Лекція №15

Тема: Мікрофарадметри. Вимірювання електричної ємності

Вимірювання електричних ємностей досить часто застосовуються на енергетичних підприємствах. За допомогою вимірювання величини ємності кабелю можна досить точно визначити місце його обриву. За допомогою вимірювання ємності можна на відстані визначити місце пошкодження високовольтної лінії електропередачі. Періодичне спостереження за змінами величини втрат у ємностях кабелів, обмоток електричних машин і трансформаторів дає змогу прогнозувати назрівання пошкодження електричної ізоляції цих об’єктів, аби своєчасно вжити заходів для попередження аварій з довготривалим строком відновлення аварійних об'єктів. Вимірювання ємностей також необхідні при ремонтах приладів чи апаратів, у складі яких передбачено встановлення чи заміну ємностей певної величини.

У більшості випадків величини ємностей визначають шляхом вимірювання їх у мостових схемах змінного струму. Але у певному діапазоні величин ємностей їхні величини зручно визначати за приладами прямого відліку, де величина ємності зчитується прямо з показання приладу.

1. Мікрофарадметри та їх використання для вимірювань величин ємностей

Мікрофарадметр — це прилад для прямого вимірювання величин ємностей. Ці прилади у тих виконаннях, які поширені в Україні, здатні вимірювати величини ємностей від десятих часток мікрофаради й до десятків мікрофарад.

Мікрофарадметри виконують на основі електродинамічного чи електромагнітного логометра. Принципову схему вимірювальної частини електродинамічного мікрофарадметра зображено на рис. 1. На цій схемі обмотка нерухомої котушки приладу WH послідовно з’єднана з конденсатором С1 й приєднана до мережі змінного струму. Обмотку рамки рухомої частини логометра W1 через конденсатор С2 також приєднано до мережі. Конденсатор, величину ємності якого вимірюють Сx увімкнений послідовно з обмоткою іншої рамки логометра W1 і їхнє коло також приєднане до мережі.

Рамки і W2 жорстко зкріплені між собою та з віссю рухомої частини, на осі також закріплено стрілку. Струм до рамок W1 і W2 проходить через три “безмоментних” струмопідводи.

Через наявність малих опорів всіх обмоток логометра, струми в усіх трьох його обмотках по фазі майже збігаються між собою, і величини обертових моментів, створених взаємодією струмів I1 та I2, а також I1 та I3, залежать від величини цих струмів. Самі ж величини струмів залежать від величини прикладеної напруги U (а це напруга мережі) і від величини реактивних опорів конденсаторів, ввімкнених послідовно з обмотками. Конденсатори С1 і С2 вмонтовано в прилад, і величини їхніх ємностей незмінні. Тобто незмінними, при незмінній напрузі мережі, є і струми I1 та I2. Що ж до струму I3, то його величина повністю визначається величиною реактивного опору ємності вимірюваного конденсатора Сx і буде тим більшою, чим більшою є величина цієї ємності.

Рисунок 1. Принципова схема електродинамічного мікрофарадметра

Рамка W2 створює діючий обертальний момент, величина якого буде тим більшою, чим більшою є величина ємності конденсатора Сx. Рамка W1 по витках котрої проходить струм, що визначається величиною ємності конденсатора С2, створює момент протидії, який залежить також і від величини кута повороту рухомої частини приладу. Зі збільшенням кута між стрілкою, закріпленою на рухомій частині приладу, і нульовою позначкою шкали момент протидії цієї рамки збільшується.

Рухома частина приладу, після його вмикання, стане нерухомою саме тоді, коли обертальний момент дії, створюваний рамкою W2, дорівнюватиме моменту протидії рамки W1. При цьому стрілка приладу вказуватиме на відмітку шкали, що відповідає величині ємності вимірюваного конденсатора Сx.

Зміна величини напруги мережі, до якої підімкнено прилад (звичайно — у межах допустимого), має не викликати зміни показань приладу, бо однаково впливає на струми в усіх трьох вітках приладу, тобто й на величини обертових моментів дії і протидії. Це не спричиняє появи різниці між моментами у положенні стрілки (і рухомої частини) приладу, що відповідає величині вимірюваної ємності. Тобто результати вимірювань ємності дійсно не залежать від величини напруги мережі.

Схема мікрофарадметра, що розглядається, спрощена й показує лише принцип дії приладу. Реальна схема, змонтована у приладі, має ще пристрій для попередньої перевірки відсутності пробою ізоляції конденсатора, величину ємності якого потрібно виміряти. Необхідність такої перевірки пояснюється тим, що вмикання для вимірювання несправного конденсатора може вивести прилад із ладу. Як вже зазначалося, величини опорів рамок у подібних приладах намагаються зробити щонайменшими. Тому вмикання послідовно з рамкою W2 конденсатора з пошкодженою ізоляцією (тобто з замкненими між собою електродами) призведе до приєднання рамки до повної напруги мережі, появи значного струму й перегорання “безмоментних” струмопідводів, а то й обмотки цієї рамки.

