Главная » Строительство » Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты

Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от частоты

Для количественной оценки величины диэлектрических потерь используют понятие тангенс угла диэлектрических потерь. Введем это понятие.

В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90 градусам. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока. Поэтому векторная диаграмма токов и напряжений выглядит, как показано на рисунке 34.

Рис. 34. Векторная диаграмма токов и напряжений в реальном диэлектрике.

Зная величину напряжения (U), круговую частоту (w)и емкость конденсатора (С), можно определить реактивную составляющую тока:

Тогда активная составляющая тока определится как:

Рассеиваемую мощность можно определить следующим образом:

Важно отметить, что в приведенной выше формуле величина напряжения и круговая частота не зависят от материала диэлектрика, а емкость конденсатора и тангенс угла потерь определяются материалом диэлектрика. Поскольку емкость зависит от диэлектрической проницаемости диэлектрика и геометрии конденсатора (площади обкладок и расстояния между обкладками), то рассеиваемая в материале мощность электрического поля будет пропорциональна произведению диэлектрической проницаемости на тангенс угла потерь

Произведение e´tgdназывают коэффициентом диэлектрических потерь и обозначают K_d.

При исследовании свойств материалов при помощи измерительных мостов, имеется возможность определения емкости, приложенного напряжения и круговой частоты, Следовательно, измерительные мосты могут автоматически определять активную составляющую тока и полный ток, иначе говоря, происходит автоматическое измерение тангенса угла потерь. Таким образом, tgможно использовать в качестве меры потерь энергии поля в диэлектрике.

Рассмотрим зависимости tg от температуры в полярных и неполярных диэлектриках.

С увеличением температуры концентрация носителей заряда в диэлектрике повышается. Поэтому вероятность столкновения носителя заряда со структурной единицей вещества также растет. Следовательно, при увеличении температуры потери на сквозную электропроводность возрастают (рис. 35).

В неполярных диэлектриках реализуется упругая электронная или упругая ионная поляризация. Как известно, при развитии упругих процессов потерь энергии нет, поэтому в неполярных диэлектриках основной вид потерь – потери за счет сквозной электропроводности.

2.3.2 Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков.

С увеличением частоты электрического поля длина пробега ионов за время полупериода колебаний уменьшается, а следовательно, уменьшается запасенная ими кинетическая энергия. Кроме того, снижается вероятность столкно-

вения иона со структурными единицами материала. В силу этих причин при росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются (рис. 36).

2.3.3 Влияние температуры на тангенс угла потерь в полярных диэлектриках

В полярных диэлектриках, помимо потерь на сквозную электропроводность, появляются потери на поляризацию, то есть внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей. Эту работу можно оценить как произведение момента сил (М) на угол поворота (). При увеличении температуры подвижность диполей растет, и момент сил, необходимый для поворота на один и тот же угол, снижается. В то же время, рост подвижности диполей при повышении температуры ведет к увеличению угла поворота под действием постоянного момента сил (рис. 37). Таким образом, работа, совершаемая электрическим полем на поворот диполей, при росте температуры вначале увеличивается, а затем уменьшается.

Рис.37. Зависимость угла поворота диполей (), момента сил, необходимых для поворота (М) и работы по повороту диполя электрическим полем (А) от температуры.

Помимо потерь энергии поля на поляризацию, в полярных диэлектриках существуют потери на сквозную электропроводность. Важно отметить, что хотя качественно процесс электропроводности в полярных диэлектриках не отличается от процесса электропроводности в неполярных диэлектриках, количественные различия имеются. Так, в полярных диэлектриках концентрация носителей заряда, как правило, повышена, поскольку из-за полярности молекул основного материала очистка его от примесей затруднена. Суммируя потери на сквозную проводимость и поляризацию, получаем зависимость tgdот температуры показанную на рис. 38.

Рис. 38. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь от температуры для полярных диэлектриков.

Значения tgd, как и другие параметры диэлектриков для данных образцов материалов или участков изоляции, не являются строго постоянными, а зависят от различных внешних факторов.

Эти зависимости имеют существенное практическое значение.

Температурная зависимость tgd. При рассмотрении температурной зависимости tgd необходимо различать полярные и неполярные диэлектрики.

У неполярного диэлектрика проявляется только потери на электропроводность. Поэтому с ростом температуры tgd, а, следовательно, и диэлектрические потери, растут (Рис. 4.5, а), что обусловлено возрастанием тока проводимости в диэлектрике.

У полярных диэлектриков к потерям на электропроводность, которые больше, чем у неполярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию дипольных молекул.

Рис. 4.5. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь:
а) от температуры, б) от частоты 1 – неполярный диэлектрик, 2 – полярный диэлектрик

При низких температурах вязкость материалов высока, диполи практически не разворачиваются при приложении поля, и дипольная поляризация отсутствует, а tgd имеет низкие значения (Рис. 4.5, а).

С ростом температур до значения T₁ происходит уменьшение вязкости и усиление дипольной поляризации, вследствие чего возрастает и tgd. С дальнейшим ростом температуры (участок T₁ –Т₂) вязкость становится настолько мала, что диполи легко поворачиваются по полю и уменьшаются затраты энергии на трение. В результате чего tgd уменьшается. Рост tgd, а следовательно, активных потерь в диэлектрике, начиная с температуры Т₂ и выше, вызван увеличением тока проводимости, так как вязкость вещества уменьшается и носители тока (свободные ионы и электроны) приобретают большую скорость.

Частотная зависимость tgd . В неполярных диэлектриках существуют только потери на электропроводность, которые не зависят от частоты переменного электрического поля. Вследствие этого произведение ωtgd в выражении (4.7) должно иметь постоянное значение. Поэтому тангенс угла потерь tgd с ростом частоты уменьшается по гиперболе (график I, Рис. 4.5,б).

Рис. 4.6. Зависимость диэлектрических потерь от частоты: 1- неполярный диэлектрик, 2 – полярный диэлектрик

В полярных диэлектриках рассеиваемая мощность в основном определяется потерями на трение при ориентации дипольных молекул. Поэтому диэлектрические потери возрастают с частотой до тех пор, пока поляризация успевает следовать за изменением поля, при этом растет и tgd (график 2, Рис. 4.5,б). Когда же частота становится настолько велика что дипольные молекулы уже не успевают полностью ориентироваться в направлении поля и tgd падает, то потери Р_астановятся постоянными в соответствии с формулой (4.7).

Таким образом, зависимость диэлектрических потерь Р_аот частоты (Рис. 4.6) не соответствует частотной зависимости tgd.

3ависимость tgd от напряжения. При оценке качества изоляции большое практическое значение имеет зависимость tgd электрической изоляции от приложенного к ней напряжения.

Обычно tgd от напряжения практически не зависят, так что диэлектрические потери при повышении напряжения возрастают пропорционально U 2 . Однако иногда зависимость tgd(U) имеет весьма характерный вид, представленный на Рис. 4.7.

Рис. 4.7. Зависимость tgd от приложенного к изоляции напряжения: U_ч_._р – напряжение начала частичных разрядов

Из графика видно, что при значениях напряжения, превышающих U_ч_._р, tgd резко возрастает. Это связано с началом ионизации включений воздуха или других газов в изоляции. Ионизация в газовых включениях (мельчайших зазорах, прослойках и пузырьках газов) приводит к так называемым "частичным разрядам" в них. Частичные разряды локализуются в ограниченной части объема изоляции, т.е. не доходят до обоих электродов.

Возникновение разрядов в газовых включениях объясняется как малой диэлектрической проницаемостью газов (соответственно большой напряженностью во включениях), так и малой электрической прочностью газов. Рассеяние энергии частичными разрядами приводит к росту tgd при увеличении напряжения выше значения U_ч_._р. Частичные заряды в небольшом количестве не могут вызвать необратимых изменений в твердой изоляции. Если через небольшое время снизить напряжение на изоляции ниже напряжения начала частичных разрядов U_ч_._р, то частичные разряды гаснут и tgd снижается до исходного значения. Однако образование частичных разрядов в высоковольтной изоляции, предназначенной для длительной эксплуатации, весьма нежелательно. Частичные разряды вызывают дополнительный нагрев изоляции, ее эрозию и в результате приводят к ускоренному старению изоляции.

Сказанное определяет важность получения характеристики tgd(U) для высоковольтной изоляции.

Как правило, рабочее напряжение изоляции должно быть ниже напряжения начала частичных разрядов U_ч_._р. Следует считать более высококачественной такую изоляцию, у которой U_ч_._р более высокое, а подъем кривой tgd (U) более пологий.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Если вам интересна история реле и вы изучаете принцип работы разных типов реле . Подписывайтесь на мой канал на Ютубе .

Что такое тангенс угла диэлектрических потерь, от чего он зависит и как его измеряют
Автор: Кандидат технических наук. В. Б. Кулаковский

Объем и нормы испытаний электрооборудования регламентируют нам при разных видах контроля (П, К, Т, М….) среди прочих испытаний, проводить у разного электрооборудования, например, силовых трансформаторов (автотрансформаторов), реакторов, генераторов, вводах и проходных изоляторах, проверку тангенса угла диэлектрических потерь (tg δ).
Данная, на мой взгляд, очень хорошо написанная статья даст ответ на вопросы, что такое тангенс угла диэлектрических потерь, от чего он зависит, как его измеряют.
Статья написана в 1958 году, и естественно, по состоянию на 2015 год существует большое количество приборов для измерения тангенса угла диэлектрических потерь, а мост МД-16 уже раритет.

Величина tg δ (угла диэлектрических потерь), являясь мерилом потерь в изоляции, характеризует общее ее состояние. Если изоляция была бы изготовлена из идеального диэлектрика, то в ней не было бы потерь и при включении на переменное напряжение она не потребляла бы активной мощности.
При приложении переменного напряжения к такой идеальной изоляции происходят поочередно повторяющиеся заряд и разряд и в цепи появляется переменный емкостный ток. При этом вся энергия, полученная изоляцией за время заряда, возвращается в сеть во время разряда.
Произведение емкостного тока на напряжение дает величину реактивной или емкостной мощности; она пропорциональна емкости изоляции (кроме того, частоте и квадрату приложенного напряжения). Таким образом, изоляция из идеальных диэлектриков потребляла бы из сети только реактивную (емкостную) мощность.
Однако практически идеальных диэлектриков не существует. В реальной изоляции всегда имеется потеря энергии, поэтому при приложении к ней напряжения из сети потребляется не только реактивная, но и активная мощность, обусловленная потреблением энергии изоляцией. Отношение активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности и называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Так как активная мощность, потребляемая изоляцией, значительно меньше реактивной и отношение их обычно измеряется сотыми долями, то удобнее тангенс угла диэлектрических потерь выражать в процентах.
Потребление энергии изоляцией вызывается разными причинами. Во многих твердых диэлектриках под воздействием приложенного переменного напряжения происходят колебания частиц, имеющих электрические заряды (атомов, молекул), что сопровождается затратой энергии. Кроме того, все диэлектрики в какой-то степени проводят ток не только путем заряда и, разряда, а непосредственно, и протекание этого тока (тока проводимости), так же как в проводниках, сопряжено с потерями. Особенно большие потери возникают в неоднородных изолирующих материалах, в которых наряду с хорошими диэлектриками имеются вещества с пониженными диэлектрическими свойствами. Емкостные токи, протекая через вкрапления этих веществ в толще материала, создают значительные потери; достаточно сравнительно небольших примесей таких веществ, распределенных по всему объему материала, чтобы потери в таком материале существенно возросли. Особенно заметно действие вкраплений такого сравнительно хорошо проводящего вещества, как вода, которая, проникая в поры волокнистых материалов, существенно увеличивает диэлектрические потери.
Так, увеличение влагосодержания электрокартона с 0,5 до 3,0% вызывает рост диэлектрических потерь примерно в 25 раз.
Поскольку реактивная мощность при этом меняется сравнительно мало (она, как указывалось выше, зависит от емкости), тангенс угла диэлектрических потерь также существенно возрастает. В указанном случае он возрастает с 0,8 до 11,0%.
Таким образом, тангенс угла диэлектрических потерь является чувствительным показателем увлажнения изоляции, особенно если она состоит из волокнистых материалов и увлажняется во всем объеме (как, например, в трансформаторах).
При этом существенно, что величина тангенс угла диэлектрических потерь не зависит от размеров изоляции: если вся изоляция однородна по своим свойствам, то активная и реактивная мощности будут зависеть от них в одинаковой степени.
Благодаря этим ценным свойствам величины тангенса угла диэлектрических потерь измерение ее широко применяется для контроля влажности изоляции трансформаторов и некоторых других видов электрооборудования.
Однако применение тангенса угла диэлектрических потерь как показателя увлажнения изоляции имеет и недостатки.
Величина тангенса угла диэлектрических потерь зависит не только от степени увлажнения изоляции, но и от других причин. В частности, увеличение тока проводимости какого-либо участка изоляции (например, из-за загрязнения) в некоторых случаях может привести к увеличению тангенса угла диэлектрических потерь. Известны случаи повышения tg δ у трансформаторов из-за загрязнения вводов, трещин на них, что создавало ложное впечатление об увлажнении изоляции трансформаторов.
Увеличение тангенса угла диэлектрических потерь у трансформаторов может быть также вызвано наличием воздуха в вводах, зашламлением обмоток, применением масла с большим тангенсом угла диэлектрических потерь и другими причинами; у некоторых трансформаторов тангенс угла диэлектрических потерь имеет повышенное значение из-за конструктивных особенностей. С другой стороны, опасное увлажнение небольших участков изоляции может мало отразиться на суммарных потерях в изоляции и, следовательно, на величине tg δ.
Поэтому измерению tg δ на трансформаторах должно сопутствовать определение других диэлектрических характеристик изоляции (сопротивления изоляции, коэффициента абсорбции, величины С2/С50 и т. д.). Только сопоставив все эти характеристики, можно вынести правильное суждение о состоянии изоляции.
Кроме увлажнения изоляции, tg δ является в известной степени показателем наличия воздушных включений в ней. Так, если тангенс угла диэлектрических потерь растет с ростом приложенного напряжения, то это означает, что в изоляции имеются воздушные включения. Объясняется это тем, что с ростом напряжения воздух во все большей степени начинает проводить ток, в связи с чем возрастают потери. Раньше этим свойством тангенса угла диэлектрических потерь пытались воспользоваться для определения состояния изоляции электрических машин. В настоящее время такие измерения в эксплуатации не применяются, так как практика эксплуатации показала, что при оценке состояния изоляции электрических машин наличие в ней воздушных включений играет далеко не главную роль.
Измерение тангенса угла диэлектрических потерь изоляции электрооборудования производится при частоте 50 Гц при измерениях на более высокой частоте тангенс угла диэлектрических потерь этой изоляции будет ниже, чем при 50 Гц. Для измерений tg δ изоляции вводов и обмоток трансформаторов применяются специальные приборы — высоковольтные мосты, в которых производится сравнение тока, текущего через изоляцию, с током в искусственной цепи, составленной из конденсаторов и сопротивлений.
Наиболее распространенным является переносный мост типа МД-16 производства завода «Энергоприбор». Измерения обычно производятся при напряжении 10 кВ (мост при этом питается от повышающего трансформатора).
Величина tg δ сильно увеличивается с ростом температуры изоляции, что следует иметь в виду при сравнении результатов измерений, сделанных при разных температурах.