Co je dielektrická ztráta a co ji způsobuje
Dielektrické ztráty jsou energie rozptýlená za jednotku času v dielektriku, když na něj působí elektrické pole a způsobuje zahřívání dielektrika. Při konstantním napětí jsou ztráty energie určeny pouze silou průchozího proudu v důsledku objemové a povrchové vodivosti. Při střídavém napětí se tyto ztráty přičítají ke ztrátám v důsledku různých typů polarizací a také přítomností polovodičových nečistot, oxidů železa, uhlíku, plynových inkluzí atd.
Vzhledem k nejjednoduššímu dielektriku můžeme napsat výraz pro výkon rozptýlený v něm pod vlivem střídavého napětí:
Pa = U·I,
kde U je napětí aplikované na dielektrikum, Aza je aktivní složka proudu procházejícího dielektrikem.
Dielektrický ekvivalentní obvod je obvykle prezentován ve formě kondenzátoru a aktivního odporu zapojených do série. Z vektorového diagramu (viz obr. 1):
Aza = integrovaný obvod·tgδ,
kde δ — úhel mezi vektorem celkového proudu I a jeho kapacitní složkou Integrovaný obvod.
Proto
Pa = U·Integrovaný obvod·tgδ,
ale proud
Integrovaný obvod = UΩ C,
kde je kapacita kondenzátoru (dané dielektrikem) při úhlové frekvenci ω.
Výsledkem je ztráta energie v dielektriku
Pa = U2Ω C·tgδ,
tj. ztráty energie rozptýlené v dielektriku jsou úměrné tečně úhlu δ, který se nazývá úhel dielektrické ztráty nebo jednoduše úhel ztráty. Tento úhel δ k charakterizuje kvalitu dielektrika. Čím menší je úhel dielektrických ztrát δ, tím vyšší jsou dielektrické vlastnosti izolačního materiálu.
Rýže. 1. Vektorový diagram proudů v dielektriku pod střídavým napětím.
Zavedení pojmu úhel δ Pro praxi je to výhodné, protože místo absolutní hodnoty dielektrických ztrát se bere v úvahu relativní hodnota, která umožňuje porovnávat izolační výrobky s dielektriky různé kvality.
Dielektrické ztráty v plynech
Dielektrické ztráty v plynech jsou malé. Plyny mají velmi nízká elektrická vodivost… Orientace dipólových molekul plynu při jejich polarizaci není doprovázena dielektrickými ztrátami. Sčítání tgδ=e(U) se nazývá ionizační křivka (obr. 2).
Rýže. 2. Změna tgδ jako funkce napětí pro izolaci se vzduchovými vměstky
Rostoucí tgδ s rostoucím napětím může posoudit přítomnost plynových inkluzí v pevné izolaci. Při značné ionizaci a ztrátách v plynu může dojít k zahřátí a porušení izolace.Proto je izolace vinutí vysokonapěťových elektrických strojů pro odstranění plynových inkluzí během výroby podrobena speciální úpravě - sušení ve vakuu, vyplnění pórů izolace zahřátou směsí pod tlakem a válcování pro lisování.
Ionizace vzduchových inkluzí je doprovázena tvorbou ozónu a oxidů dusíku, které mají destruktivní vliv na organickou izolaci. Ionizace vzduchu v nerovných polích, například v elektrických vedeních, je doprovázena účinkem viditelného světla (korona) a značnými ztrátami, což snižuje účinnost přenosu.
Dielektrické ztráty v kapalných dielektrikách
Dielektrické ztráty v kapalinách závisí na jejich složení. V neutrálních (nepolárních) kapalinách bez nečistot je elektrická vodivost velmi nízká, proto jsou v nich malé i dielektrické ztráty. Například rafinovaný kondenzátorový olej má tgδ
V technologii polární kapaliny (Sovol, ricinový olej atd.) nebo směsi neutrálních a dipolárních kapalin (transformátorový olej, sloučeniny atd.), ve kterých jsou dielektrické ztráty výrazně vyšší než u neutrálních kapalin. Například tgδ ricinového oleje při frekvenci 106 Hz a teplotě 20 °C (293 K) je 0,01.
Dielektrická ztráta polárních kapalin závisí na viskozitě. Tyto ztráty se nazývají dipólové ztráty, protože jsou způsobeny dipólovou polarizací.
Při nízké viskozitě jsou molekuly orientovány působením pole bez tření, dipólové ztráty jsou v tomto případě malé a celkové dielektrické ztráty jsou způsobeny pouze elektrickou vodivostí. S rostoucí viskozitou rostou dipólové ztráty.Při určité viskozitě jsou ztráty maximální.
To se vysvětluje skutečností, že při dostatečně vysoké viskozitě molekuly nemají čas sledovat změnu pole a polarizace dipólu prakticky zmizí. V tomto případě jsou dielektrické ztráty malé. S rostoucí frekvencí se maximální ztráta posouvá do oblasti s vyšší teplotou.
Teplotní závislost ztrát je složitá: tgδ roste s rostoucí teplotou, dosahuje svého maxima, pak klesá na minimum, pak se zase zvyšuje, to se vysvětluje zvýšením elektrické vodivosti. Dipólové ztráty se zvyšují se zvyšující se frekvencí, dokud polarizace nestihne sledovat změnu v poli, poté již molekuly dipólu nemají čas se plně orientovat ve směru pole a ztráty se stanou konstantní.
V kapalinách s nízkou viskozitou převažují ztráty vedením při nízkých frekvencích a ztráty dipólů jsou zanedbatelné; naopak na rádiových frekvencích jsou dipólové ztráty vysoké. Ve vysokofrekvenčních polích se proto dipólová dielektrika nepoužívají.
Dielektrické ztráty v pevných dielektrikách
Dielektrické ztráty v pevných dielektrikách závisí na struktuře (krystalické nebo amorfní), složení (organické nebo anorganické) a povaze polarizace. V takových pevných neutrálních dielektrikách, jako je síra, parafín, polystyren, která mají pouze elektronickou polarizaci, nedochází k žádným dielektrickým ztrátám. Ztráty mohou být způsobeny pouze nečistotami. Proto se takové materiály používají jako vysokofrekvenční dielektrika.
Anorganické materiály, jako jsou monokrystaly kamenné soli, sylvit, křemen a čistá slída, mající elektronickou a iontovou polarizaci, mají nízké dielektrické ztráty způsobené samotnou elektrickou vodivostí. Dielektrické ztráty v těchto krystalech nezávisí na frekvenci a tgδ klesá s rostoucí frekvencí. S rostoucí teplotou se ztráty a tgft mění stejným způsobem jako elektrická vodivost a rostou podle zákona exponenciální funkce.
U skel různého složení, např. keramiky s vysokým obsahem sklovité fáze, jsou pozorovány ztráty v důsledku elektrické vodivosti. Tyto ztráty jsou způsobeny pohybem slabě vázaných iontů; vyskytují se obvykle při teplotách nad 50 — 100 °C (323 — 373 K). Tyto ztráty se výrazně zvyšují s teplotou podle zákona exponenciální funkce a málo závisí na frekvenci (tgδ klesá s rostoucí frekvencí).
V anorganických polykrystalických dielektrikách (mramor, keramika atd.) dochází k dalším dielektrickým ztrátám v důsledku přítomnosti polovodičových nečistot: vlhkosti, oxidů železa, uhlíku, plynu atd. stejný materiál, protože vlastnosti materiálu se mění vlivem podmínek prostředí.
Dielektrické ztráty v organických polárních dielektrikách (dřevo, étery celulózy, přírodní roztok, syntetické pryskyřice) jsou způsobeny strukturní polarizací v důsledku volného balení částic. Tyto ztráty závisí na teplotě, která má maximum při určité teplotě, a také na frekvenci rostoucí s jejím růstem. Proto se tato dielektrika nepoužívají ve vysokofrekvenčních polích.
Je charakteristické, že závislost tgδ na teplotě pro papír impregnovaný sloučeninou má dvě maxima: první je pozorováno při záporných teplotách a charakterizuje ztrátu vláken, druhé maximum při zvýšených teplotách je způsobeno ztrátou dipólu sloučeniny. S rostoucí teplotou v polárních dielektrikách se zvyšují ztráty spojené s elektrickou vodivostí.