к чему могут привести большие диэлектрические потери изоляционных материалов
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:
Схему замещения диэлектрика обычно представляют в виде последовательно соединенных конденсатора и активного сопротивления. Из векторной диаграммы (см. рис. 1):
В результате рассеиваемая в диэлектрике мощность равна
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 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:
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:
Существуют и диэлектрики со сквозной проводимостью электричества. К ним относят:
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!
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.
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.
Если величина напряжения Uи 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:
Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:
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:
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.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Высокое диэлектрические потери
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 tgS диэлектрических потерь. Они могут быть следующих видов: потери на электропроводность, релаксационные потери ( включая миграционные), резонансные и ионизационные потери. [1]
Высокие диэлектрические потери в высоковольтных кабелях обусловливают подгорание или обуглероживание бумаги, что ведет к образованию проводящего пути через ленты. Перегретый участок может быть ограничен одной или многими точками вдоль кабеля. [2]
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 tg б диэлектрических материалов, что возможно, если известна природа диэлектрических потерь. [4]
Таким образом, связующее должно обладать высокой диэлектрической проницаемостью, в то время как тангенс угла диэлектрических потерь должен быть минимальным, поскольку высокие диэлектрические потери обусловливают увеличение потребляемой мощности и снижение светоотдачи электролюминесцентного слоя. [11]
Теоретически идеальным материалом для сростка кабелей с вязкой пропиткой для прокладки в блоках являются ленты из ма-нильской или крафт-бумаги, пропитанной маслом. Несмотря на более высокие диэлектрические потери при более высоких рабочих напряжениях лакотканевые ленты с масляной прослойкой благодаря тому, что их легче накладывать на жилы, чаще всего применяются для изоляции жил. Большой опыт многих фирм в течение многих лет с высоковольтными сростками для прокладки в блоках, выполненными лакотканевой лентой, позволяет считать маловероятной возможность развития местных нагревов вследствие более высоких диэлектрических потерь. При более низких напряжениях часто применяется сухая лакотканевая лента с петро-лейным компаундом, изложенным между слоями. Некоторые фирмы пропитывают кабельные сростки, предназначенные для прокладки в блоках, пропиточным маслом, характеристики которого аналогичны характеристикам пропитки, применяемой для кабеля. [14]
К чему могут привести большие диэлектрические потери изоляционных материалов
► 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 γа – 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 (γа = 0), ток был бы чисто реактивным, и его плотность J = Jсм была бы направлена по мнимой оси под углом 90 о к вектору Е. Однако у реальных диэлектриков γа 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 γа, 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 (wскв), мощностей дипольных релаксационных потерь (wд), резонансных (wрез), миграционных (wмиг) и ионизационных (wион) 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