Kas yra dielektrinis nuostolis ir kas jį sukelia

Dielektriniai nuostoliai – tai energija, išsklaidoma per laiko vienetą dielektrikoje, kai jį veikia elektrinis laukas, dėl kurio dielektrikas įkaista. Esant pastoviai įtampai, energijos nuostolius lemia tik pratekančios srovės stiprumas dėl tūrio ir paviršiaus laidumo. Esant kintamajai įtampai, šie nuostoliai pridedami prie nuostolių dėl skirtingų poliarizacijos tipų, taip pat dėl ​​puslaidininkių priemaišų, geležies oksidų, anglies, dujų intarpų ir kt.

Atsižvelgdami į paprasčiausią dielektriką, galime parašyti galios, išsklaidytos jame veikiant kintamajai įtampai, išraišką:

Pa = U·I,

kur U – dielektrikui taikoma įtampa, Aza – aktyvusis dielektriku tekančios srovės komponentas.

Dielektrinė ekvivalentinė grandinė paprastai pateikiama kaip kondensatorius ir nuosekliai sujungta aktyvioji varža. Iš vektorinės diagramos (žr. 1 pav.):

Aza = integrinis grandynas·tgδ,

kur δ — kampas tarp visos srovės I vektoriaus ir jos talpinės komponentės Integrinė grandinė.

Todėl

Pa = U · Integruota grandinė · tgδ,

bet srovė

Integrinė grandinė = UΩ C,

kur yra kondensatoriaus (pateikto dielektriko) talpa esant kampiniam dažniui ω.

Dėl to dielektrike išsklaidyta galia yra

Pa = U2Ω C·tgδ,

t.y. dielektrike išsisklaidę energijos nuostoliai yra proporcingi kampo δ tangentei, kuri vadinama dielektrinių nuostolių kampas arba tiesiog praradimo kampas. Šis kampas δ k apibūdina dielektriko kokybę. Kuo mažesnis kampas di elektriniai nuostoliai δ, tuo didesnės izoliacinės medžiagos dielektrinės savybės.

Ryžiai. 1. Srovių vektorinė diagrama dielektrike esant kintamajai įtampai.

Kampo δ sampratos įvedimas Patogu praktikoje, nes vietoj absoliučios dielektrinių nuostolių vertės atsižvelgiama į santykinę vertę, kuri leidžia palyginti izoliacinius gaminius su skirtingos kokybės dielektrika.

Dielektriniai nuostoliai dujose

Dielektriniai nuostoliai dujose yra maži. Dujos turi labai mažas elektros laidumas… Dipolio dujų molekulių orientacija jų poliarizacijos metu nėra lydima dielektrinių nuostolių. Sudėjimas tgδ=e(U) vadinamas jonizacijos kreive (2 pav.).

Ryžiai. 2. Tgδ pokytis kaip įtampos funkcija izoliacijai su oro intarpais

Didėjantis tgδ didėjant įtampai gali įvertinti, ar kietoje izoliacijoje yra dujų intarpų. Esant didelei jonizacijai ir dujų nuostoliams, izoliacija gali įkaisti ir suirti.Todėl aukštos įtampos elektros mašinų apvijų izoliacija, siekiant pašalinti dujų inkliuzus gamybos metu, yra specialiai apdorojama - džiovinama vakuume, izoliacijos poros užpildomos įkaitintu slėgiu ir valcuojamos presavimui.

Oro inkliuzų jonizaciją lydi ozono ir azoto oksidų susidarymas, kurie daro žalingą poveikį organinei izoliacijai. Oro jonizaciją nelygiuose laukuose, pavyzdžiui, elektros linijose, lydi matomos šviesos poveikis (korona) ir dideli nuostoliai, o tai sumažina perdavimo efektyvumą.

Dielektriniai nuostoliai skystuose dielektrikuose

Dielektriniai nuostoliai skysčiuose priklauso nuo jų sudėties. Neutraliuose (nepoliniuose) skysčiuose be priemaišų elektros laidumas yra labai mažas, todėl juose dielektriniai nuostoliai taip pat nedideli. Pavyzdžiui, rafinuota kondensatoriaus alyva turi tgδ

Technologijoje poliniai skysčiai (Sovol, ricinos aliejus ir kt.) arba neutralių ir dipolinių skysčių mišiniai (transformatorinė alyva, junginiai ir kt.), kuriuose dielektriniai nuostoliai yra žymiai didesni nei neutralių skysčių. Pavyzdžiui, ricinos aliejaus tgδ esant 106 Hz dažniui ir 20°C (293 K) temperatūrai yra 0,01.

Polinių skysčių dielektriniai nuostoliai priklauso nuo klampos. Šie nuostoliai vadinami dipolio nuostoliais, nes atsiranda dėl dipolio poliarizacijos.

Esant mažam klampumui, molekulės yra orientuotos veikiant trinties laukui, dipolio nuostoliai šiuo atveju yra nedideli, o bendri dielektriniai nuostoliai atsiranda tik dėl elektros laidumo. Dipolio nuostoliai didėja didėjant klampumui.Esant tam tikram klampumui, nuostoliai yra didžiausi.

Tai paaiškinama tuo, kad esant pakankamai dideliam klampumui, molekulės nespėja sekti lauko pokyčio ir dipolio poliarizacija praktiškai išnyksta. Šiuo atveju dielektriniai nuostoliai yra maži. Didėjant dažniui, didžiausi nuostoliai pereina į aukštesnės temperatūros sritį.

Nuostolių priklausomybė nuo temperatūros yra sudėtinga: tgδ didėja didėjant temperatūrai, pasiekia maksimumą, tada sumažėja iki minimumo, tada vėl didėja, tai paaiškinama elektros laidumo padidėjimu. Dipolio nuostoliai didėja didėjant dažniui, kol poliarizacija spėja sekti lauko pokytį, po to dipolio molekulės nebespėja visiškai orientuotis lauko kryptimi ir nuostoliai tampa pastovūs.

Mažo klampumo skysčiuose laidumo nuostoliai vyrauja esant žemiems dažniams, o dipolio nuostoliai yra nereikšmingi; priešingai, radijo dažniuose dipolio nuostoliai yra dideli. Todėl dipolio dielektrikai nenaudojami aukšto dažnio laukuose.

Dielektriniai nuostoliai kietuosiuose dielektrikuose

Kietųjų dielektrikų dielektriniai nuostoliai priklauso nuo struktūros (kristalinės arba amorfinės), sudėties (organinės ar neorganinės) ir poliarizacijos pobūdžio. Tokiuose kietuose neutraliuose dielektrikuose kaip siera, parafinas, polistirenas, kurie turi tik elektroninę poliarizaciją, dielektrinių nuostolių nėra. Nuostoliai gali atsirasti tik dėl priemaišų. Todėl tokios medžiagos naudojamos kaip aukšto dažnio dielektrikai.

Neorganinės medžiagos, tokios kaip pavieniai akmens druskos kristalai, silvitas, kvarcas ir grynas žėrutis, turinčios elektroninę ir joninę poliarizaciją, turi mažus dielektrinius nuostolius vien dėl elektros laidumo. Dielektriniai nuostoliai šiuose kristaluose nepriklauso nuo dažnio, o tgδ mažėja didėjant dažniui. Kylant temperatūrai, nuostoliai ir tgft kinta taip pat, kaip ir elektrinis laidumas, didėja pagal eksponentinės funkcijos dėsnį.

Skirtingos sudėties stiklinėse, pavyzdžiui, keramikoje, kurioje yra didelis stiklakūnio fazės kiekis, pastebimi nuostoliai dėl elektros laidumo. Šiuos nuostolius sukelia silpnai surištų jonų judėjimas; dažniausiai jie atsiranda aukštesnėje nei 50 — 100°C (323 — 373 K) temperatūroje. Šie nuostoliai žymiai padidėja didėjant temperatūrai pagal eksponentinės funkcijos dėsnį ir mažai priklauso nuo dažnio (tgδ mažėja didėjant dažniui).

Neorganiniuose polikristaliniuose dielektrikuose (marmuras, keramika ir kt.) atsiranda papildomų dielektrinių nuostolių dėl puslaidininkių priemaišų: drėgmės, geležies oksidų, anglies, dujų ir kt. ta pati medžiaga, nes, veikiant aplinkos sąlygoms, keičiasi medžiagos savybės.

Dielektriniai nuostoliai organiniuose poliniuose dielektrikuose (mediena, celiuliozės eteriai, natūralus tirpalas, sintetinės dervos) atsiranda dėl struktūrinės poliarizacijos dėl laisvų dalelių sandarumo. Šie nuostoliai priklauso nuo temperatūros, kurios maksimumas yra tam tikroje temperatūroje, taip pat nuo dažnio, didėjančio jai augant. Todėl šie dielektrikai nenaudojami aukšto dažnio laukuose.

Būdinga, kad mišiniu impregnuoto popieriaus priklausomybė tgδ nuo temperatūros turi du maksimumus: pirmasis stebimas esant neigiamai temperatūrai ir apibūdina pluoštų praradimą, antrasis maksimumas aukštesnėje temperatūroje yra dėl junginio dipolio praradimo. Kylant temperatūrai poliniuose dielektrikuose, didėja nuostoliai, susiję su elektros laidumu.