Курс лекций Волгоград 2011 (075. 8) Ю 16
Лекция 9. Диэлектрические потери
жүктеу/скачать 8.66 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 9.1. Влияние температуры на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков
- Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь
- 9.2. Влияние температуры на тангенс угла потерь в полярных
- 9.3. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла диэлектрических потерь для полярных диэлектриков
- 10.1. Электрический пробой газов
- 10.2. Влияние частоты электрического поля на
- 10.3. Электрический пробой твердых диэлектриков
Лекция 9. Диэлектрические потериПод действием электрического поля в диэлектрике развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие этих процессов может привести к рассеянию энергии электрического поля в диэлектрике в виде тепла. Энергия электрического поля трансформируется в тепловую энергию материала. Кроме того, в случае, когда структурные единицы вещества (молекулы) полярны, внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей по полю и, как следствие, энергия поля вновь рассеивается в материале. Для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь. В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90˚. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока. Поэтому векторная диаграмма токов и напряжений выглядит, как показано на рис. 9.1. Зная величину напряжения (U), круговую частоту(w) и емкость конденсатора (С), можно определить реактивную составляющую тока: Ip = U ω × C. (9.1) Тогда активная составляющая тока определится как Ia = Ip tg. (9.2) Рассеиваемую мощность можно определить следующим образом: Р = U × Ia = U2 × C × tg. (9.3)
Рис. 9.1. Векторная диаграмма токов и напряжений в реальном диэлектрике Важно отметить, что в приведенной формуле величина напряжения и круговая частота не зависят от материала диэлектрика, а емкость конденсатора и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Поскольку емкость зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика и геометрии конденсатора (площади обкладок и расстояния между обкладками), то рассеиваемая в материале мощность электрического поля будет пропорциональна произведению диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь. P ~ ε × tg. (9.4) Произведение ε × tg называют коэффициентом диэлектрических потерь и обозначают Kd. Измерительные мосты могут автоматически определять активную составляющую тока и полный ток, иначе говоря, происходит автоматическое измерение тангенса угла потерь. Таким образом, tg можно использовать в качестве меры потерь энергии поля в диэлектрике. 9.1. Влияние температуры на тангенс угла потерь неполярных диэлектриковС увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается. Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества также растет. Следовательно, при увеличении температуры потери на сквозную электропроводность возрастают (рис. 9.2). 
Рис. 9.2. Зависимость тангенса угла потерь от температуры в неполярных диэлектриках В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или упругая ионная поляризация. Как известно, при развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь – потери за счет сквозной электропроводности. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерьнеполярных диэлектриковС увеличением частоты электрического поля длина пробега ионов за время полупериода колебаний уменьшается, а следовательно, уменьшается запасенная ими кинетическая энергия. Кроме того, снижается вероятность столкновения иона со структурными единицами материала. В силу этих причин при росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются (рис. 9.3).  
Рис. 9.3. Зависимость тангенса угла потерь от частоты электрического поля в неполярных диэлектриках
9.2. Влияние температуры на тангенс угла потерь в полярныхдиэлектрикахВ полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей. Эту работу можно оценить как произведение момента сил (М) на угол поворота  . При увеличении температуры подвижность диполей растет и момент сил, необходимый для поворота на один и тот же угол, снижается. В то же время рост подвижности диполей при повышении температуры ведет к увеличению угла поворота под действием постоянного момента сил (рис. 9.4). Таким образом, работа, совершаемая электрическим полем на поворот диполей, при росте температуры вначале увеличивается, а затем уменьшается.
Рис. 9.4. Зависимость угла поворота диполей (φ), момента сил, необходимых для поворота (М) и работы по повороту диполя электрическим полем (А) от температуры Помимо потерь энергии поля на поляризацию, в полярных диэлектриках существуют потери на сквозную электропроводность. Важно отметить, что, хотя качественно процесс электропроводности в полярных диэлектриках не отличается от процесса электропроводности в неполярных диэлектриках, количественные различия имеются. Так, в полярных диэлектриках концентрация носителей заряда, как правило, повышена, поскольку из-за полярности молекул основного материала очистка его от примесей затруднена. Суммируя потери на сквозную проводимость и поляризацию, получаем зависимость tg от температуры, показанную на рис. 9.5.
Рис. 9.5. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для полярных диэлектриков
9.3. Влияние частоты электрического поля на тангенс угла диэлектрических потерь для полярных диэлектриковПри нахождении диэлектрика в электрическом поле в нем развиваются два процесса: электропроводность и поляризация. Оба процесса сопровождаются потерями энергии электрического поля. Потери на электропроводность при росте частоты снижаются. Однако на определенных частотах резко увеличивается резонансная поляризация, поэтому коэффициент диэлектрических потерь Кd на этих частотах резко возрастает. На рис. 9.6 показана зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты электрического поля для диэлектрика сложного состава. Из приведенного рисунка видно, что на определенных частотах начинается резонансная поляризация полярных молекул различных компонентов диэлектрика, а следовательно, возрастают потери. 
Рис. 9.6. Зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты электрического поля Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на определенных частотах ограничивает применение полярных диэлектриков в высокочастотных полях. Так, в качестве изоляции в высокочастотных радиокабелях типа РК-75 используется полиэтилен с неполярными молекулами. В силовых проводах типа АППВ в качестве материала изоляции используется полихлорвинил с полярными молекулами. Если в радиокабеле вместо полиэтилена использовать полихлорвинил, то при рабочих частотах – десятки и сотни мегагерц – потери будут настолько велики, что сигнал по кабелю проходить не будет. Напротив, в силовом кабеле недопустимо использовать в качестве изоляции полиэтилен, поскольку у материалов с неполярными молекулами прочность существенно ниже, чем у материалов с полярными молекулами. Лекция 10. Пробой диэлектриков Под пробоем диэлектриков понимают потерю ими диэлектрических свойств. Принято различать напряжение пробоя (Uпр) и электрическую прочность (Епр). Напряжение пробоя – это то напряжение, при котором резко снижается удельное сопротивление материала изделия. Рабочее напряжение должно быть ниже напряжения пробоя в 2,5–4 раза. Электрической прочностью называют напряженность электрического поля, при которой происходит пробой. В однородном поле электрическая прочность определяется как отношение напряжения пробоя к толщине материала. В неоднородных полях под Епр понимают среднюю напряженность электрического поля. В твердых диэлектриках после пробоя нередко остается прожженное отверстие, вокруг которого наблюдается область частичного разложения и оплавления материала. При повторном приложении электрического поля пробой в этой области наблюдается при меньшей напряженности поля. Поэтому пробой изоляции из твердых диэлектриков приводит к выходу электрической машины или аппарата из строя. Высокая подвижность молекул жидких и газообразных диэлектриков приводит к восстановлению свойств изоляции после пробоя. В этом смысле газообразные или жидкие диэлектрики надежнее, чем твердые, хотя их электропрочность ниже. Причины пробоя различных диэлектриков определяются как природой материала, так и конструкцией изоляторов и условиями их работы. Различают три основных вида пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический.
10.1. Электрический пробой газовУвеличение плотности ионов в диэлектриках (пробой) может быть вызвано развитием ударной ионизации или ионной ионизации. Для развития ударной ионизации необходимо выполнение условия: Eql = mv2/2 = Wэс, (10.1) где Е – напряженность поля, q – заряд иона, l – длина пробега иона от одного столкновения до другого, mv2/2 – кинетическая энергия иона, Wэс – энергия электростатического взаимодействия электронов с ядрами атомов. При выполнении этого условия ионы, пролетая под действием электрического поля от одного столкновения со структурными единицами материала до другого, набирают кинетическую энергию, достаточную для того чтобы выбить электрон из атома. В результате столкновения появляются два дополнительных носителя заряда: электрон и новый ион. Таким образом, размножение носителей заряда возрастает в геометрической прогрессии и происходит пробой диэлектрика. При напряженности поля меньшей, чем та, при которой наблюдается ударная ионизация, в газах может развиваться фотонная ионизация. В этом случае при столкновении иона со структурной единицей материала энергии, переданной атому, не достаточно для отрыва электрона от атома, поэтому возбужденные электроны испускают фотоны. При одновременном попадании нескольких фотонов на какую-либо молекулу, переданная энергия сравнивается с энергией электростатического взаимодействия электронов с ядрами и происходит ионизация. Для иллюстрации развития фотонной ионизации рассмотрим зависимость электропрочности газов от расстояния между электродами (рис. 10.1).
Рис. 10.1. Зависимость напряжения пробоя и электропрочности от расстояния между электродами Очевидно, что длина пробега носителей заряда не зависит от расстояния между электродами, а обусловлена только давлением газа. Поэтому можно ожидать, что электропрочность газов не будет зависеть от расстояния между электродами, эксперименты показывают обратное. При увеличении расстояния между электродами напряжение пробоя нелинейно повышается, а электропрочность падает. Природа такой зависимости состоит в том, что при увеличении расстояния между электродами возрастает объем заключенного между ними газа. Следовательно, увеличивается количество ионов между электродами. Рост столкновений ионов с молекулами газа приводит к возрастанию количества фотонов, образующихся в единицу времени. Поэтому вероятность попадания нескольких фотонов на одну и ту же молекулу увеличивается. 
Рис. 10.2. Зависимость электропрочности газа от давления Другим ярким представителем развития фотонной ионизации является зависимость электропрочности газов от давления. При повышении давления выше атмосферного электропрочность газа растет (рис. 10.2). Это связано с уменьшением межмолекулярных расстояний и снижением длины свободного пробега ионов. При снижении давления электрическая прочность газа уменьшается и, даже под действием поля малой напряженности, газ начинает светиться. Для случая воздуха чем ниже давление, тем меньше длина волны испускаемого света, то есть по мере уменьшения давления цвет свечения меняется с красного до синего. При низких давлениях воздух перестает светиться – «черный вакуум». Изменение длины светового излучения связано с тем, что по мере снижения давления длина пробега ионов возрастает и ионы набирают большую кинетическую энергию. Соответственно возбужденные столкновениями с ионами электроны атомов испускают кванты большей энергии или меньшей длины. При разряжении, соответствующем «черному вакууму», концентрация молекул в межэлектродном пространстве настолько мала, что длина пробега ионов сравнивается с межэлектродным промежутком. Поэтому вероятность ионизации молекул становится ничтожно малой и пробой наступает за счет вырывания электронов из электродов.
электропрочность газовВзаимодействие ионов, ускоренных электрическим полем, с молекулами газа приводит к образованию дополнительного количества положительных ионов и электронов. Внешнее электрическое поле разносит ионы и электроны в разные стороны. Однако по мере движения ионы рекомбинируют с электронами. Таким образом, одновременно развиваются два процесса: размножение заряженных частиц за счет ионизации молекул и уменьшение количества заряженных частиц за счет их взаимной рекомбинации. В случае постоянного электрического поля концентрация заряженных частиц в межэлектродном пространстве зависит только от напряженности поля. При увеличении напряженности поля процесс ионизации преобладает над процессом рекомбинации и при определенной напряженности поля происходит пробой. Процессы изменения концентрации ионов, происходящие в низкочастотных полях, аналогичны процессам в постоянном поле. Однако в высокочастотных полях концентрация заряженных частиц меняется. При достаточно высоких частотах подвижные электроны успевают сместиться на большие расстояния и достигают электродов. Малоподвижные положительные ионы с большой мас-сой за время полупериода колебаний не успевают сместиться на сколь-либо значительные расстояния и концентрация положительных ионов в межэлектродном пространстве растет. Появляется так называемый «объемный заряд». Поэтому, начиная с частот, превышающих десятки килогерц, вероятность столкновения ионов с молекулами возрастает и электропрочность газов снижается (рис. 10.3). Дальнейший рост частоты электрического поля (или уменьшение его полупериода) приводит к тому, что за время полупериода не только положительные ионы не успевают сместиться на сколь-либо значительные расстояния, но и электроны не успевают вылететь из межэлектродного пространства. Вероятность рекомбинации заряженных частиц растет, и их концентрация падает. Кроме того, снижение времени полупериода требует увеличения силы, действующей на ионы, чтобы кинетической энергии хватило для ионизации молекул. Поэтому при частотах, превышающих мегагерц, электропрочность газов возрастает. 
В/м 
Рис. 10.3. Зависимость электропрочности газа от частоты электрического поля 10.3. Электрический пробой твердых диэлектриковПри рассмотрении электрического пробоя в твердых диэлектриках следует иметь в виду, что электрическая прочность зависит не только от материала, но и от формы изолятора. Дело в том, что в твердых диэлектриках, помимо сквозного электрического пробоя, может развиваться поверхностный пробой. Для развития сквозного пробоя требуется очень высокая напряженность электрического поля. Это связано с тем, что плотность твердых диэлектриков велика и длина пробега ионов мала. Следовательно, для того, чтобы ион набрал достаточную кинетическую энергию (mv2/2 = Eql), нужна высокая напряженность электрического поля. Вместе с тем, на поверхности любого материала имеется слой адсорбированных молекул. Из окружающего пространства (из воздуха) на поверхность могут адсорбироваться молекулы азота, кислорода, углекислого газа, воды и так далее. В тех местах, где адсорбируются молекулы воды и углекислого газа, образуется угольная кислота. Иначе говоря, на поверхности появляются участки с повышенной концентрацией ионов. Таким образом, вероятность ионизации молекул на поверхности диэлектрика становится выше, а электропрочность снижается. Другой важной особенностью пробоя твердых диэлектриков является снижение их электрической прочности после пробоя. Пробой сопровождается плавлением или прожиганием диэлектрика. При повторном приложении напряжения пробой возникает в этой области при сравнительно малой напряженности поля. Особенно опасен пробой для органических диэлектриков, в месте пробоя которых происходит разложение органики и выделение элементарного углерода. Следовательно, пробой твердой изоляции электрической машины или аппарата означает аварийное состояние устройства. После пробоя жидкостей или газов высокая подвижность молекул приводит к исчезновению канала пробоя. Поэтому, хотя газовая изоляция и имеет меньшую электропрочность, но после пробоя эксплуатационные свойства материала восстанавливаются, то есть она более надежна.
При нахождении диэлектрика в электрическом поле часть энергии электрического поля рассеивается в диэлектрике из-за диэлектрических потерь и диэлектрик нагревается. Повышение температуры диэлектрика по сравнению с окружающей средой ведет к отводу тепла. Дальнейшее развитие процессов зависит от соотношения скорости отвода тепла и скорости тепловыделения. На рис. 10.4 показаны зависимости мощности тепловыделения (Ртв) и мощности отвода тепла (Рто) от температуры для неполярного диэлектрика. Как видно из приведенного рисунка, в области температур от точки a до точки b мощность отвода тепла превышает мощность тепловыделения, поэтому повышения температуры не происходит. Вне этой области мощность выделения тепла превышает мощность отвода тепла и диэлектрик нагревается. Нагрев материала диэлектрика может привести к его растрескиванию, оплавлению, обугливанию, что снижает электропрочность диэлектрика и ведет к его разрушению. Очевидно, что стойкость к электротепловому пробою зависит как от свойств самого материала (у полярных диэлектриков диэлектрические потери выше и стойкость к электротепловому пробою ниже), так и от конструкции изолятора. Чем выше поверхность изолятора, тем больше тепла рассеивается в окружающую среду и меньше вероятность электротеплового пробоя. 
Вт а) С Рис. 10.4. Зависимость мощности выделения тепла (Ртв) и мощности отвода тепла (Рто) от температуры Следует также отметить, что в случае, когда рабочая температура изолятора приближается к точке b, любое повышение температуры приведет к выходу изоляции из строя. В то же время в случае, когда рабочая температура находится ниже точки а, колебания температуры не столь опасны. Нагрев диэлектрика (при нахождении его при температуре ниже точки а) приведет к увеличе-нию мощности отвода тепла. Поэтому мощности выделения и отвода тепла сравняются. Наиболее опасными являются температуры вблизи точки b. Поэтому зависимость электропрочности диэлектриков от температуры выглядит, как показано на рис. 10.5.
пробой
Рис. 10.5. Зависимость электропрочности диэлектрика от температуры
Данный вид пробоя обусловлен тем, что при длительном нахождении в электрическом поле происходит изменение химического состава диэлектрика. Чем выше напряженность электрического поля, тем сильнее возбуждаются молекулы диэлектрика и время, необходимое для выхода материала диэлектрика из строя, снижается. В то же время химически инертные диэлектрики имеют больше время работы. Зависимость времени безопасной службы материала диэлектрика от времени принято называть «кривой жизни» диэлектрика (рис. 10.6). 
В/м Мин. (ч) Рис. 10.6. Зависимость электропрочности от времени Как видно из приведенного рисунка, стабильность фторопласта (кривая б) заметно выше, чем стабильность полиэтилена (кривая а). Это связано с тем, что энергия связи фтора с углеродом (450 кДж/моль) заметно выше энергии связи водорода с углеродом (290 кДж/моль). Поэтому для разрушения молекулы фторопласта нужны большие флуктуации энергии, его устойчивость выше.
жүктеу/скачать 8.66 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
