Что такое диэлектрические потери?

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени е диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. При постоянном напряжении потери энергии определяются только силой сквозного тока, обусловленного объемной и поверхностной проводимостями. При переменном напряжении к этим потерям добавляются потери, обусловленные различного вида поляризациями, а также наличием полупроводниковых примесей, окислов железа, углерода, газовых включений и т. п.

Рассматривая простейший диэлектрик, можно записать выражение рассеиваемой в нем под воздействием переменного напряжения мощности:

где U — приложенное к диэлектрику напряжение, I а — активная составляющая тока, протекающего через диэлектрик.

Схему замещения диэлектрика обычно представляют в виде последовательно соединенных конденсатора и активного сопротивления. Из векторной диаграммы (см. рис. 1):

где δ — угол между вектором полного тока I и его емкостной составляющей Ic.

где — емкость конденсатора (данного диэлектрика) при угловой частоте ω .

В результате рассеиваемая в диэлектрике мощность равна

Pa = U 2 ·ω·C · tgδ ,

то есть потери энергии, рассеиваемые в диэлектрике, пропорциональны тангенсу угла δ , который называется углом диэлектрических потерь или просто углом потерь. Этот угол δ к характеризует качество диэлектрика. Чей меньше угол д иэлектрических потерь δ , тем выше диэлектрические свойства изоляционного материала.

Рис. 1. Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящимся под напряжением переменного тока.

Введение понятия угла δ удобно для практики тем, что вместо абсолютного значения диэлектрических потерь рассматривается относительное значение, позволяющее сравнить между собой изоляционные изделия с различными по качеству диэлектриками.

Диэлектрические потери в газах

Диэлектрические потери в газах малы. Газы имеют весьма малую электропроводность. Ориентация дипольных молекул газа при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Зависимость tgδ = f ( U ) называют кривой ионизации (рис. 2).

Рис. 2. Изменение tgδ в зависимости от напряжения для изоляции с воздушными включениями

По возрастанию tgδ с увеличением напряжения можно судить о наличии газовых включений в твердой изоляции. При значительных ионизации и потерях в газе может произойти разогрев и разрушение изоляции. Поэтому изоляцию обмоток высоковольтных электрических машин для удаления газовых включений при изготовлении подвергают специальной обработке — сушке под вакуумом, заполнению пор изоляции разогретым компаундом под давлением, обкатке к прессовке.

Ионизация воздушных включений сопровождается образованием озона и окислов азота, разрушительно действующих на органическую изоляцию. Ионизация воздуха в неравномерных полях, например в линиях электропередач, сопровождается видимым световым аффектом (короной) и значительными потерями, что снижает к. п. д. передачи.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в жидкостях зависят от их состава. В нейтральных (неполярных) жидкостях без примесей электропроводность очень мала, поэтому в них малы и диэлектрические потери. Например, очищенное конденсаторное масло имеет tgδ

В технике наибольшее распространение получили полярные жидкости (совол, касторовое масло и т.п.) или смеси нейтральных и дипольных жидкостей (трансформаторное масло, компаунды и т. п.) у которых диэлектрические потери значительно больше, чем у нейтральных жидкостей. Например, tgδ касторового масла при частоте 10 6 Гц и температуре 20 о С (293 К) равен 0,01.

Диэлектрические потери полярных жидкостей зависят от вязкости. Эти потери называют дипольными, так как они обусловлены дипольной поляризацией.

При малой вязкости молекулы ориентируются под действием поля без трения, дипольные потери при этом малы, а общие диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. С увеличением вязкости дипольные потери возрастают. При некоторой вязкости наступает максимум потерь.

Это объясняется тем, что при достаточно большой вязкости молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает. Диэлектрические потери при этом малы. При повышении частоты максимум потерь смещается в область более высокой температуры.

Зависимость потерь от температуры носит сложный характер: tgδ увеличивается с ростом температуры, достигает своего максимума, затем уменьшается до минимума, после чего снова возрастает, это объясняется ростом электропроводности. Дипольные потери возрастают с увеличением частоты до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля, после чего дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и потери становятся постоянными.

В маловязких жидкостях при низких частотах преобладают потери сквозной проводимости, а потери дипольные незначительны, при радиочастотах, наоборот, дипольные потери велики. Поэтому дипольные диэлектрики не используются в полях высокой частоты.

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры (кристаллической или аморфной), состава (органического или неорганического) и характера поляризации. В таких твердых нейтральных диэлектриках, как сера, парафин, полистирол, обладающих только электронной поляризацией диэлектрические потери отсутствуют. Потери могут быть обусловлены только примесями. Поэтому такие материалы находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков.

Неорганические материалы, такие, как монокристаллы каменной соли, сильвина, кварца, чистой слюды, обладающие электронной и ионной поляризациями, имеют малые диэлектрические потери, обусловленные только сквозной электропроводностью. Диэлектрические потери в этих кристаллах не зависят от частоты, a tgδ уменьшается с ростом частоты. С увеличением температуры потери и tgft меняются так же, как и электропроводность, возрастая по закону экспоненциальной функции.

В стеклах различного состава, например, керамике с большим содержанием стекловидной фазы, наблюдаются потери, обусловленные электропроводностью. Эти потери вызваны передвижением слабо связанных ионов, обычно они проявляются при температурах выше 50 — 100 о С (323 — 373 К). Эти потери заметно возрастают с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависят от частоты ( tgδ уменьшается с ростом частоты).

В неорганических поликристаллических диэлектриках (мрамор, керамика и т. п.) возникают дополнительные диэлектрические потери, вызванные наличием полупроводящих примесей: влаги, окислов железа, углерода, газа и т. п. Потери в полукристаллических телах могут иметь разные значения даже для одного и того же материала, поскольку свойства материала меняются под воздействием условий окружающей среды.

Диэлектрические потери в органических полярных диэлектриках (древесина, эфиры целлюлозы, натуральный щелк, синтетические смолы) обусловлены структурной поляризацией за счет неплотной упаковки частиц. Эти потери зависят от температуры, имея максимум при определенной температуре, а также от частоты, увеличиваясь с ее ростом. Поэтому упомянутые диэлектрики не применяют в полях высоких частот.

Характерно, что зависимость tgδ от температуры для бумаги, пропитанной компаундом, имеет два максимума: первый наблюдается при отрицательных температурах и характеризует потери клетчатки, второй максимум при повышенной температуре обусловлен дипольным потерями компаунда. С увеличением температуры в полярных диэлектриках возрастают потери, связанные с электропроводностью.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают?

Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.

Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.

Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.

Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.

Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.

tgδ применяется в расчётах для определения величины рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому его вычисление имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет вычислять относительные значения диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать по качеству различные изоляторы.

Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика Рис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина tg 2 δ очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: P_a = U 2 *ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с -1 , а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( P_a ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Р_и = А₁ f (U – U_и) 3 , где А₁ – постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, U_и обозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения U_и не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

• сера;
• полимеры;
• парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

• органические стёкла;
• эбонит и другие каучуковые вещества;
• полиамиды;
• целлюлозосодержащие материалы;
• фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10 -3 .

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10 -2 .

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

• ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
• релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
• рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
• поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
• высокочастотные резонансные потери;
• диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла от напряжения

Чем измерить?

Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.

Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.

Что такое диэлектрические потери?

• Главная
• Общие сведения
• Теоретические основы
• Методические основы
• Приложения
• КИМы
• Список литературы
• Поиск

• Введение
• 1 Общие сведения об электроматериалах
  • 1.2 Особенности строения твердых тел
  • 1.3 Элементы зонной теории твердого тела
• 2 Проводниковые материалы
  • 2.1 Виды электропроводности проводниковых материалов
  • 2.2 Основные свойства металлических проводников
  • 2.3 Металлы высокой проводимости
  • 2.4 Тугоплавкие металлы
  • 2.5 Благородные металлы
  • 2.6 Коррозионно-стойкие металлы
  • 2.7 Некоторые другие металлы
  • 2.8 Сплавы высокого сопротивления
  • 2.9 Сплавы для термопар
  • 2.10 Тензометрические сплавы
  • 2.11 Контактные материалы
  • 2.12 Припои и флюсы
  • 2.13 Неметаллические проводящие материалы
• 3 Полупроводниковые материалы
  • 3.1 Электропроводность полупроводников
  • 3.2 Влияние внешних факторов на электропроводность полупроводников
  • 3.3 Термоэлектрические и электротермические эффекты в полупроводниках
  • 3.4 Гальваномагнитные эффекты в полупроводниках
  • 3.5 Оптические и фотоэлектрические эффекты в полупроводниках
  • 3.6 Электрические переходы
  • 3.7 Основные полупроводниковые материалы
• 4 Диэлектрические материалы
  • 4.1 Поляризация диэлектриков
    • 4.1.1 Полярные и неполярные диэлектрики
    • 4.1.2 Механизмы поляризации
    • 4.1.3 Влияние различных факторов на относительную диэлектрическую проницаемость
  • 4.2 Электропроводность диэлектриков
    • 4.2.1 Электропроводность твердых диэлектриков
    • 4.2.2 Электропроводность жидких диэлектриков
    • 4.2.3 Электропроводность газов
  • 4.3 Диэлектрические потери
    • 4.3.1 Потери на электропроводность
    • 4.3.2 Релаксационные потери
    • 4.3.3 Резонансные потери
    • 4.3.4 Миграционные и ионизационные потери (потери от неоднородности структуры)
  • 4.4 Пробой диэлектриков
    • 4.4.1 Пробой газов
    • 4.4.2 Пробой жидкостей
    • 4.4.3 Пробой твердых диэлектриков
  • 4.5 Основные диэлектрические материалы
    • 4.5.1 Газообразные диэлектрики
    • 4.5.2 Жидкие диэлектрики
    • 4.5.3 Твердые диэлектрики
  • 4.6 Активные диэлектрики
    • 4.6.1 Сегнетоэлектрики
    • 4.6.2 Пьезоэлектрики
    • 4.6.3 Пироэлектрики
    • 4.6.4 Электреты
    • 4.6.5 Жидкие кристаллы
• 5 Магнитные материалы
  • 5.1 Общие сведения о магнитных свойствах вещества
  • 5.2 Классификация веществ по магнитным свойствам
  • 5.3 Физическая сущность ферромагнетизма
    • 5.3.1 Доменное строение как основа ферромагнетизма
    • 5.3.2 Намагничивание ферромагнетиков
  • 5.4 Структура ферромагнетиков
  • 5.5 Основные свойства ферромагнетиков
    • 5.5.1 Магнитострикция и магнитоупругость
    • 5.5.2 Влияние температуры на магнитные свойства
    • 5.5.3 Магнитные потери
  • 5.6 Основные магнитные материалы и их использование
    • 5.6.1 Постоянные магниты
    • 5.6.2 Пермаллои
• 6 Основные компоненты радиоэлектроаппаратуры
  • 6.1 Общие сведения о компонентах радиоэлектроаппаратуры
  • 6.2 Резисторы: классификация, основные параметры
    • 6.2.1 Классификация резисторов
    • 6.2.2 Основные параметры и свойства резисторов
    • 6.2.3 Основные виды проводящих элементов резисторов
    • 6.2.4 Магниторезисторы
    • 6.2.5 Фоторезисторы
  • 6.3 Конденсаторы
    • 6.3.1 Классификация конденсаторов
    • 6.3.2 Основные характеристики конденсаторов
    • 6.3.3 Нелинейные конденсаторы
  • 6.4 Полупроводниковые диоды
    • 6.4.1 Общие сведения и основные параметры
    • 6.4.2 Классификация диодов
    • 6.4.3 Условное графическое обозначение диодов в схемах
    • 6.4.4 Надежность и причины отказов полупроводниковых диодов
• 7 Датчики физических величин на основе электроматериалов
  • 7.1 Краткие сведения о датчиках
  • 7.2 Термоэлектрический эффект Зеебека
  • 7.3 Электротермический эффект Пельтье
  • 7.4 Эффект Холла
  • 7.5 Магниторезистивный эффект (эффект Гаусса)
  • 7.6 Магнитоупругий эффект
  • 7.7 Фотоэффект
  • 7.8 Терморезистивный эффект
  • 7.9 Тензорезистивный эффект
  • 7.10 Пьезоэлектрический эффект
  • 7.11 Пироэлектрический эффект

4.3 Диэлектрические потери

► Понятие диэлектрических потерь, их количественная оценка и виды

При воздействии электрического поля на любое вещество в нем наблюдается рассеяние некоторого количества электрической энергии, превращающейся в тепловую, – так называемые потери. Значение потерь, как правило, пропорционально квадрату напряженности поля.

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

Если поместить диэлектрик в переменное синусоидальное электрическое поле с напряженностью Е и циклической частотой ω, в нем возникают электрические токи двух видов: ток смещения и ток проводимости. Плотность тока смещения:

,

(4.52)

а плотность тока проводимости:

(4.53)

где γ_а – удельная активная проводимость диэлектрика на циклической частоте ω.

Плотность общего тока J равна векторной сумме плотностей токов смещения и проводимости (рисунок 4.23). Если бы диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь (γ_а = 0), ток был бы чисто реактивным, и его плотность J = J_см была бы направлена по мнимой оси под углом 90 о к вектору Е. Однако у реальных диэлектриков γ_а всегда отлична от нуля, поэтому суммарный ток сдвинут на угол
δ = 90 о – φ относительно тока идеального диэлектрика (φ – угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше γ_а, тем больше угол δ; фактически он характеризует степень отличия реального диэлектрика от идеального и называется углом диэлектрических потерь (угол между векторами плотностей переменного тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости).

Рисунок 4.23 – Векторная диаграмма плотностей тока в диэлектрике

Тангенс этого угла tgδ является одной из важнейших характеристик как самих диэлектриков, так и включающих их элементов: изоляторов, конденсаторов и т.п.:

.

(4.54)

Мощность, рассеиваемая в единице объема вещества, т.е. удельные диэлектрические потери, также может быть выражена через этот параметр:

(4.55)

где Е – действующее значение напряженности переменного поля.

Чем больше значение 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 свойством диэлектрического материала. Если к участку изоляции приложено напряжение с циклической частотой ω и действующим значением U, то отношение проходящих в нем тока проводимости и тока смещения можно выразить как:

(4.56)

Полные диэлектрические потери в участке изоляции емкостью С при приложении напряжения U (действующее значение) с циклической частотой ω можно найти как:

(4.57)

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

(4.58)

Таким образом, tgδ есть величина, обратная добротности Q.

Для характеристики качества диэлектриков иногда используется коэффициент диэлектрических потерь ε» = tgδ · ε.

Высокие диэлектрические потери приводят к разогреву и тепловому пробою диэлектриков в сильных электрических полях, снижению добротности и избирательности колебательных контуров. Поэтому уменьшение tgδ является очень важной задачей.

Диэлектрические потери могут быть нескольких видов (рисунок 4.24).

Таким образом, удельная мощность общих потерь складывается из мощности потерь на электропроводность (w_скв), мощностей дипольных релаксационных потерь (w_д), резонансных (w_рез), миграционных (w_миг) и ионизационных (w_ион) потерь:

(4.59)

Рисунок 4.24 – Виды диэлектрических потерь

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

Происхождение диэлектрических потерь: что это и почему происходит, как измерить и рассчитать

Благодаря материалам из диэлектриков электрический ток не утекает и проходит только по проводникам. Их изготавливаются из самого разного материала.

Функциональные возможности используются не только с целью ограничения прохождения электрических токов.

Диэлектрическая потеря является ещё одной функцией этого материала. Благодаря этому явлению под воздействием электрического поля рассеивается энергия. При излишнем скоплении энергии проводники перегреются, что может привести к перегоранию проводника и пожару.

В этой статье более подробно рассмотрим данную функцию.

Как рассчитать диэлектрические утери

Потери диэлектрические не так-то просто подсчитать. Само вычисление строится по нескольким ступеням. Сначала рассчитывается мощность, которая есть. Мощность рассеется, если напряжение будет переменным.

Для конденсаторов с параллельным и последовательным подключением и активным сопротивлением существует несколько схем.

При помощи полученных параметров и уже известных значений, можно узнать значение активного тока.

Кроме того, необходимо найти значение тангенса угла полных векторов тока до электроёмкости. Такой угол называется диэлектрическим углом потерь. Ic будет диэлектрической ёмкостью.

Важно учитывать, что для получения значений тока нужно умножить значения угловой частоты и электрической ёмкости конденсатора.

Все значения и необходимые единицы, нужные для вычислений, являются ключевыми параметрами, влияющими на свойства. Возвращаясь к представленным схемам можно проследить, что чем меньше угол, тем надёжнее он будет.

Какие бывают

Более подробно остановимся на видах диэлектрических потерь, которые различаются между собой.

Диэлектрические утери газов веществ

Газообразные обладают низкой электрической проводимостью. По этой причине потери в диэлектрике в этом веществе невелико. В процессе поляризаций газовых молекул ничего не произойдёт. В таких ситуациях применяют кривую ионизации.

Это говорит о том, что увеличение напряжения приведёт к увеличению угла. Можно сказать, что в изоляционном слое есть включение газа. Если ионизация будет слишком большой, вырастет потеря газа, что приведёт к перегреву и разрушению изоляционного слоя.

При изготовлении изоляции необходимо обращать внимание на то, что в изоляции не должно быть газовых вкраплений. Чтобы сделать это, используют специальные способы обработки.

Благодаря новым способам обработки изоляцию можно высушивать в вакууме. После этого изоляция обкатывается на специальных устройствах, что и делает её наиболее надёжной.

В процессе ионизации изоляционные слои окисляются, что соответственно становится причиной разрушения изоляции. Если ионизация возникла на участках с неравномерными полями, это влияет на КПД, который сильно снижается.

Диэлектрические утери твёрдых веществ

У твёрдых веществ есть особый ряд характеристик. Например, они различаются по составу, структуре и поляризации, благодаря которым и возникают диэлектрические потери. Для диэлектриков, обладающих надёжностью и хорошим качествам, используют:

1. Серу.
2. Парафин.
3. Полистирол.

Существуют и диэлектрики со сквозной проводимостью электричества. К ним относят:

1. Кварц.
2. Соль.
3. Слюду.

Керамические и мраморные диэлектрики, будучи кристаллическими, являются характерными примерами данных значений. В них есть примесь полупроводников.

Они имеют отличительные свойства: потери диэлектрики будут зависеть от условий окружающей среды. Значения величины могут измениться от влияния окружающих факторов.

В жидких

Значения потерь будут зависеть от состава материалов. Жидкость без примесей будет нейтральной, соответственно и потери в ней будут почти равны нулю. Это объясняется низкой электрической проводимостью.

Если в жидкости будут примесь или полярность, её будут использовать в технических цепях, поскольку их потери диэлектрики гораздо более высоки. Такие жидкости имеют отличительные особенности, одной из которых является вязкость вещества.

