Виды диэлектрических потерь

 

Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида:

l) поляризационные (релаксационные) потери;

2) потери сквозной электропроводности;

3) ионизационные диэлектрические потери;

4) диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Поляризационные (релаксационные) потери, обусловлены активной составляющей поляризационных токов. О собенно отчетливо наблюдаются в веществах с релаксационной поляризацией: в диэлектриках дипольной структуры и в диэлектриках ионной структуры с неплотной упаковкой ионов.

Релаксационные диэлектрические потери вызываются нарушением теплового движения частиц под влиянием сил электрического поля. Это нарушение приводит к рассеянию энергии и нагреву диэлектрика.

В температурной зависимости тангенса угла релаксационных диэлектрических потерь наблюдается максимум при некоторой температуре, характерной для данного вещества (рис. 2). Наличие максимумов можно объяснить, основываясь, например, на механизме дипольно-релексационной поляризации вязких жидкостей и полужидких веществ. Дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии на трение с выделением тепла. Если жидкость настолько вязка, что молекулы не успевают следовать за изменением поля, то дипольно-релексационная поляризация практически отсутствует, тангенс угла диэлектрических потерь при этом мал. Он будет также мал, если вязкость жидкости весьма мала и ориентация молекул происходит практически без трения. При средней вязкости значение  может быть велико, а при некоторой вязкости оно достигнет максимума. Положение этого максимума определяется из условия:

,                                                     (9)

где  - угловая частота приложенного напряжения;

   - время релаксации.

 

Рис. 2. Поляризационные (релаксационные) потери в диэлектриках

в зависимости от температуры и частоты (f ₁< f ₂).

 

    При повышении частоты максимум  смещается в область более высокой температуры. Изображенные на рис. 2 зависимости  в измененном масштабе будут справедливы и для .

Потери сквозной электропроводности обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты приложенного напряжения:  уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Величина  при данной частоте может быть вычислена по формуле:

,                                          (10)

если известно , измеренное на постоянном токе и  при данной частоте. Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону:

,                                              (11)

где А, b – постоянные материала,

или

,                                            (12)

где - потери при температуре Т, ^оС;

   - потери при температуре 0, ^оС;

   - температурный коэффициент потерь;

   Т – температура, ^оС.

        

В зависимости от температуры  изменяется по тому же закону, так как можно считать, что реактивная мощность () от температуры практически не зависит (рис. 3).

Рис. 3. Частотные (а) и температурные (б) зависимости потерь

сквозной электропроводности.

 

Ионизационные диэлектрические потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии, а также пористым и слоистым диэлектрикам с газовыми включениями. Ионизационные потери появляются в неоднородных электрических полях при напряженностях, превышающих значение, соответствующее началу ионизации данного газа. Могут быть определены по формуле:

,                                     (13)

 

где А ₁- постоянный коэффициент, f - частота поля, U - приложенное напряжение, U ₀ - напряжение, соответствующее началу ионизации.

Формула справедлива при U > U₀ и линейной зависимости от E. Ионизационное напряжение U₀ зависит от давления, при котором находится газ, поскольку развитие ударной ионизации молекул связано с длиной свободного пробега носителей заряда. С увеличением давления газа величина напряжения начала ионизации возрастает.

В ряде случаев зависимость  от напряжения имеет характер, показанный на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость tg d от напряжения для пористых и слоистых диэлектриков.

 

На некотором участке величина  почти неизменна, при увеличении напряжения сверх определенного предела U _и кривая  начинает резко повышаться. Так как воздух и газы практически не имеют диэлектрических потерь ( =10^-8), то начало экспоненциального роста  от напряжения показывает начало разрушения молекул воздуха высоким напряжением и связанное с этим начало роста диэлектрических потерь. После перехода через максимум (U ₁) кривая опять несколько снижается, так как газ во включениях уже ионизирован и энергия на процесс ионизации больше не затрачивается. Ионизация воздуха сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает химическое разложение органической изоляции, содержащей газовые включения.

 

Диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры наблюдаются в материалах со случайными примесями или отдельным и компонентами, намеренно введенным ив диэлектрик для изменения его состава: слоистых диэлектриках из пропитанной бумаги и ткани, в пластмассах с наполнителем, в пористой керамике, в производных слюды - миканитах, микалексе и т.д.

Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлектриков и особенностей содержащихся в них компонентов, не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь в этом случае.

 

 

Описание установки

 

Мост переменного тока высоковольтный МЕП-5СА (далее мост) предназначен для измерения в автоматическом режиме электрической емкости () и тангенса угла диэлектрических потерь (), электрического напряжения () и частоты переменного тока ().

В основе принципа действия моста лежит уравновешивание ветвей модифицированной схемы Шеринга, в которой в качестве двух низковольтных плеч использован электромагнитный компаратор токов.

Компаратор токов представляет собой экранированный дифференциальный трансформатор, состоящий из трех обмоток с тесной индуктивной связью, и содержит две обмотки WX и W0, через которые протекают сравниваемые токи (ток в цепи эталонного конденсатора и ток в цепи объекта измерений), и обмотку WY, которая служит для выделения сигнала неравновесного состояния. Процесс работы моста полностью автоматизирован.

Основные составные части МЕП- 5СА и их функции:

1. Измерительный блок моста. Выполнен в виде компактного переносного модуля, имеющего прочный экранирующий корпус из дюралюминия. Внешний вид измерительного блока моста показан на рис. 5÷7.

