Общие сведения о диэлектрических потерях

План лекции

ПОТЕРИ В ДИЭЛЕКТРИКАХ И ИХ ПРОБОЙ

ЛЕКЦИЯ 2.3.

Вопросы для самопроверки

1. Записать формулу для сопротивления диэлектрика на постоянном токе

2. Как измеряют сопротивление изоляции.

3. Пояснить зависимость тока утечки в диэлектриках от времени.

4. В каких единицах измеряют удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления

5. Чем отличаются удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления.

6. Каков механизм электропроводности в газообразных, жидких и твердых диэлектрических материалах.

7. Пояснить физические процессы, происходящие на различных участках зависимости тока от напряжения для газообразных диэлектриков.

8. В чем различия в электропроводности в полярных и неполярных жидких диэлектриках.

9. Как влияет на удельную электропроводность жидких диэлектриков температура.

10. В чем особенности удельной проводимости в кристаллических материалах.

11.Как влияет влажность на удельную проводимость твердых диэлектриков.

12.Как снизить удельную поверхностную электропроводность твердых диэлектриков.

ТЕМА 2.2. Основные физические процессы в диэлектриках

2.3.1 Общие сведения о диэлектрических потерях

2.3.2. Виды диэлектрических потерь

2.3.3. Диэлектрические потери в газах

2.2.4. Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

2.2.5. Диэлектрические потери в твердых диэлектрических материалах

2.3.6. Понятие пробоя диэлектриков

2.3.7. Механизм пробоя газов

2.3.8. Пробой жидких диэлектриков

2.3.9. Пробой твердых диэлектриков.

Энергия электрического поля, выделяющаяся в диэлектрике, превращается в тепловую энергию. Вызванный этим нагрев диэлектрика может заметно изменить и даже полностью нарушить его электроизоляционные свойства и привести к тепловому пробою.

При постоянном напряжении, приложенном к диэлектрику, диэлектрические потери Р_а обусловлены явлением сквозной электропроводности и могут быть определены из выражения

, (2.3.1)

При переменном напряжении существенную роль в образовании диэлектрических потерь играют, помимо потерь, вызванных явлением сквозной электропроводности, еще и затраты электрической энергии на установление поляризации. Качество диэлектрика на переменном напряжении характеризуют удельными потерями (т.е. мощностью, выделяющейся при данной рабочей частоте в единице объема диэлектрика), углом диэлектрических потерь или тангенсом угла диэлектрических потерь.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между напряжением, приложенным к диэлектрику, и протекающим в нем током. В идеальном диэлектрике угол равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем больше угол диэлектрических потерь.

Тангенс угла диэлектрических потерь tgd непосредственно входит в формулу для определения величины рассеянной в диэлектрике мощности, в связи с чем этой характеристикой в практике пользуются наиболее часто.

Рассмотрим схему, эквивалентную диэлектрику, который обладает потерями. Эта схема должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы расходуемая в ней активная мощность равнялась мощности, рассеиваемой в диэлектрике, а ток был бы сдвинут относительно напряжения на тот же угол.

Чтобы решить поставленную задачу, надо диэлектрик с потерями представить либо идеальным конденсатором с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема), либо конденсатором с последовательным сопротивлением (последовательная схема). Такие эквивалентные схемы, конечно, не объясняют механизма диэлектрических потерь и носят чисто условный характер. Параллельная и последовательная схемы диэлектрика с диаграммами токов и напряжений представлены на рис. 2.3.1. Обе схемы будут эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений Z₁=Z₂=Z окажутся соответственно равными их активные и реактивные составляющие. Это условие соблюдается, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активной мощности одинаковы.

Рис. 1-22. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них.

Для параллельной схемы из векторной диаграммы получаем:

(2.3.2)

(2.3.3)

Для последовательной схемы:

(2.3.4)

(2.3.5)

Приравнивая друг другу выражения (2.3.3) и (2.3.5), а так же (2.3.2) и (2.3.4), находим соотношения между С_р. и С_S, и между R и r:

(2.3.6)

(2.3.7)

Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg²d по сравнению с единицей в формуле (2.3.5) и считать Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут также одинаковы для обеих схем:

, (2.3.8)

где U - напряжение, В; -угловая частота, сек^-1, С -емкость, Ф.

У диэлектриков с большими потерями емкость при переменном напряжении становится условной величиной, зависящей от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями при переменном напряжении также условна.

Сопротивление R. в параллельной схеме, как следует из выражения (2.3.6), во много раз больше сопротивления r. Угол потерь от выбора схемы не зависит.

Определив каким-либо методом при некоторой частоте параметры эквивалентной схемы исследуемого диэлектрика (С_р и R или С_S, и г), мы в общем случае не можем считать полученные значения емкости и сопротивления присущими данному конденсатору и пользоваться этими величинами для расчета угла потерь при любых других частотах. Такой расчет допустим только в том случае, если эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, например, если известно, что в данном диэлектрике потери в широком диапазоне частот определяются только затратами энергии на сквозную электропроводность, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком можно вычислить по формуле (2.3.2) для любой частоты, лежащей в этом диапазоне. Потери в таком конденсаторе определяются выражением

, (2.3.9)

Если потери в конденсаторе или изоляторе обусловлены главным образом сопротивлением подводящих и соединительных проводов, а также сопротивлением самих электродов (обкладок), то для расчета можно применить последовательную схему, и рассеиваемая мощность будет возрастать пропорционально квадрату частоты:

, (2.3.10)

Из последнего выражения следует весьма важный практический вывод: у конденсаторов и изоляторов, предназначенных для работы на высокой частоте, сопротивление электродов, соединительных проводов и переходных контактов должно быть по возможности мало.

Однако в большинстве случаев потери в конденсаторе или изоляторе нельзя полностью объяснить ни первым, ни вторым из приведенных выше факторов, и тогда необходимо характеристики изделия определять именно при той частоте, при которой оно будет использовано.

Из выражений (2.3.8) и (2.3.10) вытекает, что вопрос о диэлектрических потерях приобретает наибольшее значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку величина диэлектрических потерь пропорциональна квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте его изменения.

Материалы, предназначенные для применения в указанных условиях, должны отличаться малой величиной угла потерь и диэлектрической проницаемости, так как в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, достигнет недопустимо больших значений, что угрожает диэлектрику разрушением из-за перегрева. Но даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, не достаточно велико для того, чтобы диэлектрические потери могли вызвать недопустимый перегрев, то и тогда большие диэлектрические потери отнюдь не безразличны. Так, например, диэлектрик с большими диэлектрическими потерями, будучи использован в колебательном контуре, ухудшает его добротность.

2.3.2. Виды диэлектрических потерь

Изучение физической природы и особенностей диэлектрических потерь позволило подразделить их на три основных вида:

а) потери сквозной электропроводности; б) поляризационные (релаксационные) потери; в) ионизационные потери.

Потери сквозной электропроводности. Этот вид потерь обнаруживается в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность. Если при этом потери других видов несущественны, то частотные зависимости Р_a и tg, могут быть получены на основе использования параллельной эквивалентной схемы замещения реального диэлектрика. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты приложенного напряжения. Тангенс диэлектрических потерь tgd уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Величину тангенса угла диэлектрических потерь при заданной частоте f можно вычислить по формуле

(2.3.11)

если известны значения р (Ом·м ) и , измеренные: первое на постоянном токе, второе при данной частоте.

Потери сквозной электропроводности возрастают с температурой по экспоненциальному закону вида

(2.3.12)

где A и b — постоянные материала.

Тому же закону подчиняется и температурная зависимость tgd, так как можно считать, что реактивная мощность от температуры практически не зависит.

Поляризационные (релаксационные) потери. Эти потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов и характеризуются наличием взаимосвязанных максимумов в частотной и температурной зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь, определяемых временем релаксации.

Наличие этих максимумов можно объяснить механизмом дипольно-релаксационной поляризации вязких жидкостей и полужидких веществ. Дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии на трение с выделением тепла. Если жидкость настолько вязка, что молекулы не успевают следовать за изменением поля, то дипольно-релаксационная поляризация практически отсутствует, тангенс угла диэлектрических потерь при этом мал. Он будет также мал, если вязкость жидкости весьма мала и ориентация молекул происходит практически без трения. При средней вязкости значение tgd может быть велико, а при некоторой вязкости оно достигает максимума.

Дата добавления: 2014-01-20