Что такое диэлектрические потери и из-за чего они возникают

Диэлектрические утери твёрдых веществ

У твёрдых веществ есть особый ряд характеристик. Например, они различаются по составу, структуре и поляризации, благодаря которым и возникают диэлектрические потери. Для диэлектриков, обладающих надёжностью и хорошим качествам, используют:

1. Серу.
2. Парафин.
3. Полистирол.

Существуют и диэлектрики со сквозной проводимостью электричества. К ним относят:

1. Кварц.
2.  Соль.
3.  Слюду.

Керамические и мраморные диэлектрики, будучи кристаллическими, являются характерными примерами данных значений. В них есть примесь полупроводников.

Они имеют отличительные свойства: потери диэлектрики будут зависеть от условий окружающей среды. Значения величины могут измениться от влияния окружающих факторов.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектриков различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

• ионизационные потери, наблюдаемые в газах;
• релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках, в результате релаксационной поляризации;
• рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
• поляризационное рассеивание в веществах, имеющих сквозную электропроводность;
• высокочастотные резонансные потери;
• диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектриков.

Диэлектрические вещества по-разному ведут себя при различных температурах, при постоянном или переменном токе. Максимумы потерь происходят при достижении определённого порога температуры. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ зависит также от приложенного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла от напряжения

Потеря электроэнергии – серьезная проблема

Потери электроэнергии происходят во всех электрических сетях и являются серьезной проблемой для многих стран. Как утверждают международные эксперты, если показатели потерь во время ее передачи и распределения составляют не более 4-5 %, то состояние сетей можно считать удовлетворительным. Показатель в количестве 10-ти % считается предельно допустимым. При общих огромных объемах поставок электроэнергии, процент в физическом выражении составляет очень серьезную цифру.

Такое положение дел вызвано тем, что в ряде стран снизился уровень инвестирования в области совершенствования электро сетей, мероприятия, направленные на снижение потерь не дают должного эффекта. В результате, в системах электроснабжения, накопилось большое количество оборудования и средств учета, которые морально и физически давно устарели. Многое установленное оборудование не соответствует передаваемой по нему мощности.

Диэлектрические потери – это …

Диэлектрические потери – это часть энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике.

Диэлектрические потери – это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Советуем изучить — Электрооборудование шахтной электропечи сопротивления СШОД

Просматривая технические параметры любой марки трансформаторных масел, Вы увидите строчку, в которой будет написано «тангенс угла диэлектрических потерь». Что же это за показатель и так ли он важен? Давайте попробуем разобраться.

Для начала дадим определение диэлектрических потерь. Диэлектрические потери – это энергия, которая рассеивается в материале при воздействии на него электромагнитного поля.

Для того, чтобы численно охарактеризовать способность диэлектрика к такому рассеиванию, и был введен тангенс угла диэлектрических потерь. Обычно его определяют опытным путем.

Предполагается, что диэлектрик является диэлектриком конденсатора, и у него измеряется емкость и угол, дополняющий до 90º угол сдвига фаз между током и напряжением исследуемой цепи. Тангенс такого угла и является тангенсом угла диэлектрических потерь.

Если предположить, что изоляционная система изготовлена из идеального диэлектрика, то в этом случае потери при подаче на нее переменного напряжения будут отсутствовать. Но на практике идеальных материалов не существует, и потери энергии будут иметь место всегда. Вопрос только в их количестве.

Во многих случаях удобно расчет тангенса угла диэлектрических потерь проводить путем вычисления отношения активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности.

Активная мощность, потребляемая изоляционной средой, обычно ничтожно мала в сравнении с реактивной. Поэтому при делении получают значения, не превышающие сотые доли.

Для удобства последующих расчетов было принято исчислять тангенс угла диэлектрических потерь в процентах.

Почему повышается тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторных масел?

Если допустить, что в трансформаторе эксплуатируется масло хорошего начального качества, то можно утверждать, что возрастание диэлектрических потерь обусловлено проникновением в диэлектрик посторонних примесей. Чаще всего это плохо запеченные лаки трансформатора. На тангенс угла диэлектрических потерь оказывают влияние старые шламы, мыла, кислые шламоподобные продукты, не содержащие металла (кислоты, смолы, асфальтены, карбены и т.п.).

Международная электротехническая комиссия рекомендует использовать свежие масла, у которых тангенс угла диэлектрических потерь не превышает 0,5% при температуре 90ºС.

Как снизить тангенс угла диэлектрических потерь?

Тангенс угла диэлектрических потерь является одним из критических параметров. Это связано с тем, что его выход за пределы нормируемых значений требует или замены, или восстановления (регенерации) трансформаторного масла.

С точки зрения финансовых затрат второй вариант видится более перспективным, поскольку позволяет повторно использовать нефтепродукт по прямому назначению.

Объем масла, необходимого для восполнения небольших потерь, имеющих место при регенерации, несопоставим с объемом, который понадобится для полной замены отработанного сырья.

Компания GlobeCore предлагает универсальное оборудование, предназначенное для очистки, дегазации и регенерации трансформаторных масел. Речь идет об установках типа СММ-Р.

К несомненным преимуществам установок СММ-Р принадлежит возможность многократного восстановления свойств сорбента непосредственно во время обработки масла и работа с трансформаторами, пребывающими под напряжением.

Советуем изучить — Виды преобразования электрической энергии

Технологии GlobeCore – это не только существенная экономия денежных и нефтяных ресурсов, но еще и вклад в сокращение количества вредных выбросов! Чем меньше отработанных масел на нашей планете будет несанкционированно сбрасываться в почву и водоемы, тем чище она будет.

Помните, что диэлектрические потери – это не приговор и при грамотном подходе можно контролировать изменение данного параметра.

https://www..com/watch?v=RLFyT84mtjY&t=2s

В жидких

Значения потерь будут зависеть от состава материалов. Жидкость без примесей будет нейтральной, соответственно и потери в ней будут почти равны нулю. Это объясняется низкой электрической проводимостью.

Если в жидкости будут примесь или полярность, её будут использовать в технических цепях, поскольку их потери диэлектрики гораздо более высоки. Такие жидкости имеют отличительные особенности, одной из которых является вязкость вещества.

Иногда такие жидкости называют дипольными из-за установки дипольной поляризации. Чем больше будет вязкость, тем выше станут потери диэлектрики.

В жидких диэлектриках определённой значимостью обладает температура. Если с помощью температуру увеличить, увеличится и тангенс в угле, причём до максимальных значений.

Таким же способом можно опустить его до минимума и вновь повысить. Это зависит от электрической проводимости, которая изменяется под воздействием температур.

Как рассчитать диэлектрические утери

Потери диэлектрические не так-то просто подсчитать. Само вычисление строится по нескольким ступеням. Сначала рассчитывается мощность, которая есть. Мощность рассеется, если напряжение будет переменным.

Для конденсаторов с параллельным и последовательным подключением и активным сопротивлением существует несколько схем.

При помощи полученных параметров и уже известных значений, можно узнать значение активного тока.

Кроме того, необходимо найти значение тангенса угла полных векторов тока до электроёмкости. Такой угол называется диэлектрическим углом потерь. Ic будет диэлектрической ёмкостью.

Важно учитывать, что для получения значений тока нужно умножить значения угловой частоты и электрической ёмкости конденсатора. Все значения и необходимые единицы, нужные для вычислений, являются ключевыми параметрами, влияющими на свойства

Возвращаясь к представленным схемам можно проследить, что чем меньше угол, тем надёжнее он будет

Все значения и необходимые единицы, нужные для вычислений, являются ключевыми параметрами, влияющими на свойства. Возвращаясь к представленным схемам можно проследить, что чем меньше угол, тем надёжнее он будет.

Число потерь в газообразных веществах

Так как у газообразных веществ значение электропроводности очень маленькое, то и число потерь диэлектрических в них мало.

Когда происходит поляризация газообразных молекул, диэлектрических потерь при этом не происходит. В данном случае используется зависимость под названием кривая ионизации. Эта зависимость показывает, что если тангенс δ возрастает вместе с возрастанием напряжения, то это является доказательством того, что в таком случае в изоляции есть включения газа. Если ионизация значительна, то и потери газа тоже, а это может привести к тому, что изоляция разогреется и разрушится.

Поэтому очень важным при изготовлении изоляции является избавление от вкраплений газа. Для того чтобы этого достичь, применяют специальную обработку. Она включает сушку изоляции в состоянии вакуума, после чего все поры заполняет компаунд, находящийся под давлением. Следующим этапом является обкатка. При ионизации возникает озон и окислы азота, что ведет к разрушению органической изоляции. Если эффект ионизации появляется там, где поля неравномерны, то он ведет к существенному снижению коэффициента полезного действия при передаче (это бывает на линии электропередач).

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в материалах диэлектрика характерны ионизационные потери при определённых условиях: когда молекулы газа ионизируются. Например, ионизация газов происходит во время электрических пробоев сквозным током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая токопроводящий канал с максимумом напряженности. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимуму tg угла.

При таких диэлектрических потерях мощность стремительно растёт: Ри = А1 f (U – Uи)3, где А1 – постоянная, зависящая от вида вещества, f — частота поля, а символами U, Uиобозначено приложенное напряжение и напряжение ионизации, зависящее от давления газа.

Если величина напряжения Uи не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагревание диэлектрика является незначительным, потому что, при поляризации, пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность. Поэтому газы – самые лучшие диэлектрики, с низкими потерями, особенно в диапазоне высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеивания мощности в диэлектриках с газовыми включениями, иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях, в основном зависят от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяния обусловлены электропроводностью. При наличии в жидких веществах примесей дипольных молекул (так называемые полярные жидкости), рассеивание мощности может быть значительным. Это связано с повышением электропроводности, в результате дипольно-релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют выраженную зависимость потерь от вязкости. Поворачиваясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи, в результате трения, нагревают её. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика возрастает до тех пор, пока механизмы поляризации успевают за изменениями электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой обладают небольшим tg δ. К ним относятся качественные материалы:

• сера;
• полимеры;
• парафин и некоторые другие.

Потери у диэлектриков с полярной молекулой более значительны. К таким материалам можно отнести:

• органические стёкла;
• эбонит и другие каучуковые вещества;
• полиамиды;
• целлюлозосодержащие материалы;
• фенолоформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную ионно-решётчатую структуру. У них высокое удельное сопротивление. а значение tg δ таких материалов не превышает величины 10-3.

Вещества с неплотным расположением ионов обладают ионной поляризацией. У них наблюдается также электронно-поляризационная поляризация. tg δ этих диэлектриков ещё выше – от 10-2.

Сегнетоэлектрики и вещества со сложными неоднородными структурами, такие как текстолит, пластмассы, гетинакс и другие, имеют tg δ > 0,1.

Рассеивание мощности в результате сквозной электропроводимости происходит во всех диэлектриках. Однако потери становятся ощутимыми лишь при частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºC. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление также влияет на величину рассеивания.

Методика расчета

Составим схему, в которой включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в данной схеме должна соответствовать мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен равняться углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления представлены на рис. 1. На этой же картинке построены векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Эквивалентные схемы диэлектрика

Рис. 2. Формулы для расчета

Значения символов понятны из рисунка 1.

Заметим, что в качественных диэлектриках величина tg2 δ очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул для вычисления диэлектрических потерь приобретёт вид: Pa = U2*ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту ( ω ) в с-1, а ёмкость C в фарадах, то получим мощность ( Pa ) в ваттах.

Очевидно, что параметры вычислений на основании приведённых схем зависят от частоты. Из этого следует, что вычислив параметры диэлектриков на одной частоте, их нельзя автоматически переносить для расчётов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твёрдых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим природу рассеяний в этих диэлектриках.

https://youtube.com/watch?v=SJzct0_DIvY

4.3 Диэлектрические потери

► Понятие
диэлектрических потерь, их количественная оценка и виды

При воздействии
электрического поля на любое вещество в нем наблюдается рассеяние некоторого
количества электрической энергии, превращающейся в тепловую, – так называемые потери.
Значение потерь, как правило, пропорционально квадрату напряженности поля. 

Диэлектрическими
потерями
называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него
электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика.

Если поместить
диэлектрик в переменное синусоидальное электрическое поле с напряженностью Е
и циклической частотой ω, в нем
возникают электрические токи двух видов: ток смещения и ток
проводимости. Плотность тока смещения:

(4.52)

а плотность тока проводимости:

(4.53)

где γ_а – удельная активная проводимость
диэлектрика на циклической частоте ω.

Плотность общего
тока J равна векторной
сумме плотностей токов смещения и проводимости (рисунок 4.23). Если бы
диэлектрик был идеальным, т.е. без потерь (γ_а = 0), ток был бы чисто реактивным, и
его плотность J = J_см была бы
направлена по мнимой оси под углом 90о к вектору Е. Однако у
реальных диэлектриков γ_а всегда отлична
от нуля, поэтому суммарный ток сдвинут на угол
δ = 90о – φ относительно тока идеального
диэлектрика (φ – угол сдвига фаз между током и напряжением). Чем больше γ_а, тем больше
угол δ; фактически он характеризует
степень отличия реального диэлектрика от идеального и называется углом
диэлектрических потерь (угол между векторами плотностей переменного
тока диэлектрика и тока смещения на комплексной плоскости).  

Рисунок 4.23 – Векторная диаграмма
плотностей тока в диэлектрике

Тангенс этого угла tgδ является одной
из важнейших характеристик как самих диэлектриков, так и включающих их
элементов: изоляторов, конденсаторов и т.п.:

(4.54)

Мощность,
рассеиваемая в единице объема вещества, т.е. удельные диэлектрические
потери, также может быть выражена через этот параметр:

(4.55)

где Е – действующее значение
напряженности переменного поля.

Чем больше
значение tgδ, тем больше
нагрев диэлектрика в электрическом поле заданной частоты и напряженности.

Введение
безразмерного параметра tgδ удобно потому, что он не зависит
от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойством
диэлектрического материала. Если к участку изоляции приложено напряжение с
циклической частотой ω и действующим
значением U, то отношение
проходящих в нем тока проводимости и тока смещения можно выразить как:

(4.56)

Полные
диэлектрические потери в участке изоляции емкостью С при приложении
напряжения U (действующее
значение) с циклической частотой ω
можно найти как:

(4.57)

Наряду с
потерями параметр tgδ характеризует добротность
конденсатора (а, следовательно, и максимально возможную добротность контура с
данным конденсатором):

(4.58)

Таким образом, tgδ есть величина,
обратная добротности Q.

Для
характеристики качества диэлектриков иногда используется коэффициент диэлектрических
потерь ε» = tgδ · ε.

Высокие
диэлектрические потери приводят к разогреву и тепловому пробою диэлектриков в
сильных электрических полях, снижению добротности и избирательности
колебательных контуров

Поэтому уменьшение tgδ является очень
важной задачей

Диэлектрические
потери могут быть нескольких видов (рисунок 4.24).

Таким образом,
удельная мощность общих потерь складывается из мощности потерь на
электропроводность (w_скв), мощностей
дипольных релаксационных потерь (w_д), резонансных (w_рез), миграционных
(w_миг) и
ионизационных (w_ион) потерь:

(4.59)

Рисунок 4.24 – Виды диэлектрических
потерь

Характеристика диэлектрических потерь в жидких диэлектриках

Здесь значение потерь напрямую связано с составом. Если жидкость нейтральна и не содержит примесей, то и значение потерь стремится к нулю в связи с низкой электропроводностью.

Для технических целей используются жидrости с полярностью или представляющие собой смесь нейтральной и дипольной (сюда относятся компаунды). У них значение потерь существенно выше.

Потери в полярных жидкостях обусловлены таким свойством, как вязкость и носят название дипольных, так как их определяет дипольная поляризация. При этом при маленькой вязкости потери малы, с ее возрастанием – потери возрастают.

Кроме того, в жидкостях присутствует сложная зависимость диэлектрических потерь от температурного режима. При возрастании температуры тангенс δ возрастает до максимального значения, после чего снова падает до минимального и вновь возрастает, что связано с изменением электропроводности под действием температуры.

← Предыдущая страница Следующая страница →

Потери электроэнергии в СНТ: проблемы и решения

Объем фактических потерь электроэнергии в садовых некоммерческих товариществах (СНТ) может достигать 30% от индивидуального потребления каждого отдельного абонента. Причиной этому служит совокупность трех факторов: низкое качество сетей, недостоверный учет и хищение электроэнергии. Последовательное устранение этих проблем позволит снизить уровень фактических потерь до нормативного уровня — 5% от общего потребления электроэнергии в пределах сетей СНТ.

Постановка проблемы

Технические потери электрической энергии в распределительных сетях 0,4 кВ — неизбежное явление. Согласно закону Джоуля-Ленца Линии сопротивление провода преобразует часть электроэнергии в тепло. Это — нормативные потери, которые включены в тариф. В исправно работающей распределительной сети их уровень не превышает 2-5% от общего объема переданной электроэнергии. Максимально допустимым считаются потери до 10% от общего потребления. При таком показателе срочные меры не предпринимаются.

Проблема возникает в случае, если технические потери резко возрастают по сравнению с нормативным показателем. В распределительных сетях СНТ рост нормативных потерь вызывают следующие факторы:

• заниженное сечение провода;
• физический износ электрооборудования в сети;
• некачественные соединения;
• «перекос» нагрузки по фазам;
• неудовлетворительное состояние цепи по нулевому проводу;
• увеличение протяженности сетей за счет подключения новых
• абонентов;
• ошибки, допущенные при проектировании или прокладке сетей.

Поиск решения

1. Рассчитайте нормативные потери электроэнергии в сетях СНТ.
2. Проверьте состояние электрооборудования сетей: трансформатора, кабелей, соединений.
3. Удостоверьтесь, что сети проложены в соответствии с проектом.

Реализация проекта

1. Проведите реконструкцию сети: замените неисправный трансформатор, протяните новые провода, замените электрические соединения. Не экономьте на качестве кабелей и другого оборудования. Провода должны быть одинакового сечения на всей протяженности сети. Лучше, если это будут самонесущие изолирующие провода (СИП) в двойной изоляции. Такие провода отдают меньше тепла и мешают несанкционированному отбору электроэнергии с линии электропередачи, минуя прибор учета.
2. Оптимизируйте схему распределения электроэнергии.
3. Наладьте достоверный коммерческий учет.
4. После реконструкции сетей подайте в энергоснабжающую организацию заявку на приемку сетей в эксплуатацию. В ходе приемки энергетики заново измерят параметры линии электропередачи, выведут коэффициент нормативных потерь и утвердят его в региональной энергетической комиссии (РЭК).

При правильно и качественно выполненном монтаже распределительной сети 0,4 кВ технические потери в сетях СНТ возвращаются на уровень нормативного показателя.