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

I_a/ I_p = tgδ

Из этого соотношения следует, чтовеличина активного тока в диэлектрике:

I_a=I_ptgδ.

Формула для подсчёта активной мощности имеет вид:

Р_а = 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 f_макс , 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 (Е_пр), которая определяется величиной напряжения, когда про­исходит пробой (пробивное напряжение - U_пр ), отнесённой к единице толщины (h) диэлектрика:

Для однородного диэлектрика

Е_пр = U_пр/h кв/мм. (17)

E_пр - напряженность электрического поля при которой наступает пробой, В/м;

Электрическая прочность - важный параметр конденсаторных диэлектриков, т.к. h выбирается малой.

Различают:

• Тепловой пробой.

При Е_пр подводимое тепло больше отводимого, T^o диэлектрика резко растет, диэлектрик разрушается.

• Электрический пробой.

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 Е_пр 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 р_v ;

- удельная объёмная проводимость γ_v;

- удельное поверхностное сопротивление р_ы

- удельная поверхностная прово­димость т s ;

- диэлектрическая проницае­мость ε;

- тангенс угла диэлектрических потерь tgδ;

- электрическая прочность материала Е_п.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: