Какие свойства изоляции характеризует угол диэлектрических потерь

Мы привыкли считать, что потери электрической энергии происходят в проводниках из-за сопротивления. Это верно, но существуют ещё диэлектрические потери. Они хоть и незначительны, но при определённых условиях их влияние может оказаться ощутимым. О потерях энергии в диэлектрической среде первыми обеспокоились энергетики, применявшие в качестве диэлектрика трансформаторное масло.

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют электрическому току преодолевать некоторое пространство, ограниченное изолятором. Идеальный изолятор должен абсолютно исключить условия для проводимости электрического тока. К сожалению, в природе не существует таких материалов. Таких диэлектриков также не сумели создать в лабораторных условиях.

Теоретически можно обосновать существование идеальных изоляторов, но синтезировать на практике такие вещества не реально, так как даже ничтожно малая доля примесей образует диэлектрическую проницаемость. Иначе говоря, рассеяния энергии в диэлектрической среде будут наблюдаться всегда. Речь может идти об усилиях, направленных на уменьшение таких потерь.

Исходя из того, что часть электроэнергии неизбежно теряется в изоляторе, был введён термин «диэлектрические потери» – необратимый процесс преобразования в теплоту энергии электрического поля, пронизывающего диэлектрическую среду, То есть, это электрическая мощность, направленная на нагревание изоляционного материала, пребывающего в зоне действия электрического поля.

Значение потерь определяется как отношение активной мощности к реактивной. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком очень мала, по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомая величина тоже будет мизерной – сотые доли от единицы. Для вычислений используют величину «тангенс угла», выраженную в процентах.

Электрическую характеристику, выражающую рассеивающее свойство диэлектрика, называют тангенсом угла диэлектрических потерь. При расчётах принято считать, что диэлектрик является изоляционным материалом конденсатора, меняющего ёмкость и дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Данный угол обозначают символом δ и называют углом рассеивания, то есть, диэлектрических потерь. Величина, численно равна тангенсу данного угла ( tgδ ), это и есть та самая характеристика диэлектрического нагрева.

tgδ применяется в расчётах для определения величины рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому его вычисление имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет вычислять относительные значения диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать по качеству различные изоляторы.

Именно этот показатель или просто угол δ производители трансформаторных масел указывают на упаковке своей продукции. По величине угла ( tg δ ) можно судить о качестве изолятора: чем меньше угол δ, тем высшие диэлектрические свойства проявляет изоляционный материал.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрикаРис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина  tg2 δ  очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: Pa = U2*ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с-1, а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( Pa ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Ри = А1 f (U – Uи)3, где А1 – постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, Uиобозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения Uи не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации  процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

• сера;
• полимеры;
• парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

• органические стёкла;
• эбонит и другие каучуковые вещества;
• полиамиды;
• целлюлозосодержащие материалы;
• фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10-3.

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10-2.

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют  tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

• ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
• релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
• рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
• поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
• высокочастотные резонансные потери;
• диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла  от напряжения

Чем измерить?

Рассчитывать потери диэлектриков по формуле не очень удобно. Часто величину tg производители определяют опытным путём и указывают на упаковках или в справочниках.

Существуют специальные измерительные приборы, такие как «ИПИ – 10» (производитель Tettex), «Тангенс – 3М» или измеритель «Ш2», позволяющие с высокой точностью определить уровень рассеивания в диэлектриках либо найти тангенс угла рассеяния. Устройства довольно компактны и просты в работе. С их помощью можно исследовать свойства твёрдых и жидких веществ на предмет диэлектрических потерь.