 |
Виды диэлектрических потерь
|
|
|
|
Эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями
Чтобыизучить диэлектрические потери какого –либо материала, необходимо измерить ряд параметров конденсатора с этим материалом в цепи переменного напряжения. Конденсатор с исследуемым диэлектриком, имеющий емоксть С, рассеиваемую мощность Р и угол сдвига фаз между током и напряжением 
заменим эквивалентной схемой, в которой к идеальному конденсатору активное сопротивление подключено либо параллельно – паралелньная эквивалентная схема замещения, либо последовательно – последовательная эквивалентная схема замещения. Эти эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями должны быть выбраны так, чтобы рассеиваемая в них активная мощность была равна мощности Р, выделяющейся в конденсаторе с исследуемым диэлектриком, а ток опережал бы напряжение на угол . Эквивалентные схемы вводятся условнои не объясняют механизма диэлектрических потерь. Величины емкости идеального конденсатора и активного сопротивления для параллельной и последовательной схемзамещания обозначим соответственно 
и R, 
и r.
Паралелльная схема замещения диэлектрика с потерями и векторная диаграмма тококв в ней представлены на рисунке 4.2, из которого видно, что активная составляющая тока 
совпадает по фазе с напряжением U, а реактивная составляющая тока 
опережает напряжение на угол, равный 90о. Значения соответствующих токов равны
, 
где Z – полное сопротивление, 
; xc–реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора с диэлектриком, 
(
– угловая частота).
Из треугольников токов (рисунок 4.2, б) следует, что
Последовательная эквивалентная схема замещениядиэлектрика с потерями и соответствующие ей векторная диаграмма напряжений и треугольник сопротивлений, представленные на рисунке 4.3, показывают, что активная составляющая напряжения Uaсовпадает по фазе с током I, а реактивная составляющая U, отсстает от тока на угол 90о.
|
|
|
Если треугольник напряжений (см. рисунок 4.3, б) разделить на постоянную величину тока I, получим треугольник сопротивлений (рис. 4.3, в), из которого имеем:
.
Величину рассеиваемой мощности P при постоянномнарпяжении можно определить с помощью закона Джоуля-Ленца:
.
При переменном напряжении эта величина в общем виде равна
.
Для параллельной схемы замещения, используя ранее рассмотренные выражения и соответствующую векторную диаграмму, получим:
,
где 
Для последовательной схемы замещения, используя треугольник напряжений (рис. 4.3, в) получим:
.
Виды диэлектрических потерь
| имеют место при V H |
1. потери, обусловленные электропроводностью (током сквозной проводимости);
2. потери, вызванные релаксационными видами поляризации;
3. ионизационные потери. возникают только в сильных электрических полях
Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью
Наблюдаются у всех ДЭ и количественно могут быть оценены величинами:
ü 
- удельная электропроводность;
ü 
- удельное сопротивление;
В ДЭ с молекулярной структурой неполярных (воздух, нефтяные электроизоляционные масла, парафин и т.п.) или имеющих ионную структуру (кварц, слюда, корунд и т.п.) этот вид потерь является единственным.
,
где R – активное сопротивление ДЭ, Ом;
- угловая частота, с-1;
С – емкость диэлектрика, Ф;
- циклическая частота, Гц;
- относительная диэлектрическая проницаемость;
- электрическая постоянная, 
;
S – площадь измерительного электрода, м2;
h – толщина диэлектрика, м.
- плотность образца, кг/м2.
Из получившегося выражения следует, что 
уменьшается с увеличением частоты по гиперболическому закону. Однако потери на Э существуют лишь при низких частотах (до 103 Гц), а при частотах выше 104 Гц 
становится величиной незначительной – 10-4 и менее.
|
|
|
С увеличением частоты (в областях низких частот) 
снижается, так как возрастает Ir (
). Величину 
при данной частоте можно определить, используя полученную ранее формулу, если известны значения 
и 
при данной частоте f.
С повышением температуры диэлектрические потери, обусловленные удельной электропроводностью 
, возрастают, так как увеличивается концентрация n ионов и их подвижность a (определяется как отношение дрейфовой скорости заряда к напряженности электрического поля E, возрастает экспоненциально с увеличением температуры):
,
где а – подвижность ионов, 
;
n – концентрация ионов, м-3.
,
- максимальная подвижность иона;
Wпер – энергия перемещения иона с ловушки на ловушку (энергия перехода иона с одного равновесно положения в другое).
kT – постоянная Больцмана;
По аналогичному закону изменяется в зависимости от температуры и величина рассеиваемой мощности Р. Реактивная мощность практически от температуры не зависит.
Диэлектрические потери, вызванные релаксационными видами поляризации
Количественно могут быть оценены величиной 
. Наиболее часто встречаемые и важными из них являются:
1. дипольно – релаксационные потери (в полярных диэлектриках молекулярного строения);
Представим общий вид температурной зависимости тангенса угла ДП, обусловленных Д-Р поляризацией:
При нагревании возрастает, проходит через максимум и далее снижается. Это объясняется тем, что при нагревании в полярных диэлектриках молекулярного строения имеют места 2 процесса:
участок а-б: в результате ослабления межмолекулярных сил, вызванного повышением температуры, улучшаются условия ориентации диполей вдоль силовых линий поля, поэтому Д-Р П и Д-Р потери возрастают, так как вся энергия расходуется на ориентацию диполей;
участок б-в: Д-Р П и Д-Р потери уменьшаются в результате роста энергии хаотического теплового движения полярных молекул.
2. ионно-релаксационные потери (в ДЭ ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой ионов;
|
|
|
Эти потери при нагревании существенно возрастают, так как увеличивается И-Р П в результате ослабления ионных связей и облегчения перехода слабо связанных ионов в вакансии решетки, а также в результате увеличения концентрации релаксаторов (слабосвязанных ионов). И-Р потери, как и образующая их 
, обычно наблюдаются при частотах 106-1010 Гц.
В диэлектриках, представляющих собой композиционные материалы (полимеры с порошкообразным, волокнистым или листовым наполнителем, например, гетинакс, текстолит), а также содержащих включения из проводящей и полупроводящей примеси (напрмер пор, заполненных влагой), будут возникать дополнительно диэлектрические потери, обусловленные миграционной поляризацией.
3. потери, вызванные миграционной поляризацией.
Возникают в диэлектриках, представляющих собой композиционные материалы (полимеры с порошкообразным, волокнистым или листовым наполнителем, например, гетинакс, текстолит), а также содержащих включения из проводящей и полупроводящей примеси (напрмер пор, заполненных влагой), будут возникать дополнительно диэлектрические потери, обусловленные миграционной поляризацией.
Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей содержащихся в них компонентов не существует общей формулы расчета ДП этого вида.
4. Ионизационные потери – это часть мощности приложенного электрического поля, которая расходуется на ионизацию молекул газа.
|
|
|
