Вопрос 7

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.

Диэлектрические потери, обусловленные поляризацией, особенно отчетливо наблюдаются в веществах, обладающих релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектри­ках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.

Релаксационные диэлектрические потери обусловлены наруше­нием теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля.

В температурной зависимости тангенса угла релаксационных ди­электрических потерь наблюдается максимум при некоторой темпе­ратуре, характерной для данного вещества. При этой температуре время релаксации частиц диэлектрика примерно совпадает с периодом изменения приложенного переменного электрического поля. Если температура такова, что время релаксации частиц значительно боль­ше полупериода изменения приложенного переменного напряжения,то тепловое движение частиц будет менее интенсивным, и потери уменьшатся; если температура такова, что время релаксации частиц значительно меньше полупериода изменения напряжения, то ин­тенсивность теплового движения будет больше, связь между части­цами уменьшится, в результате чего потери также снизятся.

Диэлектрические потери, наблюдаемые в сегнетоэлектриках, свя­заны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому потери в сегнето­электриках значительны при температурах ниже точки Кюри, когда наблюдается спонтанная поляризация. При температурах выше точ­ки Кюри потери в сегнетоэлектриках уменьшаются. Электрическое старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым уменьшением потерь.

К диэлектрическим потерям, обусловленным поляризацией, сле­дует отнести также так называемые резонансные потери, проявля­ющиеся в диэлектриках при высоких частотах. Этот вид потерь с особой четкостью наблюдается в некоторых газах при строго оп­ределенной частоте и выражается в интенсивном поглощении энер­гии электрического поля.

Резонансные потери возможны и в твердых веществах, если частота вынужденных колебаний, вызываемых электрическим полем, сов­падает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tg б характерно также и для резонансного механизма потерь, однако в данном случае температура не влияет на положение максимума.

Диэлектрические потери, обусловленные сквозной электропро­водностью, обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную проводимость. Тангенс угла диэлектри­ческих потерь в этом случае можно вычислить по формуле

Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты поля; tg б уменьшается с частотой по гиперболическому закону.

Вопрос 9

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ГАЗАХ

Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, ниже тех, которые необходимы для развития ударной ионизации молекул газа, очень малы. В этом случае газ можно практически 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.

Все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и угол диэлектрических потерь в связи с этим будет ничтожно мал, осо­бенно при высоких частотах. Значение tg б может быть вычислено по формуле (3-15).

Удельное объемное сопротивление газов — около 1016Омм, гг ж 1 и tg б при / = 50 Гц (в отсутствие ионизации) менее 4-К)-8.

При высоких напряжениях и неоднородном поле, когда напря­женность в отдельных местах превзойдет некоторое критическое зна­чение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе возни­кают потери на ионизацию. Выше (см. стр. 45) уже было сказано, что увеличение tg б с ростом напряжения говорит о наличии газовых включений в твердой изоляции.

Газовые включения увеличивают tg б с увеличением напряже­ния (рис. 3-3). При напряжении ионизации 0И газ в порах ионизи­руется и tg б заметно возрастает. При напряжении свыше Vx начи­нается пробой газа (см. стр. 59). Зависимость tg б = / (V) часто называют кривой ионизации.

Ионизация газа, заполняющего закрытые поры в твердой изоля­ции, может привести к разогреву и разрушению изделий с газовымивключениями. Ионизация воздуха сопровож­дается образованием озона и оксидов азота, что вызывает химическое разложение орга­нической изоляции, содержащей газовые включения.

На линиях электропередачи высокого напряжения потери на ионизацию воздуха у поверхности проводов (явление короны) сни­жают КПД линии.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

В неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость неполярных чистых жидкостей, как было указано ранее, чрезвычайно мала, бла­годаря чему малы и диэлектрические потери.

Полярные жидкости в зависимости от условий (температура, ча­стота) могут обладать заметными потерями, связанными с дипольно-релаксационной поляризацией, помимо потерь, обусловленных элект­ропроводностью.

Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды) или являются полярными жидкостями (совол).

У жидких диэлектриков с полярными молекулами заметно про­является зависимость диэлектрических потерь от вязкости. Удельная проводимость таких жидкостей при комнатной температуре К)-10— 10~п См/м. Диэлектрические потери, наблюдаемое в полярных вязких жидкостях при переменном напряжении, значительно пре­восходят потерн, обусловленные электропроводностью. Такие по­тери называют дипольно-релаксационными потерями. Объяснение природы потерь в полярных вязких жидкостях можно дать, осно­вываясь на представлениях о механизме дипольно-релаксационной поляризации.

Дипольные молекулы, следуя за изменнением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электри­ческой энергии на трение с выделением теплоты. Если вязкость жидкости достаточно велика, молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает; диэлектрические потери при этом будут малы. Дипольные потери будут также малы, если вязкость жидкости мала и ориентация мо­лекул происходит без трения. При средней вязкости дипольные по­тери могут быть существенны и при некотором значении вязкости имеют максимум.

При повышении частоты максимум tg б смещается в область более высокой температуры: большая частота требует меньшего времени релаксации, необходимого для получения максимума угла потерь, а для уменьшения времени релаксации необходимо снижение вяз­кости, т. е. повышение температуры.

Наименьшие значения tg б на рис. 3-4 соответствуют температу­рам, при которых вязкость жидкости становится настолько малой, что ориентация диполей происходит практически без трения. По­тери в этом случае малы. Дальнейшее возрастание tg б с повышением температуры объясняется ростом электропроводности, определяющей механизм диэлектрических потерь при повышеннных температурах.

Рассеиваемая мощность Ра при дипольно-релаксационных потерях в жидком диэлектрике возрастает с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля (рис. 3-5). Когда же частота становится настолько велика, что дипольные мо­лекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tg б падает, то потери Ра становятся постоянными в соответ­ствии с формулой (3-8). Таким образом, зависимость диэлектрических потерь Ра от частоты не соответствует частотной зависимости tg б.

Дипольно-релаксациокные потери в маловязких жидкостях при низких частотах незначительны и могут быть меньше потерь сквоз­ной электропроводности. Ниже для сравнения приведены значения ег и tg б для неполярной и полярной жидкостей при частоте 50 Гц:

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках необходимо рассматривать в связи с их структурой. Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением; в них возможны все виды ди­электрических потерь.

Для удобства рассмотрения диэлектрических потерь в твердых веществах последние можно подразделить на четыре группы: ди­электрики молекулярной структуры, ионной структуры, сегнето-электрики и диэлектрики неоднородной структуры.

Диэлектрические потери в диэлектриках молекулярной струк­туры зависят от вида молекул.

Диэлектрики с неполярными молекулами, не имеющие приме­сей, обладают ничтожно малыми диэлектрическими потерями. К та­ким диэлектрикам относятся: церезин, неполярные полимеры — полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др. Указанные вещества в связи с их весьма малыми потерями применяются в ка­честве высокочастотных диэлектриков.

Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молеку­лами представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат материалы на основе целлюлозы (бумага, картон), полярные полимеры: полиметил-метакрилат (органическое стекло), полиамиды (капрон) и полиуре­таны, каучуковые материалы (эбонит), фенолформальдегидные смолы (бакелит), зфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза), и другие матери­алы. Эти вещества из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями, которые существенно зависят от температуры; при некоторых температурах обнаружива­ются максимум и минимум потерь; возрастание потерь после ми­нимума объясняется увеличением потерь от сквозной электропро­водности.

У бумажных диэлектриков даже в высушенном состоянии наблю­дается максимум tg б при низких температурах (рис. 3-6).

Диэлектрические потери твердых веществ ионной структуры связаны с особенностями упаковки ионов в решетке.

В веществах кристаллической структуры с плотной упаковкой ионов при отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектри­ческие потери весьма малы. При повышенных температурах в таких веществах появляются потери от сквозной электропроводности. К веществам этого типа относятся многочисленные кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в современ­ном производстве электротехнической керамики, например корунд (А12О3), входящий в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чистые кристаллы ко­торой обладают ничтожными потерями; малейшие примеси, искажа­ющие решетку, резко (на два-три порядка) увеличивают диэлектри­ческие потери.

К диэлектрикам кристаллической структуры с неплотной упа-козкой ионов относя1ся кристаллические вещества, характеризуемые релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные ди электрические потери. К этим веществам относятся: муллит, вхо­дящий в состав изоляторного фарфора, кордиерит — компонент ке­рамики с малым температурным коэффициентом расширение, (3-глинозем, получающийся при обжиге глиноземистых изделий, •у-глинозем, циркон, входящий в состав огнеупорной керамики, и др. (подробнее см. стр. 174).

