Потери в диэлектриках вызваны током

Как измерять тангенс угла диэлектрических потерь в трансформаторах, формулы и норма

В силовых трансформаторах тангенс угла рассчитывается как диэлектрик конденсатора. Берется в расчет угол, который дополняет до прямого, основной угол между сдвигами фаз тока и напряжения.

Расположенный внутри этих плоскостей угол и является искомым диэлектрических потерь.

Для измерения принимают, что конденсатор относится к идеальному типу. Он может быть включен последовательным образом, то есть в последовательно включенным сопротивлением активной нагрузки, или по параллельной схеме. Для первой мощность составит Р=(U2ωtgδ)/(1+tg2δ), а для второй — Р=U2ωtgδ. Угол по этим расчетам вычислить несложно, зная емкость конденсатора и показатели сопротивления. Обычно значение его не превышает десятых или сотых долей единицы, определяется в графиках процентами. При этом увеличиваются, если увеличивается напряжение и частота работы. Для снижения коэффициента используются изоляционные материалы.

Диэлектрические потери

Удельные диэлектрические потери и угол диэлектрических по­терь.

Диэлектрическими потерями называют мощность, поглощае­мую в диэлектрике под действием приложенного напряжения. Поте­ри мощности вызываются электропроводностью и медленными поля­ризациями. Если в диэлектрике имеют место газовые включения (поры), то при работе его на высоких напряжениях и высоких часто­тах происходит ионизация газа в порах, что вызывает потери на ио­низацию.

При включении на постоянное напряжение конденсатора, между электродами которого находится диэлектрик, через него проте­кает падающий со временем ток, равный I=Ic+Ick (рис. 7.16, а).

Ток смещения (емкостный ток) Iс вызван смещением электрон­ных оболочек атомов, ионов, молекул, т. е. процессом установления быстрых, упругих поляризаций; он спадает в течение 10-16-10-15с, а поэтому практически не вызывает рассеяния энергии в диэлектрике.

Спадающий со временем ток абсорбции Iабс обусловлен сме­щением связанных зарядов в ходе медленных поляризаций и вызы­вает рассеяние энергии в диэлектрике, диэлектрические потери.

Сквозной ток утечки Iск вызван перемещением свободных заря­дов в диэлектрике в процессе электропроводности, не изменяется со временем и вызывает потери, аналогичные потерям по закону Джоуля-Ленца в проводниках.

Следовательно, на постоянном напряжении потери, вызванные током абсорбции, имеют место только в период, когда происходит процесс медленных поляризаций, т. е. при включении конденсатора.

На переменном напряжении Iабс имеет место, если время релак­сации процесса медленной поляризации меньше или соизмеримо с полупериодом приложенного напряжения (τ

. Зависимость тока утечки через диэлектрик от времени на постоянном напряжении (а) и векторная диаграмма токов, протекающих через диэлектрик на переменном напряжении (б).

Из векторной диаграммы токов следует, что

где tg δ – тангенс угла диэлектрических потерь,

который является важным параметром, характеризующим качество диэлектрика при работе на переменном напряжении.

Для диэлектриков, применяемых в технике высоких частот и вы­соких напряжений, значение tg δ не должно превышать 10-3-10-4. Значение tg δ диэлектриков, предназначенных для работы в менее ответственных условиях, допускается много большей.

Если емкость конденсатора С

(Ф), то реактивный ток равен
Iр=UωC
, где
U
– приложенное напряжение. В; ω=2πƒ – угло­вая частота, рад/с; ƒ – частота приложенного напряжения, Гц. Следовательно, активная составляющая суммарного тока Iа равна Iа
=Iptgδ–UωCtgδ.
Тогда мощность Pа
=UIa
(Вт), выделяю­щихся в конденсаторе диэлектрических потерь равна

Подставив в (7.13) значение емкости плоского конденсатора, рассчитываемой по (7.7), и приняв S=

1 м2,
h=
1 м, получим формулу для расчета удельных диэлектрических потерь (Вт/м3):

Pауд =5,56.10-11 E2εrƒtgδ

– напряженность электрического поля, В/м; εr tg δ = εr» –
коэффициент диэлектрических потерь;
σа=5,56·10-11εr»ƒtgδ –
проводимость диэлектрика на переменном напря­жении частоты ƒ
, См·м-1.

Измерение tg δ на частоте 50 Гц производят по той же стандарти­зованной методике, которая применяется для измерения электри­ческой емкости с помощью четырехплечего моста.

Диэлектрические потери в газо­образных диэлектриках. В слабых электрических полях диэлектричес­кие потери в газах обусловливаются электропроводностью. Сквозной ток утечки Ick, протекающий через кон­денсатор с газовым диэлектриком, весьма мал и tg δ для такого конденсатора при 50 Гц обычно не более 10-7.
Если диэлектрическим материа­лом в конденсаторе служит ди­электрик с газовыми включениями, то при росте напряжения в них начинается ионизация газа. Энергия, затрачиваемая на ионизацию, называется потерями на ионизацию. Потери на ионизацию P

аи можно рассчитать по приближенной формуле
Р
аи=
Af(U-Uи)
3, где
А –
коэффициент, который зависит от размера, фор­мы и расположения газового включения, плотности газа и диэлект­рической проницаемости диэлектрика; ƒ – частота приложенного напряжения;
U
– рабочее напряжение;
UИ
– напряжение, при котором в газовых включениях начинается ионизация.

Зависимость tg δ от напряжения приведена на рис. 7.17, кото­рую называют кривой ионизации,

а точку
С
–
точкой ионизации.
Если при увеличении U

напряженность электрического поля в воздушном включении достигнет пробивного значения, то происхо­дит разряд, пробой. Такие разряды в воздушном включении называ­ют
частичными разрядами.
Обычно изоляция электрических ма­шин и аппаратов, кабелей и других устройств содержит воздушные включения разных размеров. Ионизация сначала возникает в круп­ных (большого объема) включениях и сростом напряжения развива­ется в более мелких. Поэтому с ростом напряжения tgδ увеличива­ется, достигая максимума при напряжении Uм=2Uи. Если все воздушные включения ионизированы, то энергия на ионизацию новых включений больше не требуется и сростом напряжения tgδ уменьшается.

Диэлектрические потери в жидких диэлектриках. В неполярных жидкостях диэлектрические потери вызваны электропроводностью. Поэтому tgδ определяется Iск (рис. 7.16, б), значение которого пря­мо пропорционально удельной проводимости σ

диэлектрика. Проводимость экспоненциально увеличивается с ростом тем­пературы [см. (7.2)], также изменяется и tgδ жидкого диэлектрика при нагреве (рис. 7.17).

С ростом частоты увеличивается емкостный ток Ic, протекаю­щий через диэлектрик, а активный ток сквозной утечки Iсk остается постоянным. Следовательно, [см. (7.12)] tgδ неполярного жидкого диэлектрика с ростом частоты уменьшается (рис. 7.17, б). В полярных жидких диэлектриках потери вызваны электро­проводностью и поляризацией, которые обусловливают значение токов Iсk и Iабс (рис. 7.16,б).

При низких температурах вязкость диэлектрика так велика, что диполи «заморожены», не ориентируются в электрическом поле и дипольная поляризация не происходит.

Проводимость диэлектрика при низких температурах мала, а поэтому невелики Iск и вызывае­мые им диэлектрические потери. Поэтому tg δ жидкого полярного диэлектрика при низких температурах имеет небольшое значение (рис. 7.17, а, пунктирная линия). С ростом температуры вязкость диэлектрика уменьшается, время релаксации полярных молекул становится меньше и они вовлекаются в процесс поляризации. Ори­ентация (поворот молекул в поле в результате преодоления межмо­лекулярных сил) происходит с «трением». На работу против сил трения затрачивается энергия электрического поля, которая и рас­сеивается в диэлектрике, активная составляющая Iаа тока абсорб­ции Iабс увеличивается и tg δ диэлектрика растет (рис. 7.17, а),

При температуре
Тм
вязкость диэлектрика уменьшается до такого значения, что время релаксации и полупериод (T/2= 1/2ƒ) приложенного напряжения становятся одинаковыми. Полярные молеку­лы в течение одного полупериода поворачиваются на максимальный угол, а в течение другого полупериода, где направление элект­рического поля противоположно, ориентируются в другом направле­нии. Таким образом, полярная молекула, непрерывно следуя за изменением электрического поля, поворачивается на максимальный угол, диэлектрические потери и tg δ достигают максимума. При по­следующем росте температуры вязкость снижается еще больше и время τ становится меньше полупериода τ

Зависимость tgδ неполярного (1) и полярного (2) диэлектриков от температуры и частоты.

Дальнейшее изменение температуры приводит к заметному уве­личению σ диэлектрика, а поэтому к росту Iск, который определяет на этом участке диэлектрические потери, и tg δ.

Если потери измерять на другой, большей, частоте, то максимум tgδ наблюдается при более высокой температуре. Для того чтобы на большей частоте (меньшем полупериоде) соблюдалось равенст­во τ =T/2, необходимо уменьшить τ, чего можно достигнуть нагре­вом диэлектрика до большей температуры.

На низких частотах диэлектрические потери в полярных жид­ких диэлектриках

в основном определяются
электропроводностью
, т. е. не изменяющимся с частотой током Iск. Диэлектрические поте­ри от тока Iабс намного меньше, так как число поворотов диполей в единицу времени еще мало. С увеличением частоты реактивный ток Iр растет, a tg δ уменьшается, как у неполярных диэлектри­ков [см. (7.12)].

С увеличением частоты число поворотов полярной молекулы в единицу времени растет и диэлектрические потери, вызванные то­ком Iавс, увеличиваются, становятся намного большими, чем по­тери от электропроводности. Растет и tg δ, достигая максимума при частоте fм

, где T/2
= τ
(см. рис, 7.17,
б).
На этой частоте по­лярные молекулы, следуя за изменением электрического поля, не­прерывно поворачиваются на максимальный угол. Наконец, на частотах, где T/2 Читайте также: Кабель-каналы: назначение, виды и размеры

Диэлектрические потери в сегнетоэлектриках определяются электропроводностью и доменной поляризацией. Изменения tgδ от температуры и частоты для них такие же, как и для твердых по­лярных диэлектриков.

Диэлектрические потери в композиционных диэлектрических материалах определяются свойствами компонентов и их взаимным расположением, т. е. строением материала.

Наиболее часто изоляционные материалы представляют собой последовательно расположенные слои диэлектриков. Для двухслой­ного диэлектрика tgδ рассчитывается по формуле

Если диэлектрик представляет собой статистическую смесь не взаимодействующих между собой материалов, то tgδ композиции можно рассчитать по полуэмпирической формуле

объемная концентрация первой компоненты.

Мероприятия по снижению энергопотерь в домашних условиях

В перечень мероприятий по устранению потерь энергии в домах, квартирах внесены:

1. Прокладка электрической проводки, соответствующей потребляемой мощности, позволит исключить энергопотери, предупредить изменение параметров изоляции, лишний ее расход на нагрев проводников. Игнорирование требований нормативной документации при обустройстве кабельных квартирных становится причиной появления очагов возгорания в помещениях.
2. Во избежание плохих контактов в коммутационных аппаратах рекомендуется использовать изделия при монтаже квартирных электрических сетей с элементами, устойчивыми к процессу окисления, воздействию влаги и температурных перепадов. Кроме этого, в каждом контакте должно присутствовать хорошее прижатие полюсов между собой.
3. Для снятия реактивной нагрузки, которая является очередной причиной энергопотерь, возникает при работе электрических приборов и увеличивает расход активной составляющей электрической энергии, необходимо использовать специальные устройства. Они называются установками компенсации реактивной мощности. Их применение позволит уменьшить энергопотери, снизить напряжение на различных участках электросети и суммы денежных средств на оплату использованного количества тока.
4. Совершенствование осветительных систем и замена ламп накаливания на светодиодные аналоги также относится к доступному всем слоям населения мероприятию по предотвращению потерь электроэнергии на уровне конечного потребителя.