Диэлектрические потери и диэлектрическая проницаемость электроизоляционных материалов

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Любой диэлектрик с нанесёнными на него электродами может рассматриваться как конденсатор определённой ёмкости. Под действием электрического поля диэлектрик поляризуется, т.е. приобретает электрический момент. Благодаря поляризации диэлектрика при заданном напряжении на обкладках удерживается дополнительный заряд, т.е. возрастает ёмкость конденсатора. Отношение ёмкости конденсатора с диэлектриком к ёмкости того же конденсатора в вакууме определяет относительную диэлектрическую проницаемость материала. Диэлектрическая проницаемость тесно связана с внутренним строением диэлектрика, которое обусловливает тот или иной механизм поляризации,

Поляризация может быть вызвана упругим смещением и деформацией электронных оболочек под действием поля (электронная поляризация), ориентацией дипольных молекул (дипольно-релаксационная) или смещением (ионно-релаксационная), Электронная и ионная поляризация относятся к разряду мгновенных. Остальные виды поляризации являются замедленными.

Диэлектрическими потерями называют электрическую мощность, затрачиваемую на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле. Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении. Для твёрдых и жидких диэлектриков характерны два основных механизма потерь:

1)потери, обусловленные электропроводностью материала;

2)потери, обусловленные замедленными видами поляризации (релаксационные потери).

Диэлектрические потери принято характеризовать тангенсом угла потерь. Углом диэлектрических потерь δ называют угол, дополняющий до 90º угол сдвига фаз φ между током и напряжением в ёмкостной цепи. Безразмерный параметр tg δ не зависит от формы и размеров участка изоляции, а определяется лишь свойствами материала. В общем случае значение tg δ может существенно изменяться при изменении температуры и частоты.

При измерениях диэлектрической проницаемости и tg δ на промышленной и звуковых частотах обычно используют мостовые схемы, а для измерений в диапазоне радиочастот наибольшее распространение получили резонансные методы. Существует несколько разновидностей резонансных методов измерений tg δ, различающихся по способу измерения добротности. Добротность Q является характеристикой резонансных свойств колебательного контура и равна отношению колебательной (реактивной) мощности, запасённой в контуре, к мощности потерь. Фактически добротность является величиной, обратной tg δ колебательной системы:

 

 

- 12 -

 

В настоящей работе добротность при испытании диэлектриков измеряется по изменению напряжения в последовательном контуре при его настройке в резонанс.

 

2.2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

 

Измерение диэлектрической проницаемости и tg δ диэлектриков производится с помощью прибора Е 9 – 4, который является измерителем добротности. Измерительный контур представляет собой последовательную цепь, состоящую из катушки индуктивности L, эквивалентного активного сопротивления R_k и конденсатора переменной ёмкости c (рис. 2.1). В контур вводится напряжение от генератора высокой частоты G, контролируемое ламповым вольтметром PV 1 (вольтметр уровня). Показания вольтметра PV 2 пропорциональны добротности Q контура.

Измерение диэлектрической проницаемости и tg δ материалов основано на сравнении резонансных характеристик колебательного контура при включении и отключении образца. Первоначально измерением ёмкости c₀ настраивают измерительный контур в резонанс с частотой генератора при отключённом образце и фиксируют резонансные параметры Q₁ и c₁. В момент резонанса имеет место равенство индуктивного и ёмкостного реактивных сопротивлений. Затем подключается испытуемый конденсатор, и контур вновь настраивается в резонанс.

 

Рис. 2.1. Принципиальная схема измерительного контура

 

За счёт потерь в диэлектрике, характеризуемых эквивалентным сопротивлением r_x, добротность контура снижается до уровня Q₂, а ёмкость настроечного конденсатора при резонансе уменьшается до значения C₂. Поскольку эквивалентная ёмкость контура при резонансе должна оставаться неизменной, то выполняется равенство:

 

 

- 13-

 

Отсюда легко находится ёмкость образца и по известным геометрическим размерам рассчитывается диэлектрическая проницаемость. Зная добротности Q₁ и Q₂, определяют tg δ исследуемого материала. Необходимым условием правильности измерений является поддержание постоянства выходного напряжения генератора U₁ на заданном уровне в течение всего опыта. Исследуемые образцы подключаются параллельно измерительному конденсатору с помощью специальной системы электродов.

