Контроль изоляции по величине тангенса угла диэлектрических потерь

Схема замещения изоляции на переменном напряжении мо­жет быть представлена как параллельное соединение конденсато­ров С_р и резистора R независимо от того, является ли изоляция однослойной, двухслойной или многослойной, так как накопление зарядов на границе раздела двух слоев на переменном напряжении отсутствует. В сопротивлении R_x происходит рассеи­вание энергии.

Отношение активной проводимости g_xк емкостной проводимости называется тангенсом угла диэлектричес­ких потерь и обозначается tg. Таким образом, для параллельной схемы замещения tgвыразится:

tg=

Измерение tg при частоте 50 Гц является одним из наиболее распространенных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения, поскольку распределенные дефекты (ув­лажнение, ионизация газовых включений) вызывают увеличение диэлектрических потерь. Измерение значения tg дает представление о качестве изоляции, а характер из­менения tg при периодических измере­ниях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции.

Оценка состояния изоляции по значениям tg предусматривается Пра­вилами устройства электроустановок (ПУЭ) почти для всех видов изоляции. В некоторых случаях снимают зависи­мость tg от приложенного напряже­ния. У изоляции нормального качества значение tg при напряжениях до 1,5U_раб в большинстве случаев остает­ся практически неизменным (кривая 1 на рис. 10.1).

Рисунок 10.1 - Зависимость tg от напряжения:1 — изоляция нормального ка­чества; 2 — изоляция с га­зовыми включениями.

Если же при повышении напряжения tg начинает быстро возрастать (кривая 2 на рис. 10.1), то это свидетельствует об ионизации и возникновении частичных разрядов (ЧР) в газовых включениях. За счет ЧР возрастает рассе­яние дополнительной энергии, что и вызывает резкий рост tg . Зависимость tg = f(U) получила название «кривой иониза­ции». По ней можно ориентировочно определить напряжение U_чр появления ЧР. Оно определится как напряжение, при котором на­чинается рост tg . Величину tg изоляции измеряют с помощью моста перемен­ного тока Р5026или Р5026М (моста Шеринга), принципиальная схема которого приведена на рис. 10.2.

Рисунок 10.2 - Принципиальная схема моста Шеринга для измерения емкости и tg изо­ляции.

Плечами моста пере­менного тока являются:

C_x, R_x - емкость и сопротивление утечки ис­пытуемой изоляции;

C_N — эталонный конденсатор с малыми по­терями;

R3 — регулируемый образцовый резистор

R4 и С4 — нерегулируемый образцовый резистор и регули­руемый образцовый конденсатор.

К одной из диагоналей моста подводится переменное на­пряжение (до 10 кВ). В другую диагональ включен гальвано­метр Г, служащий индикатором моста. Защитные разрядники Р предохраняют измерительные плечи моста в случае пробоя испытуемой изоляции. Для уменьшения ошибок измерения вследствие наводок от внешних полей мост экранируется. Из­меняя величину сопротивления резистора R3 и емкости кон­денсатора С4, добиваются равновесия моста, при котором ин­дикатор Г не отклоняется от нулевого значения. Как известно, условием равновесия моста переменного тока является равен­ство произведений полных сопротивлений (или полных проводимостей) противоположных плеч моста, т. е.

Z_XZ₄=Z₃Z_N.

.

Значения проводимостей каждо­го плеча:

.

и перемножим выражения в скобках:

.

Приравнивания действительные и мнимые части равенства, получим два условия равновесия моста (по амплитуде и фазе):

=0 или ,

или .

Учитывая, tg получим:

tg =

Пренебрегая членом , найдем выражение для С_x:

Обычно берется равным 10⁶ = 3184 Ом. Тогда tg = 10⁶С_4, если С₄ берется в фарадах, или tg = С₄, если С₄ берется в микрофарадах.

Схема измерения tg , показанная на рисинке 1.24, называется «нор­мальной» схемой. Она может быть использована лишь в том случае, если оба электрода испытуемого объекта изолированы от «земли». Однако в условиях эксплуатации часто один из электродов испыту­емой изоляции «наглухо» заземлен, и «нормальная» схема не может быть использована. В таких случаях измерение tg производят по так называемой «перевернутой» схеме, которая отличается от «нор­мальной» тем, что высокое напряжение подается в точку соедине­ния резисторов R3 и R4, а заземляются точки соединения C_x и C_N.

В «перевернутой» схеме оба измерительных плеча и индикатор Г оказываются под высоким потенциалом. Чтобы обеспечить безопас­ные условия работы с мостом, изоляция ручек регулируемых элемен­тов моста (R3, С4 и Г) выполняются на двойное номинальное напря­жение моста.

В качестве источника высокого напряжения обычно приме­няют измерительный трансформатор напряжения НОМ-10.

В условиях эксплуатации обеспечить хорошую экранировку испытываемой конструкции практически невозможно. Поэтому для уменьшения ошибки, обусловленной внешними влияниями, произво­дят два измерения с изменением фазы испытательного напряжения на 180°, а величину tg определяют, как среднее двух измерений, т. е.

.

где C_x1, и C_x2 — емкости изоляции по результатам первого и второго измерений.

Измерения с изменением фазы испытательного напряжения на 180° дают ошибки с разными знаками, которые при усреднении результатов измерений отчасти компенсируются.

Измерение тангенса угла диэлектрических потерь обмоток трансформаторов производится между каждой обмоткой и корпу­сом при заземленных свободных обмотках. Измерения на транс­форматорах, залитых маслом, допускается производить при напря­жении, не превышающем 60 % заводского испытательного напря­жения измеряемой обмотки, но не выше 10 кВ.

Наибольшие допустимые значения tg в процентах, устанавли­ваемые ПУЭ для обмоток трансформаторов приведены в таблице 10.1.

Таблица 10.1 - Наибольшее допустимое значение tg для обмоток трансформаторов, %

Трансформаторы	Температура обмотки, °С
35 кВ мощностью более 10000кВАи 110кВ всех мощностей	1,8	2,5	3,5	5,0	7,0	10,0	14,0
220 кВ всех мощностей	1,0	1,3	1,6	2,0	2,5	3,2	4,0

Примечание. Значения tg , указанные в таблице, относятся ко всем обмоткам данного трансформатора. Правила регламентируют также зна­чения tg для изоляции высоковольтных вводов трансформаторов и транс­форматорного масла.

Следует отметить, что величина tg , измеренная на промыш­ленной частоте, зависит не только от свойств изоляции, но и от свойств масла, залитого в трансформатор, и соотношения объе­мов масла и твердой изоляции. Это делает критерии отбраковки изоляции по tg «размытыми», оценку состояния приближенной и приводит к тому, что во многих случаях диагноз приходится ста­вить на основании сравнения результатов измерений с предыдущими данными. Так, в российских энергосистемах в соответствии с рекомендациями «Объема и норм испытания электрооборудова­ния» браковочным критерием по tg для трансформаторов напря­жением 110 кВ и выше является превышение его значения на 50 % по сравнению с заводскими данными. Однако, если tg при темпе­ратуре 20 °С не превышает 1 %, его сравнение с исходными данны­ми не требуется.

В практике энергокомпаний США для силовых трансформато­ров удовлетворительным считается tg до 1 %, если tg = 1—2 %, то состояние изоляции вызывает сомнения. Если же значение tg > 2 %, то состояние изоляции плохое. Во всех случаях значения tg приведе­ны к температуре 20 °С.

В заключение следует сказать, что даже приближенная оценка состояния изоляции трансформатора по величине tg имеет очень большое значение и измерения tg широко распро­странены во всем мире. Приборы для измерения tg продолжают совершенствоваться. В качестве иллюстрации можно привести вы­пуск малогабаритного переносного прибора типа ИТП-1М для из­мерения tg объектов с малой емкостью, например линейных изо­ляторов. К изолятору прикладывается пилообразное напряже­ние с амплитудой 1500 В. Действующее значение напряжения 750 В. Прибор работает от сети и от встроенных химических источников тока.

Контроль изоляции по интенсивности частичных разрядов

Основной причиной старения изоляции при воздействии сильных электрических полей являются так называемые частичные разряды (ЧР). Они представляют собой локальные пробои ослаб­ленных участков высоковольтной изоляции. Такими ослаблен­ными или дефектными участками являются газовые включения. В процессе эксплуатации газовые включения могут возникнуть вследствие растрескивания или расслоения изоляции от механичес­ких нагрузок и вибрации или при разложении диэлектрика с выде­лением газов, например при сильном нагреве.

Газовые включения представляют собой слабые места в изо­ляции, так как газы имеют меньшую электрическую прочность, чем диэлектрик. Кроме того, относительная диэлектрическая прони­цаемость газов близка к единице, у диэлектриков же она значитель­но больше. Электрические напряженности в двух средах обратно пропорциональны их диэлектрическим проницаемостям. Следова­тельно, напряженность электрического поля в газовых включени­ях намного больше, чем в диэлектрике. Это приводит к тому, что в газовых включениях при некотором значении напряжения происхо­дит пробой. Этот пробой не является полным, поскольку размеры газовых включений составляют малую часть от полной толщины изоляции, и оставшаяся изоляция служит барьером, включенным последовательно с газовым промежутком. Поэтому такие пробои называют не полными, а частичными пробоями или частичными разрядами. Хотя энергия, рассеиваемая при единичном ЧР невели­ка, однако многократное повторение ЧР постепенно приводит к разрушению диэлектрика. Скорость разрушения зависит от того, как часто повторяются ЧР и какая энергия рассеивается в каждом единичном ЧР.

Для выяснения особенностей развития ЧР воспользуемся схе­мой замещения изоляции с газовым включением (рис. 10.2). На схе­ме обозначены:

,С_В - сопротивление утечки и емкость газового включе­ния;

R_б, С_б - сопротивление утечки и емкость барьера, т. е. учас­тка изоляции, расположенного последовательно с газовым вклю­чением;

С_а , — емкость всей остальной изоляции.

Срабатывание разрядника Р имитирует пробой газового включения. Его пробивное напряжение равно пробивному напря­жению U_nр газового включения. Резистор R условно изображает сопротивление канала разряда воздушного включения.

При включении изоляции на переменное напряжение токи, текущие через конденсаторы С_в и С_б, значительно больше токов, протекающих через резисторы R_B и R_б. Поэтому токами утечки через резисторы R_B и R_б, можно пренебречь и считать сопротивле­ния резисторов r_b и R₆ равными бесконечности. Распределение напряжения по конденсаторам С_в и С_б будет определяться емкос­тями этих конденсаторов.

Рисунок 10.2 - Схема изоляции с газовым выключением(а) и его схема замищения при ЧР (б)

Рассмотрим процессы на переменном токе с учетом такого допущения. Пусть с момента t = 0 на изоляцию воздействует переменное напряжение

Приложенное напряжение до возникновения ЧР распределяется по конденсаторам С_в и С_б обратно пропорционально их емкостям:

.

,

Где ;.

В момент t_l напряжение u_b достигнет значения U_nр и про­изойдет пробой разрядника Р, т. е. возникнет первый ЧР в газовом включении (рис. 10.3). При пробое напряжение на газовом вклю­чении практически мгновенно снижается до значения напряжения гашения U_r, при котором канал разряда обрывается, и ЧР гаснет. Экспериментально установлено, что = U_r/ U_nр =0,5—0,8.

Во вре­мя ЧР напряжение на газовом включении уменьшается скачком на величинуu_в = U_nр - U_r а напряжение на емкости барьера С_б уве­личивается скачком на эту же величину u_в.

Рисунок 10.2 - Изменение напряжения u_в на газовом включении при ЧР в случае переменного напряжения.

После погасания первого ЧР напряжение на С_в вновь начи­нает возрастать, но теперь уже в соответствии с выражением:

В момент t₂ напряжение u_в опять достигнет значения U_nр и произойдет второй ЧР. Напряжение на С_в, как и при первом ЧР, скачком уменьшится на величинуu_в, а на С_б увеличится на ту же величину. После погасания ЧР напряжение на С_в будет изменяться по закону:

.

