Испытание мощных трансформаторов и реакторов - Измерение емкости и tg d обмоток

3. ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ И tg δ ОБМОТОК

а)       Методы измерений

Емкость и диэлектрические потери (tg δ) испытываемого объекта, например конденсатора, могут быть определены по методу вольтметра, амперметра и ваттметра. В этом случае емкость Сх, мкФ, определяется из показаний амперметра и вольтметра:
(8-5)
a tg δ определяется из показаний трех приборов:
(8-6)
где Р — мощность, измеренная ваттметром, за вычетом потерь на собственное потребление приборов, Вт; U — напряжение на испытываемом объекте, В; I — ток, измеренный амперметром (миллиамперметром), А; ω — угловая частота при 50 Гц, ω=2πf=2·3,14-50=314 c_1.
Практически при испытаниях трансформаторов обычно применяют более точные и удобные в работе мостовые методы для непосредственного измерения емкости и tg δ обмоток. В некоторых случаях для определения емкости применяют метод вольтметра и амперметра (§ 8-3,г).

б)  Мост переменного тока с уравновешенной диагональю.

На рис. 8-9 показаны согласно [Л. 1-3] три варианта схем включения моста переменного тока с уравновешенной диагональю для измерения емкости и tg δ испытываемого объекта. Схема по рис. 8-9,а применяется в тех случаях, когда оба электрода испытываемого объекта, например конденсатора, изолированы или могут быть изолированы от земли. Мост имеет четыре плеча: одним плечом является испытываемый объект Сх, вторым служит образцовый конденсатор CN, практически не имеющий потерь (или его потери весьма малы и постоянны, а значения их известны); третье содержит точный переменный резистор Rз, состоящий из нескольких декад с последовательно включенным реохордом для плавной регулировки; четвертым служит точный резистор R4, параллельно которому подключен конденсатор с переменной емкостью С4.

Рис. 8-9. Принципиальные схемы уравновешенных мостов переменного тока.
f — нормальная; б — перевернутая; в — с заземленной диагональю.

Сопротивления R3 и R4 подобраны таким образом, что падение напряжения в них при максимально допустимом напряжении на образцовом конденсаторе CN не превышает нескольких вольт. В диагональ моста включен чувствительный вибрационный гальванометр ВГ, служащий указателем равновесия моста. Все части моста, находящиеся под низким напряжением, защищены от влияния внешних электрических и магнитных полей заземленным металлическим экраном. В точках А и В моста подключены низковольтные разрядники для защиты от случайных перенапряжений. Точку С моста присоединяют к высоковольтному вводу обмотки ВН питающего (испытательного) трансформатора ИТ, а точку D и низковольтный ввод обмотки ВН испытательного трансформатора заземляют.

Рис. 8-10. Принципиальная схема моста переменного тока типа Р525. Со — образцовый конденсатор емкостью 100 пФ и tg δ<5 · 10-5; Сх — испытываемый образец; R3 — набор измерительных резисторов 10(1000+100+10+1+0,1) Ом и включенный последовательно с ним делитель с сопротивлением 0,1 Ом; R4 — безреактивиый резистор из двух последовательно соединенных частей; R1 и R2 — симметрирующие резисторы по 3183 Ом; С3 - набор измерительных конденсаторов на 10(0,1+0,01+0.001+0,0001) мкФ; С4 — симметрирующий воздушный конденсатор переменной емкости до 1000 пФ: Тр1 — трансформатор питания устройства регулировки защитного напряжения; Тр2 — разделительный трансформатор; r1,r2 — реохорды с сопротивлением 100 и 10 Ом для грубой и тонкой регулировки защитного напряжения, r3,r4 — сдвоенные реохорды (по 470 и 10 Ом) для изменения фазы защитного напряжения; С1 — конденсаторы по 20 мкФ для изменения фазы защитного напряжения; г — зажимы для подключения усилителя с индикатором нуля; П1 — переключатель для подключения нулевого указательного устройства или переключения его на экран; П2 — то же для изменения полярности подключения симметрирующих устройств

По описанной схеме работает мост типа Р525 (рис. 8-10), который при испытании трансформаторов в основном применяется для испытания пробы трансформаторного масла или другой изолирующей жидкости (§ 8-4,г). При определенных условиях (§ 8-3,г) этот мост как более точный можно применять и при измерении емкости и tg δ обмоток трансформаторов классов напряжения 110 кВ и выше.
Основные технические характеристики моста:

