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:

Источник

Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

Измерение диэлектрических потерь

Измерение диэлектрических потерь подразумевает достаточно сложную систему расчета, состоящую из нескольких действий.

Прежде всего рассчитывается мощность, которая рассеивается в диэлектрике при переменном напряжении. Она равна произведению воздействующего на него напряжения и тока, который проходит через диэлектрики (соответственно, U и la).

Если вы обратитесь к схеме по замещению диэлектрика, то увидите, что в ее состав входят конденсатор и активное сопротивление, которые соединены между собой последовательно.

По формуле мы можем рассчитать активный ток, проходящий через диэлектрик, он будет составлять произведение тангенса угла от вектора полного значения тока до его емкости lc (соотвественно δ). Δ еще носит название угол диэлектрических потерь (или просто потерь).

Исходя из этого, можно представить более развернутую формулу расчета мощности следующим образом.

Если при этом принять значение тока разным следующему выражению (буквой С обозначается значение емкости конденсатора, ω – угловая частота).

В конечном итоге, мы получаем гораздо более развернутую формулу для расчета мощности в диэлектрике.

Из этой формулы уже можно сделать некоторые выводы. Так, мы видим, что значение потерь энергии находится в прямой пропорции от тангенса угла диэлектрических потерь. В свою очередь, от значения этого угла зависит уровень качества нашего диэлектрика. Если резюмировать, то при уменьшении угла возрастает уровень диэлектрических свойств вещества. А значение этого угла позволяет выразить диэлектрические потери количественно и сравнить их между собой у разных диэлектриков.

Характеристика диэлектрических потерь в жидких диэлектриках

Здесь значение потерь напрямую связано с составом. Если жидкость нейтральна и не содержит примесей, то и значение потерь стремится к нулю в связи с низкой электропроводностью.

Для технических целей используются жидrости с полярностью или представляющие собой смесь нейтральной и дипольной (сюда относятся компаунды). У них значение потерь существенно выше.

Потери в полярных жидкостях обусловлены таким свойством, как вязкость и носят название дипольных, так как их определяет дипольная поляризация. При этом при маленькой вязкости потери малы, с ее возрастанием – потери возрастают.

Кроме того, в жидкостях присутствует сложная зависимость диэлектрических потерь от температурного режима. При возрастании температуры тангенс δ возрастает до максимального значения, после чего снова падает до минимального и вновь возрастает, что связано с изменением электропроводности под действием температуры.

← Предыдущая страница
Следующая страница →

Диэлектрические потери – это …

Диэлектрические потери – это часть энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике.

Диэлектрические потери – это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Просматривая технические параметры любой марки трансформаторных масел, Вы увидите строчку, в которой будет написано «тангенс угла диэлектрических потерь». Что же это за показатель и так ли он важен? Давайте попробуем разобраться.

Для начала дадим определение диэлектрических потерь. Диэлектрические потери – это энергия, которая рассеивается в материале при воздействии на него электромагнитного поля.

Для того, чтобы численно охарактеризовать способность диэлектрика к такому рассеиванию, и был введен тангенс угла диэлектрических потерь. Обычно его определяют опытным путем.

Предполагается, что диэлектрик является диэлектриком конденсатора, и у него измеряется емкость и угол, дополняющий до 90º угол сдвига фаз между током и напряжением исследуемой цепи. Тангенс такого угла и является тангенсом угла диэлектрических потерь.

Если предположить, что изоляционная система изготовлена из идеального диэлектрика, то в этом случае потери при подаче на нее переменного напряжения будут отсутствовать. Но на практике идеальных материалов не существует, и потери энергии будут иметь место всегда. Вопрос только в их количестве.

Во многих случаях удобно расчет тангенса угла диэлектрических потерь проводить путем вычисления отношения активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности.

Активная мощность, потребляемая изоляционной средой, обычно ничтожно мала в сравнении с реактивной. Поэтому при делении получают значения, не превышающие сотые доли.

Для удобства последующих расчетов было принято исчислять тангенс угла диэлектрических потерь в процентах.

Почему повышается тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторных масел?

Если допустить, что в трансформаторе эксплуатируется масло хорошего начального качества, то можно утверждать, что возрастание диэлектрических потерь обусловлено проникновением в диэлектрик посторонних примесей. Чаще всего это плохо запеченные лаки трансформатора. На тангенс угла диэлектрических потерь оказывают влияние старые шламы, мыла, кислые шламоподобные продукты, не содержащие металла (кислоты, смолы, асфальтены, карбены и т.п.).

Международная электротехническая комиссия рекомендует использовать свежие масла, у которых тангенс угла диэлектрических потерь не превышает 0,5% при температуре 90ºС.

Как снизить тангенс угла диэлектрических потерь?

Тангенс угла диэлектрических потерь является одним из критических параметров. Это связано с тем, что его выход за пределы нормируемых значений требует или замены, или восстановления (регенерации) трансформаторного масла.

С точки зрения финансовых затрат второй вариант видится более перспективным, поскольку позволяет повторно использовать нефтепродукт по прямому назначению.

Объем масла, необходимого для восполнения небольших потерь, имеющих место при регенерации, несопоставим с объемом, который понадобится для полной замены отработанного сырья.

Компания GlobeCore предлагает универсальное оборудование, предназначенное для очистки, дегазации и регенерации трансформаторных масел. Речь идет об установках типа СММ-Р.

К несомненным преимуществам установок СММ-Р принадлежит возможность многократного восстановления свойств сорбента непосредственно во время обработки масла и работа с трансформаторами, пребывающими под напряжением.

Технологии GlobeCore – это не только существенная экономия денежных и нефтяных ресурсов, но еще и вклад в сокращение количества вредных выбросов! Чем меньше отработанных масел на нашей планете будет несанкционированно сбрасываться в почву и водоемы, тем чище она будет.

Помните, что диэлектрические потери – это не приговор и при грамотном подходе можно контролировать изменение данного параметра.

Число потерь в газообразных веществах

Так как у газообразных веществ значение электропроводности очень маленькое, то и число потерь диэлектрических в них мало.

Когда происходит поляризация газообразных молекул, диэлектрических потерь при этом не происходит. В данном случае используется зависимость под названием кривая ионизации. Эта зависимость показывает, что если тангенс δ возрастает вместе с возрастанием напряжения, то это является доказательством того, что в таком случае в изоляции есть включения газа. Если ионизация значительна, то и потери газа тоже, а это может привести к тому, что изоляция разогреется и разрушится.

Поэтому очень важным при изготовлении изоляции является избавление от вкраплений газа. Для того чтобы этого достичь, применяют специальную обработку. Она включает сушку изоляции в состоянии вакуума, после чего все поры заполняет компаунд, находящийся под давлением. Следующим этапом является обкатка.
При ионизации возникает озон и окислы азота, что ведет к разрушению органической изоляции. Если эффект ионизации появляется там, где поля неравномерны, то он ведет к существенному снижению коэффициента полезного действия при передаче (это бывает на линии электропередач).

Диэлектрическая потеря • ru.knowledgr.com

Диэлектрическая потеря определяет количество врожденного разложения диэлектрического материала электромагнитной энергии в, например, высокая температура.

Это может параметризоваться или с точки зрения углового δ потерь или с точки зрения соответствующего загара тангенса потерьδ.

Оба обращаются к phasor в комплексной плоскости, реальные и воображаемые части которой – компонент (с потерями) имеющий сопротивление электромагнитного поля и его реактивного коллеги (без потерь).

Перспектива электромагнитного поля

В течение времени, изменяя электромагнитные поля, электромагнитная энергия, как правило, рассматривается как волны, размножающиеся или через свободное пространство, в линии передачи, в линии микрополосы, или через волновод.

Диэлектрики часто используются во всей этой окружающей среде, чтобы механически поддержать электрических проводников и держать их в фиксированном разделении, или обеспечить барьер между различными давлениями газа и все же передают электромагнитную власть.

Уравнения Максвелла решены для компонентов электрического и магнитного поля размножающихся волн, которые удовлетворяют граничные условия геометрии определенной окружающей среды.

Если мы предполагаем, что у нас есть волновая функция, таким образом что

тогда уравнение завитка Максвелла для магнитного поля может быть написано как

где ″ воображаемый компонент диэлектрической постоянной, приписанной связанному заряду и дипольным явлениям релаксации, который дает начало энергетической потере, которая неотличима от потери из-за свободной проводимости обвинения, которая определена количественно σ.

Компонент ′ представляет знакомую диэлектрическую постоянную без потерь, данную продуктом диэлектрической постоянной свободного пространства и относительной реальной диэлектрической постоянной, или ′ = ε ′.

Тангенс потерь тогда определен как отношение (или угол в комплексной плоскости) реакции с потерями на электрическое поле E в уравнении завитка к реакции без потерь:

Для диэлектриков с маленькой потерей этот угол – ≪ 1 и загар δ ≈ δ. После некоторой дальнейшей математики, чтобы получить решение для областей электромагнитной волны, оказывается, что власть распадается с расстоянием распространения z как

:ω угловая частота волны и

:λ длина волны в диэлектрике.

есть другие вклады в потери мощности для электромагнитных волн, которые не включены в это выражение, такой как из-за стенного тока проводников линии передачи или волновода. Кроме того, подобный анализ мог быть применен к проходимости где

с последующим определением магнитного тангенса потерь

Электрический тангенс потерь может быть так же определен:

на введение эффективной диэлектрической проводимости (см. родственника permittivity#Lossy среда).

Дискретная перспектива схемы

Для дискретных компонентов электрической схемы конденсатор, как правило, делается из диэлектрика, помещенного между проводниками.

Смешанная модель элемента конденсатора включает идеальный конденсатор без потерь последовательно с резистором, который называют эквивалентным серийным сопротивлением (ESR), как показано в числе ниже. ESR представляет потери в конденсаторе.

ESR – полученное количество, представляющее потерю и из-за электронов проводимости диэлектрика и из-за связанных дипольных упомянутых выше явлений релаксации. В диэлектрике, только одном из электронов проводимости или дипольной релаксации, как правило, доминирует над потерей. Для случая электронов проводимости, являющихся доминирующей потерей, тогда

где емкость без потерь.

Представляя параметры электрической схемы как векторы в комплексной плоскости, известной как phasors, тангенс конденсатора потерь равен тангенсу угла между вектором импеданса конденсатора и отрицательной реактивной осью, как показано в диаграмме вправо. Тангенс потерь тогда

Начиная с тех же самых электрических токов AC и через ESR и через X, тангенс потерь – также отношение потерь мощности имеющих сопротивление в ESR к реактивной мощности, колеблющейся в конденсаторе. Поэтому тангенс конденсатора потерь иногда заявляется как его фактор разложения или аналог его фактора качества Q, следующим образом

Источник

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 U_и 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.

Источник