В електричному полі відбувається поляризація діелектриків, яка полягає в тому, що центр негативного заряду електронів атома зміщується в бік позитивно зарядженого електрода, а позитивно заряджене ядро прагне до негативного електрода. Таку поляризацію називають електронною, або орієнтаційною, час її здійснення – 10-15 c. Інший вид поляризації,яка називається міграційною, пов'язаний з переміщенням незв'язаних зарядів у середині діелектрика з однієї його ділянки в іншу і протікає за досить тривалий час, що складає декілька секунд.
Остання має практичне значення, оскільки проявляється в ізоляції конструкцій високої напруги, де використовують неоднорідні (кoмбiновaні) діелектричні матеріали: порцеляна-масло-папір-повітря та ін. У реальній ізоляції завжди присутня деяка кількість домішків, які є джерелом носіїв заряду. В змінному електричному полі в діелектрику протікають струми провідності, які на схемі (рис.6.1,б) позначені резистором, й струми зміщення, що позначені емністю С. Через ємності ΔС (рис. 6.1) і проводячи домішки r протікають струми, що мають назву струмів абсорбції, або струми поляризації. Крім того, через ізоляцію по каналах суцільної провідності протікає струм провідності, або витоку: iпр=U/Rпр (U – напруга, прикладена до діелектрика).
|
а) б)
Рис.6.1- Реальна ізоляція. а – присутні домішки; б –схема заміщення ізоляції.
Протікання поляризаційних струмів приводить до розігріву діелектрика, в результаті чого електрична енергія перетворюється в тепло. Такі втрати електроенергії мають назву діелектричних втрат і виникають в основному за рахунок явища міграційної поляризації.
При змінній напрузі через ізоляцію протікає активний струм:
, (6.1)
а також ємнісний (поляризаційний) струм:
. (6.2)
Тут Т=rΔС постійна часу; ω -кутова частота (3І4 рад/с при f = 50 Гц).
На рис. 6.2 зображена еквівалентна схема заміщення діелектрика і векторна діаграма її струмів, з яких виходить, що
tg δ = Ia/Iс. (6.3)
Рис. 6.2- Еквівалентна схема заміщення діелектрика і векторна діаграма
струмів через діелектрик.
Втрати електроенергії в ізоляції дорівнюють:
p=U∙Ic ∙tgδ= ωCU2 ∙tgδ=U∙Ia. (6.4)
Фізичну інтерпретацію tgδ можна провести, виходячи з того, що реальний
діелектрик характеризується переважно діелектричними властивостями, яківизначаються ємністю С':
(6.5)
і провідністю γ':
(6.6)
Доля провідникових властивостей діелектрика Ia може бути визначена з пропорції, якщо струм Ic, який визначає основні його діелектричні властивості
прийняти за одиницю: Ia – х; Ic – 1.
Звідси випливає, що tgδ=х = Ia / Ic, що вказує на долю провідникових властивостей діелектрика, якщо його діелектричні властивості прийняти за одиницю.
Таким чином, tgδ є найважливішою характеристикою електричної ізоляції, оскільки від її величини залежить, насамперед, потужність діелектричних втрат (6.4) і, відповідно, температурний режим роботи ізоляції, а також напруга теплового пробою і режим теплового старіння ізоляції.
Величина tgδ дуже чутлива до зміни якості ізоляції, і при її погіршенні спостерігається значне зростання питомої провідності γ, а значить і величини tgδ. Отже за величиною tgδ можна зробити висновок про наявність в ізоляції забруднень або вологи.
На практиці для вимірювання tgδ і ємності ізоляції використовують міст змінного струму типу МД-І6 (міст Шерінга), який дає змогу проводити виміри за нормальною схемою, коли обидва електрода ізольовані від землі, або за перевернутою схемою, коли один з електродів об'єкта заземлений (рис. 6.3).
Рис. 6.3- Схема вимірювання tgδ ізоляції за допомогою моста змінного струму типу МД-І6 (міст Шерінга).
Нормальну схему вимірювання використовують в лабораторних умовах, а також при контролі міжфазної ізоляції машин і кабеля.
Перевернуту схему включення моста використовують при вимірюванні ізоляційних характеристик стаціонарного обладнання, де один з електродів переважно заземлений.
Оскільки робоча напруга моста дорівнює 5 - 10 кВ, для безпеки в роботі при нормальній схемі й захисту вимірювальних приладів застосовують розрядники FV.
Еталонний конденсатор СN має один високовольтний (ВВ) і два низьковольтних НВ і Э виводи. Останні мають відносно слабку ізоляцію по відношенню до металевого корпуса конденсатора, тому для підсилання ізоляції вводів НВ тa Э корпус еталонного конденсатора встановлюють на ізоляторах.
Індикатором рівноваги моста є вібраційний гальванометр РА, який реагує на струм 0,1 мкА. Для запобігання пошкоджень гальванометра забороняється включення - вимкнення випробувального трансформатора (И-50 або НОМ-10) і різкого збільшення напруги при максимальній чутливості гальванометра.
Якщо ємнісний струм об'єкта при номінальній напрузі перевищує 0,1 А, треба приєднувати шунт у плече RЗ моста, що здійснюється за допомогою перемикача шунтів плеча R3, які відповідають наступним значенням струмів і опору n шунта (табл. 6.1).
Таблиця 6.1
| Положення шунта | |||||
| Допустимий ємнісний струм, А | 0, 01 | 0,025 | 0,06 | 0,I5 | 1,2 |
| Опір шунта n, Ом | 100+ R |
Розрахунок ємності об'єкта здійснюють за формулою
(6.5)
Величину tgδ відраховують за показаннями плеча С4 і розраховують за формулою
tgδ= ω∙ С4 ∙R4=106 ∙С4,
оскільки для моста підбирають співвідношення ω∙R4= 106.
