Виды диэлектрических потерь

Различают следующие основные виды диэлектрических потерь:

1) потери, обусловленные током сквозной проводимости;

2) потери, обусловленные релаксационными видами поляричации;

3) ионизационные потери.

Первые два вида потерь имеют место при любых напряженностях ноля, третий вид — только в сильных электрических полях. Диэлектрические потери, обусловленные током сквозной проводимости, наблюдаются во всех диэлектриках. В диэлектриках с молекулярной структурой неполярных ( воздух, нефтяные электроизоляционные масла, парафин и т.п.) или имеющих ионную кристаллическую структуру с плотной упаковкой решетки (кварц, слюда, корунд и т.п.) этот вид потерь является единственным. Диэлектрические потери в этом случае обусловлены направленным движением заряженных частиц. В зависимости от природы диэлектрика, его состояния и величины приложенного напряжения заряженными частицами могут быть ионы и электроны, ионы и -коллоидные частицы или одни ионы.

(13)

Рис. 4. Общий вид зависимости тангенса угла диэлектрических потерь 1&5, обуслов-

ленных током проводимости, от частоты напряжения со (а) и температуры Т (б):

/ — сотавляющая (§5, обусловленная током сквозной проводимости

Из выражения (13) следует, что tgδ уменьшается с увеличением частоты по гиперболическому закону (рис. 4, а). Однако потери на электропроводность существенны лишь при низких частотах (до 10³ Гц), а при частотах выше 10⁴ Гц tgδ, обусловленный током сквозной проводимости, становится величиной незначительной — 10^-4 и менее. С увеличением частоты (в области низких частот) tgδ снижается, так как возрастает /, ( см. рис. 2, б). Величину tgδ при данной частоте можно определить в соответствии с (13), если известны значения Е и р при данной частоте f.

С увеличением температуры диэлектрические потери, обусловленные током сквозной проводимости, возрастают (см. рис.4, 6), так как возрастает удельная электропроводность у в результате увеличения концентрации п носителей заряда и их подвижности а. По такому же закону изменяется в зависимости от температуры и величина рассеиваемой мощности Р:

Диэлектрические потери, обусловленные релаксационными видами поляризации, наиболее часто встречаемыми и важными, являются: диполъно-релаксационные потери (в диэлектриках молекулярного строения полярных); ионно-релаксационные потери (в диэлектриках ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой решетки); потери, вызванные миграционной поляризацией, которая наблюдается при наличии проводящей и полупроводящей примеси в виде включений. При этих видах потерь tgδ диэлектриков имеет высокие значения (tgδ =10^~3—10^~2 и более) и сильно зависит от температуры и частоты приложенного напряжения.

Дипольно-релаксационные потери характеризуются наличием взаимосвязанных максимумов на температурной и частотной зависимостях tgδ, определяемых временем релаксации τ. Положение максимума tgδ, обусловленного дипольно-релаксационными потерями, на кривых tgδ (f) и tgδ (T) определяется из условия

Общий вид температурной зависимости тангенса утла диэлектрических потерь, обусловленных дипольно-релаксационной поляризацией, представленный на рис.5, а, показывает, что при нагревании tgδ возрастает, проходит через максимум и далее снижается. Такой характер изменения tgδ объясняется тем, что при нагревании в диэлектриках молекулярного строения полярных имеют место два конкурирующих процесса. Вначале (участок а—б) в результате ослабления межмолекулярных сил, вызванного повышением температуры, улучшаются условия ориентации диполей вдоль силовых линий поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризация возрастает,

возрастают и дипольно-релаксационные потери, так как вся энергия электрического поля, потребляемая на ориентацию диполей, расходуется на трение и переходит в тепло. При дальнейшем нагревании (участок б— в) в результате значительного роста энергии хаотического теплового движения полярных молекул дипольно-релаксационная поляризация уменьшается; уменьшаются и дипольно-релаксационные потери. С увеличением частоты приложенного напряжения максимум tgδ, так же как и максимум , смещается в область более высоких температур.

Рис..5. Схематическое изображение температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленных дипольно-релаксационной (а) и ионно-

релаксационной (б) поляризациями:

составляющие потерь, вызванные: / — дипольно-релаксационной поляризацией;

2 — ионно-релаксационной поляризацией

В полимерных диэлектриках дипольно-релаксационные потери проявляются в виде двух основных разновидностей: дипольно-сегментальных и дипольно-групповых, имеющих зависимости tgδ от

температуры и частоты, аналогичные соответственно

Дипольно-сегментальные потери вызваны дипольно-сегментальной поляризацией, связанной с подвижностью сегментов (отрезков) молекулярных цепей. Этот вид поляризации и соответствующие ему потери отмечаются при Т > Тс в полярных и неполярных аморфных полимерах, а в кристаллизующихся — только в аморфных областях .

Дипольно-групповые потери вызваны дипольно-групповой поляризацией, которая имеет место благодаря подвижности главным образом полярных групп

Этот вид поляризации и соответствующие ему потери наблюдаются только в полярных (аморфных и кристаллизующихся) полимерах при

В диэлектриках ионного строения аморфных и кристаллических, с неплотной упаковкой решетки ионами ионно-релаксационные потери при нагревании существенно возрастают (см. рис. 5, б), так как увеличивается ионно-релаксационная поляризация в результате ослабления ионных связей и облегчения перехода слабо связанных ионов в вакантные узлы решетки, а также в результате увеличения числа релаксаторов (слабо связанных ионов). Ионно-релаксационные потери, как и образующая их а|ф, обычно наблюдаются при частотах до 106-1010 Гц. В диэлектриках, представляющих собой композиционные материалы (например, гетинакс, текстолит, полимер с порошкообразным или волокнистым наполнителем), а также содержащих частички проводящей и полупроводящей примеси (например, пор, заполненных влагой), будут возникать дополнительно диэлектрические потери, обусловленные миграционной поляризацией. Ионизационные потери — это та часть мощности приложенного электрического поля, которая расходуется на ионизацию молекул

газа. Так как все твердые тела имеют газовые включения (поры и микротрещины), а в жидкостях могут присутствовать микропузырьки газа (воздуха), то ионизационные потери наблюдаются и в твердых, и в жидких диэлектриках в сильных полях.

При (область слабых полей) газ во рключениях не ионизирует, и tgδ определяется только потерями самого твердого диэлектрика, поэтому величина tgδ от приложенного напряжения не зависит.

При (область сильных полей) в газовых включениях изоляции возникают частичные электрические разряды, приводящие к увеличению рассеянной мощности приложенного электрического поля и соответственно к росту tgδ (рис.6). График зависимости tgδ изоляции от величины приложенного напряжения называют кривой ионизации, а — порогом ионизации. Как видно из рис. 6, фактический порог ионизации наступает при более низком напряжении, чем он фиксируется на кривой в точке Uи. С дальнейшим увеличением напряжения tgδ растет, так как в этот процесс вовлекаются новые газовые включения. Вначале чр возникают в крупных газовых включениях, затем по мере роста напряжения чр образуются в более мелких включениях. При tgδ достигает максимума, в котором газ ионизирован во всех включениях и, следовательно,

энергии на ионизацию новых включений не требуется, поэтому с дальнейшим ростом U tgδ уменьшается. Однако в сильных полях собственная электропроводность твердого диэлектрика начинает возрастать, и при

наступает пробой (см. рис. 6, 2). Чем выше Uи и меньше приращение tgδ (более пологий подъем tgδ, тем лучше качество высоковольтной изоляции. Последнее достигается путем уменьшения пористости (количества, а главное —размера пор) высоковольтной изоляции.

Под действием частичных электрических разрядов, зажигаемых и газовых включениях твердой изоляции, идет постепенное ее разрушение. При этом чем больше диаметр газовых включений (особенно более 0,1 мм), тем ниже Uи и выше интенсивность чр.

Рис.6. Зависимость tgδ от напряжения U для изоляции с воздушными включениями (схематически)