Тангенс угла диэлектрических потерь — таблицы электронного справочника по химии, содержащие Тангенс угла диэлектрических потерь

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.

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 .

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.

Установки для измерения тангенса угла диэлектрических потерь жидких диэлектриков автоматизированные ТАНГЕНС-3М

Установки для измерения тангенса угла диэлектрических потерь жидких диэлектриков автоматизированные ТАНГЕНС-3М (далее по тексту — установки) предназначены для измерений тангенса угла диэлектрических потерь tg5 жидких диэлектриков на промышленной частоте (50±0,5) Гц по ГОСТ 6581-75 «Материалы электроизоляционные жидкие. Методы электрических испытаний».

Описание

Принцип действия установок основан на аналого-цифровом преобразовании входных сигналов, обработке и передаче данных через интерфейсы под управлением встроенного микроконтроллера.

Установки измеряют тангенс угла диэлектрических потерь tg5; напряжение переменного тока U, приложенное к измерительной ячейке; температуру жидкого диэлектрика; индицируют диэлектрическую проницаемость пробы жидкого диэлектрика 8, электрическую емкость пробы жидкого диэлектрика С.

Установки могут работать с шестью разными ячейками, параметры которых сохраняются в энергонезависимой памяти и доступны для просмотра из меню.

Установки сохраняют в энергонезависимой памяти до 2000 последних измерений. Все действия по управлению процессом измерения осуществляются с помощью 16-ти кнопочной клавиатуры и 4-х строчного индикатора, расположенных на верхней панели установки.

Установки состоят из модуля управления с клавиатурой и жидкокристаллическим индикатором, модуля измерительного, модуля нагревателя (термостата) с модулем управления и регулирования мощности, модуля формирования высокого напряжения 2 кВ (состоит из микроконтроллера измерения напряжения сети 50 Гц, трансформатора 220/2000 и коммутатора, с помощью которого подается стабилизированное высокое напряжение 2 кВ), сетевого модуля, эталонного конденсатора и 3-х ячеек измерительных ЯПИ-3.

Установки оборудованы блокировкой, исключающей возможность подачи высокого напряжения при сдвинутой панели. Модуль высокого напряжения имеет схему защиты от пробоев.

Программное обеспечение

Характеристики прикладного программного обеспечения (ПО) установки приведены в таблице 1.

ПО установки устанавливается на персональный компьютер и предназначено для сбора информации с измерительных блоков, её обработки, хранения и представления пользователю в удобном виде.

Встроенное ПО (микропрограмма) реализовано аппаратно и является метрологически значимым.

Таблица 1 — Характеристики программного обеспечения

Уровень защиты ПО от непреднамеренных и преднамеренных изменений — «низкий» в соответствии с рекомендациями Р 50.2.077-2014.

Технические характеристики

Диапазоны измеряемых величин, технические характеристики, а также пределы допускаемых погрешностей измерений приведены в таблице 2.

Метрологические характеристики нормированы с учетом влияния программного обеспечения.

Знак утверждения типа

наносится на титульный лист паспорта типографским способом и на табличку маркировочную установки методом фрезерной гравировки.

Комплектность

Комплектность установок при поставке приведена в таблице 3.

Тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторного масла

Тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ) является показателем качества масла, чувствительным к присутствию в масле различных загрязнений (коллоидных образований, растворимых металлоорганических соединений и различных продуктов старения масла и твердой изоляции). Определение tgδ позволяет выявить незначительные изменения свойства масла даже при очень малой степени загрязнения, которые не определяются химическими методами контроля. Характер температурной зависимости tgδ позволяет определить тип загрязнения.

Диэлектрические потери в трансформаторном масле

Диэлектрические потери для свежих масел характеризуют качество и степень очистки масел на заводе, а в эксплуатации – степень загрязнения и старения масла.

Повышение диэлектрических потерь в изоляционных маслах имеет место за счет асфальто-смолистых веществ, которые образуют в масле коллоидный раствор, а также из-за наличия мыл.

Присутствие воды в масле повышает диэлектрические потери и придает U-образную форму зависимости tgδ от температуры.

Однако на тангенс угла диэлектрических потерь практически не влияет влага, находящаяся в состоянии истинного раствора.

Существует порог концентрации воды в данном масле для заданных температур и относительной влажности воздуха, выше которого tgδ сильно возрастает.

Кислоты при комнатной температуре не повышают диэлектрических потерь масла. При повышении температуры масла потери возрастают и тем более, чем больше кислотное число масла.

Повышение диэлектрических потерь трансформаторного масла может привести к ухудшению всех изоляционных характеристик трансформатора, на основании чего может быть принято ошибочное решение о необходимости сушки трансформатора вместо принятия мер к восстановления масла. Поэтому при получении изоляционных характеристик, не удовлетворяющих нормам, проверяют диэлектрические потери масла.

Диэлектрические потери в твердой изоляции

В реальном трансформаторе имеется не только жидкая, но и твердая изоляция, пропитанная маслом.

Поэтому повышение диэлектрических потерь в маслах в процессе эксплуатации, не связанное с их качеством, может быть обусловлено растворением в них лаков трансформатора, сопровождающимся, как правило, повышением кислотного числа.

В свежих маслах в коллоидном состоянии могут находиться смолы и мыла. В процессе эксплуатации коллоидными веществами, накапливающимися в масле, могут быть:

1. компоненты лака обмоток и старого шлама масел;
2. мыла, образующиеся в результате взаимодействия кислых продуктов старения масел с метлами трансформатора;
3. кислые шламоподобные продукты, не содержащие в своем составе металла, например: кислоты, в том числе асфальтеновые, плохо растворимые в масле, смолы, асфальтены, карбены и другие продукты окисления;

При недостаточно совершенной конструкции трансформаторов имеются места с повышенной напряженностью электрического поля, в которых затруднена циркуляция масла. Именно в этих местах за счет высокой проводимости масла повышается температура. В результате этого усилено идут процессы старения.

Образующиеся при этом продукты в свою очередь повышают tgδ масла и твердой изоляции. Эти взаимосвязанные и ускоряющие друг друга процессы, ведущие к локальному перегреву и старению жидкой и твердой изоляции, в конечном счете могут привести к пробою.

Это опасение является весьма серьезным и подкрепляется рядом случаев пробоя трансформаторов, эксплуатировавшихся на маслах с повышенным tgδ.

Тангенс угла диэлектрических потерь: как определить

На практике диэлектрические потери трансформаторного масла определяются по мостовой схеме. Для этой цели используют мосты переменного тока, образцовый конденсатор, высоковольтный трансформатор, сосуд типа СИМ-2.

Обязательным условием при определении угла диэлектрических потерь является величина напряженности электрического поля между электродами. Она по требования ГОСТ должна быть равной 1 кВ/мм.

Повышение диэлектрических потерь в маслах, не связанное с их качеством, может быть обусловлено растворением компонентов плохо запеченных лаков трансформаторов, сопровождающимся, как правило, повышением кислотного числа. Во время эксплуатации тангенс угла диэлектрических потерь может увеличиваться из-за влияния мыла, образующегося в результате взаимодействия кислых продуктов старения масел с металлами трансформатора.

С практической точки зрения важно не только знать абсолютную величину tgδ в свежем масле, сколько суметь предвидеть изменение ее в процессе эксплуатации.

Диэлектрические материалы. Тангенс угла диэлектрических потерь

         Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации важна холодостойкость, т.е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например от -60 до -70° С.

При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции.

Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

         Теплопроводимость.

Практическое значение теплопроводимости объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляции проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводимость влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к тепловым импульсам. Теплопроводность материалов характеризуют теплопроводностью gт, входящей в уравнение Фурье

где, ∆Pt  — мощность теплового потока сквозь площадку  ∆S, нормальную к потоку , dT/dl — градиент температуры.

   Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1:

  Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот. 

Химические свойства диэлектриков.

      Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии.

      При длительной работе диэлектрики не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающимися с ними металлов; не реагировать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т.п.). Стойкость к действию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна.

         Материалы  в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими : склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т.д.

по концентрации насыщенного раствора). Легче всего растворяются вещества близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов: дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные в нейтральных.

Так, неполярные или слабополярные углеводороды (парафин, каучук) легко растворяются в жидких углеводородах, например, в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и другие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях.

Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой — весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

     Пробой – потеря электрической прочности под действием напряжённости электрического поля – может иметь место как в образцах различных диэлектриков и систем изоляции, так и в электроизоляционных системах любого электротехнического устройства – от мощных генераторов и высоковольтных трансформаторов до любого бытового прибора. Сочетание в системах изоляции материалов, разных по электрической прочности, может приводить к серьёзным осложнениям в эксплуатации самых разнообразных электротехнических устройств, особенно высокого напряжения, где изоляция работает в сильных электрических полях и может возникнуть её пробой.

     Причины пробоя бывают различными; не существует по этому единой универсальной теории пробоя. В любой изоляции пробой приводит к образованию в ней канала повышенной проводимости, достаточно высокой, чтобы произошло короткое замыкание в данном электротехническом устройстве, создающее аварийную ситуацию, по существу выводящую это устройство из строя.

Однако в этом отношении пробой может проявлять себя в разных системах изоляции по – разному. В твёрдой изоляции, как правило, канал пробоя сохраняет высокую проводимость после выключения, приведшего к пробою напряжения, явление протекает необратимо.

В жидких и газообразных диэлектриках вследствие высокой подвижности их частиц электрическое сопротивление канала пробоя восстанавливается вызвавшего его напряжения практически мгновенно.

Определение диэлектрических потерь. Потери в постоянном и переменном электрическом полях

     Диэлектрические потери, часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло.

При изменении значения и направления напряжённости Е электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление; за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает.

Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации).

В результате максимум поляризации не совпадает во времени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз между напряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фаз между напряжённостью электрического поля Е и электрической индукцией D, который и обусловливает потери энергии We.

Если время релаксации t во много раз больше, чем период Т изменения приложенного поля, то поляризация почти не успевает развиться и Д. п. очень малы. При малых частотах, когда время релаксации t значительно меньше периода Т, поляризация следует за полем и Д. п. также малы, т.к. мало число переориентаций в единицу времени. Д. п. имеют максимальное значение, когда выполняется равенство w = 1/t, где w — круговая частота электрического поля: w = 2p/T.

     Описанный механизм релаксационных диэлектрических потерь имеет место в твёрдых и жидких диэлектриках, содержащих полярные молекулы или слабо связанные ионы.

Величина релаксационных диэлектрических потерь в жидкости зависит от её вязкости, от температуры и от частоты приложенного поля. Для невязких жидкостей (вода, спирт) эти потери проявляются в сантиметровом диапазоне длин волн.

В полимерах, содержащих полярные группы, возможна ориентация как отдельных полярных радикалов, так и более или менее длинных цепочек молекул.

     В диэлектриках с ионной и электронной поляризацией вещество можно рассматривать как совокупность осцилляторов, которые в переменном электрическом поле испытывают вынужденные колебания, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 1).

Однако если частота электрического поля гораздо больше или меньше собственной частоты осцилляторов, то рассеяние энергии и, следовательно, Д. п. незначительны. При частотах, сравнимых с собственной частотой осцилляторов, рассеяние энергии и Д. п.

We велики и имеют максимум при равенстве этих частот w = w0 (рис. 2). При электронной поляризации максимум потерь соответствует оптическому диапазону частот.

В диэлектриках, построенных из ионов (например, щёлочно-галоидные кристаллы), поляризация обусловлена упругим смещением ионов и максимум потерь имеет место в инфракрасном диапазоне частот (1012—1013 гц).

     Величина Д. п. в диэлектрике, находящемся между обкладками конденсатора, определяется соотношением:

We = U2wC tg d,

где U — напряжение на обкладках конденсатора, С — ёмкость конденсатора, tg d — тангенс угла диэлектрических потерь. Д. п. в 1 см3 диэлектрика в однородном поле Е равны:

We = E2we tg d,

где e — диэлектрическая проницаемость.

     Произведение e tg d называется коэффициентом Д. п. Уменьшение величины Д. п. имеет большое значение в производстве конденсаторов и электроизоляционной технике. Большие диэлектрические потери используются для диэлектрического нагрева в электрическом поле высокой частоты.

Тангенс угла диэлектрических потерь, схемы замещения диэлектрика

     В диэлектрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т. е. диэлектриком без потерь, вектор тока Ic опережает вектор напряжения на 90°.

В реальных диэлектриках угол между током, протекающим через емкость, и напряжением меньше 90° за счет потерь, которые вызывают протекание активного тока IА, совпадающего по фазе с напряжением.

Векторные диаграммы и схемы замещения для идеального диэлектрика и диэлектрика с потерями показаны на рисунке.

     Чисто формально в простейшем случае схема замещения может быть выбрана из параллельно или последовательно соединенных емкости и активного сопротивления.

Угол δ, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90° , называется углом диэлектрических потерь.

Из векторной диаграммы тангенс этого угла равен отношению активного и реактивного токов tgδ = IА/IС или отношения активной мощности РА к реактивной РС

tgδ = РА/РС.

     У материалов, применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, tgδ лежит в пределах 10-3 — 10-4; для низкочастотных диэлектрических материалов — полярных диэлектриков значения tgδ обычно 10-1 — 10-2, для слабополярных — до 10-3. Для хорошо осушенных газов, не содержащих влаги, значения могут достигать 10-5 — 10-8.

Коэффициент диэлектрических потерь

     Для упрощения расчетов часто пользуются комплексными величинами. Комплексная диэлектрическая проницаемость записывается в виде

ε * = ε ' – i ε «,

где действительная часть ' имеет физический смысл относительной диэлектрической проницаемости , а ε» характеризует потери

ε » = ε ' tgб,

и называется коэффициентом диэлектрических потерь.

Потери на электропроводность

     Протекание сквозного тока через диэлектрик, как в постоянном, так и в переменном электрическом поле приводит к диэлектрическим потерям на электропроводность. Потери сквозной электропроводности будут единственным видом потерь в однородном неполярном диэлектрике, для которого можно использовать простейшую параллельную схему замещения. Для такой схемы замещения по определению

tgδ=Ia/Ic=U/R

1/UwC=1/RwC,

т.е. tgδ будет обратно пропорционален частоте. Потери на электропроводность будут наблюдаться также и в полярных диэлектриках. Так как tgδ диэлектриков пропорционален активной проводимости tgδ = γa/ γc, то ясно, что tgδ будет следовать за изменением γa, которая увеличивается экспоненциально с увеличением температуры.

     Для ионных кристаллов можно получить другое выражение для tgδ:

tgδ=(1.8∙1010∙γo/ f) e∙Wa/kT .

Видим, что в последнем выражении предъэкспоненциальный множитель tgδ зависит обратно пропорционально от частоты поля и диэлектрической проницаемости материала.

     Значения tgδ неполярных полимеров (полиэтилена, политетрафторэтилена) ничтожно малы и лежат в диапазоне (2-5) 10-4. На высоких частотах tgδ, обусловленный сквозным током, менее 10-4.

Следует иметь в виду, что tgδ конденсатора с неполярным диэлектриком с ростом частоты уменьшается не беспредельно, а начиная с некоторой частоты начинает линейно возрастать в соответствии с выражением, полученным из последовательной схемы замещения

tgδм= r∙ω∙Cs,

где r, Cs — сопротивление обкладок и емкость последовательной схемы замещения конденсатора Рост составляющей tgδм обусловлен увеличением с ростом частоты потерь в металлических (проводящих) частях.

Следовательно, на общей зависимости tgδ конденсатора с диэлектриком от частоты при некотором значении частоты должен иметь место минимум.