Что такое тангенс угла диэлектрических потерь

Изоляционные свойства диэлектриков зависят как от величины приложенного напряжения и его частоты, так и от внешних факторов (температуры, влажности). В процессе эксплуатации в структуре материалов происходит постепенное накопление дефектов, следствием которых является деградация диэлектрических параметров. В связи с этим необходим регулярный контроль электроизоляционных характеристик для высоковольтного оборудования и приборов. Мощные генераторы, трансформаторные электроподстанции, изоляторы высоковольтных линий электропередач, автотрансформаторы регулярно проходят проверку посредством специализированных приборов контроля. Основная характеристика в системе контроля диэлектрических свойств — тангенс угла потерь.

Общие положения

Образцами для исследования электрофизических свойств диэлектриков служат конденсаторы, между обкладками которых находится тестируемое вещество. Конденсатор с идеальными параметрами должен удовлетворять двум условиям:

• При подаче на обкладки постоянного электронапряжения ток утечки отсутствует (j_a = 0) вплоть до напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика. Ток при этом лавинообразно нарастает.
• При подаче переменного напряжения с определённой частотой фазовый сдвиг (угол φ) между напряжением U и током I_c равен 90 градусов.

Переменное электронапряжение поочерёдно заряжает обкладки конденсатора. В ходе этого процесса конденсатор получает порцию энергии, чтобы на следующем этапе вернуть её обратно в сеть. Произведение ёмкостного тока I_c на величину напряжения равно потребляемой ёмкостной (реактивной) мощности. Диэлектрик с идеальными параметрами позволил бы полностью избежать потерь энергии, то есть, из сети потреблялась бы исключительно реактивная мощность.

Во всех реальных диэлектриках существуют потери энергии, которая преобразуется в тепло. На картинке механизм потерь обозначен в виде активного сопротивления, подключенного параллельно конденсатору. Здесь же изображена векторная диаграмма различных токов, присутствующих в диэлектрике, когда часть электрической энергии переходит в тепло.

Из треугольника токов следует, что:

В данной формуле и на схеме δ — угол диэлектрических потерь, а отношение активного и реактивного электротока — тангенс угла потерь конденсатора для рассматриваемого случая. В общем тангенс угла диэлектрических потерь является интегральным параметром, характеризующим качество изоляции. Увеличение потерь связано с ростом температуры, влажностью, наличием поляризационных процессов.

Кроме tg δ часто используется обратная величина Q, называемая добротностью:

Влияние внутренних свойств диэлектриков на tg δ

Диэлектрическими свойствами обладают вещества в различных агрегатных состояниях: твёрдом, газообразном и жидком. Энергетические потери, которые отражаются на величине тангенса угла потерь (ТУДП) в разных материалах могут быть обусловлены следующими факторами:

• В газовых средах — потерями, вызванными ионизацией атомов и молекул.
• В жидкостях — релаксационными потерями (релаксационная поляризация).
• Дипольной поляризацией — часто встречающийся механизм в твёрдых диэлектриках.
• Сквозной электропроводностью в сочетании с поляризационным рассеянием.
• Наличием неоднородностей и структурными дефектами в аморфных веществах.

Влияние внешних факторов

Тангенс угла при изменении диэлектрических потерь (ТУДП) также меняется. На значение ТУДП влияют следующие факторы:

• Температура внешней среды.
• Наличие и количество влажности.
• Амплитуда электрического напряжения.
• Частота переменного тока и напряжения.

Температура

Рост температуры внешней среды вызывает увеличение tg δ, поскольку растёт электропроводность, обусловленная возбуждением колебаний атомов и движением отдельных ионов и диполей.

Частота

Увеличение частоты приложенного электронапряжения вызывает уменьшение ТУДП, если главным механизмом потерь выступает проводимость диэлектрика. При этом на активную токовую компоненту I_А частота не оказывает влияния, а реактивная составляющая I_С увеличивается прямо пропорционально частоте. Тангенс угла при этом уменьшается.

В случаях, когда главным механизмом потерь выступает поляризация, tg δ на отдельной частоте будет иметь скачок до некоторого максимума с последующим спадом.

В диэлектриках, имеющих разные механизмы потерь, общая величина tg δ будет суммой вкладов отдельных механизмов.

Влажность

Наличие влаги в том или ином виде (пар, жидкость) вызывает однозначное увеличение tg δ, так как влажность способствует уменьшению удельного сопротивления.

Напряжение электрического поля

Значительный рост ТУДП начинается с U_и — напряжения, когда включается механизм ионизации атомов, приводящий к резкому росту потерь.

Значения ТУДП материалов, часто используемых в качестве диэлектриков, можно узнать из справочных таблиц. Например, тангенс угла диэлектрических потерь составляет для трансформаторного масла 5–10^-3, а для конденсаторной бумаги — 9–10^-3.

Измерение ТУДП

Для определения величины ТУДП на практике используется измеритель тангенса угла диэлектрических потерь.

Обязательный контроль величины tg δ даёт информацию о текущем состоянии параметров изоляции токопроводящих частей электрической аппаратуры. Например, мониторинг тангенса угла диэлектрических потерь рабочего масла трансформатора, которое является главным изолятором в этом мощном оборудовании электрических подстанций (от 10 кВ и выше), позволяет предотвратить аварийные ситуации. Измерение и контроль тангенса угла диэлектрических потерь производится в соответствии с нормативными требованиями с помощью сертифицированных приборов.

Видео по теме