Виды диэлектрических потерь.

Различают следующие виды диэлектрических потерь:

- потери, обусловленные током сквозной проводимости;

- потери, обусловленные релаксационной поляризацией;

- ионизационные потери.

Последний вид потерь существует только в сильных электрических полях.

4.3.1. Диэлектрические потери, обусловленные током сквозной проводимости, наблюдаются во всех видах диэлектриков. В неполярных диэлектриках ( нефтяные электроизоляционные масла, парафин), или имеющих ионную структуру с плотной упаковкой решетки (кварц, слюда), т.е. в веществах, не имеющих релаксационных видов поляризации, этот вид потерь является единственным. Для параллельной схемы замещения диэлектрика имеем

Так как ω = 2πf, емкость плоского конденсатора С=ε₀ε(S/h), где ε₀ = 8,84∙10^-12 Ф/м – электрическая постоянная, активное сопротивление R = ρ(h/S), то получим выражение

(4)

Таким образом, в первом приближении имеем, что потери на электропроводность обратно пропорциональны частоте приложенного напряжения. Для неполярных диэлектриков диэлектрическая проницаемость не зависит от частоты. Но для полярных диэлектриков следует учитывать изменение диэлектрической проницаемости от частоты приложенного напряжения. Так как при увеличении частоты диэлектрическая проницаемость уменьшается, то снижение диэлектрических потерь происходит медленнее, чем по гиперболическому закону.

С увеличением температуры возрастает электропроводность диэлектрика в связи с ростом количества свободных зарядов и увеличением их подвижности. Это обозначает снижение удельного сопротивления и, в соответствие с формулой (4), мы имеем увеличение tg δ. Графические зависимости tg δ от частоты и температуры приведены на рис. 4.4.

4.3.2.Диэлектрические потери, обусловленные релаксационными видами поляризации.

При наличии у диэлектрика релаксационных механизмов поляризации его tg δ имеет высокие значения (0,001-0,01) и сильно зависит от температуры и частоты приложенного напряжения.

Общий вид температурной зависимости tg δ , обусловленного дипольно-релаксационной поляризацией, представлен на рис.4.5.а.

При низкой температуре вязкость диэлектрика будет высокой, диполи не смогут следовать за полем и дипольно-релаксационная поляризация практически исчезает, а tg δ имеет низкое значение. При высоких температурах вязкость среды становится минимальной, ориентация диполей происходит практически без трения, поэтому потери в диэлектрике невелики, tg δ имеет также имеет низкое значение. Значение tg δ достигает максимального значения, когда диполи успевают максимально полно ориентироваться по полю.

Положение максимума этой кривой определяется равенством ω = 1/τ, где ω – круговая частота приложенного напряжения, τ – время релаксации диэлектрика.

Время релаксации диэлектрика зависит от вязкости среды и, следовательно, от её температуры.

Ионно-релаксационные потери монотонно возрастают при нагревании (рис.4.5.б), так как ослабляются ионные связи и увеличивается число ионов, участвующих в переходах на вакантные узлы решетки.

Дипольно- и ионно-релаксационные потери заметно проявляются при частотах 10⁶-10¹⁰ Гц.

Ионизационные потери – это та часть мощности приложенного электрического поля, которая расходуется на ионизацию молекул газа. Практически все технические твердые диэлектрики имеют газовые включения (поры, микротрещины), а в жидких диэлектриках присутствуют микропузырьки воздуха, то ионизационные потери наблюдаются как в твердых, так и в жидких диэлектриках при достаточно больших значениях электрического поля.

Рассмотрим поведение составляющей потерь, обусловленной ионизацией газа в воздушных включениях, кривая 1 рис.4.6. В области слабых полей U < Uн самостоятельная ионизация отсутствует, поэтому общие потери определяются собственными потерями в диэлектрике, а величина tg δ от напряжения не зависит. По мере увеличения напряжения в газовых включениях диэлектрика начинают возникать частичные разряды – проявление самостоятельной ионизации газов. Рассеяние мощности увеличивается, что соответствует росту tg δ. При увеличении напряжения потери резко нарастают. Вначале частичные разряды возникают в более крупных газовых включениях, затем при увеличении напряжения в этот процесс вовлекаются новые, более мелкие включения. При напряжении равном Uм газ оказывается ионизированным во всех включениях. Следовательно, дополнительной энергии для ионизации уже не требуется, tg δ достигает локального максимального значения. В соответствии с формулой (3) для мощности потерь в параллельной схеме замещения диэлектрика дальнейшее увеличение приложенного напряжения будет сопровождаться снижением потерь, а значит и величиной tg δ. Однако в сильных электрических полях нелинейно начинает нарастать электропроводность самого твердого диэлектрика, приближаясь к точке пробоя диэлектрика. Приближение напряжения к значению напряжения пробоя сопровождается увеличением tg δ. Чем меньше приращение tg δ при изменении напряжения в диапазоне от Uн до Uм, тем лучше качество высоковольтной изоляции. Это достигается за счет снижения пористости (количества и главное – размера пор) высоковольтной изоляции.

Под действием частичных разрядов, зажигаемых в газовых включениях твердой изоляции, идет постепенное ее разрушение – т.н. электрическая эрозия. Чем больше диаметр газовых включений (особенно больше 0,1 мм), тем выше интенсивность частичных разрядов и ниже значение напряжения Uн, при котором начинаются разрядные процессы.

Ионизационные процессы могут происходить не только в толще диэлектрика, но и на его поверхности, у поверхности проводов линий передач высокого напряжения и контактных сетей железных дорог. Поверхностная ионизация известна под названием явления короны.

Ионизационные потери могут быть вычислены по приближенной формуле

где А – постоянный коэффициент, f – частота напряжения, U – приложенное напряжение, Uн – напряжение начала ионизации.