Почему емкость изоляции зависит от частоты

22

Контроль емкости изоляции

Контроль величины емкости изоляции позволяет выявлять слоистое увлажнение изоляции. Емкость идеального конденсатора не зависит от частоты; чем больше диэлектрические потери в реальном конденсаторе или в изоляции, тем сильнее зависит от частоты емкость идеального емкостного элемента в схеме замещения реального конденсатора.

Можно попытаться использовать простую параллельную схему замещения двухслойной изоляции по рис. 5.1а с параллельно соединенными резистивным элементом R_П и емкостным элементом C_П (рис. 3г). При этом, однако, значения параметров схемы замещения оказываются частотно-зависимыми; в частности, , . Вид зависимости показан на рис. 5. С ростом степени увлажнения возрастает размах изменения емкости с изменением частоты. Использование этой зависимости может служить для обнаружения слоистого увлажнения изоляции.

Рис. 5. Зависимость емкости от частоты для двухслойной изоляции

Для оценки состояния изоляции измерения производят на частотах 2 Гц и 50 Гц при неизменной температуре изоляции и затем определяют отношение , которое и служит показателем качества изоляции. На основании опыта установлено, что изоляция имеет недопустимое увлажнение, если >1.3.

Для измерения емкостей используются два основных принципа, проиллюстрированные рис. 6.

Переключатель в схеме рис. 6а периодически подключает испытуемую изоляцию к источнику постоянного напряжения, заряжая емкость изоляции, а затем — к цепи с гальванометром PA, через который емкость изоляции разряжается. Средний ток через гальванометр определяется частотой переключения, , так что при измерении на частотах 2 Гц и 50 Гц отношение емкостей определяется отношением токов: . По такому принципу работают приборы контроля влажности серии ПКВ.

Рис. 6. Принципиальное устройство приборов емкостного контроля увлажнения

По схеме рис. 6б испытуемая изоляция заряжается от источника постоянного напряжения, а затем на короткое время, примерно на четверть периода частоты 50 Гц, то есть на 5 мс, подключается к образцовому конденсатору C₀. На образцовый конденсатор переносится заряд, пропорциональный емкости C₅₀ (примерно соответствующей геометрической емкости C_Г рис. 3в). Затем изоляция снова заряжается, кратковременно замыкается для разряда геометрической емкости и на время около четверти периода частоты 2 Гц (примерно 130 мс) подключается к образцовому конденсатору для снятия части заряда с абсорбционной емкости ?C, что позволяет определить разность С₂-С₅₀. По этой разнице и по значению С₅₀ определяется отношение емкостей: . Напряжение на эталонном конденсаторе измеряется с помощью электронного вольтметра, имеющего большое входное сопротивление. По этому принципу работают приборы серии ПЕКИ и У-268.

Зависимость емкости конденсатора от частоты и напряжения

Емкость конденсатора при повышении частоты уменьшается, так как уменьшается диэлектрическая проницаемость диэлектрика, обусловленная ослаблением релаксационных видов поляризации.

Если же в диэлектрике имеет место только электронная и ионная поляризация, то диэлектрическая проницаемость в широком диапазоне частот не должна зависеть от частоты, а следовательно не должна изменяться и емкость. Но и в этом случае емкость может изменяться за счет влияния конструктивных элементов конденсатора: его индуктивности и сопротивления обкладок и выводов.

Наличие индуктивности в конденсаторе дает увеличение его действующей емкости с ростом частоты (рис. 30), так как ток будет возрастать за счет компенсации реактивного емкостного сопротивления индуктивным сопротивлением.

Приравняем значения полных сопротивлений:

конденсатора с индуктивностью, L и емкостью

эквивалентного ему конденсатора с действующей емкостью , без индуктивности.

Пренебрегая наличием активного сопротивления можно написать:

Зависимость от частоты увеличивается как при увеличении индуктивности L так и при увеличении емкости при заданной индуктивности.

Наличие активного сопротивления r, включенного последовательно с емкостью С должно ограничивать ток, протекающий через конденсатор, причем этот эффект должен быть заметнее при увеличении частоты, так как с увеличением частоты падает емкостное реактивное сопротивление и влияние активного сопротивления на величину тока возрастает (рис. 31).

Величину можно вычислить по формуле:

Увеличение емкости С при заданном r усиливает частотную зависимость.

В обычных конденсаторах сопротивление обкладок и выводов, определяющее величину r, мало, а поэтому снижение емкости C с увеличением частоты f можно заметить лишь в области радиочастот, даже при больших емкостях.

Выражения [88] и [89] являются приближенными, хотя и правильно характеризуют качественный характер частотной зависимости емкости.

Как частотная зависимость диэлектрической проницаемости, так и влияние активного сопротивления вызывают уменьшение емкости от частоты; увеличение емкости может быть обусловлено только влиянием индуктивности.

Как для полярных, так и для неполярных диэлектриков величина диэлектрической проницаемости не зависит от напряженности, а поэтому для большинства типов конденсаторов емкость не должна зависеть от величины приложенного напряжения.

Небольшое увеличение емкости при увеличении напряжения выше напряжения ионизации может наблюдаться для конденсаторов, диэлектрик которого содержит значительное число воздушных включений.

В сегнетокерамических конденсаторах диэлектрик обладает спонтанной поляризацией, для которой характерна зависимость диэлектрической проницаемости от напряжения. Для них емкость сильно зависит от напряжения, что используется для изготовления нелинейных конденсаторов – «варикондов».

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

5.2. Контроль емкости изоляции

Контроль величины емкости изоляции позволяет выявлять слоистое увлажнение изоляции. Емкость идеального конденсатора не зависит от частоты; чем больше диэлектрические потери в реальном конденсаторе или в изоляции, тем сильнее зависит от частоты емкость идеального емкостного элемента в схеме замещения реального конденсатора.

Можно попытаться использовать простую параллельную схему замещения двухслойной изоляции по рис. 5.1а с параллельно соединенными резистивным элементом R П и емкостным элементом C П (рис. 5.1г). При этом, однако, значения параметров схемы замещения оказываются частот-

но-зависимыми; в частности, C П = C Г +

, T = r ∆ C . Вид зависимости

C П ( ω ) показан на рис. 5.3. С ростом степени увлажнения возрастает размах изменения емкости C П ( ω ) с изменением частоты. Использование этой зависимости может служить для обнаружения слоистого увлажнения изоляции.

Рис. 5.3. Зависимость емкости от частоты для двухслойной изоляции

Для оценки состояния изоляции измерения производят на частотах 2

Гц и 50 Гц при неизменной температуре изоляции и затем определяют от-

ношение C 2 , которое и служит показателем качества изоляции. На осно-

вании опыта установлено, что изоляция имеет недопустимое увлажнение,

Для измерения емкостей используются два основных принципа, проиллюстрированные рис. 5.4.

Переключатель в схеме рис. 5.4а периодически подключает испытуемую изоляцию к источнику постоянного напряжения, заряжая емкость изоляции, а затем – к цепи с гальванометром PA, через который емкость изоляции разряжается. Средний ток через гальванометр определяется частотой переключения, I = U C ( ω ) f , так что при измерении на частотах 2 Гц

и 50 Гц отношение емкостей определяется отношением токов:

По такому принципу работают приборы контроля влажности серии ПКВ.

Рис. 5.4. Принципиальное устройство приборов емкостного контроля увлажнения

По схеме рис. 5.4б испытуемая изоляция заряжается от источника постоянного напряжения, а затем на короткое время, примерно на четверть периода частоты 50 Гц, то есть на 5 мс, подключается к образцовому конденсатору C 0 . На образцовый конденсатор переносится заряд, пропорциональный емкости C 50 (примерно соответствующей геометрической емкости C Г рис. 5.1в). Затем изоляция снова заряжается, кратковременно замыкается для разряда геометрической емкости и на время около четверти периода частоты 2 Гц (примерно 130 мс) подключается к образцовому конденсатору для снятия части заряда с абсорбционной емкости ∆ C , что позволяет определить разность С 2 — С 50 . По этой разнице и по значению С 50 определя-

ется отношение емкостей: C 2 = C 2 − C 50 + 1 . Напряжение на эталонном кон-

денсаторе измеряется с помощью электронного вольтметра, имеющего большое входное сопротивление. По этому принципу работают приборы серии ПЕКИ и У-268.

5.3. Хроматографический анализ масла

При возникновении дефектов в маслонаполненной изоляции (масляные трансформаторы, маслонаполненные вводы) происходит изменение физических характеристик и химического состава масла. Распределенные дефекты в такой изоляции могут быть выявлены при проведении общего химического анализа нефтяного масла или при измерении его электрической прочности и тангенса угла диэлектрических потерь.

В последнее время все более широкое распространение находит методика выявления повреждений в силовых трансформаторах по результа-

там анализа растворенных в масле газов . Идея метода основана на пред-

положении о том, что повреждение в трансформаторе сопровождается выделением различных газов, отсутствующих в масле при нормальной работе. Эти газы первоначально растворяются в масле и в газовое реле практически не попадают. Выделив эти газы из масла и проведя их анализ, можно обнаружить повреждения на разной стадии их возникновения.

Отбор масла производится так, чтобы исключить его соприкосновение с окружающей воздушной средой для предотвращения потерь растворенных в масле газов. Масло помещается в замкнутый объем и газ над поверхностью масла подвергается анализу на хроматографе. Оценка состояния маслонаполненного оборудования осуществляется обычно на базе следующих критериев:

• критерий предельных концентраций (водород, метан, этилен, этан, ацетилен, окись и двуокись углерода и др. газы); разложение масла и разложение целлюлозы приводят к превышению концентраций разных газов, частичные разряды приводят к появлению водорода и т.п.;

• критерий скорости нарастания концентраций газов – при ежемесячном контроле;

• критерий отношений концентраций газов – соотношение концентраций позволяет выявлять перегревы и даже температуру перегрева;

• критерий равновесия – сопоставление результатов анализа масла из

газового реле и из пробы.

Хроматографический анализ газов производится на компьютерных комплексах, позволяющих автоматизировать анализ критериев и распознавать появляющиеся дефекты в оборудовании до отказа оборудования.

РЕЗЮМЕ

Измерение сопротивления изоляции позволяет контролировать как сплошное увлажнение изоляции, так и увлажнение только одного из слоев в слоистой изоляции. При измерении сопротивления изоляции принимают во внимание прежде всего абсолютную величину сопротивления R 60 , которая должна быть не меньше нормированного значения, а затем и коэффи-

циент абсорбции. Если обе величины не выходят за пределы нормы, то говорят о том, что увлажнения изоляции не обнаружено; если хотя бы одна из величин неудовлетворительна, то делают вывод о недопустимом увлажнении изоляции.

Контроль величины емкости изоляции позволяет выявлять слоистое увлажнение изоляции.

Для выявления повреждений в силовых трансформаторах используется хроматографический анализ растворенных в масле газов.

Контрольные вопросы

1. Что такое изоляция?

2. Что называют сопротивлением изоляции? Чем отличается это понятие от понятия сопротивления резистора?

3. К каким последствиям приводит увлажнение изоляции?

4. Какова методика контроля изоляции измерением сопротивления?

5. Каким образом производится контроль изоляции измерением ее емкости?

Лекция 6. КОНТРОЛЬ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ И ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ

6.1. Контроль диэлектрических потерь в изоляции

Измерение tg δ считается одним из основных методов контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения, поскольку распределенные дефекты (увлажнение, ионизация газовых включений) в первую очередь вызывают увеличение диэлектрических потерь. При измерениях контролируют абсолютную величину tg δ, изменения tg δ по сравнению с предыдущими измерениями, а в некоторых случаях, например, для изоляции электрических машин, снимают зависимость tg δ(U), иногда и при повышенных напряжениях (до 2 U ном ). Измеренное значение tg δ в сопоставлении с нормативом дает представление о текущем состоянии изоляции, характер изменения tg δ при периодических измерениях позволяет судить об ухудшении свойств изоляции в процессе эксплуатации, а рост tg δ при повышении напряжения свидетельствует о частичных разрядах в изоляции. Измерения tg δ на высоком напряжении проводят измерительными мостами переменного тока, построенными по схеме Шеринга.

Принципиальное устройство четырехплечего высоковольтного уравновешенного измерительного моста переменного тока, выполненного по схеме Шеринга, показано на рис. 6.1.

Как правильно произвести испытание изоляции?

Состояние изоляции электроустановок регулярно контролируют с помощью следующих методов:

Некоторые типы испытаний и измерений допустимо совмещать, что экономит значительную часть времени персонала электротехнической лаборатории.

Сопротивление изоляции

Для определения сопротивления изоляции обмоток трансформатора, используют мегомметр с номинальным напряжением 2500 вольт. Если применяют мегомметр с ручным приводом, тогда необходимо вращать рукоятку с частотой порядка 120 оборотов в минуту. Показания фиксируют по истечении:

• 15 секунд;
• 1 минуты от начала подачи напряжения.

Отношение показаний сопротивления изоляции после 60 секунд к показаниям сопротивления после 15 секунд называют абсорбцией. При производстве измерений в температурном диапазоне от +100С до +300С, коэффициент абсорбции должен составлять не менее 1,3.

Методика измерений предполагает проведение трех типов замеров:

• Изоляцию обмоток ВН измеряют относительно соответствующих обмоток НН, которые подключены на корпус силового трансформатора.
• Изоляцию обмоток НН измеряют относительно соответствующих обмоток ВН, которые закорочены на корпус устройства.
• Изоляцию обмоток ВН и НН, которые соединяют в одну гальваническую цепь и измеряют относительно корпуса.

Производство работ по измерению сопротивления изоляции обмоток силового трансформатора выполняют не менее двух квалифицированных электротехнических работников. Для обеспечения безопасности персонала, провода мегомметра не должны иметь дефектов. Проверку сопротивления изоляции обмоток выполняют практически на всех этапах ремонта или технического обслуживания силовых трансформаторов:

• сушка изоляции;
• приемо-сдаточные испытания;
• составление дефектной ведомости;
• перед опусканием активной части в бак с маслом.

Емкость изоляции

Величина емкости изоляции вводов трансформатора характеризует способность диэлектрика сохранять свои рабочие параметры при изменениях температуры, частоты, времени. При постоянной температуре и частоте, емкость изоляции должна оставаться неизменной. При наличии скачкообразных изменений, можно сделать вывод о наличии дефектов в изоляции, которые выступают в качестве шунта.

Емкостные характеристики изоляции отражают степень влажности, что хорошо видно при диагностике на разных частотах. Емкость увлажненной изоляции, при изменении частоты, меняет свое значение значительно сильней, чем у сухой изоляции. Традиционно принято вести измерения емкости при двух значениях частоты: 50 Гц и 2,0 Гц. На частоте 50 Гц емкость увлажненной и сухой изоляции будет приблизительно равна. Но, при измерении на частоте 2,0 Гц, емкость увлажненной изоляции увеличивается в несколько раз. Это вызвано наличием абсорбционной емкости у влажной изоляции, которая проявляется на низких частотах.

Перед выполнением измерений необходимо тщательно протереть изолирующую поверхность трансформаторных вводов. При производстве работ в условиях повышенной влажности следует использовать экраны. Непосредственно перед измерением емкости, необходимо проверить значение сопротивления изоляции и проводов, которые соединяют трансформаторный ввод и измерительный прибор. Измерение емкости принято выполнять в самом начале ревизии силового трансформатора, в процессе его сушки, в конце ревизии, до погружения ввода в трансформаторное масло.

Тангенс угла диэлектрических потерь

Все диэлектрические материалы по своей природе обладают незначительной проводимостью, которая проявляется на высоких напряжениях. При наличии в изоляции влаги, грязи или воздушных включений, ток проводимости через такой диэлектрик будет значительно выше. Для описания проводящих свойств изоляции принято использовать тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ).

Измерение диэлектрических потерь трансформаторного масла и твердой изоляции электроустановок выполняют с помощью мостов переменного тока. При этом у силовых трансформаторов первого и второго габарита измерение проводят при неудовлетворительном коэффициенте абсорбции. Величина tgδ отменно характеризует наличие в изоляции сторонних включений с отличными от основной изоляции диэлектрическими свойствами. В процессе сравнения значений tgδ для однотипного оборудования, необходимо учитывать температуру и влажность окружающего воздуха.

Испытания повышенным напряжением

Испытание изоляции силовых трансформаторов повышенным напряжением представляет собой одно из обязательных приемо-сдаточных испытаний, которое гарантированно подтвердит безопасность окончательно собранного и готового к эксплуатации трансформатора. Испытанию повышенным напряжением подвергают изоляцию обмоток и трансформаторных вводов. В качестве источника испытательного напряжения используют сторонние устройства. Величина испытательного напряжения регламентируется нормативно-технической документацией, в зависимости от класса напряжения трансформатора и его вида.

Схема испытаний предполагает подачу высокого напряжения в первую очередь на обмотки НН, а затем на обмотки ВН. Трансформаторные вводы соединяют между собой и подключают к испытательному оборудованию. При этом бак и трансформаторные вводы другой обмотки заземляют. Величину испытательного напряжения поднимают до заданного значения очень медленно и плавно. По достижении заданного значения величины напряжения, оборудование выдерживают под ним на протяжении 60 секунд. Во время испытаний допускаются незначительные потрескивания трансформатора и частичные разряды в изоляции. После окончания испытаний считают, что трансформатор выдержал испытания, если не произошло пробоя или скачкообразного изменения тока утечки.

Проверка трансформаторного масла

Лабораторные испытания трансформаторного масла предполагают испытание его электрической прочности и измерении значения тангенса угла диэлектрических потерь. При этом испытание масла на пробой выполняют при выполнении следующих работ:

• перед сливом масла из трансформатора, который поступил на ремонт;
• в процессе сушки или регенерации, для определения количества посторонних включений в нем;
• перед заливкой масла в бак отремонтированного трансформатора;
• после отстоя в процессе приемо-сдаточных испытаний.

Измерение тангенса угла диэлектрических потерь выполняют при плохих результатах испытаний масла на пробой или неудовлетворительных результатах химического анализа.