Измерение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков

Цель работы: Закрепить понятие о диэлектрической проницаемости и тангенсе угла диэлектрических потерь, проверить опытным путем значение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ряда электротехнических изделий.

Теоретические предпосылки: Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь – важнейшие характеристики электроизоляционных материалов. Диэлектрической проницаемостью ( или относительной диэлектрической проницаемостью) ε называется отношение абсолютной диэлектрической проницаемости вещества ε_а к электрической постоянной ε_о.

Значение относительной диэлектрической проницаемости электроизоляционных материалов можно вычислить, сравнив емкости двух конденсаторов, одинаковых по форме и геометрическим размерам:

,

где С_х – емкость конденсатора с испытываемым диэлектриком;

С_о – емкость конденсатора при тех же геометрических размерах, но в случае, когда испытываемый диэлектрик заменен вакуумом.

Значение ε исследуемого диэлектрика можно определить, измеряя дважды емкость разборного конденсатора: когда между обкладками данный диэлектрик (С_х) и когда между ними воздух (С_о). Замена вакуума воздухом дает малую погрешность (сотые доли процента).

Нагрев диэлектрика в электрическом поле происходит из-за того, что часто энергия электрического поля рассеивается и преобразуется в теплоту. Рассеиваемая за единицу времени энергия называется диэлектрическими потерями.

В большинстве случаев нагрев диэлектриков нежелателен, он ухудшает их эксплуатационные свойства, ускоряет процесс старения, уменьшается надежность электротехнических устройств и повышается утечка в цепях.

Однако диэлектрические потери используются при методе термообработки некоторых изделий из пластмасс.

Диэлектрические потери вызываются в основном электропроводностью, к ним добавляется потери на поляризацию, а также в сильных полях потери на ионизацию.

Диэлектрические потери не удобно выражать в абсолютном виде, так как они зависят от объема электроизоляционного материала, напряжения, частоты установки. Поэтому для оценки свойств электроизоляционных материалов используются относительные показатели, в частности тангенс угла диэлектрических потерь – tgδ.

Тангенс угла диэлектрических потерь – tgδ определяется как тангенс угла δ, являющегося дополнительным углом по отношению к углу сдвига фаз между током I и напряжением U (δ = 90⁰- φ), и представлен на рисунке 6.1.

Взаимосвязь между tgδ и диэлектрическими потерями Р_а выражается формулой.

,

где U – напряжение сети, В;

С – емкость конденсатора, Ф;

ω = 2 πf- угловая частота.

 

Коэффициент диэлектрических потерь определяется как произведение относительной диэлектрической проницаемости ε_r и tgδ; ε_r^”= ε_r×tgδ.

Диэлектрические потери при заданном напряжении или напряженности электрического поля, частоте, относительной диэлектрической проницаемости или емкости (Сºε_r) будут зависеть от значения tgd.

 

Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящихся под переменном напряжением.

 

 

I_{а абс.} I_пр.

I_{р. абс}

I

δ

φ

I_см. U

Рисунок 6.1.

I - ток в диэлектрике, I_см – ток, сопутствующий электронной поляризации, I_{а абс.}, I_{р абс.} – соответственно активная и реактивная составляющая тока других видов поляризации, I_пр-ток сквозной проводимости через диэлектрик.

К тому же εr и tgδ зависят, в свою очередь, от температуры и частоты, а в некоторых случаях и от напряжения.

Для неполярных диэлектриков tgd экспоненциально увеличивается с ростом температуры (рис 6.2.), такой же характер и имеет зависимость диэлектрических потерь, так как ε_r практически независит у неполярных диэлектриков от температуры.

В случае полярных диэлектриков к потерям на электропроводность (кривая 1), которые больше, чем у не полярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию (кривая 2) которые увеличивают общее значение tg d. В итоге зависимость tg d от температуры изображается кривой 3. Диэлектрические потери обычно возрастают с температурой, несмотря на то, что tg d в определенной области может уменьшаться, так как в той области, где tg d уменьшается, резко увеличивается ε_r к тому же часто потери на электропроводность выше, чем потери на поляризацию.

 

Зависимость tg d неполярного

диэлектрика от температуры.

tgδ

 

 

 

Т

 

Рисунок 6.2.

 

Зависимость tg d от Т

для полярного диэлектрика.

 

tgδ

 

3

 

1

Т

Рисунок 6.3.

1- потери на электропроводность, 2 – потери на поляризацию, 3 – суммарная зависимость.

Зависимость tg d от частоты f для неполярных диэлектриков представлена на рисунке 6.4.

Зависимость tg d от частоты f

для неполярного диэлектрика

tgδ

 

 

f

Рисунок 6.4.

В неполярных диэлектриках существуют только потери на электропроводность, которые не зависят от f. Поэтому произведение w×tgd должно иметь постоянное значение. Поэтому tgd с ростом частоты уменьшается по гиперболе.

У полярных диэлектриков, к потерям на электропроводность (кривая 1) прибавляются потери на поляризацию (кривая 2), поэтому изменение tgd имеет вид кривой 3.

Зависимость tgd от f

для полярных диэлектриков.

tgd

3

1

 

f

 

Рисунок 6.5.

1 – потери на электропроводность, 2 – потери на поляризацию, 3 – суммарные потери.

Зависимость диэлектрических потерь от f представлена на рис.6.6.

Зависимость диэлектрических потерь от f

 

Р

 

f

 

Рисунок 6.6.

Сначала потери создаются только электропроводностью, не зависящей от f, при дальнейшем увеличении частоты они резко увеличиваются так как резко увеличивается tgd, увеличение которого не может скомпенсировать уменьшение ε_r. Начиная с определенной частоты, при которой tgd имеет max потери почти постоянны, так как уменьшение tgd компенсируется увеличением f.

Зависимость tgd от напряженности электрического поля Е изображена на рисунке 6.7.

Зависимость tgd от напряженности

электрического поля Е

tgd

 

 

Обл. слабых полей Обл. сильных полей

Е

 

Рисунок 6.7.

Диэлектриков без потерь не существует. Существуют только диэлектрики с очень малыми потерями, особенно в области низких температур, самые низкие потери имеют неполярные газы, но только в области слабых электрических полей.