Диэлектрические потери

4.1. ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Диэлектрическими потерями Р (Вт) называют ту часть энергии приложенного электрического поля, которая рассеивается в диэлектри­ке за единицу времени. Эта энергия переходит в тепло, и диэлектрик нагревается.

При недопустимо высоких диэлектрических потерях электроизо­ляционная конструкция может нагреться до температуры теплового разрушения, т.е. наступит электротепловой пробой (см. гл. 5.3.1 и 5.4.2).

Диэлектрические потери электроизоляционных материалов и кон­струкций обычно характеризуют тангенсом угла диэлектрических по­терь tgS, где 5 — угол, дополняющий до 90° угол сдвига фаз между то­ком и напряжением (угол ц>) в емкостной цепи (рис. 4.1):

8 = 90° — ф. (4.1)

Величина tg5 является важной характеристикой диэлектриков. Она определяет диэлектрические потери в материале: чем больше tg5, тем более высокие (при прочих равных условиях) диэлектриче­ские потери. Для наиболее широко применяемых диэлектриков tg5 имеет значение в пределах от 0,0001 до 0,03. О величине диэлектри­ческих потерь участка изоляции и некоторых радиодеталей (конден­саторов, катушек индуктивности и т. п.) можно судить также по зна­чению их добротности Q:

Q = \ = ctg5 = tgф. tgo

Диэлектрические потери могут быть как при постоянном, так и при переменном напря­жении. При постоянном напряжении потери обусловлены только током сквозной проводи­мости, и величина диэлектрических потерь в данном случае зависит (обратно пропорцио­нально) от значений удельных объемного и по­верхностного сопротивлений. При переменном напряжении диэлектрические потери возника­ют под действием как тока сквозной проводи­мости, так и релаксационных видов поляриза­ции; их величина зависит от значения е. В сильных электрических полях (в постоянном и переменном) дополнительно возникают ио­низационные потери.

4.2. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИКА С ПОТЕРЯМИ

Чтобы изучить диэлектрические потери какого-либо материала, необходимо измерить ряд параметров конденсатора с этим материа­лом в цепи переменного напряжения. Конденсатор с исследуемым диэлектриком, имеющий емкость С, рассеиваемую мощность Р и угол сдвига фаз между током и напряжением ср, заменим эквивалент­ной схемой, в которой к идеальному конденсатору активное сопро­тивление подключено либо параллельно — параллельная эквива­лентная схема замещения, либо последовательно — последователь­ная эквивалентная схема замещения. Эти эквивалентные схемы замещения диэлектрика с потерями должны быть выбраны так, что­бы рассеиваемая в них активная мощность была равна мощности Р, выделяющейся в конденсаторе с исследуемым диэлектриком, а ток опережал бы напряжение на тот же угол ф. Эквивалентные схемы вводятся условно и не объясняют механизма диэлектрических по­терь. Величины емкости идеального конденсатора и активного со­противления для параллельной и последовательной схем замещения обозначим соответственно С_р и R, С₅ и г.

Параллельная эквивалентная схема замещения диэлектрика с потеря­ми и векторная диаграмма токов в ней представлены на рис.4.2, из ко­торого видно, что активная составляющая тока 1_а совпадает по фазе с напряжением U, а реактивная составляющая тока \ опережает напряже­ние на угол, равный 90°. Значения соответствующих токов равны

/ = U/z, 1_а = Ц/R, I_r = U/x_c = ШС_Р, (4.3)

где z — полное сопротивление, z = д/х_с² +R²; х_с — реактивное (емко­стное) сопротивление конденсатора с диэлектриком, х_с = 1/со С_р (со — угловая частота).

Из треугольника токов (см. рис. 4.2, б) следует, что

tg5 = — = ^U = ——. (4.4)

I_r RU(tiC_p со RC_p

г

и

б

Рис. 4.2. Параллельная эквивалентная схема замещения диэлектрика с потерями (а) и векторная диаграмма токов в ней (б)

к

и

и_л

Рис. 4.3. Последовательная эквивалентная схема замещения диэлектрика с потеря­ми (а), соответствующие ей векторная диаграмма напряжений (б) и треугольник

сопротивлений (в)

Последовательная эквивалентная схема замещения диэлектрика с потерями и соответствующие ей векторная диаграмма напряжений и треугольник сопротивлений, представленные на рис. 4.3, показыва­ют, что активная составляющая напряжения U_a совпадает по фазе с током /, а реактивная составляющая напряжения U_r отстает от тока на угол 90°.

(4.5)

Если треугольник напряжений (см. рис. 4.3, б) разделить на по­стоянную величину тока /, получим треугольник сопротивлений (рис. 4.3, в), из которого имеем

tg8 = —= согС₅.

Величину рассеиваемой мощности Р при постоянном напряжении можно определить с помощью закона Джоуля—Ленца:

(4.6)

Р =

R

При переменном напряжении эта величина в общем виде равна

Р = Шсощ. (4.7)

Для параллельной схемы замещения, используя выражение (4.7) и векторную диаграмму токов, изображенную на рис. 4.2, б, по­лучим

Р = UI coscp = t//sin8 = t/ sin5 = UI_r tg8,

cos5

где I = IJcos5.

(4.8)

Подставив в это выражение из (4.3) значение тока /_г, получим

P = U²aCAg8.

Для последовательной схемы замещения, используя треугольник напряжений (рис. 4.3, в) и формулу (4.3), получим

D ТТТ TT^{Ur и}'^{Г и}'^{Г и2}^^Ъ

P = UI coscp = U-- = —----- =--------------- =-------- —

гг х²_с+г² х²(1 + л /х*) х_с (1 + tg 5)

где coscp = rfc (см. рис. 4.3, в).

Преобразовав это выражение, находим

U²(oC_s tgS l + tg²5 '

Приравняв друг к другу правые части выражений (4.8) и (4.9), (4.4) и (4.5), определим соотношения между С_р и C_s, а также между Лиг:

^{Ср =}I+tgV ^<4,0)

A=,(I₊JL). (4,1)

Для высококачественных диэлектриков значением tg²5 в сравне­нии с единицей можно пренебречь и считать, что С_р ~ C_s ~ С. Тогда величина мощности, рассеиваемой в диэлектрике, будет одинакова для обеих схем и равна

P = U²(oCtg5, (4.12)

где Р — активная мощность, Вт; U — напряжение, приложенное к конденсатору с испытуемым диэлектриком, В; С — его емкость, Ф; со — угловая частота, с^-1 (со = 2тс/, где/— циклическая частота, Гц).

Для диэлектриков с высокими значениями tg5 при переменном напряжении емкость С и, следовательно, диэлектрическая проницае­мость е становятся величинами неопределенными, зависящими от выбора модели эквивалентной схемы замещения. Величина же tg5 диэлектриков от выбранной схемы замещения не зависит. Она зави­сит от природы материала, частоты / напряжения и температуры Т. Поэтому в справочной литературе для каждого диэлектрика указыва­ются /и Г, при которых измерены tg5 и е.

Из формулы (4.12) следует, что величина рассеиваемой мощно­сти Р (диэлектрические потери) зависит от квадрата приложенного напряжения и его частоты, емкости и tg5 материала. Емкость, в свою очередь, зависит от г материала, а е и tg5 — от природы материала (химического состава и структуры) и внешних условий (температу­ры, частоты и величины напряжения, влажности среды и т. п.). Сле­довательно, все перечисленные факторы будут влиять на величину рассеиваемой мощности в диэлектриках. Из формулы (4.12) также

92
видно, что диэлектрические потери могут приобретать существенные и даже опасные значения для диэлектриков, используемых в уста­новках высокого напряжения или высокой частоты и особенно в ус­тановках при одновременном воздействии высокого напряжения и высокой частоты.

4.3. ВИДЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

Различают следующие основные виды диэлектрических потерь:

1) потери, обусловленные электропроводностью (током сквозной проводимости);

2) потери, вызванные релаксационными видами поляризации;

3) ионизационные потери.

Первые два вида потерь имеют место при любых напряженностях поля, третий вид — только в сильных электрических полях.

Диэлектрические потери, обусловленные электропроводностью, на­блюдаются во всех диэлектриках; количественно они могут быть оценены величиной у или р. В диэлектриках с молекулярной струк­турой неполярных (воздух, нефтяные электроизоляционные масла, парафин и т. п.) или имеющих ионную кристаллическую структуру с плотной упаковкой решетки ионами (кварц, слюда, корунд и т. п.) этот вид потерь является единственным.

Для потерь, обусловленных удельной электропроводностью, tg5 = = 1/(ДсоС). Так как со = 2nf, C = E₀e(S/h) (е₀ = 8,85 • 10"¹² Ф/м), R = р(A/S), то

tg8 =

(4.13)

13-10" е/р

tgS

Из выражения (4.13) следует, что tg5 уменьшается с увеличением частоты по гиперболическому закону (рис. 4.4, а). Однако потери на электропроводность существенны лишь при низких частотах (до 10³ Гц), а при частотах выше 10⁴ Гц tg8 становится величиной незна­чительной — 10~⁴ и менее. С увеличением частоты (в области низких

tgS

In со Т

Рис. 4.4. Общий вид зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg5, обусловленных электропроводностью, от частоты напряжения со (а) и температуры Т (б): 1 — образующая tg5, обусловленная удельной электропроводностью

частот) tg8 снижается, так как возрастает I_r (tgS = IJI_n см. рис. 4.2, б). Величину tg8 при данной частоте можно определить, используя формулу (4.13), если известны значения еир при данной частоте /.

С повышением температуры диэлектрические потери, обуслов­ленные удельной электропроводностью, возрастают (см. рис. 4.4, б), так как увеличивается концентрация п ионов и их подвижность а (см. формулы (3.6—3.9)). По такому же закону изменяется в зависи­мости от температуры и величина рассеиваемой мощности Р:

в

Р = Ае ^т. (4.14)

Реактивная мощность P_r (P_r = P/tg8 = Ь^соС) от температуры практи­чески не зависит.

Диэлектрические потери, вызванные релаксационными видами поля­ризации, количественно могут быть оценены величиной е; наиболее часто встречаемыми и важными из них являются: диполъно-релаксаци- онные потери (в диэлектриках молекулярного строения полярных); ионно-релаксационные потери (в диэлектриках ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой решетки ио­нами); потери, вызванные миграционной поляризацией, которая наблю­дается в композиционных материалах и при наличии проводящей и полупроводящей примеси в виде включений. При этих видах потерь tg8 диэлектриков имеет высокие значения (tgS ~10^_3—10"² и более) и сильно зависит от температуры и частоты напряжения.

Диполъно-релаксационные потери характеризуются наличием взаимосвязанных максимумов на температурной и частотной зависи­мостях tgS, определяемых временем релаксации т. Положение мак­симума tgS, обусловленного дипольно-релаксационными потерями, на кривых tg5(/> и tg8(7) определяется из условия

ш=1/т, (4.15)

где со — угловая частота приложенного напряжения, т — время ре­лаксации.

Время релаксации зависит от вязкости среды и, следовательно, от ее температуры.

Общий вид температурной зависимости тангенса угла диэлектри­ческих потерь, обусловленных дипольно-релаксационной поляриза­цией, представленный на рис. 4.5, я, показывает, что при нагревании tgS возрастает, проходит через максимум и далее снижается. Такой характер изменения tgS объясняется тем, что при нагревании в ди­электриках молекулярного строения полярных имеют место два кон­курирующих процесса. Вначале (участок а—б) в результате ослабле­ния межмолекулярных сил, вызванного повышением температуры, улучшаются условия ориентации диполей вдоль силовых линий поля, поэтому дипольно-релаксационная поляризация возрастает, возрастают и дипольно-релаксационные потери, так как вся энергия электрического поля, потребляемая на ориентацию диполей, расхо-

/т

/₂>/, tg6

Рис. 4.5. Схематическое изображение температурной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg5, обусловленных дипольно-релаксационной (а) и ионно-релаксационной (б) поляризациями: образующие tg§, вызванные: 1 — дипольно-релаксационной поляризацией; 2 — ионно-релаксационной поляризацией

tg5

Т

т

б

а

дуется на трение и переходит в тепло. При дальнейшем нагревании (участок б— в) в результате значительного роста энергии хаотическо­го теплового движения полярных молекул дипольно-релаксационная поляризация уменьшается; уменьшаются и дипольно-релаксацион- ные потери. С увеличением частоты / приложенного напряжения максимум tg8, так же как и максимум а_др (см. гл. 2.3), смещается в область более высоких температур.

В полимерных диэлектриках дипольно-релаксационные потери проявляются в виде двух основных разновидностей: дипольно-сег- ментальных и дипольно-групповых, имеющих зависимости tg5 от температуры и частоты, аналогичные соответственно а_др(7) и

ОСдр(/)•

Дипольно-сегментальные потери вызваны дипольно-сегменталь- ной поляризацией, связанной с подвижностью сегментов (отрезков) молекулярных цепей. Этот вид поляризации и соответствующие ему потери отмечаются при Т > Т_с в полярных и неполярных аморфных полимерах, а в кристаллизующихся — только в аморфных областях (см. гл. 2.3).

Дипольно-групповые потери обусловлены дипольно-групповой по­ляризацией, которая имеет место благодаря подвижности главным образом полярных групп (-С1, —F, -ОН, —СООН, >СО и др.). Этот вид поляризации и соответствующие ему потери наблюдаются только в полярных (аморфных и кристаллизующихся) полимерах при Т < Г_с.

Ионно-релаксационные потери имеют место в диэлектриках ион­ного строения аморфных и кристаллических с неплотной упаковкой ре­шетки ионами. Эти потери при нагревании существенно возрастают (см. рис. 4.5, б), так как увеличивается ионно-релаксационная по­ляризация в результате ослабления ионных связей и облегчения перехода слабо связанных ионов в вакансии решетки (или апериоди­ческой сетки), а также в результате увеличения концентрации релак­саторов (слабосвязанных ионов). Ионно-релаксационные потери,

как и образующая их а_нр, обычно наблюдаются при частотах до 10⁶-Ю¹⁰ Гц.

В диэлектриках, представляющих собой композиционные мате­риалы (полимеры с порошкообразным, волокнистым или листовым наполнителем, например, гетинакс, текстолит), а также содержащих включения из проводящей и полупроводящей примеси (например, пор, заполненных влагой), будут возникать дополнительно диэлек­трические потери, обусловленные миграционной поляризацией.

Ионизационные потери — это та часть мощности приложенного электрического поля, которая расходуется на ионизацию молекул газа. Так как все твердые тела имеют газовые включения (поры и микротрещины), а в жидкостях могут присутствовать пузырьки газа (воздуха), то ионизационные потери наблюдаются и в твердых, и в жидких диэлектриках в сильных полях.

При U< и_и (область слабых полей) газ во включениях не ионизи­рует, и tg5 определяется только потерями самого твердого (жидкого) диэлектрика, поэтому tg5 от величины приложенного напряжения не зависит, так как от U не зависят деформационные и релаксационные виды поляризации и удельная электропроводность.

К и» и_м и^ и^

При U> (область сильных полей) в газовых включениях изо­ляции возникают частичные электрические разряды (чр), приводя­щие к увеличению рассеянной мощности приложенного электрическо­го поля и соответственно к росту tg5 (рис. 4.6). График зависимости tgS изоляции от величины приложенного напряжения называют кри­вой ионизации, а — порогом ионизации. Как видно из рис. 4.6, фак­тический порог ионизации {/_и наступает при более низком напряже­нии, чем он фиксируется на кривой tg5(С/) в точке U„. С дальнейшим увеличением напряжения tg5 растет, так как в этот процесс вовлека­ются новые газовые включения. Вначале чр возникают в крупных га­зовых включениях, затем по мере роста напряжения чр образуются в более мелких включениях (см. рис. 5.22). При U_M ~ 2U_n tg5 достигает максимума; это означает, что газ ионизирован полностью во всех включениях и, следовательно, энергии на ионизацию новых включе­ний не требуется, поэтому с дальнейшим ростом напряжения U мощность диэлектрических потерь Р остается постоянной, a tg8

Рис. 4.6. Зависимость tg5 от напряжения U для изоляции с воздушными включениями (схематически).

Образующие tg5, обусловленные чр в воздуш­ных включениях (7) и удельной электропровод­ностью самого твердого диэлектрика (2)

уменьшается (см. формулу (4.12)). Однако в сильных полях собст­венная электропроводность твердого диэлектрика начинает нели­нейно возрастать (см. гл. 3.4.3), следовательно, нелинейно начнет возрастать tg5 и при U = U_np наступает пробой (см. рис. 4.6, 2). Чем выше U„ и меньше приращение tgS (более пологий подъем tg5 от С/_и до U_M), тем лучше качество высоковольтной изоляции. Последнее достигается путем уменьшения пористости (количества, а главное — размера пор) высоковольтной изоляции.

Под действием частичных электрических разрядов, зажигаемых в газовых включениях твердой изоляции и газовых пузырьках жидких диэлектриков, идет постепенное ее разрушение (см. гл. 5.4.3).

Величина U_K является важной характеристикой высоковольтных элек­тротехнических изделий, позволяющая судить о расслоении изоляции, появ­лении пор и микротрещин и, следовательно, снижении ее электрической прочности и качества в целом (см. гл. 5.4.3). Эта величина позволяет устано­вить максимально допустимое рабочее напряжение высоковольтного элек­тротехнического изделия. Эксплуатация изделий при U>U_n приводит к ус­коренному старению изоляции под действием чр, зажигаемых в ее порах, снижению надежности работы и сокращению срока службы электроустанов­ки. Величину 1/_я можно найти из кривой ионизации (см. рис. 4.6), для чего tg5 измеряют в интервале напряжения, установленном ГОСТом или ТУ для данного изделия. При испытании некоторых видов электрооборудования tg5 изоляции измеряют в интервале напряжения (0,5—1,5) *7_раб и строят зависи­мость tg5 = ф({7). В случае увеличения в изоляции газовых включений, чр и, следовательно, tg5 начнут возрастать при более низком напряжении. Следу­ет, однако, иметь в виду, что такая оценка 11_и обычно является завышенной, иногда в 1,5—2,0 раза.

Ионизационные потери также наблюдаются и у поверхности проводов линий электропередач высокого напряжения и контактной сети электрифицированных железных дорог — явление короны.

Ионизационные потери можно определить по приближенной формуле

Р_и = ААи-11„)\ (4.16)

где А — постоянный коэффициент;/— частота напряжения; U — ве­личина приложенного напряжения; и_и — напряжение начала иони­зации.

4.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ГАЗООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

В слабых электрических полях диэлектрические потери в газооб­разных диэлектриках (рассмотрим на примере воздуха) вызваны толь­ко удельной электропроводностью. Поэтому для расчета tg5 можно воспользоваться формулой (4.13). Так как у воздуха р «10¹⁷ Ом м, е = 1, то tg8 на частоте 50 Гц будет равен ~10^-8:

4-Колесов 97

_tg5 = ^lA^l=

е/р 1 50 10¹⁷

Тангенс угла диэлектрических потерь воздуха имеют самое низ­кое значение и практически не зависят ни от температуры, ни от частоты напряжения. Однако в сильных полях (при U > и_и) потери могут значительно (на несколько десятичных порядков) возрастать в результате поглощения энергии, идущей на ионизацию молекул воз­духа — на возникновение чр (см. рис. 4.6).

4.5. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ

В жидких неполярных диэлектриках (например, в нефтяных элек­троизоляционных маслах) диэлектрические потери обусловлены только удельной электропроводностью и имеют небольшие значения (tg5 ~ 10~⁴), которые мало зависят от частоты напряжения и темпера­туры, но существенно зависят от природы и концентрации примеси (рис. 4.7). Наличие ионогенной примеси (например, влаги, свобод­ных органических кислот и т. п.) приводит к существенному увели­чению удельной электропроводности и, следовательно, диэлектриче­ских потерь.

Из рис. 4.7, б видно, что с увеличением температуры tg5 нефтя­ного трансформаторного масла чистого, сухого возрастает незначи­тельно; tg5 возрастает, так как увеличивается удельная электропро­водность. У масла эксплуатационного с предельно допустимым значением кислотного числа (к.ч. = 0,25 мг КОН/1г; см. гл. 7.1.1) очень высокое содержание ионогенной примеси — органических ки­слот и воды. С повышением температуры степень диссоциации мо­лекул кислот, воды и другой ионогенной примеси возрастает, следо-

Рис. 4.7. Общий вид зависимости tg5 жидких неполярных диэлектриков от температу­ры Т. 1 — образующая tg8, обусловленная удельной электропроводностью (а), зависи­мость tg5 нефтяного трансформаторного масла (б) от температуры Т при частоте 50 Гц (б): 1 — масло чистое, сухое; 2 — масло эксплуатационное с кислотным числом

0,25 мг КОН/1 г

tg5

IgtgS

T

a

20 0 20 40 T; с б

Рис. 4.8. Общий вид (а) зависимости tg5 жидких полярных диэлектриков от температу­ры Т. Образующие tgS, обусловленные удельной электропроводностью (/) и дипольно- релаксационной поляризацией (2). Зависимость tg5 полихлордифенила (б) от темпера­туры Т при частоте 50 Гц (/) и 1 кГц (2)

вательно, возрастает ионная проводимость в трансформаторном масле и, как следствие, увеличиваются диэлектрические потери.

В жидких полярных диэлектриках (в касторовом масле, полихлор- дифениле и т. п.) диэлектрические потери являются следствием как электропроводности, так и дипольно-релаксационной поляризации. При этом дипольно-релаксационная поляризация существенно влияет на общий уровень диэлектрических потерь. Величина tg5 мо­жет иметь значения ~ 10~³—10~² и более.

При нагревании жидких полярных диэлектриков tg5 возрастает особенно сильно при высокой температуре (рис. 4.8, а), так как уве­личивается удельная электропроводность. На кривой зависимости tg5(7) проявляется максимум, обусловленный дипольно-релаксаци- онной поляризацией, который с увеличением частоты напряжения смещается в сторону более высоких температур (рис 4.8, б)

Если диэлектрические потери измерять в частотном интервале, то с уве­личением частоты напряжения tg5 снижается, особенно резко вначале, так как уменьшаются потери на электропроводность (рис. 4.9). Максимум на кривой зависимости tg5(oo) вызван дипольно-релаксационными потерями. Значение частоты ю_м, при которой проявляется максимум дипольно-релак- сационных потерь tg5_M, и его величину определяют соответственно форму­лами (2.22) и (2.23). С ростом частоты напряжения tg5 в области максимума возрастает до тех пор, пока дипольно-релаксационная поляризация успевает следовать за изменением поля. Когда же частота становится настолько боль­шой, что диполи уже не успевают ориентироваться вдоль направления поля

Рис. 4.9. Теоретическая зависимость tg5 по­лярных диэлектриков от частоты со напряже­ния. Образующая tg5, обусловленная удельной электропроводностью (/), дипольно-релакса-

ционной поляризацией (2)

tg§ Т чТ

1п со

4*

tg5

3

Рис. 4.10. Кривые зависимости tg5 от температу­ры Т полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты:

с увеличением номера кривой (1—3) возрастает концентрация ионогенной примеси. Г—3' — поте­ри, обусловленные удельной электропроводностью; 4 — дипольно-релаксационной поляризацией

т

и дипольно-релаксационная поляризация снижается, поэтому снижается и величина tg5, становясь минимальной (см. рис. 2.2). С увеличением темпе­ратуры максимум tg5 смещается в область более высоких частот.

На рис. 4.10 приведены кривые температурной зависимости tg5 полярного жидкого диэлектрика различной степени чистоты. С уве­личением номера кривой содержание ионогенной примеси возраста­ет. При большом содержании примеси дипольно-релаксационный максимум tg5 (кривая 4) может быть полностью замаскирован поте­рями, обусловленными током электропроводностью (кривая 3'). Та­ким образом, с увеличением концентрации ионогенной примеси tg5 возрастает, так как увеличивается удельная электропроводность (кривые Г—3'). Максимум же tg8, вызванный дипольно-релаксаци­онной поляризацией, не изменяется, поскольку зависит только от природы диэлектрика.

4.6. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ТВЕРДЫХ ДИЭЛЕКТРИКАХ 4.6.1. Твердые диэлектрики ионного строения

В кристаллических диэлектриках с плотной упаковкой решетки ионами (в кварце, слюде, корундовой керамике и т. п.) наблюдаются электронная и ионная поляризации, не вызывающие рассеивания мощности приложенного электрического поля, поэтому диэлектри­ческие потери в этом случае обусловлены только удельной электро­проводностью и имеют небольшие значения тангенса угла потерь (tg5~10~⁴), который при нагревании незначительно возрастает (рис. 4.11, а, б, кривые 77), так как возрастает удельная электро­проводность (см. рис. 4.11, я, кривая 7). Наличие примеси, искажаю­щей кристаллическую решетку, приводит к существенному увеличе­нию tg5.

В диэлектриках аморфных и кристаллических с неплотной упаков­кой решетки (в неорганических стеклах, асбесте, электротехнической керамике и т. п.), кроме электронной и ионной поляризаций, имеет­ся и ионно-релаксационная, вызывающая ионно-релаксационные

tg5

tg5 0,018 0,015 0,012 0,09 _s 0,001

0,0005

0,0001

0 100 200 7; с а б

Рис. 4.11. Общий вид (а) зависимости tg5 от температуры Г диэлектриков ионного строения аморфных или кристаллических с неплотной упаковкой решетки ионами (Г) и с плотной упаковкой решетки ионами (II). Образующие tgS, обусловленные электро­проводностью (/) и ионно-релаксационной поляризацией (2);

температурная зависимость (б) tg5 изоляторного фарфора (/) и а-алюминоксида (корунда) — (II) при 1 МГц

потери. Диэлектрические потери в этом случае обусловлены элек­тропроводностью и ионно-релаксационной поляризацией (см. рис. 4.11, я, кривые 7 и 2). Диэлектрические потери в этих диэлектриках выше (tg5 = Ю^-2), чем в диэлектриках кристаллических с плотной упаковкой решетки ионами и сильно зависят от температуры (см. рис. 4.11, б, кривая 7): при нагревании tg5 существенно возрастает (ср. кривые / и II рис. 4.11).

Рис. 4.12. Зависимость в (1) и tg5 (2) канифоли от температуры Т при 50 Гц

На значение tg5 сильно влияет термообработка. У отожженных стеклянных изоляторов tg5 = 0,0073, у закаленных — tgS = 0,125.

4.6.2. Твердые диэлектрики молекулярного строения

В неполярных диэлектриках (например, в парафине) потери обу­словлены только удельной электропроводностью. У этих диэлектриков наблюдается электронная поляриза­ция; релаксационные виды поляриза­ции отсутствуют. Диэлектрические по­тери небольшие (tg5 ~ 10"⁴) и при нагревании слегка возрастают (анало­гично кривой tg5(7) рис. 4.7, а). Нали­чие ионогенной примеси (например, влаги) приводит к существенному воз­растанию диэлектрических потерь.

В полярных диэлектриках (напри­мер, в канифоли) на кривых зависи­мости tg5 от температуры и часто­ты напряжения, подобно полярным жидким диэлектрикам, проявляется максимум тангенса угла диэлектриче­
ских потерь, обусловленный дипольно-релаксационной поляризаци­ей (рис. 4.12). В этих диэлектриках, так же как в жидких полярных, диэлектрические потери складываются из потерь, обусловленных электропроводностью и дипольно-релаксационной поляризацией

(см. рис. 4.8, я, кривые 1 и 2). Величина tg5 ~10^_3—10~². *

4.6.3. Полимерные диэлектрики

В неполярных полимерах (в полистироле, полипропилене и др.) диэлектрические потери при температурах ниже температуры стек­лования (Т< Т_с) имеют небольшую величину (tg5 =10~⁴—10~⁵) и практически не зависят от частоты напряжения и очень слабо зави­сят от температуры (рис. 4.13). При нагревании (при Т < Т_с) tg5 не­значительно возрастает, так как слегка возрастает удельная электро­проводность (см. рис. 4.13, а, кривая 7). Кривая зависимости tg8(7) при температурах выше температуры стеклования (Т > Т_с) возрастает и проходит через максимум, обусловленный дипольно-сегменталь- ной поляризацией. С дальнейшим увеличением температуры tg5 рас­тет вследствие увеличения удельной электропроводности.

С увеличением частоты приложенного напряжения максимум дипольно-сегментальных потерь смещается в область более высоких температур (см. рис. 4.13, б).

В кристаллизующихся неполярных полимерах на кривой tg5(7) могут проявляться два (политетрафторэтилен) и даже три (полиэтилен) релаксаци­онных максимума, обусловленных дипольно-сегментальной поляризацией. В полиэтилене все три релаксационных максимума — а, (3 и у (рис. 4.14) вы­званы карбонильными группами (>СО) и ответвлениями (дефекты строения), образовавшимися при получении и последующей переработке полиэтилена в изделия. Все три релаксационные максимумы tg5 проявляются в аморфных областях ПЭ, и их величина зависит от степени разветвленности молекуляр­ной цепи. Максимум а наблюдается в области высоких температур (низких частот) и обусловлен кооперативным сегментальным движением в слабоизо­гнутых проходных цепях и в коротких петлях, расположенных на поверхности

а б Рис. 4.13. Общий вид (а) зависимости tg5 неполярных полимеров от температуры Г; потери, обусловленные удельной электропроводностью (7) и дипольно-сегментальной поляризацией (2); зависимость tgS полистирола (Т_с = 90°С) (б) от температуры,/! = 10³, h = Ю⁵, Гц

tg5 0,0004

tgS a 0,0004

P

0,0002

0,0002

-120 -80 -40 0 40 T, °C -120 -80 -40 0 40 T, °C

Рис. 4.14. Температурная зависимость tg5 линейного полиэтилена высокой плотности (/), разветвленного полиэтилена низкой плотности (2) и закаленного полиэтилена (3)

при f— 10⁴ Гц

пластинчатых монокристаллов (см. рис. 1.13). Этот максимум связан со степе­нью кристалличности и термической предысторией образца. Поэтому он не наблюдается в аморфных (закаленных) образцах (см. рис. 4.14, кривая 3). Максимум у проявляется при низких температурах (высоких частотах) и обу­словлен квазинезависимым движением сегментов в длинных петлях, концах и сильноизогнутых проходных цепях. Максимум (3 связан с кооперативным движением сегментов в цепях и ответвлениях, находящихся в более рыхлых аморфных областях — межсферолитном пространстве. Поэтому с переходом от разветвленного ПЭ низкой плотности к линейному ПЭ высокой плотности (3-максимум резко уменьшается (см. рис. 4.14, кривая 7).

Полярные полимеры (поливинилхлорид, полиэтилентерефталат, полиамиды и др.) имеют значительно большие значения tg5 (Ю^-3—Ю^-2 и выше), чем неполярные. С увеличением температуры tg5 проходит через два максимума, обусловленные соответственно дипольно-груп- повой (при Т < Т_с) и дипольно-сегментальной (при Т > Т_с) поляриза­циями и далее возрастает вследствие увеличения удельной электро­проводности (рис. 4.15, а). Как видно из рис. 4.15, б, с увеличением степени кристалличности к полиэтилентерефталата (у образца А к ~ 0 %, у образца К к ~ 60 %) tg5 снижается, особенно значительно в области дипольно-сегментальной поляризации. Эти результаты еще раз показывают, что дипольно-сегментальная поляризация имеет ме­сто в аморфных полимерах, а в кристаллизующихся полимерах, како­вым является полиэтилентерефталат, — в аморфных областях. Поэто­му с увеличением степени кристалличности полиэтилентерефталата максимум tg5, обусловленный дипольно-сегментальной поляризаци­ей, уменьшается.

С увеличением частоты напряжения оба максимума диэлектриче­ских потерь на кривой tg8(7) смещаются в сторону более высоких тем­ператур (см. рис. 4.15, в). При этом максимум tg8, обусловленный a^, смещается в сторону более высоких температур сильнее, чем макси­мум tgS, обусловленный а_дс (см. гл. 2.4.7). Поэтому в области высоких температур и СВЧ оба максимума потерь сближаются вплотную, вы­зывая один релаксационный максимум диэлектрических потерь.

о

На величину диэлектрических потерь полимеров существенно влияют полярность и пористость материала и относительная влаж­ность воздуха. В результате накопления влаги в порах изоляции уси-

а

tg5

0,04

-100 -50 0 50 100 Г, °С б

0,06

0,02

0l-----.---- 1- —I---------- L

-80

в

Рис. 4.15. Общий вид (а) зависимости tg8 полярного полимера от температуры Т потери, обусловленные удельной электро­проводностью (7), дипольно-сегменталь- ной поляризацией (2) и дипольно-группо- вой поляризацией (3); зависимость tg5 по- лиэтилентерефталата (Г_с = 80°С) (б) от температуры Г,/= 10³ Гц; А — аморфный образец, К — закристаллизованный; зави­симость tg5 полиэтилентерефталата (в) от

температуры Т и частоты /

ливается миграционная поляризация, которая приводит к сущест­венному увеличению диэлектрических потерь, особенно на низких частотах. Кроме того, при увлажнении полимеров потери возрастают еще и в результате увеличения удельной электропроводности. Поэто­му у полимеров полярных и сильнопористых с увеличением относи­тельной влажности воздуха tg5 значительно возрастает. Например, бумага — полярный сильнопористый материал, у которого при влаж­ности 0% - tg5 = 710"³, 4% - tg5 = 210"¹, 8% - tg5 = 4.

У полимерных диэлектриков на величину tg5, кроме указанных выше факторов, существенное влияние оказывают молекулярная мас­са, степень пластификации и окисленности. С увеличением степени окисленности и пластификации образцов, а также уменьшением их мо­лекулярной массы tg5 возрастает; при этом значение tgS в зависимости от содержания кислородсодержащих групп (>СО), образующихся при окислении полимеров, возрастает линейно. С увеличением молеку­лярной массы неполярных и полярных полимеров значения tg5 и е" (е" — коэффициент диэлектрических потерь, e" = e-tg5; см. гл. 2.1.3) уменьшаются (см. табл. 1.4 и рис. 4.16), асимптотически приближаясь к постоянной величине. Максимумы диэлектрических потерь, обу­словленные дипольно-сегментальной поляризацией, а у полярных по­лимеров — и дипольно-групповой поляризацией, кроме того, смеща­ются в сторону высоких температур (см. рис. 4.16).

Так как старение полимерной изоляции сопровождается окисле­нием и деструкцией молекулярных цепей, в результате чего молеку-

ig tgS 21-

1

40 60 80 100 120 140 T, С

a

8'

60 30 50 70 90 T; С б

Рис. 4.16. Температурные зависимости lgtg5 полистирола (а) и е" поливинилацетата (б) для образцов различной молекулярной массы при 1-Ю⁴ Гц. Максимумы tg5 ПС и ПВА обусловлены а_дс:

а - ММ: 1 - 830; 2 - 5,8-Ю³; 3 - 25,6-10³; 4 - 270-Ю,³; 5 - 470-Ш³; б - ММ: 1 - 620; 2 - 2,6-10^г; 3 - 8-10³; 4 - 22,6-10³; 5 - 84-Ю³

лярная масса уменьшается, а образующиеся низкомолекулярные продукты деструкции увеличивают ионную проводимость и пласти­фицируют полимер, в процессе эксплуатации полимерной изоляции ее диэлектрические потери возрастают. Поэтому величина tg5 может быть использована для контроля качества электроизоляционных ма­териалов и изделий в процессе эксплуатации.

Дата добавления: 2015-08-09