Виды диэлектрических потерь

Основные причины диэлектрических потерь:

- релаксационная поляризация

- ударная ионизация

- сквозная электропроводность

Потери, обусловленные, релаксационной поляризацией имеют место в полярных диэлектриках, в диэлектриках с ионной структурой, с неплотной упаковкой. Объясним зависимость tg d от Т и f для жидких диэлектриков (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 – График зависимости тангенса угла диэлектрических потерь полярного диэлектрика политрифторхлорэтилен от частоты при различных температурах.

При невысокой температуре жидкость очень вязкая, молекулы (диполи) не успевают следовать за изменением электрического поля, дипольно-релаксационная поляризация отсутствует и tg d маленький. С увеличением температуры количество диполей, участвующих в поляризации, растет, расходуется дополнительная энергия на их поляризацию, поэтому tg d увеличивается, достигает максимума и начинает уменьшаться, потому что дальнейшее увеличение температуры настолько усиливает хаотическое тепловое движение диполей, что затрудняет их поворот в электрическом поле. Достигнув минимального значения tg d снова увеличивается, так как уже начинает сказываться влияние I_СК, который увеличивается с увеличением температуры.

Рисунок 4.13 – График зависимости тангенса угла диэлектрических потерь конденсаторной бумаги от температуры.

Зависимость tg d от f объясняется так. При малых f число поворотов диполей за единицу времени невелико, значит, невелика и рассеиваемая мощность. Частота увеличивается, увеличивается число поворотов, значит, увеличивается и рассеиваемая мощность и tg d. При достаточно высокой f tg d начинает уменьшаться, так как диполи не успевают следовать за изменением электрического поля.

С увеличением температуры максимум зависимости tg d от f смещается в область высоких частот, так как с увеличением температуры вязкость и время релаксации уменьшается.

Потери, вызванные ударной ионизацией свойственны пористым и слоистым диэлектрикам с газовыми включениями и газам.

В газах при повышении U > U_ПР , называемом порогом ионизации, в газовых включениях в диэлектрике возникает процесс ударной ионизации, т.е. расщепление атомов или молекул газа на ионы и электроны. Увеличивается рассеяние энергии электрического поля и tg d увеличивается достигая максимума.

При напряжении U_К газ уже полностью ионизирован, процесс ионизации заканчивается, энергия больше не расходуется на ионизацию, и

tg d уменьшается. Ионизация газовых включений особенно опасна для неорганического диэлектрика с закрытыми порами, так как может вызвать местный перегрев изделия и его разрушение. Для этого такие диэлектрики пропитывают маслами, лаками, компаундами (например конденсаторная бумага) (рисунок 4.14).

Рисунок 4.14 – График зависимости тангенса угла диэлектрических потерь пористого диэлектрика от напряжения.

Потери, обусловленные сквозной электропроводностью

Это характерно для любого диэлектрика, как при постоянном, так и переменном напряжениях. С увеличением температуры эти потери увеличиваются по экспоненциальному закону:

P(t) = P₀ ∙ e^kt , (4.15)

где P₀ при 0 С; K – температурный коэффициент потерь.

Так как диэлектрики обладают высоким удельным сопротивление (10⁸ – 10¹⁸ Ом), то потери на электропроводность ничтожно малы. Но при t > 100 С эти потери уже будут существенны.

Удельные потери- это диэлектрические потери на единицу объема

P ∕ V = 2 ∙ π ∙ f ∙ ε ∙ ε₀ ∙ U² ∙ tg δ (4.16)

Пробой диэлектриков

Основные понятия пробоя диэлектрика

Пробой диэлектрика это явление, приводящее к потере диэлектриком его электроизоляционных свойств с образованием канала высокой проводимости.

Напряжение, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением U_ПР. Отношение U_ПР к толщине диэлектрика характеризует электрическую прочность диэлектрика, т.е. это минимальная напряжённость электрического поля, соответствующая моменту пробоя:

E_ПР = U_ПР ∕ h, (4.17)

где h – толщина диэлектрика (для твердых диэлектриков) или расстояние между электродами (для жидких и газообразных диэлектриков).