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.
Расположенный внутри этих плоскостей угол и является искомым диэлектрических потерь.
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.
Что такое диэлектрические потери?
Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.
Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.
Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.
Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.
Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.
tgδ применяется в расчётах для определения величины рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому его вычисление имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет вычислять относительные значения диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать по качеству различные изоляторы.
Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.
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.
Измерение диэлектрических потерь
Измерение диэлектрических потерь подразумевает достаточно сложную систему расчета, состоящую из нескольких действий.
Прежде всего рассчитывается мощность, которая рассеивается в диэлектрике при переменном напряжении. Она равна произведению воздействующего на него напряжения и тока, который проходит через диэлектрики (соответственно, U и la).
Pа = U·Iа
Если вы обратитесь к схеме по замещению диэлектрика, то увидите, что в ее состав входят конденсатор и активное сопротивление, которые соединены между собой последовательно.
По формуле мы можем рассчитать активный ток, проходящий через диэлектрик, он будет составлять произведение тангенса угла от вектора полного значения тока до его емкости lc (соотвественно δ). Δ еще носит название угол диэлектрических потерь (или просто потерь).
Iа = Ic•tgδ
Исходя из этого, можно представить более развернутую формулу расчета мощности следующим образом.
Pa = U•Ic•tgδ
Если при этом принять значение тока разным следующему выражению (буквой С обозначается значение емкости конденсатора, ω – угловая частота).
Ic = U•ω•C
В конечном итоге, мы получаем гораздо более развернутую формулу для расчета мощности в диэлектрике.
Pa = U2•ω•C•tgδ
Из этой формулы уже можно сделать некоторые выводы. Так, мы видим, что значение потерь энергии находится в прямой пропорции от тангенса угла диэлектрических потерь. В свою очередь, от значения этого угла зависит уровень качества нашего диэлектрика. Если резюмировать, то при уменьшении угла возрастает уровень диэлектрических свойств вещества. А значение этого угла позволяет выразить диэлектрические потери количественно и сравнить их между собой у разных диэлектриков.
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.
Основные определения.
Образец диэлектрика с потерями может быть представлен в виде эквивалентной последовательной (рис.1, а) или параллельной (рис. 1, б) схемы.
Рис. 1. Эквивалентная схема и векторные диаграммы образца изоляционного материала:
а — последовательная; б — параллельная
Независимо от выбора эквивалентной схемы (схемы замещения) ряд параметров, характеризующих ее, остается неизменным. К ним относятся сдвиг фазы δ между током I в неразветвленной части цепи н падением напряжения U на всей цепи, значения этого тока I и напряжения U, диэлектрические потери Р. Воспользовавшись этим обстоятельством, можно вывести соотношения между эквивалентными значениями емкости и сопротивления той и другой схемы.
Для последовательной схемы замещения справедливы следующие соотношения:
Для параллельной схемы:
Из этих выражений получаются соотношения параметров эквивалентных схем [1]:
По величине тангенса угла диэлектрических потерь изоляции и его зависимости от приложенного напряжения судят о качестве изоляции. При повышении напряжения увеличиваются диэлектрические потери в воздушных пустотах и недоотвержденных участках изоляции. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь выявляет наличие недопустимого количества воздушных пустот или (и) недоотверждения изоляции.
Методика и схема измерения тангенса угла диэлектрических потерь изоляции.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции производится в соответствии с требованиями соответствующих стандартов на конкретное изделие (кабели, электрические машины, трансформаторы).
Для воспроизводимости результатов необходим интервал «отдыха» не менее 2 часов между предыдущими испытаниями и измерением тангенса угла диэлектрических потерь.
Измерение tgδ проводится при помощи моста переменного тока. Принципиальная схема измерения тангенса угла диэлектрических потерь представлена на рис. 2.
Необходимое оборудование для измерения тангенса угла диэлектрических потерь:
- мост переменного тока;
- высоковольтная установка;
- эталонный конденсатор.
Рис. 2. Принципиальная схема измерения тангенса угла диэлектрических потерь изоляции.
С0 – эталонный конденсатор;
IZ/NI – нуль-индикатор;
С1 – магазин емкостей;
R1 – эталонное сопротивление;
R2 – магазин сопротивлений;
Позиция А/В переключателя – для измерения незаземленных/заземленных изделий.
Принципиальная схема расположения электродов при измерении тангенса угла диэлектрических потерь приведена на рис. 3. Измерительный электрод изготавливается из металлической фольги, обеспечивающей контакт с поверхностью изоляции. Длина измерительного электрода должна быть максимально возможной. Охранные кольца из металлической фольги располагаются на поверхности изоляции. Ширина охранных колец должна быть не менее 10 мм. Расстояние по поверхности изоляции между охранными кольцами и измерительным электродом должно быть минимально возможным, но не допускать электрического контакта между ними, и составлять не более 4 мм.
Рис. 3. Принципиальная схема расположения электродов при измерении тангенса угла диэлектрических потерь изоляции.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции проводится на переменном напряжении.
Необходимо подключить высоковольтную установку к измеряемому изделию в соответствии с рис. 2.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь проводится при напряжениях от 0,2UН до UН, через интервал 0,2UН, где UН – номинальное напряжение изделия.
Время между измерениями при поднятии напряжения фиксируется, при повторных измерениях временные интервалы должны соблюдаться.
Примечание: В случае автоматизированного измерения время снятия зависимости tgδ(U) должно быть не менее 15 с.
После измерения ручка поднятия напряжения высоковольтной установки возвращается в нулевое положение. После каждого отключения напряжения испытываемое изделие следует разряжать электрическим соединением его с заземлением в течение не менее 5 мин. Измерительный конденсатор также должен быть разряжен.
Результатом испытания является величина тангенса угла диэлектрических потерь при 0,2UН, его изменение ∆tgδ в интервале от 0,2UН до 0,6UН и максимальное значение ∆tgδ в интервале 0,2UН из всего измеренного диапазона напряжения. Строится график tgδ=f(U).
Значения измеренных величин должны быть не более величин, указанных в соответствующих стандартах на конкретное изделие. Рост тангенса угла диэлектрических потерь при повышении напряжения не должен быть резким.
Литература:
1. Справочник по электротехническим материалам/ под ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М. – М.: Энергоатомиздат, т.2, 1987. – 464 с.
Вас также может заинтересовать:
- Оценка увлажненности изоляции
- Измерение сопротивления изоляции
Схемы на все случаи жизни
При подключении к конденсатору источника электрической энергии часть ее теряется в виде тепла (из-за сквозной проводимости, расхода энергии на смещение зарядов при поляризации, потерь энергии в выводах и электродах, потерь на ионизацию воздушных включений в диэлектрике и др.). Если сравнить процесс накопления заряда конденсатора с накоплением потенциальной энергии механической пружиной при ее сжатии, то потери энергии в конденсаторе следует сравнить с потерями энергии в пружине, выделяющимися также в виде тепла.
Величина потерь в конденсаторе оценивается тангенсом угла потерь δ, дополняющего до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Тангенс угла потерь можно выразить и как отношение активной мощности потерь конденсатора к его реактивной мощности при синусоидальном напряжении. Потери в конденсаторе в первую очередь определяются структурой его диэлектрика и наличием различных дефектов (инородных включений, повышенной проводимости и др.). Наименьшие потери имеют вакуумные конденсаторы ( tgδ≤10-5), наибольшие — алюминиевые электролитические (tgδ=0.1-0.3).
В некоторых случаях определяющим в величине tgδ является сопротивление металлических частей конденсатора, особенно на высоких частотах из-за вытеснения тока к поверхности проводника (скин-эффект), а для электролитических конденсаторов — сопротивление электролита.
Иногда для оценки потерь в конденсаторе пользуются величиной, обратной tgδ, называемой добротностью или коэффициентом мощности конденсатора.
Измерение тангенса угла потерь из-за сложной природы этой величины требует особой тщательности. Удлинительные провода, плохие контакты, наличие паразитных электрических полей могут значительно исказить результаты измерений. Тангенс угла потерь конденсаторов должен измеряться при указанных в ТУ значениях напряжения и частоты измерительным прибором с указанной в технических условиях на конденсаторы погрешностью.
Тангенс угла потерь электролитических конденсаторов измеряют при указанной в ТУ величине поляризующего напряжения постоянного тока.
Измерение емкости должно производиться при указанных в действующих ТУ величинах напряжения и частоты измерительными приборами с погрешностью в 3—5 раз меньшей, чем допустимое отклонение емкости от номинала. Конденсатор для измерения подключается непосредственно к прибору с помощью предусмотренных у прибора приспособлений — колодок с контактными губками или зажимов с медными проводами.
Конструкция колодок или длина проводов должны быть такими, чтобы вносимая дополнительная погрешность не превышала 10% от допускаемого отклонения емкости. Вывод конденсатора, соединенный с корпусом или с внешним электродом (для керамических конденсаторов), подключают к заземленной клемме измерительного прибора или к клемме с меньшим потенциалом относительно земли.
Измерение последовательной емкости электролитических конденсаторов производят методом моста при поляризующем напряжении постоянного тока. Значения поляризующих напряжений указаны в ТУ.
При оценке отклонения емкости от номинального значения следует учитывать, что фактическое отклонение может отличаться от измеренного на погрешность прибора.
При оценке изменения емкости в результате воздействия на конденсатор различных факторов (температуры, влажности, вибрации и др.) следует учитывать, что фактическое изменение емкости может отличаться от измеренного на удвоенную погрешность прибора.
Список использованной литературы
- Элементы радиоэлектронной аппаратуры. Электрические конденсаторы постоянной ёмкости. В.Н. Гусев, В.Ф.Смирнов. — М.: Советское радио, 1968.
