Was ist dielektrischer Verlust und was verursacht ihn?

Unter dielektrischen Verlusten versteht man die Energie, die pro Zeiteinheit in einem Dielektrikum verloren geht, wenn an dieses ein elektrisches Feld angelegt wird, das zu einer Erwärmung des Dielektrikums führt. Bei konstanter Spannung werden Energieverluste nur durch die Stärke des Durchgangsstroms aufgrund der Volumen- und Oberflächenleitung bestimmt. Bei Wechselspannung kommen diese Verluste zu den Verlusten hinzu, die durch unterschiedliche Polarisationsarten sowie durch das Vorhandensein von Halbleiterverunreinigungen, Eisenoxiden, Kohlenstoff, Gaseinschlüssen usw. verursacht werden.

Wenn wir das einfachste Dielektrikum betrachten, können wir den Ausdruck für die darin unter dem Einfluss einer Wechselspannung verlorene Leistung schreiben:

Pa = U·I,

Dabei ist U die an das Dielektrikum angelegte Spannung und Aza die aktive Komponente des durch das Dielektrikum fließenden Stroms.

Das dielektrische Ersatzschaltbild wird üblicherweise in Form eines in Reihe geschalteten Kondensators und eines aktiven Widerstands dargestellt. Aus dem Vektordiagramm (siehe Abb. 1):

Aza = Integrierter Schaltkreis·tgδ,

wobei δ der Winkel zwischen dem Vektor des Gesamtstroms I und seiner kapazitiven Komponente ist. Integrierte Schaltung.

Deshalb

Pa = U·Integrierter Schaltkreis·tgδ,

aber die aktuelle

Integrierter Schaltkreis = UΩ C,

Dabei ist die Kapazität eines Kondensators (bei gegebenem Dielektrikum) bei der Kreisfrequenz ω.

Dadurch verringert sich die Verlustleistung im Dielektrikum

Pa = U2Ω C·tgδ,

d.h. Die im Dielektrikum dissipierten Energieverluste sind proportional zum Tangens des Winkels δ, der aufgerufen wird dielektrischer Verlustwinkel oder einfach der Verlustwinkel. Dieser Winkel δ k charakterisiert die Qualität des Dielektrikums. Je kleiner der Winkel der elektrischen Verluste δ ist, desto höher sind die dielektrischen Eigenschaften des Isoliermaterials.

Reis. 1. Vektordiagramm der Ströme in einem Dielektrikum unter Wechselspannung.

Die Einführung des Konzepts des Winkels δ ist für die Praxis praktisch, da anstelle des Absolutwerts der dielektrischen Verluste ein relativer Wert berücksichtigt wird, der es ermöglicht, Isolierprodukte mit Dielektrika unterschiedlicher Qualität zu vergleichen.

Dielektrische Verluste in Gasen

Die dielektrischen Verluste in Gasen sind gering. Gase haben sehr geringe elektrische Leitfähigkeit… Die Ausrichtung von Dipolgasmolekülen während ihrer Polarisation geht nicht mit dielektrischen Verlusten einher. Die Addition tgδ=e(U) wird als Ionisationskurve bezeichnet (Abb. 2).

Reis. 2. Änderung von tgδ als Funktion der Spannung für Isolierungen mit Lufteinschlüssen

Ein mit zunehmender Spannung steigender tgδ kann auf das Vorhandensein von Gaseinschlüssen in der Feststoffisolierung schließen. Bei erheblicher Ionisierung und Verlusten im Gas kann es zu einer Erwärmung und einem Ausfall der Isolierung kommen.Daher wird die Isolierung der Wicklungen elektrischer Hochspannungsmaschinen zur Entfernung von Gaseinschlüssen während der Produktion einer besonderen Behandlung unterzogen – Trocknen unter Vakuum, Füllen der Poren der Isolierung mit einer erhitzten Masse unter Druck und Walzen zum Pressen.

Mit der Ionisierung von Lufteinschlüssen kommt es zur Bildung von Ozon und Stickoxiden, die sich zerstörerisch auf die organische Isolierung auswirken. Die Ionisierung der Luft in unebenen Feldern, beispielsweise in Stromleitungen, geht mit der Einwirkung von sichtbarem Licht (Corona) und erheblichen Verlusten einher, was die Übertragungseffizienz verringert.

Dielektrische Verluste in flüssigen Dielektrika

Dielektrische Verluste in Flüssigkeiten hängen von ihrer Zusammensetzung ab. In neutralen (unpolaren) Flüssigkeiten ohne Verunreinigungen ist die elektrische Leitfähigkeit sehr gering, daher sind auch die dielektrischen Verluste gering. Beispielsweise hat raffiniertes Kondensatoröl einen tgδ

In der Technik werden polare Flüssigkeiten (Sovol, Rizinusöl usw.) oder Mischungen aus neutralen und dipolaren Flüssigkeiten (Transformatoröl, Verbindungen usw.), bei denen die dielektrischen Verluste deutlich höher sind als bei neutralen Flüssigkeiten. Beispielsweise beträgt der tgδ von Rizinusöl bei einer Frequenz von 106 Hz und einer Temperatur von 20 °C (293 K) 0,01.

Der dielektrische Verlust polarer Flüssigkeiten hängt von der Viskosität ab. Diese Verluste werden Dipolverluste genannt, da sie auf die Dipolpolarisierung zurückzuführen sind.

Bei niedriger Viskosität orientieren sich die Moleküle unter Einwirkung eines reibungsfreien Feldes, die Dipolverluste sind in diesem Fall gering und die gesamten dielektrischen Verluste sind nur auf die elektrische Leitfähigkeit zurückzuführen. Dipolverluste nehmen mit zunehmender Viskosität zu.Bei einer bestimmten Viskosität sind die Verluste maximal.

Dies erklärt sich dadurch, dass die Moleküle bei ausreichend hoher Viskosität keine Zeit haben, der Feldänderung zu folgen und die Dipolpolarisation praktisch verschwindet. In diesem Fall sind die dielektrischen Verluste gering. Mit zunehmender Frequenz verschiebt sich der maximale Verlust in einen höheren Temperaturbereich.

Die Temperaturabhängigkeit der Verluste ist komplex: tgδ steigt mit steigender Temperatur, erreicht sein Maximum, sinkt dann auf ein Minimum und steigt dann wieder an, was durch einen Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit erklärt wird. Die Dipolverluste nehmen mit zunehmender Frequenz zu, bis die Polarisation Zeit hat, der Feldänderung zu folgen. Danach haben die Dipolmoleküle keine Zeit mehr, sich vollständig in Richtung des Feldes auszurichten, und die Verluste werden konstant.

In Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität überwiegen Leitungsverluste bei niedrigen Frequenzen und Dipolverluste sind vernachlässigbar; im Gegenteil, bei Radiofrequenzen sind die Dipolverluste hoch. Daher werden Dipoldielektrika in Hochfrequenzfeldern nicht verwendet.

Dielektrische Verluste in festen Dielektrika

Dielektrische Verluste in festen Dielektrika hängen von der Struktur (kristallin oder amorph), der Zusammensetzung (organisch oder anorganisch) und der Art der Polarisation ab. In solchen festen neutralen Dielektrika wie Schwefel, Paraffin, Polystyrol, die nur elektronische Polarisation aufweisen, gibt es keine dielektrischen Verluste. Verluste können nur auf Verunreinigungen zurückzuführen sein. Daher werden solche Materialien als Hochfrequenzdielektrika verwendet.

Anorganische Materialien wie Einkristalle aus Steinsalz, Sylvit, Quarz und reinem Glimmer, die elektronische und ionische Polarisation besitzen, weisen allein aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit geringe dielektrische Verluste auf. Die dielektrischen Verluste in diesen Kristallen hängen nicht von der Frequenz ab und tgδ nimmt mit zunehmender Frequenz ab. Mit zunehmender Temperatur ändern sich die Verluste und die tgft in gleicher Weise wie die elektrische Leitfähigkeit und steigen nach dem Gesetz einer Exponentialfunktion.

Bei Gläsern unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise Keramiken mit einem hohen Anteil der Glasphase, werden Verluste aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit beobachtet. Diese Verluste werden durch die Bewegung schwach gebundener Ionen verursacht; Sie treten normalerweise bei Temperaturen über 50 – 100 °C (323 – 373 K) auf. Diese Verluste nehmen nach dem Gesetz einer Exponentialfunktion deutlich mit der Temperatur zu und hängen kaum von der Frequenz ab (tgδ nimmt mit zunehmender Frequenz ab).

In anorganischen polykristallinen Dielektrika (Marmor, Keramik usw.) treten zusätzliche dielektrische Verluste aufgrund der Anwesenheit von Halbleiterverunreinigungen auf: Feuchtigkeit, Eisenoxide, Kohlenstoff, Gas usw. das gleiche Material, da sich die Eigenschaften des Materials unter dem Einfluss von Umgebungsbedingungen ändern.

Dielektrische Verluste in organischen polaren Dielektrika (Holz, Celluloseether, natürliche Lösungen, Kunstharze) sind auf strukturelle Polarisierung aufgrund loser Partikelpackung zurückzuführen. Diese Verluste hängen davon ab, dass die Temperatur bei einer bestimmten Temperatur ein Maximum erreicht und dass die Frequenz mit ihrem Wachstum zunimmt. Daher werden diese Dielektrika nicht in Hochfrequenzfeldern eingesetzt.

Charakteristisch ist, dass die Abhängigkeit von tgδ von der Temperatur für mit der Verbindung imprägniertes Papier zwei Maxima aufweist: Das erste wird bei negativen Temperaturen beobachtet und charakterisiert den Verlust von Fasern, das zweite Maximum bei erhöhten Temperaturen ist auf den Verlust des Dipols der Verbindung zurückzuführen. Mit zunehmender Temperatur in polaren Dielektrika nehmen die mit der elektrischen Leitfähigkeit verbundenen Verluste zu.