Tangente de perda dielétrica, medição do índice de perda dielétrica

A perda dielétrica é a energia dissipada em um material isolante sob a influência de um campo elétrico sobre ele.

A capacidade de um dielétrico de dissipar energia em um campo elétrico é geralmente caracterizada por um ângulo de perdas dielétricas e uma tangente de um ângulo de perda dielétrica... No teste, o dielétrico é considerado o dielétrico de um capacitor, o capacitância e ângulo dos quais são medidos. δ, complementando o ângulo de fase entre corrente e tensão no circuito capacitivo para 90°. Este ângulo é chamado de ângulo de perda dielétrica.

Com uma tensão alternada, uma corrente flui no isolamento, que está em fase com a tensão aplicada em um ângulo ϕ (Fig. 1), menor que 90 graus. e-mail em um pequeno ângulo δ, devido à presença de resistência ativa.

Arroz. 1.Diagrama vetorial de correntes através de um dielétrico com perdas: U — tensão no dielétrico; I é a corrente total através do dielétrico; Ia, Ic — componentes ativos e capacitivos da corrente total, respectivamente; ϕ é o ângulo de deslocamento de fase entre a tensão aplicada e a corrente total; δ é o ângulo entre a corrente total e sua componente capacitiva

A relação do componente ativo da corrente Ia para o componente capacitivo Ic é chamada de tangente do ângulo de perda dielétrica e é expressa como uma porcentagem:

Em um dielétrico ideal sem perdas, o ângulo δ = 0 e, portanto, tan δ = 0. O molhamento e outros defeitos de isolamento causam um aumento no componente ativo da corrente de perda dielétrica e tgδ. Como neste caso o componente ativo cresce muito mais rápido que o capacitivo, o indicador tan δ reflete a mudança no estado de isolamento e as perdas nele. Com uma pequena quantidade de isolamento, é possível detectar defeitos locais e concentrados desenvolvidos.

Medição da tangente de perda dielétrica

Para medir a capacitância e o ângulo de perda dielétrica (ou tgδ), o circuito equivalente de um capacitor é representado como um capacitor ideal com uma resistência ativa conectada em série (circuito série) ou como um capacitor ideal com uma resistência ativa conectada em paralelo (circuito paralelo ).

Para um circuito em série, a potência ativa é:

P = (U2ωtgδ)/(1 + tg2δ), tgδ = ωCR

Para um circuito paralelo:

P = U2ωtgδ, tgδ = 1 /(ωСR)

onde B. — capacitância de um capacitor ideal; R — resistência ativa.

O ângulo de detecção das perdas dielétricas geralmente não excede centésimos ou décimos de unidade (portanto, o ângulo das perdas dielétricas geralmente é expresso como uma porcentagem), então 1 + tg2δ≈ 1 e perdas para circuitos equivalentes em série e paralelo P = U2ωtgδ, tgδ = 1 / (ωCR)

O valor das perdas é proporcional ao quadrado da tensão e frequência aplicadas no dielétrico, o que deve ser levado em consideração na escolha de materiais isolantes elétricos para equipamentos de alta tensão e alta frequência.

Com o aumento da tensão aplicada ao dielétrico para um determinado valor UО, inicia-se a ionização das inclusões de gás e líquido presentes no dielétrico, enquanto δ começa a aumentar acentuadamente devido às perdas adicionais causadas pela ionização. Em U1, o gás é ionizado e reduzido (Fig. 2).

Arroz. 2. Curva de ionização tgδ = f (U)

Tangente de perda dielétrica média medida em tensões menores que UО (normalmente 3 — 10 kV) A tensão é escolhida para facilitar o dispositivo de teste, mantendo sensibilidade suficiente do instrumento.

Ou seja, a tangente de perdas dielétricas (tgδ) normalizada para uma temperatura de 20 ° C, portanto a medição deve ser realizada em temperaturas próximas às normalizadas (10 — 20 ОС). Nessa faixa de temperatura, a variação das perdas dielétricas é pequena e, para alguns tipos de isolamento, o valor medido pode ser comparado sem recálculo com o valor normalizado para 20 ° C.

Para eliminar a influência de correntes de fuga e campos eletrostáticos externos nos resultados da medição do objeto de teste e ao redor do circuito de medição, são instalados dispositivos de proteção na forma de anéis e telas de proteção.A presença de blindagens aterradas causa capacitâncias parasitas; para compensar sua influência, geralmente é usado o método de proteção - tensão ajustável em valor e fase.

Eles são os mais comuns circuitos de medição de ponte tangente de capacitância e perdas dielétricas.

Defeitos locais causados ​​por pontes condutoras são melhor detectados pela medição da resistência de isolamento DC. A medição de tan δ é realizada com pontes AC dos tipos MD-16, P5026 (P5026M) ou P595, que são essencialmente medidores de capacitância (ponte Schering). Um diagrama esquemático da ponte é mostrado na Fig. 3.

Neste esquema, são determinados os parâmetros da estrutura de isolamento correspondente ao circuito equivalente com uma conexão em série de um capacitor sem perdas C e um resistor R, para os quais tan δ = ωRC, onde ω é a frequência angular da rede.

O processo de medição consiste em balancear (equilibrar) o circuito da ponte ajustando sucessivamente a resistência do resistor e a capacitância da caixa do capacitor. Quando a ponte está em equilíbrio, conforme indicado pelo dispositivo de medição P, a igualdade é satisfeita. Se o valor da capacitância C for expresso em microfarads, então na frequência industrial da rede f = 50 Hz teremos ω = 2πf = 100π e, portanto, tan δ% = 0,01πRC.

Um diagrama esquemático da ponte P525 é mostrado na Fig. 3.

Arroz. 3. Diagrama esquemático da ponte de medição AC P525

A medição é possível para tensões até 1 kV e acima de 1 kV (3-10 kV), dependendo da classe de isolamento e capacidade do local. Um transformador de medição de tensão pode servir como fonte de energia. A ponte é usada com um capacitor de ar externo C0.Um diagrama esquemático da inclusão do equipamento ao medir tan δ é mostrado na Fig. 4.

Arroz. 4. Diagrama de conexão do transformador de teste ao medir a tangente do ângulo de perdas dielétricas: S — interruptor; TAB — ajuste do autotransformador; SAC — Interruptor de polaridade para transformador de teste T

São utilizados dois circuitos de comutação em ponte: o chamado normal ou reto, no qual o elemento de medição P é conectado entre um dos eletrodos da estrutura isolante testada e o solo, e o invertido, onde é conectado entre o eletrodo da estrutura isolante testada objeto e o terminal de alta tensão da ponte. O circuito normal é usado quando ambos os eletrodos estão isolados do solo, invertidos - quando um dos eletrodos está firmemente conectado ao solo.

Deve ser lembrado que, neste último caso, os elementos individuais da ponte estarão sob tensão total de teste. A medição é possível em tensões de até 1 kV e acima de 1 kV (3-10 kV), dependendo da classe de isolamento e capacidade do local. Um transformador de medição de tensão pode servir como fonte de energia.

A ponte é usada com um capacitor de ar de referência externo. A ponte e o equipamento necessário são colocados próximo ao local de teste e uma cerca é instalada. O fio que leva do transformador de teste T ao capacitor modelo C, bem como os cabos de conexão da ponte P, que estão sob tensão, devem ser afastados de objetos aterrados em pelo menos 100-150 mm. O transformador T e seus dispositivo regulador TAB ( LATR) deve estar a uma distância de pelo menos 0,5 m da ponte.A ponte, as carcaças do transformador e do regulador, bem como um terminal do enrolamento secundário do transformador, devem ser aterrados.

O indicador tan δ é frequentemente medido na área operacional do painel e, como sempre há uma conexão capacitiva entre o objeto de teste e os elementos do painel, a corrente de influência flui através do objeto de teste. Esta corrente, que depende da tensão e fase da tensão de influência e da capacitância total da conexão, pode levar a uma avaliação incorreta da condição de isolamento, especialmente em objetos com pequena capacitância, em particular buchas (até 1000-2000 pF).

O balanceamento da ponte é feito ajustando repetidamente os elementos do circuito da ponte e a tensão de proteção, para a qual o indicador de equilíbrio está incluído na diagonal ou entre a tela e a diagonal. A ponte é considerada equilibrada se não houver corrente através dela com a inclusão simultânea do indicador de equilíbrio.

No momento do balanceamento da ponte

Gde f é a frequência da corrente alternada que alimenta o circuito

° Cx = (R4 / Rx) Co

A resistência constante R4 é escolhida igual a 104/π Ω Neste caso tgδ = C4, onde a capacitância C4 é expressa em microfarads.

Se a medição foi feita com uma frequência f 'diferente de 50 Hz, então tgδ = (f '/ 50) C4

Quando a medição da tangente de perda dielétrica é realizada em pequenos trechos de cabo ou amostras de materiais isolantes; devido à sua baixa capacidade, são necessários amplificadores eletrônicos (por exemplo, do tipo F-50-1 com ganho de cerca de 60).Observe que a ponte leva em consideração a perda no fio que conecta a ponte ao objeto de teste, e o valor medido da tangente de perda dielétrica será mais válido em 2πfRzCx, onde Rz - resistência do fio.

Ao medir de acordo com um esquema de ponte invertida, os elementos ajustáveis ​​​​do circuito de medição estão sob alta tensão; portanto, o ajuste dos elementos da ponte é realizado à distância usando hastes isolantes ou o operador é colocado em uma tela comum com medição elementos.

A tangente do ângulo de perda dielétrica de transformadores e máquinas elétricas é medida entre cada enrolamento e a carcaça com enrolamentos livres aterrados.

Efeitos do campo elétrico

Distinguir entre efeitos eletrostáticos e eletromagnéticos de um campo elétrico. As influências eletromagnéticas são excluídas pela blindagem total. Os elementos de medição são colocados em um invólucro de metal (por exemplo, pontes P5026 e P595). Influências eletrostáticas são criadas por partes vivas de comutadores e linhas de energia. O vetor de tensão de influência pode ocupar qualquer posição em relação ao vetor de tensão de teste.

Existem várias maneiras de reduzir a influência dos campos eletrostáticos nos resultados das medições de tan δ:

• desligar a tensão que gera o campo de influência. Este método é o mais eficaz, mas nem sempre aplicável em termos de fornecimento de energia aos consumidores;

• retirando o objeto de teste da área de influência. O objetivo é alcançado, mas transportar o objeto é indesejável e nem sempre possível;

• medir uma frequência diferente de 50 Hz. Raramente é usado porque requer equipamentos especiais;

• métodos computacionais para exclusão de erros;

• um método de compensação de influências, no qual é alcançado um alinhamento dos vetores da tensão de teste e o EMF do campo afetado.

Para isso, um defasador é incluído no circuito de regulação de tensão e, quando o objeto de teste é desligado, o balanceamento da ponte é alcançado. Na ausência de um regulador de fase, uma medida eficaz pode ser alimentar a ponte desta tensão do sistema trifásico (tendo em conta a polaridade), caso em que o resultado da medição será mínimo. Muitas vezes é suficiente realizar a medição quatro vezes com diferentes polaridades da tensão de teste e um galvanômetro de ponte conectado; Eles são usados ​​​​independentemente e para melhorar os resultados obtidos por outros métodos.