Hva er dielektrisk tap og hva som forårsaker det
Dielektriske tap er energien som forsvinner per tidsenhet i et dielektrikum når et elektrisk felt påføres det og får dielektrikumet til å varmes opp. Ved konstant spenning bestemmes energitapene kun av styrken til gjennomstrømmen på grunn av volum og overflateledning. Ved vekselspenning legges disse tapene til tapene på grunn av forskjellige typer polarisasjoner, samt tilstedeværelsen av halvlederurenheter, jernoksider, karbon, gassinkluderinger, etc.
Tatt i betraktning det enkleste dielektriske, kan vi skrive uttrykket for kraften som forsvinner i den under påvirkning av en vekselspenning:
Pa = U·I,
hvor U er spenningen som påføres dielektrikumet, er Aza den aktive komponenten av strømmen som flyter gjennom dielektrikumet.
Den dielektriske ekvivalentkretsen presenteres vanligvis i form av en kondensator og en aktiv motstand koblet i serie. Fra vektordiagrammet (se fig. 1):
Aza = Integrert krets·tgδ,
hvor δ — vinkelen mellom vektoren til den totale strømmen I og dens kapasitive komponent Integrert krets.
Derfor
Pa = U·Integrert krets·tgδ,
men strømmen
Integrert krets = UΩ C,
hvor er kapasitansen til en kondensator (gitt dielektrikum) ved vinkelfrekvensen ω.
Som et resultat er kraften som forsvinner i dielektrikumet
Pa = U2Ω C·tgδ,
dvs. energitapene som forsvinner i dielektrikumet er proporsjonale med tangenten til vinkelen δ som kalles dielektrisk tapsvinkel eller rett og slett tapsvinkelen. Denne vinkelen δ k karakteriserer kvaliteten på dielektrikumet. Jo mindre vinkelen di elektriske tap δ er, desto høyere er de dielektriske egenskapene til isolasjonsmaterialet.
Ris. 1. Vektordiagram av strømmer i et dielektrikum under vekselspenning.
Introduksjon av konseptet med vinkel δ Det er praktisk for praksis, fordi i stedet for den absolutte verdien av dielektriske tap, tas en relativ verdi i betraktning, noe som gjør det mulig å sammenligne isolasjonsprodukter med dielektrikum av forskjellig kvalitet.
Dielektriske tap i gasser
Dielektriske tap i gasser er små. Gasser har svært lav elektrisk ledningsevne... Orienteringen av dipolgassmolekyler under deres polarisering er ikke ledsaget av dielektriske tap. Addisjon tgδ=e(U) kalles ioniseringskurven (fig. 2).
Ris. 2. Endring i tgδ som funksjon av spenning for isolasjon med luftinneslutninger
En stigende tgδ med økende spenning kan vurdere tilstedeværelsen av gassinneslutninger i den faste isolasjonen. Ved betydelig ionisering og tap i gassen kan oppvarming og nedbrytning av isolasjonen forekomme.Derfor blir isolasjonen av viklingene til høyspente elektriske maskiner for å fjerne gassinneslutninger under produksjon utsatt for en spesiell behandling - tørking under vakuum, fylling av porene i isolasjonen med en oppvarmet forbindelse under trykk og rulling for pressing.
Ionisering av luftinneslutninger er ledsaget av dannelsen av ozon og nitrogenoksider, som har en ødeleggende effekt på organisk isolasjon. Ionisering av luft i ujevne felt, for eksempel i kraftledninger, er ledsaget av effekten av synlig lys (korona) og betydelige tap, noe som reduserer overføringseffektiviteten.
Dielektriske tap i flytende dielektriske stoffer
Dielektriske tap i væsker avhenger av deres sammensetning. I nøytrale (ikke-polare) væsker uten urenheter er den elektriske ledningsevnen svært lav, derfor er dielektriske tap også små i dem. For eksempel har raffinert kondensorolje en tgδ
I teknologi, polare væsker (Sovol, lakserolje, etc.) eller blandinger av nøytrale og dipolare væsker (transformatorolje, forbindelser, etc.), der dielektriske tap er betydelig høyere enn for nøytrale væsker. For eksempel er tgδ for ricinusolje ved en frekvens på 106 Hz og en temperatur på 20°C (293 K) 0,01.
Dielektrisk tap av polare væsker avhenger av viskositeten. Disse tapene kalles dipoltap fordi de skyldes dipolpolarisering.
Ved lav viskositet er molekylene orientert under påvirkning av et friksjonsfritt felt, dipoltapene i dette tilfellet er små, og de totale dielektriske tapene skyldes bare elektrisk ledningsevne. Dipoltapene øker med økende viskositet.Ved en viss viskositet er tapene maksimale.
Dette forklares med det faktum at ved tilstrekkelig høy viskositet har ikke molekylene tid til å følge endringen i feltet og dipolpolarisasjonen forsvinner praktisk talt. I dette tilfellet er de dielektriske tapene små. Når frekvensen øker, skifter det maksimale tapet til et høyere temperaturområde.
Temperaturavhengigheten av tap er kompleks: tgδ øker med økende temperatur, når sitt maksimum, synker deretter til et minimum, øker deretter igjen, dette forklares med en økning i elektrisk ledningsevne. Dipoltapene øker med økende frekvens inntil polarisasjonen rekker å følge endringen i feltet, hvoretter dipolmolekylene ikke lenger rekker å orientere seg helt i feltets retning og tapene blir konstante.
I væsker med lav viskositet dominerer ledningstap ved lave frekvenser, og dipoltapene er ubetydelige; tvert imot, ved radiofrekvenser er dipoltapene høye. Dipoldielektriske midler brukes derfor ikke i høyfrekvente felt.
Dielektriske tap i fast dielektrikum
Dielektriske tap i faste dielektriske stoffer avhenger av strukturen (krystallinsk eller amorf), sammensetningen (organisk eller uorganisk) og arten av polarisasjonen. I slike faste nøytrale dielektriske stoffer som svovel, parafin, polystyren, som bare har elektronisk polarisering, er det ingen dielektriske tap. Tap kan bare skyldes urenheter. Derfor brukes slike materialer som høyfrekvente dielektriske stoffer.
Uorganiske materialer, som enkeltkrystaller av bergsalt, sylvitt, kvarts og ren glimmer, som har elektronisk og ionisk polarisering, har lave dielektriske tap på grunn av elektrisk ledningsevne alene. Dielektriske tap i disse krystallene er ikke avhengig av frekvens, og tgδ avtar med økende frekvens. Når temperaturen øker, endres tapene og tgft på samme måte som den elektriske ledningsevnen, og øker i henhold til loven om en eksponentiell funksjon.
I glass med forskjellig sammensetning, for eksempel keramikk med høyt innhold av glassfase, observeres tap på grunn av elektrisk ledningsevne. Disse tapene er forårsaket av bevegelsen av svakt bundne ioner; de forekommer vanligvis ved temperaturer over 50 — 100°C (323 — 373 K). Disse tapene øker betydelig med temperaturen i henhold til loven om en eksponentiell funksjon og avhenger lite av frekvens (tgδ avtar med økende frekvens).
I uorganiske polykrystallinske dielektriske stoffer (marmor, keramikk, etc.), oppstår ytterligere dielektriske tap på grunn av tilstedeværelsen av halvlederurenheter: fuktighet, jernoksider, karbon, gass, etc. samme materiale, fordi egenskapene til materialet endres under påvirkning av miljøforhold.
Dielektriske tap i organiske polare dielektriske materialer (tre, celluloseetere, naturlig løsning, syntetiske harpikser) skyldes strukturell polarisering på grunn av løs partikkelpakking. Disse tapene avhenger av at temperaturen har et maksimum ved en viss temperatur samt at frekvensen øker med veksten. Derfor brukes ikke disse dielektrikkerne i høyfrekvente felt.
Karakteristisk har avhengigheten tgδ av temperatur for papir impregnert med forbindelsen to maksima: den første observeres ved negative temperaturer og karakteriserer tapet av fibre, den andre maksimum ved forhøyede temperaturer skyldes tapet av dipolen til forbindelsen. Når temperaturen øker i polare dielektriske stoffer, øker tapene forbundet med elektrisk ledningsevne.