Особенности испытания твёрдых диэлектрических материалов

На практике приходится иметь дело не с идеальными диэлектриками, а с техническими – неоднородными, обладающими некоторой степенью электропроводимости. Электропроводимость технических диэлектриков объясняется наличием свободных зарядов в тех случаях, когда внутри атомные связи отсутствуют и в этом случае под действием электрического напряжения в изоляционном материале возникает ток проводимости. В связи с этим отмеченным явлением качество диэлектрика можно охарактеризовать удельной объемной проводимостью и удельной поверхностной проводимостью, – величинами, обратными и соответствующими удельным значениям объемного и поверхностного сопротивлений.

В результате воздействия внешнего поля на диэлектрик в нём создаётся особое напряженное состояние, именуемое электрической поля­ризацией. Различают несколько видов поляризации:

– электронная – возникновение не симметричности атомов под
воздействием электрического поля. Подобное возможно и для молекул;

– дипольная – приобретение, по направлению внешнего поля, составляющего момента у дипольных молекул;

– внутрислоевая – накопление (абсорбция) зарядов в пограничных слоях, имеющих отличающие проводимости и диэлектрические проницаемости,

Степень поляризации ёмкости оценивается по разности заряда такой же ёмкости, но при наличии вакуума вместо диэлектрика между обкладками.

Внутрислоевая поляризация – это медленный процесс, соизмеримый по времени с частотой переменного тока 50Гц или превышающего его, если изоляция сухая. При сильном увлажнении диэлектрика постоянная времени внутрислоевой поляризации резко уменьшается. Следовательно, исследование абсорбции в какой-то мере может характеризовать состоя­ние изоляции. При медленной поляризации энергия поляризации воз­вращается источнику питания не полностью и часть её рассеивается в виде тепла. Помимо указанных затрат энергии, возможны дополни­тельные потери, если возник ток сквозной проводимости. Отражая описанные явления, можно составить электрическую схему замещения диэлектрика (рисунок 1.1). Все потери энергии в диэлектрике, рассеиваемые при приложении к нему переменного напряжения, называют диэлектри­ческими потерями.

– геометрическая емкость (ёмкость вакуума и мгновенной поляризации); – сопротивление сквозной проводимости; С_абс и – цепочка абсорбирующей составляющей и потерь диэлектрика;

С', С", R – цепочка, в которой возможны потери из-за ионизации при наличии искрового промежутка S.

Рисунок 1.1 – Схема замещения диэлектрика

Обычно потери от проходящих через диэлектрик токов сквозной проводимости по сравнению с потерями на поляризацию малы и имеют значение лишь при весьма большом увлажнении или больших по­ложительных температурах. Векторная диаграмма токов, проходящих через диэлектрик, при приложении переменного напряжения будет иметь вид, приведённый на рисунке 1.2.

– ток, обусловленный мгновенной поляризацией;

– ток абсорбционной составляющей (замедленной поляризации);

– ток сквозной проводимости.

Рисунок 1.2 – Векторная диаграмма токов в диэлектрике

Как видно из диаграммы, диэлектрические потери обуславливают наличие активной составляющей токов , в силу чего сдвиг фаз между напряжением U и током отличается от 90 градусов на угол δ, называемый углом диэлектрических потерь. Чем больше угол δ, тем больше энергия рассеивания и, следовательно, диэлектрик менее качественен, а это может вызвать в свою очередь перегревы. Полные потери в диэлектрике составляют:

, (1.1)

где U – напряжение, приложенное к диэлектрику;

С_х – ёмкость объекта;

I_С – реактивная составляющая ().

Исходя из этих соотношений и векторной диаграммы, состояние изоляции можно характеризовать величиной:

. (1.2)

В практике измерений, чтобы не оперировать малыми цифрами, абсолютное значение часто принято выражать в процентах:

. (1.3)

Из рассмотрения эквивалентной схемы можно сделать ряд выводов:

– при увлажнении диэлектрика или нагрева его сопротивления и уменьшается и, следовательно растёт,

– все измерения необходимо выполнять при определенной установленной частоте переменного тока,

– угол диэлектрических потерь почти не зависит от геометрических размеров однородного диэлектрика в силу пропорциональности из­менения активной и реактивной составляющих токов,

– местный, а также, сосредоточенный дефекты ухудшения диэлек­трика, например при увлажнении, могут быть не выявлены при измере­нии так как токи, определяемые дефектом, могут оказаться значи­тельно меньшими токов ёмкости в целом,

– по мере увеличения приложенного напряжения к диэлектрику отмечается весьма незначительное изменения . Лишь после того как возникает ионизация во включениях диэлектрика, вызывающая допол­нительные потери, будет резко возрастать,

– при отрицательных температурах, когда влага диэлектрика пере­ходит в твердое состояние, состояние изоляции по потерям трудно распознаваемо.

