Надіслати свою хорошу роботу в базу знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань в своє навчання і роботи, будуть вам дуже вдячні.
Міністерство освіти і науки Киргизької республіки
Киргизький державний технічний університет. І. Раззакова
Кафедра: Поновлювані джерела енергії
З дисципліни: Електротехнічні матеріали
На тему: Діелектричні втрати
Всі речовини по електричним властивостям умовно діляться на три групи - провідники, діелектрики і напівпровідники. Діелектрики відрізняються від інших речовин міцними зв'язками електричних позитивних і негативних зарядів, що входять до їх складу. Внаслідок цього електрони і іони не можуть вільно переміщатися під впливом прикладеної різниці потенціалів. На відміну від діелектриків в провідниках електричного струму електричні заряди не мають таких зв'язків, тому в провідниках електрони можуть вільно переміщатися, створюючи явище електричного струму. Практично в діелектриках в силу ряду причин завжди є деяка кількість слабо зв'язаних зарядів, здатних переміщатися всередині речовини на великі відстані. Іншими словами, діелектрики не є абсолютними непроводниками електричного струму. Однак в нормальних умовах таких зарядів в діелектриках дуже мало, і зумовлений ними електричний струм, званий струмом витоку, невеликий. Провідність діелектриків провідності провідників. Зазвичай до діелектриків відносяться речовини, що мають питому електричну провідність не більш 10-7 - 10-8 См / м, провідникам - мають провідність більше 107 См / м. До діелектриків відносяться всі гази (включаючи пари металів), багато рідини, кристалічні, стеклообразниє, керамічні, полімерні речовини. Оскільки властивості речовини сильно залежать від його агрегатного стану, зазвичай розглядають окремо фізичні явища в газоподібних, рідких і твердих діелектриках.
діелектричний втрата квазіморфний
1. Основні поняття і визначення
Діелектричними втратами називають електричну потужність, затрачену на нагрів діелектрика, що знаходиться в електричному полі.
Втрати енергії в діелектриках спостерігаються як при змінному, так і при постійній напрузі, оскільки в технічних матеріалах виявляється наскрізний струм витоку, обумовлений електропровідністю. При постійній напрузі, коли немає періодичної поляризації, якість матеріалу характеризується значеннями питомих об'ємного та поверхневого опорів, які визначають значення (рис. 1).
При впливі змінної напруги на діелектрик в ньому крім наскрізної електропровідності можуть проявлятися інші механізми перетворення електричної енергії в теплову. Тому якість матеріалу недостатньо характеризувати тільки опором ізоляції.
В інженерній практиці найчастіше для характеристики здатності діелектрика розсіювати енергію в електричному полі використовують кут діелектричних втрат, а також тангенс цього кута.
Кутом діелектричних втрат називають кут, що доповнює до кут зсуву фаз між струмом і напругою в ємнісний ланцюга.
У разі ідеального діелектрика вектор струму в такому колі випереджає вектор напруги на кут; при цьому кут дорівнює нулю. Чим більше розсіюється в діелектрику потужність, тим менше кут зсуву фаз і тим більше кут діелектричних втрат і значення функції.
Тангенс кута діелектричних втрат безпосередньо входить в формулу для розсіюється в діелектрику потужності, тому практично найбільш часто користуються цією характеристикою.
Розглянемо схему, еквівалентну конденсатору з діелектриком, що володіє втратами. Ця схема повинна бути обрана з таким розрахунком, щоб активна потужність, що виділяється в даній схемі, дорівнювала потужності, що розсіюється в діелектрику конденсатора, а струм був би зрушений щодо напруги на той же кут, що і в даному конденсаторі.
Поставлену задачу можна вирішити, замінивши конденсатор з втратами ідеальним конденсатором з паралельно включеним активним опором (паралельна схема) або конденсатором з послідовно включеним опором (послідовна схема). Такі еквівалентні схеми, звичайно, не дають пояснення механізму діелектричних втрат і введені тільки умовно.
Паралельна і послідовна еквівалентні схеми представлені на рис.1. Там же дані відповідні діаграми струмів і напруг. Обидві схеми еквівалентні один одному, якщо при рівності повних опорів рівні відповідно їх активні і реактивні складові. Ця умова буде дотримано, якщо кути зсуву струму щодо напруги рівні і значення активної потужності однакові.
Рис.1 Паралельна (а) і послідовна (б) еквівалентні схеми діелектрика з втратами і векторні діаграми для них
Для паралельної схеми з векторної діаграми
Для послідовної схеми:
Прирівнюючи вирази (2.2) і (2.4), а також (2.1) і (2.3), знайдемо співвідношення між і між:
Для доброякісних діелектриків можна знехтувати значенням в порівнянні
з одиницею у формулі (5) і вважати .Вираженія для потужності, що розсіюється в діелектрику, в цьому випадку будуть також однакові для обох схем:
Слід зазначити, що при змінній напрузі на відміну від постійного ємність діелектрика з великими втратами стає умовною величиною і залежить від вибору тієї чи іншої еквівалентної схеми. Звідси і діелектрична проникність матеріалу з великими втратами при змінній напрузі також умовна.
Для більшості діелектриків параметри еквівалентної схеми залежать від частоти. Тому, визначивши будь-яким методом значення ємності та еквівалентного опору для даного конденсатора при деякій частоті, не можна використовувати ці параметри для розрахунку кута втрат на інших частотах. Такий розрахунок справедливий тільки в окремих випадках, коли еквівалентна схема має певне фізичне обгрунтування. Так, якщо для даного діелектрика відомо, що втрати в ньому визначаються тільки втратами від наскрізної електропровідності в широкому діапазоні частот, то кут втрат конденсатора з таким діелектриком може бути обчислений для будь-якої частоти, що лежить в цьому діапазоні, за формулою (1). Втрати в такому конденсаторі визначаються виразом:
Якщо ж втрати в конденсаторі обумовлені головним чином опором підвідних і сполучних проводів, а також опором самих електродів (обкладок), наприклад, тонким шаром срібла в слюдяному або керамічному конденсаторі, розсіює потужність в ньому зросте з частотою пропорційно квадрату частоти:
З виразу (7) можна зробити досить важливий практичний висновок: конденсатори, призначені для роботи на високій частоті, повинні мати по можливості малий опір як електродів, так і сполучних проводів і перехідних контактів.
У більшості випадків механізм втрат в конденсаторі складний і його не можна звести лише до втрат від наскрізної електропровідності або до втрат в контакті. Тому параметри конденсатора необхідно визначати при тій частоті, при якій він буде використаний.
Діелектричні втрати, віднесені до одиниці об'єму діелектрика, називають питомими втратами. Їх можна розрахувати за формулою:
де - обсяг діелектрика між плоскими електродами,. - напруженість електричного поля,.
2. Види діелектричних втрат в електроізоляційних матеріалах
Діелектричні втрати по їх особливостям і фізичну природу можна поділити на чотири основних види:
1) діелектричні втрати, зумовлені поляризацією;
2) діелектричні втрати, зумовлені наскрізний електропровідністю;
3) іонізаційні діелектричні втрати;
4) діелектричні втрати, зумовлені неоднорідністю структури.
3. Діелектричні втрати в газах
Діелектричні втрати в газах при напряженностях поля, що лежать нижче значення, необхідного для розвитку ударної іонізації молекул газів, дуже малі. У цьому випадку газ можна розглядати як ідеальний діелектрик.
Джерелом діелектричних втрат газу може бути в основному тільки електропровідність, так як орієнтація дипольних молекул газів при їх поляризації не супроводжується діелектричними втратами. Як відомо, все гази відрізняються дуже малою провідністю, і в зв'язку з цим кут діелектричних втрат у них мізерно малий, особливо при високих частотах. Значення може бути обчислено за формулою:
Питомий об'ємний опір газів порядку. (При відсутності іонізації) менше.
При високій напрузі і найчастіше в неоднорідному полі, коли напруженість в окремих місцях перевищує деяке критичне значення, молекули газу іонізуються, внаслідок чого в газі виникають втрати на іонізацію.
Іонізаційні втрати є додатковим механізмом діелектричних втрат для твердого діелектрика, що містить газові включення. Іонізація газу в таких включених особливо інтенсивно відбувається при радіочастотах. На рис. 2 показано вплив газових включень на характер зміни зі збільшенням напруги. При зростанні напруги понад. росте. При. коли газ у включеннях вже іонізований, потрібна менша енергія на подальший розвиток процесу і зменшується.
Мал. 2 Зміна в залежності від напруги для твердої ізоляції з газовими включеннями
Криву часто називають кривою іонізації. При високих частотах іонізація і втрати в газах зростають настільки, що це явище може призвести до розігріву і руйнування виробів з газової ізоляцією, якщо напруга перевищує іонізаційний значення.
Виникнення іонізації газу, що заповнює пори в твердій ізоляції, нерідко також призводить до її руйнування. Іонізація повітря супроводжується утворенням озону і оксидів азоту, що в одних випадках викликає хімічне руйнування органічної ізоляції, що містить газові включення, в інших - ланцюгову реакцію окислення, ініційовану бомбардуванням матеріалу зарядженими частинками.
4. Діелектричні втрати в рідких діелектриках
Якщо неполярная рідина не містить домішок з дипольними молекулами, то втрати в них обумовлені тільки електропровідністю. Питома провідність нейтральних частих рідин дуже мала, тому малі і діелектричні втрати. Прикладом може служити ретельно очищене від домішок нафтове конденсаторне масло, якого дуже малий.
Полярні рідини в залежності від умов (температури, частоти) можуть володіти помітними втратами, пов'язаними з дипольно-релаксаційної поляризацією, крім втрат на електропровідність. Питома провідність таких рідин при кімнатній температурі становить.
Дипольно-релаксаційні втрати, які спостерігаються в вузьких рідинах при змінній напрузі, особливо при високих частотах, значно перевершують втрати на електропровідність.
Дипольно-релаксаційні втрати в маловязких рідинах при низьких частотах незначні і можуть бути менше втрат на електропровідність. При радіочастотах дипольно-релаксаційні втрати навіть в маловязкой рідини великі і перевершують втрати на електропровідність. Зважаючи на це полярні рідини не можуть бути використані при високій частоті.
5. Діелектричні втрати в твердих діелектриках
Діелектричні втрати в твердих діелектриках залежать від структури матеріалів. Різні тверді речовини мають різний склад і будова; в них можливі всі види діелектричних втрат.
Діелектричні втрати в речовинах з молекулярною структурою в залежності від виду молекул
Діелектрики, що мають молекулярну структуру з неполярними молекулами і не містять домішок, мають мізерно малими діелектричними втратами. До таких діелектриків відносяться сірка, церезин, неполярні полімери - поліетилен, політетрафторетилен, полістирол і ін. Зазначені речовини у зв'язку з їх малими втратами застосовують в якості високочастотних діелектриків.
Тверді діелектрики, що складаються з полярних молекул, являють собою головним чином органічні речовини, що широко використовуються в техніці: полярні полімери - епоксидні компаунди, кремнійорганічні і феноло-формальдегідні смоли, поліаміди (капрон), поліетилентерефталат (лавсан), гетинакс тощо. Всі вони завдяки властивою їм дипольно-релаксаційної поляризації мають великі втрати, особливо при радіочастотах.
Діелектричні втрати в речовинах з іонним структурою в залежності від особливостей упаковки іонів в решітці
У речовинах з кристалічною структурою і щільною упаковкою іонів за відсутності домішок, які деформують грати, діелектричні втрати дуже малі. При підвищених температурах в цих речовинах виявляються втрати на електропровідність. До речовин даного типу відносяться численні кристалічні неорганічні сполуки, що мають велике значення в сучасному виробництві електротехнічної кераміки, наприклад, корунд, що входить до складу ультрафарфору. Прикладом з'єднань такого роду є також кам'яна сіль, чисті кристали якої мають незначними втратами; найменші домішки, які спотворюють грати, різко збільшують діелектричні втрати.
До діелектриків, що мають кристалічну структуру з нещільної упаковкою іонів, відноситься ряд кристалічних речовин, що характеризуються релаксационной поляризацією, що викликає підвищені діелектричні втрати. Багато з них входять до складу керамічних мас, ізоляторного порцеляни, вогнетривкої кераміки і т. Д.
Діелектричні втрати в квазіаморфних речовинах з іонним структурою - неорганічних стеклах - відрізняються деякими особливостями. У стеклах за релаксацію відповідальні слабкозв'язаного іони, які вчиняють переходи з одного осередку просторової структурної решітки в іншу. Потенційні бар'єри, що обмежують рух слабосвязанних іонів, неоднакові внаслідок локальних неоднорідностей структури скла. Тому релаксаційні втрати в стеклах визначаються широким набором часів релаксації, що призводить до розширення і деякого згладжування максимумів у температурній і частотній залежності тангенса кута діелектричних втрат (рис. 3).
Мал. 3 Частотна і температурна залежності тангенса кута діелектричних втрат для неорганічного скла: 1 - втрати на електропровідність; 2 - релаксаційні втрати; 3 - сумарні втрати
Чим більший набір часу релаксації, тим менше значення релаксационного максимуму, так як зменшується число релаксатор кожного типу. Згладжені максимуми релаксаційних втрат можуть значною мірою маскуватися втратами на електропровідність і не проявлятися в явному вигляді.
При дуже високих частотах, що наближаються до частот власних коливань іонів, в стеклах можливі також резонансні втрати.
Розміщено на Allbest.ru