Потери энергии в диэлектриках
Когда в диэлектрике происходят процессы поляризации, через него протекает электрический ток, вызванный этими процессами, поскольку при поляризации перемещаются электрические заряды. Ток, сопутствующий электронной поляризация, протекает в очень малые промежутки времени и может считаться мгновенным. Он получил название тока смещения (/см). Другие же виды поляризации (дипольная, объемно-зарядная) осуществляются в большие промежутки времени. Электрический ток, вызванный этими видами поляризации, называется током абсорбции (/абс). Кроме этих двух токов, через каждый диэлектрик проходит еще ток проводимости (/пр). Таким образом, в диэлектрике под действием приложенного напряжения протекает общий ток, состоящий из трех отдельных токов:
I = /см + /абс + /пр .
Изменение этого тока в зависимости от времени его протекания (т) в диэлектрике (с момента приложения постоянного напряжения) показано на рис. 17.5.
В первый момент приложения напряжения величина тока значительно больше, чем спустя некоторое время, когда в диэлектрике остается лишь ток проводимости (/пр). Это объясняется тем, что ток смещения и ток абсорбции быстро прекращаются, так как они были вызваны быстро заканчивающимися поляризациями. Так обстоит дело при постоянном напряжении. Если же диэлектрик включить под переменное напряжение, то все эти три тока будут протекать через диэлектрик в течение всего времени, пока он будет находиться под переменным напряжением. Все три тока в диэлектрике можно наглядно изобразить в виде векторной диаграммы, показанной на рис. 17.6. Здесь напряжение U отложено в виде горизонтально расположенного вектора, ток смещения /см (как опережающий напряжение на полпериода, 90°) изображается вектором, перпендикулярным к вектору напряжения U. Поскольку ток абсорбции не является мгновенным, он изображается вектором /aдс , который тоже опережает вектор напряжения U, но меньше чем на полпериода. Ток же проводимости /пр совпадает по времени (по фазе) с напряжением U. Пользуясь правилом геометрического сложения векторов, сложим три тока, перенося векторы Iабс и Iпр параллельно самим себе. В результате сложения получим общий ток в диэлектрике в виде вектора /об (рис. 60). Угол между векторами общего тока /об и напряжения U обозначают греческой буквой φ (фи) и .называют углом сдвига фаз. Угол, дополняющий φ до 90°, т. е. угол между общим током /об и током смещения /см, обозначают греческой буквой б (дельта) и называют углом диэлектрических потерь.
Рис. 17,5. Изменение тока в диэлектрике от времени приложения постоянного напряжения.
Рис. 17.6. Векторная диаграмма токов в диэлектрике под переменным напряжением.
Из векторной диаграммы токов (рис. 17.6) находим, что
Ia/ Ip = tgδ
Из этого соотношения следует, чтовеличина активного тока в диэлектрике:
Ia=Iptgδ.
Формула для подсчёта активной мощности имеет вид:
Ра = U2ωC tgδ, вт (16),
где ω – круговая частота = 2πf; f – частота переменного тока.
Из этой формулы (16) следует, что при заданной величине напряжения, его частоте и емкости потери энергии в изоляции 6yдут зависеть от значенияtgδ.
Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в теплоту и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика.
Для определения потерь диэлектрика удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током и напряжением равен 90°, поэтому активная мощность равна нулю. Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол δ. Этот угол называется углом диэлектрических потерь. Тангенс угла δ и диэлектрическая постоянная ε характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика), Вт/м3:
Р= kE2f ε tg δ ,
Где k - коэффициент; Е - напряженность электрического поля, В/м; f - частота поля, Гц.
Произведение ε tg δ называют коэффициентом диэлектрических потерь. По величине tg δ диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg δ = 0,1-0,001) и высокочастотные (tg δ < 0,001).
К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений.
Величина tgδ называется тангенсом угла диэлектрических потерь, т.к. она определяет величину активной мощности, теряемой в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Эта величина является электрической характеристикой каждого диэлектрика. Для современных электроизоляционных материалов tgδ находится в пределах от 0,0001 до 0,05. Чем меньше значение tgδ, тем лучше диэлектрик, т.к. в нём будут меньшие потери энергии. Последние же могут вызывать нагрев диэлектрика и преждевременное его разрушение.
Величина tgδ, как и величина диэлектрической проницаемости ε зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения. На рис. 17.7 показан общий вид зависимости tgδ от температуры для полярного и нейтрального диэлектриков. С увеличением температуры облегчается поворот полярных молекул ( диполей) в результате снижения вязкости диэлектрика, т.е. ослабления сил взаимодействия между полярными молекулами. На этот поворот всё увеличивающегося числа полярных молекул расходуется энергия, и величина tgδ возрастает. Достигнув наибольшей величины (точка а на кривой), tgδ начинает уменьшаться, потому что дальнейшее повышение температуры усиливает хаотическое тепловое движение полярных молекул и тем самым затрудняет их поворот в электрическом поле. Поэтому величина tgδ падает до наименьшей величины (точка b), Затем вновь происходит увеличение tg δ, но это вызвано увеличением тока проводимости (/пр) в диэлектрике.
Потери энергии в диэлектрике в этой области температур происходят вследствие увеличения тока проводимости. В нейтральных диэлектриках с ростом температуры tg δ всё время возрастает в связи с увеличением тока проводимости в нагревающемся диэлектрике.
Рис. 17.7. Зависимость тангенса угла диэлелектрических потерь от температуры: 1 – нейтральный диэлектрик, 2 – полярный диэлектрик.
Рис, 17.8. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты приложенного напряжения : 1 – нейтральный диэлектрик,
2 – полярный диэлектрик
Зависимость tgδ от частоты приложенного переменного напряжения для полярного и нейтрального диэлектриков представлена графиками на рис, 17.8. Здесь с увеличением частоты нарастают потери энергии а диэлектрике в результате того, что диполи чаще вынуждены ориентироваться и на это будет затрачиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до определенной частоты fмакс , соответствующей наибольшей величине tgδ, после которой диполи уже не успевают следовать за переменным напряжением и потери энергии в диэлектрике уменьшаются. Уменьшение tgδ у нейтрального диэлектрика с ростом частоты объясняется уменьшением тока проводимостив диэлектрике, т.к. ионы не успевают за изменением направления электрического поля. Поэтому величина тока проводимости в диэлектрике с ростом частоты все время уменьшается, а вследствие этого уменьшается и мощность, затрачиваемая в диэлектрике. Это характеризуется уменьшением tgδ.
Пробой диэлектриков
Диэлектрики применяют в качестве электроизоляционных материалов в электрических установках, машинах и аппаратах, где они подвергаются действию высокого напряжения и могут быть разрушены силами электрического поля. Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. Это явление называется пробоем диэлектрика. В результате пробоя происходит соединение друг с другом проводников, находящихся под напряжением.
Пробой - это необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств.
Электрической прочностью пробивной напряженностью называется отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя. Различают три вида пробоя: электрический, тепловой и электрохимический.
Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за 10-7 – 10-8 с) под действием поля большой напряженности (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.
Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше пробивная напряженность. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении теплоотвода.
Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.
Свойство диэлектрика выдерживать высокое напряжение количественно выражают напряженностью электрического поля (Епр), которая определяется величиной напряжения, когда происходит пробой (пробивное напряжение - Uпр ), отнесённой к единице толщины (h) диэлектрика:
Для однородного диэлектрика
Епр = Uпр/h кв/мм. (17)
Eпр - напряженность электрического поля при которой наступает пробой, В/м;
Электрическая прочность - важный параметр конденсаторных диэлектриков, т.к. h выбирается малой.
Различают:
При Епр подводимое тепло больше отводимого, To диэлектрика резко растет, диэлектрик разрушается.
В результате действия поля электроны разгоняются, выбиваются новые электроны, происходит лавинное размножение носителей и пробой диэлектрика
Ионизационный пробой твердых диэлектриков происходит при ионизации жидкости и газа, которые находятся во внутренних порах диэлектрика.
Перекрытие твердых диэлектриков характеризуется пробоем их по поверхности.
Величина напряжённости электрического поля (Епр), при которой произошел пробой диэлектрика, называется его электрической прочностью.
Сам процесс пробоя может произойти в результате нагрева диэлектрика проходящим через него электрическим током, когда сопротивление диэлектрика непрерывно уменьшается. Уменьшение сопротивления вследствие нагрева диэлектрика вызывает увеличение тока, что в свою очередь вызывает большее повышение температуры, до тех пор пока электрический ток не достигнет такой величины, при которой диэлектрик термически разрушается (проплавляется). В этом случае пробой диэлектрика называют тепловым пробоем.
Место пробоя в диэлектрике (сквозной канал) имеет повышенную проводимость.
Можно представить пробой диэлектрика и как результат увеличения количества свободных электронов. Количество свободных электронов с повышением напряженности поля быстро нарастает, и процесс нарастания электронов оканчивается пробоем диэлектрика. Такая форма пробоя называется электрическим пробоем.
В случае теплового пробоя величина Е пр (или Uпр) зависит от температуры диэлектрика (рис. 17.9). Аналогичная кривая наблюдается в случае зависимости этих величин от времени воздействия (τ) приложенного напряжения (рис. 17.10). Эту кривую часто называют « кривой жизни диэлектрика», т.к. по ней можно определить время жизни диэлектрика при заданной напряжённости электрического поля.
Электрическая прочность Епр диэлектрика в случае электрического пробоя не зависит от температуры, но при более высоких температурах диэлектрика электрический пробой переходит в тепловой (рис. 65). При этом Еnp диэлектрика уменьшается с ростом его температуры. Это объясняется тем, что подогревая диэлектрик, мы облегчаем его тепловое разрушение.
Рис. 17.9. Зависимость
электрической прочности диэлектрика от температуры при тепловом пробое
Рис. 17.10. Зависимость электрической прочности диэлектрика от времени Воздействия электрического напряжения
Итак,
основными электрическими харaктepиcтикaми, которые позволяют оценить электрические свойства электроизоляционных материалов, являются следующие:
- удельное объемное сопротивление рv ;
- удельная объёмная проводимость γv;
- удельное поверхностное сопротивление ры
- удельная поверхностная проводимость т s ;
- диэлектрическая проницаемость ε;
- тангенс угла диэлектрических потерь tgδ;
- электрическая прочность материала Еп.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|