Способ измерения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь трансформаторного масла

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены диэлектрические проницаемости и тангенс угла диэлектрических потерь масел, полученных из местного сырья. В лаборатории были изучены зависимости реальные и мнимые части диэлектрической проницаемости от частоты при комнатной температуре и определены соответствие стандарту по физико-химическим характеристикам масла на основе результатов анализа.

ABSTRACT

This article presents the dielectric constant and the tangent of the dielectric loss angle of oils obtained from local raw materials. The laboratory studied the dependences of the real and imaginary parts of the dielectric constant on frequency at room temperature and determined compliance with the standard for the physicochemical characteristics of the oil based on the results of the analysis.

Ключевые слова: диэлектрик, диэлектрические потери, время, переменный ток, масло, тангенс угла.

Keywords: dielectric, dielectric loss, time, alternating current, oil, angle tangent.

Поведение диэлектриков в переменном электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью и диэлектрическими потерями. Диэлектрическая проницаемость характеризует увеличение емкости, по отношению с предыдущей C₀ при введении диэлектрика в конденсатор.

Диэлектрические потери характеризуют энергию, потерянную при переходе электрического тока через конденсатор с диэлектриком. Если переменное электрическое поле  с частотой ƒ приложится в конденсатор с диэлектрикой, , где , то заряд на пластинах конденсатора , ток текущий через конденсатор

здесь I_p – реактивный ток (ток сдвига). Как мы видим, I_p опережает силу тока на , то есть на 90⁰.

Потребление энергии приводит к переориентации диполей (что эквивалентно возникновению острой изменчивости) и к поверхности компонента I_a зависимого от напряжения активного тока из-за наличия диэлектрической проводимости. На рисунке 1 ниже показаны векторные диаграммы напряжения и тока. Результирующий ток I_n = I_a + I_p опережает вектор напряжения U на угол . К этому углу добавляется дополнительный угол , который называется углом диэлектрической проницаемости, где = 90⁰ - . Потеря энергии при прохождении тока через образец конденсатора C:

                                                              (3)

где J_p = UωC.

Таким образом, диэлектрические потери пропорциональны тангенсу угла диэлектрических потерь.

tgδ=J_a/J_p                                                                                       (4)

Диэлектрическая проницаемость может быть выражена комплексным термином состоящим из действительной  и мнимой  частей.

                                                                       (5)

Где J = . В этом случае ток проходящий через конденсатор будет равен следующему:

Рисунок 1. Диаграмма компонентов комплекной диэлектрической проницаемости напряжений, токов, резисторов и их эквивалентная схема

Организатор активного ингредиента тока определяется по формуле J_a  = ωC_0яU, организатор реактивного тока по J_p = jωC₀ U. Диэлектрические потери можно рассчитать по следующей формуле.

                                                                         (7)

Конденсатор с диэлектриком внутри имеющий диэлектрические потери может быть представлен в виде схемы эквивалентного конденсатора с такой же емкостью не имеющего диэлектрические потери и параллельным резистором R, как показано на рисунке 1.

Таким образом, параметрами, характеризующими масляные диэлектрики в переменном электрическом поле, являются и или  и tgδ [1]. Для подробного изучения состояния масляных диэлектриков в переменном электрическом поле исследуются отношения   и  (  и  tgδ ) к температурам и частотам в данном интервале. После получения этих связей можно охарактеризовать подвижность молекул в масле, функцию распределения времени высвобождения диполей.

Таким образом, диэлектрическая проницаемость  является относительной диэлектрической проницаемостью.

Абсолютная диэлектрическая проницаемость  (в системе СИ) является величиной. Здесь -  электрическую постоянную (8,85 10^-12 Ф/м) иногда называют диэлектрической проницаемостью вакуума. В диэлектриках  значения  и tgδ измеряются частотой колеблющейся в широком диапазоне 10^-5 -10¹⁰ Гц.

Непрерывные измерения частоты обычно выполняются в научных целях, но на практике некоторые измерения производятся на некоторых стандартных частотах для контроля и оценки диэлектрических материалов, т.е. измерения при 10^-2-10^-4 Гц или менее в очень небольшом диапазоне частот в основном выполняются для получения информации о поведении молекул, ответственных за деформацию при длительных напряжениях, процессе генерации зарядов напряжения и поляризации в постоянном электрическом поле. На таких частотах для определения и методы моста не подходят, так как стабилизация моста занимает много времени. Поэтому удобно определять заряд образца конденсатора, измеряя разрядные токи и связи токов в и  преобразовывая в формулы Фурье [2].

При измерении зарядного и разрядного токов конденсаторов, электроды помещая в сосуды с поверхностью C и толщиной от 0,002 до 15 мм устанавливают в измерительную коробку, и электроды подключаются к электрометрическому усилителю и источнику постоянного напряжения.

Выход электрометрического усилителя подключен к монитору. Образцу дается мгновенное (каскадное) напряжение с характерной зависимостью от времени током. Сначала токи быстро растут, а затем со временем замедляются.

После измерения тока в течении времени  напряжение отключается и ток регистрируется путем подключения заземления к электроду выше.

Зарядный ток является суммой токов полярности и проводимости и определяется электрическим сопротивлением тока, которое является постоянным во времени. Проводимость может компенсировать поляризованные токи, где и  могут привести к неточным результатам. Чтобы избежать этого, ток проводимости должен быть отключен от номинального тока разряда.

Обычно ток разряда почти равен току полярности, имеет противоположное направление. Поляризованная часть тока заряда вводится в макроскопический ток ионов i_p, который может быть необратимым и отличаться от тока разряда i_p. Ток проводимости может быть определен путем вычитания тока разряда от тока заряда. Ток можно найти, поместив компонент полярности i(t) (или ток разряда) в ряд Фурье.

i(t)=a/2+acosωt+acos2ωt+…acosnωt+bsinωt+bsin2ωt+…bsinnωt                  (9)

здесь a, a,… aимеют значения (ω), (2ω),… (nω) и b, b, b,bимеют значения (ω), (2ω),… (nω). Для каждого ω значения и  определяются по формуле Фурье.

                                                              (10)

                                                              (11)

Частота определяется по формуле:

                                                                   (12)

Где ƒ - частота, t - время, измеренное от начала заряда. Диэлектрическая потеря определяется нахождением обоих величин.

На рисунке 3 ниже показано соединение действительной и мнимой частей диэлектрического проницаемости к частоте при комнатной температуре.

Рисунок 3. Соединение действительной и мнимой частей диэлектрического проницаемости к частоте при комнатной температуре

По-видимому, диэлектрические потери практически не изменяются в диапазоне частот 10¹–10³ Гц. Его значение составляет tgδ≈1,7. Это указывает на то, что новый образец трансформаторного масла TRM-AA соответствует диэлектрическим потерям обычных стандартных трансформаторных масел.

Список литературы:
1. Блайт. Э.Р, Блур Д. Электрические свойства полимеров. Пер. с англ. –М.:Физматлит, 2008.‐376 с.
2. Сажин Б.И. и др. Электрические свойства полимеров. Л., Химия, 1970.
3. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров. М., Химия, 1988, 160с.
4. Н.Н.Трофимов, М.З.Канович, Э.М.Карташов, В.И.Натрусов, А.Т. Пономаренко, В.Г.Шевченко, В.И.Соколов, И.Д.Симонов‐Емельянов. Физика композиционных материалов. М.: Мир, 2005, т.1,2.