При эксплуатационных измерениях одновременно измеряется и ёмкость, которая также в известных приделах может служить показате­лем состояния диэлектрика. При значительном увлажнении диэлектрика изменяется характер релаксационного процесса и, следовательно, по ёмкости возможно судить о состоянии изоляции. Так, измеряя ёмкость, устанавливают объемное увлажнение или загрязнение, при котором изменяется диэлектрическая постоянная и, следовательно, значение ем­кости; старение материала. Развивая методику измерения, основанную на поляризационных процессах, для определения состояния и, главным образом, степени увлажнения диэлектриков применяют методы, дающие возможность сопоставлять ёмкости или сопротивления при разных тем­пературах или за некоторый промежуток времени, например измерение сопротивления изоляции мегомметром через 15 и 60 секунд.

Измерение ёмкости при разных частотах (2, 50, 200 Гц) переменного тока также дает возможность судить о степени увлажнения и в настоящее время используется в технике. Например, прибор ПКВ-7.

Действие прибора ПКВ-7 основано на измерение емкости объекта при частотах 2 и 50Гц. О качестве изоляции судят по отношению:

. (1.4)

Зависимость от частоты описывается уравнением:

, (1.5)

где ω – угловая частота,

τ – постоянная времени,

S – величина, имеющая размерность проводимости,

G – проводимость сквозного тока,

С_г – геометрическая емкость.

Зависимость (1.5) соответствует графику , приведённому на рисунке 1.3.

На ряду с существует величина, называемая добротностью изоляции Q, обратная тангенсу угла диэлектрических потерь:

. (1.6)

2 Измерение при помощи моста Р5026

Образец диэлектрика с потерями может быть представлен в виде эк­вивалентной последовательной или параллельной схемы. Независимо от выбора эквивалентной схемы замещения ряд параметров, характери­зующих ее, остается неизменным. К ним относятся сдвиг фазы между током I в неразветвленной части цепи и падением напряжения U на всей цепи, значение этого тока I и напряжения U, диэлектрические потери Р.

Рисунок 1.3 – Зависимость

Рисунок 2.1 – Последовательная эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма образца изоляционного материала

Из всех способов измерения емкостей методом сравнения большей точностью обладают мостовые схемы при переменном напряжении. В технике высоких напряжений получили широкое распространение и хорошо себя зарекомендовали для измерения диэлектрических потерь мосты Шеринга и их разновидности, предназначенные для некоторых специальных измерений. Преимуществом мостов Шеринга является то, что емкость и объекта могут быть измерены при напряжениях вплоть до номинальных.

Рисунок 2.2 – Параллельная эквивалентная схема замещения и векторная диаграмма образца изоляционного материала

Схема подобрана так, что на уравновешивающих элементах R ₄, C ₄ и R ₃ возникает падение напряжение всего в несколько вольт. Если же произойдет пробой или перекрытие конденсаторов С _х или С ₀ и между выводами А и В возникает высокое напряжение, то уравновешивающие элементы и обслуживающий персонал будут защищены разрядником, как правило заполненным инертным газом. Уравновешивание моста осу­ществляется изменением R ₃ и С ₄. В уравновешенном состоянии точки А и В имеют одинаковые потенциалы, и через чувствительный индикатор не протекает тока. В этом случае коэффициенты деления делителей, образо­ванных плечами моста Z_x – Z₃ и Z₀ – Z₄одинаковы и

. (2.1)

Р ₁, Р ₂ – защитные разрядники;

С_х – ёмкость измеряемого объекта;

С ₀ – ёмкость эталонного конденсатора без потерь;

Рисунок 2.3 – Принципиальная схема моста Шеринга

Уравнение (2.1) является исходной базой для вывода условий рав­новесия моста переменного напряжения с пассивными элементами. Если сравнить действительные и мнимые части полных сопротивлений, то по­лучатся уравнения для определения реактивного сопротивления и .

Например, для моста Шеринга , , , имеем

, (2.2)

, (2.3)

. (2.4)

Сравнение действительных и мнимых частей дает

; . (2.5)

Тангенс угла диэлектрических потерь определяется так:

. (2.6)

Рассчитанная из приведенных условий равновесия моста емкость С_х является емкостью для последовательной схемы замещения: мост Шеринга измеряет емкость и , соответствующий последовательной схеме за­мещения объекта. Исходя из уравнения 2.6

, (2.7)

где f – частота (равная 50 Гц).

Получим, приняв значение ,

. (2.8)

Таким образом, при , численно равен емкости выраженной в микрофарадах, в связи с этим шкалы ручек емкости С₄ снабжают делениями непосредственно указывающими значение изме­ренного .

Для схем, представленных на рисунках 2.1 – 2.2 справедливы следующие соотношения

для последовательной

; , (2.9)

для параллельной

, . (2.10)

Эти соотношения ещё более упрощаются при . Так как при этом , то с погрешностью, не превышающей ±1%, можно счи­тать

; . (2.11)

Емкость С_р в эквивалентной параллельной схеме обычно прини­мают за емкость С_х образца или изделия. Таким образом, обычно, при­менительно к испытуемому образцу или изделию, рассматривают парал­лельную схему замещения.