Так как для большинства видов электрокерамики число ионов, участвующих в релаксационной поляризации, непрерывно возра­стает с температурой, то максимум tg б отсутствует и температур­ная зависимость tg 6 подобно температурной зависимости удельной проводимости в первом приближении имеет экспоненциальный ха­рактер (рис. 3-7).

Диэлектрические потери в аморфных веществах ионной струк­туры — неорганических стеклах — связаны с явлением поляриза­ции и электропроводности.

Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, сле­дует различать:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально частоте (tg б не зависит от частоты);

б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экс­поненциальной функции и мало зависящие от частоты (tg б умень­шается с возрастанием частоты).

Потери первого вида обусловливаются релаксационной поляриза­цией и сильно выражены во всех технических стеклах. Чисто квар­цевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества оксидов вы­зывает заметное возрастание диэлектрических потерь из-за наруше­ния структуры стекла.

Термическая обработка — отжиг или закалка — заметно влияет на угол диэлектрических потерь стекла в связи с изменением его

структуры.

Чем большую сквоз­ную электропровод­ность имеет стекло, тем при более низкой температуре наблюдается возрастание тангенса угла потерь,)

Тангенс угла диэлектрических- потерь для стекол разного со­става уменьшается с ростом удельного сопротивления (рис. 3-8).

Тангенс угла диэлектрических потерь алюмооксида очень мал и почти не зависит от температуры, напротив, tg б электротехниче­ского фарфора велик и резко зависит от температуры, (рис. 3-9).

Диэлектрические потери в неорганических стеклах определяются входящими в стекло оксидами. Наличие в стекле щелочных оксидов (Na2O, K2O) при отсутствии тяжелых оксидов (ВаО, РЬО) вызывает значительное повышение диэлектрических потерь стекла. Введение тяжелых оксидов уменьшает tg б щелочных стекол.

Диэлектрические потери в сенгетоэлектриках выше, чем у обыч­ных диэлектриков. Особенностью сегнетоэлектриков, как указывалось ранее, является наличие в них самопроизвольной поляризации, проявляющейся в определенном температурном интервале, вплоть до точки Кюри. Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках мало изменяются с температурой в области самопроизвольной поляри­зации и резко падают при температуре выше точки Кюри, когда само­произвольная поляризация исчезает.

На рис. 3-10 представлены температурные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости двух керамических сегнетоэлектриков, имеющих разный состав и соответ­ственно этому разные точки Кюри.

Диэлектрические потери в твердых веществах неоднородной струк­туры. К твердым веществам этого типа, используемым в качестве ди­электриков, принадлежат материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов, механически смешанных друг с другом. К неоднородным диэлектрикам относится прежде всего керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную много­фазную систему. В составе керамики различают кристаллическую фазу, стекловидную и газовую (газы в закрытых порах).

Диэлектрические потери в керамике определяются видом кри­сталлической и стекловидной фаз и количественного соотношения между ними. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлект­рических потерь при высоких напряженностях поля вследствие раз­вития ионизации (см. стр. 50).

Потери в керамике могут оказаться повышенными, если в про­цессе производства в керамическом изделии образуются полупро­водящие включения с электронной электропроводностью. Увеличе­ние потерь в керамике происходит также за счет адсорбированной влаги при наличии открытой пористости

Пропитанную бумагу следует также отнести к диэлектрикам неоднородной структуры. Такая бумага, кроме волокон целлюлозы, содержит пропитывающее вещество того или иного состава. Ди­электрические потери пропитанной бумаги определяются электри­ческими свойствами обоих компонентов, их количественным соот­ношением и остаточными воздушными включениями.

Зависимость tg б от температуры для бумаги, пропитанной мас-ляно-канифольным компаундом (рис. 3-12), имеет два максимума: первый (при низких температурах) характеризует дипольно-радика-льные потери самой бумаги (целлюлозы), второй (при более высокой температуре) обусловлен дипольно-релаксационными потерями про­питывающего компаунда.

В электроизоляционной технике применяется большое количество композиционных материалов. В одних случаях это определяется тре­бованиями механической прочности (волокнистая основа), в других — удешевлением стоимости и приданием необходимых свойств (напол­нители в пластмассах и резинах), в третьих — использованием ценных отходов (слюдяные материалы и т. д.).