Диэлектрические потери: что это такое, виды, методика расчета

Общие определения

Диэлектрическими потеряминазывают энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Если на диэлектрик воздействует переменное электрическое поле напряженностью Е и круговой частотой ω, то в нем возникают электрические токи двух видов: ток смещения  или емкостной ток  и ток проводимости  (рис. 9.10).

Плотность тока смещения равна:

.          (9.11)

• Плотность тока проводимости определяется следующим образом:
• ,            (9.11)
• где  – удельная, активная проводимость диэлектрика на угловой частоте ω.

Плотность общего тока (J) равна векторной сумме плотностей токов смещения и проводимости (рис. 9.9). Если бы диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь (), ток был бы чисто реактивным и его плотность:

(см. рис. 9.10) была бы направлена по мнимой оси под углом 90° к вектору . Однако у реальных диэлектриков, с , отличной от нуля, суммарный ток сдвинут на угол  относительно тока идеального диэлектрика (φ – угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше , тем больше угол δ, характеризующий степень отличия реального диэлектрика от идеального.

Рис. 9.10. Векторная диаграмма (комплексная плоскость) плотности тока в диэлектрике

Угол δ между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла

             (9.12)

является одним из важнейших параметров не только диэлектриков, но также конденсаторов, изоляторов и других электроизоляционных элементов. Или другими словами, угол диэлектрических потерь (δ) называют углом, дополняющим до 90° угол сдвига фаз (φ) между током и напряжением в емкостной цепи.

Мощность, рассеиваемая в единице объема вещества, т.е. так называемые удельные диэлектрические потери, равны:

1. или
2. ,         (9.13)

где Е – действующее значение напряженности переменного поля, В/м. Чем выше tgδ, тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряженности. Введение безразмерного параметра tgδ удобно, потому что он не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойствами диэлектрического материала.

• Если к конденсатору или другому электроизоляционному элементу приложено напряжение с угловой частотой (ω) и действующим значением U, то отношение проходящих тока проводимости
• (где Ra – активное сопротивление элемента на частоте ) и тока смещения
• (где С – емкость) можно выразить так:
• .
• Так как , a , где  – геометрический размер, то

.              (9.14)

Полные диэлектрические потери в участке изоляции емкостью С при приложении напряжения U (действующего значения) угловой частотой ω равны:

.           (9.15)

Наряду с потерями tgδ характеризует добротность конденсатора (Q), а следовательно, и максимально возможную добротность контура с данным конденсатором:

.                 (9.16)

Таким образом, tgδ есть величина, обратная добротности.

Высокие диэлектрические потери приводят к разогреву и тепловому пробою диэлектриков в сильных электрических полях, снижению добротности и избирательности колебательных контуров. В связи с этим стремятся снизить tgδ диэлектрических материалов, что возможно, если известна природа диэлектрических потерь.

1. Виды диэлектрических потерь
2. Диэлектрические потери по их особенностями и физической природе можно разделить на пять основных видов:
3. 1) обусловленные сквозной электропроводностью;
4. 2) обусловленные релаксационными (медленными) видами поляризации;
5. 3) обусловленные неоднородностью структуры (миграционные);
6. 4) ионизационные;
7. 5) резонансные.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью проявляются во всех без исключения диэлектриках как в постоянных, так и в переменных электрических полях. Часть диэлектрических потерь, обусловленных сквозным током диэлектрика, называют диэлектрическими потерями на электропроводность.

Потери на электропроводность ничтожно малы у электроизоляционных материалов с высоким удельным сопротивлением (у полиэтилена, политетрафторэтилена и т.п.

), а на высоких и сверхвысоких частотах – практически у всех материалов.

Однако их необходимо учитывать в изоляции, работающей при повышенных температурах (выше 100° С), а также при увлажнении и прочих условиях, приводящих к снижению удельного сопротивления.

Диэлектрические потери, обусловленные релаксационными (медленными) видами поляризации могут проявляться в полярных диэлектриках и только в переменных электрических полях.

Активная проводимость диэлектриков () при переменном токе обычно значительно больше, чем проводимость () при постоянном токе. Тангенс угла потерь, даже на высоких частотах, не падает ниже 10-4. Следовательно, существуют и другие механизмы диэлектрических потерь, кроме потерь, обусловленных током сквозной проводимости. Эти механизмы связаны с поляризацией диэлектрика.

Если частота поля , поляризация не успевает следовать за изменениями поля, поляризованность и диэлектрическая проницаемость станут ниже низкочастотных. В области частот  наблюдается изменение диэлектрической проницаемости с увеличением частоты, называемое диэлектрической дисперсией.

