Общие сведения

Жидкие диэлектрики получили очень широкое применение электроэнергетике. Трансформаторное масло – один из самых распространенных жидких диэлектриков. Область применения – высоковольтные трансформаторы, конденсаторы, генераторы, высоковольтные выключатели и другие электрические аппараты. Трансформаторное масло значительно повышает электрическую прочность изоляции, используется для гашения дуги в высоковольтных выключателях, обеспечивает интенсивный отвод тепла от токоведущих частей. По своим диэлектрическим характеристикам чистое трансформаторное масло обладает свойствами неполярного диэлектрика. Существенный недостаток трансформаторного масла – пожароопасность. Наряду с трансформаторным маслом в электрических аппаратах применяют синтетические диэлектрики, например – совол, совтол, гексол, полиметилсилоксан (ПМС), а в генераторах еще и дистиллированную воду, которая также является диэлектриком с высокой теплопроводностью.

Электротехнические свойства трансформаторного масла характеризуется следующими величинами: электрическая прочность - Е_ПР, характеризующая напряженность электрического поля при котором происходит пробой диэлектрика; и тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, характеризующий отношение токов активной и емкостной проводимости при переменном напряжении.

Наиболее важной характеристикой масла является его электрическая прочность. Правилами технической эксплуатации электроустановок (ПТЭ) нормируется пробивное напряжение трансформаторного масла для различных аппаратов, определенное в стандартном пробойнике (таблица 3.1).

Таблица 3.1 – Нормы на электрическую прочность трансформаторного масла по ГОСТ 982-80

Для аппаратов с рабочим напряжением, кВ	Пробивное напряжение Uпр, кВ, не менее
	Сухого Масла	Масла, находящегося в эксплуатации
15 и ниже	30	25
15-35	35	30
60-220	45	40
330 и выше	55	50

Тангенс угла диэлектрических потерь – величина, равная отношению мощностей диэлектрических и омических потерь. tgδ характеризует степень чистоты масла. При абсолютно чистом масле tgδ=0. Обычно он находится в пределах 0,05-0,0001. С ростом температуры tgδ возрастает. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь производится при температуре 70 ⁰С, напряжении 10 кВ 50 Гц в специальном сосуде с помощью специального прибора, измеряющего активное и емкостные сопротивления – моста переменного тока.

Качество трансформаторного масла легко определить визуально по его цвету: красный – масло низкого качества, содержит примеси и используется в выключателях и аппаратах до 6 кВ; соломенный – масло высокого качества и предназначено для аппаратов 110 кВ и выше. Трансформаторное масло легко захватывает влагу из контактирующего с ним воздуха, к тому же на воздухе масло окисляется (темнеет) и растворяет в себе газы. При возникновении электрического разряда (например – коронного) или местного перегрева начинается разложение масла на водород и углерод (хороший проводник!). Все это снижает электрическую прочность масла и приводит к выходу из строя электроустановки. Для поддержания высокого качества трансформаторного масла в электрических аппаратах принимают меры для изоляции «масляного зеркала» от атмосферного воздуха, добавляют специальные присадки - антиоксиданты, устанавливают фильтры-осушители, производят периодическую проверку масла и, при необходимости, его очистку.

Полная оценка качества трансформаторного масла состоит из трех этапов.

1. Определение электрической прочности.

2. Измерение тангенса угла диэлектрических потерь tgd; которое позволяет обнаружить твердые примеси и не газообразные продукты разложения (старение масла).

3. Хроматографический анализ растворенных газов, позволяет определить состав растворенных газов и причину ухудшения качества масла (старение (CO₂), коронный разряд (H₂), местный перегрев(CO), контакт с атмосферным воздухом (N₂, O₂)).

Объем исследований

В данной работе производится определение только электрической прочности трансформаторного масла. Для определения электрической прочности трансформаторного масла производится серия из ПЯТИ повторных пробоев изоляционного промежутка в стандартном маслопробойнике с интервалом времени между испытаниями не менее 5 минут. Пятиминутный перерыв необходим для оседания продуктов разложения из промежутка между электродами и восстановления изоляционных свойств масла. Чтобы исключить элемент случайности, по результатам проведенных испытаний вычисляется среднеарифметическая величина пробивного напряжения, а по ней вычисляют электрическую прочность.

Испытательная установка

Испытание масла производится на специальном высоковольтном аппарате – автоматическом испытателе масла АИМ-80. Испытуемое масло заливается в сосуд, установленный внутри аппарата под люком со смотровым окном. В сосуде размещены дисковые электроды, создающие испытательный промежуток (рис. 3.1). Размеры электродов и расстояние между ними определяется ГОСТом.

Рис.3.1 – Стандартный сосуд для испытания масла

Порядок проведения испытаний

1. Изучить инструкцию по работе на аппарате АИМ-80.

2. ПРОВЕРИТЬ НАЛИЧИЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ. РАБОТА БЕЗ ЗАЗЕМЛЕНИЕЯ КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНА! При испытаниях стоять на диэлектрическом коврике.

3. Проверить наличие масла в сосуде и закрыть лючок.

4. Установить переключатели в соответствующие положения: «режим» – «q»; «уст. нуля» - «E».

5. Нажать кнопку «~». При этом желтый индикатор гаснет и загорается красный. Начинается автоматический подъем напряжения (это видно киловольтметру).

6. После пробоя записать значение напряжения пробоя, нажать кнопку «уст. нуля» и дождаться загорания желтого индикатора.

7. Выдержать паузу 5 минут.

8. Повторить пункты 5 – 7 еще четыре раза.

9. После окончания испытаний отключить аппарат от сети.

Обработка результатов испытаний

1. Результаты испытаний занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2

Номер пробоя	UПР, кВ
1
2
3
4
5
UПР, среднее, кВ
ЕПР, кВ/мм

2. Найти среднее значение пробивного напряжения по результатам пяти испытаний:

3. Найти значение электрической прочности масла:

3. Сделать вывод о пригодности масла вообще и для каких аппаратов его можно применить.

Вопросы для самоподготовки к лабораторной работе №3

1. Что такое трансформаторное масло? Какие еще жидкие диэлектрики вы знаете? (рассказать о способе получения, свойствах и области применения).

2. Чем вызваны электрические потери в жидких диэлектриках?

3. Почему с ростом температуры увеличивается tgd трансформаторного масла?

4. Что такое электрический пробой жидких диэлектриков?

5. Что такое тепловой пробой жидкого диэлектрика? Когда он наступает?

6. Что такое электрическая прочность? Единицы измерения.

7. От каких факторов зависит электрическая прочность трансформаторного масла?

8. Причины ухудшения качества масла в электрических аппаратах. Способы повышения качества масла.

9. Каковы основные электротехнические свойства трансформаторного масла?

10. Недостатки трансформаторного масла.

11. Синтетические диэлектрики: типы, свойства, достоинства и недостатки

Лабораторная работа №4

Исследование зависимости диэлектрической проницаемости диэлектрика от частоты электрического поля

Цель работы

Исследование зависимости относительной диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков от частоты приложенного напряжения, анализ полученных зависимостей.

Общие сведения

Диэлектрические материалы характеризуются рядом показателей их свойств: физических, механических, электрических, тепловых и т.п.. Для изоляционных материалов особо важны показатели электрических свойств.

Относительная диэлектрическая проницаемость является одним из основных показателей свойств диэлектрических материалов. Эта величина характеризует способность диэлектриков к поляризации. От этого параметра зависит емкость токоведущих частей относительно друг друга, потери мощности в диэлектриках, а значит, и их нагрев.

Относительная диэлектрическая проницаемость ε_r определяется как отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком С_Х к емкости того же конденсатора с вакуумом между обкладками С₀:

т.е. относительную диэлектрическую проницаемость можно определить с помощью легко измеряемой величины – емкости.

Объем исследований

Для двух типов диэлектриков снять зависимости относительной диэлектрической проницаемости от частоты приложенного напряжения.

Типы диэлектриков задаются преподавателем.

Испытательное оборудование

В лаборатории измерение емкости конденсатора с данным диэлектриком при различных частотах приложенного напряжения проводится с помощью измерителя добротности – прибора типа ВМ-560. Схема, поясняющая принцип измерения емкости с помощью прибора приведена на рисунке 5.1.

Индуктивность L и емкости С и С_Х образуют колебательный контур. Сопротивление потерь R_Σ является общим для всего контура. Работа прибора основана на явлении резонанса напряжений. Контур с помощью конденсатора переменной емкости С при выбранных частотах настраивают в резонанс дважды: в начале без исследуемого диэлектрика, а затем с исследуемым диэлектриком. В момент резонанса отклонение стрелки измерительного прибора будет максимальным. Емкость конденсатора с исследуемым диэлектриком равна С_Х=С₁-С₂. Здесь С₁ и С₂ – значения емкости переменного конденсатора при резонансе без исследуемого диэлектрика и с ним соответственно.

Порядок проведения испытаний

Проверить готовность измерителя добротности к измерениям. Для этого поставить ручки управления в исходное положение:

- переключатель рода измерения "Q – ΔQ" в положение "Q";

- переключатель "ВНУТРЕННИЙ ВОЛЬТМЕТР – ОТК" в положение "ВНУТРЕННИЙ ВОЛЬТМЕТР" (расположен на задней панели прибора);

- включить вилку шнура питания в сеть 220 В;

- поставить тумблер питания в положение "~", при этом загорается сигнальная лампа.

После 15-ти минутного прогрева прибор готов к работе.

Установить выбранную частоту. Генератор частоты прибора вырабатывает частоты в диапазоне от 50 кГц до 35 МГц, который разбит на 10 поддиапазонов. Для установки частоты следует нажать кнопку выбранного поддиапазона, затем рукояткой плавного регулирования частоты установить по шкале конкретное значение частоты внутри выбранного поддиапазона.

Из комплекта катушек индуктивности выбрать ту, которая резонирует с колебательным контуром в выбранном поддиапазоне частот, и вставить её в клеммы "L". Ниже приведены номера катушек и диапазоны частот, на которых они применяются. (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Диапазон частот	Номер катушки	Диапазон частот	Номер катушки
50…80 кГц	1	1,8…3,0 МГц	7
80…140 кГц	2	3,0…5,0 МГц	8
140…240 кГц	3	5,0…8,0 МГц	9
220…440 кГц	4	8,0…14,0 МГц	10
440…750 кГц	5	14…24 МГц	11
0,75…1,3 МГц	6	24…35 МГц	12

Поставить переключатель "ПРЕДЕЛЫ Q", определяющего чувствительность прибора, первоначально в положение "100" и настроить измерительный контур в резонанс без подключения конденсатора С_Х с исследуемым диэлектриком.

Грубая настройка осуществляется нажатием кнопки включения электропривода ротора переменного конденсатора "­¯". Точная настройка производится ручкой "ЕМКОСТЬ". Момент настройки в резонанс соответствует максимальному отклонению стрелки измерительного прибора.

Если стрелка измерительного прибора находится в пределе 1/3 шкалы, то необходимо перейти на более чувствительную шкалу переключателем "ПРЕДЕЛЫ Q", если стрелка уходит за пределы шкалы, то перейдите на менее чувствительную шкалу.

Записать значение резонансной емкости С₁.

5. Подключить конденсатор с исследуемым диэлектриком к клеммам "С_Х" и вновь произвести настройку в резонанс. Записать значение резонансной емкости С₂.

Если установлено минимальное значение емкости (при подключенном С_Х) а резонанс не достигнут, то изменяя частоту добиться резонанса. После этого произвести повторно измерение С₁ без конденсатора с образцом на новой частоте, которая была установлена.

6. Повторить пункты 2,3,4,5 для других заданных частот.

7. Повторить измерения для другого заданного диэлектрика.

Обработка результатов измерений

Рассчитать значения емкости С_Х исследуемого диэлектрика и относительную диэлектрическую проницаемость ε_r при различных частотах по формулам:

где d – толщина диэлектрика, см;

ε₀=8,86*10^-14 Ф/см – электрическая постоянная;

S=6,25 см² – площадь обкладки конденсатора.

Результаты опытов и расчетов занести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Название диэлектрика

f, кГц

С1,пФ

С2,пФ

СХ,пФ

εr

Построить графики зависимостей диэлектрической проницаемости от частоты ε_r=ψ(f) и объяснить их характер.

Дать краткую характеристику исследуемых диэлектриков.

Вопросы для самоподготовки к лабораторной работе №4