Тангенс угла диэлектрических потерь, измерение показателя диэлектрических потерь

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в электроизоляционном материале под воздействием на него электрического поля.
Способность диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле обычно характеризуют углом диэлектрических потерь, а также тангенсом угла диэлектрических потерь. При испытании диэлектрик рассматривается как диэлектрик конденсатора, у которого измеряется емкость и угол δ, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи. Этот угол называется углом диэлектрических потерь.
В объеме и на поверхности диэлектрика, который находится в электрическом поле, возникают электрические диполи. Этот процесс называется поляризацией. Известно несколько видов поляризации – электронная, ионная, релаксационная, миграционная и ряд других. Виды поляризации различаются по времени, которое необходимо для установления поляризации.

Электронная и ионная поляризация относятся к быстрым видам поляризации, которые устанавливаются за очень малое время 10-10-10-15с. Релаксационная и миграционная поляризация относятся к медленным видам поляризации. Например, при миграционной поляризации время, необходимое для установления поляризации, может быть соизмеримо с периодом промышленной частоты или даже превышать его.
Таким образом, в переменном электрическом поле диэлектрические потери складываются из потерь на проводимость и потерь на поляризацию. В постоянном электрическом поле диэлектрические потери включают в себя только потери на проводимость.
Существует ещё один вид диэлектрических потерь, который называется ионизационны
ми потерями. Ионизационные потери наблюдаются при наличии в диэлектрике частичных разрядов. Частичные разряды это электрические разряды, которые перекрывают лишь часть (как правило, малую часть) изоляционного промежутка. Причинами возникновения частичных разряд является локальное усиление напряженности электрического поля или снижение электрической прочности диэлектрика, например, из-за образования в нем газовых включений.

Измерение тангенса угла диэлектрических потерь при напряжении промышленной частоты используется для контроля изоляции электрооборудования высокого напряжения. Предельно допустимое значение tgδ нормируется для различных видов изоляции. Если измеренное значение tgδ изоляции не превышает предельно допустимое, то изоляция считается нормальной.
По результатам измерений tgδ при нескольких значениях напряжения строят зависимость tgδ=f(U~). Для изоляции нормального качества значение tgδ остается практически неизменным при всех значениях испытательного напряжения рис.3а. Если же tgδ изоляции увеличивается, начиная с некоторого значения напряжения рис 3б, то это свидетельствует о наличии в изоляции частичных разрядов. Увеличение tgδ обусловлено ионизационными потерями при частичных разрядах. Чем выше напряжение, тем выше интенсивность частичных разрядов и выше диэлектрические потери.
Напряжение, начиная с которого происходит возрастание tgδ , называется напряжением начала частичных разрядов Uчр.

Значения tgδ для некоторых диэлектриков при температуре 20оС и частоте испытательного напряжения 50 Гц. Если для какого - либо участка изоляции электрооборудования были проведены два измерения tgδ при разной температуре изоляции, то для оценки состояния изоляции данные измерений должны быть приведены к одной температуре

Если известны значения тангенса угла диэлектрических потерь для нормальной изоляции tgδн и для дефектной изоляции tgδд. объем нормальной Vн и дефектной Vд изоляции, а также относительную диэлектрическую проницаемость для нормальной εн и дефектной изоляции εд. Измеряемое значение tgδизм будет следующим выражением
Если в изоляции появился дефект в 10 раз больше tgδн , который занимает 0,5% объема изоляции, то увеличение tgδизм по сравнению с изоляции tgδн составит всего 5%, что сопоставимо со случайными разбросами значений tgδ для нормальной изоляции. Таким образом, по измеренному значению tgδ изоляции не представляется возможным обнаружить локальный (сосредоточенный) дефект.

Принцип измерения тангенса угла диэлектрических потерь
В современных цифровых приборах производится измерение угла диэлектрических потерь δ, а тангенс угла диэлектрических потерь вычисляется по измеренному значению δ. Для угла диэлектрических потерь можно дать несколько иное определение по сравнению с тем, что было дано выше. Углом диэлектрических потерь называется угол между вектором полного тока Ix в изоляции и вектором тока смещения Iс
В основу измерения tgδд в современных цифровых приборах положено сравнение фазы полного тока, протекающего через изоляцию, и фазы тока смещения. Разность фаз этих токов и есть угол диэлектрических потерь.
Производится измерение тока через эталонный конденсатор емкостью С0. Эталонным называется конденсатор, диэлектрические потери которого пренебрежимо малы (tgδ=0). Ток, протекающий через эталонный конденсатор, представляет собой ток смещения. Обозначим этот ток через i0. Искомый угол диэлектрических потерь представляет собой разность фаз токов ix и i0.

Испытательное напряжение промышленной частоты приложено к изоляции
испытуемого объекта Cx. и к эталонному конденсатору С0. Ток, протекающий через изоляцию ix, и ток, протекающий через эталонный конденсатор i0, подаются, соответственно, на вход «X» и вход «0» измерительного прибора и далее через измерительное сопротивление R на землю. Аналоговые сигналы, пропорциональные токам ix и i0, поступают в аналогово-цифровой преобразователь, где производится оцифровка сигналов и определение действующих значений токов.
Оцифрованные сигналы поступают в блок сравнения для определения разности фаз токов ix и i0, то есть искомого угла диэлектрических потерь. По значению угла диэлектрических потерь δ в приборе производится вычисление tgδ. Таким образом, установка для измерения tgδ изоляции должна включать в себя источник испытательного напряжения, измерительный прибор и эталонный конденсатор. В некоторых измерительных приборах имеется встроенный эталонный конденсатор.