Влияние температуры

Потери энергии (потери мощности), происходящие в диэлектрических материалах в электрических полях, характеризуются удельными диэлектрическими потерями р (Вт/м³), которые, в свою очередь, зависят от многих факторов: температуры, частоты, напряженности электрического поля и т.д.

Учитывая, что активная мощность Р _а (Вт) пропорциональна значению тангенса угла диэлектрических потерь, например, из соотношений (4.8), (4.14), то проведем анализ действия различных факторов на значение tgd.

Представим для простоты диэлектрик в виде куба со стороной h, равной одному метру (V = hS = 1 м³), имеющего контакты на противоположных гранях из (4.21) емкость данного образца равна величине

C _удТ = ee₀. (4.27)

Выберем для анализа параллельную схему замещения диэлектрика.

Реактивная составляющая удельной проводимости, не связанная с потерями мощности, определяется как

g_c = G_c / V = 1/ R_cV = w C_p / V = wee₀ = e2p f ×8,85×10^-12 = e f /1,8×10¹⁰, (4.28)

где G_c - реактивная проводимость.

С потерями мощности связана активная составляющая тока; с учетом, например, (4.27), тангенс угла диэлектрических потерь и активную составляющую проводимости, g_а можно связать следующим образом:

tgd = 1/w C_pR_p = hS /2p f ee₀ S r_v h = 1/2p f ee_or_v= 1,8×10¹⁰/ f er_v, (4.29)

или

g_a = 1/r_v = f etgd/1,8×10¹⁰. (4.30)

Удельные диэлектрические потери р равны:

р = Р _a/ V = U ²w C_p tgd/ Sh = wee_o E ²tgd = ee_o E ²/ C_pR_p = E ²/r_v= g_а E ², (4.31)

где E – напряженность электрического поля; Е = U / h.

Зависимости tgd от температуры объекта и частоты электрического поля, приложенного к объекту, приведены на рис. 4.3.

В неполярных диэлектриках (рис. 4.3, а, кривая 1) под действием переменного электрического поля наблюдается, в основном, поляризация электронного смещения, которая не приводит к диссипации (рассеиванию) энергии, и, казалось бы, tgd не должен меняться с ростом температуры.

а) б)

Рис. 4.3. Зависимости tgd от температуры и частоты

Однако в области естественных температур у всех технических диэлектриков реализуются потери за счет процесса сквозной проводимости g, обусловленной наличием свободных ионов (ионный тип проводимости). Подобный процесс проводимости описывается экспоненциальной зависимостью от температуры:

g(T) = A e^{- W / kT}, (4.32)

где W – энергия активации процесса проводимости; k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, K; А – постоянная.

Так как величина проводимости g диэлектриков крайне мала, то значение tgd неполярных диэлектриков при низких температурах находится в диапазоне 10^-4...10^-5.

Поскольку ток сквозной проводимости во всех диэлектрических материалах экспоненциально увеличивается с ростом температуры по мере уменьшения значения удельного электрического сопротивления r, то значение tgd(t) экспоненциально возрастает с ростом температуры

tgd(t) = tgd₂₀exp[a(t -20)], (4.33)

где tgd₂₀ - значение тангенса угла диэлектрических потерь температуре
t = 20 ^оС; a = ТКtgd – температурный коэффициент тангенса угла диэлектрических потерь.

В полярных диэлектриках, содержащих дипольные группы, значение tgd(t) также экспоненциально возрастает с ростом температуры (рис. 4.3, а, пунктирная кривая 2), однако на этот процесс накладываются потери, связанные с медленными видами поляризации (сплошная кривая 2). Следует учитывать, что потери энергии (потери мощности), обуславливающие нагрев диэлектрика в переменном электрическом поле, связаны с ″трением″ поворачивающихся диполей в структуре материала.

По мере возрастания температуры материала непрерывно уменьшаются внутренние связи (ослабляются силы межмолекулярного взаимодействия). Этот процесс оказывает на диэлектрические потери двоякое влияние.

С одной стороны, например, при низких температурах диполи ″заморожены″ - силы межмолекулярного взаимодействия настолько велики, что диполи не могут колебаться, значит, диэлектрические потери невелики. По мере увеличения температуры связи ослабляются, диполи активно колеблются и, следовательно, возрастают диэлектрические потери за счет дипольной поляризации. Значение tgd возрастает и достигает максимума при температуре t ₁.

Казалось бы, по мере все более активного колебания за счет поляризации диполей в переменном электрическом поле диэлектрические потери должны непрерывно возрастать? Однако, с другой стороны, по мере ослабления связей облегчается поворот диполей в электрическом поле, внутреннее трение уменьшается по мере возрастания температуры. Это приводит к уменьшению затрат энергии на преодоление сопротивления вязкой среды (внутреннего трения вещества) при повороте диполя на единицу угла, и, следовательно, величина tgd уменьшается после достижения температуры t ₁ (рис. 4.3, а, кривая 2).

Возрастание температуры при t > t ₁ приводит к дальнейшему увеличению токов проводимости, и, соответственно, росту значений tgd, аналогично зависимости (кривая 1) для неполярных диэлектриков.

Дата добавления: 2015-07-17