ЛАБОРАТОРНАЯ Работа №8
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТАНГЕНСА УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ОТ НАПРЯЖЕНИЯ
Цель работы: ознакомиться с методикой и оценить наличие воздушных включений в твердом диэлектрика с помощью определения зависимости тангенса угла диэлектрических потерь от приложенного напряжения.
Основные теоретические положения
Диэлектрические потери – потери (рассеивание) мощности в диэлектрике под действием приложенного напряжения. В случае теоретического («идеального») диэлектрика (мощность не рассеивается) угол сдвига фаз (φ) между током (I) и напряжением (U) равен 90о (рис. 1).
Рис. 1.
В реальном диэлектрике, где существуют диэлектрические потери, угол φ несколько меньше 90о и полный ток I через диэлектрик может быть разложен на активную (Iа) и реактивную (Iс) составляющие (рис.2). Угол δ, дополняющий угол φ до 90 о, называется углом диэлектрических потерь (δ = 90о-φ). Чем больше этот угол, тем больше диэлектрические потери (при прочих равных условиях). Обычно в качестве параметра изоляционного материала или изоляционной конструкции используется тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ), который равен отношению активного и реактивного токов:
tg δ = Iа / Iс (1)
Рис.2
Диэлектрические потери при переменном напряжении по их особенностям и физической природе делятся на следующие виды:
1. Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией.
2. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью (характерны для всех без исключения диэлектриков).
3. Ионизационные диэлектрические потери.
Первые два вида диэлектрических потерь подробно рассмотрены в лабораторной работе 2 (поляризация и диэлектрические потери). Данная работа посвящена изучению ионизационных диэлектрических потерь (потерь на ионизацию).
|
|
Ионизационные потери являются дополнительным механизмом диэлектрических потерь для твердых и жидких диэлектриков, содержащих газовые включения, и проявляются только в области сильных электрических полей (при повышенном U), когда происходит ионизация воздушных включений. Под ионизацией понимается электрический разряд в газовой, чаще всего, воздушной полости. Такой разряд называется частичным разрядом (ч.р.). Частичный разряд представляет собой пробой малого элемента (части) диэлектрика, при котором диэлектрик в целом остается работоспособным. Таким малым элементом в твердых и жидких диэлектриках являются воздушные включения.
Рис.3.
Обязательным условием возникновения ч.р. (пробоя воздушного включения) является следующее - напряженность электрического поля в воздушном включении (Ев) должна достичь значения электрической прочности воздуха (Епр в)
Ев ≥ Епр в (2)
Воздух значительно уступает твердым и жидким диэлектрикам по значению электрической прочности воздуха значительно ниже, чем твердого и жидкого диэлектрика (см. лаб. раб. 3 - электрическая прочность диэлектриков), которая составляет примерно 3,2 кВ/мм (температура 20оС, давление 0,1Мпа, расстояние между электродами 1 см). То есть воздушные включения являются наиболее слабым местом в системе изоляции. Поэтому их наличие в твердом или жидком диэлектрике может привести к появлению ч.р.
Ч.р. сопровождаются следующими процессами внутри воздушного включения:
|
|
1. Выделение тепла;
2. Воздействие активных радикалов (озон, окислы азота);
3. Воздействие заряженных частиц;
4. Ударная волна;
5. Световое излучение.
Это приводит к дополнительному поглощению энергии, в результате чего диэлектрические потери, а следовательно, и tgδ возрастают при возникновении ч.р. Поэтому ионизационные потери иногда называют потерями на ч.р.
На рис.4 показано влияние газовых включений на характер изменения tg δ с увеличением напряжения. Зависимость tg δ = f (U) называют кривой ионизации. Из выражения (2) следует, что ч.р. возникают, начиная с некоторого значении напряжения, которое называется напряжением начала ч.р. - Uнчр. При напряжении ниже Uнчр расположен участок I (ч.р. не возникают), на котором значение tgδ неизменно или слабо возрастает при увеличении напряжения. На этом участке tgδ определяется только потерями собственно в диэлектрике (потери на электропроводность и поляризацию), величина которых - tgδо - не зависит от напряжения. При наличии в изоляции воздушных включений повышение напряжение вызывает резкий рост tgδ, начиная со значения напряжения Uнчр (много меньше кратковременного пробивного), до максимального значения при напряжении Uк ≈2Uнчр (участок II) за счет потерь на ионизацию воздуха ∆tgδ. Поскольку электрическая прочность воздушной полости возрастает с уменьшением ее толщины dв (рис. 5), то вначале ч.р. возникают в крупных газовых включениях, затем, по мере роста напряжения - в более мелких включениях. Таким образом, по мере роста напряжения ч.р. возникают во все большем числе полостей и потери в изоляции, ими определяемые (Рч.р.), увеличиваются быстрее, чем возрастает реактивная мощность (Рд), пропорциональная квадрату напряжения, т.е. tgδ= Рч.р/ Рд возрастает. С дальнейшим увеличением напряжения, когда в большинстве включений уже возникли разряды, потери оказываются пропорциональными напряжению и наблюдается снижение величины tgδ. Однако, напряжения, при которых изоляция находится в эксплуатации и подвергается контролю, обычно соответствуют возрастающей ветви зависимости tgδ = f(U). При отсутствии воздушных включений tgδ не должен зависеть от напряжения, так как ч.р. в них не возникают. На ход зависимости tgδ = f(U) оказывает влияние как размер газовых включений, так и давление и вид газа (см.работу 3).
|
|
Под действием ч.р, зажигаемых в газовых включениях твердой изоляции, идет постепенное ее разрушение - электрическое старение. Первостепенную роль здесь играет воздействие озона и окислов азота, которые, в особенности в присутствии даже малого количества влаги, действуют как сильные окислители на большую часть органических изоляционных материалов, вызывая их постепенное разрушение. При этом неорганические материалы обычно стойки к действию озона.
В процессе электрического старения происходит постепенное снижение электрической прочности изоляции, что приводит к преждевременному пробою и выходу из строя всей электротехнической конструкции. Поэтому
Поэтому при оценке качества изоляции (кабелей, конденсаторов, трансформаторов, электрических аппаратов, высоковольтных электрических машин) помимо значения tgδ при рабочих условиях во многих случаях большое значение имеет и характер изменения tgδ в зависимости от приложенного напряжения. Определение зависимости tg δ = f (U) очень важно, так как позволяет оценить наличие воздушных включений в изоляции, отбраковать изоляцию с недопустимыми воздушными включениями и тем самым снизить интенсивность электрического старения. Чем меньше приращение tg δ вследствие ионизационных потерь (∆tgδ) и чем при более высоких напряжениях Uнчр начинается рост tg δ, тем выше качество изоляции. Так для изоляции высоковольтных обмоток турбо- и гидрогенераторов стандартизован прирост потерь на ионизацию ∆tgδ≤ 0,005при подъеме напряжения на каждую ступень 0,2Uноминальн.
Для повышения качества электрической изоляции высокого напряжения ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, компаундами, газами под высоким давлением. Для максимального удаления газовых включений при изготовлении изоляции подвергают специальной обработке — сушке под вакуумом, заполнению пор изоляции разогретым компаундом под давлением, прессованию.
Рис. 4.
Рис. 5.
Методические указания
Описание образцов
Испытуемый образец (макет) представляет собой медную шину - 1 с изоляцией на основе слюды и эпоксидной смолы - 2.Для исключения разрядов по поверхности изоляции наносятся проводящее (на основе графита) и полупроводящее покрытия (на основе карбида кремния). Высокое напряжение подключается к медной шине, измерительный электрод – 3 – выполнен из фольги. Для устранения поверхностных токов имеется защитный («охранный») электрод, который в процессе измерения заземляется.
Рис. 6.
Установка для измерения
В качестве источника высокого напряжения используется трансформатор (Тр) типа НОМ – 10 (10 / 0,1 кВ), питаемый через регулятор напряжения ЛАТр. Величина испытательного напряжения определяется из соотношения U = Ктр× U1, где U1 – напряжение на первичной стороне трансформатора, определяемое с помощью вольтметра V ( Ктр - коэффициент трансформации) либо на экране блока управления мостом.
Измерение производится с помощью моста МЕП5СА. В основе принципа действия моста лежит уравновешивание ветвей модифицированной схемы Шеринга. Процесс работы моста полностью автоматизирован. Сборку схемы производите при выключенном зарядно-питающем устройстве.
Рис. 7.
Порядок работы
1. Ознакомиться с инструкцией по правилам включения и выключения установки и техники безопасности. Включение установки и различные переключения производить только с разрешения преподавателя.
2. Соберите схему измерений, включив испытуемый образец между зажимами ВН и М внутри ограждения. При наличии охранного электрода соединить его с зажимом «Земля».
3. Закройте дверь ограждения.
4. Включить сетевой кабель моста в розетку. При подключении к сети зажигается светодиод красного цвета на зарядном устройстве (ЗУ).
5. Нажать красный тумблер на зарядном устройстве. При включении тумблера загорается светодиод зеленого цвета и жидкокристаллический экран на блоке управления (БУ).
Рис. 8.
6. Нажать кнопку «Вкл» на измерительном блоке.
7. Нажать кнопку «On/Off» на блоке управления. Через несколько секунд на экране появится основное окно
Рис. 9.
8. Включите сетевой кабель блока управления установкой в розетку.
9. Включите тумблер «ВКЛ» на пульте управления установкой, при этом загорается зеленая лампочка.
10. Нажмите красную кнопку, после чего загораются красные лампочки на пульте и ограждении.
11. Нажмите кнопку Up,fp и подайте испытательное напряжение, с помощью ручки ЛАТРа на пульте управления установкой. Контролировать значение напряжения необходимо на экране блока управления моста.
12. Проведите измерение, нажав кнопку tgδ,Cx. По окончании измерения результаты будут выведены на экран.
13. Повторите пункты 6 и 7 для каждого значения испытательного напряжения.
14. Для выхода из режима нажмите Enter.
15. Снимите напряжение с образца с помощью ручки ЛАТРа.
16. Нажмите черную кнопку «Стоп» на пульте управления установкой. При этом должны погаснуть красные лампочки на пульте и ограждении.
17. Выключите тумблер «ВКЛ» на пульте управления установкой, при этом гаснет зеленая лампочка.
18. Подключите другой образец в ограждении и продолжите измерения по п.п. 9 – 17. Сборку схемы производите при выключенном зарядно-питающем устройстве.
19. После окончания измерений выключите все сетевые шнуры из розеток.
Содержание и порядок выполнения работы
1. Определение зависимостей tgδ и С от напряжения:
- ознакомиться с инструкцией по правилам работы на экспериментальной установке. Включение установки и различные переключения производить только с разрешения преподавателя.
- подключить образец к схеме испытаний.
- произвести измерения tgδ и С от напряжения для образцов трех типов. Измерения проводятся в диапазоне Uисп = 0,5 – 6,0 кВ с шагом ∆U = 0,5 кВ.
Результат измерений записать в табл. 1.
Таблица 1
| Uисп, кВ | Образец 1 | Образец 2 | Образец 3 | ||||||
| tgδ | ∆ tgδ | Cx | tgδ | ∆ tgδ | Cx | tgδ | ∆ tgδ | Cx | |
- построить зависимости tgδ, С = f(U).
- определить напряжение возникновения ч.р. Uн.ч.р.
- определить потери на ионизацию (∆ tgδ)и построить зависимости ∆ tgδ= f(U).
Содержание отчета
Отчет по выполненной работе должен включать следующие данные:
1. Цель работы.
2. Принципиальные схемы измерения tgδ, Сх.
3. Расчетные формулы и примеры расчетов.
4. Таблицы.
5. Графики зависимостей tgδ, ∆ tgδ, Сх от Uисп
6. Результаты определения Uн.ч.р.
7. Анализ полученных данных и выводы.
Литература
Контрольные вопросы
1. Что такое диэлектрические потери?
2. Какие виды диэлектрических потерь существуют в диэлектрике
- с воздушными включениями,
- безвоздушных включений.
3. Что такое ионизация воздушного включения.?
4. Какие виды диэлектрических потерь существуют в диэлектрике при напряжение выше и ниже Uнчр?
5. Как проверить наличие воздушных включений в изоляции?
6. Почему потери на ионизацию увеличиваются с ростом напряжения?
7. Какой вид имеет ионизационная кривая при наличии и отсутствии воздушных включений?
8. Как влияет толщина воздушных включений на характер ионизационной кривой?
9. Будет ли изменяться зависимость tgδ = f(U) при повышении давлениявоздуха?
10. Как можно уменьшить потери на ионизацию?