Для чего измеряют тангенс угла диэлектрических потерь
Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают?
Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.
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.
Методика расчета
Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.
Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика 
Рис. 2. Формулы для расчета
Значения символов понятны из рисунка 1.
Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.
Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.
Диэлектрические потери в разных диэлектриках
В газах
Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.
Если величина напряжения Uи не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.
Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь
В жидких диэлектриках
Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.
Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.
В твердых веществах
Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:
Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:
Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют tg δ > 0,1.
Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.
Виды диэлектрических потерь
В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:
Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость тангенса угла от напряжения
Чем измерить?
Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.
Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.
Для чего измеряют тангенс угла диэлектрических потерь
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
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.
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 :
Рис. 2. Принципиальная схема измерения тангенса угла диэлектрических потерь изоляции.
С0 – эталонный конденсатор;
IZ / NI – нуль-индикатор;
С1 – магазин емкостей;
R 1 – эталонное сопротивление;
R 2 – 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.
Время между измерениями при поднятии напряжения фиксируется, при повторных измерениях временные интервалы должны соблюдаться.
Примечание: В случае автоматизированного измерения время снятия зависимости tgδ ( U ) дол жно 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.
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.
1. Справочник по электротехническим материалам/ под ред. Корицкого Ю.В., Пасынкова В.В., Тареева Б.М. – М.: Энергоатомиздат, т.2, 1987. – 464 с.
Что такое тангенс угла диэлектрических потерь, от чего он зависит и как его измеряют?
Здравствуйте уважаемые посетители сайта «Помощь электрикам».
Поговорим сегодня об одном очень непонятном для многих виде испытания электрооборудования это измерение тангенса угла диэлектрических потерь.
Объем и нормы испытаний электрооборудования регламентируют нам при разных видах контроля (П, К, Т, М….) среди прочих испытаний, проводить у разного электрооборудования, например, силовых трансформаторов (автотрансформаторов), реакторов, генераторов, вводах и проходных изоляторах, проверку тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ).
Здравствуйте уважаемые посетители сайта «Помощь электрикам»
Поговорим сегодня об одном очень непонятном для многих виде испытания электрооборудования это измерение тангенса угла диэлектрических потерь.
Объем и нормы испытаний электрооборудования регламентируют нам при разных видах контроля (П, К, Т, М….) среди прочих испытаний, проводить у разного электрооборудования, например, силовых трансформаторов (автотрансформаторов), реакторов, генераторов, вводах и проходных изоляторах, проверку тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ).
Данная, на мой взгляд, очень хорошо написанная статья даст ответ на вопросы, что такое тангенс угла диэлектрических потерь, от чего он зависит, как его измеряют.
Статья написана в 1958 году, и естественно, по состоянию на 2015 год существует большое количество приборов для измерения тангенса угла диэлектрических потерь, а мост МД-16 уже раритет.
Величина tg δ (угла диэлектрических потерь), являясь мерилом потерь в изоляции, характеризует общее ее состояние. Если изоляция была бы изготовлена из идеального диэлектрика, то в ней не было бы потерь и при включении на переменное напряжение она не потребляла бы активной мощности.
При приложении переменного напряжения к такой идеальной изоляции происходят поочередно повторяющиеся заряд и разряд и в цепи появляется переменный емкостный ток. При этом вся энергия, полученная изоляцией за время заряда, возвращается в сеть во время разряда.
Произведение емкостного тока на напряжение дает величину реактивной или емкостной мощности; она пропорциональна емкости изоляции (кроме того, частоте и квадрату приложенного напряжения). Таким образом, изоляция из идеальных диэлектриков потребляла бы из сети только реактивную (емкостную) мощность.
Однако практически идеальных диэлектриков не существует. В реальной изоляции всегда имеется потеря энергии, поэтому при приложении к ней напряжения из сети потребляется не только реактивная, но и активная мощность, обусловленная потреблением энергии изоляцией. Отношение активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности и называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Так как активная мощность, потребляемая изоляцией, значительно меньше реактивной и отношение их обычно измеряется сотыми долями, то удобнее тангенс угла диэлектрических потерь выражать в процентах.
Потребление энергии изоляцией вызывается разными причинами. Во многих твердых диэлектриках под воздействием приложенного переменного напряжения происходят колебания частиц, имеющих электрические заряды (атомов, молекул), что сопровождается затратой энергии. Кроме того, все диэлектрики в какой-то степени проводят ток не только путем заряда и, разряда, а непосредственно, и протекание этого тока (тока проводимости), так же как в проводниках, сопряжено с потерями. Особенно большие потери возникают в неоднородных изолирующих материалах, в которых наряду с хорошими диэлектриками имеются вещества с пониженными диэлектрическими свойствами. Емкостные токи, протекая через вкрапления этих веществ в толще материала, создают значительные потери; достаточно сравнительно небольших примесей таких веществ, распределенных по всему объему материала, чтобы потери в таком материале существенно возросли. Особенно заметно действие вкраплений такого сравнительно хорошо проводящего вещества, как вода, которая, проникая в поры волокнистых материалов, существенно увеличивает диэлектрические потери.
