Определение индикатора состояния изоляции силовых кабелей с применением компенсационной схемы

С применением компенсационной схемы возможно измерить тангенс диэлектрических потерь, который является одним из индикаторов состояния изоляции силовых кабелей.

Схема включает источник  напряжения (), переменный конденсатор (), опытный образец кабеля, обозначенный активным и ёмкостным сопротивлением ( и ), осциллографа с дифференциальным щупом (для регистрации напряжения) и измерительные резисторы (), необходимые для регистрации сигнала, пропорционального току.

Рисунок 1. Компенсационная схема для измерения тангенса угла диэлектрических потерь

Проведение измерений с использованием мостовой схемы заключается в настройке переменного конденсатора  до величины, максимально приближенной к ёмкости исследуемого образца кабеля и дальнейшему снятию показаний амплитуды напряжения с осциллографа, подключенного к ветви с конденсатором и ветви с кабелем, соответственно.

Установить равенство ёмкостей  и   с одинаковыми значениями ёмкости практически невозможно, так как погонная ёмкость кабелей весьма мала. К примеру, погонная ёмкость кабеля марки АСБ 3х120 составит .

Если рассматривать векторную диаграмму данной схемы, то можно ввести разностный ток, который будет являться результирующим вектором для векторов , и , при этом  будет сдвинут на некоторый угол  относительно . Причем этот угол может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от того какой из ёмкостных токов больше.

Рисунок 2. Векторная диаграмма для токов в мостовой схеме

Напряжение, снимаемое с дифференциального пробника пропорционально данному разностному току. Соответственно исходя из него, возможно высчитать величину тангенса угла диэлектрических потерь в изоляции исследуемого кабеля.

Непосредственно ток утечки через изоляцию будет равен проекции вектора разностного тока на вектор напряжения, так как ток утечки кабеля носит активный характер и его вектор синфазен с вектором напряжения источника. Если рассматривать данную диаграмму относительно угла δ, равному , то возникает возможность высчитывать разностный ток, таким образом, как если бы на данной векторной диаграмме [рис 2] отсутствовали ёмкостные составляющие. Иными словами – в таком расчёте разностный ток становится равным току утечки кабеля. Такой расчёт можно провести если выставить параметры конденсатора  точно до параметров ёмкости образца кабеля, или же воспользоваться домножением разностного тока на косинус угла φ.

В свою очередь разностный ток, равный току утечки кабеля можно описать выражением:

Для определения тангенса угла диэлектрических потерь необходимо высчитать ёмкостный ток исследуемого кабеля:

Непосредственно рассчитать тангенс угла диэлектрических потерь можно по формуле, предварительно выполнив домножение амплитуды напряжения с дифференциального щупа на косинус фазового угла сдвига [3]:

Также, в программе Matlab Simulink, было проведено 11 симуляций измерений дифференциального напряжения, подключенного к элементам, параметры которых эквивалентны параметрам кабеля марки АСБ 3х120 длиной 1 м, данные этих измерений были занесены в таблицу. В симуляции напряжение источника взято равным 3 кВ, номиналы измерительных резисторов – по 100 кОм каждый, сопротивление изоляции –  Ом. Ёмкость образца кабеля равна Ф.

Симуляции проводились в режимах небаланса с шагом регулирования подстроечного конденсатора  в 1% от конденсатора , являющимся в данном измерении ёмкостью лабораторного образца кабеля марки АСБ 3х120, длиной в 1м.

Таблица 1.

Результаты

Как можно заметить при измерении тангенса диэлектрических потерь для образца кабеля – конденсатор  должен иметь шаг регулирования ~1%, или меньше, относительно ёмкости кабеля.