Схема на рис. 8-9,6, называемая перевернутой, применяется для измерения емкости и tg δ объектов, у которых один электрод наглухо заземлен. В этом случае высоковольтный ввод испытательного трансформатора присоединяется к точке D моста, а точка С заземляется и, следовательно, все измерительные элементы моста находятся под высоким потенциалом. Поэтому рукоятки управления элементами моста, находящимися под высоким потенциалом, должны быть изолированы на максимальное рабочее напряжение моста, а сами элементы должны быть заключены в заземленный металлический кожух для защиты испытателя от прикосновения к этим элементам.
Для работы по перевернутой схеме приспособлен мост типа Р595 (табл. 8-2), который может работать и по нормальной схеме. Этот мост, выпущенный взамен моста типа МД-16, предназначен для измерения емкости и tg δ при профилактических испытаниях высоковольтной промышленной изоляции. Мост используется также при приемо-сдаточных испытаниях трансформаторов на заводах.
Мост состоит из следующих основных блоков: панели; набора измерительных резисторов, набора измерительных конденсаторов и нуль-индикатора. Кроме того, в комплект моста входит образцовый воздушный конденсатор емкостью 50 пФ с погрешностью определения ±0,5%.

Характеристики моста P59S

Согласно заводской инструкции истинное значение емкости или tg δ равно среднему значению из четырех последовательных измерений (при разных положениях переключателей полярности на мосте и регулирующего устройства).
Существенным недостатком мостов МД 16 и Р595 является малая чувствительность, а следовательно, значительная погрешность при измерении малых значений tg δ у трансформаторов большой мощности и высокого напряжения. При испытании трансформаторов классов напряжения 220 кВ и выше применение мостов МД16 и Р595 для измерения tg δ изоляции обмоток нежелательно, так как это может привести к значительным ошибкам в оценке состояния изоляции этих трансформаторов. Например, при измерении мостом Р595 tg δ=1 % погрешность измерения согласно табл. 8-2 может составить: ∆tgδx=± (0,3+0,05.1/1 )100=±35%, а при tgδ=0,5% погрешность измерения увеличится приблизительно вдвое, т. е. ∆tgδ=±65%.
Рекомендуется применять мосты, позволяющие измерять tgδ с погрешностью не более 5%.
Для измерений на объектах с одним заземленным электродом можно применять схему на рис. 8-9,в. По этой схеме заземляется точка А диагонали моста и в этом случае измерительные элементы моста находятся под низким напряжением. Мостом с заземленной диагональю измеряют не только емкость, и tg δ испытываемого объекта, но и паразитные емкости С и tgδ'п обмотки ВН питающего трансформатора ИТ и высоковольтных проводов С—С1. Истинное значение Сх и tg δ объекта определяют из двух опытов. При первом измеряют суммарную емкость С1=С+СП и суммарный угол потерь (tg δ). При втором опыте, с отключенным объектом, измеряют паразитные емкости С'п и угол потерь (tgδn). Из результатов двух опытов искомые значения Сх и tgδ определяют по формулам:
(8-7)

Рис. 8.11. Принципиальная схема моста типа 2801 фирмы «Теттекс» (Швейцария).
Сх — испытываемый объект; Ск — образцовый конденсатор; R — безреактивное сопротивление 0—1111 Ом; R4 -to же, но 100-200-500-1000- 2000-5000-10 000-100/π-1000/π- 10 000/π Ом; Rш - шунт 0,1—0,3—1— 2—5—10—20—50 Ом; г — реохорд 0— 1,05 Ом; Ri — ограничительное сопротивление шунта; П — переключатель предела измерения tg δ; Па — то же нуль-индикатор; С — декада емкостей 50 пФ — 1,111 мкФ.

Рис. 8-12. Принципиальная схема (№ 3) универсального моста типа 2801 с приставкой типа 2911 для измерения емкости и tg δ объекта с одним заземленным электродом.
С — образцовый конденсатор; Сх — испытываемый объект; R3 — набор сопротивлений 10 000-1 Ом; R — то же 10(100+10+1) Ом; 5 — реохорд с сопротивлением 0,01—1,05 Ом; С— декадный набор емкостей на 10(0,1 +0,01+0,001) мкФ с воздушным конденсатором на 50—1100 пФ; ПС1 — элементы приставки для компенсации паразитных емкостей СпВН в СпНН: ЭНИ — электронный нуль- индикатор типа 5501; р — разъединитель.

Мосты с заземленной диагональю широко применяются за рубежом. В частности, высоковольтные мосты, приспособленные для измерения при заземленной диагонали, выпускает ряд фирм; в частности универсальный мост типа 2801 швейцарской фирмы «Теттекс», приспособленный для работы по шести различным схемам, позволяет при помощи специальной приставки типа 2911 производить измерения на объектах с одним заземленным электродом.
На рис. 8-11 дана схема моста для работы по нормальной схеме измерения.
При работе со специальной приставкой типа 2911 для измерения по схеме с заземленной диагональю (рис. 8-12) и при емкости образцового конденсатора  мост имеет пределы измерения. Погрешности измерения: по емкости ±0,04%; по tgδ±0,5%, ±1,5· 10-5. Массы и габариты моста и приставок: мост без приставок — 21 кг, габариты 600X380X195 мм; приставки типа 2911 — 15 кг, габариты 360x500X195 мм. Электронный нуль-индикатор типа 5501 —8 кг, габариты 350X200X210 мм.
Ёмкость и tgδ объекта с одним заземленным электродом можно измерить также мостом типа ЕНСТ-2 (рис. 8-13), который является вариантом моста Шеринга с дифференциальным ТТ VFM-71. Дифференциальный ТТ состоит из кольцевой магнитной системы с обмотками W1 и W2 с переключаемыми числами витков.

Рис. 8-13. Принципиальная схема моста типа ЕНСТ-2 с дифференциальным трансформатором.
а — основная схема; б — измерение на заземленном объекте.

Обмотка w обтекается зарядным током 4 испытываемого объекта Сх, а обмотка w2 — током образцового конденсатора С. Токи создают в кольцевой магнитной системе взаимообратные м. д. с. Мост уравновешивается изменением числа витков обмоток  w1-2 и параметров цепи R2 и С2 до тех пор, пока магнитный ноток в кольцевой магнитной системе не станет равным нулю. Состояние равновесия моста указывается осциллографическим нуль-индикатором, включенным на обмотку w3.
Мост допускает измерение на заземленном объекте (рис. 8-13,б). При этом результаты предварительного измерения при отключенном объекте учитывают для внесения поправки согласно (8-7) в результаты измерения с включенным объектом. При емкости испытываемого объекта более 10000 нФ поправка на паразитную емкость Cs пренебрежительно мала. При измерении на заземленном объекте низковольтный ввод испытательного трансформатора Т разземляют, при этом напряжение на этом вводе относительно земли не превышает 1 В.
Таблица 8-3
Пределы измерения по емкости моста ЕНСТ-2

Таблица 8-4
Границы погрешностей моста ЕНСТ-2

Основные технические характеристики моста ЕНСТ-2: Пределы измерения tg δ ......    (0—1000);
Чувствительность по tg δ..... 10-5 конечного значения
Пределы измерения по емкости. . .     (0—11 000) СN, в зависимости от емкости образцового конденсатора СN, (табл. 8-3) Чувствительность измерения емкости (0,5-М) 10_6 Сх+4-10-5 Cx
Границы погрешностей по tg δ и емкости даны в табл. 8-4.

в)        Условия равновесия моста

При измерениях по схемам на рис. 8-9 искомые величины Сх и tg δx- определяются в положении равновесия моста по значениям R3, R4, С4 и CN. Равновесие устанавливается по нулевому показанию вибрационного гальванометра, которое достигается сначала регулированием сопротивления R3, а затем переменной емкости С4. При отсутствии тока в цепи гальванометра (в диагонали) падения напряжения между точками A—D и В—D моста будут равны. Этому положению соответствует диаграмма напряжений и токов отдельных плеч моста, показанная на рис. 8-14. Диаграмма построена для последовательной схемы замещения изоляции, при которой активное сопротивление rх, эквивалентное диэлектрическим потерям, соединено последовательно с емкостью испытываемого объекта Сх.

Рис. 8-14. Векторная диаграмма напряжений и токов моста с уравновешенной диагональю.
U — напряжение питания моста; U AC = lN|ωCN — падение напряжения на образцовом конденсаторе: UE C=1х|ωСх— реактивное падение напряжения на испытываемом объекте; UBA=lxR3-l4R-lC4|ωC — падение напряжения в плече R, равное падению напряжения в плече RC; Iх — ток испытываемого объекта; IN— ток образцового конденсатора; Ict — ток переменного конденсатора С.

Схема предполагает, что в нормальной изоляции основную долю диэлектрических потерь составляют абсорбционные потери. Доля потерь от сквозного тока проводимости невелика. Если в дефектной изоляции преобладают потери от токов утечки, то формула для определения С, выведенная на основе последовательной схемы замещения, дает несколько преувеличенные результаты. Значения диэлектрических потерь в обоих случаях получаются одинаковыми.