Материал: №8 Тангенс от напряжения

90о-φ). Чем больше этот угол, тем больше диэлектрические потери (при прочих равных условиях). Обычно в качестве параметра изоляционного материала или изоляционной конструкции используется тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ), который равен отношению активного и реактивного токов:

δ

φ

Рис.2

Диэлектрические потери при переменном напряжении по их особенностям и физической природе делятся на следующие виды:

1.Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией.

2.Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью (характерны для всех без исключения диэлектриков).

3.Ионизационные диэлектрические потери.

Первые два вида диэлектрических потерь подробно рассмотрены в лабораторной работе 2 (поляризация и диэлектрические потери). Данная работа посвящена изучению ионизационных диэлектрических потерь

(потерь на ионизацию).

Ионизационные потери являются дополнительным механизмом диэлектрических потерь для твердых и жидких диэлектриков, содержащих газовые включения, и проявляются только в области сильных электрических

полей (при повышенном U), когда происходит ионизация воздушных включений. Под ионизацией понимается электрический разряд в газовой,

чаще всего, воздушной полости. Такой разряд называется частичным разрядом (ч.р.). Частичный разряд представляет собой пробой малого элемента (части) диэлектрика, при котором диэлектрик в целом остается работоспособным. Таким малым элементом в твердых и жидких диэлектриках являются воздушные включения.

Рис.3.

Обязательным условием возникновения ч.р. (пробоя воздушного включения) является следующее - напряженность электрического поля в воздушном включении (Ев) должна достичь значения электрической прочности воздуха (Епр в)

и жидкого диэлектрика (см. лаб. раб. 3 - электрическая прочность диэлектриков), которая составляет примерно 3,2 кВ/мм (температура 20оС,

давление 0,1Мпа, расстояние между электродами 1 см). То есть воздушные включения являются наиболее слабым местом в системе изоляции. Поэтому их наличие в твердом или жидком диэлектрике может привести к появлению ч.р.

Ч.р. сопровождаются следующими процессами внутри воздушного включения:

1.Выделение тепла;

2.Воздействие активных радикалов (озон, окислы азота);

3.Воздействие заряженных частиц;

4.Ударная волна;

5.Световое излучение.

Это приводит к дополнительному поглощению энергии, в результате чего диэлектрические потери, а следовательно, и tgδ возрастают при

возникновении ч.р. Поэтому ионизационные потери иногда называют

потерями на ч.р.

На рис.4 показано влияние газовых включений на характер изменения tgδ с увеличением напряжения. Зависимость tgδ = f(U) называют кривой ионизации. Из выражения (2) следует, что ч.р. возникают, начиная с некоторого значении напряжения, которое называется напряжением начала ч.р. - Uнчр. При напряжении ниже Uнчр расположен участок I (ч.р. не возникают), на котором значение tgδ неизменно или слабо возрастает при увеличении напряжения. На этом участке tgδ определяется только потерями собственно в диэлектрике (потери на электропроводность и поляризацию),

величина которых - tgδо - не зависит от напряжения. При наличии в изоляции воздушных включений повышение напряжение вызывает резкий рост tgδ,

начиная со значения напряжения Uнчр (много меньше кратковременного пробивного), до максимального значения при напряжении Uк ≈2Uнчр (участок

II) за счет потерь на ионизацию воздуха ∆tgδ. Поскольку электрическая прочность воздушной полости возрастает с уменьшением ее толщины dв

(рис. 5), то вначале ч.р. возникают в крупных газовых включениях, затем, по мере роста напряжения - в более мелких включениях. Таким образом, по мере роста напряжения ч.р. возникают во все большем числе полостей и потери в изоляции, ими определяемые (Рч.р.), увеличиваются быстрее, чем возрастает реактивная мощность (Рд), пропорциональная квадрату напряжения, т.е. tgδ= Рч.р/ Рд возрастает. С дальнейшим увеличением напряжения, когда в большинстве включений уже возникли разряды, потери оказываются пропорциональными напряжению и наблюдается снижение величины tgδ. Однако, напряжения, при которых изоляция находится в

эксплуатации и подвергается контролю, обычно соответствуют возрастающей ветви зависимости tgδ = f(U). При отсутствии воздушных включений tgδ не должен зависеть от напряжения, так как ч.р. в них не

возникают. На ход зависимости tgδ = f(U) оказывает влияние как размер

газовых включений, так и давление и вид газа (см.работу 3).

Под действием ч.р, зажигаемых в газовых включениях твердой изоляции, идет постепенное ее разрушение - электрическое старение.

Первостепенную роль здесь играет воздействие озона и окислов азота,

которые, в особенности в присутствии даже малого количества влаги,

действуют как сильные окислители на большую часть органических изоляционных материалов, вызывая их постепенное разрушение. При этом неорганические материалы обычно стойки к действию озона.

В процессе электрического старения происходит постепенное снижение электрической прочности изоляции, что приводит к преждевременному пробою и выходу из строя всей электротехнической конструкции. Поэтому

Поэтому при оценке качества изоляции (кабелей, конденсаторов,

трансформаторов, электрических аппаратов, высоковольтных электрических машин) помимо значения tgδ при рабочих условиях во многих случаях большое значение имеет и характер изменения tgδ в зависимости от приложенного напряжения. Определение зависимости tgδ = f(U) очень важно,

так как позволяет оценить наличие воздушных включений в изоляции,

отбраковать изоляцию с недопустимыми воздушными включениями и тем самым снизить интенсивность электрического старения. Чем меньше приращение tgδ вследствие ионизационных потерь (∆tgδ ) и чем при более высоких напряжениях Uнчр начинается рост tgδ, тем выше качество изоляции.

Так для изоляции высоковольтных обмоток турбо- и гидрогенераторов стандартизован прирост потерь на ионизацию ∆tgδ≤0,005 при подъеме напряжения на каждую ступень 0,2Uноминальн.

Для повышения качества электрической изоляции высокого