1.6. Діелектричні втрати

Діелектричні втрати – це електрична потужність, що роз-сіюється в діелектрику (ділянці ізоляції) у вигляді тепла під дією прикладеного до нього електричного поля. Втрати в діелектриках спостерігаються як при змінній напрузі, так і постійній, оскільки в матеріалі присутній наскрізний струм, що зумовлений провідністю. При постійному струмі, коли немає періодичної поляризації, якість матеріалу характеризується значеннями питомих об’ємного і поверх-невого опорів.

Якщо ділянка ізоляції з опором R_із (Ом) знаходиться під постійною напругою U і через ізоляцію протікає струм витікання I, тоді величина втрат дорівнює:

(1.48)

Недопустимо великі діелектричні втрати в електроізоляцій-ному матеріалі викликають сильний нагрів виготовленого з нього виробу і можуть призвести до його теплового руйнування.

Природа діелектричних втрат в електроізоляційних матеріа-лах різноманітна в залежності від агрегатного стану речовини.

Діелектричні втрати за своєю природою і фізичною суттю або дією електричного поля поділяються на чотири основних види:

1) втрати, зумовлені різними видами поляризацій в діелект-риках;

2) втрати від наскрізної електропровідності;

3) іонізаційні втрати;

4) втрати, викликані неоднорідністю структури.

Діелектричні втрати твердих діелектриків залежать від їх молекулярної структури. В неполярних молекулах із нестійким зв’язком – зв’язок Ван-дер-Ваальса (речовини, що не мають домі-шок) втрати оцінюються електропровідністю і є малими (до 10^-4). Це високочастотні діелектрики, такі як сірка, парафін, полімери та ін. Для технічних діелектриків з полярною молекулою і дипольно-релаксаційною поляризацією втрати значні (до 10^-3). До таких діелектриків відносять целюлозу, органічне скло, капрон, каучук, ебоніт, фенольно-формальдегідні смоли (бакеліт).

Діелектричні втрати, пов’язані з неоднорідністю структу-ри діелектриків, спостерігаються в багатьох технічних діелектри-ках – шарових пластиках, просоченому папері, пластмасах з напов-нювачами, кераміці, слюдяних та азбестових матеріалах тощо. Загальної формули для розрахунку діелектричних втрат в таких матеріалах не існує.

Діелектричні втрати в газах дуже низькі. Основним джере-лом діелектричних втрат в газах є електропровідність, тому що орієнтація дипольних молекул в газах при їх поляризації не супро-воджується діелектричними втратами.

Діелектричні втрати в рідинах суттєво залежать від будови рідини: в неполярних рідинах (без домішок з дипольними молекула-ми), вони зумовлені тільки електропровідністю. Їх питома провід-ність та діелектричні втрати також є малими. Полярні рідини в залежності від умов можуть володіти великими втратами, пов’яза-ними з дипольно-релаксаційною поляризацією і втратами від елект-ропровідності. Застосовувані в техніці рідкі діелектрики можуть бути сумішшю полярних та неполярних речовин, наприклад, масляно-каніфольні компаунди. Рідкі полярні діелектрики мають замітну залежність діелектричних втрат від їх в'язкості. Диполі, орієнтуючись в напрямі електричного поля, повертаються у в'язкому середовищі і викликають втрати теплової енергії на тертя з виділенням теплоти.

Розглянемо схему, що еквівалентна конденсатору з діелектричними втратами і який знаходиться в колі змінного струму (рис.1.19). Ця схема повинна бути вибрана так, щоб активна поту-жність, що є в даній схемі дорівнювала потужності, що розсіюється в діелектрику конденсатора, а струм випереджував напругу на цей же кут, що і в діелектрику.

Поставлена задача може бути розв'язана заміною конденса-тора з втратами ідеальним конденсатором з послідовно ввімкне-ним активним опором або ідеальним конденсатором, що шунтова-ний активним опором.

Рис.1.19. Векторні діаграми та еквівалентні схеми заміщення

діелектрика з втратами: а) послідовна; б) паралельна.

Послідовна та паралельна схеми еквівалентні одна одній, якщо при рівності повних опорів z₁ = z₂ = z однакові їх активні та реактивні складові. Ця умова буде виконана, якщо кути зсуву φ струму відносно напруги однакові, а також однакові значення активної потужності.

З теорії змінного синусоїдного струму відомо, що активна потужність дорівнює:

(1.49)

Виразимо потужності для послідовної та паралельної схем через ємності С_S і С_P.

Для послідовної схеми:

(1.50)