Диэлектрические потери.

 

Термин возник из-за того, что в идеальном диэлектрике энергия может только накапливаться в виде W = e₀Ee²/2, (на единицу объема, см.8.1.), но не теряться. В реальном диэлектрике часть энергии уходит из электрической цепи, превращаясь в другой вид энергии, а именно в теплоту. Есть два основных канала превращения энергии в тепло: потери за счет проводимости и поляризационные потери.

Потери за счет проводимости при постоянном напряжении определим из известных выражений. Из закона Ома можно определить мощность, поглощенную веществом P = U²/R_изол, а из закона Ома в дифференциальной форме (формула (8.5)) следует, что за счет обычной проводимости удельные потери мощности составят p = E²/r.

Для случая переменного напряжения появляются дополнительные потери, связанные с поляризацией и токами абсорбции, которые принято представлять в виде:

P = U²wC tgd (8.11)

Ir Ic

Рис 8.5 Векторная диаграмма токов в диэлектрике с потерями.

где d -угол диэлектрических потерь, смысл которого можно понять из векторной диаграммы рис.8.5., tgd = Ia/Ic - отношение активного тока к реактивному. В принципе физический смысл tgd можно понять из общих соображений. Мощность потерь - это активная мощность, произведение активного тока на напряжение. Можно пойти от известного угла между током и напряжением j P = UIcosj, выразив I через реактивный ток I = I_р/sinj, получим P = U²wC ctgj, откуда видно что d = 2¤p-j. Кроме этого понятия вводят новое - добротность изоляции Q = 1/tgd, характеризующее количество периодов, в течение которых в диэлектрике поглощается накопленная энергия W = CU²/2.

В некоторых случаях целесообразно рассмотреть удельные диэлектрические потери

р = Е²ewe₀ tgd.

В заключение приведем выражения для tgd для разных схем замещения диэлектрика:

Схема рис.8.1. tgd = 1/wRC;

Последовательная схема замещения tgd = wrC;

Схема рис.8.2. tgd = (R+R_п)/wRR_пC;

Схема рис. 8.3бtgd = ; t = R₂C₂.

Следует отметить, что потери зависят от температуры, частоты, влажности, напряженности поля. Частотная зависимость потерь является характеристикой материала и определяется для каждого диэлектрического материала не только свойствами молекул материала, но и наличием и составом примесей.

Температурная зависимость потерь обычно имеет монотонный характер, потери растут с ростом температуры, хотя у некоторых дипольных диэлектриков наблюдаются локальные максимумы, имеющие ту же природу, что и максимумы в частотной зависимости.

С ростом влажности потери также растут, зачастую весьма значительно. Это связано, как с увеличением сквозной проводимости, так и с поляризацией растворенной воды, и эмульгированной воды.

Увеличение напряженности поля сопровождается ростом tgd, что объясняется ростом электропроводности. Причины этого будут подробно рассматриваться в следующем разделе.