Диэлектрические потери
Природа всех веществ такова, что при определённых условиях все они, так или иначе, взаимодействуют с электрическим полем. Вещества, с содержанием свободных положительных и отрицательных зарядов в одном кубическом сантиметре менее 100 000 000 относятся к диэлектрикам. Из таких веществ изготовлены изоляционные материалы. Поэтому их взаимодействие с электрическим полем количественно оценивается в тех или иных целях.
Электрическое поле вызывает объёмный нагрев диэлектрика. При этом существует определённая величина электрической мощности, которая именуется как диэлектрические потери. Они возникают независимо от того, какой знак у зарядов, определяющих существование этого поля, и меняется ли этот знак во времени, так или иначе. Поскольку в веществе присутствуют заряды, несмотря на их малое количество в нём возникают токи утечки, пронизывающие данный объём вещества.
Если заряды, определяющие электрическое поле стабильны, оно вызывает электрический ток в помещённом в него образце диэлектрика. Величина этого тока зависит от оказываемого диэлектриком сопротивления. Его называют сопротивлением изоляции R(из). Но известно, что если металлический стержень гнуть в одном месте туда – сюда он сломается рано или поздно. Похожим образом на диэлектрик воздействует и переменное электрическое поле, нарушающее его структуру.
В результате электрический ток через диэлектрик увеличивается. Поэтому необходима количественная оценка тока в диэлектрике, как при постоянном, так и при переменном напряжении, приложенном к нему. Природа этого тока имеет ёмкостной характер, для которого характерно наличие угла φ между напряжением и током. Если его дополнять до 90° некоторым углом δ получаются такие значения этого угла, при которых tgδ отличен от нуля.
Как количественно оцениваются диэлектрические потери?
Если бы диэлектрик являлся идеальной ёмкостью, сдвиг по фазе между напряжением и током был бы равен 90°, а угол δ при этом равнялся нулю. Но поскольку в нем есть потери, величина угла δ получается больше нуля. Он называется как «угол диэлектрических потерь», а tgδ — как «тангенс угла диэлектрических потерь». tgδ даёт количественную оценку потерь.
Очевидно, что эти потери зависят от частоты. А он сам при этом может рассматриваться, как реальный конденсатор, в виде одной из двух электрических цепей:
Выбор схемы делается исходя из того, какой именно ток является преобладающим для данного диэлектрика. Если это ток утечки, выбирается схема а). В этом случае потери определяются как мощность Р(а)=UU/R. Если на величину тока в основном влияет ёмкость, выбирается схема б). Потери для неё вычисляются как .
Кроме угла и тангенса потерь на практике используется величина удельных диэлектрических потерь:
Из приведенных формул, очевидно, что свойства диэлектрика наиболее актуальны при больших значениях величины и частоты напряжения. Следовательно, применяемые в таких условиях изделия должны быть изготовлены из материалов с минимальным значением tgδ. Иначе будет происходить дополнительный нагрев и ускоренное разрушение материалов – диэлектриков входящих в конструкцию высоковольтного изделия. А в электронике будет ухудшаться селективность устройств с колебательными контурами из-за уменьшения их добротности.
Приборы для измерения
Диэлектрические материалы, входящие в конструкцию тех или иных изделий в реальных условиях эксплуатации подвержены воздействию условий окружающей среды. Поэтому в них появляются включения жидкостей или газов. И при увеличении напряжения начинают возникать дополнительные потери. Но этот процесс длится до начала процессов ионизации, которому соответствует напряжение U1:
Измерение значений tgδ делается в диапазоне температур от 10 до 20 градусов по Цельсию, поскольку этот диапазон обеспечивает минимальные изменения потерь. Измерителями для изоляции кабелей служат, например, серийно выпускаемые приборы Р5026 и Р525. Пример схемы, используемой в одном из них, показан на изображении ниже:
На мост подаётся напряжение от 3 до 10 киловольт. Регулировки моста выполняются либо дистанционно, используя изолирующие штанги, либо применяя специальное экранирование измерительных элементов и оператора.
Для трансформаторного масла применяются другие специализированные приборы, например, как на изображении ниже:
Своевременный контроль изоляции позволяет существенно уменьшить аварии связанные с пробоем её высоким напряжением, например при ударе молнии. А качественная изоляция кабелей ввиду их значительной протяжённости заметно уменьшает потери при электроснабжении гражданских и промышленных объектов.
