Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжениях, поскольку в технических материалах обнаруживается сквозной ток утечки, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объёмного и поверхностного сопротивлений.

При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нём, кроме сквозной электропроводности, могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротивлением изоляции.

В инженерной практике чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь δ называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз φ между током и напряжением в ёмкостной цепи.

В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 90°, при этом угол δ равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз φ и тем больше угол диэлектрических потерь δ и его функция tgδ.

Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуются этой характеристикой.

Активная мощность, рассеиваемая диэлектриком, определяется выражением

P_a = U² ω C  tgδ,                                          (3.19)

где U – напряжение, ω – частота, С – ёмкость конденсатора с диэлектриком.

Диэлектрические потери, отнесённые к единице объёма диэлектрика, называются удельными потерями

Р_уд = Р_а/V = ωεε₀tgδE²,                                  (3.20)

где V – объём диэлектрика между плоскими электродами; Е – напряжённость электрического поля. Произведение εtgδ – коэффициент диэлектрических потерь.

Из выражений (3.19) и (3.20) следует, что диэлектрические потери имеют важное значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных, высокочастотных устройствах, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату, приложенного к диэлектрику напряжения и частоте. Большие диэлектрические потери в электроизоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.

Если диэлектрик используется в колебательном контуре, то диэлектрические потери препятствуют достижению высокой добротности (острой настройки на резонанс), так как с увеличением эквивалентного сопротивления потерь усиливается затухание колебаний в контуре.

Пробой диэлектриков

Диэлектрик, находясь в электрическом поле, может потерять свойства изоляционного материала, если напряжённость поля превысит некоторое критическое значение. Явление образования проводящего канала в диэлектрике под действием электрического поля называют пробоем.

Минимальное приложенное к диэлектрику напряжение, приводящее к его пробою, называется пробивным напряжением U_np.

Предпробойное состояние диэлектрика характеризуется резким возрастанием тока, отступлением от закона Ома в сторону увеличения проводимости.

Значение пробивного напряжения зависит от толщины диэлектрика h и формы электрического поля, обусловленной конфигурацией электродов и самого диэлектрика. Поэтому оно характеризует не столько свойства материала, сколько способность конкретного образца противостоять сильному электрическому полю. Для сравнения свойств различных материалов более удобной характеристикой является электрическая прочность. Электрической прочностью называется минимальная напряжённость однородного электрического поля, приводящая к пробою диэлектрика,

Е_Пр = U_np/h.                             (3.21)

Отсюда следует, что пробивное напряжение возрастает с увеличением толщины диэлектрика или расстояния между электродами. Рабочее напряжение, действующее на диэлектрик в конкретном изделии или устройстве, естественно, должно быть меньше U_np. Отношение пробивного напряжения к номинальному рабочему напряжению называют коэффициентом запаса по электрической прочности. Пробивное напряжение возрастает также при импульсном воздействии электрического поля. Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому значению называют коэффициентом импульса.

Пробой по разному сказывается на функционировании различного рода диэлектриков: если пробой произошел в газообразном диэлектрике, то благодаря высокой подвижности молекул пробитый участок после снятия напряжения восстанавливает свою электрическую прочность. Жидкие диэлектрики также обладают способностью к восстановлению электрической прочности, однако, это восстановление в большинстве случаев оказывается неполным. В противоположность этому пробой твёрдых диэлектриков при его полном развитии заканчивается разрушением изоляции. Однако разрушение материала можно предупредить, ограничив нарастание тока при пробое допустимым пределом.

Пробой диэлектриков может возникать в результате чисто элек­трических, тепловых, а в некоторых случаях и электрохимических процессов, обусловленных действием электрического поля.

В большинстве случаев пробивное напряжение возрастает с увеличением толщины изоляции медленнее, чем по линейному закону. В особо тонких слоях начинают сказываться неоднородности структуры и электрическая прочность уменьшается. У неоднородных тонких материалов (бумага, лакоткань и т. п.) электрическая прочность уменьшается с увеличением площади электродов, что объясняется повышением вероятности попадания под электроды слабых мест диэлектрика.

Электрическая прочность высококачественных твёрдых диэлектриков, как правило, выше, чем жидких и тем более газообразных при нормальном давлении.

Различают несколько видов пробоя: чисто электрический, тепловой, электромеханический, электрохимический и ионизационный.

Электрический, или собственный, пробой – это непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля. Подобный вид пробоя развивается практически мгновенно за 10^-7…10^-8 с и не обусловлен тепловой энергией. Это чисто электронный процесс, когда из немногих начальных электронов в твёрдом теле создается электронная лавина. В неоднородных электрических полях пробивное напряжение однородного диэлектрика меньше, чем в однородных.

Электрическая прочность твёрдых диэлектриков практически не зависит от температуры до некоторого её критического значения, когда наблюдается заметное снижение электрической прочности. В этом случае наступает тепловой пробой, который связан с нагревом изоляции в электрическом поле. Процесс идет следующим образом. После подачи напряжения на диэлектрик в нём начинает выделяться теплота потерь, и он разогревается. Повышение температуры приводит к росту потерь, а следовательно, к ещё большему разогреву. В конце концов, в диэлектрике происходят существенные изменения (расплавление, обугливание и другие процессы, в зависимости от природы материала) и его собственная электрическая прочность снижается настолько, что происходит пробой. Тепловой пробой может иметь локальный характер, при котором средняя температура всего объёма изолятора существенно не изменяется. Таким образом, тепловой пробой существенно зависит от отвода выделяющегося в диэлектрике тепла в окружающую среду, поэтому электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и самого изделия. Пробивное напряжение при тепловом пробое существенно зависит от времени приложения напряжения. Если это время невелико, то диэлектрик не успевает разогреться и пробой не наступает. С ростом частоты электрического напряжения и ростом окружающей температуры пробивное напряжение умень­шается.

Электромеханический пробой подготовляется механическим разрушением материала (образование макроскопических трещин) силами электрического поля (давление электродов).

Электрохимический пробой связан с химическим изменением материала в электрическом поле, например, прорастание металлических дендритов (древовидные кристаллы) в результате электролиза. Этот вид пробоя имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом и восстановлением оксидов металлов переменной валентности, например, в керамике. Развитие электрохимического пробоя требует много времени, поскольку связан с явлением электропроводности диэлектрика, и во многом зависит от материала электродов.

Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частотных разрядах, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа.

40 Диэлектрические потери, виды диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах.

Начало формы