Диэлектрические потери

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Кыргызской республики

Кыргызский Государственный Технический Университетим. И. Раззакова

Факультет: Энергетический

Кафедра: Возобновляемые источники энергии

Реферат

По дисциплине: Электротехнические материалы

На тему: Диэлектрические потери

Бишкек 2014

Введение

Все вещества по электрическим свойствам условно делятся на три группы - проводники, диэлектрики и полупроводники. Диэлектрики отличаются от других веществ прочными связями электрических положительных и отрицательных зарядов, входящих в их состав. Вследствие этого электроны и ионы не могут свободно перемещаться под влиянием приложенной разности потенциалов. В отличие от диэлектриков в проводниках электрического тока электрические заряды не имеют таких связей, поэтому в проводниках электроны могут свободно перемещаться, создавая явление электрического тока. Практически в диэлектриках в силу ряда причин всегда имеется некоторое количество слабо связанных зарядов, способных перемещаться внутри вещества на большие расстояния. Иными словами, диэлектрики не являются абсолютными непроводниками электрического тока. Однако в нормальных условиях таких зарядов в диэлектриках очень мало, и обусловленный ими электрический ток, называемый током утечки, невелик. Проводимость диэлектриков проводимости проводников. Обычно к диэлектрикам относятся вещества, имеющие удельную электрическую проводимость не больше 10-7 - 10-8 См/м, проводникам - имеющие проводимость больше 107 См/м. К диэлектрикам относятся все газы (включая пары металлов), многие жидкости, кристаллические, стеклообразные, керамические, полимерные вещества. Поскольку свойства вещества сильно зависят от его агрегатного состояния, обычно рассматривают отдельно физические явления в газообразных, жидких и твёрдых диэлектриках.

диэлектрический потеря квазиморфный

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).

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.

Параллельная и последовательная эквивалентные схемы представлены на рис.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.1 Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них

Для параллельной схемы из векторной диаграммы

Для последовательной схемы:

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

Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением по сравнению

с единицей в формуле (5) и считать .Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут также одинаковы для обеих схем:

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 (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:

Из выражения (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:

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

2. Виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах

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

1) диэлектрические потери, обусловленные поляризацией;

2) диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропроводностью;

3) ионизационные диэлектрические потери;

4) диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.

3. Диэлектрические потери в газах

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

Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Как известно, все газы отличаются весьма малой проводимостью, и в связи с этим угол диэлектрических потерь у них ничтожно мал, особенно при высоких частотах. Значение  может быть вычислено по формуле:

Удельное объемное сопротивление газов порядка ,  (при отсутствии ионизации) менее .

При высоких напряжениях и чаще всего в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превосходит некоторое критическое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возникают потери на ионизацию.

Ионизационные потери являются дополнительным механизмом диэлектрических потерь для твердого диэлектрика, содержащего газовые включения. Ионизация газа в таких включениях особенно интенсивно происходит при радиочастотах. На рис. 2 показано влияние газовых включений на характер изменения  с увеличением напряжения. При возрастании напряжения свыше ,  растет. При , когда газ во включениях уже ионизирован, требуется меньшая энергия на дальнейшее развитие процесса и  уменьшается.

Рис. 2 Изменение  в зависимости от напряжения для твердой изоляции с газовыми включениями

Кривую  часто называют кривой ионизации. При высоких частотах ионизация и потери в газах возрастают настолько, что это явление может привести к разогреву и разрушению изделий с газовой изоляцией, если напряжение превышает ионизационное значение.

Возникновение ионизации газа, заполняющего поры в твердой изоляции, нередко также приводит к ее разрушению. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что в одних случаях вызывает химическое разрушение органической изоляции, содержащей газовые включения, в других - цепную реакцию окисления, инициированную бомбардировкой материала заряженными частицами.

4. Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Если неполярная жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами, то потери в них обусловлены только электропроводностью. Удельная проводимость нейтральных частых жидкостей очень мала, поэтому малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло,  которого очень мал.

Полярные жидкости в зависимости от условий (температуры, частоты) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь на электропроводность. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре составляет .

Дипольно-релаксационные потери, наблюдаемые в вязких жидкостях при переменном напряжении, особенно при высоких частотах, значительно превосходят потери на электропроводность.

Дипольно-релаксационные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны и могут быть меньше потерь на электропроводность. При радиочастотах дипольно-релаксационные потери даже в маловязкой жидкости велики и превосходят потери на электропроводность. Ввиду этого полярные жидкости не могут быть использованы при высокой частоте.

5. Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры материалов. Различные твердые вещества имеют разный состав и строение; в них возможны все виды диэлектрических потерь.

Диэлектрические потери в веществах с молекулярной структурой в зависимости от вида молекул

Диэлектрики, имеющие молекулярную структуру с неполярными молекулами и не содержащие примесей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К таким диэлектрикам относятся сера, церезин, неполярные полимеры - полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др. Указанные вещества в связи с их малыми потерями применяют в качестве высокочастотных диэлектриков.

Твердые диэлектрики, состоящие из полярных молекул, представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике: полярные полимеры - эпоксидные компаунды, кремнийорганические и феноло-формальдегидные смолы, полиамиды (капрон), полиэтилентерефталат (лавсан), гетинакс и др. Все они благодаря присущей им дипольно-релаксационной поляризации имеют большие потери, особенно при радиочастотах.

Диэлектрические потери в веществах с ионной структурой в зависимости от особенностей упаковки ионов в решетке

В веществах с кристаллической структурой и плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность. К веществам данного типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современном производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы которой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажающие решетку, резко увеличивают диэлектрические потери.

К диэлектрикам, имеющим кристаллическую структуру с неплотной упаковкой ионов, относится ряд кристаллических веществ, характеризующихся релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав керамических масс, изоляторного фарфора, огнеупорной керамики и т. д.

Диэлектрические потери в квазиаморфных веществах с ионной структурой - неорганических стеклах - отличаются некоторыми особенностями. В стеклах за релаксацию ответственны слабосвязанные ионы, совершающие перескоки из одной ячейки пространственной структурной решетки в другую. Потенциальные барьеры, ограничивающие движение слабосвязанных ионов, неодинаковы вследствие локальных неоднородностей структуры стекла. Поэтому релаксационные потери в стеклах определяются широким набором времен релаксации, что приводит к расширению и некоторому сглаживанию максимумов в температурной и частотной зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь (рис. 3).

Рис. 3 Частотная и температурная зависимости тангенса угла диэлектрических потерь для неорганического стекла: 1 - потери на электропроводность; 2 - релаксационные потери; 3 - суммарные потери

Чем больше набор времени релаксации, тем меньше значение релаксационного максимума, так как уменьшается число релаксаторов каждого типа. Сглаженные максимумы релаксационных потерь могут в значительной мере маскироваться потерями на электропроводность и не проявляться в явном виде.

При очень высоких частотах, приближающихся к частотам собственных колебаний ионов, в стеклах возможны также резонансные потери.

Размещено на Allbest.ru