Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени е диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. При постоянном напряжении потери энергии определяются только силой сквозного тока, обусловленного объемной и поверхностной проводимостями. При переменном напряжении к этим потерям добавляются потери, обусловленные различного вида поляризациями, а также наличием полупроводниковых примесей, окислов железа, углерода, газовых включений и т. п.

Рассматривая простейший диэлектрик, можно записать выражение рассеиваемой в нем под воздействием переменного напряжения мощности:

Схему замещения диэлектрика обычно представляют в виде последовательно соединенных конденсатора и активного сопротивления. Из векторной диаграммы (см. рис. 1):

В результате рассеиваемая в диэлектрике мощность равна

Рис. 1. Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящимся под напряжением переменного тока.

Введение понятия угла δ удобно для практики тем, что вместо абсолютного значения диэлектрических потерь рассматривается относительное значение, позволяющее сравнить между собой изоляционные изделия с различными по качеству диэлектриками.

Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах малы. Газы имеют весьма малую электропроводность. Ориентация дипольных молекул газа при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Зависимость tgδ = f ( U ) называют кривой ионизации (рис. 2).

Рис. 2. Изменение tgδ в зависимости от напряжения для изоляции с воздушными включениями

По возрастанию tgδ с увеличением напряжения можно судить о наличии газовых включений в твердой изоляции. При значительных ионизации и потерях в газе может произойти разогрев и разрушение изоляции. Поэтому изоляцию обмоток высоковольтных электрических машин для удаления газовых включений при изготовлении подвергают специальной обработке — сушке под вакуумом, заполнению пор изоляции разогретым компаундом под давлением, обкатке к прессовке.

Ионизация воздушных включений сопровождается образованием озона и окислов азота, разрушительно действующих на органическую изоляцию. Ионизация воздуха в неравномерных полях, например в линиях электропередач, сопровождается видимым световым аффектом (короной) и значительными потерями, что снижает к. п. д. передачи.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в жидкостях зависят от их состава. В нейтральных (неполярных) жидкостях без примесей электропроводность очень мала, поэтому в них малы и диэлектрические потери. Например, очищенное конденсаторное масло имеет tgδ

В технике наибольшее распространение получили полярные жидкости (совол, касторовое масло и т.п.) или смеси нейтральных и дипольных жидкостей (трансформаторное масло, компаунды и т. п.) у которых диэлектрические потери значительно больше, чем у нейтральных жидкостей. Например, tgδ касторового масла при частоте 10 6 Гц и температуре 20 о С (293 К) равен 0,01.

Диэлектрические потери полярных жидкостей зависят от вязкости. Эти потери называют дипольными, так как они обусловлены дипольной поляризацией.

При малой вязкости молекулы ориентируются под действием поля без трения, дипольные потери при этом малы, а общие диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. С увеличением вязкости дипольные потери возрастают. При некоторой вязкости наступает максимум потерь.

Это объясняется тем, что при достаточно большой вязкости молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает. Диэлектрические потери при этом малы. При повышении частоты максимум потерь смещается в область более высокой температуры.

Зависимость потерь от температуры носит сложный характер: tgδ увеличивается с ростом температуры, достигает своего максимума, затем уменьшается до минимума, после чего снова возрастает, это объясняется ростом электропроводности. Дипольные потери возрастают с увеличением частоты до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля, после чего дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и потери становятся постоянными.

В маловязких жидкостях при низких частотах преобладают потери сквозной проводимости, а потери дипольные незначительны, при радиочастотах, наоборот, дипольные потери велики. Поэтому дипольные диэлектрики не используются в полях высокой частоты.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры (кристаллической или аморфной), состава (органического или неорганического) и характера поляризации. В таких твердых нейтральных диэлектриках, как сера, парафин, полистирол, обладающих только электронной поляризацией диэлектрические потери отсутствуют. Потери могут быть обусловлены только примесями. Поэтому такие материалы находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков.

Неорганические материалы, такие, как монокристаллы каменной соли, сильвина, кварца, чистой слюды, обладающие электронной и ионной поляризациями, имеют малые диэлектрические потери, обусловленные только сквозной электропроводностью. Диэлектрические потери в этих кристаллах не зависят от частоты, a tgδ уменьшается с ростом частоты. С увеличением температуры потери и tgft меняются так же, как и электропроводность, возрастая по закону экспоненциальной функции.

В неорганических поликристаллических диэлектриках (мрамор, керамика и т. п.) возникают дополнительные диэлектрические потери, вызванные наличием полупроводящих примесей: влаги, окислов железа, углерода, газа и т. п. Потери в полукристаллических телах могут иметь разные значения даже для одного и того же материала, поскольку свойства материала меняются под воздействием условий окружающей среды.

Диэлектрические потери в органических полярных диэлектриках (древесина, эфиры целлюлозы, натуральный щелк, синтетические смолы) обусловлены структурной поляризацией за счет неплотной упаковки частиц. Эти потери зависят от температуры, имея максимум при определенной температуре, а также от частоты, увеличиваясь с ее ростом. Поэтому упомянутые диэлектрики не применяют в полях высоких частот.

Характерно, что зависимость tgδ от температуры для бумаги, пропитанной компаундом, имеет два максимума: первый наблюдается при отрицательных температурах и характеризует потери клетчатки, второй максимум при повышенной температуре обусловлен дипольным потерями компаунда. С увеличением температуры в полярных диэлектриках возрастают потери, связанные с электропроводностью.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Диэлектрические потери

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

Диэлектрические потери в диэлектрике можно характеризовать рассеиваемой мощностью, которая определяется по формуле

где ω – угловая частота (ω = 2πf); C – емкость диэлектрика; U – напряжение, прикладываемое к диэлектрику; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

На рис.4 приведена схема замещения и векторная диаграмма диэлектрика с потерями. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90 о угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Рис. 4. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) диэлектрика с потерями

Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

1) потери, обусловленные поляризацией;

2) потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные потери;

4) потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Из всех видов поляризации с потерями наиболее часто в диэлектриках встречаются дипольная и ионно-релаксационная.

У них есть общие закономерности:

а) tgδ при определенной частоте f₁ имеет максимум;

б) у tgδ наблюдается также максимум при некоторой температуре t_1, характерной для данного диэлектрика.

В схеме замещения эти виды потерь хорошо описываются цепочкой из емкости C и сопротивления r (рис. 4,a).

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, в схеме замещения хорошо описываются сопротивлением R

Они не зависят от частоты:

Так как сопротивление R зависит от температуры, то и потери от нее также зависят. Они возрастают с температурой по экспоненциальному закону:

где A и b – постоянные материала.

Тангенс δ в этом случае может быть вычислен по формуле:

tgδ = , (1)

где f – частота напряжения, Гц; ρ – удельное сопротивление, ;

Ионизационные диэлектрические потери. Эти потери свойственны газообразным диэлектрикам. Они появляются, если напряжение, приложенное к диэлектрику, превысит критическое значение U_кр, при котором начинаются ионизационные процессы. До напряжения U_кр диэлектрические потери практически равны нулю, а затем они резко увеличиваются, и их можно оценить по приближенной формуле:

где A – постоянный коэффициент, f – частота поля.

Ионизационные потери возникают также в жидких и твердых диэлектриках в газовых пузырьках и включениях.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. Они наблюдаются в слоистых диэлектриках: бумаге, пропитанной маслом, в пористой керамике, текстолите, стеклотекстолите и т. д. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации из-за больших расстояний между молекулами не сопровождается диэлектрическими потерями.

При напряженностях поля больше E_кр в газе начинается ионизация, и потери резко возрастают.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. Среди жидких диэлектриков следует отдельно рассматривать неполярные и полярные.

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. У чистых жидких диэлектриков электропроводность мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Можно рассчитать tgδ по формуле (1). Например, для нефтяного конденсаторного масла получим tgδ ≈ 0,001. Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается удельное сопротивление жидкого диэлектрика. У неполярного диэлектрика tgδ с ростом частоты уменьшается. А диэлектрические потери не зависят от частоты.

В полярных жидкостях потери обусловлены двумя причинами:

а) электропроводностью; б) дипольной поляризацией.

Потери, вызванные электропроводностью, зависят только от температуры. Для дипольной поляризации tgδ имеет максимум при некоторой температуре t₁. Если теперь учесть оба вида потерь и просуммировать обе зависимости, то получим график, показанный на рис.5,а. Влияние частоты f на tgδ и рассеиваемую мощность показано на рис.5,б

Рис.5. Влияния температуры а) и частоты б) на потери в полярном жидком диэлектрике

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. В твёрдых диэлектриках возможны все виды поляризации и потерь. Для выяснения общих закономерностей твёрдые диэлектрики делят на следующие группы.

1. Диэлектрики молекулярной структуры:

а) неполярные, б) полярные.

2. Диэлектрики ионной структуры:

а) плотной упаковки, б) неплотной упаковки.

4. Диэлектрики неоднородной структуры.

Неполярные диэлектрики обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями, и их применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Тангенс δ для них можно рассчитать по формуле (1). Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков не зависят от частоты. При увеличении температуры уменьшается удельное сопротивление диэлектрика, а это приводит к увеличению тангенса диэлектрических потерь.

Изменение tgδ от температуры и частоты в полярных диэлектриках такое же, как и для жидкого полярного диэлектрика.

В твёрдых веществах ионной структуры с плотной упаковкой ионов только два вида поляризации: электронная и ионная. В этих диэлектриках диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах увеличиваются потери от сквозной электропроводности. С ростом частоты tgδ уменьшается, как и у неполярных диэлектриков, так как активный ток остаётся постоянным, а реактивный увеличивается.

В твёрдых веществах ионной структуры с неплотной упаковкой ионов имеет место значительная ионно–релаксационная поляризация, поэтому наблюдаются закономерности изменения tgδ от температуры и частоты, характерные для дипольной поляризации.

Здесь два вида потерь:

а) потери, вызванные передвижением слабосвязанных ионов. Они рассматриваются как потери, обусловленные электропроводностью, возрастающие с температурой и почти не зависящие от частоты (tgδ уменьшается с ростом частоты);

б) потери, вызванные релаксационной поляризацией, у которых tgδ зависит от температуры и частоты.

Для большинства видов электрокерамики количество ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с температурой, поэтому максимум tgδ отсутствует и температурная зависимость tgδ подобно неполярным диэлектрикам в первом приближении имеет экспоненциальный характер.

Особенностью сегнетоэлектриков является то, что в них самопроизвольная (спонтанная) поляризация проявляется в определённом температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области спонтанной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда доменная структура разрушается.

Зависимости tgδ от температуры и частоты в диэлектриках неоднородной структуры очень сложные и определяются как суммы зависимостей составляющих.

Источник

Что такое диэлектрические потери

Обзор измерительных приборов

Существуют специальные приборы для измерения потерь. К ним относят прибор «ИПИ – 10», прибор фирмы Tettex, с его помощью изучаются диэлектрики твердых и жидких веществ. Автоматизированная установка с названием «Тангенс – 3М» используется для определения тангенса угла в жидких диэлектриках (на фото ниже). Также используют измеритель «Ш2 – 12ТМ».

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Теперь вы знаете, что собой представляют диэлектрические потери в диэлектриках, как производится их расчет и измерения. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Также рекомендуем прочитать:

Опубликовано:
21.12.2016
Обновлено: 18.10.2017

Число потерь в газообразных веществах

Так как у газообразных веществ значение электропроводности очень маленькое, то и число потерь диэлектрических в них мало.

Когда происходит поляризация газообразных молекул, диэлектрических потерь при этом не происходит. В данном случае используется зависимость под названием кривая ионизации. Эта зависимость показывает, что если тангенс δ возрастает вместе с возрастанием напряжения, то это является доказательством того, что в таком случае в изоляции есть включения газа. Если ионизация значительна, то и потери газа тоже, а это может привести к тому, что изоляция разогреется и разрушится.

Поэтому очень важным при изготовлении изоляции является избавление от вкраплений газа. Для того чтобы этого достичь, применяют специальную обработку. Она включает сушку изоляции в состоянии вакуума, после чего все поры заполняет компаунд, находящийся под давлением. Следующим этапом является обкатка.
При ионизации возникает озон и окислы азота, что ведет к разрушению органической изоляции. Если эффект ионизации появляется там, где поля неравномерны, то он ведет к существенному снижению коэффициента полезного действия при передаче (это бывает на линии электропередач).

Измерение диэлектрических потерь

Измерение диэлектрических потерь подразумевает достаточно сложную систему расчета, состоящую из нескольких действий.

Прежде всего рассчитывается мощность, которая рассеивается в диэлектрике при переменном напряжении. Она равна произведению воздействующего на него напряжения и тока, который проходит через диэлектрики (соответственно, U и la).

Если вы обратитесь к схеме по замещению диэлектрика, то увидите, что в ее состав входят конденсатор и активное сопротивление, которые соединены между собой последовательно.

По формуле мы можем рассчитать активный ток, проходящий через диэлектрик, он будет составлять произведение тангенса угла от вектора полного значения тока до его емкости lc (соотвественно δ). Δ еще носит название угол диэлектрических потерь (или просто потерь).

Исходя из этого, можно представить более развернутую формулу расчета мощности следующим образом.

Если при этом принять значение тока разным следующему выражению (буквой С обозначается значение емкости конденсатора, ω – угловая частота).

В конечном итоге, мы получаем гораздо более развернутую формулу для расчета мощности в диэлектрике.

Из этой формулы уже можно сделать некоторые выводы. Так, мы видим, что значение потерь энергии находится в прямой пропорции от тангенса угла диэлектрических потерь. В свою очередь, от значения этого угла зависит уровень качества нашего диэлектрика. Если резюмировать, то при уменьшении угла возрастает уровень диэлектрических свойств вещества. А значение этого угла позволяет выразить диэлектрические потери количественно и сравнить их между собой у разных диэлектриков.

Виды потерь

В газах

В газообразных веществах электропроводность маленькая и как результат диэлектрические утери также будут незначительными. При поляризации молекул газа ничего не случается. В таком случае применяется так называемая кривая ионизации.

Такая подчиненность свидетельствует о том, что при увеличении напряжения угол также будет повышаться. А это означает, что в изоляции существует включение газа. В случае большой ионизации, потеря газа будет значительной и как результат – нагревание и разрушение изоляции.

Поэтому изготавливая изоляцию очень важно учитывать тот факт, что вкрапления газа должны отсутствовать. Для этого используется особенная обработка

Суть ее заключается в следующем: в вакууме происходит сушка изоляции. Затем поры наполняются компаундом, который находится под напором и потом происходит обкатка.

В результате ионизации появляются окислы азота и озона, которые разрушают изоляцию. В моменты, когда эффект ионизации возникает на участке неравномерных полей, это при передаче приводит к снижению коэффициента полезного действия.

В твердых веществах

Твердый диэлектрик обладает определенными характеристиками, такими как состав, структура и поляризация, которые приводят к возникновению диэлектрических потерь. Например, в сере, парафине или полистироле они отсутствуют, поэтому данные вещества широко используют как высокочастотный диэлектрик.

Кварц, соль и слюда обладают сквозной электропроводностью, поэтому они характеризуются незначительной величиной данных потерь.

Диэлектрические потери не зависят от частоты (а), будут уменьшаться вместе с частотой поля по гиперболическому закону. Зато с температурой они зависят напрямую по экспоненциальному закону (б).

Кристаллический диэлектрик, такой как керамика или мрамор обладает характерным показателем этого значения. Это объясняется тем, что в их составе есть примеси полупроводников. Такой материал обладает отличительным свойством: диэлектрические потери напрямую связаны с окружающей средой и ее условиями. Поэтому в зависимости от смены факторов, которые окружают диэлектрик, величина одного материала может изменяться.

В жидкостях

В этом случае потери напрямую связаны с составом материала. Если в жидкостях отсутствуют какие-либо примеси, то она будет нейтральна и утери будут стремиться к нулю, так как электропроводность низкая.

Жидкости с полярностью или с наличием примесей используют для определенных технических целей, так как диэлектрические утери у них будут гораздо выше. Это объясняется тем, что такие жидкости обладают своими особенными свойствами, например, вязкость. А так как их устанавливает дипольная поляризация, то эти жидкости называют дипольными. При возрастании вязкости диэлектрические потери возрастают.

Помимо этого жидкости обладают определенной зависимостью потерь от температуры. Когда температурный режим увеличивается тангенс угла также увеличивается до максимального показателя. Затем опускается до минимального показателя и снова возрастает. Это объясняется тем, что под воздействием температуры изменяется электропроводность.

Источник