Мост Р5026 предназначен для измерения емкости и на частоте 50Гц. Измерения осуществляется при высоком напряжении по "прямой" (оба электрода изолированы от земли) и по "перевернутой" схемах (один электрод измеряемого объекта заземлен), при низком напряжении (от встроенного источника питания) – по "прямой" схеме.

Измеряемый образец включается в плечо АС (рисунок 2.4), в плечо ВС включается образцовый конденсатор (Р5023). Два другие плеча моста, состоящие из магазинов сопротивления и емкости, служат для уравнове­шивания моста.

В качестве нуль-индикатора НИ в мосте используется чувствитель­ный транзисторный избирательный усилитель, на выходе которого включен стрелочный прибор. Питание усилителя осуществляется от встроенных элементов питания типа 373 (2шт).

Питание моста при измерении на низком напряжении осуществляет­ся от сети переменного тока при помощи встроенного трансформатора. Для измерения на высоком напряжении необходима внешняя цепь пита­ния.

Все элементы измерительного устройства (находящиеся под высо­ким напряжением при измерениях по "перевернутой" схеме) располо­женные на внутренней панели, окружены экраном и изолированы от корпуса и наружной панели моста при помощи изоляторов. Корпус мо­ста, его наружная и лицевая панель служат внешним электростатиче­ским экраном и при работе моста заземляются.

Мост Р5026 позволяет производить измерение емкости и :

а) по "прямой" схеме на высоком напряжении,

б) по "перевернутой" схеме на высоком напряжении,

в) по "прямой" схеме на низком напряжении,

г) по "прямой" схеме на высоком напряжении с устройством защитного потенциала (УЗП) Ф5122 и блоком конденсаторов Р5069.

УЗП служит для установления напряжения точки В (рисунок 2.2) по отношению к земле равным нулю, при этом исключается появление то­ков утечки. При равновесии моста напряжение между вершинами А и В отсутствует, следовательно напряжение точки А также равно нулю от­носительно земли. УЗП обеспечивает эквипотенциальность экранов мо­ста и измерительной диагонали.

Блок конденсатов предназначен для компенсирования индуктивной составляющей тока идущего от трансформатора напряжения (источника высокого напряжения) к объекту измерения.

Рисунок 2.4 – Электрическая принципиальная схема работы моста на высоком напряжении по «прямой» схеме

Рисунок 2.5 – Монтажная принципиальная схема работы моста на высоком напряжении по «прямой» схеме

Из рисунков 2.4 – 2.5 видны основные особенности работы схемы:

а) высокое напряжение полностью прикладывается к испытуемому образцу С_х;

б) экраны моста заземлены;

в) магазинами сопротивления и емкости уравновешивается ток стекающий с образца при приложении к нему высокого напряжения;

г) при пробое С_х или С ₀ измерительный механизм (НИ) и обслуживающий персонал будет защищен от действия высокого напряжения защитными разрядниками P ₁ и P ₂.

Особенности работы схемы, приведённой на рисунках 2.6 – 2.7:

а) высокое напряжение прикладывается непосредственно к мосту;

б) экран, магазины сопротивления и емкости, нуль-индикатор оказываются под высоким напряжением;

в) магазины сопротивления и емкости уравновешивают ток проте­кающий через мост в объект измерения.

Рисунок 2.6 – Принципиальная электрическая схема работы на высоком напряжении «перевёрнутой» схемы

Рисунок 2.7 – Принципиальная монтажная схема работы на высоком напряжении «перевёрнутой» схемы

Электрическая схема измерения и емкости на низком напряже­нии эквивалентна "прямой" схеме работы моста на высоком напряжении за исключением того, что в цепь питания схемы последовательно вклю­чается ограничительный конденсатор, который вмонтирован внутрь мо­ста.

Рисунок 2.8 – Монтажная схема работы на низком напряжении

Наибольшей точностью измерения емкости и на высоком на­пряжении обладает "прямая" схема, в связи с тем что при работе по "перевернутой" схеме емкость и сопротивление изоляции обмотки высо­кого напряжения (собственно емкость обмотки, ввода и коронирующих соединительных проводов) оказывается присоединенными параллельно испытуемому объекту.

Поэтому для уменьшения погрешности с начала уравновешивают мост с отсоединенным испытуемым объектом, тем самым определяя внешнее влияние, а затем производят испытание объекта.

Чтобы уменьшить ошибку, обусловленную внешним влиянием, производят два измерения с изменением фазы испытательного напря­жение на 180°. Величину испытуемой изоляции определяют как среднее или средневзвешенное двух измерений, т.е. по формулам

или ,(3.18)

где и – значение сопротивления соответственно при первом и втором измерениях.

Ошибки при таких измерениях имеют разные знаки и при усредне­нии результатов отчасти компенсируются.

В настоящее время в эксплуатации в основном используются мосты переменного тока Р595 и Р5026. Мост Р5026 является более поздней мо­дификацией Р595, несколько улучшающий эксплутационные характери­стики.