Иногда такие жидкости называют дипольными из-за установки дипольной поляризации. Чем больше будет вязкость, тем выше станут потери диэлектрики.

В жидких диэлектриках определённой значимостью обладает температура. Если с помощью температуру увеличить, увеличится и тангенс в угле, причём до максимальных значений.

Таким же способом можно опустить его до минимума и вновь повысить. Это зависит от электрической проводимости, которая изменяется под воздействием температур.

Какими приборами можно измерить

Потери можно измерить с помощью разных приборов. Например, ИПИ-10 от производителя Теттекс, который позволяет изучать твёрдые и жидкие диэлектрические материалы.

Иногда используют устройства для измерений тангенсов углов в диэлектриках жидкого типа, например, Тангенс-ЗМ. Измерители Ш2-12ТМ тоже активно применяют для выявления нужных значений.

Это основные моменты, которые следует знать о потерях в диэлектрике. Благодаря формулам из статьи Вы можете провести расчет потерь для разных материалов!

Диэлектрические потери

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

Диэлектрические потери в диэлектрике можно характеризовать рассеиваемой мощностью, которая определяется по формуле

где ω – угловая частота (ω = 2πf); C – емкость диэлектрика; U – напряжение, прикладываемое к диэлектрику; tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь.

На рис.4 приведена схема замещения и векторная диаграмма диэлектрика с потерями. Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90 о угол сдвига фаз φ между током и напряжением в емкостной цепи.

Рис. 4. Схема замещения а) и векторная диаграмма б) диэлектрика с потерями

Виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида:

1) потери, обусловленные поляризацией;

2) потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные потери;

4) потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией. Из всех видов поляризации с потерями наиболее часто в диэлектриках встречаются дипольная и ионно-релаксационная.

У них есть общие закономерности:

а) tgδ при определенной частоте f₁ имеет максимум;

б) у tgδ наблюдается также максимум при некоторой температуре t_1, характерной для данного диэлектрика.

В схеме замещения эти виды потерь хорошо описываются цепочкой из емкости C и сопротивления r (рис. 4,a).

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью, в схеме замещения хорошо описываются сопротивлением R

Они не зависят от частоты:

Так как сопротивление R зависит от температуры, то и потери от нее также зависят. Они возрастают с температурой по экспоненциальному закону:

где A и b – постоянные материала.

Тангенс δ в этом случае может быть вычислен по формуле:

tgδ = , (1)

где f – частота напряжения, Гц; ρ – удельное сопротивление, ;

Ионизационные диэлектрические потери. Эти потери свойственны газообразным диэлектрикам. Они появляются, если напряжение, приложенное к диэлектрику, превысит критическое значение U_кр, при котором начинаются ионизационные процессы. До напряжения U_кр диэлектрические потери практически равны нулю, а затем они резко увеличиваются, и их можно оценить по приближенной формуле:

где A – постоянный коэффициент, f – частота поля.

Ионизационные потери возникают также в жидких и твердых диэлектриках в газовых пузырьках и включениях.

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры. Они наблюдаются в слоистых диэлектриках: бумаге, пропитанной маслом, в пористой керамике, текстолите, стеклотекстолите и т. д. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков общей формулы расчета диэлектрических потерь не существует.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходимого для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы. В этом случае газ можно практически рассматривать как идеальный диэлектрик. Источником диэлектрических потерь газа может быть только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации из-за больших расстояний между молекулами не сопровождается диэлектрическими потерями.

Но так как у газов электропроводность очень мала, то угол диэлектрических потерь ничтожно мал. Величину tgδ можно определить по формуле (1). Для газа tgδ ≈ 4·10 –8 .

При напряженностях поля больше E_кр в газе начинается ионизация, и потери резко возрастают.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. Среди жидких диэлектриков следует отдельно рассматривать неполярные и полярные.

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. У чистых жидких диэлектриков электропроводность мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Можно рассчитать tgδ по формуле (1). Например, для нефтяного конденсаторного масла получим tgδ ≈ 0,001. Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков зависят от температуры, так как с увеличением температуры уменьшается удельное сопротивление жидкого диэлектрика. У неполярного диэлектрика tgδ с ростом частоты уменьшается. А диэлектрические потери не зависят от частоты.

В полярных жидкостях потери обусловлены двумя причинами:

а) электропроводностью; б) дипольной поляризацией.

Потери, вызванные электропроводностью, зависят только от температуры. Для дипольной поляризации tgδ имеет максимум при некоторой температуре t₁. Если теперь учесть оба вида потерь и просуммировать обе зависимости, то получим график, показанный на рис.5,а. Влияние частоты f на tgδ и рассеиваемую мощность показано на рис.5,б

Рис.5. Влияния температуры а) и частоты б) на потери в полярном жидком диэлектрике

Диэлектрические потери в твёрдых диэлектриках. В твёрдых диэлектриках возможны все виды поляризации и потерь. Для выяснения общих закономерностей твёрдые диэлектрики делят на следующие группы.

1. Диэлектрики молекулярной структуры:

а) неполярные, б) полярные.

2. Диэлектрики ионной структуры:

а) плотной упаковки, б) неплотной упаковки.

4. Диэлектрики неоднородной структуры.

Неполярные диэлектрики обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями, и их применяют в качестве высокочастотных диэлектриков. Тангенс δ для них можно рассчитать по формуле (1). Диэлектрические потери у неполярных диэлектриков не зависят от частоты. При увеличении температуры уменьшается удельное сопротивление диэлектрика, а это приводит к увеличению тангенса диэлектрических потерь.

Изменение tgδ от температуры и частоты в полярных диэлектриках такое же, как и для жидкого полярного диэлектрика.

В твёрдых веществах ионной структуры с плотной упаковкой ионов только два вида поляризации: электронная и ионная. В этих диэлектриках диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах увеличиваются потери от сквозной электропроводности. С ростом частоты tgδ уменьшается, как и у неполярных диэлектриков, так как активный ток остаётся постоянным, а реактивный увеличивается.

В твёрдых веществах ионной структуры с неплотной упаковкой ионов имеет место значительная ионно–релаксационная поляризация, поэтому наблюдаются закономерности изменения tgδ от температуры и частоты, характерные для дипольной поляризации.

Здесь два вида потерь:

а) потери, вызванные передвижением слабосвязанных ионов. Они рассматриваются как потери, обусловленные электропроводностью, возрастающие с температурой и почти не зависящие от частоты (tgδ уменьшается с ростом частоты);

б) потери, вызванные релаксационной поляризацией, у которых tgδ зависит от температуры и частоты.

Для большинства видов электрокерамики количество ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возрастает с температурой, поэтому максимум tgδ отсутствует и температурная зависимость tgδ подобно неполярным диэлектрикам в первом приближении имеет экспоненциальный характер.

Особенностью сегнетоэлектриков является то, что в них самопроизвольная (спонтанная) поляризация проявляется в определённом температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области спонтанной поляризации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда доменная структура разрушается.

Зависимости tgδ от температуры и частоты в диэлектриках неоднородной структуры очень сложные и определяются как суммы зависимостей составляющих.

Электронная библиотека

Общие определения

Диэлектрическими потерями называют 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:

Плотность тока проводимости определяется следующим образом:

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

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:

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 R_a – активное сопротивление элемента на частоте ) и тока смещения

(где С – емкость) можно выразить так:

Так как , a , где – геометрический размер, то

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

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

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);

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 (U_ион)

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 10 14 …10 17 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 10 13 …10 14 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 (

10 12 Гц). В этом случае начало резонансного максимума потерь захватывает диапазон СВЧ (10 9 …10 10 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.

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.

Срочно?
Закажи у профессионала, через форму заявки
8 (800) 100-77-13 с 7.00 до 22.00