Mất điện môi là gì và nguyên nhân gây ra nó

Tổn thất điện môi là năng lượng bị tiêu hao trong một đơn vị thời gian trong một chất điện môi khi đặt một điện trường lên nó và làm cho chất điện môi nóng lên. Ở điện áp không đổi, tổn thất năng lượng chỉ được xác định bởi cường độ dòng điện chạy qua do thể tích và dẫn điện bề mặt. Ở điện áp xoay chiều, những tổn thất này được thêm vào tổn thất do các loại phân cực khác nhau, cũng như sự có mặt của tạp chất bán dẫn, oxit sắt, carbon, tạp chất khí, v.v.

Xem xét chất điện môi đơn giản nhất, chúng ta có thể viết biểu thức cho công suất tiêu tán trong nó dưới tác động của điện áp xoay chiều:

Pa = U·I,

trong đó U là hiệu điện thế đặt vào chất điện môi, Aza là thành phần hoạt động của dòng điện chạy qua chất điện môi.

Mạch tương đương điện môi thường được trình bày dưới dạng một tụ điện và một điện trở hoạt động mắc nối tiếp. Từ sơ đồ vectơ (xem Hình 1):

Aza = Mạch tích hợp·tgδ,

trong đó δ — góc giữa vectơ của dòng điện tổng I và thành phần điện dung của nó Mạch tích hợp.

Vì thế

Pa = U·Mạch tích hợp·tgδ,

nhưng hiện tại

Mạch tích hợp = UΩ C,

ở đâu là điện dung của một tụ điện (điện môi đã cho) ở tần số góc ω.

Kết quả là năng lượng tiêu hao trong chất điện môi là

Pa = U2Ω C·tgδ,

I E. tổn thất năng lượng tiêu tán trong chất điện môi tỷ lệ với tiếp tuyến của góc δ được gọi là góc tổn thất điện môi hoặc đơn giản là góc mất mát. Góc δ k này đặc trưng cho chất lượng của chất điện môi. Tổn hao điện góc δ càng nhỏ thì tính chất điện môi của vật liệu cách điện càng cao.

Cơm. 1. Giản đồ véc tơ dòng điện trong điện môi dưới hiệu điện thế xoay chiều.

Giới thiệu khái niệm góc δ Thuận tiện cho thực hành, vì thay vì giá trị tuyệt đối của tổn thất điện môi, giá trị tương đối được tính đến, giúp so sánh các sản phẩm cách điện với chất điện môi có chất lượng khác nhau.

Tổn thất điện môi trong khí

Tổn thất điện môi trong khí là nhỏ. khí có độ dẫn điện rất thấp… Sự định hướng của các phân tử khí lưỡng cực trong quá trình phân cực của chúng không kèm theo tổn thất điện môi. Phép cộng tgδ=e(U) được gọi là đường cong ion hóa (Hình 2).

Cơm. 2. Thay đổi tgδ như một hàm của điện áp đối với cách điện có lẫn không khí

Tăng tgδ với điện áp tăng có thể đánh giá sự có mặt của các tạp chất khí trong cách điện rắn. Với sự ion hóa và tổn thất đáng kể trong khí, có thể xảy ra hiện tượng nóng lên và đánh thủng lớp cách điện.Do đó, cách điện của cuộn dây của máy điện cao áp để loại bỏ tạp chất khí trong quá trình sản xuất phải được xử lý đặc biệt - sấy khô trong chân không, lấp đầy các lỗ của lớp cách điện bằng hợp chất được nung nóng dưới áp suất và cán để ép.

Sự ion hóa các tạp chất không khí đi kèm với sự hình thành ozon và oxit nitơ, có tác dụng phá hủy lớp cách nhiệt hữu cơ. Sự ion hóa không khí trong các trường không đồng đều, chẳng hạn như trong đường dây điện, đi kèm với hiệu ứng ánh sáng khả kiến ​​(corona) và tổn thất đáng kể, làm giảm hiệu suất truyền tải.

Tổn thất điện môi trong điện môi lỏng

Tổn thất điện môi trong chất lỏng phụ thuộc vào thành phần của chúng. Trong chất lỏng trung tính (không phân cực) không có tạp chất, độ dẫn điện rất thấp, do đó tổn thất điện môi trong chúng cũng nhỏ. Ví dụ, dầu ngưng tụ tinh chế có tgδ

Trong công nghệ, chất lỏng phân cực (Sovol, dầu thầu dầu,…) hay hỗn hợp chất lỏng trung tính và lưỡng cực (dầu biến áp, hợp chất, v.v.), trong đó tổn thất điện môi cao hơn đáng kể so với tổn thất của chất lỏng trung tính. Ví dụ: tgδ của dầu thầu dầu ở tần số 106 Hz và nhiệt độ 20°C (293 K) là 0,01.

Tổn thất điện môi của chất lỏng phân cực phụ thuộc vào độ nhớt. Những tổn thất này được gọi là tổn thất lưỡng cực vì chúng là do sự phân cực lưỡng cực.

Ở độ nhớt thấp, các phân tử được định hướng dưới tác động của trường không ma sát, tổn thất lưỡng cực trong trường hợp này là nhỏ và tổng tổn thất điện môi chỉ do tính dẫn điện. Tổn thất lưỡng cực tăng khi độ nhớt tăng.Ở một độ nhớt nhất định, tổn thất là tối đa.

Điều này được giải thích là do ở độ nhớt đủ cao, các phân tử không có thời gian để tuân theo sự thay đổi của trường và sự phân cực lưỡng cực thực tế biến mất. Trong trường hợp này, tổn thất điện môi nhỏ. Khi tần số tăng lên, tổn thất tối đa sẽ chuyển sang vùng nhiệt độ cao hơn.

Sự phụ thuộc nhiệt độ của tổn thất rất phức tạp: tgδ tăng khi nhiệt độ tăng, đạt cực đại, sau đó giảm xuống cực tiểu, rồi lại tăng, điều này được giải thích là do độ dẫn điện tăng. Tổn thất lưỡng cực tăng theo tần số tăng cho đến khi sự phân cực có thời gian để tuân theo sự thay đổi của trường, sau đó các phân tử lưỡng cực không còn thời gian để định hướng hoàn toàn theo hướng của trường và tổn thất trở nên không đổi.

Trong chất lỏng có độ nhớt thấp, tổn thất dẫn truyền chiếm ưu thế ở tần số thấp và tổn thất lưỡng cực không đáng kể; ngược lại, ở tần số vô tuyến, tổn thất lưỡng cực cao. Do đó, điện môi lưỡng cực không được sử dụng trong trường tần số cao.

Tổn thất điện môi trong điện môi rắn

Tổn hao điện môi trong điện môi rắn phụ thuộc vào cấu trúc (tinh thể hay vô định hình), thành phần (hữu cơ hay vô cơ) và bản chất của sự phân cực. Trong các chất điện môi trung tính rắn như lưu huỳnh, parafin, polystyrene, chỉ có sự phân cực điện tử, không có tổn thất điện môi. Tổn thất chỉ có thể là do tạp chất. Do đó, những vật liệu như vậy được sử dụng làm chất điện môi tần số cao.

Các vật liệu vô cơ, chẳng hạn như các đơn tinh thể muối mỏ, sylvit, thạch anh và mica nguyên chất, sở hữu sự phân cực ion và điện tử, có tổn thất điện môi thấp chỉ do tính dẫn điện. Tổn thất điện môi trong các tinh thể này không phụ thuộc vào tần số và tgδ giảm khi tần số tăng. Khi nhiệt độ tăng, tổn thất và tgft thay đổi giống như độ dẫn điện, tăng theo quy luật hàm số mũ.

Trong các loại kính có thành phần khác nhau, chẳng hạn như gốm sứ có hàm lượng pha thủy tinh cao, người ta quan sát thấy tổn thất do tính dẫn điện. Những tổn thất này là do sự chuyển động của các ion liên kết yếu; chúng thường xảy ra ở nhiệt độ trên 50 — 100°C (323 — 373 K). Những tổn thất này tăng đáng kể theo nhiệt độ theo quy luật của hàm số mũ và ít phụ thuộc vào tần số (tgδ giảm khi tần số tăng).

Trong các chất điện môi đa tinh thể vô cơ (đá cẩm thạch, gốm sứ, v.v.), tổn thất điện môi bổ sung xảy ra do sự có mặt của các tạp chất bán dẫn: độ ẩm, oxit sắt, carbon, khí, v.v. cùng một loại vật liệu, bởi vì các tính chất của vật liệu thay đổi dưới tác động của các điều kiện môi trường.

Tổn hao điện môi trong các chất điện môi phân cực hữu cơ (gỗ, ete cellulose, dung dịch tự nhiên, nhựa tổng hợp) là do sự phân cực cấu trúc do các hạt đóng gói lỏng lẻo. Những tổn thất này phụ thuộc vào nhiệt độ có cực đại ở một nhiệt độ nhất định cũng như tần số tăng cùng với sự tăng trưởng của nó. Do đó, các chất điện môi này không được sử dụng trong các trường tần số cao.

Đặc trưng, ​​sự phụ thuộc tgδ vào nhiệt độ đối với giấy được tẩm hợp chất có hai cực đại: cực đại thứ nhất quan sát được ở nhiệt độ âm và đặc trưng cho sự mất sợi, cực đại thứ hai ở nhiệt độ cao là do mất lưỡng cực của hợp chất. Khi nhiệt độ tăng trong chất điện môi phân cực, tổn thất liên quan đến độ dẫn điện tăng lên.