Диэлектрические потери и их виды

Под диэлектрическими потерями понимают электрическую мощ­ность, поглощаемую диэлектриком при воздействии на него элект­рического поля. Эта мощность рассеивается в диэлектрике, превра­щаясь в тепло. Диэлектрические потери обусловлены сквозным то­ком и активной составляющей тока абсорбции, а также наличием посторонних проводящих или полупроводящих включении.

Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при постоян­ном напряжении, так и при переменном. При постоянном напряже­нии они вызваны сквозным током, а при переменном напряжении диэлектрические потери вызваны сквозным током и активной составляющей тока абсорбции.

Тангенс угла диэлектрических потерь является важным парамет­ром, определяющим соотношение активной и реактивной составля­ющих тока, проходящего через диэлектрик. Он определяет диэлектрические потери в материале. Чем меньше значение tgδ, тем лучше диэлектрик, так как в нем будут меньше потери энергии. Для наиболее широко применяемых электроизоляционных материалов значение tgδ=0,0001-0,01. Произведение ε·tgδ=ε" называ­ют коэффициентом диэлектрических потерь.

Виды диэлектрических потерь. Диэлектрические потери могут быть вызваны следующими основными причинами: релаксационной поляризацией, ударной ионизацией и сквозной электропроводно­стью

Потери, обусловленные релаксационной поляризацией, имеют место в диэлектриках с дипольной структурой и в диэлектриках с ионной структурой с неплотной упаковкой ионов. Тангенс угла диэлектрических потерь зависит от тем­пературы и частоты (рис. 10.7). Наличие температурного максиму­ма tgδ в полярном диэлектрике можно объяснить на примере дипольно-релаксационной поляризации вязких жидкостей.

С ростом температу­ры растет количество полярных молекул, участвующих в поляриза­ции, расходуется дополнительная энергия на их поляризацию, поэтому tgδ возрастает. Достигнув максимального значения, tgδ начинает уменьшаться, потому что дальнейшее повышение темпера­туры настолько усиливает хаотическое тепловое движение поляр­ных молекул, что затрудняет их поворот в электрическом поле. Дос­тигнув наименьшего значения, tgδ вновь возрастает, что связа­но с увеличением сквозного тока.

Потери, вызванные ударной ионизацией, свойственны пористым и слоистым диэлектрикам с газовыми включениями. На рис. 10.9 показано влияние газовых включений на характер изменения tgδ с ростом напряжения. При повышении напряжения сверх определен­ного значения U_ион, называемого порогом ионизации, в газовых включениях или других дефектах внутри диэлектрика возникает процесс ударной ионизации, который приводит к рас­сеиванию энергии электрического поля. При напряжении U_K, соот­ветствующем окончанию процесса ионизации, газ уже ионизирован, поэтому энергия поля больше не расходуется на ионизацию, вследствие чего tgδ уменьшается.

Ионизация газовых включений особенно опасна для неорганиче­ских диэлектриков с закрытыми порами, так как может вызвать местный перегрев изделий и их разрушение. Для повышения качест­ва такой электрической изоляции ее пропитывают, заполняя поры маслами, лаками, компаундами.

Потери, обусловленные сквозной электропроводностью. Наличие сквозного тока в диэлектрике как при постоянном, так и перемен­ном напряжении приводит к рассеянию электрической мощности.

Мощность потерь на электропроводность, как видно из (10.9), не зависит от частоты. Тангенс угла диэлектрических потерь умень­шается с ростом частоты (рис. 10.10, а) вследствие уменьшения сквозного тока.

Потерн на электропро­водность диэлектриков с высоким удельным сопротивлением нич­тожно малы, а в области высоких и сверхвысоких частот — они ма­лы практически у всех диэлектриков. Однако у всех материалов при температурах выше 100°С потери существенны.

Кроме перечисленных диэлектрических потерь существуют поте­ри, обусловленные неоднородностью структуры диэлектрика. Они характерны для твердых диэлектриков при макроскопической неод­нородности и наличии примесей.