Ele-prof.ru

Электро отопление
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

ГОСТ 30421-96 Измерители электрической емкости, активного сопротивления и тангенса угла потерь высоковольтные. Общие технические условия

ГОСТ 30421-96
Измерители электрической емкости, активного сопротивления и тангенса угла потерь высоковольтные. Общие технические условия

3 Постановлением Государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии от 20 января 2003 г. N 11-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 30421-96 введен в действие непосредственно в качестве государственного стандарта Российской Федерации с 1 января 2004 г.

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

1 Область применения

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на измерители электрической емкости, активного сопротивления (проводимости), тангенса угла потерь и тангенса угла фазового сдвига высоковольтные (далее — измерители), предназначенные для измерения характеристик объектов, представленных эквивалентной параллельной и (или) последовательной двухэлементной схемой замещения.

Обязательные требования к качеству измерителей, обеспечивающие безопасность для жизни, здоровья и имущества населения, а также охрану окружающей среды, изложены в 6.2-6.4.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте есть ссылки на следующие нормативные документы:

ГОСТ 8.326-89 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрологическая аттестация средств измерений*
______________
* На территории Российской Федерации действуют ПР 50.2.009-94.

ГОСТ 8.401-80 Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования

3 Определения

3.2.1 измеритель электрической емкости, активного сопротивления и тангенса угла потерь высоковольтный: Измеритель, в процессе работы которого к объекту измерений прикладывается напряжение, превышающее 1000 В.

3.2.2 "прямая" схема измерений: Схема измерений, при которой оба вывода объекта измерений не соединены с зажимом измерительной цепи, подлежащим заземлению.

3.2.3 "инверсная" схема измерений: Схема измерений, при которой один из выводов объекта измерений соединен с зажимом измерительной цепи, подлежащим заземлению.

3.2.4 главная величина: характеристика основного свойства объекта измерений, измеряемая, как правило, с точностью большей, чем другой одновременно с ней измеряемый дополнительный параметр.

4 Классификация, основные параметры и размеры

4.1 Измерители подразделяют:

— по виду схемы измерения: на измерители, выполненные по "прямой" и (или) "инверсной" схемам;

— по виду управления процессом измерения: на измерители автоматические, полуавтоматические и ручные;

— по конструктивному исполнению: на измерители со встроенной и (или) внешней высоковольтной мерой, а также встроенным и (или) внешним источником высокого рабочего напряжения.

4.2 Диапазоны измерения измерителей электрической емкости , активного сопротивления , активной проводимости , тангенса угла потерь и тангенса угла фазового сдвига в зависимости от вида схемы измерения, вида управления процессом измерения и значения частоты рабочего напряжения указаны в таблице 1.

Вид схемы, измерения, вид управления процессом измерения

Частота рабочего напряжения, Гц

"Прямая", автоматическое, полуавтоматическое

50; 100*; 120*; 200*; 400*; 500*; 1000*;

"Инверсная", полуавтоматическое, ручное

* При использовании автономного источника высокого рабочего напряжения.

4.3 Классы точности измерителей выбирают из ряда 0,01; 0,02; 0,04; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,5; 1; 2 и 5.

Измерители с двумя и более диапазонами измерений, значениями рабочего напряжения и (или) частоты могут иметь несколько классов точности.

5 Общие технические требования

5.1.1 Измерители следует изготовлять в соответствии с требованиями ГОСТ 22261, настоящего стандарта, технических условий на измерители конкретного типа по рабочим чертежам, утвержденным в установленном порядке.

Автоматические измерители, предназначенные для применения в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), должны соответствовать:

— ГОСТ 23222 — в части комплекса метрологических характеристик;

— ГОСТ 22261 и настоящему стандарту — в части нормирования метрологических характеристик, методов контроля, правил приемки и маркировки;

— ГОСТ 12997 — в части остальных требований.

