Τι είναι η διηλεκτρική απώλεια και τι την προκαλεί
Οι διηλεκτρικές απώλειες είναι η ενέργεια που διαχέεται ανά μονάδα χρόνου σε ένα διηλεκτρικό όταν εφαρμόζεται ηλεκτρικό πεδίο σε αυτό και προκαλεί τη θέρμανση του διηλεκτρικού. Σε σταθερή τάση, οι απώλειες ενέργειας προσδιορίζονται μόνο από την ισχύ του διερχομένου ρεύματος λόγω του όγκου και της επιφανειακής αγωγιμότητας. Σε εναλλασσόμενη τάση, αυτές οι απώλειες προστίθενται στις απώλειες που οφείλονται σε διαφορετικούς τύπους πόλωσης, καθώς και στην παρουσία ακαθαρσιών ημιαγωγών, οξειδίων σιδήρου, άνθρακα, εγκλεισμάτων αερίων κ.λπ.
Λαμβάνοντας υπόψη το απλούστερο διηλεκτρικό, μπορούμε να γράψουμε την έκφραση για την ισχύ που καταναλώνεται σε αυτό υπό την επίδραση μιας εναλλασσόμενης τάσης:
Pa = U·I,
όπου U είναι η τάση που εφαρμόζεται στο διηλεκτρικό, το Aza είναι το ενεργό συστατικό του ρεύματος που διαρρέει το διηλεκτρικό.
Το διηλεκτρικό ισοδύναμο κύκλωμα παρουσιάζεται συνήθως με τη μορφή πυκνωτή και ενεργής αντίστασης συνδεδεμένης σε σειρά. Από το διανυσματικό διάγραμμα (βλ. Εικ. 1):
Aza = Ολοκληρωμένο κύκλωμα·tgδ,
όπου δ — η γωνία μεταξύ του διανύσματος του συνολικού ρεύματος I και της χωρητικής συνιστώσας του Ολοκληρωμένο κύκλωμα.
Επομένως
Pa = U· Ολοκληρωμένο κύκλωμα·tgδ,
αλλά το ρεύμα
Ολοκληρωμένο κύκλωμα = UΩ C,
όπου είναι η χωρητικότητα ενός πυκνωτή (δεδομένου διηλεκτρικού) στη γωνιακή συχνότητα ω.
Ως αποτέλεσμα, η ισχύς που διαχέεται στο διηλεκτρικό είναι
Pa = U2Ω C·tgδ,
δηλ. οι απώλειες ενέργειας που διαχέονται στο διηλεκτρικό είναι ανάλογες της εφαπτομένης της γωνίας δ που ονομάζεται γωνία απώλειας διηλεκτρικού ή απλά η γωνία απώλειας. Αυτή η γωνία δ k χαρακτηρίζει την ποιότητα του διηλεκτρικού. Όσο μικρότερη είναι η γωνία των ηλεκτρικών απωλειών δ, τόσο υψηλότερες είναι οι διηλεκτρικές ιδιότητες του μονωτικού υλικού.
Ρύζι. 1. Διανυσματικό διάγραμμα ρευμάτων σε διηλεκτρικό υπό εναλλασσόμενη τάση.
Εισαγωγή της έννοιας της γωνίας δ Είναι βολικό για πρακτική, επειδή αντί για την απόλυτη τιμή των διηλεκτρικών απωλειών, λαμβάνεται υπόψη μια σχετική τιμή, η οποία καθιστά δυνατή τη σύγκριση προϊόντων μόνωσης με διηλεκτρικά διαφορετικής ποιότητας.
Διηλεκτρικές απώλειες σε αέρια
Οι διηλεκτρικές απώλειες στα αέρια είναι μικρές. Τα αέρια έχουν πολύ χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα… Ο προσανατολισμός των διπολικών μορίων αερίου κατά την πόλωσή τους δεν συνοδεύεται από διηλεκτρικές απώλειες. Η προσθήκη tgδ=e(U) ονομάζεται καμπύλη ιοντισμού (Εικ. 2).
Ρύζι. 2. Μεταβολή tgδ σε συνάρτηση με την τάση για μόνωση με εγκλείσματα αέρα
Μια ανερχόμενη tgδ με αυξανόμενη τάση μπορεί να εκτιμήσει την παρουσία εγκλεισμάτων αερίου στη στερεά μόνωση. Με σημαντικό ιονισμό και απώλειες στο αέριο, μπορεί να προκληθεί θέρμανση και διάσπαση της μόνωσης.Επομένως, η μόνωση των περιελίξεων των ηλεκτρικών μηχανών υψηλής τάσης για την αφαίρεση εγκλεισμάτων αερίου κατά την παραγωγή υποβάλλεται σε ειδική επεξεργασία - στέγνωμα υπό κενό, πλήρωση των πόρων της μόνωσης με θερμαινόμενη ένωση υπό πίεση και κύλιση για συμπίεση.
Ο ιονισμός των εγκλεισμάτων αέρα συνοδεύεται από το σχηματισμό όζοντος και οξειδίων του αζώτου, τα οποία έχουν καταστροφική επίδραση στην οργανική μόνωση. Ο ιονισμός του αέρα σε ανώμαλα πεδία, για παράδειγμα, σε ηλεκτροφόρα καλώδια, συνοδεύεται από την επίδραση του ορατού φωτός (κορώνα) και σημαντικές απώλειες, γεγονός που μειώνει την απόδοση μετάδοσης.
Διηλεκτρικές απώλειες σε υγρά διηλεκτρικά
Οι διηλεκτρικές απώλειες στα υγρά εξαρτώνται από τη σύνθεσή τους. Σε ουδέτερα (μη πολικά) υγρά χωρίς ακαθαρσίες, η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι πολύ χαμηλή, επομένως οι διηλεκτρικές απώλειες είναι επίσης μικρές σε αυτά. Για παράδειγμα, το εξευγενισμένο λάδι συμπυκνωτή έχει tgδ
Στην τεχνολογία, πολικά υγρά (Sovol, καστορέλαιο κ.λπ.) ή μείγματα ουδέτερων και διπολικών υγρών (λάδι μετασχηματιστή, ενώσεις κ.λπ.), στις οποίες οι διηλεκτρικές απώλειες είναι σημαντικά υψηλότερες από αυτές των ουδέτερων υγρών. Για παράδειγμα, η tgδ καστορελαίου σε συχνότητα 106 Hz και θερμοκρασία 20°C (293 K) είναι 0,01.
Η διηλεκτρική απώλεια πολικών υγρών εξαρτάται από το ιξώδες. Αυτές οι απώλειες ονομάζονται απώλειες διπόλων επειδή οφείλονται σε διπολική πόλωση.
Σε χαμηλό ιξώδες, τα μόρια προσανατολίζονται υπό τη δράση ενός πεδίου χωρίς τριβή, οι απώλειες διπόλων σε αυτή την περίπτωση είναι μικρές και οι συνολικές απώλειες διηλεκτρικών οφείλονται μόνο στην ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι απώλειες των διπόλων αυξάνονται με την αύξηση του ιξώδους.Σε ένα ορισμένο ιξώδες, οι απώλειες είναι μέγιστες.
Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι σε αρκετά υψηλό ιξώδες τα μόρια δεν έχουν χρόνο να ακολουθήσουν την αλλαγή στο πεδίο και η πόλωση του διπόλου πρακτικά εξαφανίζεται. Σε αυτή την περίπτωση, οι απώλειες διηλεκτρικού είναι μικρές. Καθώς η συχνότητα αυξάνεται, η μέγιστη απώλεια μετατοπίζεται σε μια περιοχή υψηλότερης θερμοκρασίας.
Η εξάρτηση των απωλειών από τη θερμοκρασία είναι πολύπλοκη: το tgδ αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, φτάνει στο μέγιστο, στη συνέχεια μειώνεται στο ελάχιστο, μετά αυξάνεται ξανά, αυτό εξηγείται από την αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Οι απώλειες των διπόλων αυξάνονται με αυξανόμενη συχνότητα έως ότου η πόλωση έχει χρόνο να ακολουθήσει την αλλαγή στο πεδίο, μετά την οποία τα μόρια του διπόλου δεν έχουν πλέον χρόνο να προσανατολιστούν πλήρως προς την κατεύθυνση του πεδίου και οι απώλειες γίνονται σταθερές.
Σε ρευστά χαμηλού ιξώδους, οι απώλειες αγωγιμότητας κυριαρχούν στις χαμηλές συχνότητες και οι απώλειες διπόλων είναι αμελητέες. Αντίθετα, στις ραδιοσυχνότητες οι απώλειες του διπόλου είναι μεγάλες. Επομένως, τα διπολικά διηλεκτρικά δεν χρησιμοποιούνται σε πεδία υψηλής συχνότητας.
Διηλεκτρικές απώλειες σε στερεά διηλεκτρικά
Οι διηλεκτρικές απώλειες στα στερεά διηλεκτρικά εξαρτώνται από τη δομή (κρυσταλλική ή άμορφη), τη σύνθεση (οργανική ή ανόργανη) και τη φύση της πόλωσης. Σε τέτοια στερεά ουδέτερα διηλεκτρικά όπως το θείο, η παραφίνη, το πολυστυρόλιο, που έχουν μόνο ηλεκτρονική πόλωση, δεν υπάρχουν διηλεκτρικές απώλειες. Οι απώλειες μπορεί να οφείλονται μόνο σε ακαθαρσίες. Επομένως, τέτοια υλικά χρησιμοποιούνται ως διηλεκτρικά υψηλής συχνότητας.
Τα ανόργανα υλικά, όπως οι μονοκρυστάλλοι από ορυκτό αλάτι, ο σιλβίτης, ο χαλαζίας και η καθαρή μαρμαρυγία, που διαθέτουν ηλεκτρονική και ιοντική πόλωση, έχουν χαμηλές διηλεκτρικές απώλειες λόγω και μόνο της ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Οι διηλεκτρικές απώλειες σε αυτούς τους κρυστάλλους δεν εξαρτώνται από τη συχνότητα και η tgδ μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, οι απώλειες και το tgft αλλάζουν με τον ίδιο τρόπο όπως η ηλεκτρική αγωγιμότητα, αυξάνοντας σύμφωνα με το νόμο μιας εκθετικής συνάρτησης.
Σε ποτήρια διαφορετικής σύστασης, για παράδειγμα, κεραμικά με υψηλή περιεκτικότητα υαλοειδούς φάσης, παρατηρούνται απώλειες λόγω ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Αυτές οι απώλειες προκαλούνται από την κίνηση ασθενώς δεσμευμένων ιόντων. εμφανίζονται συνήθως σε θερμοκρασίες πάνω από 50 - 100°C (323 - 373 K). Αυτές οι απώλειες αυξάνονται σημαντικά με τη θερμοκρασία σύμφωνα με το νόμο μιας εκθετικής συνάρτησης και εξαρτώνται ελάχιστα από τη συχνότητα (το tgδ μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας).
Στα ανόργανα πολυκρυσταλλικά διηλεκτρικά (μάρμαρο, κεραμικά κ.λπ.), συμβαίνουν πρόσθετες διηλεκτρικές απώλειες λόγω της παρουσίας ακαθαρσιών ημιαγωγών: υγρασία, οξείδια σιδήρου, άνθρακας, αέριο κ.λπ. το ίδιο υλικό, επειδή οι ιδιότητες του υλικού αλλάζουν υπό την επίδραση των περιβαλλοντικών συνθηκών.
Οι διηλεκτρικές απώλειες σε οργανικά πολικά διηλεκτρικά (ξύλο, αιθέρες κυτταρίνης, φυσικό διάλυμα, συνθετικές ρητίνες) οφείλονται σε δομική πόλωση λόγω χαλαρής συσσώρευσης σωματιδίων. Αυτές οι απώλειες εξαρτώνται από τη θερμοκρασία που έχει μέγιστο σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία καθώς και από τη συχνότητα που αυξάνεται με την ανάπτυξή της. Επομένως, αυτά τα διηλεκτρικά δεν χρησιμοποιούνται σε πεδία υψηλής συχνότητας.
Χαρακτηριστικά, η εξάρτηση tgδ από τη θερμοκρασία για χαρτί εμποτισμένο με την ένωση έχει δύο μέγιστα: το πρώτο παρατηρείται σε αρνητικές θερμοκρασίες και χαρακτηρίζει την απώλεια ινών, το δεύτερο μέγιστο σε υψηλές θερμοκρασίες οφείλεται στην απώλεια του διπόλου της ένωσης. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται στα πολικά διηλεκτρικά, αυξάνονται οι απώλειες που σχετίζονται με την ηλεκτρική αγωγιμότητα.