Čo je to dielektrická strata a čo ju spôsobuje

Dielektrické straty sú energia rozptýlená za jednotku času v dielektriku, keď naň pôsobí elektrické pole a spôsobuje zahriatie dielektrika. Pri konštantnom napätí sú straty energie určené iba silou priechodného prúdu v dôsledku objemového a povrchového vedenia. Pri striedavom napätí sa tieto straty pripočítavajú k stratám v dôsledku rôznych typov polarizácií, ako aj prítomnosti polovodičových nečistôt, oxidov železa, uhlíka, plynových inklúzií atď.

Vzhľadom na najjednoduchšie dielektrikum môžeme napísať výraz pre výkon rozptýlený v ňom pod vplyvom striedavého napätia:

Pa = U·I,

kde U je napätie aplikované na dielektrikum, Aza je aktívna zložka prúdu pretekajúceho dielektrikom.

Dielektrický ekvivalentný obvod je zvyčajne prezentovaný vo forme kondenzátora a aktívneho odporu zapojených do série. Z vektorového diagramu (pozri obr. 1):

Aza = integrovaný obvod·tgδ,

kde δ — uhol medzi vektorom celkového prúdu I a jeho kapacitnou zložkou Integrovaný obvod.

Preto

Pa = U·Integrovaný obvod·tgδ,

ale prúd

Integrovaný obvod = UΩ C,

kde je kapacita kondenzátora (dané dielektrikom) pri uhlovej frekvencii ω.

V dôsledku toho je energia rozptýlená v dielektriku

Pa = U2Ω C·tgδ,

t.j. straty energie rozptýlené v dielektriku sú úmerné dotyčnici uhla δ, ktorý je tzv uhol dielektrickej straty alebo jednoducho uhol straty. Tento uhol δ k charakterizuje kvalitu dielektrika. Čím menší je uhol dielektrických strát δ, tým vyššie sú dielektrické vlastnosti izolačného materiálu.

Ryža. 1. Vektorový diagram prúdov v dielektriku pod striedavým napätím.

Zavedenie pojmu uhol δ Pre prax je to vhodné, pretože namiesto absolútnej hodnoty dielektrických strát sa berie do úvahy relatívna hodnota, ktorá umožňuje porovnávať izolačné výrobky s dielektrikami rôznej kvality.

Dielektrické straty v plynoch

Dielektrické straty v plynoch sú malé. Plyny majú veľmi nízka elektrická vodivosť… Orientácia molekúl dipólového plynu pri ich polarizácii nie je sprevádzaná dielektrickými stratami. Sčítanie tgδ=e(U) sa nazýva ionizačná krivka (obr. 2).

Ryža. 2. Zmena tgδ ako funkcia napätia pre izoláciu so vzduchovými inklúziami

Rastúce tgδ so zvyšujúcim sa napätím môže posúdiť prítomnosť plynových inklúzií v pevnej izolácii. Pri výraznej ionizácii a stratách v plyne môže dôjsť k zahrievaniu a rozpadu izolácie.Preto je izolácia vinutia vysokonapäťových elektrických strojov na odstránenie plynových inklúzií počas výroby podrobená špeciálnemu spracovaniu - sušeniu vo vákuu, vyplnenie pórov izolácie zahriatou zmesou pod tlakom a valcovanie na lisovanie.

Ionizácia vzduchových inklúzií je sprevádzaná tvorbou ozónu a oxidov dusíka, ktoré majú deštruktívny vplyv na organickú izoláciu. Ionizácia vzduchu v nerovnomerných poliach, napríklad v elektrických vedeniach, je sprevádzaná účinkom viditeľného svetla (koróna) a značnými stratami, čo znižuje účinnosť prenosu.

Dielektrické straty v kvapalných dielektrikách

Dielektrické straty v kvapalinách závisia od ich zloženia. V neutrálnych (nepolárnych) kvapalinách bez nečistôt je elektrická vodivosť veľmi nízka, preto sú v nich malé aj dielektrické straty. Napríklad rafinovaný kondenzátorový olej má tgδ

V technológii polárne kvapaliny (Sovol, ricínový olej atď.) alebo zmesi neutrálnych a dipolárnych kvapalín (transformátorový olej, zlúčeniny atď.), v ktorých sú dielektrické straty výrazne vyššie ako straty neutrálnych kvapalín. Napríklad tgδ ricínového oleja pri frekvencii 106 Hz a teplote 20 °C (293 K) je 0,01.

Dielektrická strata polárnych kvapalín závisí od viskozity. Tieto straty sa nazývajú dipólové straty, pretože sú spôsobené polarizáciou dipólov.

Pri nízkej viskozite sú molekuly orientované pôsobením poľa bez trenia, dipólové straty sú v tomto prípade malé a celkové dielektrické straty sú spôsobené iba elektrickou vodivosťou. Straty dipólov sa zvyšujú so zvyšujúcou sa viskozitou.Pri určitej viskozite sú straty maximálne.

Vysvetľuje to skutočnosť, že pri dostatočne vysokej viskozite molekuly nemajú čas sledovať zmenu poľa a polarizácia dipólu prakticky zmizne. V tomto prípade sú dielektrické straty malé. Keď sa frekvencia zvyšuje, maximálna strata sa posúva do oblasti s vyššou teplotou.

Teplotná závislosť strát je komplexná: tgδ sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, dosahuje svoje maximum, potom klesá na minimum, potom sa opäť zvyšuje, čo sa vysvetľuje zvýšením elektrickej vodivosti. Straty dipólov sa zvyšujú so zvyšujúcou sa frekvenciou, až kým polarizácia nestihne sledovať zmenu poľa, potom sa molekuly dipólu už nestihnú plne orientovať v smere poľa a straty sa stanú konštantnými.

V kvapalinách s nízkou viskozitou prevládajú straty vedením pri nízkych frekvenciách a straty na dipóloch sú zanedbateľné; naopak, pri rádiových frekvenciách sú dipólové straty vysoké. Preto sa vo vysokofrekvenčných poliach nepoužívajú dipólové dielektrika.

Dielektrické straty v pevných dielektrikách

Dielektrické straty v pevných dielektrikách závisia od štruktúry (kryštalickej alebo amorfnej), zloženia (organické alebo anorganické) a povahy polarizácie. V takých pevných neutrálnych dielektrikách, ako je síra, parafín, polystyrén, ktoré majú iba elektronickú polarizáciu, nedochádza k žiadnym dielektrickým stratám. Straty môžu byť spôsobené iba nečistotami. Preto sa takéto materiály používajú ako vysokofrekvenčné dielektrika.

Anorganické materiály, ako sú monokryštály kamennej soli, sylvit, kremeň a čistá sľuda, ktoré majú elektronickú a iónovú polarizáciu, majú nízke dielektrické straty v dôsledku samotnej elektrickej vodivosti. Dielektrické straty v týchto kryštáloch nezávisia od frekvencie a tgδ klesá so zvyšujúcou sa frekvenciou. So zvyšujúcou sa teplotou sa straty a tgft menia rovnakým spôsobom ako elektrická vodivosť, pričom sa zvyšujú podľa zákona exponenciálnej funkcie.

V sklách rôzneho zloženia, napríklad v keramike s vysokým obsahom sklovitej fázy, sa pozorujú straty v dôsledku elektrickej vodivosti. Tieto straty sú spôsobené pohybom slabo viazaných iónov; zvyčajne sa vyskytujú pri teplotách nad 50 — 100°C (323 — 373 K). Tieto straty sa výrazne zvyšujú s teplotou podľa zákona exponenciálnej funkcie a málo závisia od frekvencie (tgδ klesá so zvyšujúcou sa frekvenciou).

V anorganických polykryštalických dielektrikách (mramor, keramika atď.) vznikajú dodatočné dielektrické straty v dôsledku prítomnosti polovodičových nečistôt: vlhkosti, oxidov železa, uhlíka, plynu atď. rovnaký materiál, pretože vlastnosti materiálu sa vplyvom podmienok prostredia menia.

Dielektrické straty v organických polárnych dielektrikách (drevo, étery celulózy, prírodný roztok, syntetické živice) sú spôsobené štrukturálnou polarizáciou v dôsledku voľného balenia častíc. Tieto straty závisia od teploty, ktorá má pri určitej teplote maximum, ako aj od frekvencie rastúcej s jej rastom. Preto sa tieto dielektriká nepoužívajú vo vysokofrekvenčných poliach.

Je charakteristické, že závislosť tgδ od teploty pre papier impregnovaný zlúčeninou má dve maximá: prvé sa pozoruje pri negatívnych teplotách a charakterizuje stratu vlákien, druhé maximum pri zvýšených teplotách je spôsobené stratou dipólu zlúčeniny. So zvyšovaním teploty v polárnych dielektrikách sa zvyšujú straty spojené s elektrickou vodivosťou.