 

 

2.3. ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ

 

Подготовка к испытанию

Поставить переключатель рода работ на лицевой панели прибора в положение «УСТ. НУЛЯ», а потенциометр «УРОВЕНЬ» - в крайнее левое положение. Включить тумблер «СЕТЬ», разомкнуть контакт S в цепи образца. С помощью переключателя «ДИАПАЗОНЫ» и верньерного устройства «ЧАСТОТА» установить частоту, указанную преподавателем. После прогревания ламп в течение 3-5 минут переключатель «ШКАЛЫ Q» поставить в положение «200», ручками «НУЛЬ Q» и «НУЛЬ УРОВНЯ» установить нули ламповых вольтметров. В ходе дальнейших измерений производить периодическую проверку положения нуля.

Переключатель рода работ поставить в положение «ИЗМЕРЕНИЕ». Ручкой «УРОВЕНЬ» поставить стрелку вольтметра уровня PV 1 на красную риску и поддерживать в этом положении во время измерений.

 

 

2.3.2. Определение диэлектрической проницаемости и tg δ твёрдых диэлектриков

Плавно вращая ручку измерительного конденсатора «ЁМКОСТЬ, pF», и совмещённую с ней ручку подстроечного конденсатора «Δc, pF» настроить контур в резонанс по максимальному отклонению стрелки вольтметра PV 2. Отсчитать значение добротности контура Q₁ и резонансной ёмкости. Резонансная ёмкость с₁ представляет собой сумму ёмкостей основного с₀ и добавочного с_{0 доб} конденсаторов.

С помощью съёмной ручки подключить к измерительному контуру испытуемый образец. Уменьшая ёмкость конденсатора с₀, вновь добиться резонанса в контуре. Зафиксировать резонансные параметры Q₂ и с₂.

Аналогичным образом произвести измерения других образцов. Результаты измерений, а также геометрические размеры диэлектриков записать в табл. 2.1.

 

- 14 -

 

Таблица 2.1

Результаты определения диэлектрической проницаемости и tg δ твёрдых диэлектриков

Материал	С1, Ф	Q1	С2, Ф	Q2	h, мм	D, мм	CХ, Ф	CКР, Ф	СД , Ф	ε	tg δ

 

 

2.3.3. Определение температурной зависимости tg δ для масляно – канифольного компаунда

Подключить к измерительному контуру электродную систему с исследуемым компаундом. Измерить tg δ при комнатной температуре, добиваясь резонанса в колебательном контуре. Включить нагрев сосуда – электрода и поднять температуру компаунда до 120ºС. Отключить питание нагревателя и снять зависимость tg δ (t) при охлаждении компаунда, производя настройку контура через каждые 20ºС. Результаты наблюдений записать в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Тангенс угла диэлектрических потерь масляно – канифольного компаунда при различных температурах

 

t, ºC	С1, пФ	Q1	С2, пФ	Q2	tg δ

 

После окончания работы выключить питание измерительной установки. 

 

 

2.4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

2.4.1. Вычисление диэлектрической проницаемости испытуемых диэлектриков производится по измеренной ёмкости и геометрическим размерам образца с учётом его формы. Для ёмкости плоского конденсатора справедливо выражение:

(2.1)

 

где ε₀ = 8,85·10^-12 Ф/м – электрическая постоянная; ε – относительная диэлектрическая проницаемость; S – площадь электродов; h – толщина диэлектрика.

Следует учитывать, что у краёв электродов поле искажается, поэтому расчёт по формуле (2.1) может давать заметную погрешность. Измеренная ёмкость с_x складывается из двух составляющих:

 

- 15 -

 

где с_д – ёмкость, соответствующая потоку электрической индукции в диэлектрике (по значению этой ёмкости вычисляют диэлектрическую проницаемость); с_кр – краевая ёмкость, обусловленная потоком индукции в воздухе между электродами. Краевая ёмкость может быть определена из рис. 2.2, где её значение указано в процентах от ёмкости воздушного конденсатора с тем же расстоянием h между электродами, что и в случае испытуемого образца. Для расчёта с_в используется формула (2.1), в которой надо положить ε = 1.

С учётом краевой ёмкости диэлектрическая проницаемость изоляционного материала рассчитывается по формуле:

 

где

 

Рис.2.2. Зависимость краевой ёмкости от размеров конденсатора

 

2.4.2. Вычисление тангенса угла потерь испытуемых диэлектриков производится по формуле:

(2.2)

где с₁ – ёмкость контура в момент резонанса без образца, равная сумме ёмкостей настроечных конденсаторов с₀ и c_{0 доб}; c_x – ёмкость подключённого образца; Q₁ и Q₂ – добротность измерительного контура при отключённом и включённом образце, соответственно.

Результаты расчётов ε и tg δ занести в табл.2.1.

 

- 16-