Так, увеличение влагосодержания электрокартона с 0,5 до 3,0% вызывает рост диэлектрических потерь примерно в 25 раз.
Поскольку реактивная мощность при этом меняется сравнительно мало (она, как указывалось выше, зависит от емкости), тангенс угла диэлектрических потерь также существенно возрастает. В указанном случае он возрастает с 0,8 до 11,0%.
Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь является чувствительным показателем увлажнения изоляции, особенно если она состоит из волокнистых материалов и увлажняется во всем объеме (как, например, в трансформаторах).
При этом существенно, что величина тангенс угла диэлектрических потерь не зависит от размеров изоляции: если вся изоляция однородна по своим свойствам, то активная и реактивная мощности будут зависеть от них в одинаковой степени.
Благодаря этим ценным свойствам величины тангенса угла диэлектрических потерь измерение ее широко применяется для контроля влажности изоляции трансформаторов и некоторых других видов электрооборудования.
Однако применение тангенса угла диэлектрических потерь как показателя увлажнения изоляции имеет и недостатки.
Величина тангенса угла диэлектрических потерь зависит не только от степени увлажнения изоляции, но и от других причин. В частности, увеличение тока проводимости какого-либо участка изоляции (например, из-за загрязнения) в некоторых случаях может привести к увеличению тангенса угла диэлектрических потерь. Известны случаи повышения tg δ у трансформаторов из-за загрязнения вводов, трещин на них, что создавало ложное впечатление об увлажнении изоляции трансформаторов.
Увеличение тангенса угла диэлектрических потерь у трансформаторов может быть также вызвано наличием воздуха в вводах, зашламлением обмоток, применением масла с большим тангенсом угла диэлектрических потерь и другими причинами; у некоторых трансформаторов тангенс угла диэлектрических потерь имеет повышенное значение из-за конструктивных особенностей. С другой стороны, опасное увлажнение небольших участков изоляции может мало отразиться на суммарных потерях в изоляции и, следовательно, на величине tg δ.
Поэтому измерению tg δ на трансформаторах должно сопутствовать определение других диэлектрических характеристик изоляции (сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции, величины С2/С50 и т. д.). Только сопоставив все эти характеристики, можно вынести правильное суждение о состоянии изоляции.
Кроме увлажнения изоляции, tg δ является в известной степени показателем наличия воздушных включений в ней. Так, если тангенс угла диэлектрических потерь растет с ростом приложенного напряжения, то это означает, что в изоляции имеются воздушные включения. Объясняется это тем, что с ростом напряжения воздух во все большей степени начинает проводить ток, в связи с чем возрастают потери. Раньше этим свойством тангенса угла диэлектрических потерь пытались воспользоваться для определения состояния изоляции электрических машин. В настоящее время такие измерения в эксплуатации не применяются, так как практика эксплуатации показала, что при оценке состояния изоляции электрических машин наличие в ней воздушных включений играет далеко не главную роль.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электрооборудования производится при частоте 50 Гц при измерениях на более высокой частоте тангенс угла диэлектрических потерь этой изоляции будет ниже, чем при 50 Гц. Для измерений tg δ изоляции вводов и обмоток трансформаторов применяются специальные приборы — высоковольтные мосты, в которых производится сравнение тока, текущего через изоляцию, с током в искусственной цепи, составленной из конденсаторов и сопротивлений.
Наиболее распространенным является переносный мост типа МД-16 производства завода «Энергоприбор». Измерения обычно производятся при напряжении 10 кВ (мост при этом питается от повышающего трансформатора).
Величина tg δ сильно увеличивается с ростом температуры изоляции, что следует иметь в виду при сравнении результатов измерений, сделанных при разных температурах.
Надеюсь после прочитанного теперь все понимают что такое тангенс угла диэлектрических потерь и с какйо целью его измеряют.
Источники:
1. Журнал «Энергетик» 1958, №1, стр.31-32
2. РД 34.45-51.300-97 «Объем и нормы испытаний электрооборудования»
В следующей статье я подробно расскажу какими приборами можно произвести замер тангенса угла диэлектрических потерь.
Методика измерения тангенса угла диэлектрических потерь
1. Общая часть.
1.1. Тангенс угла диэлектрических потерь (tg d) определяется как отношение активной составляющей тока утечки через изоляцию к его реактивной составляющей. При приложенном переменном напряжении является важной характеристикой изоляции трансформаторов и вводов высокого напряжения. Обычно tg d выражается в %:
1.2. Значение tg d нормируется для каждого вида оборудования.
2. Указание мер безопасности.
2.1. Допуск к измерениям осуществляется по наряду и руководителем работ, а если он не назначен, то производителем работ. Наряд на измерения выдает в этих случаях работник.
2.2. Измерения проводит бригада, в которой производитель работ должен иметь группу VI, а члены бригады – III.
2.3. К измерениям допускаются лица, прошедшие специальную подготовку и имеющие практический опыт работы проведения измерений.
Не допускается одновременное проведение измерений и других работ различными бригадами в пределах одного присоединения.
2.4. При измерении tg d по перевернутой схеме внутренние узлы моста находятся под высоким напряжением. Любые измерения мостом производятся для обеспечения безопасности с диэлектрической подставки или резинового коврика и в диэлектрических перчатках.
3. Подготовка рабочего места.
3.2. Место измерения, а также соединительные провода, находящиеся под напряжением, ограждают. Вывешивают плакат «Испытание! Опасно для жизни!».
Присоединение измерительной схемы к сети напряжения 220 В проводят через коммутационные аппараты с видимым разрывом в том числе через штепсельную вилку. При сборке измерительной схемы перед присоединением к сети 220 В на высокий вывод установки накладывают заземления при помощи специальной заземляющей штанги.
4. Техническая оснащенность.
4.1. Мост типа Р 5026.
4.3. Образцовый конденсатор P5023.
4.4. Регулировочный автотрансформатор.
5. Порядок работы.
5.1. Убедиться в отсутствии напряжения на испытываемом оборудовании.
5.2. Собрать схему для проведения измерений, нормальную или перевернутую, согласно конструктивным особенностям трансформатора.
5.3. Заземлить разрядной штангой высоковольтный вывод схемы.
5.4. В схеме на рис. 1 высокое напряжение от вспомогательного трансформатора подается на токоведущий вывод проверяемого объекта, что соответствует нормальной схеме измерения. В отличие от этой схемы существует перевернутая схема измерения tgd, в которой зажимы моста для заземления и подачи высокого напряжения меняются местами.
Перевернутая схема менее точна, чем нормальная. Однако измерения tg d изоляции трансформаторов, а также установленных на аппарате вводов могут производиться только по перевернутой схеме в связи с тем, что один из электродов в этих случаях заземлен. При измерении по перевернутой схеме внутренние узлы моста (R3, C4 и т.п.) находятся под высоким напряжением, так как напряжение от трансформатора подается на экран моста. Но в связи с тем, что экран с узлами изолирован на полное испытательное напряжение от корпуса (кроме того, заземляемого), обеспечивается безопасность измерения и при перевернутой схеме. Любые измерения мостом производятся для обеспечения безопасности с диэлектрической подставки или резинового коврика и в диэлектрических перчатках.
Отличительной особенностью мостов Р 595 и Р 5026 является наличие нуль-индикатора, в качестве которого используется транзисторный избирательный усилитель с питанием от элементов постоянного тока со стрелочным прибором (микроамперметр М 4204) на выходе. Максимальная чувствительность нуль-индикатора не менее 2 мкА/мкВ.
Для обеспечения точности измерения мост и вспомогательная аппаратура, необходимая для измерения, располагается в непосредственной близости от проверяемого объекта (рис. 2); при этом требуется безусловное соблюдение правил техники безопасности, предусматриваемых для испытаний повышенным напряжением. В качестве испытательного используется измерительный трансформатор напряжения НОМ-10 или НОМ-6.
Измерения tg d аппаратов с номинальным напряжением 6 кВ производят на напряжении 6 кВ, а аппаратов с номинальным напряжением менее 6 кВ — на напряжении 220-380 В. измерения производятся при удовлетворительных результатах оценки состояния изоляции с помощью мегаомметра и другими способами и удовлетворительных результатах испытаний пробы масла. Измерения при сушке производят на напряжении 220-380 В. Результаты измерений tg d сравниваются с допустимыми нормами и с результатами предыдущих измерений, в том числе заводскими.
При измерениях tg d возможны электромагнитные влияния на мост испытательного трансформатора и регулировочного автотрансформатора. Во избежание этого рекомендуется располагать их на расстоянии не менее 0,5 м от моста.
Порядок измерений мостами Р 5026, МД-16 и Р 595 излагается в заводских инструкциях.
Измерения tg d рекомендуется производить при температурах от +10 до +40 °С. Для приведения измеренных значений tg d к необходимой температуре (например, измерений на заводе для сравнения) используются следующие коэффициенты:
Разность температур 1 2 3 4 5 10 15
Коэффициент измерения tg d:
волокнистой изоляции 1,03 1,06 1,09 1,12 1,15 1,31 1,51
трансформаторного масла 1,04 1,08 1,13 1,17 1,22 1,5 1,84
Разность температур 20 25 30 35 40 45 60
Коэффициент измерения tg d:
волокнистой изоляции 1,75 2 2,3 — — — —
трансформаторного масла 2,25 2,75 3,4 4,15 5,1 6,2 7,5
НТД и техническая литература: