваются равновесия моста. При отсутствии фазорегулятора эффективной мерой может явиться питание моста от того напряжения трехфазной системы (с учетом полярности), при котором результат измерения будет минимальным. Часто бывает достаточно выполнить измерение четыре раза при разных полярностях испытательного напряжения и подключении гальванометра моста; Применяются как самостоятельно, так и для уточнения результатов, полученных другими методами.
