Какво е диелектрична загуба и какво я причинява

Диелектричните загуби са енергията, разсейвана за единица време в диелектрик, когато към него се приложи електрическо поле и причинява нагряване на диелектрика. При постоянно напрежение загубите на енергия се определят само от силата на проходния ток поради обемната и повърхностната проводимост. При променливо напрежение тези загуби се добавят към загубите поради различни видове поляризации, както и наличието на полупроводникови примеси, железни оксиди, въглерод, газови включвания и др.

Като се има предвид най -простият диелектрик, можем да напишем израза за разсейваната в него мощност под въздействието на променливо напрежение:

Pа = U·Аза,

където U- напрежението, приложено към диелектрика, Азa е активният компонент на тока, протичащ през диелектрика.

Диелектричната еквивалентна схема обикновено се представя под формата на последователно свързан кондензатор и активно съпротивление. От векторната диаграма (виж фиг. 1):

Аза = Интегрална схема·tgδ,

където δ — ъгълът между вектора на общия ток Аз и неговия капацитивен компонент Интегрална схема.

Следователно

Па = U·Интегрална схема·tgδ,

но токът

Интегрална схема = UΩ C,

където е капацитетът на кондензатор (даден диелектрик) при ъглова честота ω.

В резултат на това разсейваната мощност в диелектрика е

Па = U2Ω C·tgδ,

т.е. загубите на енергия, разсейвани в диелектрика, са пропорционални на тангенса на ъгъла δкойто се нарича ъгъл на диелектрични загуби или просто ъгълът на загуба. Този ъгъл δ k характеризира качеството на диелектрика. Чий ъгъл е по -малък ди електрически загуби δ, толкова по -високи са диелектричните свойства на изолационния материал.

Ориз. 1. Векторна диаграма на токове в диелектрик при променливо напрежение.

Въвеждане на понятието ъгъл δ Удобно е за практиката, тъй като вместо абсолютната стойност на диелектричните загуби се взема предвид относителна стойност, която дава възможност за сравняване на изолационни продукти с диелектрици с различно качество.

Диелектрични загуби в газове

Диелектричните загуби в газовете са малки. Газовете имат много ниска електрическа проводимост… Ориентацията на молекулите на диполния газ по време на тяхната поляризация не е придружена от диелектрични загуби. Пристрастяване tgδ=е(U) се нарича йонизационна крива (фиг. 2).

Ориз. 2. Промяна tgδ в зависимост от напрежението за изолация с въздушни включвания

Възходящ tgδ с увеличаване на напрежението може да се прецени наличието на газови включвания в твърдата изолация. При значителна йонизация и загуби в газа може да възникне нагряване и разрушаване на изолацията. Следователно изолацията на намотките на електрически машини с високо напрежение за отстраняване на газови включвания по време на производството се подлага на специална обработка — сушене под вакуум, запълване на порите на изолацията с нагрято съединение под налягане и търкаляне за пресоване.

Йонизацията на въздушните включвания е придружена от образуването на озон и азотни оксиди, които имат разрушителен ефект върху органичната изолация. Йонизацията на въздуха в неравни полета, например в електропроводи, е придружена от въздействие на видимата светлина (корона) и значителни загуби, което намалява ефективността на предаването.

Диелектрични загуби в течни диелектрици

Диелектричните загуби в течностите зависят от техния състав. В неутрални (неполярни) течности без примеси електрическата проводимост е много ниска, поради което диелектричните загуби също са малки в тях. Например, рафинираното кондензаторно масло има tgδ

В технологията най -широко разпространени са полярните течности (совол, рициново масло и др.) Или смеси от неутрални и диполни течности (трансформаторно масло, съединения и др.), при които диелектричните загуби са значително по -високи от тези на неутралните течности. Например, tgδ рициново масло с честота 106 Hz и температура 20ОC (293 K) е 0,01.

Диелектричната загуба на полярни течности зависи от вискозитета. Тези загуби се наричат ​​диполни загуби, тъй като те се дължат на диполна поляризация.

При нисък вискозитет молекулите са ориентирани под действието на поле без триене, диполните загуби в този случай са малки, а общите диелектрични загуби се дължат само на електрическата проводимост. Загубите на дипол се увеличават с увеличаване на вискозитета. При определен вискозитет загубите са максимални.

Това се обяснява с факта, че при достатъчно висок вискозитет молекулите нямат време да проследят промяната в полето и диполната поляризация практически изчезва. В този случай диелектричните загуби са малки. С увеличаване на честотата максималната загуба се измества към по -висока температурна област.

Температурната зависимост на загубите е сложна: tgδ нараства с повишаване на температурата, достига своя максимум, след това намалява до минимум, след което отново се увеличава, това се обяснява с увеличаване на електрическата проводимост. Диполните загуби се увеличават с увеличаване на честотата, докато поляризацията има време да проследи промяната в полето, след което диполните молекули вече нямат време да се ориентират напълно в посоката на полето и загубите стават постоянни.

В течностите с нисък вискозитет на ниски честоти преобладават загубите от проводимост, а диполните загуби са незначителни; напротив, при радиочестотите загубите на диполи са големи. Следователно диполните диелектрици не се използват във високочестотни полета.

Диелектрични загуби в твърди диелектрици

Диелектричните загуби в твърди диелектрици зависят от структурата (кристална или аморфна), състава (органична или неорганична) и естеството на поляризацията. В такива твърди неутрални диелектрици като сяра, парафин, полистирол, които имат само електронна поляризация, няма диелектрични загуби. Загубите могат да се дължат само на примеси. Следователно такива материали се използват като високочестотни диелектрици.

Неорганичните материали, като монокристали от каменна сол, силвит, кварц и чиста слюда, притежаващи електронна и йонна поляризация, имат ниски диелектрични загуби, дължащи се само на електрическата проводимост. Диелектричните загуби в тези кристали не зависят от честотата, а tgδ намалява с увеличаване на честотата. С повишаване на температурата загубите и tgft се променят по същия начин като електрическата проводимост, увеличавайки се според закона на експоненциална функция.

В стъкла с различен състав, например керамика с високо съдържание на стъкловидна фаза, се наблюдават загуби поради електрическа проводимост. Тези загуби са причинени от движението на слабо свързани йони; те обикновено се проявяват при температури над 50 — 100ОС (323 — 373 К). Тези загуби значително се увеличават с температурата според закона на експоненциална функция и зависят малко от честотата (tgδ намалява с увеличаване на честотата).

В неорганичните поликристални диелектрици (мрамор, керамика и др.) Възникват допълнителни диелектрични загуби поради наличието на полупроводникови примеси: влага, оксиди на желязо, въглерод, газ и т.н. същия материал, тъй като свойствата на материала се променят при влияние на условията на околната среда.

Диелектричните загуби в органичните полярни диелектрици (дърво, целулозни етери, естествен разтвор, синтетични смоли) се дължат на структурна поляризация поради разхлабеното опаковане на частици. Тези загуби зависят от температурата, имаща максимум при определена температура, както и от честотата, нарастваща с нейния растеж. Следователно тези диелектрици не се използват във високочестотни полета.

Характерно е, че зависимостта tgδ на температура за хартия, импрегнирана със съединението, има два максимума: първият се наблюдава при отрицателни температури и характеризира загубата на влакна, вторият максимум при повишени температури се дължи на загубата на дипол на съединението. С повишаване на температурата в полярните диелектрици загубите, свързани с електрическата проводимост, се увеличават.