При t = t₃ произойдет третий ЧР и т. д. ЧР будут следовать друг за другом так, как это показано на рисунке 10.2, до тех пор, пока приложенное напряжение не достигнет максимального значения. После этого полярность напряжения на газовом включении меня­ется, и при достижении значения u_в = - U_nр вновь возникают ЧР. Число ЧР за полпериода определится:

Соответственно число ЧР в единицу времени будет равно:

.

Из формулы следует, что минимальное число ЧР в еди­ницу времени будет при

.

Для промышленной частоты это минимальное число равно:

=.

Напряжение, при котором появляется это минимальное число ЧР, называют напряжением возникновения ЧР и обозначается U_ЧP. Действующее значение этого напряжения определится из форму­лы (22.):

.

В изоляционной конструкции может быть несколько распо­ложенных в разных местах газовых включений, имеющих разные размеры и пробивные напряжения, каждому из которых соответ­ствует свое U_ЧPi. В этом случае напряжение U_ЧP для всей конструк­ции равно наименьшему.

При работе изоляции на постоянном напряжении распреде­ление напряжений по конденсаторам С_в и С_б совпадает с распреде­лением напряжений по резисторам R_B и R_б. Процессы в изоляции в этом случае протекают в соответствии с графиком, изображен­ным на рис. 10.3.

Рисунок 10.3 - Изменение напря­жения u_в на газовом включении при ЧР для постоянного напряжения

Пусть в момент t = 0 к изоляции прикладывается напряжение U₀, причем

.

Постоянная времени внешней цепи мала, и поэтому напряже­ние на воздушном включении u_в практически мгновенно возрастает до значения U_nр, и сразу возникает первый ЧР. После этого напря­жение на воздушном включении практически мгновенно падает до величины U_r, и разряд гаснет. После прекращения ЧР напряжение на конденсаторе С_в начинает расти в соответствии с выражением:

где— установившееся значение напряжения на воздушном промежутке в случае отсутствия пробоя в нем и определяемое по закону Ома для цепи постоянного тока; u_всв — свободная составляющая; А — постоянная интегрирования, определяемая из начальных условий; постоянная времени изоляции с газовым включением.

Подставив в уравнение начальные условия t = 0, u_в = U_r, получим

Откуда найдем постоянную интегрирования

.

Следовательно, напряжение на воздушном промежутке будет из­меняться по закону:

.

В момент напряжение на конденсаторе С_в достигнет значе­ния U_np и произойдет второй ЧР. Далее процесс будет повторяться. Интервалы времени между разрядами найдётся из соотношения:

Откуда

.

Для высоковольтной изоляции нормального качества постоянная времени составляет обычно несколько десятков секунд, а -несколько секунд.

Число ЧР в единицу времени при постоянном напряжении будет равно:

При постоянном напряжении число ЧР в единицу времени и, соответственно, разрушающий эффект от них будут на несколько порядков меньшими, чем при переменном напряжении. Поэтому, при прочих равных условиях, в изоляции, предназначенной для работы на постоянном напряжении, допустимы; более высокие ра­бочие напряженности, и толщина изоляции межет быть меньшей, чем при переменном напряжении.

Следует, однако, иметь в виду, что увлажнение и нагрев изо­ляции могут привести к снижению на несколько порядков и соот­ветственно к резкому росту числа ЧР и темпов электрического ста­рения. Поэтому защите от увлажнения изоляции аппаратов посто­янного тока, контролю ее состояния и своевременной сушке долж­но уделяться особое внимание.

Энергия, рассеиваемая в газовом включении при единичном ЧР, определяется как разность энергий, запасенных в емкости С_в

в моменты, предшествующие разряду и после его погасания:

где g_в = C_BB — заряд, нейтрализующийся при ЧР в газовом включении.

Средняя мощность частичных разрядов в одном включении будет равна:

P_чp=W_чpn,

При многократном повторении ЧР поверхность включения постепенно разрушается, на ней появляются локальные углубле­ния. Затем разряды концентрируются в этих углублениях, последние со временем растут, образуя в диэлектрике узкие разветвленные ка­налы-щели. По мере удлинения каналов электрическая прочность изоляции снижается. Процесс завершается полным пробоем изо­ляции по пути, подготовленному длительным действием ЧР.

