Тангенсом угла диэлектрических потерь называется отношение активной составляющей тока Iа, протекающего через изоляцию при приложении к ней переменного напряжения, к его емкостной составляющей Iс. Этот показатель принято выражать в процентах:
(1.7)
В изоляции, находящейся под воздействием переменного напряжения, происходит поглощение некоторого количества электроэнергии, которая превращается в тепло. Поглощаемая в единицу времени энергия (мощность) определяет собой диэлектрические потери в изоляции. Если бы диэлектрических потерь не было, угол сдвига фаз φ между напряжением на изоляции и током, проходящим через изоляцию, был бы точно равен 90°.
В изоляции, выполненной из любых применяемых материалов, при наличии диэлектрических потерь угол сдвига фаз между напряжением и током меньше 90°; разность между углом 90° и углом сдвига фаз обозначается δ и называется углом диэлектрических потерь, или сокращенно – углом потерь. Диэлектрические потери на участке изоляции с емкостью С и углом потерь δ при напряжении на изоляции U и частоте f составляют
P = UI = UIcos (φ) = U22π f C tgδ = U2ω C tgδ,
Потери Р в диэлектрике пропорциональны углу диэлектрических потерь tgδ. Чем больше tgδ, тем при прочих равных условиях больше диэлектрические потери, т.е. качество диэлектрика хуже. При приложении к изоляции переменного напряжения процесс зарядки емкостей и протекания тока через сопротивления схемы повторяется каждый период. Установившийся полный ток будет определяться двумя составляющими: Iа –активной составляющей тока, зависящей от сопротивления изоляции, и Iс –реактивной составляющей, зависящей от геометрической емкости. Так как диэлектрические потери зависят не только от свойств и состояния изоляции, но и от приложенного напряжения, то по значению активной составляющей тока еще нельзя судить о качестве изоляции.
Тангенс угла диэлектрических потерь характеризует общее состояние изоляции, и в первую очередь её увлажненность, независимо от геометрических размеров. Параметр tgδ практически не зависит от размеров диэлектрика, так как с изменением его размеров пропорционально изменяются активная и реактивная составляющие тока, протекающего через диэлектрик, а также надежность изоляции по отношению к ее тепловому пробою и общее старение изоляции. Угол диэлектрических потерь изоляции меняется в зависимости от общего состояния изоляции. Если изоляция отсырела или в ней появились посторонние включения, вызванные ионизацией в воздушных включениях, то tgδ резко увеличивается. Угол диэлектрических потерь у крупных объектов позволяет судить только о среднем состоянии изоляции, так как местные и сосредоточенные дефекты в изоляции большого объема измерением tgδ обнаруживаются плохо или вообще не выявляются. Это можно объяснить тем, что увеличение Iа вызывается в таких случаях ухудшением небольшой части объема изоляции, а Iс практически остается неизменным и определяется всем объемом изоляции. У объектов с малыми геометрическими размерами по tgδ могут быть обнаружены местные и сосредоточенные дефекты. Методом диэлектрических потерь проверяются изоляция проходных изоляторов, вводов и обмоток конденсаторов, трансформаторов, трансформаторов тока, а также длинных кабелей и другие виды изоляции (кроме фарфоровой). Измерение диэлектрических потерь широко применяется в лабораторных условиях и ремонтных мастерских для проверки изоляции после ремонта, а также для контроля диэлектрических потерь масел и заливочных масс.
Коэффициент абсорбции
Диэлектриком или изолятором называется вещество, практически не проводящее электрический ток. Как и все материалы, изоляторы тоже содержат свободные заряды, которые перемещаясь в электрическом поле, обуславливают их электропроводность. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике невелико, поэтому ток мал.
Важной особенностью диэлектриков, является способность запасать энергию под действием внешнего электрического поля. Почему это происходит? В твердом диэлектрике молекулы ориентированы случайным образом и имеют ограниченную подвижность, а электрические заряды прочно связаны с атомами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и отрицательного зарядов, т.е. образуются диполи (рис.2).
Рис.3
При приложении постоянного напряжения емкость этого конденсатора заряжается за очень короткое время. В результате этого на поверхности диэлектрика сосредоточатся положительные и отрицательные заряды, создающие внутри электрическое поле, а под его действием в толще изоляции возникнут поляризационные явления - электроны и ионы устремятся к полюсам противоположных знаков, а диполи медленно поворачиваются, ориентируясь вдоль линий электрического поля, чтобы скомпенсировать его (рис. 3).
Под действием электрического поля в электроизоляционных материалах возникает проводимость, но вследствие движения ионов и дипольных молекул, а не электронов, как у проводников. Поэтому изоляторы обладают очень слабой электропроводностью. Обусловленный этой электропроводностью ток именуется током утечки. Ток может протекать как через весь объем диэлектрика, так и через его поверхность. Поверхностная электропроводность объясняется присутствием влаги или загрязнений на поверхности диэлектрика. На практике изоляторы не всегда состоят из однородного диэлектрика. Например, в оболочке кабеля могут применяться композиции из различных материалов. Внутренние слои изоляции, являющиеся своеобразными последовательно включенными емкостями, станут заряжаться через очень большие сопротивления смежных слоев. Эти процессы сопровождаются накапливанием в диэлектрике зарядов, вследствие чего от источника постоянного тока через емкости слоев потекут токи. Токи утечки являются причиной нагревания диэлектрика, а основной вклад в потери вносят процессы проводимости и установления поляризации. Проводимость определяет потери под действием постоянного напряжения и, в меньшей степени, при низких частотах. По мере повышения частоты возрастает роль поляризационных потерь. Дело в том, что поляризация устанавливается не мгновенно, а в течение некоторого времени, зависящего от типа поляризации. Из характеристики видно, что в первый момент времени при подаче постоянного напряжения между обкладками конденсатора возникает импульс зарядного тока Iсм (через емкость мгновенной поляризации). Величина этого импульса определяется только активным сопротивлением цепи (индуктивностью цепи можно пренебречь), так как в первый момент после включения любой конденсатор ведет себя как короткозамкнутый. При малом сопротивлении цепи импульс зарядного тока по величине приближается к току короткого замыкания. В последующий момент происходит заряд абсорбционной емкости (емкости медленной поляризации). В диэлектрике конденсатора под действием напряжения абсорбируется (поглощается) электрическая энергия. Ток заряда (ток абсорбции Iабс) спадает примерно по экспоненциальной кривой, определяемой постоянной времени цепи τ = RISO * C (можно пренебречь внутренним сопротивлением источника тока, которое намного меньше величины сопротивления изоляции).
Постоянная времени определяет скорость спада кривой тока: через промежуток времени, равный τ, зарядный ток будет составлять 36,8% начального значения, а через время равное З τ – всего 5%, т. е. практически процесс заряда заканчивается. На рис. 5, в момент времени t, ток утечки Iскв определяется только сопротивлением RISO изоляции и является одним из основных критериев при ее оценке.
Так как значения времени спада абсорбционного тока для разных объектов могут значительно различаться, то измерение сопротивления изоляции должно производиться через некоторый промежуток времени после приложения напряжения, в течение которого абсорбционный ток спадет до нуля. Сопротивление, измеренное сразу после включения, всегда будет меньше за счет прохождения в измеряемой цепи абсорбционных токов, что может привести к ошибочному результату.
Рис.5
Критерием увлажнённости изоляции обмоток электродвигателей служит сопротивление изоляции и отношение между сопротивлениями, измеренными через 60 и 15 с, называемое коэффициентом абсорбции 
.
Коэффициент абсорбции всегда больше единицы и увеличивается по мере высыхания изоляции.
Включение электродвигателей, вновь вводимых в эксплуатацию, а также прошедших капитальный ремонт со сменой обмоток без сушки, возможно на основании результатов измерений, предусмотренных «Инструкцией по определению возможности включения вращающихся электрических машин переменного тока без сушки». Электродвигатели подлежат сушке в случае снижения сопротивления изоляции, уменьшения коэффициента абсорбции или увеличения коэффициента нелинейности по сравнению с нормами, приведёнными в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Нормированные значения характеристик изоляции
| Категория электродвигателя | Сопротивление изоляции, МОм | Коэффициент абсорбции, не менее | Коэффициент нелинейности,
|
| Электродвигатель мощностью более 5000 кВт | Не менее значений, полученных по формуле (1), npи температуре обмотки 75 °С | 1,3 | Не более 3 |
| Электродвигатель мощностью менее 5000 кВт | Не менее 1 МОм на 1 кВ номинального напряжения электродвигателя при температуре обмотки 75 °С | 1,2 |