Почему емкость изоляции зависит от частоты
Перейти к содержимому

Почему емкость изоляции зависит от частоты

  • автор:

Частотная характеристика емкости и угла диэлектрических потерь изоляции кабелей ГРШС Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Галеев И. Г.

Оптимизация габаритно-стоимостных параметров кабельных линий, прокладываемых по кабельным конструкциям

Оптимизация габаритно-стоимостных параметров электропроводок в стальных и пластмассовых трубах
Некоторые пути увеличения долговечности и безопасности эксплуатации кабелей ручных электросверл
Исследование электрической сети освещения в подземных горных выработках
Способ трассировки кабельной продукции на карьерных экскаваторах
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Частотная характеристика емкости и угла диэлектрических потерь изоляции кабелей ГРШС»

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 97 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1959 г.

ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЕМКОСТИ И УГЛА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ИЗОЛЯЦИИ КАБЕЛЕЙ ГРШС

(Представлено научным семинаром электромеханического факультета)

Гибкие кабели марки ГРШС, служат для питания электродвигателя передвижных горных машин током промышленной частоты. Одновременно с этим по специальным жилам может осуществляться дистанционное управление и защитное заземление.

В последнее время гибкие кабели стали применять для передачи токов высокой частоты. Так, например, при дистанционном управлении горным комбайном с помощью взрывобезопасного магнитного пускателя ПМВ —1358 предлагалось по этому же кабелю организовать телефонную связь машиниста с погрузочным пунктом [1]. Дистанционное управление забойными механизмами предлагается производить по силовым жилам гибкого кабеля с помощью токов высокой частоты |2; 3].

Кабели, предназначенные для передачи токов высокой частоты, характеризуются активным сопротивлением, индуктивностью, емкостью, а также проводимостью изоляции.

Возможность передачи по кабелю высокочастотного сигнала без искажений и при допустимых затуханиях определяется частотной характеристикой первичных параметров кабеля. Эти параметры определяются конструкцией кабеля, материалами, из которого он изготовлен, и частотой тока.

Кабели ГРШС не предназначались для передачи токов высокой частоты, а поэтому в литературе отсутствуют данные, характеризующие первичные параметры этих кабелей.

Для расчета рабочей емкости кабеля в технике связи применяют формулу, предложенную В. И. Кулешовым [4],

еде С — рабочая емкость пары жил кабеля, ф\км\ а—расстояние между центрами жил, мм; ^—диаметр жилы, мм; л— коэффициент спиральности; &—диэлектрическая проницаемость;

4/—поправочный коэффициент^ характеризующий удаление жил от заземленной оболочки (при значительном удалении Ф —1).

Выведена эта формула с помощью потенциальных коэффициентов для симметричного четырехжильного кабеля с заземленной свинцовой оболочкой без учета эффекта близости.

В этом случае расчетная схема имеет вид, представленный на рис. 1. Так как жилы кабеля связи расположены симметрично относительно заземленной оболочки и друг друга, то частичные емкости,

С10 — С Л Л — Се>1 — Со

что значительно упрощает расчет.

Конструкция кабелей ГРШС представлена на рис. 2, а размеры различных марок приведены в табл. 1. Как видно из рис. 2, жилы

Рис. 1. Схема частичных емкостей внутри четверки.

Рис. 2. Конструкция четырехжиль-ных кабелей марки ГРШС (М1:1 кабель ГРШС 3×50+1×10). 1— заземляющая жила; 2—шланг; 3 —изоляция жил из прорезиненной пряжи в один слой; 4—изоляция жил из резины; 5—токоведушая сила; 6— резиновый сердечник.

кабеля относительно земли, заземляющей жилы и друг друга, распо-

ложены не симмметрично, а вид, представленный на рис.

поэтому расчетная схема будет иметь 3. В этом случае

Как видно из рис. 2 и 3, кабели ГРШС по конструкции отличаются от кабелей связи, поэтому формула (1) не может быть использована для определения рабочей емкости кабелей ГРШС. Это подтверждается проведенными экспериментами.

Число частичных емкостей может быть определено из следующего выражения

где п число жил в кабеле. . Частичные емкости жил кабеля относительно земли по сравнению с частичными емкостями между жилами имеют незначительную величину. Поэтому при расчете рабочей емкости кабеля частичными

Рис. 3. Схема частичных емкостей четырехжильиых кабелей ГРШС.

