Материал: Учебное пособие ЭТМ
4.2.3. Диэлектрические потери
Диэлектрические потери — та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла и приводит его нагреву. В результате электроизоляционная конструкция постепенно теряет свои свойства, и может утратить тепловую устойчивость, вследствие чего произойдет тепловой пробой.
Диэлектрические потери при постоянном напряжении
В постоянном электрическом поле рассеиваемая мощность обусловлена только током электронной проводимости и определяется с помощью закона Джоуля – Ленца:
P= |
U2 |
=UIскв =Iскв2 Rиз |
(4.19) |
|
Rиз |
||||
|
|
|
где U — постоянное напряжение; Rиз — сопротивление изоляции, измеряемое на постоянном напряжении.
Таким образом, при постоянном напряжении потери обусловлены только направленным движением свободных носителей заряда: ионы и более крупные коллоидные частицы — молионы (в случае загрязненных жидкостей).
Диэлектрические потери при переменном напряжении
Диэлектрические потери при переменном напряжении складываются из четырех составляющих.
Потери, обусловленные проводимостью (потери от сквозного тока через диэлектрик). Электропроводность и потери, связанные с электропроводностью, не являются постоянными величинами. Электропроводность зависит от ряда факторов, в частности от температуры, с ростом которой возрастает подвижность носителей, и может вырасти их число, например из-за диссоциации на ионы молекул воды.
Этот вид проводимости свойственен всем диэлектрикам (полярным и неполярным). Для неполярных он часто единственный вид диэлектрических потерь.
58
Потери от релаксационных видов поляризации. В этом случае потери вызваны внутренним трением при ориентации диполей. Наиболее значимыми видами потерь данной группы являются дипольнорелаксационные потери для диэлектриков с молекулярным строением и ионно-релаксационные для диэлектриков ионного строения.
Особую группу диэлектриков составляют полимеры, так как они состоят из длинных цепных молекул, каждая их которых содержит в себе повторяющиеся элементарные звенья. Подобное строение приводит к тому, что в полимерах могут присутствовать дипольносегментальные потери и дипольно-групповые потери.
Дипольно-сегментальные потери вызваны дипольносегментальной поляризацией, т. е. смещением по направлению электрического поля отдельных отрезков молекул (сегментов). Проявляется этот вид поляризации при температуре большей, чем температура стеклования (температура при которой молекулы приобретают гибкость, а ее отрезки подвижность). Этот вид потерь присущ полярным и неполярным полимерам, а с точки зрения их строения он реализуется для аморфных материалов, а также для аморфных областей кристаллических полимеров.
Дипольно-групповые потери вызваны дипольно-групповой поляризацией, которая обусловлена подвижностью полярных групп (–Cl–OH и –F– СООН). Данный вид поляризации свойственен полярным полимерам, аморфным и кристаллическим и проявляется при температуре меньшей температуры стеклования.
Ионизационные потери (потери от частичных разрядов) — потери от ионизации газовых включений в твердых и жидких диэлектриках, в первых в виде трещин и пор, а во вторых в виде пузырьков. Особое место среди диэлектриков занимает целлюлозные материалы и биополимер хитозан, которые содержат поры и воздух во всех своих структурных элементах. Целлюлозные диэлектрики (бумага и картон) используются в пропитанном состоянии для увеличения их электрической прочности.
59
Резонансные потери проявляются при очень высоких частотах, порядка 1012 – 10 15 Гц, когда период изменения электрического поля соизмерим со временем установления мгновенных типов поляризации.
Таким образом, потери при переменном напряжении равны и больше потерь в постоянном электрическом поле и определяются более сложными закономерностями.
Угол диэлектрических потерь
Количественно диэлектрические потери в переменном электри-
|
P |
Вт |
|
|
ческом поле оцениваются величиной удельных потерь p= |
|
, |
|
, а |
|
||||
|
V |
м3 |
|
|
чаще тангенсом угла диэлектрических потерь (tgδ).
