Диэлектрические потери

Потерями называют ту часть электрической энергии, которая превращается в диэлектрике в тепло. Т.к. Диэлектрики обладают некоторой проводимостью, в них выделяется джоулево тепло даже в постоянном электрическом поле. Под действием переменного поля диэлектрики обычно нагреваются значительно сильнее, чем под действием такого же постоянного поля. Значительный нагрев наблюдается в полях высокой частоты. Выделяемое в диэлектрике тепло обусловлено не только действием сквозного тока, но и процессами установления поляризации в переменном электрическом поле. Часть потерь, обусловленная сквозным током, называется омическими потерями. Потери, связанные со смещением связанных зарядов - диэлектрические.

Одно из первых экспериментальных исследований диэлектрических потерь было выполнено в 1886 году в России профессором И.И. Боргманом. Он показал, что нагрев стекла зависит не только от частоты, но и от разности потенциалов на обкладках конденсатора.

Диэлектрические потери зависят от концентрации дефектов или примесных атомов. Изучение диэлектрических потерь может дать важную информацию о дефектах и примесном составе. Изменяя плотность дефектов и примесей в кристалле, можно получить диэлектрики с широким интервалом изменения диэлектрических потерь.

На практике, как правило, определяют не сами потери, а тангенс угла диэлектрических потерь. Эту величину вводят следующим образом. Строят векторную диаграмму токов для конденсатора, заполненного диэлектриком с потерями. Потери в электротехнике описываются углом между векторами напряжения и тока (рис)

Потери в диэлектриках принято характеризовать углом δ, дополняющим φ до . Из рис. Видно, что отношение активной плотности тока к реактивной и есть тангенс угла δ. tg δ - макроскопическая характеристика диэлектрика. Следует отметить, что потери зависят от температуры, частоты, влажности, напряженности поля. Температурная зависимость потерь обычно имеет монотонный характер, потери растут с ростом температуры. С ростом влажности потери также растут, зачастую весьма значительно. Это связано, как с увеличением сквозной проводимости, так и с поляризацией растворенной воды, и эмульгированной воды. Увеличение напряженности поля сопровождается ростом tgd, что объясняется ростом электропроводности.

Пробой диэлектриков

При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.

Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением , а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика .Для равномерного электрического поля электрическая прочность (пробивная напряженность) диэлектрика определяется по формуле  где d - толщина диэлектрика в месте пробоя, м.

Электрическая прочность жидких диэлектриков зависит от чистоты жидкости. Наличие примесей и загрязнений существенно снижает Епр. Пробой в газе связан с ударной ионизацией и проявляется в виде электрического заряда в газах.

Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока, подобно тому, как это наблюдается в процессе ударной ионизации в газообразных диэлектриках.

Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:

. Независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения (до  с).

. Электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин  см).

. Электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах:  В/см; причем она больше, чем при тепловой форме пробоя.

. Перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока.

. При наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).

Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительные количества тепла. Это повлечет за собой еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине - по ослабленному месту.

Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:

. Пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду.

. Пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды (рис. 5-18).

. Пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения (рис. 5-19).

. Электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика.

. Электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.