Диэлектрическая проницаемость материала и угол потерь
Эквивалентная схемазамещения диэлектрика, в котором существуют различные механизмы поляризации, представлена на рисунке 4.1, б в виде соединённых параллельно конденсатора С и резистора r.
Способность различных материалов поляризоваться в электрическом поле складывается из различных механизмов и характеризуется значением относительной диэлектрической проницаемости
ε = С / С0,
где С – ёмкость конденсатора, заполненного диэлектриком;
С0 – ёмкость конденсатора того же размера в вакууме.
Диэлектрическая проницаемость материала ε формируется за счёт различных механизмов поляризации и зависит от температуры и частоты, её изменение при нагреве характеризуется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКε, измеряемым в К–1 (в долях на градус Кельвина). Для газов, неполярных жидкостей и твёрдых диэлектриков характерен отрицательный ТКε, что объясняется их расширением при нагреве. Для полярных жидких и твёрдых изоляционных материалов характерен положительный ТКε, т. к. подвижность диполей при нагреве увеличивается, однако возможны и участки с отрицательным ТКε. Численные значения ТКε для большинства изоляционных материалов находятся в пределах от миллионных до тысячных долей на кельвин.
Диэлектрическими потерями называют энергию электрического поля, затрачиваемую на нагрев диэлектрика. При переменном напряжении потери энергии в диэлектрике намного больше, чем при постоянном, здесь основной причиной нагрева является периодическое изменение поляризации диэлектрика. Если напряжения и токи синусоидальны, то их можно представить в виде проекций на вертикальную ось векторов, вращающихся против часовой стрелки с угловой частотой ω (радиан в секунду, с–1)
ω = 2 π f ,
где f – частота колебания, Гц.
Рисунок 4.1, в является векторной диаграммой, а точки проекции концов векторов на вертикальную ось координат описывают осциллограммы на ленте, протягиваемой в горизонтальном направлении.
Протекание синусоидального тока через конденсатор сопровождается его периодической перезарядкой. В идеальном конденсаторе C напряжение отстаёт от тока на четверть периода, т. е. на 90° (электрических). На векторной диаграмме рисунка вектор емкостного тока, равного UωC, повёрнут относительно напряжения U на 90° против часовой стрелки, т. е. в сторону опережения. В реальном диэлектрике угол φ сдвига фаз между током и напряжением немного меньше, т. к. присутствует ток утечки через сопротивление r изоляции, равный U/R и совпадающий по фазе с напряжением U.Углом потерь энергии в материале диэлектриканазывают угол δ, дополняющий угол сдвига фаз φ между напряжением и током до 90°. Для оценки качества изоляционного материала используют тангенс угла диэлектрических потерь tgδ.Значение тангенсаугла диэлектрических потерьtgδ показывает, какая часть от энергии, запасаемой в изоляционном материале в процессе поляризации, теряется, т. е. расходуется на его нагрев. Чем меньше угол δ и его тангенс, тем меньше энергии теряется за 1 цикл переполяризации, следовательно, такой материал можно применять при более высокой частоте.
Потери энергии конденсатора вызывают его нагрев и могут привести к тепловому разрушению. Если конденсатор используется в колебательном контуре, то потери препятствуют острой настройке на резонанс. Они проявляются через снижение добротности контура и ускоренное затухание колебаний. Потери в изоляции проводов линий связи уменьшают дальность передачи сигналов. Оценка диэлектрических потерь имеет важное значение не только для высокочастотных устройств, но и для материалов, используемых в установках высокого напряжения. Особенно она важна в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку мощность диэлектрических потерь пропорциональна квадрату действующего значения приложенного к диэлектрику напряжения. Мощность потерь в изоляции P, Вт,
P = ωCU2 tgδ,
где ω – угловая частота, с–1;
C – эквивалентная ёмкость изоляции, Ф;
U – действующее значение напряжения, В;
δ – угол диэлектрических потерь, tgδ = 1/(rωC);
r – эквивалентное сопротивление изоляции, Ом.
Следует помнить, что параметры С и r схемы замещения определяются при определённых значениях частоты тока и температуры изоляции, и при других режимах будут иными.
Мощность потерь, отнесенную к единице объёма диэлектрика, называют удельными потерями и измеряют в ваттах на кубометр.
Характер проявления диэлектрических потерь различен в зависимости от агрегатного состояния электроизоляционных материалов: газообразного, жидкого, твёрдого.
В газах наблюдаются ионизационные потери при высоких напряжениях и, чаще всего, в неоднородном поле, когда напряжённость в отдельных местах превосходит некоторое критическое значение в газе. Ионизация воздуха в порах твёрдой органической изоляции сопровождается образованием озона и окислов азота, что вызывает её химическое разрушение.
В чистых неполярных жидкостях диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью и пренебрежимо малы. У хорошо очищенного нефтяного трансформаторного масла tgδ = 0,001 при ε = 2,3.
В полярных жидкостях потери в основном поляризационные. Удельная электропроводность полярных жидкостей при комнатной температуре составляет 10–10–10–11 См/м, а дипольно-релаксацион-ные потери, наблюдаемые при переменном напряжении, значительно превосходят потери от электропроводности, ввиду чего полярные жидкости используют только на промышленной частоте.
В твёрдых веществах, в зависимости от их состава и строения, возможны все виды диэлектрических потерь.
Диэлектрические потери в особо чистых неполярных веществах с молекулярной структурой ничтожно малы. Полиэтилен, фторопласт, полистирол и другие полимеры широко применяют в качестве высокочастотной изоляции, в том числе и высоковольтной.
Полярные полимеры – поливинилхлорид, эпоксидные компаунды, кремнийорганические и фенолформальдегидные смолы, целлюлоза и другие из-за дипольно-релаксационной поляризации отличаются повышенными потерями и применяются в основном на промышленной частоте 50 Гц.
Диэлектрические потери в веществах с ионной структурой зависят от особенностей упаковки ионов в кристаллической решётке.
В веществах с плотной упаковкой ионов в отсутствие примесей, искажающих решётку, диэлектрические потери весьма малы. При повышенных температурах в этих веществах обнаруживаются потери на электропроводность. К веществам данного типа относятся слюда и другие кристаллические неорганические соединения, имеющие большое значение в производстве электротехнической керамики, например, корунд, входящий в состав ультрафарфора.
К диэлектрикам, имеющим кристаллическую структуру с неплотной упаковкой ионов, относится ряд кристаллических веществ, характеризующихся релаксационной поляризацией, вызывающей повышенные диэлектрические потери. Многие из них входят в состав изоляторного фарфора и огнеупорной керамики.
Диэлектрические потери в квазиаморфных веществах с ионной структурой (неорганических стёклах) в большой степени зависят от их состава (tgδ от 0,0002 до 0,01). При совпадении частоты напряжения с частотой колебаний ионов происходят резонансные потери.
Сегнетоэлектрики переполяризуются по петле гистерезиса, поэтому для них характерны весьма большие значения тангенса угла диэлектрических потерь, достигающие 0,1.