Mi a dielektromos veszteség és mi okozza

A dielektromos veszteségek azt az energiát jelentik, amely egységnyi idő alatt disszipálódik egy dielektrikumban, amikor elektromos tér hat rá, és a dielektrikum felmelegszik. Állandó feszültség mellett az energiaveszteséget csak a térfogat- és felületvezetés miatti átmenő áram erőssége határozza meg. Váltakozó feszültségnél ezek a veszteségek hozzáadódnak a különböző típusú polarizációk, valamint a félvezető szennyeződések, vas-oxidok, szén, gázzárványok stb. miatti veszteségekhez.

A legegyszerűbb dielektrikumot tekintve felírhatjuk a benne váltakozó feszültség hatására disszipált teljesítmény kifejezését:

Pa = U·I,

ahol U a dielektrikumra adott feszültség, Aza a dielektrikumon átfolyó áram aktív komponense.

A dielektromos ekvivalens áramkör általában kondenzátor és sorba kapcsolt aktív ellenállás formájában jelenik meg. A vektordiagramból (lásd 1. ábra):

Aza = Integrált áramkör·tgδ,

ahol δ – az I teljes áram vektora és kapacitív komponense közötti szög Integrált áramkör.

Ebből adódóan

Pa = U·Integrált áramkör·tgδ,

hanem a jelenlegi

Integrált áramkör = UΩ C,

ahol egy kondenzátor kapacitása (adott dielektrikum) ω szögfrekvencián.

Ennek eredményeként a dielektrikumban disszipált teljesítmény az

Pa = U2Ω C·tgδ,

azaz a dielektrikumban disszipált energiaveszteség arányos a δ szög tangensével, amelyet ún. dielektromos veszteségszög vagy egyszerűen a veszteség szöge. Ez a δ k szög jellemzi a dielektrikum minőségét. Minél kisebb az elektromos veszteségek δ szöge, annál magasabbak a szigetelőanyag dielektromos tulajdonságai.

Rizs. 1. Váltófeszültségű dielektrikum áramainak vektordiagramja.

A δ szög fogalmának bevezetése A gyakorlat számára kényelmes, mert a dielektromos veszteségek abszolút értéke helyett egy relatív értéket vesznek figyelembe, amely lehetővé teszi a szigetelő termékek összehasonlítását különböző minőségű dielektrikumokkal.

Dielektromos veszteségek gázokban

A gázok dielektromos vesztesége kicsi. A gázoknak van nagyon alacsony elektromos vezetőképesség… A dipólus gázmolekulák orientációja polarizációjuk során nem jár dielektromos veszteséggel. A tgδ=e(U) összeadást ionizációs görbének nevezzük (2. ábra).

Rizs. 2. A tgδ változása a feszültség függvényében légzárványos szigetelés esetén

A növekvő feszültséggel növekvő tgδ képes felmérni a gázzárványok jelenlétét a szilárd szigetelésben. Jelentős ionizáció és gázveszteség esetén a szigetelés felmelegedése és meghibásodása léphet fel.Ezért a nagyfeszültségű elektromos gépek tekercseinek szigetelését a gázzárványok eltávolítására a gyártás során speciális kezelésnek vetik alá - vákuum alatt szárítják, a szigetelés pórusait nyomás alatti fűtött keverékkel töltik fel és hengerelik préselésre.

A levegőzárványok ionizációja ózon és nitrogén-oxidok képződésével jár együtt, amelyek romboló hatással vannak a szerves szigetelésre. A levegő ionizációja egyenetlen mezőkön, például elektromos vezetékekben látható fény (korona) hatásával és jelentős veszteséggel jár, ami csökkenti az átviteli hatékonyságot.

Dielektromos veszteségek folyékony dielektrikumokban

A folyadékok dielektromos veszteségei összetételüktől függenek. A semleges (nem poláris) szennyeződés nélküli folyadékokban az elektromos vezetőképesség nagyon alacsony, ezért a dielektromos veszteségek is kicsik bennük. Például a finomított kondenzátorolaj tgδ

A technikában poláris folyadékok (Sovol, ricinusolaj stb.) vagy semleges és dipoláris folyadékok keverékei (transzformátor olaj, vegyületek stb.), amelyekben a dielektromos veszteségek lényegesen nagyobbak, mint a semleges folyadékoké. Például a ricinusolaj tgδ értéke 106 Hz frekvencián és 20 °C (293 K) hőmérsékleten 0,01.

A poláris folyadékok dielektromos vesztesége a viszkozitástól függ. Ezeket a veszteségeket dipólusveszteségnek nevezzük, mivel a dipólus polarizációjából adódik.

Alacsony viszkozitásnál a molekulák súrlódásmentes tér hatására orientálódnak, a dipólusveszteségek ebben az esetben kicsik, és a teljes dielektromos veszteség csak az elektromos vezetőképességből adódik. A dipólusveszteség a viszkozitás növekedésével nő.Egy bizonyos viszkozitás mellett a veszteségek maximálisak.

Ez azzal magyarázható, hogy kellően nagy viszkozitás mellett a molekuláknak nincs idejük követni a tér változását és a dipólus polarizáció gyakorlatilag megszűnik. Ebben az esetben a dielektromos veszteségek kicsik. A frekvencia növekedésével a maximális veszteség magasabb hőmérsékletű tartományba tolódik el.

A veszteségek hőmérsékletfüggése összetett: a tgδ a hőmérséklet emelkedésével növekszik, eléri maximumát, majd minimumra csökken, majd ismét növekszik, ez az elektromos vezetőképesség növekedésével magyarázható. A dipólusveszteségek a frekvencia növekedésével nőnek mindaddig, amíg a polarizációnak nincs ideje követni a tér változását, ami után a dipólmolekuláknak már nincs idejük teljesen a tér irányába tájékozódni, és a veszteségek állandóvá válnak.

Alacsony viszkozitású folyadékokban alacsony frekvenciákon a vezetési veszteségek dominálnak, a dipólusveszteség pedig elhanyagolható; éppen ellenkezőleg, rádiófrekvenciákon a dipólusveszteségek nagyok. Ezért a dipólus dielektrikumokat nem használják nagyfrekvenciás mezőben.

Dielektromos veszteségek szilárd dielektrikumokban

A szilárd dielektrikumok dielektromos vesztesége a szerkezettől (kristályos vagy amorf), az összetételtől (szerves vagy szervetlen) és a polarizáció természetétől függ. Az olyan szilárd semleges dielektrikumokban, mint a kén, paraffin, polisztirol, amelyek csak elektronikus polarizációval rendelkeznek, nincsenek dielektromos veszteségek. A veszteségek csak a szennyeződésekből származhatnak. Ezért az ilyen anyagokat nagyfrekvenciás dielektrikumként használják.

A szervetlen anyagok, mint például a kősó, szilvit, kvarc és tiszta csillám egykristályai, amelyek elektronikus és ionos polarizációval rendelkeznek, önmagában az elektromos vezetőképesség miatt alacsony dielektromos veszteséggel rendelkeznek. A dielektromos veszteségek ezekben a kristályokban nem függnek a frekvenciától, és a tgδ a frekvencia növekedésével csökken. A hőmérséklet növekedésével a veszteségek és a tgft ugyanúgy változnak, mint az elektromos vezetőképesség, az exponenciális függvény törvénye szerint növekszik.

Különböző összetételű poharakban, például magas üveges fázist tartalmazó kerámiákban, az elektromos vezetőképesség miatti veszteségek figyelhetők meg. Ezeket a veszteségeket a gyengén kötött ionok mozgása okozza; általában 50 — 100°C (323 — 373 K) feletti hőmérsékleten fordulnak elő. Ezek a veszteségek az exponenciális függvény törvénye szerint jelentősen nőnek a hőmérséklettel, és kevéssé függenek a frekvenciától (tgδ a frekvencia növekedésével csökken).

A szervetlen polikristályos dielektrikumokban (márvány, kerámia stb.) további dielektromos veszteségek lépnek fel a félvezető szennyeződések jelenléte miatt: nedvesség, vas-oxidok, szén, gáz stb. ugyanaz az anyag, mert az anyag tulajdonságai a környezeti feltételek hatására megváltoznak.

A szerves poláris dielektrikumok (fa, cellulóz-éterek, természetes oldat, műgyanták) dielektromos veszteségei a laza részecsketömörödés miatti szerkezeti polarizációból adódnak. Ezek a veszteségek attól függenek, hogy egy adott hőmérsékleten a hőmérsékletnek van-e maximuma, valamint a növekedés gyakoriságával. Ezért ezeket a dielektrikumokat nem használják nagyfrekvenciás terekben.

Jellemző, hogy a tgδ hőmérséklettől való függésének a keverékkel impregnált papír esetében két maximuma van: az első negatív hőmérsékleten figyelhető meg, és a szálveszteséget jellemzi, a második maximum magasabb hőmérsékleten a vegyület dipólusának elvesztése miatt következik be. A poláris dielektrikumok hőmérsékletének növekedésével az elektromos vezetőképességgel kapcsolatos veszteségek nőnek.