Измерение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь твердых диэлектриков
Цель работы: Закрепить понятие о диэлектрической проницаемости и тангенсе угла диэлектрических потерь, проверить опытным путем значение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ряда электротехнических изделий.
Теоретические предпосылки:Диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь – важнейшие характеристики электроизоляционных материалов. Диэлектрической проницаемостью (илиотносительной диэлектрической проницаемостью)ε называется отношение абсолютной диэлектрической проницаемости вещества εа к электрической постоянной εо.
Значение относительной диэлектрической проницаемости электроизоляционных материалов можно вычислить, сравнив емкости двух конденсаторов, одинаковых по форме и геометрическим размерам:
,
где Сх – емкость конденсатора с испытываемым диэлектриком;
Со – емкость конденсатора при тех же геометрических размерах, но в случае, когда испытываемый диэлектрик заменен вакуумом.
Значение ε исследуемого диэлектрика можно определить, измеряя дважды емкость разборного конденсатора: когда между обкладками данный диэлектрик (Сх) и когда между ними воздух (Со). Замена вакуума воздухом дает малую погрешность ( сотые доли процента).
Нагрев диэлектрика в электрическом поле происходит из-за того, что часто энергия электрического поля рассеивается и преобразуется в теплоту. Рассеиваемая за единицу времени энергия называется диэлектрическими потерями.
В большинстве случаев нагрев диэлектриков нежелателен, он ухудшает их эксплуатационные свойства, ускоряет процесс старения, уменьшается надежность электротехнических устройств и повышается утечка в цепях.
Однако диэлектрические потери используются при методе термообработки некоторых изделий из пластмасс.
Диэлектрические потери вызываются в основном электропроводностью, к ним добавляется потери на поляризацию, а также в сильных полях потери на ионизацию.
Диэлектрические потери не удобно выражать в абсолютном виде, так как они зависят от объема электроизоляционного материала, напряжения, частоты установки. Поэтому для оценки свойств электроизоляционных материалов используются относительные показатели, в частности тангенс угла диэлектрических потерь – tgδ.
Тангенс угла диэлектрических потерь – tgδ определяется как тангенс угла δ , являющегося дополнительным углом по отношению к углу сдвига фаз между током I и напряжением U (δ = 900- φ), и представлен на рисунке 6.1.
Взаимосвязь между tgδ и диэлектрическими потерями Ра выражается формулой.
,
где U – напряжение сети, В;
С – емкость конденсатора , Ф;
ω = 2 πf- угловая частота.
Коэффициент диэлектрических потерь определяется как произведение относительной диэлектрической проницаемости εr и tgδ; εr”= εr×tgδ.
Диэлектрические потери при заданном напряжении или напряженности электрического поля, частоте, относительной диэлектрической проницаемости или емкости (Сºεr) будут зависеть от значения tgd .
Векторная диаграмма токов в диэлектрике, находящихся под переменном напряжением.
Iа абс. Iпр.
Iр. абс
I
δ
φ
Iсм. U
Рисунок 6.1.
I - ток в диэлектрике, Iсм – ток, сопутствующий электронной поляризации, Iа абс., Iр абс. – соответственно активная и реактивная составляющая тока других видов поляризации, Iпр-ток сквозной проводимости через диэлектрик.
К тому же εr и tgδ зависят, в свою очередь, от температуры и частоты, а в некоторых случаях и от напряжения.
Для неполярных диэлектриков tgd экспоненциально увеличивается с ростом температуры (рис 6.2.), такой же характер и имеет зависимость диэлектрических потерь, так как εr практически независит у неполярных диэлектриков от температуры.
В случае полярных диэлектриков к потерям на электропроводность (кривая 1), которые больше, чем у не полярных диэлектриков, добавляются потери на поляризацию (кривая 2) которые увеличивают общее значение tg d. В итоге зависимость tg d от температуры изображается кривой 3. Диэлектрические потери обычно возрастают с температурой, несмотря на то, что tg d в определенной области может уменьшаться, так как в той области, где tg d уменьшается, резко увеличивается εr к тому же часто потери на электропроводность выше, чем потери на поляризацию.
Зависимость tg d неполярного
диэлектрика от температуры.
tgδ
Т
Рисунок 6.2.
Зависимость tg d от Т
для полярного диэлектрика.
tgδ
3
1
 |
Т
Рисунок 6.3.
1- потери на электропроводность, 2 – потери на поляризацию, 3 – суммарная зависимость.
Зависимость tg d от частоты f для неполярных диэлектриков представлена на рисунке 6.4.
Зависимость tg d от частоты f
для неполярного диэлектрика
tgδ
 |
f
Рисунок 6.4.
В неполярных диэлектриках существуют только потери на электропроводность, которые не зависят от f. Поэтому произведение w×tgd должно иметь постоянное значение. Поэтому tgd с ростом частоты уменьшается по гиперболе.
У полярных диэлектриков, к потерям на электропроводность ( кривая 1) прибавляются потери на поляризацию (кривая 2), поэтому изменение tgd имеет вид кривой 3.
Зависимость tgd от f
для полярных диэлектриков.
tgd
3
 |
1
f
Рисунок 6.5.
1 – потери на электропроводность, 2 – потери на поляризацию, 3 – суммарные потери.
Зависимость диэлектрических потерь от f представлена на рис.6.6.
Зависимость диэлектрических потерь от f
Р
 |
f
Рисунок 6.6.
Сначала потери создаются только электропроводностью, не зависящей от f, при дальнейшем увеличении частоты они резко увеличиваются так как резко увеличивается tgd, увеличение которого не может скомпенсировать уменьшение εr. Начиная с определенной частоты, при которой tgd имеет max потери почти постоянны , так как уменьшение tgd компенсируется увеличением f.
Зависимость tgd от напряженности электрического поля Е изображена на рисунке 6.7.
Зависимость tgd от напряженности
электрического поля Е
tgd
 | |||
 | |||
Обл. слабых полей Обл. сильных полей
Е
Рисунок 6.7.
Диэлектриков без потерь не существует. Существуют только диэлектрики с очень малыми потерями, особенно в области низких температур, самые низкие потери имеют неполярные газы, но только в области слабых электрических полей.