6. Потери энергии в диэлектриках.

Когда в диэлектрике происходят процессы поляризации, через него протекает электрический ток, вызванный этими про­цессами, поскольку при поляризации перемещаются электриче­ские заряды. Ток, сопутствующий электронной поляризация, протекает в очень малые промежутки времени и может считаться мгновенным. Он получил название тока смещения (/_см). Другие же виды поляризации (дипольная, объемно-зарядная) осу­ществляются в большие промежутки времени. Электрический ток, вызванный этими видами поляризации, называется током абсорбции (/_абс). Кроме этих двух токов, через каждый диэлект­рик проходит еще ток проводимости (/_пр). Таким образом, в диэлектрике под действием приложенного напряжения протекает общий ток, состоящий из трех отдельных токов:

I = /_см + /_абс + /_пр .

Изменение этого тока в зависимости от времени его протека­ния (т) в диэлектрике (с момента приложения постоянного на­пряжения) показано на рис. 1.

В первый момент приложения напряжения величина тока значительно больше, чем спустя некоторое время, когда в ди­электрике остается лишь ток проводимости (/пр). Это объяс­няется тем, что ток смещения и ток абсорбции быстро прекра­щаются, так как они были вызваны быстро заканчивающимися поляризациями. Так обстоит дело при постоянном напряжении. Если же диэлектрик включить под переменное напряжение, то все эти три тока будут протекать через диэлектрик в течение всего времени, пока он будет находиться под переменным на­пряжением. Все три тока в диэлектрике можно наглядно изо­бразить в виде векторной диаграммы, показанной на рис. 17.6. Здесь напряжение U отложено в виде горизонтально располо­женного вектора, ток смещения /см (как опережающий напря­жение на полпериода, 90°) изображается вектором, перпендикулярным к вектору напряжения U. Поскольку ток абсорбции не является мгновенным, он изображается вектором /_aдс , который тоже опережает вектор напряжения U, но меньше чем на полпериода. Ток же проводимости /_прсовпадает по времени (по фа­зе) с напряжением U. Пользуясь правилом геометрического сло­жения векторов, сложим три тока, перенося векторы Iабс и Iпр параллельно самим себе. В результате сложения получим общий ток в диэлектрике в виде вектора /_об (рис. 60). Угол между векторами общего тока /_об и напряжения U обозначают греческой буквой φ (фи) и .называют углом сдвига фаз. Угол, дополняющий φ до 90°, т. е. угол между общим током /_об и током смещения /_см, обозначают греческой буквой б (дельта) и называют углом диэлектрических потерь.

Рисунок 1. Рисунок 2.

Рис. 1. Изменение I в диэлектрике от времени приложенпостоянного U.

 Рис. 2. Векторная диаграмма I в диэлектрике под переменным U.

Из векторной диаграммы I (рис. 2) находим, что:

I_a/ I_p = tgδ

Из этого соотношения следует, что величина активного Ia в диэлектрике:

I_a=I_ptgδ.

Формула для подсчёта активной мощности Pa имеет вид:

 

Р_а = U²ωC tgδ, вт ,(1)

где ω – круговая частота = 2πf; f – частота переменного тока.

Из этой формулы следует, что при заданной величине U , его частоте и емкости потери энергии в изоляции yдут зависеть от значения tgδ.

Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, которая превращается в диэлектрике в тепло и нагревает его. При частотах свыше 20 кГц величина потерь становится одним из самых важных параметров диэлектрика.

Для определения потерь диэлектрика, его удобно рассматривать как конденсатор в цепи переменного тока. У идеального конденсатора угол сдвига фаз между током и напряжением равен 90°, поэтому Pa=0 Диэлектрик не является идеальным конденсатором, и угол сдвига фаз у него меньше 90° на угол δ. Этот угол называется углом диэлектрических потерь. 

Тангенс угла δ и диэлектрическая постоянная ε характеризуют удельные потери (на единицу объема диэлектрика):

Р= kE²f ε tg δ , Вт/м³

Где k - коэффициент; Е - напряженность электрического поля, В/м; f - частота поля, Гц.

Произведение ε tg δ называют коэффициентом диэлектрических потерь.

По величине tg δдиэлектрики подразделяют на низкочастотные (tg δ = 0,1-0,001) и высокочастотные (tg δ < 0,001).

К основным источникам потерь диэлектрика относятся его поляризация и электропроводимость, ионизация газов в имеющихся порах и неоднородность структуры из-за примесей и включений.

Величина tgδ называется тангенсом угла диэлектрических потерь, т.к. она определяет величину активной мощности, теряемой в диэлектрике, работающем под переменным напряжением. Эта величина является электрической характеристикой каждого диэлектрика. Для современных электроизоляционных материалов tgδ находится в пределах от 0,0001 до 0,05. Чем меньше значение tgδ, тем лучше диэлектрик, т.к. в нём будут меньшие потери энергии. Последние же могут вызывать нагрев диэлектрика и преждевременное его разрушение.

Величина tgδ, как и величина диэлектрической проницаемости ε зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения. На рис. 3 показан общий вид зависимости tgδ от температуры для полярного и нейтраль­ного диэлектриков. С увеличением t облегчается поворот полярных молекул (диполей) в результате снижения вязкости диэлектрика, т.е. ослабления сил взаимодействия между полярными молекулами. На этот поворот всё увеличивающегося числа полярных молекул расходуется энергия, и величина tgδ возрастает. Достигнув наибольшей величины (точка а на кривой), tgδ начинает уменьшаться, потому что дальнейшее повышение температуры усиливает хаотическое тепловое движение полярных молекул и тем самым затрудняет их поворот в электрическом поле. Поэтому величина tgδ падает до наименьшей вели­чины (точка b),Затем вновь происходит увеличение tgδ, но это вызвано увеличением тока проводимости (/_пр) в диэлектрике.

Потери энергии в диэлектрике в этой области температур происходят вследствие увеличения тока проводимости. В нейтральных диэлектриках с ростом температуры tgδ всё время возрастает в связи с увеличением тока проводимости в нагревающемся диэлектрике.

Рисунок 3. Рисунок4.

Рис.3. Зависимость тангенса угла диэлелектрических потерь от температуры: 1 – нейтральный диэлектрик, 2 – полярный диэлектрик.

Рис.4. Зависимость тан­генса угла диэлектрических потерь от частоты прило­женного напряжения : 1 – нейтральный диэлектрик,

2 – полярный диэлектрик

Зависимость tgδ от частоты приложенного переменного напряжения для полярного и нейтрального диэлектриков пред­ставлена графиками на рис, 3. Здесь с увеличением частоты нарастают потери энергии в диэлектрике в результате того, что диполи чаще вынуждены ориентироваться и на это будет затра­чиваться все большая энергия. Но это происходит лишь до опре­деленной частоты f_макс , соответствующей наибольшей величине tgδ, после которой диполи уже не успевают следовать за переменным U и потери энергии в диэлектрике уменьшаются. Уменьшение tgδ у нейтрального диэлектрика с ростом частоты объясняется уменьшением тока проводимости в диэлектрике, т.к. ионы не успевают за изменением направления электрического поля. Поэтому величина тока проводи­мости в диэлектрике с ростом частоты все время уменьшается, а вследствие этого уменьшается и мощность, затрачиваемая в диэлектрике. Это характеризуется уменьшением tgδ.

 

 Пробой диэлектриков

 

Диэлектрики применяют в качестве электроизоляционных материалов в электрических установках, машинах и аппаратах, где они подвергаются действию высокого напряжения и могут быть разрушены силами электрического поля. Электрическая прочность характеризуется сопротивлением пробою. Это явление на­зывается пробоем диэлектрика. В результате пробоя происходит соединение друг с другом проводников, находящихся под напряжением.

Пробой - это необратимое разрушение твердого диэлектрика под действием поля и потеря изолирующих свойств.

Электрической прочностью называется отношение пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя.

 Различают три вида пробоя:

а) электрический;

б) тепловой ;

в) электрохимический.

Электрический пробой возникает вследствие ударной ионизации нарастающей лавиной электронов. Пробой наступает почти мгновенно (за 10^-7 – 10^-8 с) под действием поля большой напряженности (свыше 1000 МВ/м) независимо от нагрева диэлектрика. Обычно диэлектрик пробивается при включении напряжения или при его резком скачке.

Тепловой пробой наступает при комбинированном воздействии поля и нагрева, причем пробивная напряженность из-за повышения температуры диэлектрика снижается. Чем лучше отвод теплоты в окружающую среду, тем ниже температура диэлектрика и выше пробивная напряженность. Тепловой пробой ускоряется при повышении частоты (так как при этом возрастают потери) и замедлении теплоотвода.

Электрохимический пробой наступает при длительном действии поля, сопровождающемся необратимыми изменениями в структуре диэлектрика и понижением его электрической прочности.

Свойство диэлектрика выдерживать высокое напряжение количественно выражают напряженностью электрического поля (Е_пр), которая определяется величиной напряжения, когда про­исходит пробой (пробивное напряжение - U_пр ), отнесённой к единице толщины (h) диэлектрика:

Для однородного диэлектрика:

Е_пр = U_пр/h кв/мм. (17)

E_пр - напряженность электрического поля при которой наступает пробой, В/м;

Электрическая прочность - важный параметр конденсаторных диэлектриков, т.к. h выбирается малой.

Различают:

• Тепловой пробой.

При Е_пр подводимое тепло больше отводимого, T^o диэлектрика резко растет, диэлектрик разрушается.

• Электрический пробой.

В результате действия поля электроны разгоняются, выбиваются новые электроны, происходит лавинное размножение носителей и пробой диэлектрика

Ионизационный пробой твердых диэлектриков происходит при ионизации жидкости и газа, которые находятся во внутренних порах диэлектрика.

Перекрытие твердых диэлектриков характеризуется пробоем их по поверхности.

Величина напряжённости электрического поля (Епр), при которой произошел пробой диэлектрика, называется его элект­рической прочностью.