Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени е диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. При постоянном напряжении потери энергии определяются только силой сквозного тока, обусловленного объемной и поверхностной проводимостями. При переменном напряжении к этим потерям добавляются потери, обусловленные различного вида поляризациями, а также наличием полупроводниковых примесей, окислов железа, углерода, газовых включений и т. п.
Рассматривая простейший диэлектрик, можно записать выражение рассеиваемой в нем под воздействием переменного напряжения мощности:
Pа = U·Iа,
где U- приложенное к диэлектрику напряжение, Iа - активная составляющая тока, протекающего через диэлектрик.
Схему замещения диэлектрика обычно представляют в виде последовательно соединенных конденсатора и активного сопротивления. Из векторной диаграммы (см. рис. 1):
Iа = Ic·tgδ,
где δ - угол между вектором полного тока I и его емкостной составляющей Ic.
Следовательно
Pa = U·Ic·tgδ,
но ток
Ic = U·ω·C,
где - емкость конденсатора (данного диэлектрика) при угловой частоте ω.
В результате рассеиваемая в диэлектрике мощность равна
Pa = U2·ω·C·tgδ,
то есть потери энергии, рассеиваемые в диэлектрике, пропорциональны тангенсу угла δ, который называется углом диэлектрических потерь или просто углом потерь. Этот угол δ к характеризует качество диэлектрика. Чей меньше угол диэлектрических потерь δ, тем выше диэлектрические свойства изоляционного материала.
Рис. 1. Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящимся под напряжением переменного тока.
Введение понятия угла δ удобно для практики тем, что вместо абсолютного значения диэлектрических потерь рассматривается относительное значение, позволяющее сравнить между собой изоляционные изделия с различными по качеству диэлектриками.
Диэлектрические потери в газах
Диэлектрические потери в газах малы. Газы имеют весьма малую электропроводность. Ориентация дипольных молекул газа при их поляризации не сопровождается диэлектрическими потерями. Зависимость tgδ=f(U) называют кривой ионизации (рис. 2).
Рис. 2. Изменение tgδ в зависимости от напряжения для изоляции с воздушными включениями
По возрастанию tgδ с увеличением напряжения можно судить о наличии газовых включений в твердой изоляции. При значительных ионизации и потерях в газе может произойти разогрев и разрушение изоляции. Поэтому изоляцию обмоток высоковольтных электрических машин для удаления газовых включений при изготовлении подвергают специальной обработке — сушке под вакуумом, заполнению пор изоляции разогретым компаундом под давлением, обкатке к прессовке.
Ионизация воздушных включений сопровождается образованием озона и окислов азота, разрушительно действующих на органическую изоляцию. Ионизация воздуха в неравномерных полях, например в линиях электропередач, сопровождается видимым световым аффектом (короной) и значительными потерями, что снижает к. п. д. передачи.
Диэлектрические потери в жидких диэлектриках
Диэлектрические потери в жидкостях зависят от их состава. В нейтральных (неполярных) жидкостях без примесей электропроводность очень мала, поэтому в них малы и диэлектрические потери. Например, очищенное конденсаторное масло имеет tgδ<0,0002.
В технике наибольшее распространение получили полярные жидкости (совол, касторовое масло и т.п.) или смеси нейтральных и дипольных жидкостей (трансформаторное масло, компаунды и т. п.) у которых диэлектрические потери значительно больше, чем у нейтральных жидкостей. Например, tgδ касторового масла при частоте 106 Гц и температуре 20оС (293 К) равен 0,01.
Диэлектрические потери полярных жидкостей зависят от вязкости. Эти потери называют дипольными, так как они обусловлены дипольной поляризацией.
При малой вязкости молекулы ориентируются под действием поля без трения, дипольные потери при этом малы, а общие диэлектрические потери обусловлены только электропроводностью. С увеличением вязкости дипольные потери возрастают. При некоторой вязкости наступает максимум потерь.
Это объясняется тем, что при достаточно большой вязкости молекулы не успевают следовать за изменением поля и дипольная поляризация практически исчезает. Диэлектрические потери при этом малы. При повышении частоты максимум потерь смещается в область более высокой температуры.
Зависимость потерь от температуры носит сложный характер: tgδ увеличивается с ростом температуры, достигает своего максимума, затем уменьшается до минимума, после чего снова возрастает, это объясняется ростом электропроводности. Дипольные потери возрастают с увеличением частоты до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля, после чего дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и потери становятся постоянными.
В маловязких жидкостях при низких частотах преобладают потери сквозной проводимости, а потери дипольные незначительны, при радиочастотах, наоборот, дипольные потери велики. Поэтому дипольные диэлектрики не используются в полях высокой частоты.
Диэлектрические потери в твердых диэлектриках
Диэлектрические потери в твердых диэлектриках зависят от структуры (кристаллической или аморфной), состава (органического или неорганического) и характера поляризации. В таких твердых нейтральных диэлектриках, как сера, парафин, полистирол, обладающих только электронной поляризацией диэлектрические потери отсутствуют. Потери могут быть обусловлены только примесями. Поэтому такие материалы находят применение в качестве высокочастотных диэлектриков.
Неорганические материалы, такие, как монокристаллы каменной соли, сильвина, кварца, чистой слюды, обладающие электронной и ионной поляризациями, имеют малые диэлектрические потери, обусловленные только сквозной электропроводностью. Диэлектрические потери в этих кристаллах не зависят от частоты, a tgδ уменьшается с ростом частоты. С увеличением температуры потери и tgft меняются так же, как и электропроводность, возрастая по закону экспоненциальной функции.
В стеклах различного состава, например, керамике с большим содержанием стекловидной фазы, наблюдаются потери, обусловленные электропроводностью. Эти потери вызваны передвижением слабо связанных ионов, обычно они проявляются при температурах выше 50 - 100оС (323 - 373 К). Эти потери заметно возрастают с температурой по закону экспоненциальной функции и мало зависят от частоты (tgδ уменьшается с ростом частоты).
В неорганических поликристаллических диэлектриках (мрамор, керамика и т. п.) возникают дополнительные диэлектрические потери, вызванные наличием полупроводящих примесей: влаги, окислов железа, углерода, газа и т. п. Потери в полукристаллических телах могут иметь разные значения даже для одного и того же материала, поскольку свойства материала меняются под воздействием условий окружающей среды.
Диэлектрические потери в органических полярных диэлектриках (древесина, эфиры целлюлозы, натуральный щелк, синтетические смолы) обусловлены структурной поляризацией за счет неплотной упаковки частиц. Эти потери зависят от температуры, имея максимум при определенной температуре, а также от частоты, увеличиваясь с ее ростом. Поэтому упомянутые диэлектрики не применяют в полях высоких частот.
Характерно, что зависимость tgδ от температуры для бумаги, пропитанной компаундом, имеет два максимума: первый наблюдается при отрицательных температурах и характеризует потери клетчатки, второй максимум при повышенной температуре обусловлен дипольным потерями компаунда. С увеличением температуры в полярных диэлектриках возрастают потери, связанные с электропроводностью.