Увага! не починайте вимірювання, поки не переконаєтеся у відсутності напруги на об’єкті, який вимірюється. 3 страница

, (5.6)

де Q₀ – заряд, що відповідає вакууму;

Q_д – заряд, обумовлений явищем поляризації діелектрика.

Із співвідношення (5.6) видно, що відносна діелектрична проникність будь-якої речовини більше одиниці і дорівнює їй тільки у випадку вакууму.

Зсув зарядів у діелектрику неминуче призведе до утворення в ньому внутрішнього поля, спрямованого протилежно зовнішньому, яке позначають вектором зміщення :

. (5.7)

Перша складова у цьому виразі пропорційна розподіленій цільності заряд, утвореного у вакуумі, а друга залежить від ступеня поляризаціх діелектрика.

З виразу (5.7) видно, що про явища, пов’язані з поляризацією, можна судити за величиною відносної діелектричної проникності. Чим більше , тим більший рівень поляризації, тим більший електричний заряд на електродах, розділених діелектриком.

Залежно від виду зарядів, що зміщуються, і часу релаксації в діелектричних матеріалах, які використовують в ізоляційних конструкціях, розрізняють декілька видів поляризації, серед яких найважливішу роль відіграють електронна, іонна, дипольна і міграційна поляризації.

Електронна поляризація обумовлена пружним зсувом і деформацією електронних оболонок відносно ядер в атомах діелектриків (рисунок 5.3). Зміщенню піддаються головним чином найбільш віддалені від ядра електрони, тому що вони найменше зв’язані з ним і легше піддаються зовнішньому впливу.

Час встановлення електронної поляризації мізерно малий – від 10^-14 до 10^-16 с. Цим можна пояснити той факт, що діелектрична проникність не залежить від частоти зміни прикладеної напруги (навіть при дуже малій тривалості половини періоду коливання цієї напруги електрони встигають зміститися у крайні положення). Процес зміщення в цьому випадку має пружний характер без незворотного розсіювання енергії. При зникненні зовнішнього поля електрони повертаються у вихідне положення, а витрачена на поляризацію діелектрика енергія звільняється. Електронний вид на поляризацію діелектрика енергія звільняється. Електронний вид поляризації спостерігається у всіх без винятку діелектриків.

Рис. 5.3 – Електронна поляризація

Іонна поляризація обумовлена пружним зміщенням різнойменно заряджених іонів щодо положення рівноваги в діелектрику (рисунок 5.4). Час встановлення іонної поляризації порядку 10^-13 с. Іонна поляризація характерна для твердих діелектриків з іонною будовою. З підвищенням температури цей вид поляризації посилюється за рахунок ослаблення пружних сил взаємодії мід іонами і збільшенням відстані між ними при тепловому розширенні.

Рис. 5.4 – Йонна поляризація

Електронна й іонна поляризації не викликають втрат енергії у діелектриках і таким чином обумовлюють протікання між електродами лише чисто реактивної (ємнісної) складової струму. Величина цього струму визначається геометричними розмірами ізоляційної конструкції і величиною діелектричної проникності діелектрика.

У схемах заміщення діелектриків процеси електронної та іонної поляризації прийнято позначати символом конденсатора C_г (геометрична ємність або ємність миттєвої поляризації).

Рис. 5.5 – Дипольна поляризація

Дипольна поляризація в діелектриках обумовлена переважною орієнтацією електричних моментів диполів в одному напрямку (рисунок 5.5). Це явище можна пояснити тим, що в багатьох діелектриках незалежно від їх агрегатного стану молекули мають початковий електричний дипольний момент навіть за відсутності зовнішнього електричного поля.

Діелектрики, що містять електричні диполі, які спроможні переорієнтуватися у зовнішньому електричному полі, дістали назву полярних діелектриків. Очевидно, що поява дипольної поляризації буде тим інтенсивнішою, чим більше дипольний момент молекул діелектрика. Отже, полярні діелектрики характеризуються більш високим значенням діелектричної проникності. Наприклад, у слабкополярного трансформаторного масла = 2, 2, тоді як у полярного = 5.

Залежно від електричного моменту диполів, інтенсивності теплового руху молекул, а також від в’язкості середовища час релаксації дипольних діелектриків може складати від 10^-2 до 10^-10 с.

У діелектриках з малою щільністю і порівняно невеликими розмірами молеку (гази, рідини) в електричному полі може відбуватися поворот самих молекул. У твердих діелектриках такий поворот молекул неможливий, але окремі групи атомів можуть орієнтуватися полем без порушень їх зв’язків з молекулами.

При збільшенні температури діелектрика і відповідним зменшенням в’язкості дипольна поляризація спочатку збільшується, але потім починає зменшуватися за рахунок зростання енергії теплового руху молекул, яке послаблює орієнтуючу дію зовнішнього поля.

Дипольна поляризація викликає не тільки зворотне поглинання енергії за рахунок збільшення ємності, але й незворотні втрати енергії, пов’язані з подолан- ням сил внутрішнього тертя. Ця енергія розсіюється в діелектрику у вигляді тепла. Отже, струм у колі електродів, викликаний дипольною поляризацією, має і реактивну, і активну складові. У схемах заміщення діелектриків процес дипольної поляризації визначають у вигляді послідовно або паралельно включених конденсаторів С_д і резисторів R_д.

Міграційна поляризація обумовлена перерозподілом вільних зарядів у об’ємі неоднорідних діелектриків. Цей вид поляризації пов’язаний за наявністю в діелектричних матеріалах провідних і напівпровідних часток і прошарків з різною діелектричною проникністю і провідністю.

Міграційна поляризація, по суті, є склодним процесом дипольної поляризації і відрізняється порядком ічасу релаксації, а в окремих випадках розміром заряждених часток. До таких процесів відносять заряд поверхонь розділу діелектриків, який часто називають міжпрошарковою поляризацією, або формуванням просторового заряду.

Уявимо, що діелектрик, вміщений між електродами, складається з двох послідовно включених прошарків з діелектричною проникністю і провідністю , і ємністю С₁ і С₂ (рисунок 5.6). У момент подачі на електроди напруги розподіл початкової напруженості електричного поля в прошарках визначиться співвідношенням:

.

Рис. 5.6 – Міграційна полярізація

Услід за цим починається перерозподіл зарядів. Оскільки значення щільності струму в прошарках будуть різними, то на межі розділу прошарків почне накопичуватись заряд. Це призведе до перерозподілу напруженостей і струмів у прошарках. Процес закінчиться тоді, коли струми провідності в прошарках стануть однаковими. Таким чином, для сталого стану (на підставі закону безперервності повного струму) буде справедливе рівняння

,

звідки

. (5.8)

Отже, напруженість електричного поля в кожному з прошарків зменшується від Е_п1 до Е_с1 і від Е_п2 до Е_с2 і після кидка зарядного струму через діелектрик протікатиме струм, обумовлений тільки провідністю прошарків.

Струм, обумовлений перерозподілом вільних зарядів в об’ємі діелектрика, одержав назву «струму абсорбції». Непружний характер переміщення зарядів у цьому випадку призводить до незворотного поглинання енергії і появи активної складової струму. У деяких випадках (наприклад, при зволоженні ізоляції) ця активна складова може навіть повністю визначати наскрізний струм діелектрика.

У схемах заміщення діелектриків процеси міграційної поляризації відображають у вигляді послідовно включених конденсатора С_абс і резистора R_абс.

Процес поляризації, пов’язаний із зарядом поверхонь поліду діелектриків, є відносно повільним процесом і на відміну від електронної, іонної та дипольної поляризації характеризується високим значенням постійної часу, яка може досягати декількох годин. Остання обставина призводить до того, що ізоляційна конструкція зарядиться повністю лише через певний час після вмикання її на постійну напругу, при цьому повна ємність ізоляційної конструкції може бути подана у вигляді

, (5.9)

де – геометрична ємність, обумовлена швидкими видами полярізації;

– деяка результуюча ємність послідовного кола поверхонь поділу складної ізоляції, включеної паралельно її геометричної ємності.

У виразі (5.9) перша складова являє собою геометричну ємність ізоляції з урахуванням поляризації зсуву за рахунок швидкої поляризації. Друга складова являє собою сумарну абсорбційну ємність, що залежить від ступеня неоднорідності ізоляції. Саме її заряд пов’язаний з повільними процесами поляризації.

Зволоження позначається на величині виміряної ємності ізоляції і на терміни релаксації її зарядів.

Вимір ємності з урахуванням часу релаксації покладено в основу ємнісних методів контролю вологості ізоляції трансформаторів: «ємність – час», «ємність – частота», «ємність – температура».

Метод «ємність – час»

У грубому наближенні кожний з прошарків ізоляції можна розглядати як послідовне з’єднання ємності С_абс й опору R_абс. Отже, при прикладенні до ізоляції постійної напруги її внутрішні прошарки будуть заряджатися через деякий опір, причому заряд буде відбуватися тим швидше, чим менше цей опір. Оскільки термін поляризації внутрішніх прошарків ізоляції має кінцевий характер, то виміряне значення її ємності залежатиме від часу з моменту прикладення напруги до моменту відліку показань приладу:

. (5.10)

Оскільки i-й поляризаційний процес викликає протікання струму

,

де – постійна часу кола заряду,

то

. (5.11)

Знаходячи постійну інтегрування А з умови, що при t = 0 С_абс=0, остаточно одержимо

. (5.12)

З урахуванням ємності, обумовленої процесами швидкої поляризації С_г, сумарна ємність ізоляції

, (5.13)

де t – час від початку заряду ємності ізоляції;

К_i – коефіцієнт, який враховує i-й поляризаційний процес у діелектрику

.

Оскільки зволоження ізоляції призводить до зміни значень К_i і , з’являється можливість за величиною ємності, яку вимірюють через певний відрізок часу після початку її заряду, судити про придатність ізоляції до подальшої експлуатації. Наприклад, для сухої ізоляції () виміряне значення ємності практично дорівнює ємності, яка обумовлена швидкими процесами поляризації:

. (5.14)

Для зволоженої ізоляції () виміряне значення ємності буде

. (5.15)

Таким чином, збільшення ємності складає

(5.16)

Оскільки залежить не тільки від стану ізоляції, але й від її структури та розміру, то показником ступеня зволоження в цьому випадку прийнять використовувати відношення , виражене у відсотках. Принципова схема контролю ізоляції за цим методом наведена на рис. 5.7. При вимірюванні абсорбційної складової ємності ізоляцію, яку контролюють , заряджають до напруги джерела U₀, а потім за допомогою ключів SA1 та SA2 її закорочують на термін не більше 10 мс (). При цьому геометрична ємність С_z встигає розрядитися і напруга на ізоляції падає до нуля. Проте після розмикання ключа SA2 в результаті процесів, пов’язаних з повільною поляризацією, напруга на ізоляції відновлюється і на ізоляції залишається заряд, пропорційний величині .

Підключивши тепер об’єкт контролю С_x, до еталонного конденсатора С_е, через певний термін (1 с) проводять вимірювання напруги на ньому U_е. При підключенні С_x до еталонного конденсатора відбувається перерозподіл заряду абсорбційної ємності між трьома ємностями С_абс., С_е і , тобто

, (5.17)

де U_e – напруга на еталонному конденсаторі.

Рис. 5.7 – Схема контролю ізоляції за методом «ємність – час»

Звичайно С_е> > C_абс + С_г. Отже на еталонному конденсаторі встановиться напруга

. (5.18)

Оскільки ця напруга пропорційна ємності абсорбції, то шкалу приладу градуюють в одиницях ємності.

Визначення загальної ємності С проводять таким же шляхом, але без попереднього розряду ізоляції. Вимірювання на еталонному конденсаторі при цьому треба проводити не більше ніж через 0, 1 секунду після підключення до нього об’єкта контролю.

Метод «ємність-час» покладено в основу приладів серії ЕВ і ПКВ-7. Досвід застосування цих приладів показав, що контроль зволоження ізоляції цим методом є доцільним лише при значних величинах . На точності вимірів істотно позначається залежність R_абс від величини температури і напруги. На виміри також істотно впливають характеристики трансформаторного масла. Тому цей метод використовують тільки для контролю ізоляції сухих трансформаторів або масляних трансформаторів, не залитих масло (наприклад, при сушінні ізоляції).

Метод «ємність-частота»

При дослідженні ізоляційних матеріалів було виявлено, що вимірюване значення ємності залежить від частоти напруги, при якій проводять виміри, причому при збільшенні частоти величина вимірюваної ємності зменшується. Пояснюється це тим, що при змінній напрузі процес накопичення заряду в ізоляції

обмежений тривалістю одного півперіоду прикладеної напруги. Очевидно, чим більша частота, тим у меншій мірі встигають розвинутися процеси поляризації і тим меншою виявиться вимірювана величина ємності.

При уявленні процесу абсорбції як перезаряду кола, що складається з послідовно з’єднаних опору R_абс і ємності С_абс., релаксаційну провідність можна описати рівнянням

, (5.19)

з якого випливає, що єквівалентна провідність і ємність залежать від частоти. Оскільки в основу методу покладено вимір ємності, яка характеризує процеси релаксації при різних станах ізоляції, то нас у першу чергу цікавить уявна частина виразу. Отже,

. (5.20)

З урахуванням ємності С_г, яка не залежить від частоти, виміряне значення ємності ізоляції буде

. (5.21)

У загальному випадку

, (5.22)

де – коефіцієнт, який враховує i-й поляризаційний процес.

З виразу (5.22) випливає, що повна величина ємності може бути виміряна лише на постійній напрузі (при ). У граничному випадку при виміряна ємність ізоляції обмежується величиною С_г. В інших випадках її величина визначається співвідношенням величини і , що і використовують для визначення стану ізоляції.

Чим більше зволоження ізоляції, тим швидше протікають процеси поляризації, тим більший вплив абсорбційної складової ємності ізоляції на кінцеві результати. Характеристика залежності виміряної ємності від частоти для сухої (2) і зволоженої (1) ізоляції подані на рисунку 5.8.

За міру зволоженості ізоляції приймають відношення ємностей, виміряних при різних частотах . Очевидно, що при збільшенні зволоження ізоляції відношення теж збільшується, тобто при

. (5.23)

Рис. 5.8 – Залежність виміряного значення ємності сухої (2) і зволоженої (1) ізоляції від частоти

Оскільки на низьких частотах залежність ємності від частоти виявляється сильніше, то виміри роблять при напрузі прямокутної форми за схемою, поданою на рисунку 5.9.

Об’єкт контролю С_х за допомогою перемикача SA з частотою 2, а потім 50 Гц по черзі підключають до джерела випрямленої напруги, а потім на розряд через опір вимірювального приладу R1. Величину вимірюваної ємності визначають за величиною розрядного струму, оскільки

C_x = I/Uf,

де I – середнє значення струму, що протікає через прилад;

U – напруга джерела живлення;

f – частота переключення.

У приладах контролю вологості серії ПКВ вимірювання ємності здійснюють за методом компенсації розрядного струму від джерела стабілізованої напруги. При нульовому показанні гальванометра відлік вимірюваного значення ємності здійснюють за відповідно відградуйованою шкалою змінного опору R₂.

До недоліків методу слід віднести залежність відношення від температури, яке зі збільшенням температури підвищується. Тому пери вимірах доводиться вдаватись до перерахунку результатів з використанням спеціальних коефіцієнтів, які наведені у відповідній літературі.

Рис. 5.9 – Схема контролю ізоляції за методом «ємність – частота»

Оскільки у маслонаповнених конструкціях відношення залежить від якості трансформаторного масла, то задовільні результати цей метод дає тільки після попередньої оцінки якості масла.

Треба також мати на увазі, що при контролі ізоляційних конструкцій з малою ємністю на результати контролю істотно впливає ємність з’єднувальних проводів.

5.3 Оснащення робочого місця

Лабораторні дослідження та випробування проводять на зразках штатного устаткування – силовому трансформаторі, заповненому маслом; виймальній частині трансформатора або на сухому трансформаторі за допомогою приладів ЕВ-3, ПКВ-13 і ПКВ -7, що одержують напругу від мережі 220 В. Їхні клеми «ОБ’ЄКТ» можуть бути приєднані як до затискачів самого трансформатора, так і до затискачів на макеті.

Прилад ПКВ-7 призначений для визначення вологості ізоляції силових і вимірювальних трансформаторів, високовольтних вводів та інших ізоляційних конструкцій при їхньому монтажі, ремонті й профілактичному обслуговуванні. Його застосування дозволяє оцінити стан ізоляції трансформаторів як залитих, так і не залитих маслом. Прилад ПКВ-7 має два режими роботи: режим «ПКВ» і режим «ЕВ».

При вимірах у режимі «ЕВ» за методом «ємність-час» на трансформаторах, не залитих маслом, величину визначають у такий спосіб: величина С₂ - С₅₀ відповідає величині С, а величина С₅₀ – величині С_г. Таким чином, співввідношення визначають як

.

Відлік величин (С₂ – С₅₀) і С₅₀ проводять безпосередньо за шкалою приладу в діапазонах: 0 – 1*10³ пФ; 0 – 2*10³ пФ; 0 – 10*10⁴ пФ; 0–20*10³ пФ; 0 – 100*10³ пФ.

У діапазоні 0, 2 – 100*10³ пФ та опорі ізоляції на нижче 100 МОм похибка вимірів не перевищує від обраної межі виміру.

Живлення приладу здійснюють від мережі змінного струму напругою 220 В. Споживана приладом потужність складає 25 ВА. Габаритні розміри приладу 315*205*135 см, вага близько 5 кГ.

Прилад ПКВ-7 призначений для роботи як у лабораторіях, так і в польових умовах.

5.4 Програма роботи і вказівки до її виконання

1. Усвідомити мету роботи й основні положення контролю зволоженості ізоляції обмоток трансформатора методами «ємність-час», «ємність-частота».

2. Вивчити за технічними описами і інструкціями загальні характеристики і порядок роботи з приладами контролю, що застосовані в роботі.

3. З’ясувати особливості схеми та конструкції трансформаторів, що підлягають випробуванню, занотувати їх технічні характеристики до відповідних протоколів випробування.

4. Підготувати трансформатор до випробувань:

- від’єднати трансформатор від інших кіл;

- очистити ізолятори від пилу, бруду і вологи;

- з’єднати виводи кожної з обмоток, які випробують, між собою, а всі інші – з корпусом трансформатора;

- виміряти опір ізоляції R_iз обмоток, що підлягають контролю, за допомогою мегомметра з метою урахування можливої похибки у вимірах зволоженості при R_із < 100 МОм.

5. Підготувати прилад поблизу трансформатора, який випробують, і заземлити його корпус:

– з’єднати клему приладу «ОБ’ЄКТ» з одним з виводів обмоток, які контролюють (інші виводи трансформатора мають бути з’єднані між собою за допомогою закороток і приєднаті до корпусу трансформатора);

– перевірити напругу живлення приладу (220 В);

– підключити шнур живлення приладу до мережі і, попередньо переконавшись у тому, що всі органи керування їм відповідають вихідному положенню, увімкнути тумблер «МЕРЕЖА» і дати можливість приладу прогрітися протягом 2 – 3 хв;

– перемикач межі вимірів встановити в положення «100 тис. пФ»

– тумблер SA1 («ИЗМ.», «УСТ.») встановити в положення «УСТ.» і ручкою «ПРО» встановити стрілку вимірювача на нуль (цю операцію слід робити перед кожним вимірюванням);

– перевірити приєднання об’єкта контролю до затискача приладу «ОБ’ЄКТ»;

– тумблер ом вибір режиму («ЕВ», «ПКВ») вибрати режим вимірювання.

6. Провести вимірювання зволоженості ізоляції трансформатора за методом «ємність-частота» (режим ПКВ):

– підготувати прилад до роботи (пункти 1 - 4);

– тумблер SA2 («С₅₀», «С₂ – С₅₀») встановити в положення «С₅₀»;

– перевести тумблер SA1 у положення «ИЗМ» і через 10 – 15 с зняти відлік за шкалою приладу. Якщо результат вимірювання складає менше 1/5 шкали, змінити межу вимірювання;

– перед кожним вимірюванням за допомогою тумблера SA1 і ручки «ПРО» встановлювати стрілку приладу на нуль;

– встановити тумблер SA2 у положення «С₂ – С₅₀» і після перевірки установки нуля відповідно до п. 2 та переключивши SA1 у положення «ИЗМ.», через 30 с зняти відлік показань за шкалою приладу.

7. Провести вимірювання зволоженості ізоляції трансформатора за методом «ємність-час» (режим ЕВ):

– підготувати прилад до роботи (пункти 1 - 4);

– для визначення величини С перевести тумблер вибору режиму у положення «ЕВ», а тумблер SA2 у положення «С₂ – С₅₀», зняти відлік показань через 60 с після переключення тумблера SA1 у положення «ИЗМ»;

– визначити відношення .

Примітка. Для вимірюваної величини ємності «С₅₀», «С₂ – С₅₀», С необхідно показання приладу помножити на коефіцієнт К, який наведено у таблиці 5.1.

Таблиця 5.1 – Коефіцієнт переведення результатів вимірювання С і С_г у величини ємностей. що вимірюють

8. Результати вимірювання занести до протоколу випробування трансформатора.

9. Оформити звіт по роботі із занотуванням виводів, що зроблені на підставі проведених вимірів.

5.4 Зміст звіту

1) Завдання для виконання лабораторної роботи.

2) Отримані дані по кожному дослідженню, представлені у вигляді протоколів.

3) Висновки.

5.5 Контрольні запитання

1. Яке фізичне явище називають поляризацією діелектриків?

2. Яку величину використовують для характеристики явищ, пов’язаних з поляризацією?

3. Дайте коротку характеристику явищу електронної поляризації.

4. Дайте коротку характеристику явищу дипольної поляризації.

5. Наведіть схему заміщення діелектрика, що знаходиться під дією змінного електричного поля.

6. На яких залежностях засновані ємності методи контролю стану ізоляції?

7. Поясніть, на якому фізичному явищі засновано метод контролю стану ізоляції за методом «ємність – час».

8. Поясніть, на якому фізичному явищі засновано метод «ємність – частота»?

9. Наведіть характеристику залежності виміряної ємності від частоти напруги для сухої і зволоженої ізоляції.

10. Наведіть спрощену схему контролю зволоженості ізоляції за методом «ємність – частота». Поясніть призначення її елементів.

Лабораторна робота 6

Наладка вимикача високовольтного вакуумного типу ВВВ - 10

6.1 Мета роботи