Конструктивные размеры кабелей ГРШС и ГРШСН

Число жил и их номинальное сечение Конструкция жил Изоляционная резина ТС -30 или ‘ ТСШ—30 Обмотка жил прорезиненной тканевой лентой Скрутка жил Шланговая резина ШС—40, радиальная толщина Наружный диаметр кабеля Расстояния между центрами различных жил согласно рис. 2 а ~d

1 медная проволока диаметр 1 № сердечника диаметр

j число | диаметр радиальная толщина диаметр ради-альн. толщина диаметр а b h Н

3X70+1X10 189 49 0,68 0,52 12,55 4,68 1,6 1,2 ! 15,8 7,1 0,3 0,3 16,4 7,7 | 5 39,4 5,0 49,4 18,7 22,25 14,0 23,6 1,49

ЗХ50 + 1ХЮ 133 49 0,68 0,52 10,2 0,58 1,6 1,2 13,4 7,1 0,3 0,3 ! 14,0 7,7 ! 1 34,6 5,0 44,6 16,5 19,5 13,0 22,1 1,61

3X35+1X10 133 49 0,58 0,52 8,7 4,68 1,4 1,2 11,5 7,1 0,3 0,3 12,1 7,7 4 4 30,8 5,0 4,5 40,8 14,0 18,3 12,2 18,5 1,61

3×25+1×10 • 133 49 0,49 0,52 7,35 4,68 1,4 1,2 10,2 7,1 0,3 0,3 10,8 7,7 28,2 37,2 13,5 17,5 12,2 18,0 1,84

3X16+1X10 84 49 0,49 0,52 6,1 4,68 1,2 1,2 8,5 7,1 0,3 0,3 9,1 7,7 3 24,8 4,5 33,8 11,0 15,6 10,5 15,0 1,80

3×10+1×6 49 49 0,52 0,39 4,68 3,51 1,2 1,0 7,1 5,5 0,3 7,7 3 22,0 4,5 31,0 10,25 9,0 14.3 12.4 10,25 14,25 2,19

3X6+1X4 49 49 0,39 0,32 3,51 I 1,0 2,88 j 1,0 1 5,5 4,9 — 2 17,9 3,5 24,9 8,5 12,2 2,56

3X4+1X2,5 49 49 1 0,32 | 2,88 0,26 j 2,34 1,0 1,0 4,9 j 4,3 ! = — 1 14,8 3,5 21,8 7,0 10,0 7,0 ! 10,0 I 2,43

емкостями жил относительно земли можно пренебречь. В таком случае схему, представленную на рис. 3, можно преобразовать в схему, показанную на рис. 4, и, если учитывать, что

то рабочая емкость между жилами А и В может быть выражена через частичные емкости следующим образом:

Данной формуле соответствует эквивалентная схема частичных емкостей, изображенная на рис. 5, т. е. рабочая емкость кабеля для жил А и В не зависит от частичной емкости С34. Объясняется это равенством частичных емкостей С13 = С23 и С14~С24, т. е. симметричностью кабеля относительно „поперечной оси 3—4\ в силу чего потенциалы точек 3—4 будут одинаковыми.

Рис. 4. Преобразованная схема частичных емкостей четырехжильных кабелей ГРШС.

Рис. 5. Схема частичных емкостей. отвечающая формуле 3.

Таким же путем может быть получено выражение для определения рабочей емкости кабеля относительно жил АС или ВС

(2С1а С14)(С13 + СВ4)

Расчетная формула, выведенная из выражений (3), (4), является очень сложной и мало пригодной для практического пользования поэтому предлагается расчеты рабочей емкости кабелей ГРШС производить по формуле (5), которая дает точность в пределах допусков по изготовлению кабелей 10 Ч

где г — диэлектрическая проницаемость изоляции кабеля; А—расстояние между центрами жил, мм\ й— диаметр рабочей жилы кабеля, мм;

к—-коэффициент, учитывающий влияние заземляющей, третьей ра бочей жил и спиральность жил кабеля.

Т а б л и ц а 2

Изменение диэлектрической проницаемости различных жил кабелей ГРШС от

изменения частоты тока

Диэлектрическая проницаемость изоляции различных жил кабелей ГРШС

Частота 3 70+Г Ю 3×50 -И .10 3×35+ 1 10 3X25- : 1 Ю 3X16 НХ10 3 10 1 1X6 Зхб- 1X4 3X4+1X2,5 Средние значения

в гц ж и л ы к а б е л я

АВ ЛС АВ | АС АВ АС АВ АС АВ АС АВ АС АВ 1 | АС АВ ‘ АС АЗ !Л-С

50 4,55 5,13 4,39 1 4,86 4,88 4,53 5,06 5,39 4,80 4,86 ______ 1 5,47 5,29 : 5,07 5,05 4,40 4,56 4,80 4,96

100 4,47 4,87 4,30 4,73 4,68 4,39 4,92 5,24 4,63 4,67 5,32 5,13 4,72 4,72 4,24 ! 4,27 4,70 4.75

200 4, 32. 4,69 4,16 4,60 4,33 4,30 ; 4,59 4,91 1 4,34 1,5:) 4,97 4,86 4,53 4 ,53 3,93 4,08 4,35 4,43

5(0 4,18 4,50 3,95 4,41 4,15 4,10 4,33 4,38 4,12 1 4,18 4,62 4,50 4,21 ; 4,20 3,59 3,67 4,10 4,26

1000 4,03 4,36 3,81 4,21 3,96 3,95 4,18 4,16 3,97 | 4,02 I 4,44 4,36 3,95 3,96 3,40 3,55 3,94 4,07

5000 3,69 4,15 3,57 ; 3,89 3,69 3,69 3,79 3,87 3,67 3,65 4,03 4,06 ¡3,70 1 3,69 3,05 3,24 : 3,62 1 3,78

10000 3,69 , 4,12 3,51 3,87 3,65 3,61 3,68 3,80 3,64 ! 3,58 4,00 ! 4,03 : 3,67 3,66. 2,99 3,17 3,56 3,73

15000 3,69 4,12 3,51 3,87 3,62 3,61 3,68 3,80 3,62 ! 3,58 3,97 4,00 ! 3,63 3,63 2,95 3,15 | 3,54 3,72

20000 3,69 4,12 3,51 | 3,87 3,60 3,61 3,68 3,80 3,62 3,58 | 3,97 4,00 3,63 3,63 2,95 3,15 3,54 3,72

21000 3,69 4,12 3,51 3,87 3,60 3.61 3,68 3,80 3,62 3,58 3,97 4,00 1 3,63 1 3,63 1 1 2,95 1 3,15 1 3,54 3,72

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Значения диэлектрической проницаемости для различных кабелей ГРШС при частотах от 50+21000 гц приведены в табл. 2. Данные, приведенные в этой таблице, получены измерением рабочих емкостей кабелей ГРШС и расчета диэлектрической постоянной по формулам.

Расстояния между жилами принимаются из табл. 1. Согласно рис. 2 А = а или А — Ь в зависимости от того, между какими жилами определяется рабочая емкость.

Значения к для различных марок кабелей приведены в табл. 3.

Значение коэффициента к для различных кабелей ГРШС

3X70 1ХЮ ЗХ50+1ХЮ 3X35 г 1X10 3×25+1 X Ю 3X16 + 1X10 3X10+1X6 3×6+1×4 3X4 1X2,5

Среднее для всех

С целью проверки полученных формул, были проведены измерения рабочих емкостей кабелей марки ГРШС.

Измерение рабочей емкости производилось на испытательной станции Томского кабельного завода по следующей методике. Рабочая емкость кабеля измерялась с помощью моста Шеринга на частоте 800 2ц на строительной длине кабеля.

В дальнейшем на образцах кабеля в лаборатории кафедры кабельной и изоляционной техники ТПИ было проведено снятие частотной характеристики рабочей емкости с помощью моста МЛЕ—1. Причем к испытанию для снятия частотной характеристики допускались только те образцы, у которых рабочая емкость и угол диэлектрических потерь, пересчитанные на 1 км длины, совпадали или были близки с результатами измерений, выполненных на строительной длине кабеля при той же частоте. Измерения рабочей емкости были проведены во всех случаях по схеме, представленной на рис. 6.

Измерения на образцах повторялись с перерывами в 4 и 12 месяцев. На основании этих измерений составлена табл. 4. Параллельно с измерением рабочей емкости определялся угол диэлектрических потерь изоляции кабеля при изменении частоты тока в диапазоне 0,05—20 кщ% Измерения tgS производились с помощью моста МЛЕ—1 по общеизвестной методике прямым методом. Погрешность измерения ± 0,021^8+0,0005. По результатам обработки данных

Изменение рабочей емкости кабелей марки ГРШС с изменением частоты

Марки кабелей ГРШС

Частота в гц ЗХ70 + 1ХЮ ЗХ50+1ХЮ ЗХ35+1ХЮ ЗХ25+1ХЮ 3X16+1X10 ЗХЮ + 1Х6 3X6+1X4 3X4+1X2,5