Мікрофарадметри виготовляють також і на основі електромагнітних логометрів. За схемою вони простіші за ті, що виконані на основі електродинамічних логометрів, бо не мають ні обмоток на рухомій частині приладу, ні “безмоментних” струмопідводів.

Як електродинамічні, так і електромагнітні мікрофарадметри розраховано на обмежену точність вимірювань ємності (звичайно — не вище класу 1,0).

Вада всіх мікрофарадметрів, що полягає у неможливості вимірювань ємностей значних величин, частково може бути зменшена, якщо застосовувати вмикання вимірюваної ємності значної величини (щоб її величина була не більшою за номінальну ємність, вимірювану мікрофарадметром, у 4...5 разів) послідовно зі зразковим конденсатором величини, близької до номінальної величини ємності, вимірюваної цим приладом.

При вмиканні такого послідовного кола на вимірювальні затискачі мікрофарадметра, величину невідомої ємності Сx можна розрахувати за виразом

Рисунок 3. Схема омметра, виконана на основі магнітоелектричного логометра

де Сз — величина зразкової ємності;

Сn — величина ємності, яку показує прилад.

Звичайно, при такому вимірюванні похибка буде значно більшою, ніж величина основної похибки мікрофарадметра.

Слід застерегти користувачів від неправильного використання мікрофарадметрів при вимірюваннях величин ємності електролітичних конденсаторів. Здебільшого ці конденсатори — однополярні й призначені для роботи лише на постійному струмі, а вимірювання мікрофа- радметром виконується на змінному струмі.

2. Визначення величин ємності та діелектричних втрат у конденсаторах

При роботі в електричних полях змінного струму у діелектриках виникають втрати потужності. Здебільшого вони йдуть на розігрів діелектрика й прилеглих до нього частин електроустаткування. Величину цих втрат Рвт можна підрахувати за досить простим виразом (якщо електричне поле в діелектрику буде рівномірним):

де U — напруга, що створює електричне поле в діелектрику;

ω — кругова частота напруги;

С — ємність ділянки діелектрика, до якої з обох боків прикладено напругу, що створює в ньому рівномірне електричне поле;

tg δ — тангенс кута діелектричних втрат.

Якщо з визначенням величин напруги, частоти і ємності все ясно, то спосіб визначення величини tg δ досі ще був невідомий. Виявляється, що цю величину можна визначати поряд із величиною ємності вимірювальними мостами, схеми яких зображено на рис. 2 та 13.3.

При вимірюваннях за схемою рис. 2 та при повній рівновазі мосту (коли r1=r2)

При вимірюваннях за схемою рис. 3 і при аналогічній умові

При вимірюваннях за обома схемами величина вимірюваної ємності Сx = С3, якщо величина tg δ не занадто велика.

Рисунок 2. Схема моста для вимірювання величин ємностей конденсаторів, що мають малі діелектричні втрати
Рисунок 3. Схема моста для вимірювання величин ємностей конденсаторів, що мають значні діелектричні втрати

Зауважимо, що наявність власних діелектричних втрат у зразковому конденсаторі С3 дещо зменшує точність визначення величини tg δ. Для більш точного визначення цієї величини слід застосовувати спеціальні мости вимірювання діелектричних втрат, де користуються спеціально виконаними зразковими конденсаторами, які практично не мають діелектричних втрат. Крім того, ці мости здатні виконувати вимірювання при високих напругах, а то й при різних їхніх частотах, що дуже важливо для достовірності вимірювань, бо величина кута діелектричних втрат залежить як від величини напруженості електричного поля, так і від величини частоти електричної напруги.

    Контрольні питання

  1. Назвіть методи і засоби, за допомогою яких можна вимірювати величини ємностей.
  2. Що таке мікрофарадметр?
  3. На основі яких вимірювальних механізмів виконують мікрофарадметри?
  4. Чому показання мікрофарадметра мають незначну залежність від величини напруги живлення?
  5. На якому струмі працюють прилади і мостові схеми для вимірювання величин ємностей?
  6. Якими індикаторами нуля користуються при врівноважуванні мостів,що вимірюють величини ємностей?
  7. У яких випадках для вимірювання величин ємностей користуються мостами, де врівноважувальні резистор і конденсатор ввімкнені паралельно?
  8. Яку величину ємності має конденсатор, якщо, будучи приєднаним через амперметр до мережі з напругою 220 В,50 Гц, він споживає струм 6,9 А?
  9. Яким чином можна розрахувати величину потужності втрат у діелектрику конденсатора?
  10. Яким чином можна визначити тангенс кута діелектричних втрат у діелектрику?