КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Общие сведения о диэлектрических потерях
План лекции ПОТЕРИ В ДИЭЛЕКТРИКАХ И ИХ ПРОБОЙ ЛЕКЦИЯ 2.3. Вопросы для самопроверки 1. Записать формулу для сопротивления диэлектрика на постоянном токе 2. Как измеряют сопротивление изоляции. 3. Пояснить зависимость тока утечки в диэлектриках от времени. 4. В каких единицах измеряют удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления 5. Чем отличаются удельное объемное и удельное поверхностное сопротивления. 6. Каков механизм электропроводности в газообразных, жидких и твердых диэлектрических материалах. 7. Пояснить физические процессы, происходящие на различных участках зависимости тока от напряжения для газообразных диэлектриков. 8. В чем различия в электропроводности в полярных и неполярных жидких диэлектриках. 9. Как влияет на удельную электропроводность жидких диэлектриков температура. 10. В чем особенности удельной проводимости в кристаллических материалах. 11.Как влияет влажность на удельную проводимость твердых диэлектриков. 12.Как снизить удельную поверхностную электропроводность твердых диэлектриков.
ТЕМА 2.2. Основные физические процессы в диэлектриках
2.3.1 Общие сведения о диэлектрических потерях 2.3.2. Виды диэлектрических потерь 2.3.3. Диэлектрические потери в газах 2.2.4. Диэлектрические потери в жидких диэлектриках 2.2.5. Диэлектрические потери в твердых диэлектрических материалах 2.3.6. Понятие пробоя диэлектриков 2.3.7. Механизм пробоя газов 2.3.8. Пробой жидких диэлектриков 2.3.9. Пробой твердых диэлектриков.
Энергия электрического поля, выделяющаяся в диэлектрике, превращается в тепловую энергию. Вызванный этим нагрев диэлектрика может заметно изменить и даже полностью нарушить его электроизоляционные свойства и привести к тепловому пробою.
При постоянном напряжении, приложенном к диэлектрику, диэлектрические потери Ра обусловлены явлением сквозной электропроводности и могут быть определены из выражения
, (2.3.1)
При переменном напряжении существенную роль в образовании диэлектрических потерь играют, помимо потерь, вызванных явлением сквозной электропроводности, еще и затраты электрической энергии на установление поляризации. Качество диэлектрика на переменном напряжении характеризуют удельными потерями (т.е. мощностью, выделяющейся при данной рабочей частоте в единице объема диэлектрика), углом диэлектрических потерь или тангенсом угла диэлектрических потерь. Углом диэлектрических потерь называется угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между напряжением, приложенным к диэлектрику, и протекающим в нем током. В идеальном диэлектрике угол равен нулю. Чем больше рассеиваемая в диэлектрике мощность, тем больше угол диэлектрических потерь. Тангенс угла диэлектрических потерь tgd непосредственно входит в формулу для определения величины рассеянной в диэлектрике мощности, в связи с чем этой характеристикой в практике пользуются наиболее часто. Рассмотрим схему, эквивалентную диэлектрику, который обладает потерями. Эта схема должна быть выбрана с таким расчетом, чтобы расходуемая в ней активная мощность равнялась мощности, рассеиваемой в диэлектрике, а ток был бы сдвинут относительно напряжения на тот же угол. Чтобы решить поставленную задачу, надо диэлектрик с потерями представить либо идеальным конденсатором с параллельно включенным активным сопротивлением (параллельная схема), либо конденсатором с последовательным сопротивлением (последовательная схема). Такие эквивалентные схемы, конечно, не объясняют механизма диэлектрических потерь и носят чисто условный характер. Параллельная и последовательная схемы диэлектрика с диаграммами токов и напряжений представлены на рис. 2.3.1. Обе схемы будут эквивалентны друг другу, если при равенстве полных сопротивлений Z1=Z2=Z окажутся соответственно равными их активные и реактивные составляющие. Это условие соблюдается, если углы сдвига тока относительно напряжения равны и значения активной мощности одинаковы.
Рис. 1-22. Параллельная (а) и последовательная (б) эквивалентные схемы диэлектрика с потерями и векторные диаграммы для них.
Для параллельной схемы из векторной диаграммы получаем: (2.3.2) (2.3.3)
Для последовательной схемы: (2.3.4) (2.3.5)
Приравнивая друг другу выражения (2.3.3) и (2.3.5), а так же (2.3.2) и (2.3.4), находим соотношения между Ср. и СS, и между R и r:
(2.3.6) (2.3.7)
Для доброкачественных диэлектриков можно пренебречь значением tg2d по сравнению с единицей в формуле (2.3.5) и считать Выражения для мощности, рассеиваемой в диэлектрике, в этом случае будут также одинаковы для обеих схем:
, (2.3.8)
где U - напряжение, В; -угловая частота, сек-1, С -емкость, Ф. У диэлектриков с большими потерями емкость при переменном напряжении становится условной величиной, зависящей от выбора той или иной эквивалентной схемы. Отсюда и диэлектрическая проницаемость материала с большими потерями при переменном напряжении также условна. Сопротивление R. в параллельной схеме, как следует из выражения (2.3.6), во много раз больше сопротивления r. Угол потерь от выбора схемы не зависит. Определив каким-либо методом при некоторой частоте параметры эквивалентной схемы исследуемого диэлектрика (Ср и R или СS, и г), мы в общем случае не можем считать полученные значения емкости и сопротивления присущими данному конденсатору и пользоваться этими величинами для расчета угла потерь при любых других частотах. Такой расчет допустим только в том случае, если эквивалентная схема имеет определенное физическое обоснование. Так, например, если известно, что в данном диэлектрике потери в широком диапазоне частот определяются только затратами энергии на сквозную электропроводность, то угол потерь конденсатора с таким диэлектриком можно вычислить по формуле (2.3.2) для любой частоты, лежащей в этом диапазоне. Потери в таком конденсаторе определяются выражением
, (2.3.9) Если потери в конденсаторе или изоляторе обусловлены главным образом сопротивлением подводящих и соединительных проводов, а также сопротивлением самих электродов (обкладок), то для расчета можно применить последовательную схему, и рассеиваемая мощность будет возрастать пропорционально квадрату частоты:
, (2.3.10)
Из последнего выражения следует весьма важный практический вывод: у конденсаторов и изоляторов, предназначенных для работы на высокой частоте, сопротивление электродов, соединительных проводов и переходных контактов должно быть по возможности мало. Однако в большинстве случаев потери в конденсаторе или изоляторе нельзя полностью объяснить ни первым, ни вторым из приведенных выше факторов, и тогда необходимо характеристики изделия определять именно при той частоте, при которой оно будет использовано. Из выражений (2.3.8) и (2.3.10) вытекает, что вопрос о диэлектрических потерях приобретает наибольшее значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных высокочастотных устройствах, поскольку величина диэлектрических потерь пропорциональна квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте его изменения. Материалы, предназначенные для применения в указанных условиях, должны отличаться малой величиной угла потерь и диэлектрической проницаемости, так как в противном случае мощность, рассеиваемая в диэлектрике, достигнет недопустимо больших значений, что угрожает диэлектрику разрушением из-за перегрева. Но даже если напряжение, приложенное к диэлектрику, не достаточно велико для того, чтобы диэлектрические потери могли вызвать недопустимый перегрев, то и тогда большие диэлектрические потери отнюдь не безразличны. Так, например, диэлектрик с большими диэлектрическими потерями, будучи использован в колебательном контуре, ухудшает его добротность.
2.3.2. Виды диэлектрических потерь
Изучение физической природы и особенностей диэлектрических потерь позволило подразделить их на три основных вида: а) потери сквозной электропроводности; б) поляризационные (релаксационные) потери; в) ионизационные потери. Потери сквозной электропроводности. Этот вид потерь обнаруживается в диэлектриках, имеющих заметную объемную или поверхностную электропроводность. Если при этом потери других видов несущественны, то частотные зависимости Рa и tg, могут быть получены на основе использования параллельной эквивалентной схемы замещения реального диэлектрика. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты приложенного напряжения. Тангенс диэлектрических потерь tgd уменьшается с частотой по гиперболическому закону. Величину тангенса угла диэлектрических потерь при заданной частоте f можно вычислить по формуле (2.3.11) если известны значения р (Ом·м ) и , измеренные: первое на постоянном токе, второе при данной частоте. Потери сквозной электропроводности возрастают с температурой по экспоненциальному закону вида (2.3.12) где A и b — постоянные материала. Тому же закону подчиняется и температурная зависимость tgd, так как можно считать, что реактивная мощность от температуры практически не зависит. Поляризационные (релаксационные) потери. Эти потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов и характеризуются наличием взаимосвязанных максимумов в частотной и температурной зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь, определяемых временем релаксации. Наличие этих максимумов можно объяснить механизмом дипольно-релаксационной поляризации вязких жидкостей и полужидких веществ. Дипольные молекулы, следуя за изменением электрического поля, поворачиваются в вязкой среде и вызывают потери электрической энергии на трение с выделением тепла. Если жидкость настолько вязка, что молекулы не успевают следовать за изменением поля, то дипольно-релаксационная поляризация практически отсутствует, тангенс угла диэлектрических потерь при этом мал. Он будет также мал, если вязкость жидкости весьма мала и ориентация молекул происходит практически без трения. При средней вязкости значение tgd может быть велико, а при некоторой вязкости оно достигает максимума.
Дата добавления: 2014-01-20; Просмотров: 1641; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |