Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

9.2.3 Диэлектрические потери

Общие определения

Диэлектрическими потеряминазывают энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Если на диэлектрик воздействует переменное электрическое поле напряженностью Е и круговой частотой ω, то в нем возникают электрические токи двух видов: ток смещения  или емкостной ток  и ток проводимости  (рис. 9.10).

Плотность тока смещения равна:

.          (9.11)

Плотность тока проводимости определяется следующим образом:

,            (9.11)

где  – удельная, активная проводимость диэлектрика на угловой частоте ω.

Плотность общего тока (J) равна векторной сумме плотностей токов смещения и проводимости (рис. 9.9). Если бы диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь (), ток был бы чисто реактивным и его плотность:

(см. рис. 9.10) была бы направлена по мнимой оси под углом 90° к вектору . Однако у реальных диэлектриков, с , отличной от нуля, суммарный ток сдвинут на угол  относительно тока идеального диэлектрика (φ – угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше , тем больше угол δ, характеризующий степень отличия реального диэлектрика от идеального.

Рис. 9.10. Векторная диаграмма (комплексная плоскость) плотности тока в диэлектрике

Угол δ между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости называют углом диэлектрических потерь. Тангенс этого угла

             (9.12)

является одним из важнейших параметров не только диэлектриков, но также конденсаторов, изоляторов и других электроизоляционных элементов. Или другими словами, угол диэлектрических потерь (δ) называют углом, дополняющим до 90° угол сдвига фаз (φ) между током и напряжением в емкостной цепи.

Мощность, рассеиваемая в единице объема вещества, т.е. так называемые удельные диэлектрические потери, равны:

или

,         (9.13)

где Е – действующее значение напряженности переменного поля, В/м. Чем выше tgδ, тем больше нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряженности. Введение безразмерного параметра tgδ удобно, потому что он не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойствами диэлектрического материала.

Если к конденсатору или другому электроизоляционному элементу приложено напряжение с угловой частотой (ω) и действующим значением U, то отношение проходящих тока проводимости

(где Ra – активное сопротивление элемента на частоте ) и тока смещения

(где С – емкость) можно выразить так:

.

Так как , a , где  – геометрический размер, то

.              (9.14)

Полные диэлектрические потери в участке изоляции емкостью С при приложении напряжения U (действующего значения) угловой частотой ω равны:

.           (9.15)

Наряду с потерями tgδ характеризует добротность конденсатора (Q), а следовательно, и максимально возможную добротность контура с данным конденсатором:

.                 (9.16)

Таким образом, tgδ есть величина, обратная добротности.

Высокие диэлектрические потери приводят к разогреву и тепловому пробою диэлектриков в сильных электрических полях, снижению добротности и избирательности колебательных контуров. В связи с этим стремятся снизить tgδ диэлектрических материалов, что возможно, если известна природа диэлектрических потерь.

Виды диэлектрических потерь

Диэлектрические потери по их особенностями и физической природе можно разделить на пять основных видов:

1) обусловленные сквозной электропроводностью;

2) обусловленные релаксационными (медленными) видами поляризации;

3) обусловленные неоднородностью структуры (миграционные);

4) ионизационные;

5) резонансные.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью проявляются во всех без исключения диэлектриках как в постоянных, так и в переменных электрических полях. Часть диэлектрических потерь, обусловленных сквозным током диэлектрика, называют диэлектрическими потерями на электропроводность.

Потери на электропроводность ничтожно малы у электроизоляционных материалов с высоким удельным сопротивлением (у полиэтилена, политетрафторэтилена и т.п.

), а на высоких и сверхвысоких частотах – практически у всех материалов.

Однако их необходимо учитывать в изоляции, работающей при повышенных температурах (выше 100° С), а также при увлажнении и прочих условиях, приводящих к снижению удельного сопротивления.

Диэлектрические потери, обусловленные релаксационными (медленными) видами поляризации могут проявляться в полярных диэлектриках и только в переменных электрических полях.

Активная проводимость диэлектриков () при переменном токе обычно значительно больше, чем проводимость () при постоянном токе. Тангенс угла потерь, даже на высоких частотах, не падает ниже 10-4. Следовательно, существуют и другие механизмы диэлектрических потерь, кроме потерь, обусловленных током сквозной проводимости. Эти механизмы связаны с поляризацией диэлектрика.

Диэлектрические потери на поляризацию будут максимальны, когда период изменения электрического поля сравним со временем установления поляризации (τ).

Если частота поля , поляризация не успевает следовать за изменениями поля, поляризованность и диэлектрическая проницаемость станут ниже низкочастотных. В области частот  наблюдается изменение диэлектрической проницаемости с увеличением частоты, называемое диэлектрической дисперсией.

Диэлектрическая дисперсия может носить релаксационный (ε монотонно снижается с ростом ω) или резонансный (ε с ростом частоты проходит через максимум и минимум) характер.

Значения ε и tgδ полярных диэлектриков сильно зависят от температуры (Т).

При высоких температурах снижение ε с ростом Т связано с дезориентирующим влиянием на дипольную поляризацию хаотического теплового движения, в результате чего  при .

При низких температурах ε падает до значения , потому что частота релаксации становится ниже частоты измерений. Чем выше частота измерений, тем выше температура падения ε(Т). При температурах падения ε(Т) наблюдаются релаксационные максимумы потерь.

Таким образом, релаксационная дисперсия может наблюдаться при изменении не только частоты, но и температуры.

В полярных диэлектриках наблюдаемые потери представляют собой сумму из потерь на электропроводность и релаксационных потерь. Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры, характерны для композиционных диэлектриков, а также для диэлектриков с различными (в том числе и проводящими) примесями.

Миграционная поляризация обусловлена миграцией зарядов в проводящих включениях и их накоплением на границах неоднородностей.

Процесс миграционной поляризации устанавливается очень медленно и не успевает следовать за изменением величины и направления электрического поля высокой частоты.

Поэтому миграционная поляризация уменьшается с ростом частоты, на низких частотах и в области частот ее дисперсии наблюдаются миграционные потери.

Ионизационные потери, или потери на частичные разряды, наблюдаются в пористых диэлектриках при повышении напряжения сверх определенного предела (), называемого порогом ионизации (рис. 9.11).

При напряжениях выше  в воздушных включениях или других дефектах внутри диэлектрика появляются частичные разряды, приводящие к рассеянию энергии электрического поля.

Диэлектрические потери, обусловленные ионизацией диэлектрика в электрическом поле, и называются ионизационными диэлектрическими потерями.

Рис. 9.11. Ионизационные потери пористых диэлектриков при напряжениях, выше напряжения ионизации (Uион)

При действии частичных разрядов диэлектрик может постепенно разрушаться. Поэтому рабочее напряжение следует выбирать ниже напряжения ионизации () соответствующего началу роста tgδ.

График зависимости tgδ от напряжения (рис. 9.11) называют кривой ионизации диэлектрика.

По кривой ионизации оценивают качество электрической изоляции высокого напряжения: чем меньше приращение tgδ вследствие ионизационных потерь () и чем при более высоких напряжениях  начинается рост tgδ, тем изоляция лучше.

Для повышения качества электрической изоляции высокого напряжения ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, компаундами, газами под высоким давлением.

Резонансные диэлектрические потери происходят при дисперсии резонансного характера, когда частота электрического поля приближается к частотам собственных колебаний электронов или ионов.

Резонансные потери электронной поляризации имеют максимумы в оптическом диапазоне: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра (на частотах 1014…1017 Гц). С ними связано поглощение света веществом.

Потери сопровождаются частотной зависимостью показателя преломления и максимальны в области так называемой «аномальной» дисперсии, где ε снижается с ростом ω (под «нормальной» дисперсией в оптике имеют в виду увеличение показателя преломления с ростом частоты).

Максимумы резонансных потерь ионной поляризации наблюдаются в инфракрасном диапазоне на частотах 1013…1014 Гц. Однако в веществах с высокой диэлектрической проницаемостью, а также в стеклах и ситаллах, где есть слабо связанные ионы, частоты ионного резонанса могут быть и ниже (~1012 Гц). В этом случае начало резонансного максимума потерь захватывает диапазон СВЧ (109…1010 Гц).

Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах при напряженностях электрического поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации, очень малы. В этом случае газ можно рассматривать как идеальный диэлектрик.

Источником диэлектрических потерь в этом случае является в основном сквозная электропроводность.

Так как газы обладают весьма малой электропроводностью, то и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет ничтожно мал, особенно при высоких частотах

При высоких напряженностях электрического поля, а также в неоднородных электрических полях, когда напряженность некоторых областей превышает некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

В неполярных жидких диэлектриках диэлектрические потери обусловлены только сквозной электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами, и значение tgδ c ростом температуры будет возрастать, а с ростом частоты приложенного электрического поля – уменьшаться.

В полярных жидкостях, в зависимости от условий эксплуатации, повышения температуры, частоты и т.п. могут проявляться потери, обусловленные дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных электропроводностью. Для таких жидкостей зависимости tgδ от температуры и частоты приложенного электрического поля носят более сложный характер.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые диэлектрики обладают разными свойствами и строением, в них возможно существование всех видов диэлектрических потерь.

В неполярных твердых диэлектриках, не имеющих примесей, диэлектрические потери определяются сквозной электропроводностью, и величина tgδ c ростом температуры будет возрастать, а с ростом частоты приложенного электрического поля – уменьшаться.

В полярных твердых диэлектриках обладающих дипольно-релаксационной, ионно-релаксационной и другими медленными видами поляризации, в зависимости от условий эксплуатации (от повышенных температур, частот и т.п.) могут возникать заметные потери, связанные с медленными видами поляризации.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках неоднородной структуры

К таким диэлектрикам относятся материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов, не вступивших в химическую реакцию, т.е. механически смешанных друг с другом.

К неоднородным диэлектрикам следует отнести: керамику, слоистые пластики, пропитанную бумагу, картон, ткани и др.

Диэлектрические потери таких материалов определяются свойствами и количественным соотношением компонентов, поэтому зависимости tgδ от температуры и частоты приложенного электрического поля носят очень сложный характер.

Читайте также:  Реактивное сопротивление в электротехнике

Рис. 9.12. Зависимость tgδ от температуры для конденсаторной бумаги, пропитанной компаундом (80 % канифоль + 20 %

Например, кривая зависимости tgδ от температуры (рис. 9.12) для бумаги, пропитанной масляно-канифольным компаундом, имеет два максимума: первый (при низких температурах) характеризует диэлектрические потери самой бумаги (целлюлозы); второй (при более высокой тем­пературе) обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.

Источник: http://libraryno.ru/9-2-3-dielektricheskie-poteri-material_bashkov_2010/

Диэлектрические потери

2.1. Основные понятия и определения

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении, поскольку в технических материалах обнаруживается сквозной ток утечки, обусловленный электропроводностью.

При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений, которые определяют значение (рис. 1.2).

При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем кроме сквозной электропроводности могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротивлением изоляции.

В инженерной практике чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.

В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол ; при этом угол равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз и тем больше угол диэлектрических потерь и значение функции .

Тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуются этой характеристикой.

Рассмотрим схему, эквивалентную конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями. Эта схема должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы активная мощность, выделяемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а ток был бы сдвинут относительно напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.

Поставленную задачу можно решить, заменив конденсатор с потерями идеальным конденсатором с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема) или конденсатором с последовательно включенным сопротивлением (последовательная схема). Такие эквивалентные схемы, конечно, не дают объяснения механизма диэлектрических потерь и введены только условно [2].

Параллельная и последовательная эквивалентные схемы представлены на рис. 2.1. Там же даны соответствующие диаграммы токов и напряжений. Обе схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений равны соответственно их активные и реактивные составляющие. Это условие будет соблюдено, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активной мощности одинаковы.

Рис. 2.1. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них

Для параллельной схемы из векторной диаграммы:

; (2.1)
. (2.2)

Для последовательной схемы:

, (2.3)
. (2.4)

Приравнивая выражения (2.2) и (2.4), а также (2.1) и (2.3), найдем соотношения между и между :

, (2.5)
.

Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением по сравнению с единицей в формуле (2.5) и считать . Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут также одинаковы для обеих схем:

, (2.6)

где выражено в Вт; .

Следует отметить, что при переменном напряжении в отличие от постоянного емкость диэлектрика с большими потерями становится условной величиной и зависит от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями при переменном напряжении также условна.

Для большинства диэлектриков параметры эквивалентной схемы зависят от частоты. Поэтому, определив каким-либо методом значения емкости и эквивалентного сопротивления для данного конденсатора при некоторой частоте, нельзя использовать эти параметры для расчета угла потерь на других частотах.

Такой расчет справедлив только в отдельных случаях, когда эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование.

Так, если для данного диэлектрика известно, что потери в нем определяются только потерями от сквозной электропроводности в широком диапазоне частот, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком может быть вычислен для любой частоты, лежащей в этом диапазоне, по формуле (2.1). Потери в таком конденсаторе определяются выражением:

.

Если же потери в конденсаторе обусловлены главным образом сопротивлением подводящих и соединительных проводов, а также сопротивлением самих электродов (обкладок), например, тонким слоем серебра в слюдяном или керамическом конденсаторе, рассеиваемая мощность в нем возрастет с частотой пропорционально квадрату частоты:

. (2.7)

Из выражения (2.7) можно сделать весьма важный практический вывод: конденсаторы, предназначенные для работы на высокой частоте, должны иметь по возможности малое сопротивление как электродов, так и соединительных проводов и переходных контактов.

В большинстве случаев механизм потерь в конденсаторе сложный и его нельзя свести только к потерям от сквозной электропроводности или к потерям в контакте. Поэтому параметры конденсатора необходимо определять при той частоте, при которой он будет использован.

Диэлектрические потери, отнесенные к единице объема диэлектрика, называют удельными потерями. Их можно рассчитать по формуле:

. (2.8)

где – объем диэлектрика между плоскими электродами, , – напряженность электрического поля, .

Произведение называют коэффициентом диэлектрических потерь.

Из выражения (2.8) следует, что при заданных частоте и напряженности электрического поля удельные диэлектрические потери в материале пропорциональны коэффициенту потерь.

В электродинамике при описании взаимодействия электромагнитного поля с веществом часто используют величину, называемую комплексной диэлектрической проницаемостью:

. (2.9)

Чтобы уяснить это понятие, воспользуемся одним из фундаментальных уравнений электродинамики (первым уравнением Максвелла), устанавливающим связь между изменениями электрического и магнитного полей:

. (2.10)

Приведенное уравнение подтверждает тот факт, что магнитное поле отлично от нуля как при перемещении электрических зарядов (т. е. при наличии тока сквозной электропроводности через вещество), так и при изменении напряженности электрического поля во времени (т. е. при наличии тока смещения).

В однородных идеальных диэлектриках сквозной ток отсутствует, т. е. . Для случая гармонического изменения поля уравнение (2.10) можно записать в комплексной форме:

.

Если же имеем дело с несовершенным диэлектриком, обладающим заметными диэлектрическими потерями, то уравнение полного тока приобретает более сложный вид:

, (2.11)

где – полная удельная активная проводимость на данной частоте, учитывающая как сквозную электропроводность, так и активные составляющие поляризационных токов.

Задачу о распространении электромагнитного поля в частично проводящей среде можно свести к случаю идеального диэлектрика, если в уравнение (2.11) ввести комплексную диэлектрическую проницаемость:

,

где

. (2.12)

Из сопоставления (2.9) и (2.12) следует, что действительная составляющая комплексной диэлектрической проницаемости , а мнимая .

Ранее было показано, что есть отношение активной составляющей проводимости к емкостной составляющей (рис. 2.1, а). Поэтому для плоского конденсатора при данной частоте справедливо соотношение:

.

Из выражений (2.6) и (2.8) ясно, что диэлектрические потери имеют важное значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных, высокочастотных устройствах, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте.

Материалы, предназначенные для применения в указанных условиях, должны отличаться малыми значениями угла потерь и диэлектрической проницаемости, так как в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, может достигнуть недопустимо больших значений.

Большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.

Если диэлектрик используется в колебательном контуре, то диэлектрические потери препятствуют достижению высокой добротности (острой настройки на резонанс), так как с увеличением эквивалентного сопротивления потерь усиливается затухание колебаний в контуре.

Источник: http://ctl.mpei.ru/DocHandler.aspx%3Fp%3Dpubs/phd/2.htm

Что такое диэлектрические потери?

Всем известно, что диэлектрик – это материал, который не дает электрическому току пройти. Таких материалов и веществ существует огромное количество. Кроме существенного свойства, они обладают и рядом других добавочных.

К такой особенности относятся диэлектрические потери – энергия, которая рассеивается в материале под влиянием электрических полей. Из-за этой энергии материал нагревается, в результате чего может произойти его тепловое разрушение и другие неблагоприятные последствия.

Далее мы рассмотрим, что такое диэлектрические потери в диэлектриках, как они возникают и с помощью чего измеряются.

Методика расчета

Диэлектрические потери требуют измерения по достаточно сложной системе просчета. Эта система состоит из нескольких этапов. В первую очередь необходимо рассчитать мощность, которой обладает диэлектрик и что рассеивается в нем при переменном напряжении. Определяется она по формуле:

Pa=U*Ia

Ниже на рисунке изображены схемы последовательного (а) и параллельного (б) подключения конденсатора и активного сопротивления, а также векторные диаграммы токов в них.

Таким образом, можно определить активный ток, формула расчета которого будет следующая:

Вторая величина — это тангенс угла вектора полного значения тока до его емкости. Этот угол еще называют диэлектрический угол потерь. Ic — емкость диэлектрика.

Делая выводы из полученных данных, получается более развернутая формула для расчета мощности:

При этом ток рассчитывается по формуле: угловая частота*емкость конденсатора. Исходя из предоставленных формул, можно рассчитать мощность следующим образом:

Исходя из этой формулы видно, от каких факторов зависят качество и надежность такого устройства, как диэлектрик. Если смотреть по графику, то видно, что свойства возрастают при уменьшении угла.

Виды потерь

В газах

В газообразных веществах электропроводность маленькая и как результат диэлектрические утери также будут незначительными. При поляризации молекул газа ничего не случается. В таком случае применяется так называемая кривая ионизации.

Такая подчиненность свидетельствует о том, что при увеличении напряжения угол также будет повышаться. А это означает, что в изоляции существует включение газа. В случае большой ионизации, потеря газа будет значительной и как результат – нагревание и разрушение изоляции.

Поэтому изготавливая изоляцию очень важно учитывать тот факт, что вкрапления газа должны отсутствовать. Для этого используется особенная обработка. Суть ее заключается в следующем: в вакууме происходит сушка изоляции. Затем поры наполняются компаундом, который находится под напором и потом происходит обкатка.

В результате ионизации появляются окислы азота и озона, которые разрушают изоляцию. В моменты, когда эффект ионизации возникает на участке неравномерных полей, это при передаче приводит к снижению коэффициента полезного действия.

В твердых веществах

Твердый диэлектрик обладает определенными характеристиками, такими как состав, структура и поляризация, которые приводят к возникновению диэлектрических потерь. Например, в сере, парафине или полистироле они отсутствуют, поэтому данные вещества широко используют как высокочастотный диэлектрик.

Читайте также:  Регистраторы аварийных процессов в электрических сетях

Кварц, соль и слюда обладают сквозной электропроводностью, поэтому они характеризуются незначительной величиной данных потерь.

Диэлектрические потери не зависят от частоты (а), будут уменьшаться вместе с частотой поля по гиперболическому закону. Зато с температурой они зависят напрямую по экспоненциальному закону (б).

Кристаллический диэлектрик, такой как керамика или мрамор обладает характерным показателем этого значения. Это объясняется тем, что в их составе есть примеси полупроводников.

Такой материал обладает отличительным свойством: диэлектрические потери напрямую связаны с окружающей средой и ее условиями.

Поэтому в зависимости от смены факторов, которые окружают диэлектрик, величина одного материала может изменяться.

В жидкостях

В этом случае потери напрямую связаны с составом материала. Если в жидкостях отсутствуют какие-либо примеси, то она будет нейтральна и утери будут стремиться к нулю, так как электропроводность низкая.

Жидкости с полярностью или с наличием примесей используют для определенных технических целей, так как диэлектрические утери у них будут гораздо выше.

Это объясняется тем, что такие жидкости обладают своими особенными свойствами, например, вязкость. А так как их устанавливает дипольная поляризация, то эти жидкости называют дипольными.

При возрастании вязкости диэлектрические потери возрастают.

Помимо этого жидкости обладают определенной зависимостью потерь от температуры. Когда температурный режим увеличивается тангенс угла также увеличивается до максимального показателя. Затем опускается до минимального показателя и снова возрастает. Это объясняется тем, что под воздействием температуры изменяется электропроводность.

Обзор измерительных приборов

Существуют специальные приборы для измерения потерь. К ним относят прибор «ИПИ – 10», прибор фирмы Tettex, с его помощью изучаются диэлектрики твердых и жидких веществ. Автоматизированная установка с названием «Тангенс – 3М» используется для определения тангенса угла в жидких диэлектриках (на фото ниже). Также используют измеритель «Ш2 – 12ТМ».

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Теперь вы знаете, что собой представляют диэлектрические потери в диэлектриках, как производится их расчет и измерения. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной!

Также рекомендуем прочитать:

Источник: https://samelectrik.ru/chto-takoe-dielektricheskie-poteri.html

Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, рассеи­ваемую в диэлектрике в единицу времени при воздействии на него электриче­ского поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Потери энергии в диэлектрике наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении. При постоянном напряжении диэлектрические потери обусловлены электропроводностью. При воздействии переменного на­пряжения в диэлектрики кроме сквозной электропроводности могут проявлять­ся и другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую.

Для оценки способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь или тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий доугол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи.

Чем больше рассеиваемая мощность, тем меньше угол фазового сдвига ф и тем больше угол диэлектрических потерь. В случае идеального диэлектрика вектор тока опережает вектор напряжения на 90° и поэтому угол диэлектриче­ских потерь будет равен нулю.

При постоянном напряжении диэлектрические потери обусловлены прак­тически только током сквозной проводимости, так как потери на однократную поляризацию незначительны, а потери, возникающие в результате протекания поверхностного тока рассеиваются в окружающей среде. Таким образом, ди­электрические потери, рассеиваемые в объёме диэлектрика и вызванные током объёмной сквозной проводимости при постоянном напряжении, можно опреде­лить по формуле

(3.1)

· Для изучения поведения диэлектрика, обладающего потерями при пере­менном напряжении, целесообразно представить его в виде эквивалентных схем содержащих ёмкость и активное сопротивление, включенные между собой последовательно или параллельно. Данные схемы представлены на рис.3.1. Эти схемы эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений

·равны, соответственно, их активные и реактивные составляющие. Это условие выполняется, когда углы сдвига тока относительно напряжения равны изначения активной мощности одинаковы.

· Рис.3.1.Векторные диаграммы и эквивалентные схемы замещения диэлектри­ка.

Для последовательной схемы запишем

(3.2)

( 3.3)

Для параллельной схемы

(3.4)

(3.5)

Соотношение междуи, а также междуиможно определить, приравнивая друг другу соотношения 3.2,3.4иЗ.З,3.5

(3.6)

Для высококачественных диэлектриков значениемможно пренебречь и считать. Мощность, рассеиваемая в диэлектрике, в этом случае

будет одинакова для обеих схем

(3.7)

Если требуется определить распределение диэлектрических потерь в раз­ных местах диэлектрика, то для расчёта удельных диэлектрических потерь в точке , где напряженность электрического поля равна Е, используется формула

(3.8)

Произведение stg5 называется коэффициентом диэлектрических потерь. Из приведенной формулы следует, что при заданной частоте и напряжённости электрического поля, диэлектрические потери пропорциональны коэффициенту диэлектрических потерь.

Использование электроизоляционного материала, обладающего большими диэлектрическими потерями, приводит к нагреву изготовленного из него изде­лия и преждевременному его тепловому старению.

Источник: https://megaobuchalka.ru/10/10172.html

Диэлектрические потери

Природа всех веществ такова, что при определённых условиях все они, так или иначе, взаимодействуют с электрическим полем.

Вещества, с содержанием свободных положительных и отрицательных зарядов в одном кубическом сантиметре менее 100 000 000 относятся к диэлектрикам. Из таких веществ изготовлены изоляционные материалы.

Поэтому их взаимодействие с электрическим полем количественно оценивается в тех или иных целях.

Электрическое поле вызывает объёмный нагрев диэлектрика. При этом существует определённая величина электрической мощности, которая именуется как диэлектрические потери.

Они возникают независимо от того, какой знак у зарядов, определяющих существование этого поля, и меняется ли этот знак во времени, так или иначе.

Поскольку в веществе присутствуют заряды, несмотря на их малое количество в нём возникают токи утечки, пронизывающие данный объём вещества.

Если заряды, определяющие электрическое поле стабильны, оно вызывает электрический ток в помещённом в него образце диэлектрика. Величина этого тока зависит от оказываемого диэлектриком сопротивления.

Его называют сопротивлением изоляции R(из). Но известно, что если металлический стержень гнуть в одном месте туда – сюда он сломается рано или поздно.

Похожим образом на диэлектрик воздействует и переменное электрическое поле, нарушающее его структуру.

В результате электрический ток через диэлектрик увеличивается. Поэтому необходима количественная оценка тока в диэлектрике, как при постоянном, так и при переменном напряжении, приложенном к нему.

Природа этого тока имеет ёмкостной характер, для которого характерно наличие угла φ между напряжением и током.

Если его дополнять до 90° некоторым углом δ получаются такие значения этого угла, при которых tgδ отличен от нуля.

Как количественно оцениваются диэлектрические потери?

Если бы диэлектрик являлся идеальной ёмкостью, сдвиг по фазе между напряжением и током был бы равен 90°, а угол δ при этом равнялся нулю. Но поскольку в нем есть потери, величина угла δ получается больше нуля. Он называется как «угол диэлектрических потерь», а tgδ — как «тангенс угла диэлектрических потерь». tgδ даёт количественную оценку потерь.

Очевидно, что эти потери зависят от частоты. А он сам при этом может рассматриваться, как реальный конденсатор, в виде одной из двух электрических цепей:

Выбор схемы делается исходя из того, какой именно ток является преобладающим для данного диэлектрика. Если это ток утечки, выбирается схема а). В этом случае потери определяются как мощность Р(а)=UU/R. Если на величину тока в основном влияет ёмкость, выбирается схема б). Потери для неё вычисляются как .

Кроме угла и тангенса потерь на практике используется величина удельных диэлектрических потерь:

Из приведенных формул, очевидно, что свойства диэлектрика наиболее актуальны при больших значениях величины и частоты напряжения. Следовательно, применяемые в таких условиях изделия должны быть изготовлены из материалов с минимальным значением tgδ.

Иначе будет происходить дополнительный нагрев и ускоренное разрушение материалов – диэлектриков входящих в конструкцию высоковольтного изделия.

А в электронике будет ухудшаться селективность устройств с колебательными контурами из-за уменьшения их добротности.

Приборы для измерения

Диэлектрические материалы, входящие в конструкцию тех или иных изделий в реальных условиях эксплуатации подвержены воздействию условий окружающей среды. Поэтому в них появляются включения жидкостей или газов. И при увеличении напряжения начинают возникать дополнительные потери. Но этот процесс длится до начала процессов ионизации, которому соответствует напряжение U1:

Измерение значений tgδ делается в диапазоне температур от 10 до 20 градусов по Цельсию, поскольку этот диапазон обеспечивает минимальные изменения потерь. Измерителями для изоляции кабелей служат, например, серийно выпускаемые приборы Р5026 и Р525. Пример схемы, используемой в одном из них, показан на изображении ниже:

На мост подаётся напряжение от 3 до 10 киловольт. Регулировки моста выполняются либо дистанционно, используя изолирующие штанги, либо применяя специальное экранирование измерительных элементов и оператора.

Для трансформаторного масла применяются другие специализированные приборы, например, как на изображении ниже:

Своевременный контроль изоляции позволяет существенно уменьшить аварии связанные с пробоем её высоким напряжением, например при ударе молнии. А качественная изоляция кабелей ввиду их значительной протяжённости заметно уменьшает потери при электроснабжении гражданских и промышленных объектов.

Источник: http://podvi.ru/elektrotexnika/dielektricheskie-poteri.html

Виды диэлектрических потерь

Существует четыре базовых вида диэлектрических потерь.

Потери, обусловленные поляризацией. Наблюдаются в веществах с релаксационной поляризацией (диэлектрики с дипольной структурой и диэлектрики с ионной структурой и неплотной упаковкой ионов). В сегнетоэлектриках потери связаны с наличием спонтанной поляризации. К этому же виду потерь относят резонансные потери, проявляющиеся в диэлектриках при высоких частотах.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью. Характерны для диэлектриков, имеющих поверхностную или объёмную электропроводности (большие значения). Эти потери не зависят от частоты и увеличиваются с повышением температуры.

Ионизационные потери. Характерны для газообразных диэлектриков. Проявляются при напряжённостях поля, превышающих значение напряжённости, при котором начинается ионизация газа.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры диэлектрика. Проявляются в слоистых диэлектриках, пластмассах с наполнителœем, керамике, Зависит от состава диэлектрика.

Диэлектрические потери в газах. Источником диэлектрических потерь в газе в основном должна быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями.

При напряжённости поля ниже того значения, при котором начинается ионизация газа, диэлектрические потери незначительны. На рисунке 1.19 показана зависимость tg  от напряжения для диэлектрика с газовыми включениями.

При напряжённости поля выше точки ионизации ʼʼСʼʼ начинается ионизация. Молекулы газа ионизируются и растут потери на ионизацию, достигая максимума при напряжении Umax≈2Uи.

При напряжении пробоя Umax всœе воздушные включения ионизированы и энергия на ионизацию новых включений не требуется, tg d уменьшается.

Ионизация газа, заполняющего поры твёрдого диэлектрика, может привести к разогреву и разрушению изделий, включающих газовые включения (особенно это касается керамики). Ионизация воздуха происходит с выделœением озона и оксидов азота͵ что ведёт к химическому разрушению твёрдой изоляции, содержащей газовые включения.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. В жидких неполярных диэлектриках диэлектрические потери вызваны электропроводностью, в связи с этим они определяются сквозным током, значение которого зависит от удельной проводимости. С ростом температуры удельная проводимость экспоненциально возрастает, следовательно, возрастают и диэлектрические потери.

Читайте также:  Примеры выбора плавких предохранителей и автоматических выключателей

С ростом частоты в неполярных диэлектриках ёмкостной ток, протекающий через диэлектрик, возрастает, сквозной ток остаётся без изменений, следовательно, с ростом частоты диэлектрические потери падают.

Для полярных диэлектриков (совол) диэлектрические потери вызваны электропроводностью и поляризацией, которые обуславливают значение сквозных токов и токов абсорбции. При низких температурах вязкость диэлектриков настолько велика, что диполи не могут ориентироваться по полю (“заморожены”).

Проводимость жидкости мала, в связи с этим малы значения сквозных токов и токов абсорбции, следовательно и потери малы (видно на графике рис.1.20). С ростом температуры вязкость диэлектрика уменьшается, время релаксации полярных молекул становится меньше, и они участвуют в поляризации.

Так как ориентация молекул происходит с трением, то на работу, затрачиваемую для этого, идёт энергия, которая и рассеивается в диэлектрике. При этом возрастает активная составляющая тока абсорбции.

При определённой температуре вязкость жидкости уменьшается до того значения, при котором диполи поворачиваются на максимальный угол и становятся противоположно ориентированными полю, при этом tg  (диэлектрические потери) максимальные.

При дальнейшем повышении температуры тепловое движение дезориентируется, то есть диэлектрические потери уменьшаются. Дальнейшее повышение температуры вызывает рост проводимости жидкого диэлектрика, при этом возрастает сквозной ток, следовательно, возрастают и потери.

На низких частотах диэлектрические потери в полярных диэлектриках определяются электропроводностью, то есть не изменяющимся со временем сквозным током. Диэлектрические потери, вызываемые током абсорбции в данном случае малы, так как число поворотов диполей в единицу времени мало.

При повышение частоты повышается реактивная составляющая тока, и диэлектрические потери уменьшаются, вплоть до минимума. С ростом частоты увеличивается число поворотов диполей, возрастают потери вызванные током абсорбции, потери достигают своего максимума.

При дальнейшем росте частоты для поворота диполей становится недостаточно времени, ток абсорбции уменьшается, и с ним уменьшаются диэлектрические потери, вплоть до минимальных.

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках зависят от структуры, от строения диэлектрика и его состава.

Диэлектрические потери в диэлектриках с молекулярной структурой зависят от вида молекул. Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющие примесей, обладают малыми диэлектрическими потерями (церезин, полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен фторопласт 4).

Твёрдые диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами – это материалы на базе целлюлозы(бумага, картон), полярные полимеры, (полиметилметакрилат, фенолформальдегидные смолы). Οʜᴎ обладают высокими потерями, зависящими от температуры, которые обусловлены дипольно-релаксационной поляризацией.

Значение диэлектрических потерь твёрдых диэлектриков с ионной структурой зависит от упаковки ионов кристаллической решётки.

У диэлектриков с плотной упаковкой ионов без примесей диэлектрические потери незначительны, но с повышением температуры в таких диэлектриках возникают потери, связанные с электропроводностью (корунд). Но при небольших количествах примесей диэлектрические потери резко увеличиваются.

Вещества с неплотной упаковкой ионов (муллит, кордеирит, -глинозем). В этих веществах диэлектрические потери высоки, вызваны наличием релаксационной поляризации.

Диэлектрические потери в аморфных диэлектриках ионной структуры (неорганические стёкла). Потери связаны с электропроводностью и поляризациями. Возможны два варианта потерь:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте. Οʜᴎ обусловлены релаксационной поляризацией и сильно выражены во всœех технических стеклах. Важно заметить, что для снижения потерь производят термическую обработку – отжиг или закалку – для изменения структуры стекла.

б) потери, заметно возрастающие с температурой по экспоненциальному закону и мало зависящие от частоты. Эти потери вызываются передвижением слабосвязанных ионов. Обусловлены электропроводностью, появляются при температурах 50 оС – 100оС. Чем большую электропроводность имеет стекло, тем при более низкой температуре наблюдается возрастание диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в неорганических стеклах определяются входящими в стекло оксидами. Наличие в стекле щелочных оксидов вызывает значительное повышение диэлектрических потерь (рис.1.21). Введение тяжелых оксидов снижает диэлектрические потери.

Диэлектрические потери в твёрдых неоднородных диэлектриках. К ним принадлежат материалы, в состав которых входит не менее 2-х компонентов (керамика, слюда, пропитанная бумага).

Потери зависят от химического состава компонентов, входящих в диэлектрик, от количественного соотношения и остаточных воздушных включений. Так, зависимость tg  от температуры для бумаги, пропитанной компаундом (рис.1.

22), имеет два максимума: первый характеризует дипольно-радикальные потери самой бумаги, второй обусловлен дипольно-релаксационными потерями пропитывающего компаунда.

У сегнетоэлектриков диэлектрические потери вызваны спонтанной (самопроизвольной) поляризацией. Выше точки Кюри (125°) диэлектрические потери (tg d) падают, а до этого достаточно высоки. Изменения tg d от температуры и частоты в данном случае такие же, как и у твёрдых полярных диэлектриков.

  • – Виды диэлектрических потерь

    Существует четыре основных вида диэлектрических потерь. Потери, обусловленные поляризацией. Наблюдаются в веществах с релаксационной поляризацией (диэлектрики с дипольной структурой и диэлектрики с ионной структурой и неплотной упаковкой ионов). В сегнетоэлектриках… [читать подробнее].

  • – Виды диэлектрических потерь.

    Различают следующие виды диэлектрических потерь: – потери, обусловленные током сквозной проводимости; – потери, обусловленные релаксационной поляризацией; – ионизационные потери. Последний вид потерь существует только в сильных электрических полях. 4.3.1…. [читать подробнее].

  • – Виды диэлектрических потерь.

    Различают следующие виды диэлектрических потерь: – потери, обусловленные током сквозной проводимости; – потери, обусловленные релаксационной поляризацией; – ионизационные потери. Последний вид потерь существует только в сильных электрических полях. 4.3.1…. [читать подробнее].

  • Источник: http://referatwork.ru/category/metally-svarka/view/188505_vidy_dielektricheskih_poter

    открытая библиотека учебной информации

    Диэлектрическими потерями называют мощность, которая рассеивается в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающее нагрев диэлектрика.

    Потери в диэлектриках обнаруживаются как при постоянном напряжении, так и при переменном. Поскольку в диэлектрике наблюдается сквозной ток, обусловленный проводимостью.

    При постоянном напряжении потери характеризуются значениями удельной объемной и удельной поверхностной сопротивлениями. При переменном напряжении нужно использовать другую характеристику, т.к. кроме сквозного тока возникают другие причины, которые вызывают потри.

    Диэлектрические потери можно характеризовать рассеиваемой мощностью в единице объема – удельной потери.

    Чаще для оценки способности диэлектрика рассеивать мощность в электрическом поле пользуются углом диэлектрических потерь. Углом диэлектрических потерь принято называть угол, дополняющий до 900 угол фазового сдвига j между током и напряжением в емкостной цепи.

    Для идеального диэлектрика вектор тока будет опережать вектор напряжения на 900, при этом угол диэлектрических потерь равен нулю.

    Тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для величины рассеиваемой мощности и пользуются

    Рассмотрим схему эквивалентную конденсаторам диэлектрика, обладающего потерями.

    Эта схема должна быть выбрана так, чтобы активная мощность, расходуемая в схеме была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике, а ток опережал напряжение на тот же угол, что и рассматривался в конденсаторе.

    Заменим конденсатор с потерями идеальным конденсатором с последовательно включенным активным сопротивлением или идеальным конденсатором с шунтированным идеальным сопротивлением:

    Из теории переменных токов известно, что активная мощность равна:. Для последовательной схемы:. Для параллельной схемы:. Приравнивая 1-ю формулу к 3-й, 2-ю к 4-й, находим соотношения между Cp , CS , rp , rS:.

    Для высококачественных диэлектриков можно пренебречь значениямии считать Cp=CS , rp=rS , следовательно, выражения мощности будут равны для обеих схем:, w – угловая частота͵ Ра – активная мощность, U – напряжение, С – емкость.

    Выражение для удельной электрической потери:, Е – напряженность, р – удельные потери.

    Читайте также

  • – Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

    В нейтральных жидкостях, не содержащих примесей с дипольными молекулами, диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. А поскольку электропроводность нейтральных чистых жидкостей чрезвычайно мала, то низки и их диэлектрические потери. Примером может… [читать подробенее]

  • – Факторы, влияющие на диэлектрические потери

    Частотная и температурная зависимости диэлектрической проницаемости приведены на рисунке 12а и 12б. Рисунок 12 – а) Частотная зависимость диэлектрических потерь однородного 1, неоднородного 2 и композиционного диэлектрика; б) Температурная зависимость диэлектрических… [читать подробенее]

  • – Лекция 1.3.4. Диэлектрические потери в диэлектриках

    Диэлектрическими потерями называется мощность, рассеиваемая в диэлектрике под действием приложенного к нему электрического поля и вызывающая его нагрев. Рассматривают полные диэлектрические потери вызываемые как при переменном, так и при постоянном напряжениях за… [читать подробенее]

  • – Диэлектрические потери

    И возрастает с увеличением поляризации, Представляющих собой диполи У которых имеются области – домены, Называемых сегнетоэлектриками Характерная для твердых диэлектриков, Спонтанная (сегнетоэлектрическая)… [читать подробенее]

  • – Диэлектрические потери

    И возрастает с увеличением поляризации, Представляющих собой диполи У которых имеются области – домены, Называемых сегнетоэлектриками Характерная для твердых диэлектриков,(сегнетовая соль, титанат бария BaTiO3 и др. При поляризации поляризуемость (&… [читать подробенее]

  • – ИОНИЗАЦИОННЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

    Свойственны для газообразных диэлектриков и проявляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, которые превышают значения, соответствующие началу ионизации данного газа. Ионизационные потери можно вычислить по формуле: , где A1 – постоянный… [читать подробенее]

  • – ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ, СВЯЗАННЫЕ СО СКВОЗНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬЮ

    ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ ВИДЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОНЫХ МАТЕРИАЛАХ Диэлектрические потери в электроизоляционных материалах делятся на: · потери, обусловленные поляризацией; · потери, связанные со сквозной… [читать подробенее]

  • – ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

    ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ Диэлектрические потери будут большими в полярных жидкостях, а также в неполярных жидкостях, которые содержат примеси. Неполярные жидкие диэлектрики, которые содержат в себе небольшое количество примесей, обладают… [читать подробенее]

  • – ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ГАЗАХ

    ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ СТРУКТУРЫ Наблюдаются в слоистых диэлектриках из ткани и пропитанной бумаги, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике в миканитах, микалексе и т.д. Из-за разнообразия структуры неоднородных… [читать подробенее]

  • – Диэлектрические потери.

    Диэлектрическими потерями называют мощность, которая рассеивается в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающее нагрев диэлектрика. Потери в диэлектриках обнаруживаются как при постоянном напряжении, так и при переменном. Поскольку в… [читать подробенее]

  • Источник: http://oplib.ru/random/view/1241752

    Ссылка на основную публикацию