Vad är dielektrisk förlust och vad som orsakar det
Dielektriska förluster är den energi som försvinner per tidsenhet i ett dielektrikum när ett elektriskt fält appliceras på det och får dielektrikumet att värmas upp. Vid konstant spänning bestäms energiförlusterna endast av styrkan hos genomströmmen på grund av volym och ytledning. Vid växelspänning läggs dessa förluster till förlusterna på grund av olika typer av polarisationer, såväl som närvaron av halvledarföroreningar, järnoxider, kol, gasinneslutningar, etc.
Med tanke på det enklaste dielektrikumet kan vi skriva uttrycket för den effekt som försvinner i den under påverkan av en växelspänning:
Pa = U·I,
där U är spänningen som appliceras på dielektrikumet, är Aza den aktiva komponenten av strömmen som flyter genom dielektrikumet.
Den dielektriska ekvivalenta kretsen presenteras vanligtvis i form av en kondensator och en aktiv resistans kopplade i serie. Från vektordiagrammet (se fig. 1):
Aza = Integrerad krets·tgδ,
där δ — vinkeln mellan vektorn för den totala strömmen I och dess kapacitiva komponent Integrerad krets.
Därför
Pa = U·Integrerad krets·tgδ,
men strömmen
Integrerad krets = UΩ C,
där är kapacitansen för en kondensator (given dielektrikum) vid vinkelfrekvensen ω.
Som ett resultat är effekten som försvinner i dielektrikumet
Pa = U2Ω C·tgδ,
dvs. energiförlusterna som försvinner i dielektrikumet är proportionella mot tangenten för vinkeln δ som kallas dielektrisk förlustvinkel eller helt enkelt förlustvinkeln. Denna vinkel δk kännetecknar kvaliteten på dielektrikumet. Ju mindre vinkeln di elektriska förluster δ är, desto högre dielektriska egenskaper hos isoleringsmaterialet.
Ris. 1. Vektordiagram över strömmar i ett dielektrikum under växelspänning.
Introduktion av begreppet vinkel δ Det är bekvämt för praktiken, eftersom istället för det absoluta värdet av dielektriska förluster, beaktas ett relativt värde, vilket gör det möjligt att jämföra isoleringsprodukter med dielektrikum av olika kvalitet.
Dielektriska förluster i gaser
Dielektriska förluster i gaser är små. Gaser har mycket låg elektrisk ledningsförmåga... Orienteringen av dipolgasmolekyler under deras polarisering åtföljs inte av dielektriska förluster. Addition tgδ=e(U) kallas joniseringskurvan (fig. 2).
Ris. 2. Förändring av tgδ som funktion av spänning för isolering med luftinneslutningar
En stigande tgδ med ökande spänning kan bedöma närvaron av gasinneslutningar i den fasta isoleringen. Med betydande jonisering och förluster i gasen kan uppvärmning och nedbrytning av isoleringen inträffa.Därför utsätts isoleringen av lindningarna på högspänningsmaskiner för att ta bort gasinneslutningar under produktionen för en speciell behandling - torkning under vakuum, fyllning av isoleringens porer med en uppvärmd förening under tryck och rullning för pressning.
Jonisering av luftinneslutningar åtföljs av bildandet av ozon och kväveoxider, som har en destruktiv effekt på organisk isolering. Jonisering av luft i ojämna fält, till exempel i kraftledningar, åtföljs av effekten av synligt ljus (korona) och betydande förluster, vilket minskar överföringseffektiviteten.
Dielektriska förluster i flytande dielektrikum
Dielektriska förluster i vätskor beror på deras sammansättning. I neutrala (icke-polära) vätskor utan föroreningar är den elektriska ledningsförmågan mycket låg, därför är dielektriska förluster också små i dem. Till exempel har raffinerad kondensorolja en tgδ
Inom teknik, polära vätskor (Sovol, ricinolja, etc.) eller blandningar av neutrala och dipolära vätskor (transformatorolja, föreningar, etc.), i vilka dielektriska förluster är betydligt högre än för neutrala vätskor. Till exempel är tgδ för ricinolja vid en frekvens på 106 Hz och en temperatur på 20°C (293 K) 0,01.
Dielektrisk förlust av polära vätskor beror på viskositeten. Dessa förluster kallas dipolförluster eftersom de beror på dipolpolarisering.
Vid låg viskositet är molekylerna orienterade under inverkan av ett friktionsfritt fält, dipolförlusterna i detta fall är små och de totala dielektriska förlusterna beror endast på elektrisk ledningsförmåga. Dipolförlusterna ökar med ökande viskositet.Vid en viss viskositet är förlusterna maximala.
Detta förklaras av det faktum att molekylerna vid tillräckligt hög viskositet inte hinner följa förändringen i fältet och dipolpolarisationen praktiskt taget försvinner. I detta fall är de dielektriska förlusterna små. När frekvensen ökar skiftar den maximala förlusten till ett område med högre temperatur.
Temperaturberoendet av förluster är komplext: tgδ ökar med ökande temperatur, når sitt maximum, minskar sedan till ett minimum och ökar sedan igen, detta förklaras av en ökning av elektrisk ledningsförmåga. Dipolförlusterna ökar med ökande frekvens tills polariseringen hinner följa fältförändringen, varefter dipolmolekylerna inte längre hinner orientera sig helt i fältets riktning och förlusterna blir konstanta.
I vätskor med låg viskositet dominerar ledningsförlusterna vid låga frekvenser, och dipolförlusterna är försumbara; tvärtom, vid radiofrekvenser är dipolförlusterna höga. Därför används inte dipoldielektrik i högfrekventa fält.
Dielektriska förluster i fast dielektrik
Dielektriska förluster i fasta dielektrika beror på strukturen (kristallin eller amorf), sammansättningen (organisk eller oorganisk) och arten av polarisationen. I sådana fasta neutrala dielektrika som svavel, paraffin, polystyren, som endast har elektronisk polarisation, finns det inga dielektriska förluster. Förluster kan bara bero på föroreningar. Därför används sådana material som högfrekventa dielektrika.
Oorganiska material, såsom enkristaller av bergsalt, sylvit, kvarts och ren glimmer, som har elektronisk och jonisk polarisation, har låga dielektriska förluster på grund av enbart elektrisk ledningsförmåga. Dielektriska förluster i dessa kristaller beror inte på frekvensen, och tgδ minskar med ökande frekvens. När temperaturen ökar ändras förlusterna och tgft på samma sätt som den elektriska konduktiviteten, och ökar enligt lagen för en exponentialfunktion.
I glas med olika sammansättning, till exempel keramik med hög halt av glaskroppen, observeras förluster på grund av elektrisk ledningsförmåga. Dessa förluster orsakas av rörelsen av svagt bundna joner; de förekommer vanligen vid temperaturer över 50 — 100°C (323 — 373 K). Dessa förluster ökar markant med temperaturen enligt lagen för en exponentiell funktion och beror lite på frekvensen (tgδ minskar med ökande frekvens).
I oorganiska polykristallina dielektrika (marmor, keramik, etc.) uppstår ytterligare dielektriska förluster på grund av närvaron av halvledarföroreningar: fukt, järnoxider, kol, gas, etc. samma material, eftersom materialets egenskaper förändras under påverkan av miljöförhållanden.
Dielektriska förluster i organiska polära dielektrika (trä, cellulosaetrar, naturlig lösning, syntetiska hartser) beror på strukturell polarisering på grund av lös partikelpackning. Dessa förluster beror på att temperaturen har ett maximum vid en viss temperatur samt att frekvensen ökar med dess tillväxt. Därför används dessa dielektrika inte i högfrekventa fält.
Karakteristiskt är att beroendet tgδ på temperaturen för papper impregnerat med föreningen har två maxima: det första observeras vid negativa temperaturer och kännetecknar förlusten av fibrer, det andra maximum vid förhöjda temperaturer beror på förlusten av föreningens dipol. När temperaturen ökar i polära dielektrika ökar förlusterna som är förknippade med elektrisk ledningsförmåga.