Здавалка
Главная | Обратная связь

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 Rіз (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 z1= z2= 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 СS і СP.

Для послідовної схеми:

(1.50)

Для паралельної схеми:

(1.51)

Прирівнюючи рівняння (1.50) та (1.51) знаходимо співвід-ношення між СS і СP,між rs і rp

(1.52)

Для високоякісних діелектриків можна знехтувати значеннями tg2δ і вважати СSСP 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=2πf – 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·tgδ 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 tgδ на змінному струмі при частоті f. На рис. 1.20 показано залежностідіелектричних втрат (tgd) 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 tgδ, якщо втрати зумовлені провідністю, так як при нагріванні діелектрика зростає інтенсивність зміщення або переміщення зарядів. Якщо втрати зумовлені поляризацією, то при рості температури tgδ 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 tgδ, 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 tgδ буде знижуватись. Якщо втрати викликані поляризацією, то tgδ 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 tgδ отримується шляхом сумування обох кривих.

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







©2015 arhivinfo.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.