Što je dielektrični gubitak i što ga uzrokuje

Dielektrični gubici su energija raspršena po jedinici vremena u dielektriku kada se na njega primijeni električno polje i uzrokuje zagrijavanje dielektrika. Pri konstantnom naponu, gubici energije određeni su samo jakošću prolazne struje zbog volumena i površinske vodljivosti. Na izmjeničnom naponu ti se gubici dodaju gubicima zbog različitih vrsta polarizacija, kao i prisutnosti nečistoća poluvodiča, željeznih oksida, ugljika, plinskih uključaka itd.

Uzimajući u obzir najjednostavniji dielektrik, možemo napisati izraz za snagu koja se u njemu rasipa pod utjecajem izmjeničnog napona:

Pa = U·I,

gdje je U napon primijenjen na dielektrik, Aza je aktivna komponenta struje koja teče kroz dielektrik.

Dielektrični ekvivalentni krug obično se prikazuje u obliku serijski spojenog kondenzatora i aktivnog otpora. Iz vektorskog dijagrama (vidi sliku 1):

Aza = integrirani krug·tgδ,

gdje je δ — kut između vektora ukupne struje I i njegove kapacitivne komponente Integrirani krug.

Stoga

Pa = U·Integrirani krug·tgδ,

ali struja

Integrirani krug = UΩ C,

gdje je kapacitet kondenzatora (s obzirom na dielektrik) pri kutnoj frekvenciji ω.

Kao rezultat toga, snaga raspršena u dielektriku je

Pa = U2Ω C·tgδ,

tj. gubici energije raspršeni u dielektriku proporcionalni su tangensu kuta δ koji se naziva kut dielektričnih gubitaka ili jednostavno kut gubitka. Ovaj kut δ k karakterizira kvalitetu dielektrika. Što je manji kut di električnih gubitaka δ, veća su dielektrična svojstva izolacijskog materijala.

Riža. 1. Vektorski dijagram struja u dielektriku pod izmjeničnim naponom.

Uvođenje pojma kuta δ Pogodan je za praksu, jer se umjesto apsolutne vrijednosti dielektričnih gubitaka uzima u obzir relativna vrijednost, što omogućuje usporedbu izolacijskih proizvoda s dielektricima različite kvalitete.

Dielektrični gubici u plinovima

Dielektrični gubici u plinovima su mali. Plinovi imaju vrlo niska električna vodljivost… Orijentacija dipolnih molekula plina tijekom njihove polarizacije nije popraćena dielektričnim gubicima. Adicija tgδ=e(U) naziva se ionizacijska krivulja (sl. 2).

Riža. 2. Promjena tgδ u funkciji napona za izolaciju sa zračnim uključcima

Rastući tgδ s povećanjem napona može procijeniti prisutnost plinskih inkluzija u čvrstoj izolaciji. Uz značajnu ionizaciju i gubitke u plinu, može doći do zagrijavanja i propadanja izolacije.Stoga se izolacija namota visokonaponskih električnih strojeva za uklanjanje plinskih inkluzija tijekom proizvodnje podvrgava posebnom tretmanu - sušenju pod vakuumom, ispunjavanju pora izolacije zagrijanom smjesom pod pritiskom i valjanju za prešanje.

Ionizacija inkluzija zraka popraćena je stvaranjem ozona i dušikovih oksida, koji imaju destruktivan učinak na organsku izolaciju. Ionizacija zraka u neravnim poljima, na primjer, u dalekovodima, praćena je djelovanjem vidljive svjetlosti (korone) i značajnim gubicima, što smanjuje učinkovitost prijenosa.

Dielektrični gubici u tekućim dielektricima

Dielektrični gubici u tekućinama ovise o njihovom sastavu. U neutralnim (nepolarnim) tekućinama bez primjesa električna vodljivost je vrlo niska, stoga su i dielektrični gubici u njima mali. Na primjer, rafinirano kondenzacijsko ulje ima tgδ

U tehnici se koriste polarne tekućine (Sovol, ricinusovo ulje i dr.) ili mješavine neutralnih i dipolarnih tekućina (transformatorsko ulje, spojevi, itd.), u kojima su dielektrični gubici znatno veći nego kod neutralnih tekućina. Na primjer, tgδ ricinusovog ulja na frekvenciji od 106 Hz i temperaturi od 20°C (293 K) je 0,01.

Dielektrični gubitak polarnih tekućina ovisi o viskoznosti. Ti se gubici nazivaju dipolni gubici jer su posljedica polarizacije dipola.

Pri niskoj viskoznosti, molekule su usmjerene pod djelovanjem polja bez trenja, dipolni gubici u ovom slučaju su mali, a ukupni dielektrični gubici nastaju samo zbog električne vodljivosti. Dipolni gubici rastu s povećanjem viskoznosti.Pri određenoj viskoznosti gubici su maksimalni.

To se objašnjava činjenicom da pri dovoljno visokoj viskoznosti molekule nemaju vremena pratiti promjenu polja i polarizacija dipola praktički nestaje. U ovom slučaju dielektrični gubici su mali. Kako frekvencija raste, maksimalni gubitak se pomiče u područje više temperature.

Temperaturna ovisnost gubitaka je složena: tgδ raste s porastom temperature, doseže svoj maksimum, zatim se smanjuje na minimum, a zatim ponovno raste, što se objašnjava povećanjem električne vodljivosti. Dipolni gubici rastu s povećanjem frekvencije sve dok polarizacija ne stigne pratiti promjenu polja, nakon čega se molekule dipola više nemaju vremena potpuno orijentirati u smjeru polja i gubici postaju konstantni.

U fluidima niske viskoznosti gubici vodljivosti prevladavaju na niskim frekvencijama, a dipolni gubici su zanemarivi; naprotiv, na radijskim frekvencijama gubici dipola su veliki. Stoga se dipolni dielektrici ne koriste u visokofrekventnim poljima.

Dielektrični gubici u čvrstim dielektricima

Dielektrični gubici u čvrstim dielektricima ovise o strukturi (kristalna ili amorfna), sastavu (organski ili anorganski) i prirodi polarizacije. U takvim čvrstim neutralnim dielektricima kao što su sumpor, parafin, polistiren, koji imaju samo elektronsku polarizaciju, nema dielektričnih gubitaka. Gubici mogu biti samo zbog nečistoća. Stoga se takvi materijali koriste kao visokofrekventni dielektrici.

Anorganski materijali, poput pojedinačnih kristala kamene soli, silvita, kvarca i čistog tinjca, koji posjeduju elektronsku i ionsku polarizaciju, imaju niske dielektrične gubitke samo zbog električne vodljivosti. Dielektrični gubici u ovim kristalima ne ovise o frekvenciji, a tgδ opada s porastom frekvencije. Kako temperatura raste, gubici i tgft se mijenjaju na isti način kao i električna vodljivost, rastući prema zakonu eksponencijalne funkcije.

U staklima različitog sastava, na primjer, keramika s visokim sadržajem staklaste faze, uočavaju se gubici zbog električne vodljivosti. Ti su gubici uzrokovani kretanjem slabo vezanih iona; obično se javljaju pri temperaturama iznad 50 — 100°C (323 — 373 K). Ovi gubici značajno rastu s temperaturom prema zakonu eksponencijalne funkcije i malo ovise o frekvenciji (tgδ opada s povećanjem frekvencije).

U anorganskim polikristalnim dielektricima (mramor, keramika itd.) dodatni dielektrični gubici nastaju zbog prisutnosti poluvodičkih nečistoća: vlage, željeznih oksida, ugljika, plina itd. isti materijal, jer se svojstva materijala mijenjaju pod utjecajem uvjeta okoline.

Dielektrični gubici u organskim polarnim dielektricima (drvo, celulozni eteri, prirodne otopine, sintetičke smole) nastaju zbog strukturne polarizacije zbog labavog pakiranja čestica. Ovi gubici ovise o temperaturi koja ima maksimum na određenoj temperaturi, kao io frekvenciji koja raste s njezinim rastom. Stoga se ti dielektrici ne koriste u visokofrekventnim poljima.

Karakteristično je da ovisnost tgδ o temperaturi za papir impregniran spojem ima dva maksimuma: prvi se opaža na negativnim temperaturama i karakterizira gubitak vlakana, drugi maksimum na povišenim temperaturama je zbog gubitka dipola spoja. Kako se temperatura povećava u polarnim dielektricima, povećavaju se gubici povezani s električnom vodljivošću.