11.2. Контроль внутренней изоляции
1. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь, tgδ.
2. Измерение
отношения ёмкостей (
).
3. Измерение частичных разрядов (ЧР) в изоляции.
4. Измерение инфракрасного излучения (ИК).
Для неразрушающего контроля изоляции используются поляризационные явления в диэлектриках.
11.3. Поляризация диэлектриков
Для контроля изоляции используются явления поляризации. Различают следующие виды поляризации:
-электронная, длительностью 10-15 сек;
-ионная, длительность 10-12 сек;
-дипольная, длительностью 0,1–1 сек;
-межслоевая (миграционная) 0,001–10 с.
Первые два вида поляризации (электронная и ионная) протекают за время 10-12 –10-15 сек и ниже, поэтому их нельзя использовать для контроля изоляции. При промышленной частоте проявляется дипольная и межслоевая поляризации. Сущность дипольной поляризации заключается в ориентации дипольных молекул в направлении силовых линий электрического поля, рис.1.
В результате этой
ориентации на поверхности диэлектрика
возникает избыточный заряд, который
подтягивается к электроду противоположного
знака. Поворот дипольных молекул
происходит в вязкой среде, поэтому
процесс поляризации происходит с
запаздыванием. За промежуток времени
(меньше периода промышленной частоты)
заряжается емкость
,
определяемая геометрическими размерами
изоляционной конструкции и диэлектрической
проницаемостью
.
а) б)
Рис.1 Схемы возникновения поляризации:
а) дипольная поляризация б) межслоевая поляризация.
После заряда ёмкости к электродам продолжает подтекать поляризационный ток. Ток спадает по экспоненциальному закону с постоянной времени Т (миллисек). Дипольной поляризацией обладают дипольные диэлектрики (вода, спирт). Межслоевая поляризация обусловлена неоднородностью структуры изоляции (наличие включений с повышенной проводимостью). Тогда ток смещения в изоляции протекает частично по проводимости включений. Поэтому при включении диэлектрика под напряжение U в токе возникает составляющая, связанная с зарядом емкостей С через сопротивления r. Постоянная времени межслоевой поляризации лежит в пределах от миллисекунды до десятков с.
Для целей контроля изоляции удобно пользоваться постоянной времени Т быстрой и межслоевой поляризации. Быстрая поляризация имеет Т миллисек, медленная – с и выше.
Для обоих видов поляризации можно ввести схему замещения изоляции, рис. 2.
Рис. 2. Схема замещения изоляции.
В этой схеме одна
ветвь состоит из ёмкости
,
другая ветвь, содержащая ёмкости,
и
сопротивление r
отражает поляризационные процессы в
изоляции. Суммарная емкость схемы равна:
.
Эта ёмкость определяет полный заряд,
который накопится на электродах
изоляционной конструкции после завершения
поляризационных процессов. Сопротивление
изоляции R,
отражает сквозные пути утечки в изоляции
при образовании в ней сквозных мостиков
из частиц повышенной проводимости. При
приложении U, ток в схеме будет иметь
следующие составляющие :
а) импульс тока
заряда ёмкости (
,
рис. 3);
б) абсорбционный
(поляризационный) ток
изменяющийся с постоянной времени T;
в) ток сквозной
проводимости
.
Составляющие тока в изоляции при поляризационных явлениях приведены на рис. 3.
На основе схем замещений (рис. 4.б,в.) можно рассмотреть многие методы контроля изоляции. Поляризационные характеристики качества изоляции основаны на схеме замещения по рис. 2 связаны с увлажнением изоляции (т.е. отражают показатели увлажненности изоляции).
Рис 3. Изменение тока и сопротивления изоляции во времени.
Сущность межслоевой поляризации рассмотрим на примере двухслойного диэлектрика, расположенного между плоскими электродами (рис. 4.а.)
а) б) в)
Рис. 4. Двухслойный диэлектрик (а) и схемы его замещения (б,в)
Для такого диэлектрика возможны две схемы замещения.
Первая из – них
схема замещения по слоям, рис 4.б. Элементы
этой схемы определяются через параметры
слоев диэлектрика
и
следующим
образом:
;
;
;
;
где
толщина
1-го и 2-го слоев диэлектрика; S- площадь
электродов.
Вторая схема
замещения показана на рис.4.в. На этой
схеме R=R1+R2
сопротивление утечки, характеризующая
проводимость 2-слойного диэлектрика.
геометрическая
ёмкость диэлектрика.
Значения
– элемента схемы рис.4.в. характеризуют
неоднородность диэлектрика. Емкость
неоднородного диэлектрика зависит от
частоты. Эта зависимость выражается
формулой:
,
(1)
где
постоянная времени.
Зависимость С=f(
)
показана на рис. 5. Из этого рисунка
видно, что Сr
– это ёмкость неоднородного диэлектрика
при бесконечно высокой частоте.
В этом диэлектрике происходит поляризация частично мгновенно, и частично со временем релаксации τ=Т=r∆С.
Условие неоднородности диэлектрика и условие существования в двухслойном диэлектрике миграционной поляризации оценивается отношением
.
Рис. 5. Зависимость емкости неоднородного диэлектрика от частоты ω .
Для миграционной поляризации характерно накопление на границе слоев неоднородного диэлектрика заряда абсорбции. При длительном приложении к диэлектрику постоянного напряжения U0 на слоях устанавливаются напряжения:
;
.
Соответственно на ёмкостях слоев С1 и С2 накапливаются заряды:
;
.
При этом на границе раздела слоев суммарный заряд будет равен:
.
Если соблюдается условие неоднородности диэлектрика:
,
и соответственно R1C1≠R2C2, то на границе раздела слоев накапливается заряд абсорбции qабс .
С накоплением заряда абсорбции связаны явления, которые используются для оценки состояния неоднородной изоляции.
При однородной
изоляции, т.е. R1C1=R2C2
, или
,
то r→∞,
∆С=0 (см. рис. 4.б.) в этом случае заряд
абсорбции не накапливается: q=0.