Энергия W_чp и мощность P_чp являются важнейшими харак­теристиками ЧР, определяющими разрушающий эффект и скорость старения изоляции. Однако даже в случае относительно мощных и заведомо опасных для изоляции ЧР величины W_чp и P_чp настолько малы, что их непосредственное измерение затруднительно или не­возможно. Поэтому в качестве меры интенсивности ЧР вместо W_чp и P_чp используют другие величины, пропорциональные им и удоб­ные для измерения. Рассмотрим их.

При ЧР в газовом включении нейтрализуется заряд:

,

где_В — скачок напряжения на газовом включении.

Во время ЧР в цепи возникает переходный процесс, при ко­тором напряжение между электродами диэлектрика скачкообраз­но изменяется на величину_. Этому скачку соответствует изме­нение заряда, равное:

где С_x — полная емкость изоляции.

Величина называется кажущимся зарядом и может быть из­мерена по

данным измеренияи C_x. Кажущийся заряд пропор­ционален энергии единичного ЧР и по рекомендации Международной электротехнической комиссии (МЭК) принят в качестве меры ин­тенсивности единичного ЧР. Схема для измерения интенсивности ЧР приведена на рис10.4.

Рисунок 10.4 − Принципиальная схема измерения интенсивности ЧР в испытуемой изоляции:

Тр − испытательный трансформатор; R − защитное сопротивление; С_у − емкость объекта испыта­ния; Ср − разделительный конденсатор; Z − измерительное со­противление; ИЧР − индикатор частичных разрядов.

Параллельно объекту измерения через разде­лительный конденсатор С_р подключают измерительное сопротивле­ние Z, падение напряжения _z с которого подается в специальный прибор, называемый индикатором частичных разрядов ИЧР.

Знаяи C_x, определяют кажущийся заряд ЧР. Практикой установлено, что ЧР с кажущимся зарядом 10 ^-12 − 10 ^-11Кл не могут вызвать быстрого разрушения изоляции, они называются началь­ными ЧР. Частичные разряды с кажущимся зарядом 10 ^-8—10 ^-7Кл называются критическими. Они резко сокращают срок службы изо­ляции, поэтому в процессе длительной эксплуатации недопустимы. Для измерения интенсивности ЧР можно использовать так­же и схему, показанную на рис. 9.6. Сигнал с измерителя И1 пода­ется на компьютер, где он обрабатывается специальным образом. На экране дисплея выводится гистограмма ЧР. Для обследования изоляции находящегося в эксплуатации высоковольтного электрооборудования (трансформаторы, газовые выключатели, линии электропередач и др.) применяют комбина­цию электрического и акустического замеров. Это позволяет лока­лизовать места возникновения ЧР, даже когда оборудование нахо­дится в металлическом корпусе (рис10.5).

Рисунок 10.5 − Устройство с электромагнитным и акустическим приёмниками для измерения ЧР.

Устройство содержит приемник электромагнитных излуче­ний I и акустический приемник 2. Сигналы с обоих приемников подаются на входы регистрирующего устройства 3, в качестве ко­торого используют осциллограф. Вход приемника электромагнит­ных излучений подключен к индуктивному датчику 4, а вход акус­тического приемника - к датчику акустического сигнала 5. Первый датчик регистрирует импульс тока через заземлитель. Второй датчик накладывают на металлический корпус 6 электрооборудо­вания. Критерием обнаружения места возникновения ЧР внутри металлического корпуса является разность времен прохождения электромагнитного и акустического сигналов ЧР от места возник­новения ЧР до соответствующих приемников. Скорость электро­магнитных волн (скорость света) больше скорости распростране­ния звука. Поэтому сначала приходит электромагнитный сигнал, вызванный импульсом тока, а затем через промежуток времени приходит акустический сигнал.

Чем дальше от стенки металлического корпуса находится источник ЧР, тем больше промежуток времени . Следовательно, зная скорость распространения звука в известной среде и время, можно определить расстояние места ЧР до стенки бака. Распола­гая датчики акустического сигнала спереди, сбоку и вверху, мож­но определить все три координаты х, у и z места ЧР.