Потери энергии в диэлектриках Диэлектрические потери
 Скачать 4.5 Mb.
|
|
Потери энергии в диэлектриках Диэлектрические потери - та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла. Эти потери связываются, прежде всего, с протеканием через диэлектрик вполне определенных токов довольно значительных по величине. Развитие релаксационных процессов поляризации в диэлектрике, помещенном в электрическое поле, обуславливает два различных по своей природе токов в нем. Один из них связан с перемещением свободных электрических зарядов в объеме диэлектрика и практически не зависит от времени приложения напряжения. Другой ток, величина которого определяется скоростью установления поляризационных процессов, связан с перемещением связанных электрических зарядов и характеризуется сильной зависимостью от времени воздействия и частоты приложенного напряжения. В результате диэлектрик, находящийся в электрическом поле, можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, состоящей из активного сопротивления R и C, включенных параллельно или последовательно. Такое представление диэлектрика в виде электрической цепи позволяет рассчитать величину энергии поля, теряемой в диэлектрике. В диэлектрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т. е. диэлектриком без потерь, вектор тока Ic опережает вектор напряжения U на 90o. Поэтому φ = 90o, a P = I*U cos φ = 0, m.k. cos 90o =0. В реальных диэлектриках угол между током I, протекающим через емкость, и напряжением U меньше 90o за счет потерь, которые вызывают протекание активного тока Ia, совпадающего по фазе с напряжением. Векторные диаграммы и схемы замещения для идеального диэлектрика и диэлектрика с потерями показаны на рис. В виду особой важности угол δ , дополняющий угол сдвига фаз φ до 90о, получил название угла диэлектрических потерь, а тангенс угла диэлектрических потерь на практике используют как характеристику изоляционных материалов, определяющую потери энергии электрического поля в них. У материалов, применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, tgδ лежит в пределах 10-3 - 10-4; для низкочастотных диэлектрических материалов - полярных диэлектриков значения tgб обычно 10-1 - 10-2, для слабополярных - до 10-3. Для хорошо осушенных газов, не содержащих влаги, значения могут достигать 10-5 - 10-8. Иногда качеств о конденсатора характеризуют электрической добротностью Q – величиной, обратной : Q = 1/tgδ Для упрощения расчетов часто пользуются комплексными величинами. Комплексная диэлектрическая проницаемость записывается в виде .ε* = ε' - j ε", , где ε’ - действительная часть ' имеет физический смысл диэлектрической проницаемости , а ε" характеризует потери .ε" = ε' tgδ и называется коэффициентом диэлектрических потерь. Расчет полных и удельных диэлектрических потерь на переменном напряжении Виды диэлектрических потерь Можно выделить следующие основные виды диэлектрических потерь. ПОТЕРИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ - характерны для всех без исключения диэлектри-ков. Наблюдаются при постоянном и переменном напряжении. В однородных неполяр-ных диэлектриках являются единственным видом потерь. РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - обусловливаются поляризацией диэлектриков. Вызываются активными составляющими абсорбционных токов замедленных видов поляризации. ПОТЕРИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ - вызывается проводящими и газовыми включениями, слоистостью и т.п. Эти потери являются дополнительными релаксационными потерями. Наиболее часто они проявляются в виде потерь, обуслов-ленных миграционной поляризацией, характерной в основном для композиционных и слоистых диэлектриков. ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ, возникают в диэлектриках, содержащих поры или газовые включения, за счет процессов ударной ионизации, протекающих в этих порах. РЕЗОНАНСНЫЕ ПОТЕРИ, характерны для частот, совпадающих с собственными частотами колебаний электронов и ионов. Потери на электропроводность Протекание сквозного тока через диэлектрик как в постоянном, так и в переменном электрическом поле приводит к диэлектрическим потерям на электропроводность. Потери сквозной электропроводности будут единственным видом потерь в однородном неполярном диэлектрике, для которого можно использовать простейшую параллельную схему замещения Для такой схемы замещения по определению tgδ = Ia/Ic = U/R .1/UwC = 1/RwC, т.е. tgδ будет обратно пропорционален частоте f. Потери на электропроводность будут наблюдаться также и в полярных диэлектриках. Так как tgδ диэлектриков пропорционален активной проводимости tgδ= γa/ γc, то ясно, что tgδ будет следовать за изменением γa, которая увеличивается экспоненциально с увеличением температуры. Поэтому для неширокого диапазона температур можно написать tgδ = tgδо еat, где а и tgδо - постоянные, характерные для данного диэлектрика. Это соотношение и описывает выше приведенные закономерно-сти изменения от температуры и частоты приложенного электрического поля. Значения tgδ неполярных полимеров (полиэтилена, политетрафтор-этилена) ничтожно малы и лежат в диапазоне (2-5) 10-4 На высоких частотах tgδ, обусловленный сквозным током, менее 10-4 Следует иметь в виду, что tgδ конденсатора с неполярным диэлектриком с ростом частоты уменьшается не беспредельно, а начиная с некоторой частоты начинает линейно возрастать в соответствии с выражением, полученным из последовательной схемы замещения tgδм= rωCs, Рост составляющей tgδм обусловлен увеличением с ростом частоты потерь в метал-лических (проводящих) частях. Следовательно, на общей зависимости tgδ конденса-тора с диэлектриком от частоты при некотором значении частоты должен иметь место минимум. В случае конденсатора с полярным диэлектриком, начиная с некото-рой частоты, потери в обкладках также будут возрастать линейно . Зависимость от частоты в широком интервале частот имеет вид: Релаксационные потери Основные причины, вызывающие протекание через диэлектрик абсорбционных токов, приводящих к релаксационным потерям, перечисленные в разделе проводимость диэлектриков.ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в неполярных, например, при наличии пористой или слоистой структуры, когда становится возможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др. Появление абсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля обусловлено ориентацией полярных молекул.
В вязких жидкостях полярные молекулы - диполи, ориентируясь во внешнем поле, преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего часть электрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектриках релаксацион-ные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами. Эти виды поляризации относятся к медленных видам и их степень установления существенно зависит от времени приложения напряжения и приводят к потерям энергии эл.поля. Разделяя мнимые и действительные части комплексной диэлектрической проницаемости, находим, что: Анализ зависимостей, представленных соотношением (6), показывает что величина ε’ при низких частотах практически не зависит от частоты, так как членом ω 2τ2 можно пренебречь и ε’ = ε. В области высоких частот, когда ω 2τ2 >> 1 дробь стремится к 1 и зависимость ε’ от ω принимает вид, показанный на рис. 4а. По тем же самым причинам величина ε“ в области низких частот будет линейно возрастать с частотой ε“, а в области высоких частот стремительно падать, т.к. ε“=1/ωτ. В результате на зависимости ε“= f(ωτ) будет наблюдаться максимум. Зависимость tg от частоты для релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясность для вязких полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительно свободно вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения. Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то для чисто дипольного механизма потерь при частоте ωд (рис) будет наблюдаться максимум (кривая 1). Условие максимума можно получить, если продифференцировать выражение для . ε“ по ωτ . Откуда или ωτ = 1 где τ - время релаксации Увеличение tgδ происходит до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул τ<< 1/2f. Однако при достижении таких частот, при которых диполям не хватает времени для полной ориентации 1/2f <<τ, tgδ начинает уменьшаться. Если в диэлектрике заметны потери сквозной проводимости, то они, в соответствии с выражением tgδ =1/RωC , уменьшаются с ростом частоты (кривая 2). В этом случае суммарная зависимость имеет вид кривой 3. На этом рисунке представлена зависимость tgδ от частоты для полярного диэлектрика, на котором 1 – потери за счет дипольно-релаксационной поляризации; 2 – потери за счет сквозной проводимости, 3 – суммарные потери. Т.к. с ростом температуры время релаксации τ уменьшается согласно соотношения, τ = τ0 *exp(U/kT) то с увеличением температуры максимум на зависимости tgδ=f(ω) , будет сдвигаться в область повышенных частот, что подтверждается экспериментально. В результате можно записать систему уравнений с двумя неизвестными U – энергия активации в эВ Зависимость tgδ полярных диэлектриков от температуры Если пренебречь потерями сквозной проводимости, так же как и в зависимости tgδ от частоты в температурной зависимости tgδ будет наблюдаться максимум, как показано это на рисунке. Увеличение tgδ полярной жидкости в области пониженных температур, связано с уменьшением вязкости ее, что позволяет полярной молекуле поворачиваться на все больший угол, что, в конечном итоге и приводит к возрастанию потерь энергии. В области повышенных температур, когда интенсивность теплового движения молекул велика, степень ориентирования полярных молекул по полю уменьшается, что и при-водит к снижению потерь энергии электрического поля. С увеличением температуры максимум tgδ смещает-ся в область более высоких частот. Приведены кривые температурной зависимости tgδ полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты. С увеличением номера кривой содержание ионогенной примеси возрастает. При большом содержании примеси дипольно-релаксационный максимум tgδ (кривая 3) может быть полностью замаскирована потерями, обусловленными током электропроводностью (кривая 3'). Таким образом, с увеличением концентрации ионогенной примеси tgδ возрастает, так как увеличивается удельная электропроводность (кривые l'—З'). Максимум же tgδ, вызванный дипольно-релаксационной поляризацией, не изменяется, поскольку зависит только от природы диэлектрика. Зависимость tgδ от напряжения Зависимость tgδ от напряжения имеет нелинейный характер в диэлектриках с пористой структурой, в волокнистой или прессованной изоляции, пористой керамике и пластмассах и т.д. Зависимость tgδ от напряжения (напряженности поля) в этом случае носит название кривой ионизации Процесс ионизации пор начинается в точке А и завершается в точке В, после чего кривая tgδ несколько снижается из-за того, что активная составляющая тока, обусловленная ионизацией не будет возрастать, а реактивный ток I = ωC*U, пропорциональный напряжению, растет. Потери энергии стабилизируются, т.е. P = U2ωC*tgδ=const. Поэтому, если напряжение растет, tgδ должен уменьшаться. В процессе ионизации пор часть кислорода, содержащегося в них, переходит в озон О3, ускоряющий разрушение органической изоляции. Одновременно образуются и окислы азота NО и NO2, которые при соединении с водой образуют азотосодержащие кислоты, например, NO2 + H2O = H2NO3 - сильная кислота В неорганической изоляции в большинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разряды в керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрика конденсатора, приведут к нестабильности tgδ конденсатора (эффект "мерцания”). Диэлектрические потери в неоднородных диэлектриках Неоднородный диэлектрик с проводящими включениями в переменном электрическом поле может рассматриваться как диэлектрик, содержащий диполи. После оседания на границах раздела носителей заряда их можно рассматривать как диполь, направление момента которого изменяется вместе с изменением направле- ния внешнего электрического поля. При низких частотах поверхностный заряд успевает полностью сформироваться и диэлектрические потери оказываются малыми, так как поляризация находится в фазе с электрическим полем. При высоких частотах диэлектрические потери также малы, так как поверхностная поляризация не успе- вает устанавливаться за полупериод. В области промежуточных частот диэлектри-ческие потери велики, так как время полупериода будет сопоставимо с временем релаксации поверхностной поляризации. Следовательно, этот вид поляризации обусловливает потери релаксационного типа. В литературе такого типа потери иногда называют потерями Максвелла-Вагнера. В простейшем случае такие потери рас-читываются, используя модель двухслойного конденсатора Максвелла. Потери Максвелла-Вагнера особенно интенсивно проявляются в керамических материалах гетерогенного типа с зернистой структурой. Существование неоднородностей возможно и в высококачественных изоляционных керамических материалах. Так как время установления межповерхностной (миграционной) поляризации достаточно велико, то исследовать диэлектрические потери, обусловленные этой поляризацией, можно на инфранизких частотах (10-2 - 10 Гц), либо при высоких температурах. Измерение tgδ на инфранизких частотах представляет собой довольно сложную проблему, связанную с аппаратурным оформлением метода измерения, с помощью которого необходимо контролировать электрический сигнал, очень медленно изменяющийся во времени. Наиболее удачным подходом в этом случае является измерение зависимости тока поляризации от времени. Действительно, если |