Tangente di perdita dielettrica, misurazione dell'indice di perdita dielettrica

La perdita dielettrica è l'energia dissipata in un materiale isolante sotto l'influenza di un campo elettrico su di esso.

La capacità di un dielettrico di dissipare energia in un campo elettrico è solitamente caratterizzata da un angolo di perdite dielettriche e da una tangente di un angolo perdita dielettrica... Nel test, il dielettrico è considerato il dielettrico di un condensatore, il capacità e angolo di cui sono misurati. δ, completando l'angolo di fase tra corrente e tensione nel circuito capacitivo a 90 °. Questo angolo è chiamato angolo di perdita dielettrica.

Con una tensione alternata, una corrente scorre nell'isolamento, che è in fase con la tensione applicata ad un angolo ϕ (Fig. 1), inferiore a 90 gradi. e-mail con un piccolo angolo δ, a causa della presenza di resistenza attiva.

Riso. 1.Diagramma vettoriale delle correnti attraverso un dielettrico con perdite: U — tensione sul dielettrico; I è la corrente totale attraverso il dielettrico; Ia, Ic - componenti attivi e capacitivi della corrente totale, rispettivamente; ϕ è l'angolo di sfasamento tra la tensione applicata e la corrente totale; δ è l'angolo tra la corrente totale e la sua componente capacitiva

Il rapporto tra la componente attiva della corrente Ia e la componente capacitiva Ic è chiamato tangente dell'angolo di perdita dielettrica ed è espresso in percentuale:

In un dielettrico ideale senza perdite, l'angolo δ = 0 e, di conseguenza, tan δ = 0. La bagnatura e altri difetti di isolamento provocano un aumento della componente attiva della corrente di perdita dielettrica e tgδ. Poiché in questo caso il componente attivo cresce molto più velocemente di quello capacitivo, l'indicatore tan δ riflette il cambiamento nello stato di isolamento e le perdite in esso. Con una piccola quantità di isolamento, è possibile rilevare difetti locali e concentrati sviluppati.

Misura della tangente di perdita dielettrica

Per misurare la capacità e l'angolo di perdita dielettrica (o tgδ), il circuito equivalente di un condensatore è rappresentato come un condensatore ideale con una resistenza attiva collegata in serie (circuito in serie) o come un condensatore ideale con una resistenza attiva collegata in parallelo (circuito in parallelo ).

Per un circuito in serie, la potenza attiva è:

P = (U2ωtgδ)/(1 + tg2δ), tgδ = ωCR

Per un circuito parallelo:

P = U2ωtgδ, tgδ = 1 /(ωСR)

dove B. — capacità di un condensatore ideale; R — resistenza attiva.

L'angolo di rilevamento delle perdite dielettriche solitamente non supera i centesimi o i decimi di unità (quindi angolo delle perdite dielettriche solitamente espresso in percentuale), quindi 1 + tg2δ≈ 1, e perdite per circuiti equivalenti in serie e in parallelo P = U2ωtgδ, tgδ = 1 / (ωCR)

Il valore delle perdite è proporzionale al quadrato della tensione e della frequenza applicate al dielettrico, di cui si deve tenere conto nella scelta dei materiali isolanti elettrici per apparecchiature ad alta tensione e alta frequenza.

Con un aumento della tensione applicata al dielettrico a un certo valore UО, inizia la ionizzazione delle inclusioni gassose e liquide presenti nel dielettrico, mentre δ inizia ad aumentare bruscamente a causa di ulteriori perdite causate dalla ionizzazione. In U1, il gas viene ionizzato e ridotto (Fig. 2).

Riso. 2. Curva di ionizzazione tgδ = f (U)

Tangente di perdita dielettrica media misurata a tensioni inferiori a UО (tipicamente 3 — 10 kV) La tensione è scelta per facilitare il dispositivo di prova pur mantenendo una sufficiente sensibilità dello strumento.

Ovvero la tangente delle perdite dielettriche (tgδ) normalizzate per una temperatura di 20°C, pertanto la misura va effettuata a temperature prossime a quelle normalizzate (10 — 20 ОС). In questo intervallo di temperatura, la variazione delle perdite dielettriche è ridotta e, per alcuni tipi di isolamento, il valore misurato può essere confrontato senza ricalcolo con il valore normalizzato per 20 ° C.

Per eliminare l'influenza delle correnti di dispersione e dei campi elettrostatici esterni sui risultati della misurazione dell'oggetto di prova e attorno al circuito di misurazione, sono installati dispositivi di protezione sotto forma di anelli e schermi protettivi.La presenza di schermi collegati a terra provoca capacità parassite; per compensare la loro influenza, viene solitamente utilizzato il metodo di protezione: tensione regolabile in valore e fase.

Sono i più comuni circuiti di misura a ponte tangente capacitiva e perdite dielettriche.

I difetti locali causati da ponti conduttivi vengono rilevati meglio misurando la resistenza di isolamento DC. La misurazione del tan δ viene eseguita con ponti CA di tipo MD-16, P5026 (P5026M) o P595, che sono essenzialmente misuratori di capacità (ponte Schering). Un diagramma schematico del ponte è mostrato in Fig. 3.

In questo schema, vengono determinati i parametri della struttura di isolamento corrispondente al circuito equivalente con una connessione in serie di un condensatore senza perdite C e un resistore R, per cui tan δ = ωRC, dove ω è la frequenza angolare della rete.

Il processo di misurazione consiste nel bilanciare (bilanciare) il circuito del ponte regolando successivamente la resistenza del resistore e la capacità della scatola del condensatore. Quando il ponte è in equilibrio, come indicato dal misuratore P, l'uguaglianza è soddisfatta. Se il valore della capacità C è espresso in microfarad, allora alla frequenza industriale della rete f = 50 Hz avremo ω = 2πf = 100π e quindi tan δ% = 0.01πRC.

Un diagramma schematico del ponte P525 è mostrato in Fig. 3.

Riso. 3. Schema schematico del ponte di misurazione CA P525

La misurazione è possibile per tensioni fino a 1 kV e superiori a 1 kV (3-10 kV), a seconda della classe di isolamento e della capacità del sito. Un trasformatore di misurazione della tensione può fungere da fonte di alimentazione. Il ponte viene utilizzato con un condensatore ad aria esterno C0.Un diagramma schematico dell'inclusione dell'apparecchiatura durante la misurazione dell'abbronzatura δ è mostrato in Fig. 4.

Riso. 4. Schema di collegamento del trasformatore di prova durante la misurazione della tangente dell'angolo delle perdite dielettriche: S - interruttore; TAB - regolazione dell'autotrasformatore; SAC — Interruttore di polarità per trasformatore di prova T

Vengono utilizzati due circuiti di commutazione a ponte: il cosiddetto normale o rettilineo, in cui l'elemento di misura P è collegato tra uno degli elettrodi della struttura isolante testata e la terra, e invertito, dove è collegato tra l'elettrodo della struttura isolante testata oggetto e il terminale ad alta tensione del ponte. Il circuito normale viene utilizzato quando entrambi gli elettrodi sono isolati da terra, invertiti - quando uno degli elettrodi è saldamente collegato a terra.

Va ricordato che in quest'ultimo caso i singoli elementi del ponte saranno in piena tensione di prova. La misurazione è possibile a tensioni fino a 1 kV e superiori a 1 kV (3-10 kV), a seconda della classe di isolamento e della capacità del sito. Un trasformatore di misurazione della tensione può fungere da fonte di alimentazione.

Il ponte viene utilizzato con un condensatore ad aria di riferimento esterno. Il ponte e l'attrezzatura necessaria sono posizionati nelle immediate vicinanze del sito di prova e viene installata una recinzione. Il filo che porta dal trasformatore di prova T al condensatore modello C, così come i cavi di collegamento del ponte P, che sono in tensione, devono essere staccati dagli oggetti messi a terra di almeno 100-150 mm.Il trasformatore T e il suo il dispositivo di regolazione TAB (LATR) deve trovarsi ad una distanza di almeno 0,5 m dal ponte.Gli alloggiamenti del ponte, del trasformatore e del regolatore, nonché un terminale dell'avvolgimento secondario del trasformatore, devono essere collegati a terra.

L'indicatore tan δ viene spesso misurato nell'area operativa del quadro e poiché esiste sempre un collegamento capacitivo tra l'oggetto in prova e gli elementi del quadro, la corrente di influenza scorre attraverso l'oggetto in prova. Questa corrente, che dipende dalla tensione e dalla fase della tensione d'influenza e dalla capacità totale della connessione, può portare a una valutazione errata dello stato di isolamento, specialmente su oggetti con una piccola capacità, in particolare passanti (fino a 1000-2000 pF).

Il bilanciamento del ponte viene effettuato regolando ripetutamente gli elementi del circuito del ponte e la tensione di protezione, per cui l'indicatore di bilanciamento è incluso nella diagonale o tra lo schermo e la diagonale. Il ponte è considerato equilibrato se non vi è corrente attraverso di esso con l'inclusione simultanea dell'indicatore di equilibrio.

Al momento del bilanciamento del ponte

Gde f è la frequenza della corrente alternata che alimenta il circuito

° Cx = (R4 / Rx) Co

La resistenza costante R4 è scelta pari a 104/π Ω In questo caso tgδ = C4, dove la capacità C4 è espressa in microfarad.

Se la misura è stata effettuata con una frequenza f' diversa da 50Hz, allora tgδ = (f'/50) C4

Quando la misura della tangente di perdita dielettrica viene eseguita su piccole sezioni di cavo o campioni di materiali isolanti; a causa della loro bassa capacità, sono necessari amplificatori elettronici (ad esempio, del tipo F-50-1 con un guadagno di circa 60).Si noti che il ponte tiene conto della perdita nel filo che collega il ponte all'oggetto di prova e il valore misurato della tangente di perdita dielettrica sarà più valido a 2πfRzCx, dove Rz — resistenza del filo.

Quando si misura secondo uno schema a ponte invertito, gli elementi regolabili del circuito di misura sono sotto alta tensione, pertanto la regolazione degli elementi del ponte viene eseguita a distanza mediante aste isolanti oppure l'operatore viene posizionato in uno schermo comune con misurazione elementi.

La tangente dell'angolo di perdita dielettrica di trasformatori e macchine elettriche viene misurata tra ciascun avvolgimento e l'alloggiamento con avvolgimenti liberi messi a terra.

Effetti del campo elettrico

Distinguere tra effetti elettrostatici ed elettromagnetici di un campo elettrico. Le influenze elettromagnetiche sono escluse dalla schermatura completa. Gli elementi di misura sono collocati in un alloggiamento metallico (ad es. ponticelli P5026 e P595). Le influenze elettrostatiche sono create da parti in tensione di quadri e linee elettriche. Il vettore della tensione di influenza può occupare qualsiasi posizione rispetto al vettore della tensione di prova.

Esistono diversi modi per ridurre l'influenza dei campi elettrostatici sui risultati delle misurazioni dell'abbronzatura δ:

• disinserimento della tensione che genera il campo di influenza. Questo metodo è il più efficace, ma non sempre applicabile in termini di fornitura di energia ai consumatori;

• ritirare l'oggetto di prova dall'area di influenza. L'obiettivo è raggiunto, ma il trasporto dell'oggetto è indesiderabile e non sempre possibile;

• misurare una frequenza diversa da 50 Hz. È usato raramente perché richiede attrezzature speciali;

• metodi computazionali per l'esclusione degli errori;

• un metodo di compensazione delle influenze, in cui si ottiene un allineamento dei vettori della tensione di prova e dell'EMF del campo interessato.

A tale scopo, nel circuito di regolazione della tensione è incluso uno sfasatore e, quando l'oggetto in prova viene spento, si ottiene l'equilibrio del ponte. In assenza di un regolatore di fase, una misura efficace può essere quella di alimentare il ponte da questa tensione del sistema trifase (tenendo conto della polarità), nel qual caso il risultato della misurazione sarà minimo. Spesso è sufficiente eseguire la misura quattro volte con polarità diverse della tensione di prova e un galvanometro a ponte collegato; Sono utilizzati sia in modo indipendente che per migliorare i risultati ottenuti con altri metodi.