Гост 26127-84 бумага электроизоляционная. метод определения тангенса угла диэлектрических потерь при частоте 50 гц (с изменением n 1)

Что способствует повышению диэлектрических потерь

Норма диэлектрических потерь прописывается в инструкции к определенному прибору. Есть факторы, вызывающие колебания и отклонения от нормы (обычно это повышение). Различают несколько типов:

• за чет электропроводности сквозного типа;
• ионизирующие;
• резонансные;
• обусловленные поляризацией.

Если частотный и температурный график зависимости понятен интуитивно, то дело обстоит иначе с другими факторами, приводящими к негативному явлению

Обратите внимание, что нагревание трансформаторного масла приводит к более интенсивному смещению, иногда даже смещаются заряды диэлектрика. При стабильных низких показателях температуры вязкость не меняется, следовательно, нет смещения диполей

А вот увеличение частоты обуславливает улучшенную проводимость. Показатели тока емкостного могут смещать диполи, при больших показателях уменьшается трение. Рост угла вызывает и проявление влаги в любом виде (это может быть и газообразное состояние). Приводит к повышению показателя ионизация, при этом увеличивается рост напряжения.

Как определить тангенс угла диэлектрических потерь

В силовых трансформаторах тангенс угла рассчитывается как диэлектрик конденсатора. Берется в расчет угол, который дополняет до прямого, основной угол между сдвигами фаз тока и напряжения.

Для измерения принимают, что конденсатор относится к идеальному типу. Он может быть включен последовательным образом, то есть в последовательно включенным сопротивлением активной нагрузки, или по параллельной схеме. Для первой мощность составит Р=(U2ωtgδ)/(1+tg2δ), а для второй — Р=U2ωtgδ. Угол по этим расчетам вычислить несложно, зная емкость конденсатора и показатели сопротивления. Обычно значение его не превышает десятых или сотых долей единицы, определяется в графиках процентами. При этом увеличиваются, если увеличивается напряжение и частота работы. Для снижения коэффициента используются изоляционные материалы.

Факторы, которые увеличивают тангенс угла диэлектрических потерь

Специалисты выделяют несколько факторов, которые приводят к увеличению тангенса. На первый взгляд они кажутся несущественными, но в итоге обуславливают эффективность работы трансформатора.

Наличие мыла в маслах

Мыло в маслах, которые используются для смазки обмоток трансформатора, приводят к изменению численного показателя. Это объясняется тем, что мыло провоцирует дополнительное увлажнение, приводящие к снижению удельного сопротивления. Нюансы увеличивают проводимость, что влияет на рост тангенса.

Образования кислых продуктов старения

Кислотные продукты старения вызывают порчу вторичной и первичной обмотки. В свою очередь уменьшается проводимость, образуются дополнения на кристаллических решетках. Изменение в худшую сторону физико-технических характеристик диэлектрика приводит у увеличению потерь.

Одной из важнейших задач при использовании транспорта является уменьшение угла. Это позволит оптимизировать работы и избежать траты энергии в холостую.

Виды диэлектрических потерь

Потери 
на электропроводность

     Протекание 
сквозного тока через диэлектрик,
как в постоянном, так и в 
переменном электрическом поле приводит
к диэлектрическим потерям на
электропроводность. Потери сквозной
электропроводности будут единственным
видом потерь в однородном неполярном
диэлектрике, для которого можно использовать
простейшую параллельную схему замещения.
Для такой схемы замещения по определению

tgδ=Ia/Ic=U/R

1/U_wC=1/R_wC,

т.е. tgδ
будет обратно пропорционален частоте.
Потери на электропроводность будут наблюдаться
также и в полярных диэлектриках. Так как
tgδ диэлектриков пропорционален активной
проводимости tgδ = γ_a/ γ_c, то
ясно, что tgδ будет следовать за изменением
γ_a, которая увеличивается экспоненциально
с увеличением температуры.

     Для
ионных кристаллов можно получить другое
выражение для tgδ:

tgδ=(1.8∙1010∙γ_o/
f) e∙W_a/kT .

Видим,
что в последнем выражении 
предъэкспоненциальный множитель tgδ
зависит обратно пропорционально от частоты
поля и диэлектрической проницаемости
материала.

     Значения
tgδ неполярных полимеров (полиэтилена,
политетрафторэтилена) ничтожно малы
и лежат в диапазоне (2_-5) 10_-4.
На высоких частотах tgδ, обусловленный
сквозным током, менее 10_-4. Следует
иметь в виду, что tgδ конденсатора с неполярным
диэлектриком с ростом частоты уменьшается
не беспредельно, а начиная с некоторой
частоты начинает линейно возрастать
в соответствии с выражением, полученным
из последовательной схемы замещения

tgδ_м=
r∙ω∙C_s,

где r, C_s
— сопротивление обкладок и емкость последовательной
схемы замещения конденсатора Рост составляющей
tgδ_м обусловлен увеличением с ростом
частоты потерь в металлических (проводящих)
частях. Следовательно, на общей зависимости
tgδ конденсатора с диэлектриком от частоты
при некотором значении частоты должен
иметь место минимум. В случае конденсатора
с полярным диэлектриком, начиная с некоторой
частоты, потери в обкладках также будут
возрастать линейно

Электрическая проницаемость

Электрическая проницаемость является величиной, характеризующей емкость диэлектрика, помещенного между обкладками конденсатора. Как известно, емкость плоского конденсатора зависит от величины площади обкладок (чем больше площадь обкладок, тем больше емкость), расстояния между обкладками или толщины диэлектрика (чем толще диэлектрик, тем меньше емкость), а также от материала диэлектрика, характеристикой которого служит электрическая проницаемость.

Численно электрическая проницаемость равна отношению емкости конденсатора с каким-либо диэлектриком такого же воздушного конденсатора. Для создания компактных конденсаторов необходимо применять диэлектрики с высокой электрической проницаемостью. Электрическая проницаемость большинства диэлектриков составляет несколько единиц.

В технике получены диэлектрики с высокой и со сверхвысокой электрической проницаемостью. Основная их часть – рутил (двуокись титана).

Рисунок 1. Электрическая проницаемость среды

Диэлектрические потери

Природа всех веществ такова, что при определённых условиях все они, так или иначе, взаимодействуют с электрическим полем.

Вещества, с содержанием свободных положительных и отрицательных зарядов в одном кубическом сантиметре менее 100 000 000 относятся к диэлектрикам. Из таких веществ изготовлены изоляционные материалы.

Поэтому их взаимодействие с электрическим полем количественно оценивается в тех или иных целях.

Электрическое поле вызывает объёмный нагрев диэлектрика. При этом существует определённая величина электрической мощности, которая именуется как диэлектрические потери.

Они возникают независимо от того, какой знак у зарядов, определяющих существование этого поля, и меняется ли этот знак во времени, так или иначе.

Поскольку в веществе присутствуют заряды, несмотря на их малое количество в нём возникают токи утечки, пронизывающие данный объём вещества.

Если заряды, определяющие электрическое поле стабильны, оно вызывает электрический ток в помещённом в него образце диэлектрика. Величина этого тока зависит от оказываемого диэлектриком сопротивления.

Его называют сопротивлением изоляции R(из). Но известно, что если металлический стержень гнуть в одном месте туда – сюда он сломается рано или поздно.

Похожим образом на диэлектрик воздействует и переменное электрическое поле, нарушающее его структуру.

В результате электрический ток через диэлектрик увеличивается. Поэтому необходима количественная оценка тока в диэлектрике, как при постоянном, так и при переменном напряжении, приложенном к нему.

Если его дополнять до 90° некоторым углом δ получаются такие значения этого угла, при которых tgδ отличен от нуля.

Как количественно оцениваются диэлектрические потери?

Если бы диэлектрик являлся идеальной ёмкостью, сдвиг по фазе между напряжением и током был бы равен 90°, а угол δ при этом равнялся нулю. Но поскольку в нем есть потери, величина угла δ получается больше нуля. Он называется как «угол диэлектрических потерь», а tgδ — как «тангенс угла диэлектрических потерь». tgδ даёт количественную оценку потерь.

Очевидно, что эти потери зависят от частоты. А он сам при этом может рассматриваться, как реальный конденсатор, в виде одной из двух электрических цепей:

Выбор схемы делается исходя из того, какой именно ток является преобладающим для данного диэлектрика. Если это ток утечки, выбирается схема а). В этом случае потери определяются как мощность Р(а)=UU/R. Если на величину тока в основном влияет ёмкость, выбирается схема б). Потери для неё вычисляются как .

Кроме угла и тангенса потерь на практике используется величина удельных диэлектрических потерь:

Из приведенных формул, очевидно, что свойства диэлектрика наиболее актуальны при больших значениях величины и частоты напряжения. Следовательно, применяемые в таких условиях изделия должны быть изготовлены из материалов с минимальным значением tgδ.

Иначе будет происходить дополнительный нагрев и ускоренное разрушение материалов – диэлектриков входящих в конструкцию высоковольтного изделия.

А в электронике будет ухудшаться селективность устройств с колебательными контурами из-за уменьшения их добротности.

Приборы для измерения

Диэлектрические материалы, входящие в конструкцию тех или иных изделий в реальных условиях эксплуатации подвержены воздействию условий окружающей среды. Поэтому в них появляются включения жидкостей или газов. И при увеличении напряжения начинают возникать дополнительные потери. Но этот процесс длится до начала процессов ионизации, которому соответствует напряжение U1:

Измерение значений tgδ делается в диапазоне температур от 10 до 20 градусов по Цельсию, поскольку этот диапазон обеспечивает минимальные изменения потерь. Измерителями для изоляции кабелей служат, например, серийно выпускаемые приборы Р5026 и Р525. Пример схемы, используемой в одном из них, показан на изображении ниже:

На мост подаётся напряжение от 3 до 10 киловольт. Регулировки моста выполняются либо дистанционно, используя изолирующие штанги, либо применяя специальное экранирование измерительных элементов и оператора.

Для трансформаторного масла применяются другие специализированные приборы, например, как на изображении ниже:

Своевременный контроль изоляции позволяет существенно уменьшить аварии связанные с пробоем её высоким напряжением, например при ударе молнии. А качественная изоляция кабелей ввиду их значительной протяжённости заметно уменьшает потери при электроснабжении гражданских и промышленных объектов.

Ссылки по теме

• Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей
  / Нормативный документ от 9 февраля 2007 г. в 02:14
• Библия электрика
  / Нормативный документ от 14 января 2014 г. в 12:32
• Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ и 110-1150 кВ. Том 10 
  / Нормативный документ от 2 марта 2009 г. в 18:12
• Кабышев А.В., Тарасов Е.В. Низковольтные автоматические выключатели
  / Нормативный документ от 1 октября 2019 г. в 09:22
• Правила устройства воздушных линий электропередачи напряжением до 1 кВ с самонесущими изолированными проводами
  / Нормативный документ от 30 апреля 2008 г. в 15:00
• Маньков В.Д. Заграничный С.Ф. Защитное заземление и зануление электроустановок
  / Нормативный документ от 27 марта 2020 г. в 09:05
• Князевский Б.А. Трунковский Л.Е. Монтаж и эксплуатация промышленных электроустановок
  / Нормативный документ от 17 октября 2019 г. в 12:36

Химические свойства диэлектриков.

      Знание 
химических свойств диэлектриков важно 
для оценки надежности их в эксплуатации
и для разработки технологии.       При
длительной работе диэлектрики не должны
разрушаться с выделением побочных продуктов
и не вызывать коррозии соприкасающимися
с ними металлов; не реагировать с различными
веществами (например, газами, водой, кислотами,
щелочами, растворами солей и т.п.)

Стойкость
к действию всех этих веществ у различных
диэлектриков весьма разнообразна

      При
длительной работе диэлектрики не должны
разрушаться с выделением побочных продуктов
и не вызывать коррозии соприкасающимися
с ними металлов; не реагировать с различными
веществами (например, газами, водой, кислотами,
щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость
к действию всех этих веществ у различных
диэлектриков весьма разнообразна.

         Материалы  в производстве
деталей могут обрабатываться различными
химико-технологическими : склеиваться,
растворяться в растворителях с образованием
лаков и т.д. Растворимость твердых материалов
может быть оценена количеством материала,
преходящим в раствор за единицу времени
с единицы поверхности материала, соприкасающейся
с растворителем. Кроме того, нередко оценивают
растворимость по тому наибольшему количеству
вещества, которое может быть растворено
в данном растворе (т.е. по концентрации
насыщенного раствора). Легче всего растворяются
вещества близкие к растворителю по химической
природе и содержащие в молекулах похожие
группировки атомов: дипольные вещества
легче растворяются в дипольных жидкостях,
нейтральные в нейтральных. Так, неполярные
или слабополярные углеводороды (парафин,
каучук) легко растворяются в жидких углеводородах,
например, в бензине; полярные смолы, содержащие
гидроксильные группировки (фенолформальдегидные
и другие смолы), растворяются в спирте
и иных полярных растворителях. Растворимость
уменьшается с повышением степени полимеризации,
высокомолекулярные вещества с линейной
структурой молекул растворяются сравнительно
легко, а с пространственной структурой
— весьма трудно. При повышении температуры
растворимость обычно увеличивается.

Пробой 
диэлектриков.

     Пробой
– потеря электрической прочности под
действием напряжённости электрического
поля – может иметь место как в образцах
различных диэлектриков и систем изоляции,
так и в электроизоляционных системах
любого электротехнического устройства
– от мощных генераторов и высоковольтных
трансформаторов до любого бытового прибора.
Сочетание в системах изоляции материалов,
разных по электрической прочности, может
приводить к серьёзным осложнениям в эксплуатации
самых разнообразных электротехнических
устройств, особенно высокого напряжения,
где изоляция работает в сильных электрических
полях и может возникнуть её пробой.

     Причины
пробоя бывают различными; не существует
по этому единой универсальной теории
пробоя. В любой изоляции пробой
приводит к образованию в ней
канала повышенной проводимости, достаточно
высокой, чтобы произошло короткое замыкание
в данном электротехническом устройстве,
создающее аварийную ситуацию, по существу
выводящую это устройство из строя. Однако
в этом отношении пробой может проявлять
себя в разных системах изоляции по –
разному. В твёрдой изоляции, как правило,
канал пробоя сохраняет высокую проводимость
после выключения, приведшего к пробою
напряжения, явление протекает необратимо.
В жидких и газообразных диэлектриках
вследствие высокой подвижности их частиц
электрическое сопротивление канала пробоя
восстанавливается вызвавшего его напряжения
практически мгновенно.