Если проводник поместить в электрическое поле, то вектора напряжения и тока для него совпадут. Ток в этом случае чисто активный (Ia) и угол сдвига между этими векторами φ = 0.
Если в цепь переменного синусоидального напряжения включить конденсатор с идеальным диэлектриком (нет потерь от сквозной проводимости), то ток в этом случае чисто емкостной Ic, а угол сдвига фаз равен 90° ( рис. 4.12), следовательно, мощность равна нулю
( P = UIcosϕ = 0 ).
Рис. 4.12. Векторная диаграмма идеального конденсатора
Если в ту же цепь включен конденсатор с диэлектриком с потерями, то угол φ будет меньше 90° ( рис. 4.13).
60
δ 
ϕ < 90O
Рис. 4.13. Векторная диаграмма реального конденсатора
Угол δ называется углом диэлектрических потерь. Очевидно, что тангенс этого угла равен отношению активного и емкостного токов:
tgδ= |
Ia |
. |
(4.20) |
|
|||
|
Ic |
|
|
Таким образом, углом диэлектрических потерь называется угол дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90о. Угол диэлектрических потерь — важный параметр, как для диэлектрика, так и для электрической изоляции. Чем больше угол δ, тем больше диэлектрические потери и тем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло. Обычно в качестве параметра материала или конструкции используют тангенс угла диэлектрических потерь. Значение tgδ для лучших диэлектрических материалов, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений — порядка тысячных и даже десятитысячных долей, для материалов более низкого качества, применяемых в менее ответственных случаях tgδ может быть намного меньше.
Полные и удельные потери в диэлектрике
Активная мощность конденсатора Р вычисляется как: |
|
P=UIa =UIc tgδ, |
(4.21) |
где Ic — емкостной ток: |
|
Ic =UωC . |
(4.22) |
Удельные потери диэлектрика р: |
|
|
61 |
|
|
P |
|
|
P |
|
|
|
|
U2ωε0 |
εrStgδ |
2 |
ωε0εr tgδ , |
|
|||||||||
|
p= |
|
|
= |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
=E |
|
(4.23) |
||||
|
V |
|
Sd |
|
Sd2 |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
где Е — |
напряженность электрического поля E= |
U |
; С — |
емкость |
|||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
плоского конденсатора C= |
εrε0S |
; ε0 =8,85 ×10-12 Ф |
; ω=2πf . |
|
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м |
|
|
|
|
|
|||
Следовательно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
εr tgδ |
|
2 |
γa . |
|
|
|
|
|
|||||
|
p=E |
|
|
f |
|
|
|
|
=E |
|
|
|
|
|
|
(4.24) |
|||||||
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,8 ×10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Тангенс угла диэлектрических потерь, вызванных сквозными |
|||||||||||||||||||||||
токами проводимости: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
tgδскв = |
1,8 ×1010 γа |
, |
|
|
|
|
(4.25) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
εr f |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где γα — |
удельная объемная активная электропроводность диэлек- |
||||||||||||||||||||||
трика при переменном напряжении.
Потери пропорциональны напряженности электрического поля и частоте. Если диэлектрик в той или иной конструкции должен работать на высокой частоте и большой напряженности поля, то необходимо выбирать материал с малыми значениями ε r и tgδ .
Факторы, влияющие на диэлектрические потери
Температура. Диэлектрические потери, обусловленные сквозной проводимостью, прямо пропорциональны удельной активной электропроводности, значение которой возрастает с ростом температуры, следовательно, и tgδскв также возрастает (рис. 4.14, кривая 1).
Дипольно-релаксационные потери будут иметь максимум (кривая 2), поскольку при низкой температуре вязкость вещества велика и велики силы трения, препятствующие ориентации диполей. С ростом температуры вязкость диэлектрика понижается, а подвижность диполей возрастает, а, следовательно, возрастают и диэлектрические потери. При высоких температурах вязкость становится столь низкой,
62