5.1.2 Рабочее напряжение измерителей, выполненных по "прямой" и (или) "инверсной" схемам, а также измерителей со встроенным и (или) внешними высоковольтными мерами и источниками высокого напряжения должно соответствовать одному или нескольким значениям, указанным в таблице 2.

Вид схемы измерения, конструктивное исполнение

Рабочее напряжение, кВ

"Прямая", внешняя высоковольтная мера

1; 2; 3; 5; 7,5; 10; 20; 25; 30; 35; 50; 75; 100; 200; 250; 500; 750; 1000

"Инверсная", внешняя высоковольтная мера

1; 2; 3; 5; 7,5; 10; 20; 25; 30; 35; 50

"Прямая" и "инверсная", встроенная высоковольтная мера и (или) встроенный источник высокого рабочего напряжения

5.2 Нормальные условия применения

5.2.1 Значения влияющих величин, характеризующих климатические воздействия и электропитание измерителей в нормальных условиях применения, и допускаемые отклонения от них должны соответствовать значениям, указанным в таблице 3.

Допускаемое отклонение от нормального значения при испытаниях

Температура окружающего воздуха, °С, для классов точности:

Относительная влажность окружающего воздуха, %

Атмосферное давление, кПа (мм рт.ст.)

Частота питающей сети, Гц

Напряжение питающей сети, В

Форма кривой переменного напряжения питающей сети

Коэффициент несинусоидальности кривой не превышает 5%

5.3 Рабочие условия применения

5.4 Требования к электропитанию

5.5 Требования к рабочему напряжению

5.5.1 Требования к рабочему напряжению, подводимому к измерителю, должны быть установлены в технических условиях на измерители конкретного типа.

При этом устанавливают значения рабочего напряжения и частоты, их допускаемые отклонения, коэффициент несинусоидальности кривой рабочего напряжения.

5.6 Требования к нормируемым метрологическим характеристикам

5.6.1 Пределы допускаемого значения основной абсолютной погрешности следует устанавливать по формуле (1), пределы допускаемого значения основной относительной погрешности — по формулам (2)-(4):

ГОСТ 30421-96 Измерители электрической емкости, активного сопротивления и тангенса угла потерь высоковольтные. Общие технические условия; (1)

ГОСТ 30421-96 Измерители электрической емкости, активного сопротивления и тангенса угла потерь высоковольтные. Общие технические условия; (2)

ГОСТ 30421-96 Измерители электрической емкости, активного сопротивления и тангенса угла потерь высоковольтные. Общие технические условия; (3)

ГОСТ 30421-96 Измерители электрической емкости, активного сопротивления и тангенса угла потерь высоковольтные. Общие технические условия, (4)

где — пределы допускаемого значения абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины;

— положительное число, выбираемое из ряда 1·10; 2·10; 4·10; 5·10; ( = -2; -3; -4; -5);

— положительное число, выбираемое из ряда 1·10; 2·10; 4·10; 5·10; (= -4; -3; -2);

— значение измеряемой величины; наименьшее значение, начиная с которого применима формула (3), должно быть не более 0,2;

Читайте так же:
Проводка с тремя выключателями

— пределы допускаемого значения относительной основной погрешности, %;

— положительное число, выбираемое из ряда 1·10; 2·10; 4·10; 5·10; ( = -2; -1; 0);

— положительное число, выбираемое из ряда 1·10; 2·10; 4·10; 5·10; ( = -1; -2; -3; -4; -5) с соблюдением условия 0,2 с;

— наибольшее значение величины в диапазоне измерений;

— наименьшее значение величины в диапазоне измерений.

, и должны быть выражены в одинаковых единицах измерения.

Числа , , и должны быть установлены в технических условиях на измерители конкретного типа.

Формула (4) используется для измерителей, у которых результат измерения представлен значением, соответствующим измеряемой величине , а в уравнении равновесия или в уравнении измерительного преобразования используется обратное значение этой величины 1/, а также для измерителей, у которых результат измерения, соответствующий наибольшему значению величины в диапазоне измерений, индицируется с числом значащих разрядов меньшим, чем результат измерения, соответствующий наименьшему значению диапазона измерений.

В обоснованных случаях пределы допускаемого значения относительной основной погрешности устанавливают по более сложным формулам с введением коэффициентов, учитывающих значения измеряемых параметров, частоту, рабочее напряжение и другие влияющие факторы, а также в виде графиков или таблиц.

Для измерителей, предназначенных для системного применения, допускается вместо предела допускаемого значения погрешности нормировать характеристики систематической и случайной соста

тангенс угла потерь

3.18 тангенс угла потерь (loss tangent) tgδ: Отношение мнимой и вещественной частей комплексной относительной диэлектрической проницаемости материала:

где — мнимая часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости;

— вещественная часть комплексной относительной диэлектрической проницаемости;

e — диэлектрическая проницаемость вакуума равна 8,854 · 10 -12 , Ф/м;

ω — угловая частота (ω = 2pf), рад/с;

s — проводимость среды, См/м.

Смотри также родственные термины:

56. Тангенс угла потерь конденсатора

E. Dissipation factor

F. Tangente de l’angle de pertes

Отношение активной мощности конденсатора к его реактивной мощности при синусоидальном напряжении определенной частоты

1.3.23 тангенс угла потерь конденсатора tgd (tangent of loss angle of a capacitor): Отношение эквивалентного последовательного сопротивления к емкостному сопротивлению конденсатора при установленных значениях синусоидального переменного напряжения и частоты.

Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации . academic.ru . 2015 .

Полезное

Смотреть что такое «тангенс угла потерь» в других словарях:

тангенс угла потерь — тангенс угла диэлектрических потерь; тангенс угла потерь см. Угол диэлектрических потерь, угол потерь … Политехнический терминологический толковый словарь

тангенс угла потерь — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN loss factorloss tangentloss angle tangent … Справочник технического переводчика

Тангенс угла потерь — … Википедия

тангенс угла потерь конденсатора — Отношение активной мощности конденсатора к его реактивной мощности при синусоидальном напряжении определенной частоты [ГОСТ 21415 75] тангенс угла потерь конденсатора Отношение мощности потерь конденсатора к его реактивной мощности. [ГОСТ 1282… … Справочник технического переводчика

тангенс угла потерь на вихревые токи — Произведение коэффициента потерь на вихревые токи на заданную частоту синусоидального магнитного поля. Примечание Предполагается, что тангенс угла магнитных потерь менее 0,1. [ГОСТ 19693 74] Тематики материалы магнитные EN tangent of the eddy… … Справочник технического переводчика

тангенс угла потерь на гистерезис — Произведение коэффициента потерь на гистерезис на заданную амплитуду синусоидального магнитного поля. Примечание Предполагается, что тангенс угла магнитных потерь менее 0,1. [ГОСТ 19693 74] Тематики материалы магнитные EN tangent ef the… … Справочник технического переводчика

Тангенс угла потерь конденсатора — 56. Тангенс угла потерь конденсатора D. Verlustfaktor E. Dissipation factor F. Tangente de l angle de pertes Отношение активной мощности конденсатора к его реактивной мощности при синусоидальном напряжении определенной частоты Источник: ГОСТ… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

тангенс угла потерь конденсатора tgd — 1.3.23 тангенс угла потерь конденсатора tgd (tangent of loss angle of a capacitor): Отношение эквивалентного последовательного сопротивления к емкостному сопротивлению конденсатора при установленных значениях синусоидального переменного… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Тангенс угла потерь конденсатора — English: Capacitor tangens angle Отношение мощности потерь конденсатора к его реактивной мощности (по ГОСТ 1282 88 СТ СЭВ 294 84) Источник: Термины и определения в электроэнергетике. Справочник … Строительный словарь

тангенс угла диэлектрических потерь — тангенс угла диэлектрических потерь; тангенс угла потерь см. Угол диэлектрических потерь, угол потерь … Политехнический терминологический толковый словарь

Основные теоретические положения. Тангенс угла диэлектрических потерь (tgd) является показателем качества масла

В силовых трансформаторах тангенс угла рассчитывается как диэлектрик конденсатора. Берется в расчет угол, который дополняет до прямого, основной угол между сдвигами фаз тока и напряжения.

Расположенный внутри этих плоскостей угол и является искомым диэлектрических потерь.

Для измерения принимают, что конденсатор относится к идеальному типу. Он может быть включен последовательным образом, то есть в последовательно включенным сопротивлением активной нагрузки, или по параллельной схеме. Для первой мощность составит Р=(U2ωtgδ)/(1+tg2δ), а для второй — Р=U2ωtgδ. Угол по этим расчетам вычислить несложно, зная емкость конденсатора и показатели сопротивления. Обычно значение его не превышает десятых или сотых долей единицы, определяется в графиках процентами. При этом увеличиваются, если увеличивается напряжение и частота работы. Для снижения коэффициента используются изоляционные материалы.

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.

Читайте так же:
Автоматический выключатель китай модели

Советуем изучить — Универсальные устройства защиты двигателей

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 электрических сетей

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.

Что способствует повышению диэлектрических потерь

Норма диэлектрических потерь прописывается в инструкции к определенному прибору. Есть факторы, вызывающие колебания и отклонения от нормы (обычно это повышение). Различают несколько типов:

  • за чет электропроводности сквозного типа;
  • ионизирующие;
  • резонансные;
  • обусловленные поляризацией.

Если частотный и температурный график зависимости понятен интуитивно, то дело обстоит иначе с другими факторами, приводящими к негативному явлению. Обратите внимание, что нагревание трансформаторного масла приводит к более интенсивному смещению, иногда даже смещаются заряды диэлектрика. При стабильных низких показателях температуры вязкость не меняется, следовательно, нет смещения диполей.

А вот увеличение частоты обуславливает улучшенную проводимость. Показатели тока емкостного могут смещать диполи, при больших показателях уменьшается трение. Рост угла вызывает и проявление влаги в любом виде (это может быть и газообразное состояние). Приводит к повышению показателя ионизация, при этом увеличивается рост напряжения.

Факторы, которые увеличивают тангенс угла диэлектрических потерь

Специалисты выделяют несколько факторов, которые приводят к увеличению тангенса. На первый взгляд они кажутся несущественными, но в итоге обуславливают эффективность работы трансформатора.

Наличие мыла в маслах

Мыло в маслах, которые используются для смазки обмоток трансформатора, приводят к изменению численного показателя. Это объясняется тем, что мыло провоцирует дополнительное увлажнение, приводящие к снижению удельного сопротивления. Нюансы увеличивают проводимость, что влияет на рост тангенса.

Образования кислых продуктов старения

Кислотные продукты старения вызывают порчу вторичной и первичной обмотки. В свою очередь уменьшается проводимость, образуются дополнения на кристаллических решетках. Изменение в худшую сторону физико-технических характеристик диэлектрика приводит у увеличению потерь.

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.

Читайте так же:
Выключатели автоматические трехполюсные максимальное сечение присоединяемых проводников

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 потери — Dielectric loss

Диэлектрические потери количественно определяют естественное рассеивание диэлектрическим материалом электромагнитной энергии (например, тепла). Его можно параметризовать с помощью угла потерь δ или соответствующего тангенса угла потерь tg δ . Оба относятся к фазору в комплексной плоскости , действительная и мнимая части которого являются резистивной (с потерями) составляющей электромагнитного поля и его реактивной (без потерь) составляющей.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 Перспектива электромагнитного поля

Перспектива электромагнитного поля

Для изменяющихся во времени электромагнитных полей электромагнитная энергия обычно рассматривается как волны, распространяющиеся либо через свободное пространство, либо в линии передачи , либо в микрополосковой линии, либо через волновод . Диэлектрики часто используются во всех этих средах для механической поддержки электрических проводников и удержания их на фиксированном расстоянии или для создания барьера между различными давлениями газа, но при этом передача электромагнитной энергии. Уравнения Максвелла решаются для компонентов электрического и магнитного полей распространяющихся волн, которые удовлетворяют граничным условиям геометрии конкретной среды. В таком электромагнитном анализе параметры диэлектрической проницаемости ε , проницаемости μ и проводимости σ представляют свойства среды, в которой распространяются волны. Диэлектрическая проницаемость может иметь действительную и мнимую составляющие (последние не включают σ- эффекты, см. Ниже), такие что

Если мы предположим, что у нас есть волновая функция такая, что

тогда уравнение ротора Максвелла для магнитного поля можно записать как:

где ε ′ ′ — мнимая составляющая диэлектрической проницаемости, связанная с явлениями связанной зарядовой и дипольной релаксации, которая приводит к потере энергии, неотличимой от потерь из- за проводимости свободного заряда, которая количественно выражается с помощью σ . Компонент ε ‘ представляет собой известную диэлектрическую проницаемость без потерь, определяемую как произведение диэлектрической проницаемости в свободном пространстве и относительной реальной / абсолютной диэлектрической проницаемости, или ε’ = ε ε ‘ r .

Касательная потерь

Затем тангенс угла потерь определяется как отношение (или угол в комплексной плоскости) реакции с потерями на электрическое поле E в уравнении локона и на реакцию без потерь:

Для диэлектриков с малыми потерями этот угол составляет ≪ 1 и tg δδ . После некоторых дальнейших вычислений для получения решения для полей электромагнитной волны оказывается, что мощность спадает с расстоянием распространения z как

  • P o — начальная мощность,
  • k знак равно ω μ ε ′ знак равно 2 π λ < Displaystyle к = омега < sqrt < mu varepsilon '>> = < tfrac <2 pi>< lambda>>> ,
  • ω — угловая частота волны, а
  • λ — длина волны в диэлектрическом материале.

Часто есть и другие вклады в потери мощности для электромагнитных волн, которые не включаются в это выражение, например, из-за пристенных токов проводников линии передачи или волновода. Кроме того, аналогичный анализ может быть применен к магнитной проницаемости, где

с последующим определением тангенса угла магнитных потерь

Электрическая тангенс угла потерь может быть определена аналогичным образом :

Перспектива дискретной схемы

Для каждого дискретного компонента электрической цепи конденсатор обычно состоит из диэлектрика, помещенного между проводниками. Элементная модель сосредоточенного конденсатора включает в себя последовательно без потерь идеального конденсатора с резистором называется эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), как показан на рисунке , приведенном ниже. ESR представляет собой потери в конденсаторе. В конденсаторе с малыми потерями ESR очень мало (проводимость низкая, что приводит к высокому удельному сопротивлению), а в конденсаторе с потерями ESR может быть большим. Обратите внимание, что ESR — это не просто сопротивление, которое можно измерить на конденсаторе омметром . ESR — это производная величина, представляющая потери из-за как электронов проводимости диэлектрика, так и явления связанной дипольной релаксации, упомянутого выше. В диэлектрике один из электронов проводимости или дипольная релаксация обычно доминируют над потерями в конкретном диэлектрике и способе изготовления. В случае, когда электроны проводимости являются доминирующими потерями, тогда

где C — емкость без потерь.

При представлении параметров электрической цепи в виде векторов в комплексной плоскости, известной как вектор , тангенс угла потерь конденсатора равен тангенсу угла между вектором импеданса конденсатора и отрицательной реактивной осью, как показано на диаграмме рядом. Тогда тангенс угла потерь равен

Поскольку через ESR и X c протекает один и тот же переменный ток , тангенс угла потерь также является отношением потерь резистивной мощности в ESR к реактивной мощности, колеблющейся в конденсаторе. По этой причине тангенс угла потерь конденсатора иногда указывается как его коэффициент рассеяния или величина, обратная его добротности Q , как показано ниже.

Выключатель тангенс угла потерь

Когда структурные единицы вещества (молекулы) полярны, внешнее электрическое поле совершает работу по повороту диполей по полю, и, как следствие, энергия поля вновь рассеивается в материале.

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

В идеальном диэлектрике сдвиг фаз между напряжением и реактивной составляющей тока равен 90 градусам. В реальном диэлектрике появляется активная составляющая тока.

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´tgd называют коэффициентом диэлектрических потерь и обозначают Kd.
^

23. Влияние температуры на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков

Рис. 35. Зависимость тангенса угла потерь от температуры в 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.
^

Влияние частоты электрического поля на тангенс угла потерь неполярных диэлектриков.

Рис.36. Зависимость тангенса угла потерь от частоты электрического поля в неполярных диэлектриках
С увеличением частоты электрического поля длина пробега ионов за время полупериода колебаний уменьшается, а следовательно, уменьшается запасенная ими кинетическая энергия. Кроме того, снижается вероятность столкновения иона со структурными единицами материала. В силу этих причин при росте частоты электрического поля диэлектрические потери снижаются (рис. 36).
^

Влияние температуры на тангенс угла потерь в полярных

диэлектриках

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

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

Так, в полярных диэлектриках концентрация носителей заряда, как правило, повышена, поскольку из-за полярности молекул основного материала очистка его от примесей затруднена показанную на рис. 38.
^

Влияние частоты электрического поля на тангенс угла диэлектрических потерь для полярных диэлектриков

Рис. 39. Зависимость коэффициента диэлектрических потерь от частоты электрического поля.
Однако на определенных частотах резко возрастает резонансная поляризация, поэтому коэффициент диэлектрических потерь Кd на этих частотах резко возрастает.

Наличие максимумов коэффициента диэлектрических потерь на определенных частотах ограничивает применение полярных диэлектриков в высоко частотных полях.
^

24. Пробой диэлектриков

Электрической прочностью называют напряженность электрического поля, при которой происходит пробой. В однородном поле электрическая прочность определяется как отношение напряжения пробоя к толщине материала. В неоднородных полях под Епр понимают среднюю напряженность электрического поля.

Причины пробоя различных диэлектриков определяются как природой материала, так и конструкцией изоляторов и условиями их работы. Различают три основных вида пробоя: электрический, электротепловой и электрохимический.

а) ^ Электрический пробой развивается практически мгновенно при достижении напряженности поля равной электропрочности диэлектрика. Обычно электрический пробой наблюдается в газах, но может развиваться и в твердых и в жидких диэлектриках.
^

Электрический пробой газов

Рис. 40. Зависимость напряжения пробоя и электропрочности от расстояния между электродами.
Увеличение плотности ионов в диэлектриках (пробой) может быть вызвано развитием ударной ионизации или ионной ионизации. Для развития ударной ионизации необходимо выполнение условия:

Eql=mv 2 /2=Eэс (2.13)

где: Е – напряженность поля, q – заряд иона, l – длина пробега иона от одного столкновения до другого, mv 2 /2 – кинетическая энергия иона, Еэс – энергия электростатического взаимодействия электронов с ядрами атомов.

Рис. 41. Зависимость электропрочности газа от давления.
При выполнении этого условия ионы, пролетая под действием электрического поля от одного столкновения со структурными единицами материала до другого, набирают кинетическую энергию, достаточную для того чтобы выбить электрон из атома. В результате столкновения появляется два дополнительных носителя заряда: электрон и новый ион. Таким образом, размножение носителей заряда возрастает в геометрической прогрессии и происходит пробой диэлектрика.

При напряженности поля меньшей, чем та, при которой наблюдается ударная ионизация в газах может развиваться фотонная ионизация. В этом случае при столкновении иона со структурной единицей материала энергии переданной атому не достаточно для отрыва электрона от атома, поэтому возбужденные электроны испускают фотоны. При одновременном попадании нескольких фотонов на какую-либо молекулу, переданная энергия сравнивается с энергией электростатического взаимодействия электронов с ядрами и происходит ионизация.
^

Влияние частоты электрического поля на электропрочность газов

Рис. 42. Зависимость электропрочности газа от частоты электрического поля.
Процессы изменения концентрации ионов, происходящие в низкочастотных полях, аналогичны процессам в постоянном поле. Однако в высокочастотных полях концентрация заряженных частиц меняется. При достаточно высоких частотах подвижные электроны успевают сместиться на большие расстояния и достигают электродов. Малоподвижные положительные ионы с большой массой за время полу периода колебаний не успевают сместиться на сколь либо значительные расстояния и концентрация положительных ионов в межэлектродном пространстве растет. Появляется так называемый «объемный заряд». Поэтому, начиная с частот, превышающих десятки килогерц вероятность столкновения ионов с молекулами возрастает и электропрочность газов снижается (рис. 42).
^

а) Электрический пробой твердых диэлектриков

При рассмотрении электрического пробоя в твердых диэлектриках следует иметь в виду, что электрическая прочность зависит не только от материала, но и от формы изолятора. Дело в том, что в твердых диэлектриках помимо сквозного электрического пробоя может развиваться поверхностный пробой.

Для развития сквозного пробоя требуется очень высокая напряженность электрического поля. Это связано с тем, что плотность твердых диэлектриков велика и длина пробега ионов мала. Следовательно, для того, чтобы ион набрал достаточную кинетическую энергию, (mv 2 /2=Eql) нужна высокая напряженность электрического поля. Вместе с тем, на поверхности любого материала имеется слой адсорбированных молекул. Из окружающего пространства (из воздуха) на поверхность могут адсорбироваться молекулы азота, кислорода, углекислого газа, воды и так далее. В тех местах, где адсорбируются молекулы воды и углекислого газа, образуется угольная кислота. Иначе говоря, на поверхности появляются участки с повышенной концентрацией ионов. Таким образом, вероятность ионизации молекул на поверхности диэлектрика становится выше, а электропрочность снижается.

Рис. 43. Зависимость мощности выделения тепла (Ртв) и мощности отвода тепла (Рто) от температуры.
б) Электротепловой пробой диэлектриков.

Повышение температуры диэлектрика по сравнению с окружающей средой ведет к отводу тепла. Дальнейшее развитие процессов зависит от соотношения скорости отвода тепла и скорости тепловыделения. На рисунке 43 показаны зависимости мощности тепловыделения (Ртв) и мощности отвода тепла (Рто) от температуры для неполярного диэлектрика. Как видно из приведенного рисунка в области температур от точки a до точки b мощности отвода тепла превышает мощность тепловыделения, поэтому повышения температуры не происходит. Вне этой области мощность выделения тепла превышает мощность отвода тепла и диэлектрик нагревается. Нагрев материала диэлектрика может привести к его растрескиванию, оплавлению, обугливанию, что снижает электропрочность диэлектрика и ведет к его разрушению.

Рис. 44. Зависимость электропрочности диэлектрика от температуры
в) Электрохимический пробой диэлектриков.

Рис. 45 Зависимость электропрочности от времени.
Данный вид пробоя обусловлен тем, что при длительном нахождении в электрическом поле происходит изменение химического состава диэлектрика. Чем выше напряженность электрического поля, тем сильнее возбуждаются молекулы диэлектрика и время, необходимое для выхода материала диэлектрика из строя снижается. В то же время химически инертные диэлектрики имеют больше время работы. Зависимость времени безопасной службы материала диэлектрика от времени принято называть «кривой жизни» диэлектрика (рис.45).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector