Виды диэлектрических потерь

Различают следующие виды потерь энергии в диэлектрике:

- потери, обусловленные сквозной проводимостью;

- потери, связанные с поляризацией.

- потери на ионизацию воздушных включений.

- потери, обусловленные неоднородностью структуры.

Потери на сквозную проводимость значительны у материалов высокой объемной и поверхностной проводимостью. Если конденсатор с потерями представить параллельной, схемой замещения, состоящей из емкости С и сопротивления R_ИЗ, то

tgδ

Мощность потерь

P_a=I_aU=

Видно, что tgδ обратно пропорционален частоте, а мощность потерь от частоты не зависит.

С другой стороны, т.к. C= (S-площадь обкладок, d - толщина диэлектрика), то

tg= , где

Y_скв- удельная сквозная проводимость.

Чем больше Y_скв и меньше ε’, тем больше tgδ. Для хороших диэлектриков потерями на сквозную проводимость можно пренебречь уже на частотах

1-100 кГц.

Температурные зависимости tgδ и Р_а описываются выражениями:

tgδ=

где: А, В, b, с, - постоянные коэффициенты, зависящие от материала. Видно, что и tgδ и P_a с ростом температуры возрастают, что связано с уменьшением R_из.

Так как tg= для потерь на поляризацию, то общую частотную зависимость ε’ и ε’’ для диэлектриков удобнее представлять в виде, приведенном на рис.1[А1] .

Здесь: ∆ε'_стр приращение ε' за счет структурной поляризации;

∆ε'_рел - приращение ε' за счет релаксационных видов поляризации;

∆ε'_э и ∆ε'_и - приращение ε' за счет ионной и электронной поляризаций.

При совпадении частоты сигнала с частотой собственных колебаний частиц вещества наблюдается интенсивное поглощение энергии электрического поля. Потери и tg= возрастают с частотой в каждом пике до тех пор, пока поляризация успевает следовать за смещением поля. Чем больше частота f, тем больше число переориентаций диполя, тем больше tgδ и Р_а.

Когда частицы не успевают ориентироваться за полем, ε'', tgδ падает, а мощность потерь становится постоянной (P_a = U²ωC_*tgδ, ω – растет, tgδ

– падает, P_a = const). Это показано на рис. 2.

В температурных зависимостях tgδ и Р_а имеется максимум. Например, для силикатного стекла и бумаги такие зависимости показаны на рис. 3

Графики, приведенные на рис.1, можно использовать для ориентированного предсказания частотных характеристик диэлектриков. Например, для полиэтилена, имеющего только электронный вид поляризации, зависимость ε' и ε" от частоты будут иметь вид, показанный на рис.4

Рис.4

Для бумаги, у которой вероятна структурная дипольно-релаксационная и электронная поляризации эти же зависимости будут такими, как показано на рис. 5.

Потери в диэлектриках с неоднородной структурой зависят от степени и характера неоднородности. В частотной зависимости tgδ также имеется максимум, а в температурной зависимости tgδ может быть несколько максимумов. Например, для бумаги, пропитанной масляно-канифольным компаундом в зависимости tgδ от температуры имеется два максимума, первый (-60°С) характерен для бумаги, второй (60°С) характерен для компаунда.

Потери на ионизацию воздушных включений в твердом диэлектрике возникают при высоких напряжениях, когда начинается их ионизация. При увеличении напряжения tgδ сначала возрастает, а затем уменьшается, когда все молекулы уже ионизированы.

Пробои диэлектриков

Нарушение электрической прочности диэлектрика в электрическом поле называют пробоем.

Напряжение, при котором происходит пробой, называют пробивным -

U_пp, а соответствующее значение напряженности электрического поля –пробивной напряженностью Е_пр. При этом

Е_пр=

Пробой газов обусловлен ударной ионизацией и фотоионизацией, сопровождается коронным разрядом. Пробивная напряженность зависит от химического состава газа, температуры, давления, расстояния между электродами, от формы воздействующего напряжения. При нормальных условиях пробивная напряженность воздуха

Е_пр=

Длительность подготовки пробоя газов составляет, 10-7-10-8с. Чем больше величина приложенного к газовому промежутку напряжения, тем быстрее развивается пробой.

Пробивное напряжение при воздействии импульсов выше, чем при воздействии постоянного напряжения, что оценивается коэффициентом импульса β= , величина β достигает 1,5.

При уменьшении зазора между электродами Е_пр увеличивается (рис.6), что объясняется трудностью формирования разряда.

График зависимости Е_пр воздуха от давления показан на рис.7.

При увеличении давления от Р_о уменьшается расстояние между молекулами, уменьшается длина свободного пробега, Е_пр растет. При уменьшении давления от Р_о уменьшается число молекул в единице объема, уменьшается вероятность столкновения атомов с электронами, Е_пр также растет.

Влияние частоты f на Е_пр воздуха видно из рис.8

С увеличением частоты до 5*10⁶ Гц, Е_пр сначала уменьшается, что объясняется искажениями поля, обусловленными образованием объемных зарядов в воздухе и вследствие различия в подвижностях ионов и электронов. При увеличении частот больше 5*10⁶ Гц Е_пр растет, что объясняется тем, что ударная ионизация не успевает развиваться за полупериод приложенного напряжения.

Влияние химического состава газа на пробивную напряженность видно из следующих данных: для азота , для гексафторида серы (элегаза) SF₆ это отношение равно 2,5; для фреона CCl₂F₂ -2,6; для паров четыреххлористого углерода – 6,4.

На Е_пр также влияет степень однородности поля. В неоднородном поле возможно возникновения коронного разряда в критических местах (между остриями). Неоднородность поля ведет к уменьшению Е_пр.

Пробой жидкостей происходит при более высоких напряженностях, чем в газах. Пробивная напряженность сильно зависит от концентрации примесей, особенно воды. Сотые доли процентов воды снижает Е_пр в несколько раз. Пробой жидкостей объясняется диссоциацией молекул примесей и собственных молекул при высоких напряженностях поля, а также ударной ионизацией.

ОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