Диэлектрическая дисперсия может носить релаксационный (ε монотонно снижается с ростом ω) или резонансный (ε с ростом частоты проходит через максимум и минимум) характер.

Значения ε и tgδ полярных диэлектриков сильно зависят от температуры (Т). При высоких температурах снижение ε с ростом Т связано с дезориентирующим влиянием на дипольную поляризацию хаотического теплового движения, в результате чего  при .

При низких температурах ε падает до значения , потому что частота релаксации становится ниже частоты измерений. Чем выше частота измерений, тем выше температура падения ε(Т). При температурах падения ε(Т) наблюдаются релаксационные максимумы потерь.

Таким образом, релаксационная дисперсия может наблюдаться при изменении не только частоты, но и температуры.

В полярных диэлектриках наблюдаемые потери представляют собой сумму из потерь на электропроводность и релаксационных потерь. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, характерны для композиционных диэлектриков, а также для диэлектриков с различными (в том числе и проводящими) примесями.

Миграционная поляризация обусловлена миграцией зарядов в проводящих включениях и их накоплением на границах неоднородностей.

Поэтому миграционная поляризация уменьшается с ростом частоты, на низких частотах и в области частот ее дисперсии наблюдаются миграционные потери.

Ионизационные потери, или потери на частичные разряды, наблюдаются в пористых диэлектриках при повышении напряжения сверх определенного предела (), называемого порогом ионизации (рис. 9.11).

При напряжениях выше  в воздушных включениях или других дефектах внутри диэлектрика появляются частичные разряды, приводящие к рассеянию энергии электрического поля.

Диэлектрические потери, обусловленные ионизацией диэлектрика в электрическом поле, и называются ионизационными диэлектрическими потерями.

Рис. 9.11. Ионизационные потери пористых диэлектриков при напряжениях, выше напряжения ионизации (Uион)

При действии частичных разрядов диэлектрик может постепенно разрушаться. Поэтому рабочее напряжение следует выбирать ниже напряжения ионизации () соответствующего началу роста tgδ.

График зависимости tgδ от напряжения (рис. 9.11) называют кривой ионизации диэлектрика.

По кривой ионизации оценивают качество электрической изоляции высокого напряжения: чем меньше приращение tgδ вследствие ионизационных потерь () и чем при более высоких напряжениях  начинается рост tgδ, тем изоляция лучше.

Для повышения качества электрической изоляции высокого напряжения ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, компаундами, газами под высоким давлением.

Резонансные диэлектрические потери происходят при дисперсии резонансного характера, когда частота электрического поля приближается к частотам собственных колебаний электронов или ионов.

Резонансные потери электронной поляризации имеют максимумы в оптическом диапазоне: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра (на частотах 1014…1017 Гц). С ними связано поглощение света веществом.

Потери сопровождаются частотной зависимостью показателя преломления и максимальны в области так называемой «аномальной» дисперсии, где ε снижается с ростом ω (под «нормальной» дисперсией в оптике имеют в виду увеличение показателя преломления с ростом частоты).

Максимумы резонансных потерь ионной поляризации наблюдаются в инфракрасном диапазоне на частотах 1013…1014 Гц. Однако в веществах с высокой диэлектрической проницаемостью, а также в стеклах и ситаллах, где есть слабо связанные ионы, частоты ионного резонанса могут быть и ниже (~1012 Гц). В этом случае начало резонансного максимума потерь захватывает диапазон СВЧ (109…1010 Гц).

Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах при напряженностях электрического поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации, очень малы. В этом случае газ можно рассматривать как идеальный диэлектрик.

Источником диэлектрических потерь в этом случае является в основном сквозная электропроводность.

Так как газы обладают весьма малой электропроводностью, то и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет ничтожно мал, особенно при высоких частотах

• При высоких напряженностях электрического поля, а также в неоднородных электрических полях, когда напряженность некоторых областей превышает некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию.
• Диэлектрические потери в жидких диэлектриках
• В неполярных жидких диэлектриках диэлектрические потери обусловлены только сквозной электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами, и значение tgδ c ростом температуры будет возрастать, а с ростом частоты приложенного электрического поля – уменьшаться.

В полярных жидкостях, в зависимости от условий эксплуатации, повышения температуры, частоты и т.п. могут проявляться потери, обусловленные дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью. Для таких жидкостей зависимости tgδ от температуры и частоты приложенного электрического поля носят более сложный характер.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые диэлектрики обладают разными свойствами и строением, в них возможно существование всех видов диэлектрических потерь.

