Тангенс угла потерь конденсатора что это

7

Выбор плёночных конденсаторов для применения в Hi-Fi- и High-End-аудиотехнике. Часть 2. Основные характеристики конденсаторов

Любой конденсатор является электростатическим пассивным элементом, который накапливает энергию в виде заряда на своих проводящих, но электрически изолированных обкладках. Процесс накопления энергии электрического поля конденсатором зависит от размера обкладок (S), расстояния между ними (d) и свойств изолирующего материала. Математически ёмкость конденсатора можно выразить следующей формулой:

где диэлектрическая проницаемость (ε) – безразмерная физическая величина, показывающая степень поляризации материала под воздействием электрического поля в диэлектрике. Диэлектрическая проницаемость может быть выражена как ε = ε_s / ε₀, где ε – диэлектрическая проницаемость, ε_s – диэлектрическая проницаемость материала среды, ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума.

Так, например, для полиэстера ε=3,3, а для полипропилена ε=2,2. Учитывая, что ёмкость конденсатора

при замене диэлектрика в конденсаторе изменение ёмкости будет:

То есть в таком же по размеру конденсаторе, с равными по площади S пластинами и расстояниями d между ними ёмкость уменьшится в 1,5 раза.

Минимальная толщина плёнки – также важный параметр, так как, с одной стороны, он определяет расстояние между обкладками конденсатора d, и чем меньше оно будет, тем больше окажется ёмкость. Но с другой стороны, чем меньше слой диэлектрика, тем может быть ниже напряжение пробоя.

Диапазон напряжений – это диапазон номинальных напряжений. Под номинальным напряжением понимается максимально допустимое рабочее напряжение. Если на конденсатор подаётся переменная составляющая с пиковым U_max и постоянная U_DC, то номинальное напряжение U_R должно быть не меньше их суммы:

ΔС/С в рабочем диапазоне температур – изменение ёмкости конденсатора при граничных рабочих температурах. Численно этот параметр можно выразить как

Зависимость ёмкости от температуры нелинейная, и часто производители приводят соответствующий график. Типичный пример (рис. 5) для плёночных полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных(PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов:

Рис. 5. Типичные зависимости ёмкости от температуры для полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных (PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов.

Если конденсатор подвергается циклическому изменению температуры от T_min до T_max, то могут наблюдаться необратимые изменения между начальной и конечной ёмкостями. Это отклонение получило название циклического дрейфа ёмкости и выражается в процентах от ее номинального значения (рис. 6).

Рис. 6. График циклического дрейфа ёмкости. Во время работы конденсаторов при высоких температурах происходит внутренняя деградация диэлектрика, вследствие чего уменьшается ёмкость при нормальных условиях (T=25°C. P=760 мм рт. ст.)

Для плёночных конденсаторов этот параметр обычно очень мал. Однако в сигнальных цепях усилителей, подверженных нагреву из-за расположенных рядом мощных транзисторов или ламп, нужно учитывать этот параметр. Плёночные и фольговые конденсаторы крайне не рекомендуется подвергать нагреву выше максимально допустимой рабочей температуры для конкретного экземпляра конденсатора. Типичные значения максимальных рабочих температур:

• для полипропиленовых (PP) конденсаторов: 105°C
• для полиэтилентерефталатных (PET): 125°C
• для полиэтиленнафталатных (PEN) 125°C
• для полипропиленовых конденсаторов с масляной пропиткой: 85°C
• для фольговых бумажно-масляных и бумажно-восковых: 80°C

При высоких температурах эксплуатации, достигающих 70% и выше от максимально-допустимой рабочей температуры конденсатора, его характеристики ухудшаются. Для номинального напряжения вводится так называемый фактор снижения, который обозначает снижение рабочего напряжения при высоких температурах.

Рассмотрим эффект, который может существенно повлиять на звук. Он связан с изменением ёмкости в зависимости от частоты колебания напряжения на конденсаторе. Надо заметить, что в отличие от конденсаторов других типов, все плёночные не подвержены такому эффекту. На графике (рис. 7) видно, что полипропиленовые конденсаторы (PP) имеют практически линейную характеристику: уменьшение ёмкости на доли процента происходит на частотах выше 20 кГц. Уменьшение на 1% ёмкости у конденсаторов с полиэтилентерефталатными и полиэтиленнафталатными диэлектриками может стать причиной отказа от них для High–End-приложений.

Рис. 7. Графики зависимости ёмкости от частоты напряжения для полипропиленовых (PP), полиэтилентерефталатных (PET) и полиэтиленнафталатных (PEN) конденсаторов.

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) характеризует потери энергии электрического поля, приходящиеся на его рассеяние в диэлектрике. Он определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты. Значение тангенса угла потерь диэлектрика зависит от его качества, температуры окружающей среды и от частоты переменного тока, на которой он измеряется.

Рассмотрим потери электростатической энергии в конденсаторе более подробно. В цепях переменного тока происходит процесс изменения полярности на обкладках конденсатора. В его результате трение в молекулярных структурах трансформируется в тепло. Потери такого же рода в конденсаторе происходят из-за резистивных потерь в частях конденсатора: выводах, металлическом контактном слое и электродах. Упрощённая эквивалентная схема конденсатора представлена на рис. 8.

Рис. 8. Эквивалентная схема конденсатора, в которой L – эквивалентная индуктивность, RS – эквивалентное последовательное сопротивление, C – ёмкость

Как видно из диаграммы на рис. 9, для частот значительно ниже собственной резонансной частоты конденсатора (L и US очень малы), RS смещает фазу между напряжением и током чуть менее чем на 90 градусов. Разность между углом фазы и 90о представляет собой угол диэлектрических потерь δ, который определяется через тангенс диэлектрических потерь tgδ, то есть отношением эквивалентного последовательного сопротивления RS к ёмкостной реактивной составляющей

Можно показать, что тангенс угла диэлектрических потерь также является отношением активной мощности к реактивной (δ=P_A/P_A). Рассеянная мощность может быть представлена как функция напряжения US, выраженная через эквивалентное последовательное сопротивление RS или через протекающий через него ток:

Тогда мощность может быть рассчитана как P = 2πƒ∙C∙tgδ∙U 2 или P = (2π∙C) 2 ∙R∙U 2

Рис. 9. Диаграмма диэлектрических потерь

Тангенс угла диэлектрических потерь и эквивалентное последовательное сопротивление очень важны, так как они характеризуют тепловые потери энергии электрического поля, а значит и затухание звукового сигнала.

Самовосстановление

Плёночные конденсаторы обладают выдающимися характеристиками по скорости заряда и разряда, что делает их незаменимыми в сетевых фильтрах блоков питания. В сети часто возникают высокоэнергичные импульсы, которые нередко становятся причиной выхода из строя электронных приборов, питающихся от сети. Плёночные конденсаторы могут частично защитить цепи питания, сглаживая такие сетевые помехи. При этом их рабочие свойства меняются незначительно. Данное свойство получило название самовосстановление, так как оно обуславливается способностью самостоятельно избавляться в процессе работы от дефектов (например, пор и примесей в плёнке).

Рассмотрим суть процесса, основываясь на рис. 10. Плёночные конденсаторы имеют металлическое покрытие, нанесённое в вакууме непосредственно на пластиковую плёнку; оно имеет толщину всего лишь 20 .. 50 нм. В результате импульсной перегрузки по напряжению в конденсаторе может случиться локальный пробой диэлектрика. В этот момент происходит дуговой разряд, под действием которого за несколько микросекунд испаряется металлическое покрытие в области пробоя. Металл и диэлектрик выбрасываются за пределы места пробоя, и там образуется непроводящая область. Во время и после этого события конденсатор сохраняет свою функциональность. Из-за уменьшения эффективной площади обкладок после него ёмкость конденсатора в 0,1-1 мкФ уменьшается на очень незначительную величину, не превышающую 100 пФ. С учётом ёмкости конденсатора такие пробои могут быть обнаружены только с помощью прецизионного измерительного оборудования.

Рис. 10. Схематическое изображение области возникновения дугового разряда между обкладками.

• Зазор между диэлектриком и электродом с газообразными парами металла и диэлектрика
• Зона плазмы
• Граничная зона между плазмой и газовыми образованиями
• Канал пробоя диэлектрика
• Зона газообразного диэлектрика
• Зона переместившегося диэлектрика и металлизации
• Зона плазмы

Влагопоглощаемость – характеристика конденсаторов, определяющая, как будет меняться ёмкость конденсатора при изменении влажности рабочей среды. В зависимости от типов конструкции и диэлектрика, а также наличия воздушного зазора между обкладками различные плёночные конденсаторы могут вести себя очень по-разному. Если температура и относительная влажность рабочей среды, указанные производителем, не будут превышать допустимых значений, то процесс изменения ёмкости будет обратимым. В противном случае – нет.

Диэлектрическая абсорбция

В процессе заряда конденсатора происходит накопление его носителей на обкладках, в то же время между обкладками конденсатора существует электрическое поле, силовые линии которого проходят через диэлектрическую плёнку, разделяющую обкладки. В диэлектриках нет свободных носителей заряда, но молекулы диэлектрика при этом имеют в своей структуре положительно и отрицательно заряженные ионы, за счёт которых в них образуются два полюса. Такие молекулы называют диполями. Взаимодействуя с внешним электрическим полем, диполи поворачиваются и выстраиваются вдоль силовых линий электрического поля.

Рис. 11

На данном графике видно, как изменяется напряжение между обкладками конденсатора во времени при саморазряде, коротком замыкании, и как восстанавливается заряд на обкладках за счёт диэлектрической абсорбции.

При быстром разряде в диэлектрике происходит обратный процесс, в котором диполи начинаются вращаться и приходить в обычное «расслабленное» состояние; это явление называют диэлектрической релаксацией. При этом на поверхностях диэлектрика возникает разность потенциалов, которую также называют дипольной поляризацией. У плёночных конденсаторов она минимальна и составляет меньше 1% от их рабочего напряжения, в отличие, например, от электролитических, где она может достигать 15%. Диэлектрическая релаксация сопровождается выделением тепловой энергии и приводит к диэлектрическим потерям, что отражается на величине тангенса угла диэлектрических потерь, о котором мы говорили ранее.

Плёночные конденсаторы благодаря своей совокупной постоянной ёмкости, практически не зависящей от температуры и рабочего напряжения, очень низким диэлектрическим потерям, высоким импульсным токам, диапазону доступных ёмкостей и умеренным габаритам нашли широчайшее применение не только в аудиотрактах HighEnd-класса (рис. 12) и профессиональной звукозаписывающей аппаратуре, но и в прецизионном измерительном оборудовании, медицинской и военной технике – на суше, под водой и даже в космосе. Менее распространены их предшественники – фольговые конденсаторы, изготовленные с использованием ретроградных диэлектриков в виде промасленной бумаги и натурального пчелиного воска. Там, где цена, а также плохие массогабаритные показатели не имеют значения, а искажения недопустимы, используются и они. Чаще всего их приложениями являются кроссоверы акустических систем. Еще они встречаются в роли проходных конденсаторов в High-End-аппаратуре (рис. 13).

Рис. 12. Mundorf MCAP EVO Aluminium Oil (плёночно-фольговый конденсатор полипропиленово-масляный) в ламповом усилителе Prima Luna Prologue One High-End-класса.

Рис. 13. Ламповый предусилитель ЦАП High-End-класса оснащен четырьмя конденсаторами Duelund CAST PIO-CU (медные фольговые с бумажно-масляным диэлектриком)

Поделитесь статьёй:

Что такое ESR?

