Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в неполярных жидкостях обусловлены только электропроводностью, если жидкость не содержит примесей с дипольными молекулами. Удельная проводимость нейтральных чистых жидких диэлектриков чрезвычайно мала, благодаря чему малы и диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное трансформаторное масло, tgδ которого при частоте 50 Гц составляет около 0,001.

Диэлектрические потери в полярных жидкостях связаны с

дипольно-релаксационной поляризацией. Дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии. Эти потери значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью. Например, полярная жидкость совол имеет при частоте 50 Гц значение tgδ = 0,02.

Потери в полярных жидких диэлектриках зависят от температуры, так как с температурой изменяется вязкость жидкости. Если вязкость жидкости достаточно велика, молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает. Диэлектрические потери при этом будут малы. Если вязкость жидкости мала и ориентация молекул происходит без трения, то потери на поляризацию также будут малы. При средней вязкости поляризационные потери могут быть существенными и при некотором значении вязкости имеют максимум (рис.28).

Применяемые в технике жидкие диэлектрики часто являются полярными или представляют собой смеси неполярных и полярных веществ (например, масляно-канифольные компаунды).

На рис. 27 представлена зависимость tgδ от температуры для

масляно-канифольного компаунда при двух значениях частоты.

Рис. 27. Зависимость tgδ от температуры для масляно-канифольного компаунда.

При повышении частоты максимум tgδ смещается в область

более высокой температуры. Это объясняется тем, что большая частота требует меньшего времени релаксации, необходимого для получения максимума угла потерь, а для этого должна быть

меньше вязкость, т.е. выше температура. Минимум значения tgδ на рис.27 и рис.28 соответствуют температурам, при которых вязкость жидкости становится настолько малой, что ориентация диполей происходит практически без трения. Потери в этом случае очень малы. Дальнейшее увеличение tgδ с повышением температуры объясняется ростом потерь на электропроводность. Именно она определяет механизм диэлектрических потерь при повышенных температурах.

Рис.28. Зависимость мощности ДП и tgδ от температуры и частоты для полярных диэлектриков.

Потери возрастают с частотой до тех пор, пока диполи успевают следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько велика, что дипольные молекулы не успевают полностью ориентироваться в направлении поля, то потери становятся постоянными и tgδ уменьшается.

Вернуться к содержанию

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Сдача сессии и защита диплома — страшная бессонница, которая потом кажется страшным сном. 8815 — | 7170 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Раздел 9. Классификация электротехнических материалов (ЭТМ). История применения ЭТМ. Физика диэлектриков.

Лекция №21

Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

Диэлектрические потери в твердых диэлектриках

Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках

Диэлектрические потери в газообразных диэлектриках в слабых электрических полях (рассмотрим на примере воздуха) являются следствием только тока сквозной проводимости. Так как у воздуха

Диэлектрические потери воздуха имеют самое низкое значение и практически не зависят ни от температуры, ни от частоты напряжения. Однако в сильных полях потери могут значительно (на несколько десятичных порядков) возрастать в результате поглощения энергии, идущей на ионизацию молекул воздуха — на возникновение чр

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках

В жидких неполярных диэлектриках (например, в нефтяных электроизоляционных маслах) диэлектрические потери обусловлены только током сквозной проводимости и имеют небольшие значения

которые мало зависят от частоты и температуры, но существенно зависят от природы и концентрации примеси (рис1). Наличие ионогенной примеси (например, влаги, свободных органических кислот и т.п.) приводит к существенному увеличению электропроводности и, следовательно, диэлектрических потерь.

Из рис. 1, б видно, что с увеличением температуры tgδ нефтяного трансформаторного масла чистого, сухого возрастает незначительно. Потери возрастают, так как увеличивается ток сквозной проводимости. У масла эксплуатационного с предельно допустимым значением кислотного числа (к.ч. = 0,25 мг КОН/1г;) очень высокое содержание ионогенной примеси – органических кислот и воды. С повышением температуры степень диссоциации молекул кислот, воды и другой ионогенной примеси возрастает, следовательно, возрастает ионная проводимость в трансформаторном масле и, как следствие, увеличиваются диэлектрические

потери. В жидких полярных диэлектриках (в касторовом масле, полихлордифениле и т.п.) диэлектрические потери являются следствием как тока сквозной проводимости, так и дипольно-релаксационной поляризации. При этом дипольно-релаксационная поляризация существенно влияет на общий уровень диэлектрических потерь. Величина tgδ может иметь значения

В случае дипольно-релаксационной поляризации tgδ при нагревании проходит через максимум и далее с увеличением температуры возрастает, так как возрастает ток проводимости (рис. 2, а). С увеличением частоты напряжения максимум tgδ, обусловленный дипольно-релаксационной поляризацией, смещается в сторону более высоких температур (см. рис. 2, б). Если диэлектрические потери измерять в частотном интервале, то с увеличением частоты напряжения 1§8 снижается, особенно резко вначале, так как уменьшаются потери, обусловленные током сквозной проводимости. Максимум потерь на кривой зависимости вызван дипольно-релаксационной поляризацией.

С ростом частоты напряжения tgδ в области максимума возрастает до тех пор, пока дипольно-релаксационная поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько большой, что диполи уже не успевают ориентироваться в направлении поля и дипольно-релаксационная поляризация снижается, то снижается и 1§8, становясь минимальным. С увеличением температуры измерения максимум tgδ смещается в область более высоких частот.

Рис. 1. Общий вид (а) зависимости tgδ жидких неполярных диэлектриков от температуры Т:

Рис. 2.Общий вид (а) зависимости tgδ жидких полярных диэлектриков

Рис. 3.Теоретическая зависимость tgδ полярных диэлектриков от частоты со напряжения: потери, обусловленные током проводимости (1), дипольно-релаксационной поляизацией (2)

Рис. 4. Кривые зависимости (^б от частоты напряжения со (а) и температуры Т

(б) полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты:

На рис. 4 приведены кривые частотной и температурной зависимости tgδ полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты. С увеличением номера кривой содержание ионогенной примеси возрастает. При большом содержании примеси дипольно-релаксационный максимум потерь может быть полностью замаскирован потерями, обусловленными током проводимости (кривая 3).

3.Диэлектрические потери в твердых диэлектриках.

Твердые диэлектрики ионного строения

В кристаллических диэлектриках с плотной упаковкой решетки ионами (в кварце, слюде, корундовой керамике и т.п.) наблюдаются электронная и ионная поляризации, не вызывающие рассеивания мощности приложенного электрического поля, поэтому диэлектрические потери в этом случае обусловлены только током сквозной проводимости. Диэлектрические потери этих материалов имеют небольшие значения и при повышении температуры незначительно возрастают , так как возрастает ток сквозной проводимости. Наличие примеси, искажающей кристаллическую решетку, приводит к существенному увеличению tgδ. В диэлектриках аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой решетки (в неорганических стеклах, асбесте, электротехнической керамике и т.п.), кроме электронной и ионной поляризаций, имеется и ионно-релаксационная, вызывающая ионно-релаксационные потери. Диэлектрические потери в этом случае обусловлены током сквозной проводимости и ионно-релаксационной поляризацией. Диэлектрические потери в этих ди•мюктриках выше (1§8 я 10

2), чем в диэлектриках кристаллических с плотной упаковкой решетки ионами и сильно зависят от температуры: при нагревании tgδ существенно возрастает.

На значение tgδ сильно влияет термообработка. У отожженных стеклянных изоляторов tgδ = 0,0073, у закаленных — tgδ = 0,125.

Рис 5. Общий вид (а) зависимости tgδ от температуры Г диэлектриков ионного

строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой решетки (1) и с плотной упаковкой решетки (II): потери, обусловленные током проводимости (1) и ионно-релаксационной поляризацией (2);

Твердые диэлектрики молекулярного строения. В неполярных диэлектриках (например, в парафине) потери обусловлены только током сквозной проводимости. У этих диэлектриков наблюдается электронная поляризация; релаксационные виды поляризации отсутствуют. Диэлектрические потери небольшие и при нагревании слегка возрастают (аналогично кривой (7), Наличие ионогенной примеси (например, влаги) приводит к существенному возрастанию диэлектрических потерь. В полярных диэлектриках (например, в канифоли) на кривых зависимости tgδ от температуры и частоты напряжения, подобно полярным жидким диэлектрикам, проявляется максимум тангенса угла диэлектрических потерь, обусловленный дипольно-релаксационнои поляризацией. В этих диэлектриках,

Рис 6 Зависимость ε (1) и tgδ (2) канифоли от температуры Т при 50 Гц

так же как в жидких полярных, диэлектрические потери складываются из потерь, обусловленных током сквозной проводимости и дипольно-релаксационной поляризацией. .

В неполярных полимерах (в полистироле, полипропилене и др.) диэлектрические потери при температурах ниже температуры стеклования имеют небольшую величину tgδ (10

практически не зависят от частоты приложенного напряжения и очень слабо зависят от температуры (рис. 7). При нагревании (при Т Тс) возрастает и проходит через максимум, обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией. С дальнейшим увеличением температуры tgδ растет вследствие увеличения тока проводимости.

Рис 7. Общий вид (а) зависимости (§6 неполярных полимеров от температуры Т

С увеличением частоты приложенного напряжения максимум дипольно-сегментальных потерь смещается в область более высоких температур

Полярные полимеры (поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиамиды и др.) имеют значительно большие значения tgδ (10 "

2 и выше), чем неполярные. С увеличением температуры tgδ проходит через два максимума, обусловленные соответственно дипольно-групповой (при Т Тс) поляризациями и далее возрастает вследствие увеличения тока проводимости. С увеличением степени кристалличности к полиэтилентерефталата диэлектрические потери снижаются, особенно значительно в области дипольно-сегментальной поляризации. Эти результаты еще раз показывают, что дипольно-сегментальная поляризация имеет место в аморфных полимерах, а в кристаллизующихся полимерах, каковым является полиэтилентерефталат, — в аморфных областях. Поэтому с увеличением степени кристалличности полиэтилентерефталата максимум , обусловленный дипольно-сегментальной поляризацией, уменьшается.

С увеличением частоты напряжения оба максимума диэлектрических потерь на кривой смещаются в сторону более высоких температур. Поэтому в области высоких температур и СВЧ оба максимума потерь сближаются вплотную, вызывая один релаксационный максимум диэлектрических потерь.

Рис. 8 Температурная зависимость tgδ линейного полиэтилена высокой плотности (/), разветвленного полиэтилена низкой плотности (2) и закаленного полиэтилена (3)

На величину диэлектрических потерь полимеров существенно влияют полярность и пористость материала и относительная влажность воздуха. В результате накопления влаги в порах изоляции возникает миграционная поляризация, которая приводит к существенному увеличению диэлектрических потерь, особенно при низких частотах. Поэтому у полимеров полярных с увеличением относительной влажности воздуха tgδ значительно возрастает.

|	следующая лекция ==>
Виды диэлектрических потерь	|	Пробой жидких диэлектриков

Дата добавления: 2016-10-30 ; просмотров: 787 | Нарушение авторских прав

Читайте также:

1. АКТИВНЫЕ ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В АППАРАТАХ
2. Валютный коридор: потери ВВП во имя борьбы с инфляцией
3. Внешние потери
4. Вносимые потери соединителей
5. Внутренние потери
6. Возможные потери в процессе осуществления предпринимательской деятельности
7. Вопрос 2. Учет банковских кредитов и резерва под возможные потери по ним. Использование данных учета при поиске признаков экономических преступ­лений.
8. Вопрос 7. Потери в трансмиссии.
9. Выплата правопреемнику накопительной части трудовой пенсии по случаю потери кормильца.
10. Гидравлические потери при ламинарном течении. Закон Пуазейля
11. Гидравлические потери.
12. Гидро- и пневмогидравлические установки для раздачи жидких кормов

В нейтральных жидкостях, не содержащих примесей с дипольными молекулами, диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. А поскольку электропроводность нейтральных чистых жидкостей чрезвычайно мала, то низки и их диэлектрические потери. Примером может служить тщательно очищенное от примесей нефтяное конденсаторное масло, tgd которого при комнатной температуре и рабочей частоте 10 6 Гц составляет всего 0,0004—0,0008.

Полярные жидкости в определенных температурных и частотных условиях могут обладать заметными потерями, обусловленными не только электропроводностью, но и дипольно-релаксационной поляризацией.

В вязких жидкостях при переменном напряжении, особенно при высоких частотах, дипольно-релаксационные потери значительно превосходят потери, обусловленные электропроводностью.

У маловязких жидкостей при низких частотах дипольно-релаксационные потери незначительны и могут быть меньше потерь сквозной электропроводности. При радиочастотах дипольно-релаксационные потери даже при малой вязкости велики и преобладают над потерями электропроводности.

2.3.5. Диэлектрические потери в твердых диэлектрических материалах.

Твердые вещества обладают разнообразным составом и строением, по этому в них возможны все виды диэлектрических потерь.

В веществах молекулярной структуры диэлектрические потери зависят от вида молекул. В веществах, состоящих из неполярных молекул и не имеющих примесей, диэлектрические потери ничтожно малы. К таким диэлектрикам относятся сера, парафин, неполярные полимеры – полиэтилен, политетрафторэтилен, полистирол и др. Малые потери у названных веществ делают их применимыми в качестве высокочастотных диэлектриков.

Диэлектрики молекулярной структуры с полярными молекулами представляют собой главным образом органические вещества, широко используемые в технике. К ним принадлежат, в частности, материалы на основе целлюлозы (бумага, картон и др.), полярные полимеры (полиметилметакрилат — органическое стекло), полиамиды (капрон и др.), каучуковые материалы (эбонит), фенолформальдегидные смолы (бакелит и др.), эфиры целлюлозы (ацетилцеллюлоза и др.). Все они из-за присущей им дипольно-релаксационной поляризации обладают большими потерями, особенно при радиочастотах.

Диэлектрические потери в этих диэлектриках связаны с температурой; при некоторых температурах обнаруживаются максимум и минимум потерь и дальнейшее возрастание потерь после минимума, вызванное сквозной электропроводностью.

С увеличением частоты напряжения, воздействующего на диэлектрик, температурный максимум потерь смещается в область более высоких температур. Соответственно этому и частотный максимум tgd наблюдается при более высоких частотах, если рабочая температура диэлектрика повышается.

Максимальные диэлектрические потери наблюдаются при температурах, соответствующих росту степени поляризации диэлектрика, а в частотной зависимости максимальное значение tgd наблюдается на участке релаксационного спада диэлектрической проницаемости.

В веществах кристаллической структуры диэлектрические потери связаны с особенностями упаковки ионов в решетке. Так, при плотной упаковке ионов и отсутствии примесей, искажающих решетку, диэлектрические потери весьма малы. С повышением температуры в этих веществах обнаруживаются потери сквозной электропроводности. Сказанное относится к многочисленным кристаллическим неорганическим соединениям, широко используемым в современном производстве электротехнической керамики, например к корунду, входящему в состав ультрафарфора. Примером соединений такого рода является также каменная соль, чьи чистые кристаллы обладают ничтожными потерями. Но уже малейшие примеси, искажающие ее решетку, резко увеличивают диэлектрические потери.

Для диэлектриков кристаллической структуры с неплотной упаковкой ионов характерна ионно-релаксационная поляризация, вызывающая повышенные диэлектрические потери. Многие из веществ с такой структурой входят в составы керамических материалов: изоляторного фарфора, огнеупорной керамики и т. д.

В неорганических стеклах диэлектрические потери связаны с явлением ионно-релаксационной поляризации и наличием электропроводности.

Рассматривая механизм диэлектрических потерь в стеклах, следует различать:

а) потери, мало зависящие от температуры и возрастающие прямо пропорционально росту частоты (tgd не зависит от частоты) ;

б) потери, заметно возрастающие с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависящие от частоты (tgd уменьшается с возрастанием частоты).

Потери первого вида обусловлены релаксационной поляризацией и сильно выражены во всех технических стеклах. Кварцевое стекло обладает весьма малыми релаксационными потерями. Введение в плавленый кварц небольшого количества окислов заметно увеличивает диэлектрические потери, так как нарушает внутреннюю структуру стекла и вызывает появление слабо связанных ионов.

Потери второго вида вызываются передвижениями слабо связанных ионов и должны рассматриваться как потери сквозной электропроводности. Такие потери проявляются обычно при температурах выше 50—100° С.

В веществах неоднородной структуры диэлектрические потери зависят от свойств и количественного соотношения компонентов.

К твердым веществам этого типа, используемым в технике в качестве диэлектриков, относятся материалы, в состав которых входит не менее двух компонентов, механически смешанных между собой.

К неоднородным диэлектрикам относится прежде всего, керамика. Любой керамический материал представляет собой сложную многофазную систему. В составе керамики различают кристаллическую фазу, стекловидную фазу и газовую фазу (газы в закрытых порах).

Диэлектрические потери в керамике зависят от характера и количественного соотношения кристаллической и стекловидной фаз. Газовая фаза в керамике вызывает повышение диэлектрических потерь при высоких напряженностях поля вследствие развития ионизации. Потери бывают высокими также в том случае, если в процессе производства в керамическом изделии образуются полупроводящие включения с электронной электропроводностью. Такое же увеличение потерь в керамике вызывается адсорбированной влагой при наличии открытой пористости.

К числу неоднородных материалов следует отнести и слюду, обладающую слоистой структурой. Наличие полупроводящих прослоек воды в слюде вызывает увеличение tgd при переменном напряжении низкой частоты.

К диэлектрикам с неоднородной структурой следует отнести также пропитанную бумагу. Такая бумага содержит помимо волокон целлюлозы еще и пропитывающее вещество того или другого состава. Диэлектрические потери пропитанной бумаги определяются электрическими свойствами обоих компонентов и их количественным соотношением.

К неоднородным диэлектрикам, применяемым в радиоэлектронике, относятся пластические массы с различными наполнителями, слоистые пластмассы, каучуковые материалы с наполнителями, пористая изоляция, содержащая воздух и примеси влаги.

В сегнетоэлектриках диэлектрические потери связаны с явлением спонтанной поляризации. Поэтому при температурах ниже точки Кюри, когда возникает спонтанная поляризация, потери в сегнетоэлектриках значительны. Они возрастают с частотой приложенного напряжения. При температурах выше точки Кюри потери в сегнетоэлектриках заметно ниже. Старение сегнетоэлектрика со временем сопровождается некоторым изменением потерь.

|	следующая лекция ==>
Диэлектрические потери в газах	|	Понятие пробоя

Дата добавления: 2014-01-20 ; Просмотров: 958 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет