Тангенс угла диэлектрических потерь диэлектрическая проницаемость

Теоретические сведения. Относительная диэлектрическая прони­цаемость ε является одной из важнейших характеристик электроизоляционных материалов. Её величина определяет значение ёмкости об­разца материала либо электроизоляционной конструкции (изолятора, конденсатора, кабеля и других). Определив относи­тельную диэлектрическую проницаемость и умножив её на электричес­кую постоянную ε = 8,66×10 -12 Ф/м, получаем абсолютную диэлек­трическую проницаемость материала

(2.1)

где ε – диэлектрическая проницаемость. Величину емкости С плоского конденсатора, можно выразить через абсолютную диэлектрическую проницаемость.

(2.2)

где S – площадь одной металлической обкладки, см 2 ;

– толщина диэлектрика, см. формулу (2.2) можно переписать в виде:

(2.3)

Из выражения (2.3) следует, что диэлектрическая проницаемость — величина, определяющая способность материала образовывать электри­ческую ёмкость. Наименьшей диэлектрической проницаемостью обладает вакуум (ε = 1), диэлектрическая проницаемость воздуха ε = 1,00058. Большими значениями диэлектрической проницаемости обладают жидкие и твердые диэлектрики, у которых ε =2-9.

У некоторых твердых диэлектриков, называемых сегнетоэлектри ками, диэлектрическая проницаемость при комнатной температуре до­стигает очень больших значений (ε = 1500 7500). Это позволяет изготавливать из них электрические конденсаторы очень малых разме­ров.

Под диэлектрическими потерями понимают обычно величину мод­ности, рассеиваемой в электрической изоляции, находящейся в пере­менном электрическом поле. Применяемые электроизоляционные материалы в неодинаковой степени способны к подобному рассеиванию. Толь­ко идеальный диэлектрикможет образовать электрическую изоляцию, через которую под действием переменного напряжения будет прохо­дить чисто реактивный, емкостный ток. В изоляции же из реальных материалов ток I , наряду с ёмкостной составляющей Ic , будет иметь и активную составляющую Ia , которая и определяет величину диэлектрических потерь: P =U Ia . Поэтому вектор тока опе­режает вектор напряжения U на угол φ -1 ) вычисляются по формуле:

(2.4)

Отсюда следует, что потери определяются величиной тангенса угла диэлектрических потерь tg δ, являющегося поэтому важной ха­рактеристикой как диэлектриков, так и изоляции конструкций, в осо­бенности работающих при высоких напряжениях и частоте и тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость диэ­лектриков зависит от различных факторов, например, частоты (f) приложенного напряжения, температуры диэлектрика и т.д. Ярко выраженная зависимость tg δ от величины приложенного напряжения наблюдается у изоляции, содержащей газовые включения при доста­точном их объёме.

Устройство установки. В комплекс установки (рисунок 2.2) входят: мост переменного тока 1; индикатор нуля переменного тока 2; портативный генератор сигналов синусоидальной фор­мы с диапазоном частот от 20 Гц до 200 кГц. Каждая установка представлена отдельным блоком, которые соединяются соединительными ка­белями. Есть специальный кабель для подсоединения исследуемого об­разца (ИО). Диапазоны измерения моста по емкости (С) от 0,01 до 100 мкФ, по последовательной проводимости G1 от 10 -4 см до 10 см, по параллельной проводимости G2 от 10 -4 см до 1 см. Уравновеши­вание моста по проводимости и емкости производится вручную по по­казателям внешнего нульиндикатора (2), входящего в комплект моста.

Определение ε и tg δ исследуемых материалов путем измерения их электрических параметров основано на представлении об эквивалентности электрическим процессам и двойному электрическому слою таких электрических величин, как емкость и сопротивление (прово­димость).

Конструктивно мост выполнен в виде настольного лабораторного прибора, снабженного ручками для переноски, На передней пане­ли моста расположены переключатели декад магазинов последователь­ной (G1), параллельной (G2) проводимости и емкости (С),с по­мощью которых производится уравновешивание измерительной цепи моста. Отсчёт показаний к размерности производится по цифровым табло, расположенными над органами управления магазинов. Исследуемый образец при помощи кабеля подключается к мосту. В левом верхнем углу расположен стрелочный прибор «mV» для контроля амплитуды напряжения переменного тока на объекте и ручка потенциометра «U объекта» для предустановки требуемой амплитуды. Слева от магазина параллельной проводимости (G2) расположен верти­кальный ряд переключателей «Схема замещения». В левом нижнем углу расположен переключатель «Поддиапазоны I, II, III, IV».

На задней стенке слева направо располагаются тумблер вклю­чения сети «сеть 220 В 50 ГЦ», вывод сетевого шнура, предохранитель «IA», высокочастотный разъём «Генератор» для подключения генератора, «Вход X» для подачи напряжения на развертку луча нульиндикатора по оси «X», высокочастотный разъем «ВПЭ» для подключе­нии вспомогательного поляризующего электрода исследуемого образ­ца и ввод входного кабеля.

Нульиндикатор переменного тока — избирательный, электроннолучевой предназначен для применения в качестве указателя равновесия в мостовых, компенсационных и других измерительных схемах.

Нульиндикатор имеет дав канала X и У, по каналу У нульиндикатор имеет симметричный и несимметричный относительно корпуса нульиндикатора вход.

Рабочий диапазон частот канала У от 20 Гц до 200 кГц.

Погрешность шкалы частоты настройки не более ± 5% от установ­ленного значения частоты. На лицевую панель нульиндикатора выведены следующие органы индикации, контроля и управления.

а) переключатель чувствительности с соответствующими пределами чувствительности «мин», «-90 кВ», «-60 кВ», «-30 кВ», «макс» — для регулировки чувствительности нульиндикатора,

б) тумблер для переключения вида амплитудной характеристики «лин» — линейная и «лог» — логарифмическая,

в) тумблер для включения фильтра 50 Гц «Фильтр 50 Hz»;

г) кнопочный переключатель для включения необходимого поддиапазо­не частот "Поддиапазоны";

д) ручка "Настройка" для плавкой настройки индикатора на частоту в данном поддиапазоне;

е) ручка усиления по каналу X "усиление X";

ж) ручка для регулировки яркости электронно-лучевой трубки "Яркость"

Читайте также:  Сервировка стола к чаю картинки

з) ручка фокусировки луча электронно-лучевой трубки "Фокус";

и) тумблер включения сетевого питания "сеть" и индикаторная лампоч­ка включения сетевого питания;

к) экран электронно-лучевой трубки с миллиметровой сеткой и съёмной линзой в оправе, служащей для увеличения изображения и затемне­ния экрана;

л) шкала со стрелочным указателем для указания частоты.

Рисунок 2.1 – Векторная диаграмма диэлектрика с потерями.

Рисунок 2.2 – Схема соединений приборов лабораторной установки.

Цель работы: Закрепить понятие о диэлектрической проницаемости и тангенсе угла диэлектрических потерь, проверить опытным путем значение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ряда электротехнических изделий.

Теоретические предпосылки:Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь – важнейшие характеристики электроизоляционных материалов. Диэлектрической проницаемостью (илиотносительной диэлектрической проницаемостью)ε называется отношение абсолютной диэлектрической проницаемости вещества εа к электрической постоянной εо.

Значение относительной диэлектрической проницаемости электроизоляционных материалов можно вычислить, сравнив емкости двух конденсаторов, одинаковых по форме и геометрическим размерам:

,

где Сх – емкость конденсатора с испытываемым диэлектриком;

Со – емкость конденсатора при тех же геометрических размерах, но в случае, когда испытываемый диэлектрик заменен вакуумом.

Значение ε исследуемого диэлектрика можно определить, измеряя дважды емкость разборного конденсатора: когда между обкладками данный диэлектрик (Сх) и когда между ними воздух (Со). Замена вакуума воздухом дает малую погрешность ( сотые доли процента).

Нагрев диэлектрика в электрическом поле происходит из-за того, что часто энергия электрического поля рассеивается и преобразуется в теплоту. Рассеиваемая за единицу времени энергия называется диэлектрическими потерями.

В большинстве случаев нагрев диэлектриков нежелателен, он ухудшает их эксплуатационные свойства, ускоряет процесс старения, уменьшается надежность электротехнических устройств и повышается утечка в цепях.

Однако диэлектрические потери используются при методе термообработки некоторых изделий из пластмасс.

Диэлектрические потери вызываются в основном электропроводностью, к ним добавляется потери на поляризацию, а также в сильных полях потери на ионизацию.

Диэлектрические потери не удобно выражать в абсолютном виде, так как они зависят от объема электроизоляционного материала, напряжения, частоты установки. Поэтому для оценки свойств электроизоляционных материалов используются относительные показатели, в частности тангенс угла диэлектрических потерь – tgδ.

Тангенс угла диэлектрических потерь – tgδ определяется как тангенс угла δ , являющегося дополнительным углом по отношению к углу сдвига фаз между током I и напряжением U (δ = 90 0 — φ), и представлен на рисунке 6.1.

Взаимосвязь между tgδ и диэлектрическими потерями Ра выражается формулой.

,

где U – напряжение сети, В;

С – емкость конденсатора , Ф;

ω = 2 πf- угловая частота.

Коэффициент диэлектрических потерь определяется как произведение относительной диэлектрической проницаемости εr и tgδ; εr ” = εr×tgδ.

Диэлектрические потери при заданном напряжении или напряженности электрического поля, частоте, относительной диэлектрической проницаемости или емкости (Сºεr) будут зависеть от значения tgd .

Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящихся под переменном напряжением.

Iа абс. Iпр.

I

φ

Iсм. U

I — ток в диэлектрике, Iсм – ток, сопутствующий электронной поляризации, Iа абс., Iр абс. – соответственно активная и реактивная составляющая тока других видов поляризации, Iпр-ток сквозной проводимости через диэлектрик.

К тому же εr и tgδ зависят, в свою очередь, от температуры и частоты, а в некоторых случаях и от напряжения.

Для неполярных диэлектриков tgd экспоненциально увеличивается с ростом температуры (рис 6.2.), такой же характер и имеет зависимость диэлектрических потерь, так как εr практически независит у неполярных диэлектриков от температуры.

В случае полярных диэлектриков к потерям на электропроводность (кривая 1), которые больше, чем у не полярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию (кривая 2) которые увеличивают общее значение tg d. В итоге зависимость tg d от температуры изображается кривой 3. Диэлектрические потери обычно возрастают с температурой, несмотря на то, что tg d в определенной области может уменьшаться, так как в той области, где tg d уменьшается, резко увеличивается εr к тому же часто потери на электропроводность выше, чем потери на поляризацию.

Зависимость tg d неполярного

диэлектрика от температуры.

tgδ

Т

Зависимость tg d от Т

для полярного диэлектрика.

tgδ

3

1

1- потери на электропроводность, 2 – потери на поляризацию, 3 – суммарная зависимость.

Зависимость tg d от частоты f для неполярных диэлектриков представлена на рисунке 6.4.

Зависимость tg d от частоты f

для неполярного диэлектрика

tgδ

f

В неполярных диэлектриках существуют только потери на электропроводность, которые не зависят от f. Поэтому произведение w×tgd должно иметь постоянное значение. Поэтому tgd с ростом частоты уменьшается по гиперболе.

У полярных диэлектриков, к потерям на электропроводность ( кривая 1) прибавляются потери на поляризацию (кривая 2), поэтому изменение tgd имеет вид кривой 3.

Зависимость tgd от f

для полярных диэлектриков.

3

1

f

1 – потери на электропроводность, 2 – потери на поляризацию, 3 – суммарные потери.

Зависимость диэлектрических потерь от f представлена на рис.6.6.

Зависимость диэлектрических потерь от f

Р

f

Сначала потери создаются только электропроводностью, не зависящей от f, при дальнейшем увеличении частоты они резко увеличиваются так как резко увеличивается tgd, увеличение которого не может скомпенсировать уменьшение εr. Начиная с определенной частоты, при которой tgd имеет max потери почти постоянны , так как уменьшение tgd компенсируется увеличением f.

Читайте также:  Теплицы большого размера своими руками

Зависимость tgd от напряженности электрического поля Е изображена на рисунке 6.7.

Зависимость tgd от напряженности

электрического поля Е

Обл. слабых полей Обл. сильных полей

Диэлектриков без потерь не существует. Существуют только диэлектрики с очень малыми потерями, особенно в области низких температур, самые низкие потери имеют неполярные газы, но только в области слабых электрических полей.

Дата добавления: 2016-11-02 ; просмотров: 2084 | Нарушение авторских прав

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.

Читайте также:  Сеть передачи данных wifi

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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ТурбоЗайм
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock detector