 

Рис. 5. Общий вид измерительного блока	Рис. 6. Вид спереди. 1 – Разъем оптической связи с блоком управления 2 – Выключатель питания 3 – Индикатор питания и зарядки 4 – Разъем подключения зарядного устройства
Рис. 7. Вид сзади.                                                 1 – Разъем подключения объекта                                                         2 – Разъем подключения внешнего эталонного конденсатора                                                         3 – Предохранитель цепи С х                                                         4 – Предохранитель цепи С о

 

2. Блок управления. Представляет собой пульт, который находится в руках оператора, выполняющего измерения. Связь блока управления с измерительным блоком осуществляется волоконно-оптическим кабелем, что обеспечивает безопасную работу оператора. Блок управления снабжен жидкокристаллическим индикатором и клавиатурой. Внешний вид показан на рис. 8-9.

3. Зарядно-питающее устройство выполнено в виде отдельного блока с двумя разъемами на торцевых панелях. На один разъем подводится питающее напряжение от сети, а со второго разъема подается напряжение, необходимое для работы блока управления или на измерительный блок для зарядки аккумулятора. Подключение к сети индицируется зажиганием светодиода красного цвета. Для включения питания блока управления или заряда аккумулятора измерительного блока необходимо нажать тумблер. При включении тумблера загорается светодиод зеленого цвета.

При подключении ЗПУ к сети переменного тока 220В следует использовать розетку, имеющую защитное заземление.

4. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) в паре с высоковольтным повышающим трансформатором. Служат для плавного регулирования величины испытательного напряжения, прикладываемого к образцу.

 

Рис. 8. Блок управления: общий вид

Рис. 9. Блок управления: клавиатура

 

    Общая схема подключения составных частей МЕП-5СА представлена на рис. 10.

Рис. 10. Схема подключения МЕП-5СА.

Порядок выполнения работы

1. Поместить испытуемый образец по центру между электродами.

2. Проверить, чтобы заземляющие проводники от экранов проводов были достаточно удалены от высоковольтного и измерительного электродов.

3. Убедится, что регулятор ЛАТРа находится в положении «0».

4. Закрыть дверь испытательной ячейки. Внимание: заходить в ячейку можно только при отключенном автоматическом выключателе блока розеток иначе сработает звуковая сигнализация!

5. При помощи автоматического выключателя подать питание к блоку розеток. Над дверью испытательной ячейки должна загореться зеленая лампа.

6. Включить в блок розеток зарядно-питающее устройство и ЛАТР.

7. Включить тумблер зарядно-питающего устройства моста. На блоке управления должно высветиться состояние «Выключен». Нажать кнопку «On / off». Через несколько секунд на экране появиться основное окно (Рис. 11).

Рис. 11. Основное окно блока управления

8. Подать напряжение на высоковольтный трансформатор, для чего нажать зеленый включатель «I», расположенный у блока розеток. Над дверью испытательной ячейки должна загореться красная лампа.

9. На блоке управления нажать кнопку «U p / f р» (контроль напряжения и частоты).

10. Вращая регулятор ЛАТРа подать на образец требуемое напряжение.

11. Выполнить замер тангенса угла диэлектрических потерь  и емкости  образца при заданном напряжении, для чего нажать кнопку «tg d _х /С_х» блока управления.

12. Повторить пункты 9-11 для других значений испытательного напряжения.

13. По окончании замера вывести регулятор ЛАТРа в положение «0». Снять напряжение с высоковольтного трансформатора нажав красный выключатель, расположенный у блока розеток. Над дверью испытательной ячейки должна погаснуть красная лампа.

14. Нажатием кнопки «On / off» перевести блок управления в состояние «Выключен», После чего выключить тумблер зарядно-питающего устройства.

15. При помощи автоматического выключателя снять питание с блока розеток. Над дверью испытательной ячейки должна погаснуть зеленая лампа. Теперь можно входить в испытательную ячейку.

 

Примерное задание

1. Исследовать зависимость  и трех видов диэлектриков от напряжения . Для каждого диэлектрика взять не менее семи значений .

2. По полученным данным построить зависимости: ; ; ; .

Примечание: величину диэлектрической проницаемости  рассчитать, воспользовавшись формулой емкости плоского конденсатора:

,

где  - электрическая постоянная, равная 8,85×10^-12 Ф/м;

  S – площадь измерительного электрода, м²;

  h – толщина образца, м.      

Величину диэлектрических потерь  определить по формуле (8).

 

3. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу:

 

№ п/п	Наименование материала	Толщина образца, мм	Диаметр электрода, м	U, кВ	tgdх	Сх, Ф	e	, Вт	Примечание

 

 

                 

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Принципиальная схема установки.

3. Расчетные формулы, использованные в работе.

4. Таблицы, содержащие результаты измерений и вычислений.

5. Графики снятых зависимостей.

6. Выводы по работе. Сравнительная оценка испытанных материалов.

 

Вопросы для самопроверки

1. Что такое диэлектрические потери, и какая величина численно их характеризует?

2. Чем вызваны потери энергии в диэлектриках?

3. Что такое угол диэлектрических потерь? Как объяснить его появление с точки зрения природы потерь?

4. Какие эквивалентные схемы используются для диэлектриков с потерями электрической энергии?

5. Как изменяется , , и  различных диэлектриков от температуры и напряжения?

 

 

Список литературы

 

1. Богородищшй Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. - Д.: Энергия, 1983.

2. Корицкий Ю.В. Электротехнические материалы. - М.: Энергия, 1972.

3. Пасынков В.В., Тареев Б.М., Корищий Ю.В. Справочник по электротехническим материалам. - М.: Энергия, 1974, т.1,2,3.