Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от различных факторов

Значения tgd, как и другие параметры диэлектриков для данных образцов материалов или участков изоляции, не являются строго постоянными, а зависят от различных внешних факторов.

Эти зависимости имеют существенное практическое значение.

Температурная зависимость tgd. При рассмотрении температурной зависимости tgd необходимо различать полярные и неполярные диэлектрики.

У неполярного диэлектрика проявляется только потери на электропроводность. Поэтому с ростом температуры tgd, а, следовательно, и диэлектрические потери, растут (Рис. 4.5, а), что обусловлено возрастанием тока проводимости в диэлектрике.

У полярных диэлектриков к потерям на электропроводность, которые больше, чем у неполярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию дипольных молекул.

Рис. 4.5. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь:
а) от температуры, б) от частоты 1 - неполярный диэлектрик, 2 - полярный диэлектрик

При низких температурах вязкость материалов высока, диполи практически не разворачиваются при приложении поля, и дипольная поляризация отсутствует, а tgd имеет низкие значения (Рис. 4.5, а).

С ростом температур до значения T₁ происходит уменьшение вязкости и усиление дипольной поляризации, вследствие чего возрастает и tgd. С дальнейшим ростом температуры (участок T₁ -Т₂) вязкость становится настолько мала, что диполи легко поворачиваются по полю и уменьшаются затраты энергии на трение. В результате чего tgd уменьшается. Рост tgd, а следовательно, активных потерь в диэлектрике, начиная с температуры Т₂ и выше, вызван увеличением тока проводимости, так как вязкость вещества уменьшается и носители тока (свободные ионы и электроны) приобретают большую скорость.

Частотная зависимость tgd . В неполярных диэлектриках существуют только потери на электропроводность, которые не зависят от частоты переменного электрического поля. Вследствие этого произведение ωtgd в выражении (4.7) должно иметь постоянное значение. Поэтому тангенс угла потерь tgd с ростом частоты уменьшается по гиперболе (график I, Рис. 4.5,б).

Рис. 4.6. Зависимость диэлектрических потерь от частоты: 1- неполярный диэлектрик, 2 - полярный диэлектрик

В полярных диэлектриках рассеиваемая мощность в основном определяется потерями на трение при ориентации дипольных молекул. Поэтому диэлектрические потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля, при этом растет и tgd (график 2, Рис. 4.5,б). Когда же частота становится настолько велика что дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tgd падает, то потери Р_астановятся постоянными в соответствии с формулой (4.7).

Таким образом, зависимость диэлектрических потерь Р_аот частоты (Рис. 4.6) не соответствует частотной зависимости tgd.

3ависимость tgd от напряжения. При оценке качества изоляции большое практическое значение имеет зависимость tgd электрической изоляции от приложенного к ней напряжения.

Обычно tgd от напряжения практически не зависят, так что диэлектрические потери при повышении напряжения возрастают пропорционально U². Однако иногда зависимость tgd(U) имеет весьма характерный вид, представленный на Рис. 4.7.

Рис. 4.7. Зависимость tgd от приложенного к изоляции напряжения: U_ч.р - напряжение начала частичных разрядов

Из графика видно, что при значениях напряжения, превышающих U_ч.р, tgd резко возрастает. Это связано с началом ионизации включений воздуха или других газов в изоляции. Ионизация в газовых включениях (мельчайших зазорах, прослойках и пузырьках газов) приводит к так называемым "частичным разрядам" в них. Частичные разряды локализуются в ограниченной части объема изоляции, т.е. не доходят до обоих электродов.

Возникновение разрядов в газовых включениях объясняется как малой диэлектрической проницаемостью газов (соответственно большой напряженностью во включениях), так и малой электрической прочностью газов. Рассеяние энергии частичными разрядами приводит к росту tgd при увеличении напряжения выше значения U_ч.р. Частичные заряды в небольшом количестве не могут вызвать необратимых изменений в твердой изоляции. Если через небольшое время снизить напряжение на изоляции ниже напряжения начала частичных разрядов U_ч.р, то частичные разряды гаснут и tgd снижается до исходного значения. Однако образование частичных разрядов в высоковольтной изоляции, предназначенной для длительной эксплуатации, весьма нежелательно. Частичные разряды вызывают дополнительный нагрев изоляции, ее эрозию и в результате приводят к ускоренному старению изоляции.

Сказанное определяет важность получения характеристики tgd(U) для высоковольтной изоляции.

Как правило, рабочее напряжение изоляции должно быть ниже напряжения начала частичных разрядов U_ч.р. Следует считать более высококачественной такую изоляцию, у которой U_ч.р более высокое, а подъем кривой tgd (U) более пологий.