4 ДІЕЛЕКТРИЧНІ ВТРАТИ
4.1 Основні поняття
Діелектричними втратами називають енергію, що розсіюється за одиницю часу в діелектрику при дії на нього електричного поля і викликає його нагрівання.
Втрати енергії в діелектрику спостерігаються як при змінній напрузі, так і при постійній, оскільки в матеріалі утворюється наскрізний струм, обумовлений провідністю.
Діелектричні втрати в електроізоляційному матеріалі можна характеризувати потужністю, віднесеною до одиниці об’єму, або питомими втратами; частіше для характеристики здатності діелектрика розсіювати енергію в електричному полі користуються кутом діелектричних втрат або тангенсом цього кута.
Кутом діелектричних втрат називається кут, що доповнює до 90° кут зсуву фаз j між струмом і напругою в ємнісному колі. У випадку ідеального діелектрика вектор струму в такому колі буде випереджати вектор напруги на 90°, при цьому кут d буде дорівнює нулеві. Чим більша розсіювана потужність в діелектрику, що переходить у тепло, тим менший кут зсуву фаз і тим більший кут діелектричних втрат d.
Неприпустимо великі діелектричні втрати в електроізоляційному матеріалі викликають сильне нагрівання, що може привести до його теплового руйнування.
Природа діелектричних втрат в електроізоляційних матеріалах різна в залежності від агрегатного стану речовини.
Діелектричні втрати можуть обумовлюватися наскрізним струмом або активними складовими поляризаційних струмів. При вивченні діелектричних втрат, безпосередньо пов’язаних з поляризацією діелектрика, можна показати це явище у вигляді кривих, що являють собою залежність електричного заряду на обкладках конденсатора з діелектриком від прикладеної до нього напруги (рис. 4.1).
При відсутності втрат, які були викликані явищем поляризації, заряд лінійно залежить від напруги (рис. 4.1, а), і такий діелектрик називається лінійним. Якщо в лінійному діелектрику має місце уповільнена поляризація, пов’язана з втратами енергії, то крива залежності заряду від напруги має вигляд еліпса (рис. 4.1, б). Площа цього еліпса пропорційна кількості енергії, що поглинається діелектриком за один період зміни напруги.
У випадку нелінійного діелектрика – сегнетоелектрика – крива залежності заряду від напруги має вигляд петлі такого ж характеру, як петля гістерезиса в магнітних матеріалів; в цьому випадку площа петлі пропорційна втратам енергії за один період.
Рисунок 4.1 – Залежність заряду від напруги для лінійного діелектрика без втрат (а), з втратами (б)
У технічних ЕТМ, крім втрат від наскрізної електропровідності і втрат від уповільненої поляризації, виникають діелектричні втрати, які сильно впливають на електричні властивості діелектриків. Ці втрати проявляються наявністю ізольованих один від одного сторонніх провідних або напівпровідних включень вуглецю, оксидів заліза тощо. При високих напругах втрати в діелектрику виникають внаслідок іонізації газових включень всередині діелектрика, що особливо інтенсивно відбувається при високих частотах.
Розглянемо схему, еквівалентну конденсатору з діелектриком, що має втрати в ланцюзі змінної напруги. Ця схема повинна бути вибрана так, щоб активна потужність, що витрачається в даній схемі, була еквівалентна потужності, що розсіюється в діелектрику конденсатора, а струм випереджав напругу на той же кут, що й у конденсаторі.
Поставлена задача може бути вирішена заміною конденсатора з втратами ідеальним конденсатором з послідовно включеним активним опором (рис. 4.2, а) або ідеальним конденсатором, який включено паралельно з активним опором (рис. 4.2, б). Такі еквівалентні схеми, звичайно, не дають пояснення механізму діелектричних втрат у реальних діелектриках і введені умовно.
Послідовна і паралельна схеми еквівалентні одна одній, якщо при рівності повних опорів z1 = z2 = z будуть рівні їх активні та реактивні складові. Ця умова буде дотримана, якщо кути зсуву струму щодо напруги рівні а значення активної потужності однакові.
З теорії змінних струмів відомо, що активна потужність визначається за формулою:
Рисунок 4.2 – Векторні діаграми та еквівалентні схеми діелектрика з втратами: а – послідовна, б – паралельна
Виразимо потужності для послідовної і паралельної схем через ємності
Сs і Ср та кут δ.
Для послідовної схеми, використовуючи вираз (4.1) і відповідну векторну діаграму, маємо:
Для паралельної схеми:
Прирівнюючи вирази (4.2) і (4.4), а також (4.3) і (4.5), знаходимо співвідношення між Ср і Сs а також між r і R:
Для високоякісних діелектриків можна нехтувати значенням tg2d у порівнянні з одиницею у формулі (4.6) і вважати Cp » Cs » C .
Вирази для потужності, що розсіюється в діелектрику, у цьому випадку будуть однакові для обох схем:
де Ра – активна потужність,
Вт; U – напруга, В;
ω – кутова частота;
С – ємність, Ф.
Опір R у паралельній схемі, як випливає з виразів (4.3-4.7), у багато разів більше опору r.
Діелектричні втрати – важливий параметр діелектрика. Діелектричні втрати приводять до нагрівання діелектрика, а зміна температури, в свою чергу, – до старіння ЕТМ і, відповідно, до скорочення терміну служби обладнання.
4.2 Види діелектричних втрат в електроізоляційних матеріалах
Діелектричні втрати за їхніми особливостями і фізичною природою можна підрозділити на чотири основних види:
- діелектричні втрати, обумовлені поляризацією;
- діелектричні втрати, обумовлені наскрізною електропровідністю;
- іонізаційні діелектричні втрати;
- діелектричні втрати, обумовлені неоднорідністю структури. Перший вид особливо чітко спостерігається у речовинах, що мають релаксаційну поляризацію; це діелектрики дипольної структури та іонної структури з нещільним упакуванням іонів. Релаксаційні діелектричні втрати викликають порушення теплового руху частинок під впливом електричного поля. Це порушення призводить до розсіювання енергії та нагрівання діелектрика.
Діелектричні втрати в сегнетоелектриках пов’язані з явищем спонтанної поляризації. Втрати в сегнетоелектриках є значними при температурі, нижчій точки Кюрі, а при температурі більшій точки Кюрі втрати в сегнетоелектриках зменшуються.
Другий вид характерний для діелектриків, що мають змінну електропровідність (об’ємну чи поверхневу). Діелектричні втрати зростають з температурою за експоненціальним законом:
де А, b – постійні матеріалу.
Наближений вираз:
де PT – втрати при певній температурі t, °С;
P0 – втрати при t = 0°С; α – постійна матеріалу.
Третій вид властивий діелектрикам у газоподібному стані. Іонізаційні втрати проявляються в неоднорідних електричних полях при напруженостях, що перевищують значенням початку іонізації даного газу.
Іонізаційні втрати обчислюються за формулою:
де A1 – постійний коефіцієнт;
f – частота електричного поля;
U – прикладена напруга;
U0 – напруга, що відповідає початку іонізації.
Формула справедлива при U > U0 і лінійній залежності tg(d) від Е. Напруга U0 залежить від тиску, оскільки розвиток ударної іонізації молекул залежить від довжини вільного пробігу носіїв заряду. Зі збільшенням тиску газу величина напруги початку іонізації зростає.
Четвертий вид спостерігається у діелектриках із просоченого паперу і тканини, у пластмасах з наповнювачем, в пористій кераміці та слюді. Оскільки структура неоднорідних діелектриків і їх компонентів досить різна, то не існує загальної формули розрахунку діелектричних втрат у цьому випадку.
4.3 Діелектричні втрати в газах
Діелектричні втрати в газах при напруженостях поля нижче значення, ніж необхідне для розвитку ударної іонізації молекул газу, дуже малі. У цьому випадку газ можна практично розглядати як ідеальний діелектрик.
Джерелом діелектричних втрат газу може бути, в основному, лише електропровідність, тому що орієнтація дипольних молекул газів при їхній поляризації не супроводжується діелектричними втратами.
Усі гази відрізняються досить малою електропровідністю, і кут діелектричних втрат мізерно малий, особливо при високих частотах. Питомий об’ємний опір газів – 1016 Ом×м, e » 1, tg d при f = 50 Гц менше
4 × 108.
При високих напругах і неоднорідному полі, коли напруженість в окремих місцях перевищить деяке критичне значення, молекули газу іонізуються, внаслідок чого в газі виникають втрати на іонізацію.
На рис. 4.3 наведена залежність tgd = f (U) для газової ізоляції.
Рисунок 4.3 – Іонізаційна характеристика ізоляції
При напрузі U0 відбувається початок іонізації газу в порах і tg d помітно росте, а при напрузі U1 в повітряних включеннях газ уже
іонізований і енергія на процес іонізації не витрачається, tg d зменшується. При високих частотах іонізація і втрати в газах зростають настільки, що це явище може призвести до розігріву діелектриків та їх руйнування, якщо напруга буде вище значення U0 .
На лініях електропередачі високої напруги втрати на іонізацію повітря біля поверхні провідників понижують коефіцієнт її корисної дії.
4.4 Діелектричні втрати в рідких діелектриках
В неполярних рідинах діелектричні втрати обумовлені тільки електропровідністю, якщо рідина не має домішок з дипольними молекулами (наприклад, очищене нафтове конденсаторне масло).
Полярні рідини, наприклад совол, залежать від температури і частоти, тому можуть мати значні діелектричні втрати, пов’язані з дипольно-релаксаційною поляризацією, окрім втрат, обумовлених електропровідністю.
У техніці використовуються рідкі діелектрики, що являють собою суміші неполярних і полярних речовин (наприклад, масляно-каніфольні компаунди).
При підвищенні частоти w максимум tgd зміщується в область більш високої температури: більша частота потребує меншого часу релаксації, необхідного для отримання максимуму кута втрат d, а для зменшення часу релаксації необхідне зниження в’язкості, тобто підвищення температури.
Час релаксації – це час, за який впорядкованість зорієнтованих полем диполів після його зняття зменшується за рахунок наявності теплового руху в e = 2,7 раза від початкового значення.
На рис. 4.4 показана залежність tgd від t °С при різних частотах для масляно-каніфольного компаунда.
Рисунок 4.4 – Залежність tgd від t °С при різних частотах для масляно-каніфольного компаунда
На графіках ( рис. 4.4) виділено чотири області, що характеризують:
1 – якщо в’язкість речовини велика (при малих t), то молекули не встигають зорієнтуватися при змінні поля і дипольно-релаксаційна поляризація зникає ( tgd має мале значення (початок кривих));
2 – при середніх в’язкостях дипольні втрати можуть бути суттєві і при деякому значенні в’язкості мають максимум;
3 – дипольні втрати будуть малими, коли орієнтація молекул відбувається без тертя (мінімум кривої);
4 – подальше зростання tgd з підвищенням t пояснюється ростом електропровідності (за рахунок діелектричних втрат наскрізної електропровідності).
Характер залежностей потужності Ра, що розсіюється при дипольно-релаксаційних втратах у рідкому діелектрику, а також tgd від частоти показаний на рис. 4.5:
Рисунок 4.5 – Залежність Ра і tgd від частоти для дипольної рідини
Втрати зростають з частотою доти, поки поляризація встигає слідувати за зміною поля. Коли ж частота стає настільки велика, що дипольні молекули вже не встигають орієнтуватися в напрямку поля і tgd падає, то втрати Ра стають постійними згідно з формулою Pa = U2wCtgd. Таким чином, характер залежності діелектричних втрат Ра від частоти не відповідає характерові частотної залежності tgd.
Дипольно-релаксаційні втрати в малов’язких рідинах при низьких частотах незначні і можуть бути менше втрат наскрізної електропровідності. Нижче для порівняння наведені значення e і tgd для неполярної і полярної рідин при частоті 50 Гц:
Трансформаторне масло ............ e = 2,3; tgd = 0,001.
Совол ..............……………......... e = 5; tgd = 0,02.
Як видно з вищенаведеного, тангенс кута діелектричних втрат неполярної рідини – трансформаторного масла – значно менший, ніж полярної рідини – совола.
4.5 Діелектричні втрати в твердих діелектриках
Діелектричні втрати в твердих діелектриках розглядають в залежності від їх структури. За структурою тверді діелектрики поділяються на чотири групи;
- діелектрики молекулярної структури;
- діелектрики іонної структури;
- сегнетоелектрики;
- діелектрики неоднорідної структури.
Діелектричні втрати в діелектриках молекулярної структури.
Якщо молекули неполярні, а речовини не мають домішок, то діелектричні втрати дуже малі (сірка, парафін, неполярні полімери (поліетилен, політетрафторетилен, полістирол) та інші). Тому ці речовини використовуються як якісні високочастотні діелектрики.
Діелектрики молекулярної структури з полярними молекулами головним чином є органічними речовинами, наприклад, речовини на базі целюлози (папір, картон та інші); полярні полімери (поліетилметакрилат, органічне скло); поліаміди (капрон та інші); поліуретани, каучукові матеріали, ебоніт; фенолформальдегідні смоли; ефіри целюлози (ацетил-целюлоза та інші) і низка інших матеріалів.
Усі вони завдяки дипольно-релаксаційній поляризації мають великі діелектричні втрати, які суттєво залежать від температури (при деяких температурах визначаються максимум і мінімум втрат, зростання втрат після мінімуму пояснюється збільшенням втрат наскрізної провідності).
На рис. 4.6 наведена залежність tgd від температури для висушеного паперу.
Рисунок 4.6 – Залежність tgd від температури для висушеного паперу
Діелектричні втрати твердих речовин іонної структури. У речовинах кристалічної структури з щільним упакуванням іонів при відсутності домішок діелектричні втрати досить малі. При підвищених температурах в таких речовинах (наприклад, кам’яна сіль) з’являються втрати від наскрізної електропровідності.
Речовини з кристалічною структурою з нещільним упакуванням іонів характеризуються релаксаційною поляризацією, що викликає підвищені діелектричні втрати. Для більшості видів електрокераміки кількість іонів релаксаційної поляризації неперервно зростає з ростом температури, і максимум tgd відсутній.
Діелектричні втрати в аморфних речовинах іонної структури (неорганічне скло) пов’язані з поляризацією та наявністю електропровідності.
Такі втрати обумовлені релаксаційною поляризацією і сильно виражені в технічному склі. Термічна обробка помітно впливає на кут діелектричних втрат скла у зв’язку зі зміною його структури.
Для більшості видів електротехнічної кераміки кількість іонів, які приймають участь в релаксаційній поляризації, збільшується з температурою, то максимум tgd відсутній і температурна залежність tgd
подібна температурній залежності питомої провідності, яка в першому наближенні має експоненціальний характер (рис. 4.7).
Рисунок 4.7 – Температурна залежність tgd титанової кераміки при f = 50 Гц
Діелектричні втрати в сегнетоелектриках. Їх особливість – це наявність самовільної поляризації, що з’являється в певному температурному інтервалі до точки Кюрі.
Діелектричні втрати в сегнетоелектриках мало змінюються з температурою в області спонтанної поляризації і різко падають при t °С більшій точки Кюрі, коли сегнетоелектричні властивості втрачаються.
Діелектричні втрати твердих речовин неоднорідної структури. Це матеріали, до складу яких входить не менше двох компонентів, механічно пов’язаних між собою, наприклад, кераміка. У складі кераміки розрізняють кристалічну, скловидну фази і наявність газів у закритих порах. Газові включення приводять до збільшення діелектричних втрат при високих напруженнях поля внаслідок розвитку іонізації.
Просочений папір також слід віднести до діелектриків з неоднорідною структурою. Його діелектричні втрати визначаються електричними властивостями обох компонентів, їх кількісним співвідношенням і залишковими повітряними включеннями.
На рис. 4.8 показана залежність tgd від t °С для конденсаторного
паперу. Вона має два максимуми: перший (при низьких температурах) характеризує дипольно-радикальні втрати самого паперу (целюлози), другий (при більш високій температурі) обумовлений дипольно-релаксаційними втратами просочувального компаунда.
Рисунок 4.8 – Залежність tgd від t °С для конденсаторного паперу, просоченого компаундом (80% каніфолі, 20% трансформаторного масла)
В сучасній електроізоляційній техніці неоднорідні діелектрики мають досить широке використання.
4.6 Контрольні питання
- Діелектричні втрати при послідовній схемі заміщення діелектриків.
- Діелектричні втрати при паралельній схемі заміщення діелектриків.
- Види діелектричних втрат в електроізоляційних матеріалах.
- Діелектричні втрати в газах.
- Діелектричні втрати в рідких діелектриках.
- Діелектричні втрати в твердих діелектриках.
- Залежність tgd = f (U) для газової ізоляції.
- Залежність tgd від t °С при різних частотах.
- Залежність Ра і tgd від частоти для дипольної рідини.
- Діелектричні втрати твердих речовин іонної структури.
- Діелектричні втрати в сегнетоелектриках.
- Діелектричні втрати твердих речовин неоднорідної структури.