В неполярных твердых диэлектриках, не имеющих примесей, диэлектрические потери определяются сквозной электропроводностью, и величина tgδ c ростом температуры будет возрастать, а с ростом частоты приложенного электрического поля – уменьшаться.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках неоднородной структуры

К таким диэлектрикам относятся материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов, не вступивших в химическую реакцию, т.е. механически смешанных друг с другом.

К неоднородным диэлектрикам следует отнести: керамику, слоистые пластики, пропитанную бумагу, картон, ткани и др.

Диэлектрические потери таких материалов определяются свойствами и количественным соотношением компонентов, поэтому зависимости tgδ от температуры и частоты приложенного электрического поля носят очень сложный характер.

Рис. 9.12. Зависимость tgδ от температуры для конденсаторной бумаги, пропитанной компаундом (80 % канифоль + 20 %

Например, кривая зависимости tgδ от температуры (рис. 9.12) для бумаги, пропитанной масляно-канифольным компаундом, имеет два максимума: первый (при низких температурах) характеризует диэлектрические потери самой бумаги (целлюлозы); второй (при более высокой тем­пературе) обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.

Источник: http://libraryno.ru/9-2-3-dielektricheskie-poteri-material_bashkov_2010/

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают?

Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.

Содержание

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.

Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.

Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.

Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.

Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь.

При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи.

Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.

Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком.

При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе.

Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика
Рис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина  tg2 δ  очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: Pa = U2*ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с-1, а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( Pa ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются.

Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности.

В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Ри = А1 f (U – Uи)3, где А1 – постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, Uи обозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения Uи не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью.

При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации  процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

• сера;
• полимеры;
• парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

• органические стёкла;
• эбонит и другие каучуковые вещества;
• полиамиды;
• целлюлозосодержащие материалы;
• фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10-3.

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10-2.

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют  tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

• ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
• релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
• рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
• поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
• высокочастотные резонансные потери;
• диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла  от напряжения

Чем измерить?

Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.

Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.

Источник: http://sarpanorama.ru/324-chto-takoe-dielektricheskie-poteri-i-iz-za-chego-oni-voznikayut.html

Диэлектрические потери – это …

Диэлектрические потери – это часть энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике. Диэлектрические потери – это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Просматривая технические параметры любой марки трансформаторных масел, Вы увидите строчку, в которой будет написано «тангенс угла диэлектрических потерь». Что же это за показатель и так ли он важен? Давайте попробуем разобраться.

Для начала дадим определение диэлектрических потерь. Диэлектрические потери – это энергия, которая рассеивается в материале при воздействии на него электромагнитного поля. Для того, чтобы численно охарактеризовать способность диэлектрика к такому рассеиванию, и был введен тангенс угла диэлектрических потерь. Обычно его определяют опытным путем. Предполагается, что диэлектрик является диэлектриком конденсатора, и у него измеряется емкость и угол, дополняющий до 90º угол сдвига фаз между током и напряжением исследуемой цепи. Тангенс такого угла и является тангенсом угла диэлектрических потерь.

Если предположить, что изоляционная система изготовлена из идеального диэлектрика, то в этом случае потери при подаче на нее переменного напряжения будут отсутствовать. Но на практике идеальных материалов не существует, и потери энергии будут иметь место всегда. Вопрос только в их количестве.

Во многих случаях удобно расчет тангенса угла диэлектрических потерь проводить путем вычисления отношения активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности.

Активная мощность, потребляемая изоляционной средой, обычно ничтожно мала в сравнении с реактивной. Поэтому при делении получают значения, не превышающие сотые доли.

Для удобства последующих расчетов было принято исчислять тангенс угла диэлектрических потерь в процентах.

Почему повышается тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторных масел?

Если допустить, что в трансформаторе эксплуатируется масло хорошего начального качества, то можно утверждать, что возрастание диэлектрических потерь обусловлено проникновением в диэлектрик посторонних примесей. Чаще всего это плохо запеченные лаки трансформатора. На тангенс угла диэлектрических потерь оказывают влияние старые шламы, мыла, кислые шламоподобные продукты, не содержащие металла (кислоты, смолы, асфальтены, карбены и т.п.).

Международная электротехническая комиссия рекомендует использовать свежие масла, у которых тангенс угла диэлектрических потерь не превышает 0,5% при температуре 90ºС.

Как снизить тангенс угла диэлектрических потерь?

Тангенс угла диэлектрических потерь является одним из критических параметров. Это связано с тем, что его выход за пределы нормируемых значений требует или замены, или восстановления (регенерации) трансформаторного масла.

С точки зрения финансовых затрат второй вариант видится более перспективным, поскольку позволяет повторно использовать нефтепродукт по прямому назначению.

Объем масла, необходимого для восполнения небольших потерь, имеющих место при регенерации, несопоставим с объемом, который понадобится для полной замены отработанного сырья.

Компания GlobeCore предлагает универсальное оборудование, предназначенное для очистки, дегазации и регенерации трансформаторных масел. Речь идет об установках типа СММ-Р. Они позволяют восстанавливать эксплуатационные показатели изоляционных жидкостей до нормируемых значений, включая и тангенс угла диэлектрических потерь. Полная регенерация достигается за счет применения природного сорбента Фуллерова земля. К несомненным преимуществам установок СММ-Р принадлежит возможность многократного восстановления свойств сорбента непосредственно во время обработки масла и работа с трансформаторами, пребывающими под напряжением.

Технологии GlobeCore – это не только существенная экономия денежных и нефтяных ресурсов, но еще и вклад в сокращение количества вредных выбросов! Чем меньше отработанных масел на нашей планете будет несанкционированно сбрасываться в почву и водоемы, тем чище она будет.

Помните, что диэлектрические потери – это не приговор и при грамотном подходе можно контролировать изменение данного параметра.

Источник: https://oil.globecore.ru/dielektricheskie-poteri.html

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках

В связи с тем, что твердые вещества обладают разнообразным составом и строением, в них возможны все виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в диэлектриках молекулярной структуры зависят от вида молекул. Диэлектрики с неполярными молекулами и не имеющие при­месей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями.

К таким ди­электрикам относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторо­пласт — 4), церезин и др. Указанные диэлектрики в связи с малыми потерями целесообразно использовать при высоких частотах.

Диэлектрические потери в твёрдых веществах с ионной структурой зави­сят от особенностей расположения ионов в решётке. В веществах с кристалли­ческой структурой с плотной упаковкой ионов диэлектрические потери при от­сутствии примесей незначительны.

Наличие примесей, искажающих кристал­лическую решётку, приводит к резкому увеличению диэлектрических потерь. При высоких температурах в этих диэлектриках появляются потери, обуслов­ленные сквозной электропроводностью.

Данные вещества нашли широкое при­менение при производстве электротехнической керамики, например, корунд

Для кристаллических диэлектриков с неплотной упаковкой ионов харак­терна релаксационная поляризация, вызывающая увеличение диэлектрических потерь. При увеличении температуры число ионов, участвующих в релаксаци­онной поляризации, постоянно увеличивается и поэтому в зависимости отсутствует максимум. Применяются данные вещества в основном при производстве изоляторного фарфора, огнеупорной керамики. Примером та­ких веществ служат циркон (компонент огнеупорной керамики), муллит( ком­понент изоляторного фарфора), — глинозём и др.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках выше, чем в обычных ди­электриках. Они мало изменяются при изменении температуры в области само­произвольной поляризации и резко уменьшаются при температуре выше точки Кюри, когда самопроизвольная поляризация исчезает.

К твердым веществам неоднородной структуры принадлежат материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов. Характерным представите­лем таких диэлектриков является керамика. В составе керамики различают кри­сталлическую фазу, стекловидную фазу и газовую фазу.

Диэлектрические потери в пропитанной бумаге зависят от электрических свойств её компонентов ( волокон целлюлозы и пропитывающего состава), а также от наличия воздушных включений. Зависимость tgS от температуры для бумаги, пропитанной маслоканифольным компаундом, приведена на рис.3.7.

Первый максимум при отрицательных температурах связан с дипольно-релаксационными потерями в целлюлозе, а второй — с дипольно-релаксационными потерями в пропитывающем компаунде.

К неоднородным диэлектрикам относятся также широко применяемые в электроизоляционной технике различные пластмассы с наполнителями, слюдя­ные изделия (миканиты, микалексы), каучуковые изделия с наполнителями и т.д.

нифольным компаундом.

Рассмотрим изменение активных потерь в диэлектрике от внешних фак­торов на конкретном примере.

Задача. При комнатной температуре тангенс угла диэлектрических потерь ультрафарфора ,. а при возрастании температуры до С он уве-

личивается в два раза. Чему равен этого материала при температуре 200

?. Во сколько раз увеличится активная мощность, выделяющаяся в высоко­частотном проходном изоляторе из этого материала, при изменении температу­ры от 20 до С? Изменением диэлектрической проницаемости керамики можно пренебречь.

• Потери в ультрафарфоре обусловлены сквозной электропроводностью, по­этому тангенс угла диэлектрических потерь увеличивается с температурой по экспоненциальному закону
• где — значение при С; а — температурный коэффициент, кото-
• рый может быть найден из выражения
• Тогда
• В связи с тем, что активная мощность в изоляторе растет с температурой пропорционально , запишем

Литература: [1 с.43 -57.]

Контрольные вопросы:

1.Опишите процессы, обуславливающие диэлектрические потери в диэлек­триках.

2.Перечислите параметры, характеризующие диэлектрические потери в ма­териалах.

3.Приведите схемы замещения диэлектрика с потерями и укажите условия их эквивалентности. Постройте векторные диаграммы для каждой схемы.

4. Опишите виды диэлектрических потерь и дайте им краткую характеристи­ ку.

5. Укажите факторы , которые оказывают влияние на величину диэлектриче­ ских потерь.

6. Дайте характеристику диэлектрических потерь в газах.

7.Дайте характеристику диэлектрических потерь в жидких диэлектриках. 8. Дайте характеристику диэлектрических потерь в твёрдых диэлектриках.

Пробой диэлектриков.

При превышении приложенного к диэлектрику напряжения выше некоторого критического значения изоляционные свойства нарушаются, и происходит образо­вание проводящего канала.

При этом ток утечки через диэлектрик резко возрастёт, а сопротивление соответственно уменьшится. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем.

Зави­симостьтока от приложенного напряжения показана на рис.4.1.

Рис.4.1.Вольт-амперная характеристика электрической изоляции.

Точка А, для которой соответствует пробою. Значение напряжения ,

при котором происходит пробой называется пробивным напряжением , а соот­ветствующее значение напряжённости электрического поля — электрической проч­ностью Для простейшего случая однородного электрического поля в диэлектри­ке где — толщина диэлектрика. В большинстве случаев при увеличении h значение Епр уменьшается нелинейно.

Электрическая прочность высококачественных твёрдых диэлектриков, как пра­вило, выше жидких и тем более газообразных диэлектриков. Однако, газообразные и жидкие диэлектрики, в отличии от твердых, после пробоя могут через некоторый промежуток времени восстановить свои свойства при отсутствии напряжения.

Физическая сущность развития пробоя различна. Различают следующие виды пробоя: чисто электрический, электротепловой, электромеханический, электрохи­мический, ионизационный.

Чисто электрический пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электри­чески заряженные частицы в диэлектрике.

Этот вид пробоя развивается практически мгновенно. Если сразу после приложения напряжения не произошел электрический пробой, то теоретически это напряжение диэлектрик должен выдерживать длитель­ное время.

Это положение не относится к пробою диэлектрика кратковременными импульсами.

Электротепловой пробой связан с нагревом диэлектрика в электрическом поле в результате диэлектрических потерь. Процесс нагрева диэлектрика протекает по­стоянно усиливаясь. Это приводит к существенному изменению структуры диэлек­трика (расплавлению, обугливанию, растрескиванию) и уменьшению его электриче­ской прочности.

При этом достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь место ди­электрика, в котором теплоотдача хуже или повышены удельные потери, а средняя температура всего диэлектрика может практически не отличаться от первоначаль­ной.

При хорошем теплоотводе может наступить равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду. В этом случае диэлек трик может длительное время работать под напряжением. Если отвод тепла затруд­нен, то даже незначительное напряжение, приложенное к диэлектрику, через неко­торое время может вызвать пробой.

При электротепловом пробое Unp зависит как от частоты приложенного напряжения, так и от температуры окружающей среды, уменьшаясь при их увеличении.

Электрохимический пробой — вид медленно развивающегося пробоя, связанно­го с химическим изменением материала в электрическом поле. Этот вид пробоя на­блюдается как при постоянном, так и при переменном напряжении вследствие раз­вития в материалах электролитических процессов.

Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически аг­рессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа.

Пробой газов

Воздух является самой распространённой изоляционной средой, которая ис­пользуется в различных электротехнических системах. Пробой воздуха и других га­зов следует рассматривать как следствие развития процессов ударной ионизации и фотоионизации.

При воздействии поля, содержащиеся в газе положительные и отрицательные ионы и электроны, находящиеся в беспорядочном тепловом движении, начинают перемещаться в направлении поля. При этом они получают дополнительную энер­гию где — заряд,-разность потенциалов на длине свободного пробе­га.

1. При однородном поле можно считать, что , где — напряженность поля,
2. — длина свободного пробега заряженной частицы. Тогда
3. (4.1)

Эта энергия сообщается атомам или молекулам газа в момент столкновения. Если эта энергия достаточно велика, то при столкновении происходит возбуждение атомов и молекул или даже ионизация молекул.

Энергию ионизации обычно характеризуют ионизационным потенциалом

. Ионизационный потенциал различных газов находится в пределах от 4 до 25В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25эВ.(табл.4.1)

Таблица 4.1

Ионизационный потенциал некоторых газов

Газ
Потенциал ионизации, В	15,	15, 6	12, 1	И,	12, 1	15, 8	24, 6

Скорость и соответственно энергия электронов, которую они приобретают при движении в электрическом поле, определяются в основном характером их столкно­вений с молекулами и атомами данного газа.

Если электроны в газе при столкнове нии с молекулами или атомами испытывают относительно большое число неупру­гих столкновений, что характерно для сложных молекул газа, то для достижения ими энергии, необходимой для ионизации, требуется большая напряженность элек­трического поля.

Электрическая прочность такого газа будет высокой. Поэтому час­то газу с малым ионизационным потенциалом соответствует большая электрическая прочность и наоборот. Так, одноатомные газы Ne, He, хотя и обладают высоким ио­низационным потенциалом, но имеют низкую электрическую прочность.

-электроны имеют в Г00-Г0Ш раз большую подвижность, чем ноны, -электроны имеют на порядок большую длину свободного пробега, чем ионы; -энергия, передаваемая ионом периферическому электрону нейтральной частицы мала, поэтому условия для отщепления электрона неблагоприятны.

В то же время, положительные ионы могут высвобождать электроны из метал­ла, бомбардируя поверхность катода.

В ряде случаев, электрон, разогнанный электрическим полем, не ионизирует молекулу, а переводит её в возбужденное состояние. При переходе в уравновешен­ное состояние эта молекула отдаёт свою избыточную энергию в виде излучения -испускает фотон. Если этот фотон будет поглощен какой-либо молекулой, то это может привести к её ионизации.

Скорость движения фотона больше, чем скорость движения электронной лавины. Она составляет м/с. Фотоны обгоняют элек­тронную лавину и ионизируют частицы газа впереди основной лавины. Освобож­дённые при этом электроны порождают новые лавины далеко впереди первой.

В по­следующих стадиях отдельные лавины, нагоняя друг друга, образуют сплошной ка­нал ионизированного газа с повышенной проводимостью, так называемого стриме­ра.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, на­правленного к катоду. Образуется разрядный канал в виде плазмы с избыточным положительным зарядом.

Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны.

В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Чем больше при­ложенное напряжение к газовому промежутку, тем быстрее происходит пробой.

• Если напряжение подается в виде импульса, то чем меньше длительность им­пульса, тем больше пробивное напряжение. Это изменение пробивного напряжения
• характеризуется коэффициентом импульса , где — напряжение пробоя при импульсном напряжении, — напряжение пробоя при постоянном напря­жении или переменном напряжении с частотой 50 Гц.
• Регламентируются две формы испытательных импульсов: 1) грозовой импульс с длительностью переднего фронта 1,2 мкс и длительностью импульса 50 мкс;
• 2) коммутационный импульс с длительностью переднего фронта импульса 250 мкс и длительностью импульса 2500 мкс.
• Грозовой импульс условно обозначают символом 1,2/50, а коммутационный -250/2500.

Для газовых промежутков с однородным или слабо неоднородным полями ко­эффициент импульса для стандартных импульсов практически равен единице.

В случае сильно неоднородного поля в газовом промежутке коэффициент импульса зависит от полярности импульса, степени неоднородности, длины промежутка и для грозового импульса может существенно превышать единицу. 4.1.1 Пробой газа в однородном поле

Однородное электрическое поле может быть получено между плоскими элек­тродами с закругленными краями, а также между сферами, если расстояние между ними не превышает их диаметра.

С уменьшением расстояния между электродами элек­трическая прочность увеличивается, что объясняется трудностью формирования разряда.

В соответствии с законом Пашена в однородном электрическом поле при неиз­менной температуре напряжение пробоя является функцией давления наполняюще­го газа и расстояния между электродами |. Данная зависимость приведена на рис.4.2. Минимальное значение пробивных напряжений для различных газов со­ставляет 280-420 В. Для воздуха-около 300В.

Рис.4.2 Зависимость для воздуха и водорода.

При повышении давления свыше 1 ООкПа расстояние между молекулами уменьшается, в результате чего уменьшается длина свободного пробега электронов и соответственно увеличивается электрическая прочность.

Падение напряжения на­блюдается при уменьшении давления ниже атмосферного до определённой величи­ны.

Дальнейшее уменьшение давления приводит к возрастанию электрической прочности, что объясняется уменьшением числа молекул в единице объёма газа и уменьшением вероятности столкновений электронов с молекулами.

При высоком вакууме электрическая прочность достигает больших значений (порядка МВ/м). В этом случае на величину электрической прочности оказывает влияние материал и состояние поверхности электродов, так как возможно возникновение «холодной» эмиссии электронов из поверхности электродов.

Электрическая прочность зависит от химического состава газа. Меньшей элек­трической прочностью по сравнению с воздухом обладают инертные газы, которые используются для заполнения источников света и электровакуумных приборов. Вы­сокой электрической прочностью отличаются некоторые тяжелые газы с высокой молекулярной массой. Примером может служить элегаз , фреон . Их

электрическая прочность практически в 2,5 раза выше, чем у воздуха.

Источник: https://megaobuchalka.ru/10/10174.html

Лекция 1.3.4. Диэлектрические потери в диэлектриках

Диэлектрическими
потерями
называется мощность, рассеиваемая в
диэлектрике под действием приложенного
к нему электрического поля и вызывающая
его нагрев. Рассматривают полные
диэлектрические потери вызываемые как
при переменном, так и при постоянном
напряжениях за счет сквозных токов,
обусловленного проводимостью.

Природа
диэлектрических потерь в изоляционных
материалах различна и зависит от
агрегатного состояния вещества:
газообразного, жидкого и твердого. При
изучении диэлектрических потерь,
связанных с явлением поляризации
диэлектрик можно отобразить в виде
кривых зависимостей заряда Q на обкладках конденсатора с заданным
диэлектриком от напряжения электрического
поля.

Потери, вызванные мгновенными
поляризациями, не разогревают диэлектрик
и графическое отображение их – линейная
зависимость. Потери, вызванные любой
замедленной поляризациями, выражаются
площадью овала пропорциональной энергии
рассеяния на тепло за один период
напряжения.

Для диэлектриков с спонтанной
поляризацией потери энергии за один
период определяются площадью, ограниченной
петлей гистерезиса.

• Рисунок
  11 — Векторные диаграммы и эквивалентные
  схемы диэлектрика с потерями: а –
  последовательная; б – параллельная.
• При
  постоянном напряжении U
  ( В) на участке изоляции сопротивлением
  Rиз
  (Ом) значение активных потерь Ра
  ( Вт) определится как
• Ра
  = U2
  / Rиз
  = U I =I2
  Rиз, (35)
• где
  I
  — сквозной ток утечки через диэлектрик
  или изоляцию, А.

При
переменной форме напряжения имеем
значение энергии рассеяния на тепло Wа
или активные потери Ра,
Вт, на участке изоляции емкостью С, пФ,
(рис.

11) при действующем значении
приложенного напряжения U,
В, частоте f,
Гц или 
= 2 
f
(круговая частота).

Причем, чем больше
рассеяние мощности в диэлектрике,
переходящей в тепло, тем меньше угол
сдвига фаз 
и тем больше угол 
и, следовательно, его функция tg
— тангенс угла диэлектрических потерь,
таким образом,

Wа
=Ра
= U I cos = U I tg
= U 
C tg. (36)

Для
последовательной схемы замещения:

1. (37)
2. где
   tg
   = 
   Cs
   rs. (38)
3. Для
   параллельной схемы замещения:
4. Ра
   = U2
   g = U2
   b tg
   = U2
   
   Cp
   tg, (39)

Приравнивая
значения tg
при последовательной и параллельной
схемах замещения изоляции, если они
эквивалентны и мощность Ра
одинакова, получим (41)

где
в первом приближении, пренебрегая tg2
по сравнению с «1», можно считать Ср

Сs

C,
тогда активная мощность будит равна Ра
= U
I
tg.

Можно
выразить tg
из векторных диаграмм рисунков 1.12. 1.13:

• tgs
  = Ua
  / Uc
  и
  tgp
  = Ia
  / Ic. (42)
• Значения
  tg
  для высококачественных материалов
  составляют тысячные и даже десятитысячные
  доли единицы, но могут быть и больше для
  электротехнических материалов более
  низкого качества (нескольких сотых
  долей единицы).
• Для
  расчета диэлектрических потерь в единице
  объема, где напряженность поля равна
  Е, В/м и любая картина электрического
  поля (равномерная, резконеоднородная,
  слабонеоднородная), а также любой
  неоднородный диэлектрик, принимается
  эмпирическая формула

Ра
= 5,56.10-11.
Е2
f

tg. (43)

1. Произведение
   относительной диэлектрической
   проницаемости и тангенса угла
   диэлектрических потерь (
   tg)
   называется коэффициентом диэлектрических
   потерь материала. Если величина 
   = 5,56 10-11
   tg,
   Ом м является объемной удельной
   проводимостью материала тогда Ра
   примет вид
2. Ра
   = 
   E. (44)
3. При
   переменном напряжении потери обычно
   больше, чем на постоянномнапряжении.
4. В
   газообразных диэлектриках при малых
   напряженностях поля Е, в неполярных
   жидкостях, таких как сухое трансформаторное
   масло, в неполярных твердых диэлектриках
   потери при постоянном и переменном
   напряжениях одинаковы. Следовательно,
   на переменном напряжении имеем равенство:

tg
= 1,8 1010
/ (f

)
= 1,8.1010

/ (
f). (45)

Для
диэлектриков с большими потерями
расчетное значение емкости зависит от
выбора схемы замещения и тогда 
также окажется зависящей от схемы
замещения, т.е. окажется величиной
неопределенной, авеличина
угла потерь и tg
от этого не зависит.

Источник: https://studfile.net/preview/4217963/page:10/

Определение диэлектрических потерь. Потери в постоянном и переменном электрическом полях

Диэлектрические потери, часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло.

При изменении значения и направления напряжённости Е электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление; за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает.

Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации).

Переходя к векторному изображению величин, можно сказать, что вектор электрической индукции отстаёт от вектора электрического поля на некоторый уголd, который носит название угла диэлектрических потерь. Когда молекулы или ионы ориентируются полем, они испытывают соударения с др. частицами, при этом рассеивается энергия.

Если время релаксации t во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда время релаксации t значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеют максимальное значение, когда выполняется равенство w = 1/t, где w — круговая частота электрического поля:w = 2p/T.

Описанный механизм релаксационных диэлектрических потерь имеет место в твёрдых и жидких диэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы.

Величина релаксационных диэлектрических потерь в жидкости зависит от её вязкости, от температуры и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода, спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн.

В полимерах, содержащих полярные группы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более или менее длинных цепочек молекул.

В диэлектриках с ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать как совокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытывают вынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 1).

Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственной частоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, Д. п. незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов, рассеяние энергии и Д. п.

В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидные кристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерь имеет место в инфракрасном диапазоне частот (1012—1013 гц).

Т. к. реальные диэлектрики обладают некоторой электропроводностью, то имеются потери энергии, связанные с протеканием в них электрического тока (джоулевы потери), величина которых не зависит от частоты.

Величина Д. п. в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:

We = U2wC tg d,

где U — напряжение на обкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg d — тангенс угла диэлектрических потерь. Д. п. в 1 см3 диэлектрика в однородном поле Е равны:

We = E2we tg d,

где e — диэлектрическая проницаемость.

Произведение e tg d называется коэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие диэлектрические потери используются для диэлектрического нагрева в электрическом поле высокой частоты.

• Коэффициент диэлектрических потерь
• Для упрощения расчетов часто пользуются комплексными величинами. Комплексная диэлектрическая проницаемость записывается в виде
• е * = е ' — i е «,
• где действительная часть ' имеет физический смысл относительной диэлектрической проницаемости , а е» характеризует потери
• е » = е ' tgб,
• и называется коэффициентом диэлектрических потерь.
• Виды диэлектрических потерь
• Потери на электропроводность

Протекание сквозного тока через диэлектрик, как в постоянном, так и в переменном электрическом поле приводит к диэлектрическим потерям на электропроводность. Потери сквозной электропроводности будут единственным видом потерь в однородном неполярном диэлектрике, для которого можно использовать простейшую параллельную схему замещения. Для такой схемы замещения по определению

tgд=Ia/Ic=U/R

1/UwC=1/RwC,

т.е. tgд будет обратно пропорционален частоте. Потери на электропроводность будут наблюдаться также и в полярных диэлектриках. Так как tgд диэлектриков пропорционален активной проводимости tgд = гa/ гc, то ясно, что tgд будет следовать за изменением гa, которая увеличивается экспоненциально с увеличением температуры.

Для ионных кристаллов можно получить другое выражение для tgд:

tgд=(1.8•1010•гo/ f) e•Wa/kT .

Видим, что в последнем выражении предъэкспоненциальный множитель tgд зависит обратно пропорционально от частоты поля и диэлектрической проницаемости материала.

Следует иметь в виду, что tgд конденсатора с неполярным диэлектриком с ростом частоты уменьшается не беспредельно, а начиная с некоторой частоты начинает линейно возрастать в соответствии с выражением, полученным из последовательной схемы замещения

tgдм= r•щ•Cs,

где r, Cs — сопротивление обкладок и емкость последовательной схемы замещения конденсатора Рост составляющей tgдм обусловлен увеличением с ростом частоты потерь в металлических (проводящих) частях.

Следовательно, на общей зависимости tgд конденсатора с диэлектриком от частоты при некотором значении частоты должен иметь место минимум.

В случае конденсатора с полярным диэлектриком, начиная с некоторой частоты, потери в обкладках также будут возрастать линейно

Источник: https://studwood.ru/1878542/tehnika/opredelenie_dielektricheskih_poter_poteri_postoyannom_peremennom_elektricheskom_polyah