Nashidvery.ru

Наши Двери
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Машиностроение и механика

Машиностроение и механика

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Удельными диэлектрическими потерями называется энергия, рассеиваемая в виде тепла в единице объема и в единицу времени в диэлектрике, находящемся в электрическом поле, и вызывающая его нагрев. При постоянном поле потери обусловливаются током сквозной проводимости – движением ионов, иногда – свободных электронов. Потери на сквозную электропроводность присущи в большей или меньшей мере всем диэлектрикам без исключения. Величина потерь на сквозную электропроводность определяется удельным сопротивлением rv, а в твердых диэлектриках также и удельным поверхностным сопротивлением rs.

При переменном поле различают следующие виды потерь:

1) потери на сквозную электропроводность; 2) поляризационные потери, обусловленные замедленной поляризацией; 3) ионизационные потери; 4) потери, обусловленные неоднородностью структуры. Для вывода выражения мощности потерь пользуются эквивалентной схемой диэлектрика, состоящей из последовательно или параллельно включенных активного сопротивления R и емкости С. Эквивалентная схема выбирается так, чтобы расходуемая активная мощность была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а вектор тока был сдвинут относительно вектора напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.

В идеальном вакуумном конденсаторе без потерь угол между векторами тока и напряжения равен 90 0 (рис. 2.8,а). Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tgd (рис. 2.8,б). Тангенс угла диэлектрических потерь (tgd) – параметр, учитывающий все виды потерь в диэлектрике и представляющий собой тангенс угла, дополняющего угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи до 90 0 . Тангенс угла диэлектрических потерь равен отношению

а мощность диэлектрических потерь в переменном электрическом поле

Рис. 2.8. Векторные диаграммы для конденсатора с идеальным диэлектриком (а) и диэлектриком с потерями (б)

где U – приложенное напряжение; w=2pf – частота. Из выражения (2.8) следует, что диэлектрические потери существенно влияют на работу аппаратуры высокого напряжения, высокочастотной и, в особенности, одновременно высокочастотной и высоковольтной. Тангенс угла диэлектрических потерь зависит от состава и структуры диэлектриков, от агрегатного состояния, а также от условий эксплуатации.

У чистых однородных неполярных диэлектриков диэлектрические потери малы и обусловлены только током сквозной проводимости; tgd незначителен, порядка 10 -4 , с ростом частоты падает (рис. 2.9, кривая 1), так как Iа от частоты практически не зависит, а реактивный ток Ic увеличивается. Для таких диэлектриков при повышении температуры tgd возрастает за счет увеличения тока сквозной проводимости (рис. 2.10, кривая 1).

Полярные диэлектрики, у которых потери обусловлены как сквозной проводимостью (иногда значительной), так и релаксационными видами поляризации, имеют высокий tgd

10 -2 — 10 -1 . Частотная и температурная зависимости tgd таких диэлектриков имеют максимумы, показанные на рис. 2.9 и 2.10, кривая 2. Появление максимума на зависимости tgd(f) объясняется инерционностью диполей и дипольных групп, не успевающих ориентироваться по полю за полупериод его изменения. Общий характер частотной зависимости соответствует кривой 1, рис. 2.9, т. е. потерям на сквозную электропроводность. При наличии нескольких релаксаторов появляется соответствующее число максимумов tgd.

Читайте так же:
Адаптер узо вилка розетка

Рис. 2.9. Частотная зависимость tgd для диэлектриков с потерями на сквозную электропроводность (1); с потерями на электропроводность и поляризационными потерями (2)

Рис. 2.10. Зависимость tgd от температуры для неполярных (1) и полярных (2) диэлектриков

Появление максимумов на температурной зависимости tgd полярных диэлектриков объясняется тем, что по мере повышения температуры закрепленные диполи, получившие дополнительную энергию, получают большую свободу перемещения и ориентации по полю. При этом возрастает мощность диэлектрических потерь и tgd. Начиная с определенной температуры, соответствующей максимуму tgd на его температурной зависимости, энергия теплового движения становится выше энергии электрического поля, нарушается ориентация диполей, затрата энергии уменьшается и tgd снижается. При высоких температурах tgd полярных диэлектриков возрастает за счет роста тока сквозной проводимости.

У диэлектриков с газовыми включениями tgd растет при увеличении напряжения вследствие ионизации газа. Поэтому пористые диэлектрики непригодны для высоковольтной аппаратуры. У гигроскопичных материалов tgd имеет повышенное значение, так как вода является источником свободных ионов.

Для неоднородных и композиционных диэлектриков tgd зависит от природы и распределения включений, специальных наполнителей. Значение tgd cлоистых пластмасс может изменяться в широких пределах в зависимости от количественных соотношений компонентов, достигая нескольких единиц.

Наименьшие потери имеют однородные диэлектрики плотной структуры с минимальным содержанием примесей, имеющие мгновенную поляризацию. К таким материалам относятся полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, трансформаторное масло, слюда, высокочастотный стеатит и др. Особенно высокие требования предъявляются к диэлектрикам, применяемым на высоких частотах и в высоковольтной аппаратуре.

Диэлектрические потери

В диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения протекает электрический ток, следовательно, в нем рассеивается энергия. Диэлектрическими потерями Pназывают активную составляющую электрической мощности, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Они состоят из: потерь от токов проводимости Pэл; поляризационных и ионизационных потерь Pпол и Pионз соответственно.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при постоянном, так и при переменном напряжении.

При постоянном напряжении, когда отсутствует периодическая поляризация (влияние поляризации проявляется только в моменты включения и выключения, то есть кратковременно, и потерями от поляризации можно пренебречь), сквозные токи утечки Iут определяются значением сопротивления изоляции Rиз, зависящим от ρs и ρv. Поэтому диэлектрические потери (активная мощность) в цепи постоянного тока могут быть определены из выражения P = U 2 /Rиз, где U – значение постоянного напряжения, приложенного к диэлектрику. Таким образом, качество диэлектрика на постоянном токе можно оценить ρs и ρv или сопротивлением изоляции Rиз, которые и определяют диэлектрические потери.

При переменном напряжении к потерям от токов сквозной проводимости добавляются потери от поляризации, которые и составляют значительную долю общих потерь в диэлектрике, и являются собственно диэлектрическими. Для определения мощности потерь в переменных полях диэлектрик представляют в виде последовательной или параллельной электрической схемы, состоящей из идеального конденсатора и активного сопротивления. Активная мощность, выделяемая на активном сопротивлении схемы, определяет рассеиваемую в диэлектрике мощность (диэлектрические потери) Рпол,определяемую по формуле

Читайте так же:
Как подключить интернет розетку телефонным проводом

где: ω = 2 f – круговая частота, рад/с; f – частота приложенного напряжения, в Гц; tgd – тангенс угла диэлектрических потерь.

При релаксационных механизмах поляризации при изменении напряженности электрического поля по гармоническому закону E=Eo*sinωt, вектор поляризуемости Р отстает от вектора напряженности поля Е, и определяется выражением Р= E*sin(ωt-d). Угол d и является углом диэлектрических потерь. На векторной диаграмме токов, протекающих через диэлектрик, угол d дополняет угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи до 90 о (рисунок 41).

При частотах свыше 20…30кГц диэлектрические потери уже оказывают влияние на тепловой режим различных устройств. Поэтому tgd, характеризующий диэлектрические потери, является важным параметром диэлектрика.

Значение емкости Св выражении (3) для конденсатора с диэлектриком можно определить из выражения С=εrо, где Со – емкость конденсатора, определяемая его геометрическими размерами. С учетом этого, выражения (3) примет вид: Pп = U 2 *ω*Со*εr*tgd. Произведение εr*tgd называют коэффициентом диэлектрических потерь. Диэлектрические потери, отнесенные к объему диэлектрика, называют удельными диэлектрическими потерями, и измеряют в Вт/кг.

В зависимости от значения tgd диэлектрики подразделяют на низкочастотные (tgd = 0,001…0,1) и высокочастотные (tgδ<0.001). Так как диэлектрические потери, характеризуемые εr и tgd, зависят от частоты, в справочниках указывают, при какой частоте они определены.

В пористых диэлектриках возможна ионизация газовых включений и неоднородность структуры из-за примесей и включений, что приводит к дополнительным ионизационным потерям Pионзв диэлектрике.

Таким образом, основными источниками потерь в диэлектрике на переменном токе являются поляризация и структурная неоднородность, совокупное действие которых и обуславливает диэлектрические потери в диэлектриках.

Потери в диэлектриках зависят не только от рода тока, протекающего через них, но и от температуры, химической природы и структуры диэлектрика. Параметры εr, tgd, влияющие на потери, зависят от названных факторов, поэтому для конкретного диэлектрика эти зависимости можно найти в специальной литературе. Ограничимся рассмотрением общих тенденций влияния температуры и частоты на потери в диэлектрике.

На постоянном токе с увеличением температуры растет подвижность носителей, увеличивается электропроводность и, следовательно, ток сквозной проводимости Iск Поэтому возрастают и потери в диэлектрике.

На переменном токе зависимость tgd от температуры различна для полярных и неполярных диэлектриков, следовательно, и потери в них будут разные.

В неполярных диэлектриках имеют место потери от электропроводности, и зависимость tgd от температуры экспоненциально увеличивается с ростом температуры (рисунок 42,а).

Читайте так же:
Заглушки для розеток с замком

Такой же характер имеет и температурная зависимость диэлектрических потерь, так как εrнеполярных диэлектриков практически не зависит от температуры (рисунок 37).

В полярных диэлектриках к потерям от электропроводности (рисунок 42, б, кривая 1), которые больше, чем у неполярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию (кривая 2), которые увеличивают общее значения tgd. Суммарная зависимость tgd от температуры для полярных диэлектриков характеризуется кривой 3. Обычно диэлектрические потери возрастают с увеличением температуры, несмотря на то, что в некотором интервале температур tgd может уменьшаться. Это связано с тем, что в областях, где tgd уменьшается, резко увеличивается εr полярного диэлектрика (возникают резонансные явления). Кроме того, нередко потери на электропроводность выше, чем потери на поляризацию.

Влияние частоты на tgd и диэлектрические потери также различно для полярных и неполярных диэлектриков. В неполярных диэлектриках существует только потери электропроводности от токов Iут, которые не зависят от частоты электрического поля. Поэтому произведение ω*tgdв выражении (3) имеет постоянное значение. Следовательно, tgd с ростом частоты уменьшается по гиперболической зависимости при Р=f(Iут ) (рисунок 43,а).

В полярных диэлектриках (рисунок 42,б) к потерям от электропроводности (кривая 1) добавляются потери от поляризации (кривая 2). Изменение tgd от частоты в целом характеризуется суммарной кривой 3.

Зависимость диэлектрических потерь от частоты для полярных диэлектриков имеет вид, показанный на рисунке 44.

При низких частотах потери создаются только электропроводностью, поэтому они не завися от частоты. При возрастании частоты они резко увеличиваются, так как резко увеличивается tgd, увеличение которого не может скомпенсировать уменьшение εr в этой области частот. Начиная от частоты, при которой tgd имеет максимум, потери вновь становятся почти постоянными, так как уменьшение tgd компенсируется увеличением частоты.

Диэлектрические потери возрастают также с увеличением влажности диэлектрика.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Диэлектрические потери в диэлектриках при постоянном токе

Сквозной электрический ток существует не только на постоянном, но и на переменном напряжении. При этом он характеризуется той же удельной электрической проводимостью (или удельным сопротивлением ), что и на постоянном токе. Наличие сквозного тока в переменном поле приводит к рассеянию мощности в единице объема диэлектрика:

.(4.60)

Эту часть диэлектрических потерь, обусловленную сквозным током диэлектрика, называют диэлектрическими потерями на электропроводность.

Мощность потерь на электропроводность, как видно из (4.60), не зависит от частоты. Однако тангенс угла потерь, обусловленных сквозным током, обратно пропорционален частоте ( слабо зависит от частоты):

,(4.61)

На высоких частотах (при – это частоты выше 10 кГц) очень мал — менее 10 -4 (рисунок 4.25,а). Следовательно, потери на электропроводность существенны лишь при низких частотах (50-1000 Гц).

Читайте так же:
Графическое обозначение трехфазных розеток

Влияние потерь на электропроводность на тангенс угла потерь диэлектриков возрастает с ростом температуры. Это связано с увеличением удельной проводимости в области высоких температур. В случае повышенных температур может быть высоким даже при высоких частотах (рисунок 4.25,б).

Рисунок 4.25 – Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь на электропроводность:
а – от частоты при температурах Т1 и Т2; б – от температуры

Потери на электропроводность ничтожно малы у электроизоляционных материалов с высоким удельным сопротивлением (полиэтилен, политетрафторэтилен и т.п.), а на высоких и сверхвысоких частотах практически у всех материалов. Однако их необходимо учитывать в изоляции, работающей при повышенных температурах (выше 100°С), а также при увлажнении и прочих условиях, приводящих к снижению удельного сопротивления.

© ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
Редакционно-издательский центр
Отдел допечатной подготовки и программно-методического обеспечения
Уфа 2014

12 Диэлектрические потери

Удельными диэлектрическими потерями называется энергия, рассеиваемая в виде тепла в единице объема и в единицу времени в диэлектрике, находящемся в электрическом поле, и вызывающая его нагрев. При постоянном поле потери обусловливаются током сквозной проводимости – движением ионов, иногда – свободных электронов. Потери на сквозную электропроводность присущи в большей или меньшей мере всем диэлектрикам без исключения. Величина потерь на сквозную электропроводность определяется удельным сопротивлением rv, а в твердых диэлектриках также и удельным поверхностным сопротивлением rs.

При переменном поле различают следующие виды потерь:

1) потери на сквозную электропроводность; 2) поляризационные потери, обусловленные замедленной поляризацией; 3) ионизационные потери; 4) потери, обусловленные неоднородностью структуры. Для вывода выражения мощности потерь пользуются эквивалентной схемой диэлектрика, состоящей из последовательно или параллельно включенных активного сопротивления R и емкости С. Эквивалентная схема выбирается так, чтобы расходуемая активная мощность была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора, а вектор тока был сдвинут относительно вектора напряжения на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе.

В идеальном вакуумном конденсаторе без потерь угол между векторами тока и напряжения равен 90 0 (рис. 2.8,а). Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, переходящая в тепло, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь d и его функция tgd (рис. 2.8,б). Тангенс угла диэлектрических потерь (tgd) – параметр, учитывающий все виды потерь в диэлектрике и представляющий собой тангенс угла, дополняющего угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи до 90 0 . Тангенс угла диэлектрических потерь равен отношению

, (2.8)

а мощность диэлектрических потерь в переменном электрическом поле

, (2.9)

Рис. 2.8. Векторные диаграммы для конденсатора с идеальным диэлектриком (а) и диэлектриком с потерями (б)

Рекомендуемые файлы

где U – приложенное напряжение; w=2pf – частота. Из выражения (2.8) следует, что диэлектрические потери существенно влияют на работу аппаратуры высокого напряжения, высокочастотной и, в особенности, одновременно высокочастотной и высоковольтной. Тангенс угла диэлектрических потерь зависит от состава и структуры диэлектриков, от агрегатного состояния, а также от условий эксплуатации.

Читайте так же:
Кардиальная розетка сомкнута не полностью

У чистых однородных неполярных диэлектриков диэлектрические потери малы и обусловлены только током сквозной проводимости; tgd незначителен, порядка 10 -4 , с ростом частоты падает (рис. 2.9, кривая 1), так как Iа от частоты практически не зависит, а реактивный ток Ic увеличивается. Для таких диэлектриков при повышении температуры tgd возрастает за счет увеличения тока сквозной проводимости (рис. 2.10, кривая 1).

Полярные диэлектрики, у которых потери обусловлены как сквозной проводимостью (иногда значительной), так и релаксационными видами поляризации, имеют высокий tgd

10 -2 — 10 -1 . Частотная и температурная зависимости tgd таких диэлектриков имеют максимумы, показанные на рис. 2.9 и 2.10, кривая 2. Появление максимума на зависимости tgd(f) объясняется инерционностью диполей и дипольных групп, не успевающих ориентироваться по полю за полупериод его изменения. Общий характер частотной зависимости соответствует кривой 1, рис. 2.9, т. е. потерям на сквозную электропроводность. При наличии нескольких релаксаторов появляется соответствующее число максимумов tgd.

Рис. 2.9. Частотная зависимость tgd для диэлектриков с потерями на сквозную электропроводность (1); с потерями на электропроводность и поляризационными потерями (2)

Рис. 2.10. Зависимость tgd от температуры для неполярных (1) и полярных (2) диэлектриков

Появление максимумов на температурной зависимости tgd полярных диэлектриков объясняется тем, что по мере повышения температуры закрепленные диполи, получившие дополнительную энергию, получают большую свободу перемещения и ориентации по полю. При этом возрастает мощность диэлектрических потерь и tgd. Начиная с определенной температуры, соответствующей максимуму tgd на его температурной зависимости, энергия теплового движения становится выше энергии электрического поля, нарушается ориентация диполей, затрата энергии уменьшается и tgd снижается. При высоких температурах tgd полярных диэлектриков возрастает за счет роста тока сквозной проводимости.

У диэлектриков с газовыми включениями tgd растет при увеличении напряжения вследствие ионизации газа. Поэтому пористые диэлектрики непригодны для высоковольтной аппаратуры. У гигроскопичных материалов tgd имеет повышенное значение, так как вода является источником свободных ионов.

Для неоднородных и композиционных диэлектриков tgd зависит от природы и распределения включений, специальных наполнителей. Значение tgd cлоистых пластмасс может изменяться в широких пределах в зависимости от количественных соотношений компонентов, достигая нескольких единиц.

Наименьшие потери имеют однородные диэлектрики плотной структуры с минимальным содержанием примесей, имеющие мгновенную поляризацию. К таким материалам относятся полистирол, полиэтилен, фторопласт-4, трансформаторное масло, слюда, высокочастотный стеатит и др. Особенно высокие требования предъявляются к диэлектрикам, применяемым на высоких частотах и в высоковольтной аппаратуре.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector