Діелектричні втрати

Діелектричні втрати – це електрична потужність, що роз-сіюється в діелектрику (ділянці ізоляції) у вигляді тепла під дією прикладеного до нього електричного поля. Втрати в діелектриках спостерігаються як при змінній напрузі, так і постійній, оскільки в матеріалі присутній наскрізний струм, що зумовлений провідністю. При постійному струмі, коли немає періодичної поляризації, якість матеріалу характеризується значеннями питомих об’ємного і поверх-невого опорів.

Якщо ділянка ізоляції з опором R_із (Ом) знаходиться під постійною напругою U і через ізоляцію протікає струм витікання I, тоді величина втрат дорівнює:

(1.48)

Недопустимо великі діелектричні втрати в електроізоляцій-ному матеріалі викликають сильний нагрів виготовленого з нього виробу і можуть призвести до його теплового руйнування.

Природа діелектричних втрат в електроізоляційних матеріа-лах різноманітна в залежності від агрегатного стану речовини.

Діелектричні втрати за своєю природою і фізичною суттю або дією електричного поля поділяються на чотири основних види:

1) втрати, зумовлені різними видами поляризацій в діелект-риках;

2) втрати від наскрізної електропровідності;

3) іонізаційні втрати;

4) втрати, викликані неоднорідністю структури.

Діелектричні втрати твердих діелектриків залежать від їх молекулярної структури. В неполярних молекулах із нестійким зв’язком – зв’язок Ван-дер-Ваальса (речовини, що не мають домі-шок) втрати оцінюються електропровідністю і є малими (до 10^-4). Це високочастотні діелектрики, такі як сірка, парафін, полімери та ін. Для технічних діелектриків з полярною молекулою і дипольно-релаксаційною поляризацією втрати значні (до 10^-3). До таких діелектриків відносять целюлозу, органічне скло, капрон, каучук, ебоніт, фенольно-формальдегідні смоли (бакеліт).

Діелектричні втрати, пов’язані з неоднорідністю структу-ри діелектриків, спостерігаються в багатьох технічних діелектри-ках – шарових пластиках, просоченому папері, пластмасах з напов-нювачами, кераміці, слюдяних та азбестових матеріалах тощо. Загальної формули для розрахунку діелектричних втрат в таких матеріалах не існує.

Діелектричні втрати в газах дуже низькі. Основним джере-лом діелектричних втрат в газах є електропровідність, тому що орієнтація дипольних молекул в газах при їх поляризації не супро-воджується діелектричними втратами.

Діелектричні втрати в рідинах суттєво залежать від будови рідини: в неполярних рідинах (без домішок з дипольними молекула-ми), вони зумовлені тільки електропровідністю. Їх питома провід-ність та діелектричні втрати також є малими. Полярні рідини в залежності від умов можуть володіти великими втратами, пов’яза-ними з дипольно-релаксаційною поляризацією і втратами від елект-ропровідності. Застосовувані в техніці рідкі діелектрики можуть бути сумішшю полярних та неполярних речовин, наприклад, масляно-каніфольні компаунди. Рідкі полярні діелектрики мають замітну залежність діелектричних втрат від їх в'язкості. Диполі, орієнтуючись в напрямі електричного поля, повертаються у в'язкому середовищі і викликають втрати теплової енергії на тертя з виділенням теплоти.

Розглянемо схему, що еквівалентна конденсатору з діелектричними втратами і який знаходиться в колі змінного струму (рис.1.19). Ця схема повинна бути вибрана так, щоб активна поту-жність, що є в даній схемі дорівнювала потужності, що розсіюється в діелектрику конденсатора, а струм випереджував напругу на цей же кут, що і в діелектрику.

Поставлена задача може бути розв'язана заміною конденса-тора з втратами ідеальним конденсатором з послідовно ввімкне-ним активним опором або ідеальним конденсатором, що шунтова-ний активним опором.

Рис.1.19. Векторні діаграми та еквівалентні схеми заміщення

діелектрика з втратами: а) послідовна; б) паралельна.

Послідовна та паралельна схеми еквівалентні одна одній, якщо при рівності повних опорів z ₁ = z ₂ = z однакові їх активні та реактивні складові. Ця умова буде виконана, якщо кути зсуву φ струму відносно напруги однакові, а також однакові значення активної потужності.

З теорії змінного синусоїдного струму відомо, що активна потужність дорівнює:

(1.49)

Виразимо потужності для послідовної та паралельної схем через ємності С_S і С_P.

Для послідовної схеми:

(1.50)

Для паралельної схеми:

(1.51)

Прирівнюючи рівняння (1.50) та (1.51) знаходимо співвід-ношення між С_S і С_P,між r_s і r_p

(1.52)

Для високоякісних діелектриків можна знехтувати значеннями tg ²δ і вважати С_S ≈ С_P ≈ С. Вирази потужностей, що розсіюється в діелектрику, в цьому випадку будуть однакові для двох схем:

(1.53)

де U – прикладена до діелектрика напруга, В; С – ємність ділянки ізоляції, Ф; ω=2π f – колова частота струму, с^-1; f – частота змінного струму, Гц; δ –кут діелектричних втрат, що доповнює до 90⁰ кут зсуву фаз φ між струмом і напругою. Чим менший цей кут, тим кращий діелектрик, так як в ньому будуть найменші втрати енергії.

Отже, діелектричні втрати пропорційні квадрату прикла-деної напруги і частоті її зміни. Тому, вони досягають найбільших значень в діелектриках, що використовуються в установках висо-ких напруг і високочастотній апаратурі.

Для розрахунку діелектричних втрат в одиниці об’єму, де напруженість поля дорівнює Е, МВ/м і присутня будь-яка картина електричного поля (рівномірна, нерівномірна, а також у будь-якому неоднорідному діелектрику), приймається емпірична формула

(1.54)

Добуток відносної діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат ε· tg δ називається коефіцієнтом діелект-ричних втрат матеріалу.

Отже, питомий опір діелектрика може визначитись за форму-лою:

(1.55)

При змінному струмі втрати є зазвичай більшими, ніж на постійному, що виражається формулою

(1.56)

Ця нерівність пов’язує питомий об’ємний опір ρ, виміряний на постійному струмі, з параметрами ε і tg δ на змінному струмі при частоті f. На рис. 1.20 показано залежностідіелектричних втрат (tg d) для деяких матеріалів при зміні температури.

Рис.1.20. Залежність tgδ від температури: 1 – електротехнічний фарфор,

2 – ультрафарфор, 3 – алюміноксид.

В газоподібних діелектриках при низьких напруженостей електричного поля, в неполярних рідинах, таких як трансфор-маторна олива, в неполярних твердих діелектриках втрати при постійному і змінному струмі однакові.

В неполярних рідинах діелектричні втрати зумовлені тільки електропровідністю, якщо рідина не містить домішок з дипольними молекулами. Питома провідність неполярних чистих рідин над-звичайно мала, завдяки чому й малі втрати. Прикладом може слугу-вати нафтове конденсаторне масло.

Полярні рідини в залежності від умов (температура, часто-та) можуть володіти значними втратами, пов’язаними з дипольно-релаксаційною поляризацією.

Розглянемо фактори, що впливають на діелектричні втрати у діелектриках. Їх є три: температура, частота і вологість.

Підвищення температури викликає ріст tg δ, якщо втрати зумовлені провідністю, так як при нагріванні діелектрика зростає інтенсивність зміщення або переміщення зарядів. Якщо втрати зумовлені поляризацією, то при рості температури tg δ проходить через максимум. Це пояснюється тим, що при низьких температурах в’язкість висока і втрат немає, а при високих температурах в’язкість низька і диполі зміщуються без тертя.

Збільшення частоти викликає зниження tg δ, якщо втрати зумовлені провідністю. В цьому випадку активна складова струму, викликана витіканням через діелектрик не змінюється зі зміною частоти, а реактивна (ємнісний струм) зростає пропорційно частоті. Тому відношення активного струму до реактивного, тобто якщо втрати зумовлені провідністю, то зі збільшенням частоти tg δ буде знижуватись. Якщо втрати викликані поляризацією, то tg δ буде мати максимум. При низьких частотах втрати малі, так як швидкість повороту диполів і зміщення іонів при нещільному упакуванні невеликі, а звідси й малі втрати на тертя. При дуже високих частотах диполі та іони не встигають повертатися або зміщуватися вслід за частотою електричного поля і тому втрати малі. В складних діелектриках існують втрати двох типів і tg δ отримується шляхом сумування обох кривих.

Поява вологи в будь-якому агрегатному стані (емульсійне, молекулярнорозчинне або газоподібне) викликає ріст tg δ. Це пояс-нюється тим, що у більшості діелектриків при зволоженні зни-жується питомий опір, тобто збільшується провідність.