Рабочие емкости в 10-9 ф\км различных пар жил

АВ АС АВ АС АВ АС АВ АС АВ АС АВ АС АВ АС АВ АС

50 228 265 222 227 217 222 202 217 . 191 209 187 193 160 167 1 140 155

100 224 251 216 221 208 215 196 209 184 201 182 187 149 156 ! 135 145

200 217 242 205 — 192 202 183 197 173 193 170 177 143 150 125 139

500 210 232 197 206 184 198 173 183 164 180 158 164 133 139 114 125

1000 202 225 189 197 176 193 167 174 158 173 152 159 125 131 ! 108 121

2000 194 219 182 190 171 187 161 168 152 166 145 154 120 125 112 116

5000 186 215 175 182 164 181 151 162 146 157 138 148 117 122 97 110

10000 185 213 173 181 162 177 147 159 145 151 137 1 П 116 121 95 108

15000 185 212 173 181 161 177 — — 144 154 136 146 115 120 94 107

20000 185 212 173 181 160 — 147 159 144 154 133 146 115 120 94 107

21000 185 212 173 18> 160 И7 159 144 154 136 146 115 120 1 94 107

измерений построены кривые зависимости изменения tgЗ изоляции различных кабелей ГРШС от частоты (рис. 7).

Характер изменения тангенса угла диэлектрических потерь изоляции кабелей ГРШС является типичным для резины с добавками сажи и талька. Как известно [5], точки перегиба кривой tgдля •резины зависят от содержания связанной серы. Значительная разница значения tgo для различных кабелей объясняется особенностями

Рис. 6. Схема измерения рабочей « емкости четырехжидьных кабелей

конструкции и непостоянством состава изоляции. Для шланговой резины отсутствует норматив на tgS и на г. В результате этого состояние и состав элементов изоляции не контролируются.

Рис..7. Зависимость изменения tgo изоляции различных марок кабелей ГРШС от частоты. 1- ГРШС 3×704- 1 ; 10; 2- ГРШС 3 X 50 4- 1 < 10; 3—ГРШС-3X35+1X10; 4—ГРШС 3x25+1 ХМ; 5—ГРШС ЗХ16+1ХЮ;

Измерения показали, что рабочая емкость и угол диэлектрических потерь кабелей ГРШС сильно зависят от технологии изго-

товления, качества изоляционных материалов и для различных образцов кабеля изменяются в сравнительно широких пределах.

1. Светличный Г1. Л. Дистанционное управление забойными машинами, г-летехиздат, 1956.

2. Гале ев И. Г. Перспективы дистанционного управления забойными механизмами по силовым жилам гибкого резинового кабеля. «Уголь, № 11, 1955.

3. О г о р о д н е й ч у к И. Ф. Дистанционное управление шахтными механизмами при помощи токов высокой частоты. Материалы научно-технической конференции. Конотоп. Автоматизация производственных процессов в угольной промышленности Углетехйздат, 1956.

4. Кулешов В. Н. Теория кабелей связи. Связьиздат, 1950.

5. Горшков П. И. Основы техники кабелей сильного тока. Госэнергоизда-1940.

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 + ∆ C , T = r ∆ C . Вид зависимости
1 + ω 2 T 2

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.

C
∆ C
C Г
ω

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- C 50 вании опыта установлено, что изоляция имеет недопустимое увлажнение, если C 2 >1.3. C 50 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: C 2 = 50 I 2 .
C 50
2 I 50

По такому принципу работают приборы контроля влажности серии ПКВ.

а) f I б)
U PA
C( ω ) U C( ω ) C 0 V

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- C 50 C 50 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.

R x C x
Z x Z 0
T C x
C 0
FV1 НИ FV2
R 3 R 4
Z 3 C 4 Z 4

Э Рис. 6.1. Принципиальное устройство моста Шеринга На рис. 6.1 C x – испытуемая изоляция, замещаемая параллельной схемой C x R x , C 0 – образцовый воздушный конденсатор, обладающий малыми диэлектрическими потерями, R 3 – магазин емкостей (набор образцовых резисторов), R 4 – образцовый резистор, C 4 – магазин емкостей (набор образцовых конденсаторов). Буквой Т обозначен высоковольтный трансформатор, питающий схему моста, НИ – нуль-индикатор, служащий для уравновешивания моста, FV1, FV2 – низковольтные разрядники, защищающие низковольтную часть моста при пробое испытуемой изоляции, Э – экран, роль которого объяснена далее при рассмотрении перевернутой схемы моста. Отличительными особенностями моста по схеме Шеринга является высокое напряжение питания моста и достаточно хорошая сходимость моста при его уравновешивании. Последнее обстоятельство для моста переменного тока, работающего на синусоидальном напряжении и требующего для сходимости выравнивания модулей и фаз потенциалов на измерительной диагонали моста, имеет важнейшее значение. Условием равновесия четырехплечего моста, как известно, является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч, то есть Z X Z 4 = Z 0 Z 3 ,

где Z X = 1 , Z 4 = 1 , Z 0 = 1 , Z 3 = R 3 .
1 + j ω C X 1 + j ω C 4 j ω C 0
R X R 4

Комплексное уравнение произведения сопротивлений распадается на два вещественных уравнения, из которых получаются соотношения для C X и tg δ:

R 4 1
tg δ = ω C 4 R 4 , C X = C 0 .
R 3 1+ tg 2 δ

Если tg δ

Z x Z 0
C x
C 0
T НИ FV2
FV1
R 3 R 4
Z 3 C 4 Z 4

Э Рис. 6.2. Перевернутая схема моста Шеринга Наиболее распространенным прибором такого типа является мост Р5026, позволяющий измерять емкости изоляции от 10 пФ до 500 мкФ и тангенсы угла потерь от 0.0001 до 1.0 с погрешностями порядка единиц процентов при напряжении 10 кВ. Нередко встречаются старые модификации этого моста МД-16 и Р-595.

Контроль внутренней изоляции по емкостным характеристикам

Емкость изоляции при неизменных температуре и частоте может заметно изменяться только при резком изменении состояния изоляции, например при появлении в ней значительного числа проводящих дефектов, шунтирующих часть изоляции.Измеряемая емкость исследуемого объекта зависит от частоты приложенного напряжения и величины сопротивления г: C=f(U,W,R)

Эта зависимость для увлажненной и сухой изоляции представлена на рис. Чем больше в изоляции посторонних включений и чем больше она увлажнена, тем больше величина Сд и меньше сопротивление г. При изменении частоты приложенного напряжения от О до оо емкость увлажненной изоляции меняется от Со=Соо+Сд до Соо. Если же изоляция сухая, то даже при весьма низких частотах величина измеряемой емкости не намного отличается от Соо, так как при этом г велико и емкость Сд (меньшая по величине, чем Сд для увлажненной изоляции) не успевает заряжаться. Таким образом, по отношению емкостей, измеренных при разных частотах, можно судить о степени увлажнения изоляции.

Практически измерения производятся при частотах 50 и 2 Гц. О степени увлажнения изоляции судят по отношению C2/C50. Чем это отношение ближе к единице, тем. доброкачественнее (суше) изоляция. Если отношение C2/C50 пре-вышает 1,2—1,3, то в соответствии с опытом эксплуатации изоляцию надо сушить. Значения предельных величин C2/C50 установлены из опыта и могут несколько колебаться в зависимости от типа, мощности и напряжения испытуемого объекта. Измерения производят при температуре 10—20°С, так как при повышении температуры отношение CzfCso быстро возрастает.

Зависимость емкости увлажненной (кривая 1></p>
<p> и сухой (кривая 2) изоляции от частоты приложенного напряжения» width=»620″ height=»530″ /></p>
<p>Принципиальная схема прибора для контроля влажности (ПКВ) приведена на рисунке выше. С помощью переключателя П происходит попеременно зарядка емкости испытуемого объекта от источника постоянного напряжения (350—450 В) и разрядка ее на гальванометр Г и сопротивление R. Переключение производится с частотой 2 и 50 Гц.</p>
<p>Так как ток, протекающий через гальванометр, пропорционален емкости и частоте, то по отношению (2/150 можно определить и отношение C2/C50. В приведенной схеме используется компенсационный метод измерения токов. Ток, протекающий через гальванометр, при разрядке емкости объекта компенсируется встречным током, подтекаемым от источника постоянного напряжения через потенциометры П\ и Лг. Сопротивление Rш включается при частоте 50 Гц и уменьшает напряжение на R в 25 раз. Отношение C2/C50 определяется по положению потенциометров П1 и П2.</p>
<p><img fetchpriority=

Принципиальная схема прибора для контроля увлажнения изоляции

  • 26.Мар.2015 — Основные характеристики трансформаторного масла
  • 26.Мар.2015 — Испытания изоляции силовых кабелей высоким напряжением
  • 25.Мар.2015 — Возможности использования тепловизоров и дефектоскопов для контроля внешней изоляции РУ и ВЛ
  • 25.Мар.2015 — Измерение распределения напряжения по гирляндам и колонам изоляторов
  • 25.Мар.2015 — Критерии, нормы и периодичность контроля изоляции методом ХАГ

Частотная характеристика диэлектрика и зависимость тангенса дельта от температуры

При старении парка энергетического оборудования современные энергопредприятия сталкиваются с серьезными проблемами, так как отказы в работе, следующие за ними ремонт и потеря прибыли могут привести к значительным издержкам. Трансформаторы – одна из важнейших составляющих энергосистемы. Потребность в надежных диагностических методах ставит ведущих экспертов всего мира перед необходимостью оценивать новые технологии, которые увеличивают надежность и оптимизируют использование энергосети. Состояние изоляции – основной показатель надежности функционирования силовых трансформаторов, генераторов, кабелей и другого оборудования высокого напряжения. Трансформаторы с высоким влагосодержанием не могут выдерживать высокие нагрузки, не подвергаясь риску. Высоковольтные вводы и кабели с высоким значением тангенса угла диэлектрических потерь изоляции при высокой температуре могут получить повреждения из-за «теплового пробоя». С другой стороны, также очень важно выявлять «хорошие» единицы в стареющем парке оборудования. Добавление только нескольких лет эксплуатации к ожидаемому сроку службы трансформатора или кабеля – значительная экономия затрат для энергетической компании.

Традиционные способы измерения тангенса угла диэлектрических потерь

Самый распространенный способ диагностики изоляции – это измерение емкости и тангенса дельта при 50/60 Гц. Это стандартное испытание, производимое всякий раз, когда возникает необходимость изучения свойств изоляции. Большинство тестов выполняются при 10 кВ и рабочей температуре, но проводятся испытания и с переменным напряжением, а также испытания, где тангенс дельта измеряется в зависимости от температуры. Анализ основывается на статистических данных (полученных ранее) и сопоставлении значений, полученных на заводе. Так как свойства изоляции зависят от температуры, компенсация температурных воздействий должна использоваться для измерений при температуре, не равной 20 °С, что обычно достигается при использовании табличных значений поправки на температуру для определенных классов устройств [1].
В IEEE 62-1995 приводятся типичные значения измерений тангенса дельта для трансформаторов и высоковольтных вводов (табл. 1).
Таблица 1
Типичные значения тангенса дельта (IEEE)

Типичные значения тангенса дельта при 20 °С

Предел «предупреждение/ тревога»,%

Силовые трансформаторы с масляной изоляцией

поправки на температуру для тангенса дельта

Типичные поправки на температуру показаны на рис. 1. Очевидно, что приведенные значения – только приблизительное руководство.

Рис. 1. Типичные поправки на температуру для тангенса дельта
В IEEE 62-1995 указано: «Значения тангенса дельта, зафиксированные при контрольных испытаниях общего состояния старых агрегатов, дают информацию об общем состоянии корпусной и межвитковой изоляции трансформаторов и реакторов. Они также дают ценные сведения о сухости и помогают при обнаружении нежелательных рабочих условий и возможности отказа, вызванного влажностью, перегревом изоляции, повреждением высоковольтных вводов, загрязнением масла растворенными материалами или проводящими частицами, заземленными или не заземленными сердечниками и т. д. В то время как тангенсы дельта для старых трансформаторов будут также составлять 1,0 % (20 °С) нужно исследовать».

Измерение частотной характеристики диэлектрика

Первый инструмент для измерения ЧХД и СЧО в условиях эксплуатации для трансформаторов, высоковольтных вводов и кабелей был использован в 1995 г. [2]. С тех пор многократно выполнялась оценка данных методов; например, по данным нескольких международных докладов/ проектов, измерения характеристики диэлектрика вместе с моделированием изоляции – наиболее предпочтительный метод измерения влагосодержания бумажной изоляции в силовых трансформаторах [3-5].
В испытаниях ЧХД измеряются емкость и тангенс дельта/коэффициент рассеяния. Принцип измерения и настройка очень похожи на традиционные испытания при 50/60 Гц с той разницей, что используется более низкое напряжение измерения (200 В) и что свойства изоляции измеряются в широком диапазоне частоты (обычно от 1 кГц до 1 МГц) вместо измерения при частоте сети 50/60 Гц.
Схема измерений ЧХД/СЧО
Рис. 2. Схема измерений ЧХД/СЧО
Результаты измерения ЧХД у четырех различных трансформаторов
Рис. 3. Результаты измерения ЧХД у четырех различных трансформаторов с влагосодержанием от 0,3 до 3,4 %
Результаты обычно представляют как емкость и/или тангенс дельта в зависимости от частоты. Схема измерений показана на рис. 2. Типичные результаты измерения ЧХД в трансформаторах при различных условиях показаны на рис. 3.

Оценка влажности

Возможности анализа ЧХД для измерения тангенса дельта как функции частоты дают пользователю мощный инструмент диагностики. Одним из примеров является оценка влажности.
Высокий уровень влажности – серьезная проблема, так как он ограничивает максимальную нагрузочную способность (IEEE Std С57.91-1995) и ускоряет процесс старения изоляции. Точная информация о действительном влагосодержании в трансформаторе необходима, чтобы принимать решения о корректирующих действиях, замене/отбраковке иди перемещении на другое место в сети с уменьшением нагрузки.
Метод использования ЧХД для определения влагосодержания в маслобумажной изоляции силового трансформатора подробно описывался в ряде других статей [3-5] и в данной статье представлен кратко.
Зависимость тангенса дельта от частоты имеет типичную кривую S-образной формы. При увеличении температуры кривая сдвигается по направлению к более высокой частоте. Влажность влияет главным образом на области низкой и высокой частоты. Средняя часть кривой с крутым уклоном отражает проводимость масла. На рис. 4 представлено влияние параметров на эталонную кривую.
Использование ЧХД для определения влажности основывается на сопоставлении измеренной характеристики диэлектрика трансформатора со смоделированной характеристикой диэлектрика (эталонная кривая).
Параметры, которые влияют на тангенс дельта
4. Параметры, которые влияют на тангенс дельта
Алгоритм согласования преобразует смоделированную характеристику диэлектрика и передает новую эталонную кривую, которая отражает состояние измеренного трансформатора. Здесь представлено влагосодержание вместе с проводимостью для эталонной кривой. В качестве фиксированного параметра нужно вводить только температуру изоляции (максимальная температура масла и/или температура обмотки).
Анализ влажности MODS
Рис. 5. Анализ влажности MODS®
На рис. 6 показаны два различных трансформатора. Две единицы имеют одинаковый коэффициент рассеяния 0,7 %, 50/60 Гц, который характеризуется в IEEE 62-1995 как статус «предупреждение / тревога», который требует исследования. Исследование проводится в виде анализа влажности с использованием MODS.
Два трансформатора значительно отличаются, и меры по их техобслуживанию также будут разными. Трансформатор 1 имеет хорошее масло, но нуждается в просушке. Трансформатор 2 имеет низкую влажность, однако требует замены масла или регенерации.
Анализ MODS для двух трансформаторов
Рис. 6. Анализ MODS для двух трансформаторов с разным качеством масла и влагосодержанием
Диагностика высоковольтного ввода
Все более актуальной проблемой становится старение/ухудшение состояния высоковольтных вводов высокого напряжения. Производители энергосистемы и поставщики испытательных систем предлагают и испытывают различные методы для обнаружения проблем в высоковольтных вводах, чтобы эти проблемы не привели к необратимым отказам. Такие методы включают мониторинг в оперативном режиме и меры автономной диагностики [6-7].
Традиционная проверка тангенса дельта при 50/60 Гц может выявить старение/высокое влагосодержание, особенно если ее выполнять при различных температурах, как показано на рис. 7 [8] и 8 [10].
Зависимость тангенса дельта от температуры для высоковольтных вводов
Рис. 7. Зависимость тангенса дельта (%) от температуры для высоковольтных вводов с различным влагосодержанием [6]
Как видно из рис. 7, значения тангенса дельта при более низких температурах довольно похожи при уровне влагосодержания от низкого до умеренного. Значительных изменений не наблюдается до тех пор, пока измерение не производится при температуре, приблизительно равной 50 °С.
«Плохой» высоковольтный ввод на рис. 8 можно сопоставить с показателями высоковольтного ввода на рис. 7. Вычислено, что влагосодержание составляет около 4 %.

Зависимость тангенса дельта от температуры для «хороших» и «плохих» высоковольтных вводов
Рис. 8. Зависимость тангенса дельта (%) от температуры (°С) для «хороших» и «плохих» высоковольтных вводов [10]
Увеличение тангенса дельта при более высоких температурах – явный признак проблем в высоковольтном вводе. Причиной необратимых отказов в работе высоковольтных вводов (взрывов) часто является то, что называют тепловым пробоем. Высокий тангенс дельта при более высоких температурах приводит к большему нагреванию высоковольтного ввода, которое, в свою очередь, ведет к потерям, вызывающим дополнительный нагрев, приводящий к еще большему увеличению потерь, в результате чего происходит взрыв высоковольтного ввода.
Индивидуальная поправка на температуру
Измерения и анализ ЧХД вместе с моделированием системы изоляции также учитывают зависимость от температуры. Новая методология (патент заявлен) состоит в том, чтобы выполнять измерения ЧХД и преобразовывать результаты оценки тангенса дельта при 50/60 Гц как функцию температуры. Этот метод имеет большие преимущества в простоте измерений.
Тангенс дельта при 60 Гц для маслобумажной изоляции
Рис. 9. Тангенс дельта при 60 Гц для маслобумажной изоляции с различным влагосодержанием как функция температуры (°С)
Вместо трудоемкого нагревания/охлаждения высоковольтного ввода и выполнения нескольких измерений при различных температурах выполняется одно измерение, и его результаты преобразуются в значения тангенса дельта 50/60 Гц как функция температуры. На рис. 9 показаны результаты этого метода, где они сопоставлены с классическими результатами, представленными в [9].
В основе этого метода – факт, что измерение определенного тангенса дельта при определенной частоте и температуре соответствует измерению, сделанному при другой температуре и другой частоте. Расчеты по преобразованию основываются на законе/уравнении Аррениуса, который описывает, как свойства изоляции изменяются в зависимости от температуры:

где Жл – энергия активации; к – постоянная Больцмана.
Отношение для трех различных энергий активации показано на рис. 10.
Отношение между значениями тангенса дельта при разной частоте
Рис. 10. Отношение между значениями тангенса дельта при разной частоте (измерения проводились при разной температуре)

Тангенс дельта высоковольтного ввода как функция температуры
Рис. 11. Тангенс дельта высоковольтного ввода как функция температуры. Измеренные и преобразованные величины сопоставлены с опубликованными данными [6]
Применение этого метода при реальном измерении ЧХД для высоковольтных вводов дает результаты, которые показаны на рис. 11. Два высоковольтных ввода, «хороший» и «плохой», сопоставляются с паспортными заводскими значениями (рис. 7). Вычислено, что «плохой» высоковольтный ввод имеет влажность 4 %, и такой ввод следует рассматривать как подверженный риску.
Таблицы поправок на температуру, такие как IEEE/C57.12.90, указывают средние значения для «средних» состояний и не являются верными для отдельного трансформатора или высоковольтного ввода. Энергопредприятия заметили это и стараются не применять поправки на температуру, рекомендуя выполнять измерения в узком диапазоне температур [11].
Индивидуальная поправка на температуру для трансформаторов является более сложной по сравнению с поправкой для изделий из одного материала, например высоковольтных вводов. Постоянная активации энергии маслобумажной изоляции Жа, согласно закону Аррениуса,

Тангенс дельта как функция температуры для четырех различных трансформаторов
Рис. 12. Тангенс дельта как функция температуры (°С) для четырех различных трансформаторов [11]
С помощью метода ЧХД и метода преобразования данных в температурную зависимость можно выполнять правильную индивидуальную компенсацию температурных воздействий (патент заявлен). Для хорошей изоляции температурная зависимость слабая. Когда изоляция стареет и/ или изнашивается, коэффициент поправки на температуру становится значительно больше, т. е. поправка на температуру – это функция от старения, что согласуется с результатами нескольких проектов и исследований [8, 10].
Примеры индивидуальных поправок на температуру для высоковольтных вводов показаны на рис. 13. Данные таблицы, представленной производителем, верны только для новых высоковольтных вводов. Как только у высоковольтных вводов появляются признаки старения, температурная зависимость увеличивается. «Плохие» высоковольтные вводы имеют очень большую поправку на температуру.
Стандартная поправка на температуру
Рис. 13. Стандартная поправка на температуру по сравнению с индивидуальной поправкой на температуру для образцов высоковольтных вводов GE Type U
где Wix – энергия активация; к постоянная Больцмана.
Энергия активации для пропитанной маслом бумаги обычно составляет 0,9-1 eV, в то время как для масла трансформатора W.A – обычно около 0,4- 0,5 eV.
Индивидуальные поправки на температуру для трансформаторов с разным износом показаны на рис. 14. Данные для трансформатора обобщены в табл. 2.
Таблица 2
Данные для трансформатора

Номинальная мощность, МВА

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *