Ответы - final (943730), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

возникают ионизационные потери.

4.2. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИКА С ПОТЕРЯМИ

Чтобы изучить диэлектрические потери какого-либо материала, необходимо рассмотреть конденсатор 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 φ, заменим эквивалентной схемой, в кото­рой к идеальному конденсатору активное сопротивление подключено либо параллельно — параллельная эквивалентная схема, либо после­довательно — последовательная эквивалентная схема. Эти эквива­лентные схемы замещения диэлектрика с потерями должны быть вы­браны так, чтобы расходуемая в них активная мощность была равна мощности Р, которая рассеивается в конденсаторе с исследуемым ди­электриком, а ток опережал бы напряжение на тот же угол φ. 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 Ср и R, Cs и r.

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 Iа совпадает по фазе с напряжением U, а реактивная составляющая тока Ir опережает напряжение на угол, равный 90°. Значения соответствующих токов равны

I = U/Z, Ia = U/R, Ir = U/Xc = UωCp, (4.3)

где Z — полное сопротивление, Z = (Xc² + R²) ^1/2; Xс — реактивное (емко­стное) сопротивление конденсатора с диэлектриком, Xс = 1/ω Ср (ω — угловая частота).

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

tgδ = Ia/Ic = U/ RUωCp = 1/ωRCp (4.4)

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

P=UIcosφ = UI sin δ = U Ir sinδ / cosδ = UIr, tgδ,

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

где I = Ir /cosδ (см. рис. 4.2, б).

Подставив в это выражение из (4.3) значение тока Ir получим

P = U ² ω Cp tgδ (4.8)

Для последовательной схемы замещения имеем (без вывода)

P= U² tgδ /(Xc(1+ tgδ )) P = U² ωCstgδ /(1+ tg²δ )) (4.9)

Приравняв друг к другу правые части выражений (4.8) и (4.9), (4.4) и (4.5), определим соотношения между Ср и Cs, а также между Rиr:

Cp = Cs/(1+ tg²δ )) (4-10)

R = r(1+ 1/tg²δ )) (4.11)

Для высококачественных диэлектриков значением tg²δ в сравне­нии с единицей можно пренебречь и считать, что Ср ~ Cs ~ С. Тогда величина мощности, рассеиваемой в диэлектрике, будет одинакова для обеих схем и равна

P = U²ωC tgδ (4.12)

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

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

Из формулы (4.12) следует, что величина рассеиваемой мощности Р (диэлектрические потери) зависит от квадрата приложенного на­пряжения и его частоты, емкости и tgδ материала. Емкость, в свою очередь, зависит от ε материала, а ε и tgδ — 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 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.

8.Виды диэлектрических потерь. Механизм релаксационных потерь в диэлектриках.

Диэлектрические потери по их физической природе и особенностям подразделяют на четыре основных вида:

1) потери на электропровод­ность;

2) релаксационные потери;

3) ионизационные потери;

4) резо­нансные потери.

1)Потери на электропроводность обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную. Если при этом потери от других механизмов несущественны, то частот­ные зависимости Р_а и tgδ, как упоминалось, могут быть получены при использовании параллельной эквивалентной схемы замещения реаль­ного диэлектрика. Диэлектрические потери этого вида не зависят от частоты приложенного напряжения; tgδ умень­
шается с частотой по гиберболическому закону (рис.6.14) . Значение тангенса угла диэлектрических потерь при данной частоте может быть вычислено по фор­муле

tgδ=1,8•10²⁰/εfρ (6.27)

если известно ρ, измеренное на постоянном токе, и ε , измеренная при данной частоте. Потери сквозной электропроводности возрастают с ростом температуры по экспоненциальному закону (см.ниже):

Рaт = А ехр (—b/Т),

где A, b — постоянные материала.

В зависимости от температуры tgδ изменяется по тому же за­кону, так как можно считать, что реактивная мощность (U²ωC) от температуры практически не зависит.

2) Релаксационные потери обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Они характерны для диэлектриков, обладаю­щих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно высоких частот, когда сказывается отставание поляриза­ции от изменения поля. Рассмотрим происхождение релаксационных потерь на примере дипольно-релаксационной поляризации полярных жидкостей, где физическая картина более проста и отчетлива.

При воздействии на диэлектрик синусоидального напряжения вы­сокой частоты дипольные молекулы не успевают ориентироваться в вязкой среде и следовать за изменением поля. Отставание поляриза­ции можно охарактеризовать зависимостями, показанными на рис. 6.15,а. Оно выражается в появлении некоторого угла фазового запаз­дывания ψ; между поляризованностью диэлектрика Рдр и напряженно­стью поля.

С помощью кривых рис. 6.15,а легко показать, что зависимость Рдр (Е) при наличии фазового сдвига между ними имеет форму эллип­са (рис. 6.15,6). Интеграл по замкнутому контуру о-б-г-е-о, т.е. площадь петли переполяризации, характеризует энергию, затрачивае­мую электрическим полем на поляризацию единицы объема диэлект­рика за один период:

При низкой температуре из-за большой вязкости жидкого диэлект­рика велико время релаксации поляризации (τo>>1/ ω), возмож­ности поворота диполей в вязкой среде крайне ограничены. Поэтому амплитудное значение поляризованности Рдр оказывается незначительным;

Рис. 6.16. Особенности релаксационных потерь в диэлектриках

соответственно, мал и тангенс угла диэлектрических потерь. С повышением температуры вязкость жидкости уменьшается, а время релаксации приближается к времени периода изменения поля. Дипольно-релаксационная поляризация получает большее развитие, бла­годаря чему возрастает tgδдp. При еще более высоких температурах время релаксации становится существенно меньше времени периода изменения напряженности поля. Поэтому практически исчезает за­паздывание поляризации относительно поля (т. е. уменьшается угол отставания по фазе ψ) и уменьшаются релаксационные потери.

С повышением частоты максимум tgδдp смещается в область более высокой температуры. Это связано с тем, что при меньшем времени полупериода инерционность поворота диполей будет сказываться даже при малых то, т. е. при более высоких температурах.

На рис. 6.16,6 приведены два максимума частотной зависимости tgδдp при двух температурах; еще раз подчеркивается различие в час­тотных зависимостях tgδдp и активной мощности Ра.др (на рисунке кривая Ра.др дана только для температуры T2). Возрастание потерь с ростом частоты обусловлено усиливающимся отставанием поляриза­ции от изменения поля (возрастает угол ψ). Когда же частота становит­ся настолько велика, что то τo>>1/ ω, дипольно-релаксационная по­ляризация выражена очень слабо, т.е. амплитудное значение поляризованности Рдр оказывается незначительным. Поэтому малы потери энергии за период Эдр, а соответственно мало значение tgδдp, ха­рактеризующего эти потери. Однако на высоких частотах велико число циклов поляризации диэлектрика в единицу времени и актив­ная мощность, выделяющаяся в диэлектрике, остается практически постоянной, несмотря на уменьшение tgδдp с ростом частоты, что на­ходится в соответствии с формулой (6.17).

.На рис. 6.16,в показано взаимное расположение частотных зави­симостей трех параметров диэлектрика εдр, ε"др и tgδдp характери­зующих дипольно-релаксационную поляризацию.

Рис. 6.16, г—е характеризует изменение потерь с учетом вкладов релаксационного механизма и электропроводности диэлектрика.

Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации.

Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть, в част­ности, полупроводящие вещества, например, восстановленные окис­лы, образовавшиеся в диэлектрике или попавшие в него в процессе изготовления. Ввиду разнообразия структуры неоднородных диэлект­риков и особенностей содержащихся в них компонентов не существует общей формулы расчета диэлектрических потерь.

3) Ионизационные потери свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии. Механизм этого вида потерь приведен далее при рассмотрении диэлектрических потерь в связи с агрегатным состоянием ве­щества.

4) Резонансные потери наблюдаются в некоторых га­зах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном по­глощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери воз­можны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества. Наличие максимума в частотной зависимости tgδ характерно и для резонансного механизма потерь, однако при изменении температуры максимум не смещается.

9. Виды диэлектрических потерь. Диэлектрические потери в газообразных и твердых диэлектриках.

П рирода диэлектрических потерь в электроизоляционных материалах различна в зависимости от состояния вещества: газообразного, жидко­го, твердого.

Диэлектрические потери в газах. Диэлектрические потери в газах при напряженностях поля, лежащих ниже значения, необходи­мого для развития ударной ионизации молекул газов, очень малы. В этом случае газ можно рассматривать как идеальный диэлектрик.

Источником диэлектрических потерь газа может быть в основном только электропроводность, так как ориентация дипольных молекул газов при их поляризации не сопровождается диэлектрическими поте­рями. Как известно, все газы отличаются весьма малой проводимостью, и в связи с этим угол диэлектрических потерь у них ничтожно мал, особенно при высоких частотах. Значение tgδ может быть вычислено по формуле (6.27).

Удельное объемное сопротивление газов порядка 10¹⁶Ом•м, ε ≈ 1 и tgδ при f =50 Гц (при отсутствии ионизации) менее 4•10^-8 .

При высоких напряжениях и чаще всего в неоднородном поле, когда напряженность в отдельных местах превосходит некоторое критичес­кое значение, молекулы газа ионизируются, вследствие чего в газе воз­никают потери на ионизацию.

Приближенно ионизационные потери могут быть вычислены по формуле

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)