Wat is diëlektrisch verlies en wat veroorzaakt het

Diëlektrische verliezen zijn de energie die per tijdseenheid in een diëlektricum wordt gedissipeerd wanneer er een elektrisch veld op wordt aangelegd en ervoor zorgt dat het diëlektricum opwarmt. Bij constante spanning worden energieverliezen alleen bepaald door de sterkte van de doorgaande stroom als gevolg van volume- en oppervlaktegeleiding. Bij wisselspanning worden deze verliezen opgeteld bij de verliezen als gevolg van verschillende soorten polarisaties, evenals de aanwezigheid van halfgeleideronzuiverheden, ijzeroxiden, koolstof, gasinsluitingen, enz.

Als we het eenvoudigste diëlektricum beschouwen, kunnen we de uitdrukking schrijven voor het vermogen dat erin wordt gedissipeerd onder invloed van een wisselspanning:

Pa = U·I,

waar U de spanning is die op het diëlektricum wordt toegepast, is Aza de actieve component van de stroom die door het diëlektricum vloeit.

Het diëlektrische equivalente circuit wordt meestal gepresenteerd in de vorm van een condensator en een actieve weerstand die in serie is geschakeld. Uit het vectordiagram (zie figuur 1):

Aza = Geïntegreerde schakeling·tgδ,

waar δ — de hoek tussen de vector van de totale stroom I en zijn capacitieve component Geïntegreerde schakeling.

Daarom

Pa = U·Geïntegreerde schakeling·tgδ,

maar de stroming

Geïntegreerde schakeling = UΩ C,

waar is de capaciteit van een condensator (gegeven diëlektricum) bij hoekfrequentie ω.

Als gevolg hiervan wordt het vermogen gedissipeerd in het diëlektricum

Pa = U2Ω C·tgδ,

d.w.z. de energieverliezen die in het diëlektricum worden gedissipeerd, zijn evenredig met de tangens van de hoek δ die wordt genoemd diëlektrische verlieshoek of gewoon de verlieshoek. Deze hoek δ k kenmerkt de kwaliteit van het diëlektricum. Hoe kleiner de hoekdiëlektrische verliezen δ, hoe hoger de diëlektrische eigenschappen van het isolatiemateriaal.

Rijst. 1. Vectordiagram van stromen in een diëlektricum onder wisselspanning.

Introductie van het concept van hoek δ Het is handig voor de praktijk, omdat in plaats van de absolute waarde van diëlektrische verliezen rekening wordt gehouden met een relatieve waarde, waardoor isolatieproducten kunnen worden vergeleken met diëlektrica van verschillende kwaliteit.

Diëlektrische verliezen in gassen

Diëlektrische verliezen in gassen zijn klein. Gassen hebben zeer lage elektrische geleidbaarheid… De oriëntatie van dipoolgasmoleculen tijdens hun polarisatie gaat niet gepaard met diëlektrische verliezen. Optelling tgδ=e(U) wordt de ionisatiecurve genoemd (fig. 2).

Rijst. 2. Verandering in tgδ als functie van spanning voor isolatie met luchtinsluitingen

Een stijgende tgδ met toenemende spanning kan de aanwezigheid van gasinsluitsels in de vaste isolatie beoordelen. Met aanzienlijke ionisatie en verliezen in het gas, kan opwarming en afbraak van de isolatie optreden.Daarom wordt de isolatie van de wikkelingen van elektrische hoogspanningsmachines om gasinsluitingen tijdens de productie te verwijderen, onderworpen aan een speciale behandeling: drogen onder vacuüm, vullen van de poriën van de isolatie met een verwarmde verbinding onder druk en walsen om te persen.

Ionisatie van luchtinsluitingen gaat gepaard met de vorming van ozon en stikstofoxiden, die een destructief effect hebben op organische isolatie. Ionisatie van lucht in ongelijke velden, bijvoorbeeld in hoogspanningsleidingen, gaat gepaard met het effect van zichtbaar licht (corona) en aanzienlijke verliezen, wat de transmissie-efficiëntie vermindert.

Diëlektrische verliezen in vloeibare diëlektrica

Diëlektrische verliezen in vloeistoffen zijn afhankelijk van hun samenstelling. In neutrale (niet-polaire) vloeistoffen zonder onzuiverheden is de elektrische geleidbaarheid erg laag, daarom zijn diëlektrische verliezen ook klein. Geraffineerde condensorolie heeft bijvoorbeeld een tgδ

In technologie, polaire vloeistoffen (Sovol, ricinusolie, etc.) of mengsels van neutrale en dipolaire vloeistoffen (transformator olie, verbindingen, enz.), waarin diëlektrische verliezen aanzienlijk hoger zijn dan die van neutrale vloeistoffen. De tgδ van ricinusolie bij een frequentie van 106 Hz en een temperatuur van 20°C (293 K) is bijvoorbeeld 0,01.

Diëlektrisch verlies van polaire vloeistoffen hangt af van de viscositeit. Deze verliezen worden dipoolverliezen genoemd omdat ze het gevolg zijn van dipoolpolarisatie.

Bij lage viscositeit worden de moleculen georiënteerd onder invloed van een wrijvingsloos veld, zijn de dipoolverliezen in dit geval klein en zijn de totale diëlektrische verliezen alleen te wijten aan elektrische geleidbaarheid. Dipoolverliezen nemen toe met toenemende viscositeit.Bij een bepaalde viscositeit zijn de verliezen maximaal.

Dit wordt verklaard door het feit dat bij voldoende hoge viscositeit de moleculen geen tijd hebben om de verandering in het veld te volgen en de dipoolpolarisatie praktisch verdwijnt. In dit geval zijn de diëlektrische verliezen klein. Naarmate de frequentie toeneemt, verschuift het maximale verlies naar een hoger temperatuurgebied.

De temperatuurafhankelijkheid van verliezen is complex: tgδ neemt toe met toenemende temperatuur, bereikt zijn maximum, neemt dan af tot een minimum en neemt dan weer toe, dit wordt verklaard door een toename van de elektrische geleidbaarheid. Dipoolverliezen nemen met toenemende frequentie toe totdat de polarisatie tijd heeft om de verandering in het veld te volgen, waarna de dipoolmoleculen geen tijd meer hebben om zich volledig in de richting van het veld te oriënteren en de verliezen constant worden.

In vloeistoffen met een lage viscositeit overheersen geleidingsverliezen bij lage frequenties, en dipoolverliezen zijn verwaarloosbaar; integendeel, bij radiofrequenties zijn de dipoolverliezen hoog. Daarom worden dipooldiëlektrica niet gebruikt in hoogfrequente velden.

Diëlektrische verliezen in vaste diëlektrica

Diëlektrische verliezen in vaste diëlektrica zijn afhankelijk van de structuur (kristallijn of amorf), de samenstelling (organisch of anorganisch) en de aard van de polarisatie. In dergelijke vaste neutrale diëlektrica zoals zwavel, paraffine, polystyreen, die alleen elektronische polarisatie hebben, zijn er geen diëlektrische verliezen. Verliezen kunnen alleen te wijten zijn aan onzuiverheden. Daarom worden dergelijke materialen gebruikt als hoogfrequente diëlektrica.

Anorganische materialen, zoals enkele kristallen van steenzout, sylviet, kwarts en zuiver mica, die elektronische en ionische polarisatie bezitten, hebben lage diëlektrische verliezen als gevolg van alleen elektrische geleidbaarheid. Diëlektrische verliezen in deze kristallen zijn niet afhankelijk van de frequentie en tgδ neemt af met toenemende frequentie. Naarmate de temperatuur stijgt, veranderen de verliezen en tgft op dezelfde manier als de elektrische geleidbaarheid, en nemen ze toe volgens de wet van een exponentiële functie.

In glazen van verschillende samenstelling, bijvoorbeeld keramiek met een hoog gehalte aan de glasachtige fase, worden verliezen als gevolg van elektrische geleidbaarheid waargenomen. Deze verliezen worden veroorzaakt door de beweging van zwak gebonden ionen; ze treden meestal op bij temperaturen boven 50 - 100°C (323 - 373 K). Deze verliezen nemen aanzienlijk toe met de temperatuur volgens de wet van een exponentiële functie en zijn weinig afhankelijk van de frequentie (tgδ neemt af met toenemende frequentie).

In anorganische polykristallijne diëlektrica (marmer, keramiek, enz.) treden extra diëlektrische verliezen op door de aanwezigheid van halfgeleideronzuiverheden: vocht, ijzeroxiden, koolstof, gas, enz. hetzelfde materiaal, omdat de eigenschappen van het materiaal veranderen onder invloed van omgevingsfactoren.

Diëlektrische verliezen in organische polaire diëlektrica (hout, cellulose-ethers, natuurlijke oplossing, synthetische harsen) zijn het gevolg van structurele polarisatie als gevolg van losse deeltjespakking. Deze verliezen zijn afhankelijk van de temperatuur die een maximum heeft bij een bepaalde temperatuur en de frequentie die toeneemt met de groei. Daarom worden deze diëlektrica niet gebruikt in hoogfrequente velden.

Kenmerkend is dat de afhankelijkheid tgδ van temperatuur voor papier geïmpregneerd met de verbinding twee maxima heeft: de eerste wordt waargenomen bij negatieve temperaturen en kenmerkt het verlies van vezels, het tweede maximum bij verhoogde temperaturen is te wijten aan het verlies van de dipool van de verbinding. Naarmate de temperatuur in polaire diëlektrica stijgt, nemen de verliezen die gepaard gaan met elektrische geleidbaarheid toe.