Vitasvet-led.ru

Витасвет Лед
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Потери в диэлектриках вызваны током

Лабораторные работы по материаловедению

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ТВЕРДЫХ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

Изучить методы измерения электрической емкости диэлектриков, тангенса угла диэлектрических потерь и определить параметры изоляционных материалов электроустановок напряжением до 1кВ.

Изучить виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах электроустановок напряжением до 1 кВ.

Изучить прямые и косвенные методы определения электрической емкости различных диэлектриков в конденсаторах и тангенса угла диэлектрических потерь изоляционных материалов.

Изучить лабораторную установку, приборы и приспособления для определения электрической емкости диэлектриков и диэлектрических потерь изоляции электрооборудования напряжением до 1 кВ.

Выполнить измерения и расчеты электрической емкости и тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электроустановок напряжением до 1кВ.

Провести анализ полученных значений тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электроустановок напряжением до 1кВ и сделать выводы по лабораторной работе.

Ответить на вопросы преподавателя, оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

Любой электроизоляционный материал в рабочем режиме является средой электрического поля электроустановок. Диэлектрик вместе с токопроводящими металлическими деталями, находящимися под разными потенциалами, образуют конденсатор. В идеальной среде электрического поля с проводимостью, равной нулю, при приложении переменной разности потенциалов к электродам и возникновении электрического поля, через диэлектрик будет проходить только реактивный емкостный ток, не вызывающий выделения тепла.

При переменном напряжении емкостный ток проходит в течение всего времени воздействия напряжения, а при постоянном только вначале, пока есть электрическое поле и происходит зарядка конденсатора. Через диэлектрик, электрическая проводимость которого не равна нулю, кроме емкостного тока, будет протекать и активный ток. То есть в условиях эксплуатации в диэлектрике кроме обратимого поглощения энергии будет происходить и необратимое поглощение энергии.

Потери энергии в диэлектрике называют диэлектрическими потерями, которые по физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида: потери на электропроводность, релаксационные потери, ионизационные потери и резонансные потери.

Потери на электрическую проводимость. Данный вид потерь существует в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность. Если при этом другие виды потерь малы, то частотные зависимости параметров и получают, используя параллельную эквивалентную схему замещения диэлектрика. Потери на электропроводимость зависят от частоты приложенного напряжения, параметр уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Рассмотрим частотные зависимости параметров потерь и тангенса угла диэлектрических потерь (рисунок 1).

Рисунок 1 – Частотные (а) и температурные (б) зависимости потерь на электрическую проводимость диэлектриков

Значение параметра при данной частоте может быть вычислено по формуле:

если известно удельное сопротивление , измеренное на постоянном токе, и диэлектрическая проницаемость , измеренная при данной частоте.

Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону:

где — постоянные величины для каждого электроизоляционного материала.

В зависимости от температуры параметр изменяется по тому же закону, так как реактивная мощность исследуемого диэлектрика от температуры материала практически не зависит.

Релаксационные потери. Этот вид потерь обусловлен активными составляющими поляризационных токов в электроизоляционном материале электроустановок. Релаксационные потери характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации. Они проявляются в области высоких частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения электрического поля.

Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации.

Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах электроустановок со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его электрических свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть полупроводящие вещества, например, восстановленные окислы. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков не существует общей формулы расчета данного вида диэлектрических потерь.

Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

Резонансные потери возможны в твердых электроизоляционных материалах электроустановок, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний диэлектрика.

Объемные и поверхностные токи утечки в твердых электроизоляционных материалах обуславливают мощность диэлектрических потерь. При определении диэлектрических потерь материала электроустановки обычно учитывается только объемный ток утечки.

В исследуемой электрической схеме реальный конденсатор автоматики электроустановки с потерями заменен идеальным конденсатором, шунтированным активным сопротивлением. Учитывая, что емкостный ток:

то мощность диэлектрических потерь:

где — фактическая емкость диэлектрика; — круговая частота сети.

Данная формула определяет количество энергии, рассеиваемой в диэлектрике электрооборудования за единицу времени. Тангенс угла диэлектрических потерь имеет значение как электрическая характеристика диэлектрического материала электроустановки. При эксплуатации электроустановок часто пользуются понятием добротности изоляции , величиной обратной параметру . Данные параметры могут характеризовать как конкретный электроизоляционный материал, так и конструкцию электрической машины или аппарата в целом. Безразмерная величина параметра для большинства жидких и твердых диэлектриков электроустановок колеблется в пределах от десятитысячных до десятых долей единицы.

Известно, что емкость любого конденсатора зависит только от его геометрических размеров и свойств применяемых в нем диэлектрических материалов. Для определения величин емкости диэлектрика и параметра при эксплуатации электроустановок применяют различные методы измерения.

Косвенный метод. Принципиальная электрическая схема с использованием амперметра, вольтметра и ваттметра для реализации данного лабораторного метода показана на рисунке 2.

Рисунок 2 — Принципиальная электрическая схема для измерения емкости и тангенса угла диэлектрических потерь

Искомые значения параметров вычисляются по формулам:

Недостатки метода: большие аппаратурные затраты и погрешности при расчетах параметров диэлектрика электроустановки.

Прямой метод. При эксплуатации электроустановок параметры емкости СХ и часто определяют при помощи различных измерительных мостов переменного тока.

Электрическая схема универсального измерительного моста Е7-11 представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 — Принципиальная электрическая схема универсального измерительного моста Е7-11

Мост уравновешивается изменением величин емкостей С1 и С3. Значения искомых параметров равны:

Формула для расчета параметра показывает, что шкалу переменного конденсатора С1 можно проградуировать непосредственно в значениях тангенса угла диэлектрических потерь, что повышает точность измерений.

Вторая мостовая схема показана на рисунке 4.

Рисунок 4 — Принципиальная электрическая схема измерительного моста Р-571 с последовательной (а) и параллельной (б) RC – цепочками

В электрической схеме уравновешивание плеч моста выполняется изменением переменных сопротивлений R2, R3 и R4. Шкалы измеряемых сопротивлений проградуированы в значениях параметров С и , что повышает точность измерений.

Схема универсального моста Е7-11 позволяет производить измерения на частотах 100Гц и 1000Гц, а мост Р-571 только на частоте 1000Гц. Для этого во всех измерительных мостах имеются соответствующие встроенные генераторы рабочей частоты.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторный стенд имеет в своем составе элементы схемы управления, измерения и контроля. В состав установки входят: измерительные мосты Е7-11, Р-571, образцы диэлектриков, измерительные шнуры. В качестве опытных образцов диэлектриков выбраны стандартные конденсаторы как наиболее удобные элементы исследования диэлектрических свойств электроизоляционных материалов, так как:

электроды и диэлектрики изготовлены в заводских условиях и надежно герметизированы;

электрические свойства исследуемых материалов не зависят от состояния окружающей среды;

тип и параметры диэлектрика можно определить по справочнику.

Конденсаторы с исследуемыми диэлектриками закреплены на специальных подставках из электроизоляционного материала и выходами припаяны к медным проводникам для подключения измерительных приборов стенда.

Примечание. Мост Р-571. Диапазоны измерений, пределы погрешностей, области частот, характеристики измерения емкости и параметр « » сведены в таблицу, которая расположена на левой стенке прибора.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

В процессе работы необходимо подготовить мосты Е7 — 11 и Р-571 к работе и измерить электрические емкости и углы диэлектрических потерь исследуемых конденсаторов.

Измерительный мост Е7 – 11. Подготовка к работе.

Читать еще:  Iek розетка вилка 380в

1. Проверить рабочее состояние прибора, для этого установить:

переключатель добротность «Q» или параметр « » в положение « »;

рукоятки переключателей «Пределы» и «Чувствительность» в крайнее правое положение;

рукоятку переключателя « » в положение «0»;

переключатель «Множитель» в положение «1000»;

2. Измерить емкость исследуемого конденсатора СХ, уравновешивая плечи моста изменением величин емкостей С1 и С3.

3. Измерить параметр « », для чего выполнить операции:

нажать кнопку «Выбор предела» и вращая влево ручку моста «Пределы» до изменения знака напряжения в схеме, выбрать предел измерения параметра « »;

отпустить кнопку «Выбор предела»;

вращая рукоятки переключателей «Множитель», « » и «Чувствительность» добиться минимального показания прибора;

вычислить значение параметра « » по шкалам моста;

4. Записать параметры исследуемого конденсатора в таблицу 1.

Таблица 1 – Параметры образцов конденсаторов автоматики электроустановок и их диэлектрических материалов

Емкость по маркировке, мкФ

Измеренное значение СХ, мкФ

5. Определить типы конденсаторов и номинальные емкости по маркировке на корпусах элементов.

6. Определить диэлектрические материалы всех конденсаторов на специальных подставках. Основные справочные данные конденсаторов по типам:

К50-6, К50-12, К50-35 — с оксидными диэлектриками, алюминиевые, электролитические или с фольговыми электродами;

К73П-2, К73-17 — пленочные полиэтилентерефталатные (ПЭТ) или лавсановые, с металлизированными электродами;

К40У2-9 — бумажные, фольговые;

МБМ — металлобумажные, металлизированные;

КОН — конденсаторная бумага.

7. Занести данные по исследуемым конденсаторам в таблицу 1.

8. Провести анализ электрических свойств диэлектрических материалов образцов конденсаторов, используя данные таблицы 2.

Таблица 2 – Основные электрические характеристики диэлектрических материалов образцов конденсаторов

Потери в диэлектриках

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Потери энергии в диэлектриках будут наблюдаться как при постоянном, так и при переменном напряжении. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала будет характеризоваться только значениями объемного и поверхностного сопротивлений, которые определяют значение сопротивления изоляции.

При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем появляются и другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую, связанные с процессами поляризации.

В инженерной практике количественной мерой потерь в данном диэлектрике служит угол диэлектрических потерь δ, а также тангенс этого угла tgδ.

Углом диэлектрических потерь δ называется угол, дополняющий до 90º угол сдвига φ между током и напряжением в цепи с емкостью.

В случае идеального диэлектрика в конденсаторе (без диэлектрических потерь) вектор тока электрической цепи будет опережать вектор напряжения на 90° (рис 3.2, а), при этом δ равен нулю. В случае наличия рассеяния энергии в диэлектрике угол φ между током I и напряжением U будет отличаться от прямого на некоторую величину δ. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол φ и больше угол диэлектрических потерь δ, а следовательно, тем больше tgδ.

Тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для рассеянной в диэлектрике мощности, поэтому и представляет практический интерес.

Рис. 3.2. Векторная диаграмма (а) и эквивалентная схема (б) конденсатора с диэлектриком, обладающим потерями

Образец диэлектрического материала с потерями энергии можно представить в виде равноценных эквивалентных схем параллельного либо последовательного соединения идеальной емкости С и активного сопротивления R. На рис. 3.2, б приведена эквивалентная схема параллельного соединения. Тогда из векторной диаграммы (рис. 3.2, а) для этой схемы:

(3.6)

а рассеиваемая мощность (превращаясь в тепловую) в диэлектрике:

(3.7)

Здесь U – напряжение, прикладываемое к емкости, В; ω – круговая частота, 1/с; С – емкость конденсатора, Ф; Рa – рассеиваемая активная мощность, Вт.

Из выражения (3.7) видно, что рассеиваемая в диэлектрике мощность прямо пропорциональна tgδ, поэтому именно tgδ наиболее часто используется практически.

Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называются удельными потерями и рассчитываются по формуле

(3.8)

где V – объем диэлектрика между плоскими электродами, м 2 ; Е – напряженность электрического поля, В/м.

Произведение ε  tgδ = ε» называется коэффициентом диэлектрических потерь.

Температурная зависимость диэлектрической проницаемости и tgδ

В зависимости от типа диэлектрического материала и температурного диапазона диэлектрическая проницаемость с ростом температуры может увеличиваться или уменьшаться. Так, для диэлектриков с электронной поляризацией с увеличением температуры поляризованность в основном за счет расширения тела слабо снижается. В большинстве случаев при ионной поляризации диэлектрическая проницаемость будет увеличиваться, так как при повышении температуры в узлах кристаллической решетки ослабляются упругие силы связи между ионами, что облегчает смешение ионов в электрическом поле и, следовательно, приводит к некоторому увеличению диэлектрической проницаемости.

Для материалов с дипольной поляризацией наблюдается двойной механизм воздействия температуры на диэлектрическую проницаемость. При повышении температуры за счет ослабления межмолекулярных связей ориентация диполей облегчается, но за счет усиления теплового движения затрудняется, так как тепловое хаотическое движение молекул затрудняет их упорядочение. При низких температурах за счет сильных межмолекулярных связей и пониженной подвижности молекул дипольная поляризация проявляется слабо и диэлектрическая проницаемость будет небольшой. При достаточно высокой температуре за счет увеличения теплового движения, затрудняющего ориентацию диполей электрическим по­лем, дипольная поляризация также будет выражена слабо. И, следовательно, существует оптимальное значение температуры, когда дипольная поляризация будет иметь максимум, а диэлектрическая проницаемость будет наибольшей. Такую зависимость имеет, например, совол (рис. 3.1, б).

В конденсаторах в качестве изолятора может применяться одновременно несколько диэлектриков, например: конденсаторная бумага, пропитанная жидким диэлектриком. В этом случае зависимость диэлектричес- кой проницаемости от температуры может оказаться еще сложнее.

Очевидно, что изменение диэлектрической проницаемости от температуры приведет и к изменению емкости, а это в свою очередь – к отклонению частоты в колебательных контурах радиотехнических цепей или к появлению дополнительных погрешностей в электрических измерениях. Следовательно, информация о зависимости диэлектрической проницаемости от температуры имеет важное практическое значение.

Для оценки изменения диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры применяют температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКС, который выражается формулой

, (3.9)

где ε1 и ε2 – диэлектрическая проницаемость образца при температурах Т2 и Т1 соответственно.

На практике в соответствии с выражением (3.4) ТКε можно измерить по температурному коэффициенту емкости ТКС, который определяется по формуле

, (3.10)

где С1 и С2 – емкости образца при температурах Т2 и Т1 соответственно.

Для практических расчетов важно знать именно этот коэффициент. Очевидно, что связь между коэффициентами ТКC и ТКε можно выразить как

, (3.11)

где α – температурный коэффициент линейного расширения материала.

Следует отметить, что увеличение температуры конденсатора в процессе работы может быть вызвано не только колебаниями температуры окружающей среды, но и наличием диэлектрических потерь. И для правильного выбора условий работы конденсатора необходимо знать влияние температуры на диэлектрические потери в нем. Недопустимо большие потери в диэлектрике могут вызвать сильный перегрев конденсатора, а это приведет не только к изменению его емкости, но и к тепловому разрушению. Так как при повышении температуры возможно увеличение рассеиваемой мощности, которое приведет к дальнейшему росту температуры, то происходит лавинообразный рост температуры, заканчивающийся тепловым пробоем.

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают?

Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.

Читать еще:  Распиновка розетки вилки фаркопа

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.

Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.

Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.

Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.

Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.

tgδ применяется в расчётах для определения величины рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому его вычисление имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет вычислять относительные значения диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать по качеству различные изоляторы.

Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика Рис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина tg 2 δ очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: Pa = U 2 *ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с -1 , а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( Pa ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Ри = А1 f (U – Uи) 3 , где А1 постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, Uи обозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения Uи не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

  • сера;
  • полимеры;
  • парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

  • органические стёкла;
  • эбонит и другие каучуковые вещества;
  • полиамиды;
  • целлюлозосодержащие материалы;
  • фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10 -3 .

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10 -2 .

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

  • ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
  • релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
  • рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
  • поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
  • высокочастотные резонансные потери;
  • диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла от напряжения

Чем измерить?

Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.

Читать еще:  Установка новых розеток своими руками

Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.

Потери в диэлектриках вызваны током

Если вам интересна история реле и вы изучаете принцип работы разных типов реле . Подписывайтесь на мой канал на Ютубе .

Что такое тангенс угла диэлектрических потерь, от чего он зависит и как его измеряют
Автор: Кандидат технических наук. В. Б. Кулаковский

Объем и нормы испытаний электрооборудования регламентируют нам при разных видах контроля (П, К, Т, М….) среди прочих испытаний, проводить у разного электрооборудования, например, силовых трансформаторов (автотрансформаторов), реакторов, генераторов, вводах и проходных изоляторах, проверку тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ).
Данная, на мой взгляд, очень хорошо написанная статья даст ответ на вопросы, что такое тангенс угла диэлектрических потерь, от чего он зависит, как его измеряют.
Статья написана в 1958 году, и естественно, по состоянию на 2015 год существует большое количество приборов для измерения тангенса угла диэлектрических потерь, а мост МД-16 уже раритет.

Величина tg δ (угла диэлектрических потерь), являясь мерилом потерь в изоляции, характеризует общее ее состояние. Если изоляция была бы изготовлена из идеального диэлектрика, то в ней не было бы потерь и при включении на переменное напряжение она не потребляла бы активной мощности.
При приложении переменного напряжения к такой идеальной изоляции происходят поочередно повторяющиеся заряд и разряд и в цепи появляется переменный емкостный ток. При этом вся энергия, полученная изоляцией за время заряда, возвращается в сеть во время разряда.
Произведение емкостного тока на напряжение дает величину реактивной или емкостной мощности; она пропорциональна емкости изоляции (кроме того, частоте и квадрату приложенного напряжения). Таким образом, изоляция из идеальных диэлектриков потребляла бы из сети только реактивную (емкостную) мощность.
Однако практически идеальных диэлектриков не существует. В реальной изоляции всегда имеется потеря энергии, поэтому при приложении к ней напряжения из сети потребляется не только реактивная, но и активная мощность, обусловленная потреблением энергии изоляцией. Отношение активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности и называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Так как активная мощность, потребляемая изоляцией, значительно меньше реактивной и отношение их обычно измеряется сотыми долями, то удобнее тангенс угла диэлектрических потерь выражать в процентах.
Потребление энергии изоляцией вызывается разными причинами. Во многих твердых диэлектриках под воздействием приложенного переменного напряжения происходят колебания частиц, имеющих электрические заряды (атомов, молекул), что сопровождается затратой энергии. Кроме того, все диэлектрики в какой-то степени проводят ток не только путем заряда и, разряда, а непосредственно, и протекание этого тока (тока проводимости), так же как в проводниках, сопряжено с потерями. Особенно большие потери возникают в неоднородных изолирующих материалах, в которых наряду с хорошими диэлектриками имеются вещества с пониженными диэлектрическими свойствами. Емкостные токи, протекая через вкрапления этих веществ в толще материала, создают значительные потери; достаточно сравнительно небольших примесей таких веществ, распределенных по всему объему материала, чтобы потери в таком материале существенно возросли. Особенно заметно действие вкраплений такого сравнительно хорошо проводящего вещества, как вода, которая, проникая в поры волокнистых материалов, существенно увеличивает диэлектрические потери.
Так, увеличение влагосодержания электрокартона с 0,5 до 3,0% вызывает рост диэлектрических потерь примерно в 25 раз.
Поскольку реактивная мощность при этом меняется сравнительно мало (она, как указывалось выше, зависит от емкости), тангенс угла диэлектрических потерь также существенно возрастает. В указанном случае он возрастает с 0,8 до 11,0%.
Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь является чувствительным показателем увлажнения изоляции, особенно если она состоит из волокнистых материалов и увлажняется во всем объеме (как, например, в трансформаторах).
При этом существенно, что величина тангенс угла диэлектрических потерь не зависит от размеров изоляции: если вся изоляция однородна по своим свойствам, то активная и реактивная мощности будут зависеть от них в одинаковой степени.
Благодаря этим ценным свойствам величины тангенса угла диэлектрических потерь измерение ее широко применяется для контроля влажности изоляции трансформаторов и некоторых других видов электрооборудования.
Однако применение тангенса угла диэлектрических потерь как показателя увлажнения изоляции имеет и недостатки.
Величина тангенса угла диэлектрических потерь зависит не только от степени увлажнения изоляции, но и от других причин. В частности, увеличение тока проводимости какого-либо участка изоляции (например, из-за загрязнения) в некоторых случаях может привести к увеличению тангенса угла диэлектрических потерь. Известны случаи повышения tg δ у трансформаторов из-за загрязнения вводов, трещин на них, что создавало ложное впечатление об увлажнении изоляции трансформаторов.
Увеличение тангенса угла диэлектрических потерь у трансформаторов может быть также вызвано наличием воздуха в вводах, зашламлением обмоток, применением масла с большим тангенсом угла диэлектрических потерь и другими причинами; у некоторых трансформаторов тангенс угла диэлектрических потерь имеет повышенное значение из-за конструктивных особенностей. С другой стороны, опасное увлажнение небольших участков изоляции может мало отразиться на суммарных потерях в изоляции и, следовательно, на величине tg δ.
Поэтому измерению tg δ на трансформаторах должно сопутствовать определение других диэлектрических характеристик изоляции (сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции, величины С2/С50 и т. д.). Только сопоставив все эти характеристики, можно вынести правильное суждение о состоянии изоляции.
Кроме увлажнения изоляции, tg δ является в известной степени показателем наличия воздушных включений в ней. Так, если тангенс угла диэлектрических потерь растет с ростом приложенного напряжения, то это означает, что в изоляции имеются воздушные включения. Объясняется это тем, что с ростом напряжения воздух во все большей степени начинает проводить ток, в связи с чем возрастают потери. Раньше этим свойством тангенса угла диэлектрических потерь пытались воспользоваться для определения состояния изоляции электрических машин. В настоящее время такие измерения в эксплуатации не применяются, так как практика эксплуатации показала, что при оценке состояния изоляции электрических машин наличие в ней воздушных включений играет далеко не главную роль.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электрооборудования производится при частоте 50 Гц при измерениях на более высокой частоте тангенс угла диэлектрических потерь этой изоляции будет ниже, чем при 50 Гц. Для измерений tg δ изоляции вводов и обмоток трансформаторов применяются специальные приборы — высоковольтные мосты, в которых производится сравнение тока, текущего через изоляцию, с током в искусственной цепи, составленной из конденсаторов и сопротивлений.
Наиболее распространенным является переносный мост типа МД-16 производства завода «Энергоприбор». Измерения обычно производятся при напряжении 10 кВ (мост при этом питается от повышающего трансформатора).
Величина tg δ сильно увеличивается с ростом температуры изоляции, что следует иметь в виду при сравнении результатов измерений, сделанных при разных температурах.

Источники:
1. Журнал «Энергетик» 1958, №1, стр.31-32
2. РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования»

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector