Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Раздел 9. Классификация электротехнических материалов (ЭТМ). История применения ЭТМ. Физика диэлектриков.

 

Лекция №21

Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках

Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках в слабых электрических полях (рассмотрим на примере воздуха) являются следствием только тока сквозной проводимости. Так как у воздуха

 

 

 

Диэлектрические потери воздуха имеют самое низкое значение и практически не зависят ни от температуры, ни от частоты напряжения. Однако в сильных полях потери могут значительно (на несколько десятичных порядков) возрастать в результате поглощения энергии, идущей на ионизацию молекул воздуха — на возникновение чр

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

В жидких неполярных диэлектриках (например, в нефтяных электроизоляционных маслах) диэлектрические потери обусловлены только током сквозной проводимости и имеют небольшие значения

которые мало зависят от частоты и температуры, но существенно зависят от природы и концентрации примеси (рис1). Наличие ионогенной примеси (например, влаги, свободных органических кислот и т.п.) приводит к существенному увеличению электропроводности и, следовательно, диэлектрических потерь.

Из рис. 1, б видно, что с увеличением температуры tgδ нефтяного трансформаторного масла чистого, сухого возрастает незначительно. Потери возрастают, так как увеличивается ток сквозной проводимости. У масла эксплуатационного с предельно допустимым значением кислотного числа (к.ч. = 0,25 мг КОН/1г;) очень высокое содержание ионогенной примеси – органических кислот и воды. С повышением температуры степень диссоциации молекул кислот, воды и другой ионогенной примеси возрастает, следовательно, возрастает ионная проводимость в трансформаторном масле и, как следствие, увеличиваются диэлектрические

потери. В жидких полярных диэлектриках (в касторовом масле, полихлордифениле и т.п.) диэлектрические потери являются следствием как тока сквозной проводимости, так и дипольно-релаксационной поляризации. При этом дипольно-релаксационная поляризация существенно влияет на общий уровень диэлектрических потерь. Величина tgδ может иметь значения ~ 10^~3—10^~2 и более.

В случае дипольно-релаксационной поляризации tgδ при нагревании проходит через максимум и далее с увеличением температуры возрастает, так как возрастает ток проводимости (рис. 2, а). С увеличением частоты напряжения максимум tgδ, обусловленный дипольно-релаксационной поляризацией, смещается в сторону более высоких температур (см. рис. 2, б). Если диэлектрические потери измерять в частотном интервале, то с увеличением частоты напряжения 1§8 снижается, особенно резко вначале, так как уменьшаются потери, обусловленные током сквозной проводимости. Максимум потерь на кривой зависимости вызван дипольно-релаксационной поляризацией.

С ростом частоты напряжения tgδ в области максимума возрастает до тех пор, пока дипольно-релаксационная поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько большой, что диполи уже не успевают ориентироваться в направлении поля и дипольно-релаксационная поляризация снижается, то снижается и 1§8, становясь минимальным. С увеличением температуры измерения максимум tgδ смещается в область более высоких частот.

 

Рис. 1. Общий вид (а) зависимости tgδ жидких неполярных диэлектриков от температуры Т:

 

 

Рис. 2. Общий вид (а) зависимости tgδ жидких полярных диэлектриков

от температуры

 

Рис. 3.Теоретическая зависимость tgδ полярных диэлектриков от частоты со напряжения: потери, обусловленные током проводимости (1), дипольно-релаксационной поляизацией (2)

Рис. 4. Кривые зависимости (^б от частоты напряжения со (а) и температуры Т

(б) полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты:

 

На рис. 4 приведены кривые частотной и температурной зависимости tgδ полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты. С увеличением номера кривой содержание ионогенной примеси возрастает. При большом содержании примеси дипольно-релаксационный максимум потерь может быть полностью замаскирован потерями, обусловленными током проводимости (кривая 3).

 

3.Диэлектрические потери в твердых диэлектриках.

Твердые диэлектрики ионного строения

В кристаллических диэлектриках с плотной упаковкой решетки ионами (в кварце, слюде, корундовой керамике и т.п.) наблюдаются электронная и ионная поляризации, не вызывающие рассеивания мощности приложенного электрического поля, поэтому диэлектрические потери в этом случае обусловлены только током сквозной проводимости. Диэлектрические потери этих материалов имеют небольшие значения и при повышении температуры незначительно возрастают, так как возрастает ток сквозной проводимости. Наличие примеси, искажающей кристаллическую решетку, приводит к существенному увеличению tgδ. В диэлектриках аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой решетки (в неорганических стеклах, асбесте, электротехнической керамике и т.п.), кроме электронной и ионной поляризаций, имеется и ионно-релаксационная, вызывающая ионно-релаксационные потери. Диэлектрические потери в этом случае обусловлены током сквозной проводимости и ионно-релаксационной поляризацией. Диэлектрические потери в этих ди•мюктриках выше (1§8 я 10~2), чем в диэлектриках кристаллических с плотной упаковкой решетки ионами и сильно зависят от температуры: при нагревании tgδ существенно возрастает.

На значение tgδ сильно влияет термообработка. У отожженных стеклянных изоляторов tgδ = 0,0073, у закаленных — tgδ = 0,125.

 

 

Рис 5. Общий вид (а) зависимости tgδ от температуры Г диэлектриков ионного

строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой решетки (1) и с плотной упаковкой решетки (II): потери, обусловленные током проводимости (1) и ионно-релаксационной поляризацией (2);

 

Твердые диэлектрики молекулярного строения. В неполярных диэлектриках (например, в парафине) потери обусловлены только током сквозной проводимости. У этих диэлектриков наблюдается электронная поляризация; релаксационные виды поляризации отсутствуют. Диэлектрические потери небольшие и при нагревании слегка возрастают (аналогично кривой (7), Наличие ионогенной примеси (например, влаги) приводит к существенному возрастанию диэлектрических потерь. В полярных диэлектриках (например, в канифоли) на кривых зависимости tgδ от температуры и частоты напряжения, подобно полярным жидким диэлектрикам, проявляется максимум тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленный дипольно-релаксационнои поляризацией. В этих диэлектриках,

 

 

Рис 6 Зависимость ε (1) и tgδ (2) канифоли от температуры Т при 50 Гц

 

 

так же как в жидких полярных, диэлектрические потери складываются из потерь, обусловленных током сквозной проводимости и дипольно-релаксационной поляризацией..

 

 

Полимерные диэлектрики

В неполярных полимерах (в полистироле, полипропилене и др.) диэлектрические потери при температурах ниже температуры стеклования имеют небольшую величину tgδ (10^~4—10^~5) и

практически не зависят от частоты приложенного напряжения и очень слабо зависят от температуры (рис. 7). При нагревании (при Т < Тс) tgδ незначительно возрастает, так как слегка возрастает ток сквозной проводимости (см. рис. 7, а, кривая 7). Кривая зависимости при температурах выше температуры стеклования (Т > Тс) возрастает и проходит через максимум, обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией. С дальнейшим увеличением температуры tgδ растет вследствие увеличения тока проводимости.

 

 

Рис 7. Общий вид (а) зависимости (§6 неполярных полимеров от температуры Т

 

С увеличением частоты приложенного напряжения максимум дипольно-сегментальных потерь смещается в область более высоких температур

 

Полярные полимеры (поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиамиды и др.) имеют значительно большие значения tgδ (10^"~3—10^~2 и выше), чем неполярные. С увеличением температуры tgδ проходит через два максимума, обусловленные соответственно дипольно-групповой (при Т< Тс) и дипольно-сегментальной (при Т > Тс) поляризациями и далее возрастает вследствие увеличения тока проводимости. С увеличением степени кристалличности к полиэтилентерефталата диэлектрические потери снижаются, особенно значительно в области дипольно-сегментальной поляризации. Эти результаты еще раз показывают, что дипольно-сегментальная поляризация имеет место в аморфных полимерах, а в кристаллизующихся полимерах, каковым является полиэтилентерефталат, — в аморфных областях. Поэтому с увеличением степени кристалличности полиэтилентерефталата максимум, обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией, уменьшается.

С увеличением частоты напряжения оба максимума диэлектрических потерь на кривой смещаются в сторону более высоких температур. Поэтому в области высоких температур и СВЧ оба максимума потерь сближаются вплотную, вызывая один релаксационный максимум диэлектрических потерь.

 

 

 

Рис. 8 Температурная зависимость tgδ линейного полиэтилена высокой плотности (/), разветвленного полиэтилена низкой плотности (2) и закаленного полиэтилена (3)

 

 

На величину диэлектрических потерь полимеров существенно влияют полярность и пористость материала и относительная влажность воздуха. В результате накопления влаги в порах изоляции возникает миграционная поляризация, которая приводит к существенному увеличению диэлектрических потерь, особенно при низких частотах. Поэтому у полимеров полярных с увеличением относительной влажности воздуха tgδ значительно возрастает.