Диэлектрические потери В электрическом поле диэлектрики

Диэлектрические потери

В электрическом поле диэлектрики нагреваются, т. к. часть энергии электрического поля рассеивается в диэлектриках в виде тепла. Рассеиваемая за единицу времени энергия называется диэлектрическими потерями (ДП). Нагрев диэлектриков приводит к ухудшению их свойств и ускорению процессов старения: • в силовой электротехнике нагрев приводит к уменьшению электрической прочности, а значит к уменьшению надежности оборудования; • в слаботочных устройствах нагрев приводит к уменьшению сопротивления изоляции, т. е. к повышению токов утечки в цепях.

Диэлектрические потери используются для термообработки материалов, которая называется диэлектрическим нагревом ( для полимеризации некоторых изделий из пластмасс). Диэлектрический нагрев отличается от классических способов нагрева тем, что он протекает равномерно по всему объему и не возникает внутренних механических напряжений в результате неравномерности распределения температуры.

Количественная оценка ДП n n n Абсолютная величина ДП – Ра (мощность, рассеиваемая в диэлектрике в виде тепла); Удельные ДП - , т. е. диэлектрические потери, приходящиеся на единицу объема материала; Угол ДП и тангенс этого угла , которые не зависят от объема диэлектрика и характеризуют качество самого материала.

Схемы замещения диэлектрика Идеальный диэлектрик Реальный диэлектрик ( без потерь) n

Параллельная схема замещения

Последовательная схема замещения

Последовательная схема замещения Мощность ДП определяется по формуле: Параллельная схема замещения Мощность ДП определяется по формуле: и ДП не зависят от схемы замещения, но емкости значительно различаются:

Для высококачественных диэлектриков , поэтому для последовательной схемы: = Для параллельной схемы замещения: Тогда Cp=Cs=C и ДП зависят от величины приложенного напряжения, частоты, а также от свойств самого диэлектрика: и .

Виды диэлектрических потерь Ø ДП , обусловленные поляризацией ( в диэлектриках с релаксационными видами поляризации); Ø ДП, обусловленные сквозной электропроводностью (во всех диэлектриках); Ø ДП, обусловленные ионизацией ( происходят в сильных электрических полях); Ø ДП, обусловленные неоднородностью структуры (только в твердых диэлектриках неоднородной структуры).

Процессы поляризации, электропроводности и ионизации независимы, следовательно ДП являются суммой составляющих, вызванных отдельными механизмами потерь. ДП, обусловленные релаксационными видами поляризации наблюдаются: - в полярных диэлектриках; - в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов; - в сегнетоэлектриках; - в диэлектриках неоднородной структуры; - при высоких частотах наблюдаются резонансные потери, связанные с резонансной поляризацией.

• ДП , обусловленные сквозной электропроводностью Для данного вида потерь : (1) т. е. ДП данного вида не зависят от частоты, а ДП возрастают с увеличением температуры по экспоненте: , где А и b – постоянные материала.

Или , где Pat – потери при определенной температуре; Рао – потери при - постоянная материала. Ионизационные потери. Данный вид ДП характерен для газов и проявляется в диэлектриках пористой структуры: где - постоянный коэффициент, f – частота электрического поля, U – приложенное напряжение, Uu – напряжение ионизации. ДП, обусловленные неоднородностью структуры наблюдаются: - в слоистых диэлектриках ; - в пористой керамике; - в пропитанной бумаге и т. п.

Диэлектрические потери в газах • В слабых электрических полях: Так как все газы либо неполярны, либо слабополярны, то в них отсутствуют потери на поляризацию. Есть потери только на электропроводность. Для газов , и при f=50 Гц Таким образом газы являются практически идеальными диэлектриками в слабых электрических полях.

Ø В сильных электрических полях: Так как в сильных электрических полях развивается ударная ионизация, то появляются потери на ионизацию и увеличивается. Зависимость от величины приложенного напряжения называется кривой ионизации.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках n Неполярные жидкие диэлектрики - в них нет потерь на поляризацию (электронная поляризация), присутствуют потери на электропроводность, но т. к. мала, то малы и ДП , а может быть рассчитан по формуле (1). Диэлектрические потери зависят от температуры ( увеличиваются по экспоненте при повышении температуры) и не зависят от частоты внешнего электрического поля.

Ø Ø Ø Диэлектрические потери в полярных жидкостях связаны с дипольно-релаксационной поляризацией. Дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии. Эти потери значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Например, полярная жидкость совол имеет при частоте 50 Гц значение tgδ=0, 02 (трансформаторное масло – tgδ=0, 001). Потери в полярных жидких диэлектриках зависят от температуры, так как с температурой изменяется вязкость жидкости.

Зависимость мощности ДП и tgδ от температуры и частоты для полярных диэлектриков

n n n С повышением температуры уменьшается вязкость жидкого диэлектрика и диполи поворачиваются на больший угол, что обуславливает увеличение Ра и tgδ. При некоторой температуре вязкость жидкости становится настолько малой, что ориентация диполей происходит практически без трения. Потери в этом случае уменьшаются. Дальнейшее увеличение Ра и tgδ с повышением температуры объясняется ростом потерь на электропроводность. Именно она определяет механизм диэлектрических потерь при повышенных температурах. Потери возрастают с частотой до тех пор, пока диполи успевают следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы не успевают полностью ориентироваться в направлении поля, то потери становятся постоянными и tgδ уменьшается.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках n n n Ø Ø Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры диэлектриков. Твердые диэлектрики обладают разнообразным составом и строением: поэтому в них возможны все виды диэлектрических потерь. Твердые диэлектрики можно подразделить на четыре группы: диэлектрики молекулярной структуры; диэлектрики ионной структуры; сегнетоэлектрики; диэлектрики неоднородной структуры.

ДП в твердых диэлектриках молекулярной структуры n n В диэлектриках молекулярной структуры потери зависят от вида молекул. В случае неполярных молекул, в веществах, не имеющих примесей, диэлектрические потери малы, так как обусловлены только потерями на электропроводность. К таким диэлектрикам относится сера, парафин; неполярные полимеры – полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и другие. Такие диэлектрики в связи с их весьма малыми потерями, находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков.

n n Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой, главным образом, органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др. ), полярные полимеры: полиметилметакрилат (органическое стекло), полиамиды и полиуретаны; каучуковые материалы (эбонит), фенолоформальдегидные смолы (бакелит и др. ), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др. ) – и ряд других материалов. Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями. Потери в этих диэлектриках существенно зависят от температуры и частоты внешнего электрического поля.

ДП в твердых диэлектриках ионной структуры n n ДП в диэлектриках ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью и весьма малы. При повышении температуры потери от сквозной электропроводности увеличиваются. В веществах с неплотной упаковкой ионов наблюдается релаксационная поляризация, вызывающая повышенные диэлектрические потери, возрастающие с повышением температуры.

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках n n Особенностью сегнетоэлектриков является наличие в них самопроизвольной (спонтанной) поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются при повышении температуры в области самопроизвольной поляризации и резко уменьшаются при температуре выше точки Кюри, когда сегнетоэлектрические свойства теряются и самопроизвольная поляризация исчезает (разрушается доменная структура).

n n n ДП в диэлектриках неоднородной структуры К таким диэлектрикам относятся материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов с разными электрическими свойствами. К числу неоднородных материалов следует отнести керамику, представляющую собой сложную многофазную систему, а также слюду, обладающую слоистой структурой. К диэлектрикам неоднородной структуры относится также и пропитанная бумага, которая кроме волокон целлюлозы, содержит также пропитывающее вещество и оставшиеся не заполненными пропитке газовые включения.