Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают?

Виды диэлектрических потерь

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. 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.

Для ионных кристаллов можно получить другое выражение для tgδ:

tgδ=(1.8∙1010∙γo/ f) e∙Wa/kT .

Видим, что в последнем выражении предъэкспоненциальный множитель tgδ зависит обратно пропорционально от частоты поля и диэлектрической проницаемости материала.

Значения tgδ неполярных полимеров (полиэтилена, политетрафторэтилена) 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= r∙ω∙Cs,

где r, Cs — сопротивление обкладок и емкость последовательной схемы замещения конденсатора Рост составляющей tgδм обусловлен увеличением с ростом частоты потерь в металлических (проводящих) частях. Следовательно, на общей зависимости tgδ конденсатора с диэлектриком от частоты при некотором значении частоты должен иметь место минимум. В случае конденсатора с полярным диэлектриком, начиная с некоторой частоты, потери в обкладках также будут возрастать линейно

Релаксационные потери

Основные причины, вызывающие протекание через диэлектрик абсорбционных токов, приводящих к релаксационным потерям, перечислены в разделе об электропроводности диэлектриков (ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в не полярных, 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, наряду с неоднородностью, обусловлено, главным образом, 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 релаксационные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами.

Диэлектрические потери полимеров

Диэлектрические потери неполярных полимеров при тщательной очистке их от остатков мономеров, катализаторов, стабилизаторов невелики, поэтому они находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков. В этом случае часто tgδ =2∙10-4. В полимерах, недостаточно хорошо очищенных от примесей, наряду с потерями сквозной проводимости, как и в полярных диэлектриках, возможны потери на дипольную поляризацию (см. рисунок). Диэлектрические потери полярных полимеров определяются дипольной ориентационной и резонансной поляризациями. Время установления дипольной поляризации с ростом температуры изменяется на несколько порядков, поэтому в зависимости от строения макромолекул полимеров tgδ от температуры и частоты изменяется сложным образом. В температурной зависимости tgδ полярных полимеров может наблюдаться несколько максимумов tgδ — α, β, γ, δ(см. рисунок) тогда, когда у полимера имеются полярные группы, обладающие различной подвижностью (дипольно-групповые потери). При температуре выше температуры стеклования Тс. у полимеров возможна ориентация крупных блоков макромолекулы — сегментов (дипольно-сегментальная поляризация).

Дипольно-сегментальная поляризация приводит к появлению «высокотемпературного» максимума (α). Этот вид поляризации может не наблюдаться у полимеров с очень жесткими макромолекулами. Характерная зависимость tgδ от Т для полимерного диэлектрика с дипольно-групповыми (δ, γ, β) и дипольно-сегментальными потерями (α) показана на рисунке.

Особенности электроизоляционных материалов

Рассмотренные виды пробоя твердых диэлектриков нашли свое применение в современной электротехнике.

Среди жидких и полужидких диэлектрических материалов, используемых в настоящее время в технике, интерес представляют трансформаторное и конденсаторное масла, а также синтетические жидкости: совтол, совол.

Минеральные масла получают в результате фракционной перегонки сырой нефти. Между отдельными их видами существуют различия по вязкости, электрическим характеристикам.

Например, кабельное и конденсаторное масла имеют высокую степень очистки, поэтому обладают прекрасными диэлектрическими характеристиками. Негорючими синтетическими жидкостями являются совтол и совол. Для получения первой проводят реакцию хлорирования кристаллического дифенила

Эта прозрачная вязкая жидкость обладает токсичностью, способна раздражать слизистую оболочку, поэтому при проведении работ с таким диэлектриком необходимо тщательно соблюдать меры предосторожности

Совтол — это смесь трихлорбензола и совола, поэтому для данного электроизоляционного материала характерно более низкое значение вязкости.

Обе синтетические жидкости применяют для пропитки современных бумажных конденсаторов, установленных в промышленных устройствах переменного и постоянного тока.

Органические высокополимерные диэлектрические материалы состоят из множества молекул мономеров. Высокими диэлектрическими характеристиками обладает янтарь, натуральный каучук.

У воскообразных материалов, например церезина и парафина, четко выражена температура плавления. Такие диэлектрики имеют поликристаллическое строение.

В современной электротехнике востребованы пластмассы, являющиеся композиционными материалами. В их составе есть полимеры, смолы, красители, стабилизирующие вещества, а также пластифицирующие компоненты. В зависимости от отношения к нагреванию, их подразделяют на термопластичные и термореактивные материалы.

Для работ в воздушной среде применяют электрокартоны, у которых более плотная структура в сравнении с обычным материалом.

Среди слоистых электроизоляционных материалов, имеющих диэлектрические характеристики, выделим текстолит, гетинакс, стеклотекстолит. Эти слоистые пластмассы, в которых в качестве связующего вещества выступают кремнийорганические или резольные смолы, являются прекрасными диэлектриками.

4.3 Диэлектрические потери

► Понятие
диэлектрических потерь, их количественная оценка и виды

При воздействии
электрического поля на любое вещество в нем наблюдается рассеяние некоторого
количества электрической энергии, превращающейся в тепловую, – так называемые потери.
Значение потерь, как правило, пропорционально квадрату напряженности поля. 

Диэлектрическими
потерями
называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него
электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Если поместить
диэлектрик в переменное синусоидальное электрическое поле с напряженностью Е
и циклической частотой ω, в нем
возникают электрические токи двух видов: ток смещения и ток
проводимости. Плотность тока смещения:

(4.52)

а плотность тока проводимости:

(4.53)

где γ_а – удельная активная проводимость
диэлектрика на циклической частоте ω.

Плотность общего
тока J равна векторной
сумме плотностей токов смещения и проводимости (рисунок 4.23). Если бы
диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь (γ_а = 0), ток был бы чисто реактивным, и
его плотность J = J_см была бы
направлена по мнимой оси под углом 90о к вектору Е. Однако у
реальных диэлектриков γ_а всегда отлична
от нуля, поэтому суммарный ток сдвинут на угол
δ = 90о – φ относительно тока идеального
диэлектрика (φ – угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше γ_а, тем больше
угол δ; фактически он характеризует
степень отличия реального диэлектрика от идеального и называется углом
диэлектрических потерь (угол между векторами плотностей переменного
тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости).  

Рисунок 4.23 – Векторная диаграмма
плотностей тока в диэлектрике

Тангенс этого угла tgδ является одной
из важнейших характеристик как самих диэлектриков, так и включающих их
элементов: изоляторов, конденсаторов и т.п.:

(4.54)

Мощность,
рассеиваемая в единице объема вещества, т.е. удельные диэлектрические
потери, также может быть выражена через этот параметр:

(4.55)

где Е – действующее значение
напряженности переменного поля.

Чем больше
значение tgδ, тем больше
нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряженности.

Введение
безразмерного параметра tgδ удобно потому, что он не зависит
от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойством
диэлектрического материала. Если к участку изоляции приложено напряжение с
циклической частотой ω и действующим
значением U, то отношение
проходящих в нем тока проводимости и тока смещения можно выразить как:

(4.56)

Полные
диэлектрические потери в участке изоляции емкостью С при приложении
напряжения U (действующее
значение) с циклической частотой ω
можно найти как:

(4.57)

Наряду с
потерями параметр tgδ характеризует добротность
конденсатора (а, следовательно, и максимально возможную добротность контура с
данным конденсатором):

(4.58)

Таким образом, tgδ есть величина,
обратная добротности Q.

Для
характеристики качества диэлектриков иногда используется коэффициент диэлектрических
потерь ε» = tgδ · ε.

Высокие
диэлектрические потери приводят к разогреву и тепловому пробою диэлектриков в
сильных электрических полях, снижению добротности и избирательности
колебательных контуров

Поэтому уменьшение tgδ является очень
важной задачей

Диэлектрические
потери могут быть нескольких видов (рисунок 4.24).

Таким образом,
удельная мощность общих потерь складывается из мощности потерь на
электропроводность (w_скв), мощностей
дипольных релаксационных потерь (w_д), резонансных (w_рез), миграционных
(w_миг) и
ионизационных (w_ион) потерь:

(4.59)

Рисунок 4.24 – Виды диэлектрических
потерь

Как рассчитать диэлектрические утери

Потери диэлектрические не так-то просто подсчитать. Само вычисление строится по нескольким ступеням. Сначала рассчитывается мощность, которая есть. Мощность рассеется, если напряжение будет переменным.

Для конденсаторов с параллельным и последовательным подключением и активным сопротивлением существует несколько схем.

При помощи полученных параметров и уже известных значений, можно узнать значение активного тока.

Кроме того, необходимо найти значение тангенса угла полных векторов тока до электроёмкости. Такой угол называется диэлектрическим углом потерь. Ic будет диэлектрической ёмкостью.

Важно учитывать, что для получения значений тока нужно умножить значения угловой частоты и электрической ёмкости конденсатора. Все значения и необходимые единицы, нужные для вычислений, являются ключевыми параметрами, влияющими на свойства

Возвращаясь к представленным схемам можно проследить, что чем меньше угол, тем надёжнее он будет

Все значения и необходимые единицы, нужные для вычислений, являются ключевыми параметрами, влияющими на свойства. Возвращаясь к представленным схемам можно проследить, что чем меньше угол, тем надёжнее он будет.

Факторы, которые увеличивают тангенс угла диэлектрических потерь

Специалисты выделяют несколько факторов, которые приводят к увеличению тангенса. На первый взгляд они кажутся несущественными, но в итоге обуславливают эффективность работы трансформатора.

Наличие мыла в маслах

Мыло в маслах, которые используются для смазки обмоток трансформатора, приводят к изменению численного показателя. Это объясняется тем, что мыло провоцирует дополнительное увлажнение, приводящие к снижению удельного сопротивления. Нюансы увеличивают проводимость, что влияет на рост тангенса.

Образования кислых продуктов старения

Кислотные продукты старения вызывают порчу вторичной и первичной обмотки. В свою очередь уменьшается проводимость, образуются дополнения на кристаллических решетках. Изменение в худшую сторону физико-технических характеристик диэлектрика приводит у увеличению потерь.

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.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Ри = А1 f (U – Uи)3, где А1 – постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, Uиобозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения Uи 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:

• сера;
• полимеры;
• парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

• органические стёкла;
• эбонит и другие каучуковые вещества;
• полиамиды;
• целлюлозосодержащие материалы;
• фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10-3.

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10-2.

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:

• ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
• релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
• рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
• поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
• высокочастотные резонансные потери;
• диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

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

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).

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 →

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.

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.

Виды потерь

В газах

В газообразных веществах электропроводность маленькая и как результат диэлектрические утери также будут незначительными. При поляризации молекул газа ничего не случается. В таком случае применяется так называемая кривая ионизации.

Такая подчиненность свидетельствует о том, что при увеличении напряжения угол также будет повышаться. А это означает, что в изоляции существует включение газа. В случае большой ионизации, потеря газа будет значительной и как результат – нагревание и разрушение изоляции.

Поэтому изготавливая изоляцию очень важно учитывать тот факт, что вкрапления газа должны отсутствовать. Для этого используется особенная обработка. Суть ее заключается в следующем: в вакууме происходит сушка изоляции

Затем поры наполняются компаундом, который находится под напором и потом происходит обкатка

Суть ее заключается в следующем: в вакууме происходит сушка изоляции. Затем поры наполняются компаундом, который находится под напором и потом происходит обкатка.

В результате ионизации появляются окислы азота и озона, которые разрушают изоляцию. В моменты, когда эффект ионизации возникает на участке неравномерных полей, это при передаче приводит к снижению коэффициента полезного действия.

В твердых веществах

Твердый диэлектрик обладает определенными характеристиками, такими как состав, структура и поляризация, которые приводят к возникновению диэлектрических потерь. Например, в сере, парафине или полистироле они отсутствуют, поэтому данные вещества широко используют как высокочастотный диэлектрик.

Кварц, соль и слюда обладают сквозной электропроводностью, поэтому они характеризуются незначительной величиной данных потерь.

Диэлектрические потери не зависят от частоты (а), будут уменьшаться вместе с частотой поля по гиперболическому закону. Зато с температурой они зависят напрямую по экспоненциальному закону (б).

Кристаллический диэлектрик, такой как керамика или мрамор обладает характерным показателем этого значения. Это объясняется тем, что в их составе есть примеси полупроводников. Такой материал обладает отличительным свойством: диэлектрические потери напрямую связаны с окружающей средой и ее условиями. Поэтому в зависимости от смены факторов, которые окружают диэлектрик, величина одного материала может изменяться.

В жидкостях

В этом случае потери напрямую связаны с составом материала. Если в жидкостях отсутствуют какие-либо примеси, то она будет нейтральна и утери будут стремиться к нулю, так как электропроводность низкая.

Жидкости с полярностью или с наличием примесей используют для определенных технических целей, так как диэлектрические утери у них будут гораздо выше. Это объясняется тем, что такие жидкости обладают своими особенными свойствами, например, вязкость. А так как их устанавливает дипольная поляризация, то эти жидкости называют дипольными. При возрастании вязкости диэлектрические потери возрастают.

Помимо этого жидкости обладают определенной зависимостью потерь от температуры. Когда температурный режим увеличивается тангенс угла также увеличивается до максимального показателя. Затем опускается до минимального показателя и снова возрастает. Это объясняется тем, что под воздействием температуры изменяется электропроводность. No tags for this post.

Способы уменьшения потерь в электрических сетях

Снизить затраты можно путем оптимизации технической и коммерческой составляющей. В первом случае следует принять следующие меры:

• Оптимизация схемы и режима работы электросети.
• Исследование статической устойчивости и выделение мощных узлов нагрузки.
• Снижение суммарной мощности за счет реактивной составляющей. В результате доля активной мощности увеличится, что позитивно отразится на борьбе с потерями.
• Оптимизация нагрузки трансформаторов.
• Модернизация оборудования.
• Различные методы выравнивания нагрузки. Например, это можно сделать, введя многотарифную систему оплаты, в которой в часы максимальной нагрузки повышенная стоимость кВт/ч. Это позволит существенно потребление электроэнергии в определенные периоды суток, в результате фактическое напряжение не будет «проседать» ниже допустимых норм.

Уменьшить коммерческие затраты можно следующим образом:

• регулярный поиск несанкционированных подключений;
• создание или расширение подразделений, осуществляющих контроль;
• проверка показаний;
• автоматизация сбора и обработки данных.