7. Диэлектрические потери.

Диэлектрические потери – это часть электрической энергии, которая теряется в диэлектрике и превращается в тепло. Потери оцениваются активной энергией за одну секунду.

Активная энергия W_a=P_aτ, где Р_а – мощность потерь. При τ=1с W_a=P_a.

На постоянном напряжении потери обусловлены протеканием сквозного тока.

.

.

На переменном напряжеии потери обусловлены протеканием сквозного тока, ионизацией воздушных включений, поляризацией.

z=y+jx=│z│e^jα=z∙ cosα+jz∙sinα – комплексное число.

α=ωt+φ_н;

i=I_msin(ωt+φ_i);

İ_m=I_me^jφ;

İ=Ie^jφ.

Схема замещения и векторная диаграмма идеального конденсатора (Р_а=0).

Рисунок 2.13

Ток опережает напряжение на π/2 (0<U≈0; i_c=I_m) т.к. мгновенно сместилось огромное количество связанных зарядов (поляризация) φ=π/2.

Потеря мощности Р_а=UI_a=Uicosφ=0.

Параллельная схема замещения и векторная диаграмма реального конденсатора.

Рисунок 2.14

R_x – сопротивление, эквивалентное суммарным потерям.

φ+δ=π/2;

δ=π/2 – φ – угол диэлектрических потерь. Дополняет до π/2 угол φ.

φ – сдвиг фаз между током и напряжением.

P_a=UI_a=UI_C tgδ=U²ωC tgδ;

I_a=I_C tgδ; δ<5, δ_вч<0.01^○.

Для доброкачественных диэлектриков tgδ<0.1;

Для доброкачественных высокочастотных диэлектриков tgδ<0.001.

Величина tgδ зависит от:

• Химической природы. tgδ_поляр>tgδ_нейтр

• Наличия примесей и влаги. примеси tgδ / H₂O tgδ

• tgδ=f(T) T tgδ – температурный коэффициент tgδ.

• tgδ=F(f) (f tgδ, но [f∙tgδ]). f∙tgδ – фактор диэлектрических потерь. особенно велики потери Р_а на высокой частоте и на высоком напряжении. P_a=UI_a=UI_C tgδ=U²ωC tgδ=U²2πfC tgδ, поэтому низкочастотные диэлектрики на применяют на высокой частоте, т.к. tgδ_нч велик, на высокой частоте велики диэлектрические потери, которые могут вызвать электротепловой пробой. При Т>Т_кр – разогрев диэлектрика. Т tgδ Р_а U_пр_Uраб.

• Старение. R_из tgδ U_пр_Uраб.

8. Пробой диэлектрика.

Пробой – физическое явление в процессе которого диэлектрик теряет высокоизоляционные свойства и образуется канал высокой проводимости.

Виды пробоя:

• Электрический

• Тепловой

• Электрохимический

1. Электрический пробой газов.

Электрический пробой газов возникает вследствие ионизации молекул газов.

Ионизация – процесс образования ионов.

Виды ионизаций:

• Ударная. Осуществляется свободными электронами, реже – ионами, которые имеются в газе. Под действием электрического поля их энергии и скорость увеличиваются. W=Eqλ q – заряд. λ – длинна свободного пробега электрона (расстояние проходимое электроном до столкновения). Условие ударной ионизации: W=Eqλ≥W_н W_н=4..25эВ – электромагнитная ионизация.

W_н=E_нqλ V=1000 км/с

«Выбитый» валентный электрон в свою очередь ионизирует молекулы. Лавина выбитых свободных электронов образуется за 10^-6с. τ_н=10^-6с Е≥Е_н

• Фотонная. Происходит под действием фотонов, испускаемых электронами при переходе их на более низкий энергетический уровень. Условия фотонной ионизации W_ф=ħω≥W_н, где ħ – постоянная Планка. При рекомбинации

Ионизация – процесс, обратный рекомбинации.

• Термическая ионизация. Происходит под действием высоких температур (>2000^○), под действием электрической дуги. E_пр газов зависит от:

• Химической природыW_н Е_пр.

• Ф

  Рисунок 2.15

  ормы испытательного напряжения (постоянное, переменное импульсное) Сравниваются амплитудные значения электрической прочности. – коэффициент импульса. К_и зависит от продолжительности и формы импульса τ_и­ Е_пр.и. За время τ должен сформироваться канал разряда.

• От расстояния мажду электродами Е_пр=f(h).

• E_пр=f(P) –от давления.

• Неоднородности электрического поля.

Др. факторы: температура, влажность, ионизирующее излучение.

Е=f(h);

1:) Неоднородное электрическое поле .

2:) Однородное электрическое поле.

Для воздуха: h=0.005;

Eпр=70 кВ/мм; Uпр=0,35 кВ.

Зависимость Е_пр от h.

h Eпр

При малых расстояниях между электродами (h) затрудняется образования канала разряда (Епр), т.к. количество свободных электронов мало.

Зависимость Е_пр от давления.

При Р>Рк Р Епр т.к ρ, λ и Wэл.

λ – длина свободного пробега электрона.

W

Е_пр

e=Eqλ; λ ЕU

Условие ионизации – электрон должен разогнаться до определённой скорости.

При Р<Рк Р Епр т.к. в вакууме уменьшается количество молекул, затрудняется образование лавины (электронов и ионов)

В вакууме Епр=100 кВ/мм.

Пробой происходит вследствии вырывания и выбивания электронов и ионов с поверхности электрода.

Э

Рисунок 2.17

лектрическая прочность высокая для создания вакуумных выключателей.

Высокое давление газов используется в изоляции, в выключателях. Преимущество: после снятия напряжения электрическая прочность восстанавливается.

Рисунок 2.16