ESR — Equivalent Series Resistance — один из параметров конденсатора, характеризующий его активные потери в цепи переменного тока. В эквиваленте его можно представить, как включенный последовательно с конденсатором резистор, сопротивление которого определяется, главным образом, диэлектрическими потерями, а так же сопротивлением обкладок, внутренних контактных соединений и выводов. В русскоязычной аббревиатуре — Эквивалентное Последовательное Сопротивление — ЭПС.

Потери в диэлектрике, обусловленные особенностями его поляризации, составляют основную часть потерь в конденсаторе и определяются материалом, а так же толщиной слоя диэлектрика.

Поляризация — ограниченное смещение связанных зарядов диэлектрика в электрическом поле.

Рассматривать детально процессы всех видов поляризации здесь нет необходимости, но вкратце это можно пояснить следующим образом:
Частицы диэлектрика, обладающие зарядом, под воздействием переменного электрического поля вынуждены совершать непроизвольные механические колебания, обусловленные их переориентацией и смещением (поляризацией).
В слоях диэлектрика, близких к обкладкам, заряды, не покидая своих связей, активно участвуют во всех процессах формирования напряжения и тока в конденсаторе, как и проводники. По сути, уменьшается толщина слоя реального диэлектрика.
В результате существенно повышается ёмкость конденсатора но, по причине инертности и внутреннего трения связанных частиц, процессы сопровождаются выделением тепла и потерями энергии в токопроводящих слоях диэлектрика. То есть, эти поляризованные слои обладают активным сопротивлением электрическому току.
С увеличением частоты, диэлектрические потери пропорционально возрастают по той же причине — механической инертности поляризованных зарядов.

Сопротивление токопроводящих слоёв диэлектрика последовательно складывается с сопротивлением обкладок, выводов и контактных соединений. В итоге образуется общее активное сопротивление R — Equivalent Series Resistance (ESR). По сути оно представляет собой резистор, включенный последовательно с конденсатором.

В этом случае угол сдвига фаз между током и напряжением будет не 90°, как в идеальном конденсаторе, а несколько меньше.
Тангенс угла δ, составляющего эту разницу с 90°, называют тангенсом угла потерь.

Тангенс угла определится отношением активного сопротивления к реактивному R/Xc, как тригонометрическая функция отношения двух катетов треугольника сопротивлений, показанного на рисунке выше.

В электролитических конденсаторах значимой частью ESR является сопротивление жидкого электролита, который используется в качестве одной из обкладок для обеспечения максимальной площади соприкосновения с диэлектриком.
Активное сопротивление электролита в реальных конденсаторах обычно соизмеримо с десятыми или даже с сотыми долями Ома при 20°C, но для конденсаторов большой ёмкости, используемых в фильтрах выпрямителей ИИП на рабочей частоте порядка 100 кГц, когда его реактивное сопротивление измеряется тысячными долями Ома, эта величина может составлять основные потери, и будет значительно уменьшаться по мере прогрева.
При рабочей температуре величина диэлектрических потерь на таких частотах обычно оказывается в несколько раз больше.

Сопротивление электролита зависит от температуры по причине изменения степени его вязкости и подвижности ионов.

В процессе работы происходит нагрев диэлектрика и электролита переменным током, в связи с чем существенно уменьшается сопротивление электролита, тогда ESR конденсатора будет определяться преимущественно его диэлектрическими потерями, которые продолжат греть конденсатор в допустимых расчётами пределах.
Но, в случаях разогрева до температуры кипения, электролит утрачивает свои первоначальные свойства и при последующем охлаждении становится более вязким, что ухудшает подвижность ионов и повышает активное сопротивление. Дальнейшая эксплуатация будет вызывать ещё больший разогрев и ухудшение качества электролита, что в последствии приведёт к непригодности конденсатора для дальнейшей работы.
Неисправные конденсаторы, в которых кипел электролит, обычно определяются визуально по вздувшемуся и разгерметизированному корпусу.

Для надёжности работы электролитических конденсаторов очень важен правильный выбор его типа, номинала и максимального напряжения в зависимости от режимов и условий эксплуатации.
Для фильтров выпрямителей в преобразователях, работающих на частотах десятков или сотен килогерц, производители выпускают специальные конденсаторы с малым ESR и указывают полное сопротивление переменному току (импеданс Z) для всех номиналов в таблицах.
Тип таких конденсаторов сопровождается пометкой в технической документации — Low impedance или Low ESR.

Для анализа состояния электролита и внутренних соединений электролитических конденсаторов применяются измерители или пробники ESR, которые могут быть выполнены исходя из разных принципов измерений и требований к погрешностям.
Большая часть простых ESR-пробников и тестеров основана на принципе измерения импеданса. У них есть свой существенный плюс — низкоомный вход, что позволяет проверять конденсаторы, не выпаивая их из платы.
Подробнее о способах измерения можно ознакомиться на страничке — измерение ESR.

Наряду с ухудшением качества электролита, часто активное сопротивление в конденсаторах возрастает по причине ухудшения контактов обкладок с выводами, вплоть до полного обрыва. В электролитических это происходит чаще, в металлокерамических реже, телевизионным мастерам все эти случаи хорошо знакомы. А ремонтники старшего поколения, кто застал советские ламповые телевизоры, хорошо помнят бумажные конденсаторы, которые иногда поджимали пассатижами для уплотнения контактных соединений внутри, и они какое-то время ещё работали.

Таблица ESR

Для чего нужна таблица?
Большинство пробников и тестеров, обычно светодиодные или стрелочные, измеряют импеданс — общее сопротивление конденсатора (активное и реактивное). Активное отдельно замерить сложнее, но оно и есть потери — значение ESR.
При измерении ёмкостей менее 100 микрофарад, реактивная составляющая уже оказывается соизмеримой, а иногда больше значения ESR, и существенно влияет на результат. А в конденсаторах менее 10 мкф и вовсе значение ESR во много раз меньше и его доля незначительна в общем показании. Точно замерить ESR у них невозможно такими пробниками, но выявить неисправные конденсаторы можно.
Другими словами, реактивное сопротивление в показаниях таких приборов — неудобная погрешность, зависимая от ёмкости конденсатора. Её надо учитывать при оценке качества конденсатора для разных ёмкостей.
К тому же ESR зависит от толщины слоя электролита и диэлектрика. Для высоковольтных и крупногабаритных конденсаторов эти значения учитываются производителями в зависимости от области применения.
Никакой пропорциональной зависимости ESR от других параметров конденсатора не существует, поэтому для оценки его качества в практике используются таблицы.

Все существующие таблицы — условны и не всегда объективно определяют допустимые значения для всех измерителей. Публикуют их часто для популяризации сайтов, поэтому важно понимать суть значений в таблицах.
Тем более, разные пробники работают на разных принципах или частотах (от 10 до 100 кГц), разница показаний в 5 или 10 раз может отличаться от табличных лишь по этой причине.
Очень полезно самому замерить значения ESR у новых конденсаторов разных производителей и составить свою таблицу для своего пробника. Это уже будут реальные показатели. Тогда их можно сравнить с неисправными конденсаторами и со значениями их реактивных сопротивлений, чтоб сделать какие-то выводы о критичности.
В преобразователях блоков питания греют конденсатор паразитные десятые, иногда сотые доли Ома и, если их сможет показать Ваш измеритель, уже неплохо. Импульсный ток в конденсаторах достигает десятков Ампер и активные десятые доли Ома для 10 Ампер — это уже реальные Ватты — нагрев.
Габариты конденсатора тоже имеют существенное значение, они будут охлаждать электролит, это надо учитывать при выборе типа конденсатора в мощных преобразователях.
Практика показала, тонкие конденсаторы Low ESR, установленные при замене в блоках питания вместо крупногабаритных обычных, частенько долго там не живут, перегреваются, закипают и вздуваются иногда уже через несколько месяцев работы.

Для самого популярного в ИИП конденсатора 1000мкф x 25в часто в таблицах указывают 0.08 Ом, как норму. А в других таблицах 0.8 Ом. Какой прибор что мерит, кто и для каких цепей определил ему норму — загадки.
Проверьте для сравнения своим прибором этот конденсатор новый от разных производителей, в том числе с пометкой Low ESR, тогда оценка будет объективнее.

Таблица Боба Паркера для ESR-метра K7214

Рассчитаем округлённо реактивное сопротивление для популярных номиналов при усреднённой частоте пробников 20 кГц, чтобы иметь представление хотя бы о порядке их идеальных значений.

Ещё раз напомню, никакой пропорции между ESR и этими значениями быть не может. Тем более, с учётом конструктивных особенностей электролитических конденсаторов для разных габаритов и вольтажа.
Повторюсь. Это лишь реактивное сопротивление, которое имеет большее значение при измерении конденсаторов меньшей ёмкости, как реальная погрешность для пробников, основанных на измерении импеданса.
То есть, чистое значение ESR у конденсатора 100 мкф и 1 мкф может быть одинаковым, а прибор покажет разницу в десятки раз, ибо добавит ёмкостное значение, которое будет решающим для показаний прибора на измеряемой частоте у малых ёмкостей.

Реактивное сопротивление конденсаторов, частота 20кГц:
1000 мкф — 0.008 Ом.
470 мкф — 0.017 Ом.
220 мкф — 0.036 Ом.
100 мкф — 0.08 Ом.
47 мкф — 0.17 Ом.
22 мкф — 0.36 Ом.
10 мкф — 0.8 Ом.
4.7 мкф — 1.7 Ом.
2.2 мкф — 3.6 Ом.
1 мкф — 8 Ом.
0.47 мкф — 17 Ом.
Поможет калькулятор расчёта реактивного сопротивления конденсаторов.

Более сложные цифровые приборы способны замерить точные значения во время заряда конденсатора постоянным током, рассчитать его ёмкость и ESR без реактивной составляющей.
Но измерение постоянным током не учитывает диэлектрические потери, которые напрямую зависят от частоты. Кроме того, конденсаторы нужно выпаивать из платы для таких замеров.

Пробниками обычно быстро проверяют конденсаторы на неисправность, не выпаивая их, а это существенный выигрыш в оперативности для мастера — ремонтника. Ему не всегда нужны точные показания сложных приборов, чаще бывает важно своевременно и правильно выявить неисправную деталь в устройстве. К погрешностям на реактивность в практике мастера просто привыкают, когда годами пользуются одним и тем же пробником.

Что такое тангенс угла диэлектрических потерь

Изоляционные свойства диэлектриков зависят как от величины приложенного напряжения и его частоты, так и от внешних факторов (температуры, влажности). В процессе эксплуатации в структуре материалов происходит постепенное накопление дефектов, следствием которых является деградация диэлектрических параметров. В связи с этим необходим регулярный контроль электроизоляционных характеристик для высоковольтного оборудования и приборов. Мощные генераторы, трансформаторные электроподстанции, изоляторы высоковольтных линий электропередач, автотрансформаторы регулярно проходят проверку посредством специализированных приборов контроля. Основная характеристика в системе контроля диэлектрических свойств — тангенс угла потерь.

Общие положения

Образцами для исследования электрофизических свойств диэлектриков служат конденсаторы, между обкладками которых находится тестируемое вещество. Конденсатор с идеальными параметрами должен удовлетворять двум условиям:

• При подаче на обкладки постоянного электронапряжения ток утечки отсутствует (j_a = 0) вплоть до напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика. Ток при этом лавинообразно нарастает.
• При подаче переменного напряжения с определённой частотой фазовый сдвиг (угол φ) между напряжением U и током I_c равен 90 градусов.

Переменное электронапряжение поочерёдно заряжает обкладки конденсатора. В ходе этого процесса конденсатор получает порцию энергии, чтобы на следующем этапе вернуть её обратно в сеть. Произведение ёмкостного тока I_c на величину напряжения равно потребляемой ёмкостной (реактивной) мощности. Диэлектрик с идеальными параметрами позволил бы полностью избежать потерь энергии, то есть, из сети потреблялась бы исключительно реактивная мощность.

Во всех реальных диэлектриках существуют потери энергии, которая преобразуется в тепло. На картинке механизм потерь обозначен в виде активного сопротивления, подключенного параллельно конденсатору. Здесь же изображена векторная диаграмма различных токов, присутствующих в диэлектрике, когда часть электрической энергии переходит в тепло.

Из треугольника токов следует, что:

В данной формуле и на схеме δ — угол диэлектрических потерь, а отношение активного и реактивного электротока — тангенс угла потерь конденсатора для рассматриваемого случая. В общем тангенс угла диэлектрических потерь является интегральным параметром, характеризующим качество изоляции. Увеличение потерь связано с ростом температуры, влажностью, наличием поляризационных процессов.

Кроме tg δ часто используется обратная величина Q, называемая добротностью:

Влияние внутренних свойств диэлектриков на tg δ

Диэлектрическими свойствами обладают вещества в различных агрегатных состояниях: твёрдом, газообразном и жидком. Энергетические потери, которые отражаются на величине тангенса угла потерь (ТУДП) в разных материалах могут быть обусловлены следующими факторами:

• В газовых средах — потерями, вызванными ионизацией атомов и молекул.
• В жидкостях — релаксационными потерями (релаксационная поляризация).
• Дипольной поляризацией — часто встречающийся механизм в твёрдых диэлектриках.
• Сквозной электропроводностью в сочетании с поляризационным рассеянием.
• Наличием неоднородностей и структурными дефектами в аморфных веществах.

Влияние внешних факторов

Тангенс угла при изменении диэлектрических потерь (ТУДП) также меняется. На значение ТУДП влияют следующие факторы:

• Температура внешней среды.
• Наличие и количество влажности.
• Амплитуда электрического напряжения.
• Частота переменного тока и напряжения.

Температура

Рост температуры внешней среды вызывает увеличение tg δ, поскольку растёт электропроводность, обусловленная возбуждением колебаний атомов и движением отдельных ионов и диполей.

Частота

Увеличение частоты приложенного электронапряжения вызывает уменьшение ТУДП, если главным механизмом потерь выступает проводимость диэлектрика. При этом на активную токовую компоненту I_А частота не оказывает влияния, а реактивная составляющая I_С увеличивается прямо пропорционально частоте. Тангенс угла при этом уменьшается.

В случаях, когда главным механизмом потерь выступает поляризация, tg δ на отдельной частоте будет иметь скачок до некоторого максимума с последующим спадом.

В диэлектриках, имеющих разные механизмы потерь, общая величина tg δ будет суммой вкладов отдельных механизмов.

Влажность

Наличие влаги в том или ином виде (пар, жидкость) вызывает однозначное увеличение tg δ, так как влажность способствует уменьшению удельного сопротивления.

Напряжение электрического поля

Значительный рост ТУДП начинается с U_и — напряжения, когда включается механизм ионизации атомов, приводящий к резкому росту потерь.

Значения ТУДП материалов, часто используемых в качестве диэлектриков, можно узнать из справочных таблиц. Например, тангенс угла диэлектрических потерь составляет для трансформаторного масла 5–10 -3 , а для конденсаторной бумаги — 9–10 -3 .

Измерение ТУДП

Для определения величины ТУДП на практике используется измеритель тангенса угла диэлектрических потерь.

Обязательный контроль величины tg δ даёт информацию о текущем состоянии параметров изоляции токопроводящих частей электрической аппаратуры. Например, мониторинг тангенса угла диэлектрических потерь рабочего масла трансформатора, которое является главным изолятором в этом мощном оборудовании электрических подстанций (от 10 кВ и выше), позволяет предотвратить аварийные ситуации. Измерение и контроль тангенса угла диэлектрических потерь производится в соответствии с нормативными требованиями с помощью сертифицированных приборов.

Тангенс угла диэлектрических потерь, измерение показателя диэлектрических потерь

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:

Для параллельной схемы:

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.

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.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!