Mikä on dielektrinen häviö ja mistä se johtuu

Dielektriset häviöt ovat energiaa, joka hajoaa aikayksikköä kohti eristeessä, kun siihen kohdistetaan sähkökenttä ja se saa eristeen kuumenemaan. Vakiojännitteellä energiahäviöt määräytyvät vain tilavuuden ja pintajohtavuuden aiheuttaman läpimenovirran voimakkuuden mukaan. Vaihtojännitteellä nämä häviöt lisätään häviöihin, jotka johtuvat erityyppisistä polarisaatioista sekä puolijohdeepäpuhtauksista, rautaoksidista, hiilestä, kaasusulkeutumisesta jne.

Ottaen huomioon yksinkertaisin eriste, voimme kirjoittaa siihen vaihtojännitteen vaikutuksesta hajaantuneen tehon lausekkeen:

Pa = U·I,

missä U on eristeeseen syötetty jännite, Aza on eristeen läpi kulkevan virran aktiivinen komponentti.

Dielektrinen ekvivalenttipiiri esitetään yleensä kondensaattorin ja aktiivisen vastuksen muodossa, jotka on kytketty sarjaan. Vektorikaaviosta (katso kuva 1):

Aza = Integroitu piiri·tgδ,

jossa δ — kokonaisvirran I vektorin ja sen kapasitiivisen komponentin välinen kulma Integroitu piiri.

Siksi

Pa = U·Integroitu piiri·tgδ,

mutta nykyinen

Integroitu piiri = UΩ C,

missä on kondensaattorin kapasitanssi (annettu dielektrisyys) kulmataajuudella ω.

Tämän seurauksena eristeeseen haihtunut teho on

Pa = U2Ω C·tgδ,

eli eristeessä hajoavat energiahäviöt ovat verrannollisia kulman δ tangenttiin, joka on ns. dielektrinen häviökulma tai yksinkertaisesti menetyskulma. Tämä kulma δ k kuvaa eristeen laatua. Mitä pienempi on kulma di sähköhäviöt δ, sitä korkeammat ovat eristysmateriaalin dielektriset ominaisuudet.

Riisi. 1. Vektorikaavio virroista eristeessä vaihtojännitteellä.

Kulman δ käsitteen esittely Käytännössä on kätevää, koska dielektristen häviöiden absoluuttisen arvon sijaan otetaan huomioon suhteellinen arvo, mikä mahdollistaa eristystuotteiden vertaamisen erilaatuisiin eristeisiin.

Kaasujen dielektriset häviöt

Kaasujen dielektriset häviöt ovat pieniä. Kaasuilla on erittäin alhainen sähkönjohtavuus… Dipolikaasumolekyylien orientaatioon niiden polarisaation aikana ei liity dielektrisiä häviöitä. Summaisuutta tgδ=e(U) kutsutaan ionisaatiokäyräksi (kuva 2).

Riisi. 2. Muutos tgδ:ssä jännitteen funktiona ilmasulkeutuneen eristyksen osalta

Nouseva tgδ jännitteen kasvaessa voi arvioida kaasusulkeumien esiintymisen kiinteässä eristeessä. Merkittävän ionisoitumisen ja kaasuhäviöiden seurauksena eristys voi lämmetä ja rikkoutua.Siksi korkeajännitteisten sähkökoneiden käämien eristys kaasusulkeumien poistamiseksi tuotannon aikana käsitellään erityisellä tavalla - kuivaamalla tyhjiössä, täyttämällä eristeen huokoset lämmitetyllä yhdisteellä paineen alaisena ja rullaamalla puristamista varten.

Ilmasulkujen ionisoitumiseen liittyy otsonin ja typen oksidien muodostuminen, joilla on tuhoisa vaikutus orgaaniseen eristykseen. Ilman ionisoitumiseen epätasaisissa kentissä, esimerkiksi voimalinjoissa, liittyy näkyvän valon vaikutus (korona) ja merkittäviä häviöitä, mikä alentaa siirtotehokkuutta.

Dielektriset häviöt nestemäisissä eristeissä

Nesteiden dielektriset häviöt riippuvat niiden koostumuksesta. Neutraaleissa (ei-polaarisissa) nesteissä, joissa ei ole epäpuhtauksia, sähkönjohtavuus on erittäin alhainen, joten myös dielektriset häviöt ovat niissä pieniä. Esimerkiksi puhdistetulla lauhdutinöljyllä on tgδ

Tekniikassa polaariset nesteet (Sovol, risiiniöljy jne.) tai neutraalien ja dipolaaristen nesteiden seokset (muuntaja öljyä, yhdisteet jne.), joissa dielektriset häviöt ovat huomattavasti suuremmat kuin neutraalien nesteiden. Esimerkiksi risiiniöljyn tgδ taajuudella 106 Hz ja lämpötilassa 20 °C (293 K) on 0,01.

Polaaristen nesteiden dielektrinen häviö riippuu viskositeetista. Näitä häviöitä kutsutaan dipolihäviöiksi, koska ne johtuvat dipolipolarisaatiosta.

Alhaisella viskositeetilla molekyylit suuntautuvat kitkattoman kentän vaikutuksesta, dipolihäviöt ovat tässä tapauksessa pieniä ja dielektriset kokonaishäviöt johtuvat vain sähkönjohtavuudesta. Dipolihäviöt kasvavat viskositeetin kasvaessa.Tietyllä viskositeetilla häviöt ovat suurimmat.

Tämä selittyy sillä, että riittävän korkealla viskositeetilla molekyyleillä ei ole aikaa seurata kentän muutosta ja dipolipolarisaatio käytännössä katoaa. Tässä tapauksessa dielektriset häviöt ovat pieniä. Taajuuden kasvaessa maksimihäviö siirtyy korkeamman lämpötilan alueelle.

Häviöiden lämpötilariippuvuus on monimutkainen: tgδ kasvaa lämpötilan noustessa, saavuttaa maksiminsa, laskee sitten minimiin, sitten taas kasvaa, tämä selittyy sähkönjohtavuuden kasvulla. Dipolihäviöt kasvavat taajuuden kasvaessa, kunnes polarisaatio ehtii seurata kentän muutosta, minkä jälkeen dipolimolekyylit eivät enää ehdi täysin orientoitua kentän suuntaan ja häviöt muuttuvat vakioiksi.

Matalaviskositeettisissa nesteissä johtavuushäviöt ovat vallitsevia matalilla taajuuksilla, ja dipolihäviöt ovat mitättömiä; päinvastoin, radiotaajuuksilla dipolihäviöt ovat suuria. Siksi dipolieristeitä ei käytetä suurtaajuuskentissä.

Dielektriset häviöt kiinteissä eristeissä

Kiinteiden eristeiden dielektriset häviöt riippuvat rakenteesta (kiteinen tai amorfinen), koostumuksesta (orgaaninen tai epäorgaaninen) ja polarisaation luonteesta. Tällaisissa kiinteissä neutraaleissa eristeissä, kuten rikki, parafiini, polystyreeni, joilla on vain elektroninen polarisaatio, ei ole dielektrisiä häviöitä. Häviöt voivat johtua vain epäpuhtauksista. Siksi tällaisia ​​materiaaleja käytetään korkeataajuisina dielektrisinä aineina.

Epäorgaanisilla materiaaleilla, kuten kivisuolan, sylviitin, kvartsin ja puhtaan kiilteen yksittäiskiteillä, joilla on elektroninen ja ioninen polarisaatio, on pienet dielektriset häviöt johtuen pelkästään sähkönjohtavuudesta. Dielektriset häviöt näissä kiteissä eivät riipu taajuudesta, ja tgδ pienenee taajuuden kasvaessa. Lämpötilan noustessa häviöt ja tgft muuttuvat samalla tavalla kuin sähkönjohtavuus, kasvaen eksponentiaalisen funktion lain mukaan.

Koostumukseltaan eri laseissa, esimerkiksi keramiikassa, jossa on korkea lasimaisen faasin pitoisuus, havaitaan sähkönjohtavuudesta johtuvia häviöitä. Nämä häviöt johtuvat heikosti sitoutuneiden ionien liikkeestä; ne esiintyvät yleensä yli 50 - 100 °C:n (323 - 373 K) lämpötiloissa. Nämä häviöt kasvavat merkittävästi lämpötilan myötä eksponentiaalisen funktion lain mukaan ja riippuvat vähän taajuudesta (tgδ pienenee taajuuden kasvaessa).

Epäorgaanisissa monikiteisissä eristeissä (marmori, keramiikka jne.) esiintyy ylimääräisiä dielektrisiä häviöitä puolijohdeepäpuhtauksien läsnäolon vuoksi: kosteus, rautaoksidit, hiili, kaasu jne. sama materiaali, koska materiaalin ominaisuudet muuttuvat ympäristöolosuhteiden vaikutuksesta.

Orgaanisten polaaristen eristeiden (puu, selluloosaeetterit, luonnonliuos, synteettiset hartsit) dielektriset häviöt johtuvat rakenteellisesta polarisaatiosta, joka johtuu irtonaisesta hiukkaspakkauksesta. Nämä häviöt riippuvat lämpötilan maksimiarvosta tietyssä lämpötilassa sekä taajuudesta, joka kasvaa sen kasvun myötä. Siksi näitä eristeitä ei käytetä suurtaajuuskentissä.

Tyypillistä on, että yhdisteellä kyllästetyn paperin lämpötilariippuvuudella tgδ on kaksi maksimiarvoa: ensimmäinen havaitaan negatiivisissa lämpötiloissa ja luonnehtii kuitujen häviämistä, toinen maksimi korotetuissa lämpötiloissa johtuu yhdisteen dipolin häviämisestä. Lämpötilan noustessa polaarisissa dielektrikissä sähkönjohtavuuteen liittyvät häviöt kasvavat.