Диэлектрические потери

Диэлектрическими потерями (ДП) называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

ДП не желательны, так как нагрев приводит к ухудшению свойств диэлектрика и ускорению процессов теплового старения.

В силовой электротехнике нагрев приводит к уменьшению электрической прочности диэлектриков и, следовательно, к уменьшению надежности электрооборудования. В слаботочных устройствах нагрев приводит к уменьшению сопротивления изоляции и к увеличению токов утечки в цепях.

Однако, диэлектрические потери используются для термообработки материалов, который называется диэлектрическим нагревом. Диэлектрический нагрев отличается от классических способов нагрева тем, что он протекает равномерно по всему объему и не вызывает внутренних механических напряжений, которые возникают в материале в результате неравномерного распределения температуры.

Идеальным называют диэлектрик, в котором отсутствуют диэлектрические потери. В схеме замещения такого диэлектрика (рис. 3а) будет только конденсатор, следовательно, через диэлектрик будет протекать емкостной ток, имеющий угол сдвига с напряжением φ=90^о.

Потери мощности в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку диэлектрики не являются идеальными и в них всегда присутствует сквозной ток, обусловленный электропроводностью. При постоянном напряжении потери вызываются только одной сквозной проводимостью (объемной и поверхностной), а при переменном напряжении к ним добавляются потери на поляризацию.

Диэлектрические потери в электроизоляционном материале можно характеризовать не в абсолютном виде, а рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, или удельными потерями. Для многих изоляционных конструкций со сложной формой проблематично определить объем, чтобы оценить величину ДП, зная удельные потери. Поэтому для оценки ДП вводят показатель, который зависит только от качества материала, угол диэлектрических потерь (δ)и тангенс угла ДП (tgδ).

Рис. 19. Векторные диаграммы и эквивалентные схемы диэлектрика: а) параллельная; б) последовательная

Углом диэлектрических потерь называют угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз между током и напряжением в емкостной цепи.

Рассмотрим схемы замещения конденсатора с диэлектриком, обладающим потерями, при воздействии на такой конденсатор переменного напряжения (рис. 19).

Используя схемы замещения и векторные диаграммы , выведем формулы для определения tgδ и мощности ДП. Для параллельной схемы замещения из векторной диаграммы на рис. 19:

(18)

Тогда мощность ДП:

(19)

Для последовательной схемы замещения:

(20)

(21)

Окончательно:

(22)

Так как мощность ДП не зависит от схемы замещения, то приравняв формулы (20) и (22), определим соотношение емкостей С_ри С_s:

(23)

Для высококачественных диэлектриков tg²δ значительно меньше единицы, поэтому:

(24)

(25)

Согласно формуле (24) диэлектрические потери пропорциональны квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте поля. Поэтому ДП имеют важное значение для материалов, используемых в высоковольтных высокочастотных устройствах. Материалы, предназначенные для использования в таких устройствах, должны отличаться малыми значениями угла диэлектрических потерь и диэлектрической проницаемости.