ما هو فقدان العزل الكهربائي وما الذي يسببه

الخسائر العازلة هي الطاقة التي يتم تبديدها لكل وحدة زمنية في عازل عندما يتم تطبيق مجال كهربائي عليها وتتسبب في تسخين العازل. في الجهد الثابت ، يتم تحديد فقد الطاقة فقط من خلال قوة التيار المار بسبب الحجم والتوصيل السطحي. في الجهد المتناوب ، تضاف هذه الخسائر إلى الخسائر الناتجة عن أنواع مختلفة من الاستقطاب ، وكذلك وجود شوائب أشباه الموصلات ، وأكاسيد الحديد ، والكربون ، وشوائب الغاز ، إلخ.

بالنظر إلى أبسط عازل ، يمكننا كتابة التعبير عن القدرة المشتتة فيه تحت تأثير الجهد المتناوب:

Pa = U · I ،

حيث U هو الجهد المطبق على العازل الكهربائي ، Aza هو المكون النشط للتيار المتدفق عبر العازل.

عادة ما يتم تقديم الدائرة المكافئة للعازل الكهربائي في شكل مكثف ومقاومة نشطة متصلة في سلسلة. من مخطط المتجه (انظر الشكل 1):

Aza = دائرة متكاملة · tgδ ،

حيث δ - الزاوية بين متجه التيار الكلي I ومكونه السعوي دارة متكاملة.

لذلك

Pa = U · دارة متكاملة · tgδ ،

لكن التيار

الدائرة المتكاملة = UΩ C ،

أين هي سعة مكثف (معطى عازل) عند التردد الزاوي ω.

نتيجة لذلك ، فإن الطاقة المشتتة في العازل هي

Pa = U2Ω C · tgδ ،

أي. تتناسب خسائر الطاقة المشتتة في العازل مع ظل الزاوية δ والتي تسمى زاوية الخسارة العازلة أو ببساطة زاوية الخسارة. هذه الزاوية δ k تميز جودة العازل الكهربائي. كلما كانت زاوية الخسائر الكهربائية أصغر δ ، زادت خصائص العزل الكهربائي للمادة العازلة.

أرز. 1. مخطط متجه للتيارات في عازل تحت الجهد المتناوب.

مقدمة لمفهوم الزاوية إنه مناسب للممارسة ، لأنه بدلاً من القيمة المطلقة لخسائر العزل الكهربائي ، يتم أخذ القيمة النسبية في الاعتبار ، مما يجعل من الممكن مقارنة منتجات العزل بعوازل كهربائية ذات جودة مختلفة.

خسائر عازلة في الغازات

الخسائر العازلة في الغازات صغيرة. الغازات لها الموصلية الكهربائية منخفضة جدا... لا يترافق اتجاه جزيئات الغاز ثنائي القطب أثناء استقطابها مع فقدان العزل الكهربائي. إضافة tgδ = e (U) يسمى منحنى التأين (الشكل 2).

أرز. 2. التغيير في tgδ كدالة للجهد للعزل مع شوائب الهواء

يمكن أن يؤدي ارتفاع tgδ مع زيادة الجهد إلى تقييم وجود شوائب غازية في العزل الصلب. مع تأين كبير وخسائر كبيرة في الغاز ، قد يحدث تسخين وانهيار للعزل.لذلك ، يخضع عزل لفات الآلات الكهربائية عالية الجهد لإزالة شوائب الغاز أثناء الإنتاج لمعاملة خاصة - التجفيف تحت الفراغ ، وملء مسام العزل بمركب ساخن تحت الضغط ودرفلة للضغط.

يترافق تأين شوائب الهواء مع تكوين الأوزون وأكاسيد النيتروجين ، والتي لها تأثير مدمر على العزل العضوي. يترافق تأين الهواء في المجالات غير المستوية ، على سبيل المثال ، في خطوط الكهرباء ، مع تأثير الضوء المرئي (الهالة) وخسائر كبيرة ، مما يقلل من كفاءة النقل.

خسائر عازلة في المواد العازلة السائلة

تعتمد الخسائر العازلة في السوائل على تكوينها. في السوائل المحايدة (غير القطبية) بدون شوائب ، تكون الموصلية الكهربائية منخفضة جدًا ، وبالتالي تكون خسائر العزل الكهربائي صغيرة أيضًا فيها. على سبيل المثال ، يحتوي زيت المكثف المكرر على tgδ

في التكنولوجيا ، السوائل القطبية (سوفول ، زيت الخروع ، إلخ) أو مخاليط من السوائل المحايدة وثنائية القطب (زيت المحولات، والمركبات ، وما إلى ذلك) ، حيث تكون خسائر العوازل أعلى بكثير من تلك الناتجة عن السوائل المحايدة. على سبيل المثال ، tgδ لزيت الخروع بتردد 106 هرتز ودرجة حرارة 20 درجة مئوية (293 كلفن) هي 0.01.

يعتمد الفقد العازل للسوائل القطبية على اللزوجة. تسمى هذه الخسائر بخسائر ثنائية القطب لأنها ناتجة عن استقطاب ثنائي القطب.

عند اللزوجة المنخفضة ، يتم توجيه الجزيئات تحت تأثير مجال عديم الاحتكاك ، وتكون خسائر ثنائي القطب في هذه الحالة صغيرة ، ويعزى إجمالي خسائر العزل الكهربائي إلى التوصيل الكهربائي فقط. تزداد خسائر ثنائي القطب مع زيادة اللزوجة.عند لزوجة معينة ، تكون الخسائر قصوى.

ويفسر ذلك حقيقة أنه عند اللزوجة العالية بما فيه الكفاية ، لا يتوفر للجزيئات الوقت لمتابعة التغيير في المجال ويختفي الاستقطاب ثنائي القطب عمليًا. في هذه الحالة ، تكون الخسائر العازلة صغيرة. مع زيادة التردد ، ينتقل الحد الأقصى للخسارة إلى منطقة درجة حرارة أعلى.

إن اعتماد الخسائر على درجة الحرارة أمر معقد: تزداد tgδ مع زيادة درجة الحرارة ، وتصل إلى الحد الأقصى ، ثم تنخفض إلى الحد الأدنى ، ثم تزيد مرة أخرى ، وهذا ما يفسر بزيادة التوصيل الكهربائي. تزداد خسائر ثنائي القطب مع زيادة التردد حتى يتاح للاستقطاب الوقت لمتابعة التغيير في المجال ، وبعد ذلك لم يعد للجزيئات ثنائية القطب الوقت لتوجيه نفسها بالكامل في اتجاه المجال وتصبح الخسائر ثابتة.

في الموائع منخفضة اللزوجة ، تسود خسائر التوصيل عند الترددات المنخفضة ، وتكون خسائر ثنائي القطب ضئيلة ؛ على العكس من ذلك ، في الترددات الراديوية تكون خسائر ثنائي القطب عالية. لذلك ، لا يتم استخدام عوازل ثنائية القطب في مجالات التردد العالي.

الخسائر العازلة في المواد العازلة الصلبة

تعتمد الخسائر العازلة في المواد العازلة الصلبة على التركيب (بلوري أو غير متبلور) والتركيب (عضوي أو غير عضوي) وطبيعة الاستقطاب. في مثل هذه العوازل الصلبة المحايدة مثل الكبريت ، البارافين ، البوليسترين ، التي لها استقطاب إلكتروني فقط ، لا توجد خسائر عازلة. يمكن أن تكون الخسائر فقط بسبب الشوائب. لذلك ، يتم استخدام هذه المواد كعوازل كهربائية عالية التردد.

المواد غير العضوية ، مثل البلورات المفردة من الملح الصخري ، والسيلفيت ، والكوارتز ، والميكا النقية ، التي تمتلك استقطابًا إلكترونيًا وأيونيًا ، لها خسائر عازلة منخفضة بسبب التوصيل الكهربائي وحده. لا تعتمد الخسائر العازلة في هذه البلورات على التردد ، و tgδ يتناقص مع زيادة التردد. مع زيادة درجة الحرارة ، تتغير الخسائر و tgft بنفس طريقة التوصيل الكهربائي ، وتزداد وفقًا لقانون الوظيفة الأسية.

في أكواب ذات تركيبة مختلفة ، على سبيل المثال ، السيراميك ذات المحتوى العالي من الطور الزجاجي ، يتم ملاحظة الخسائر بسبب التوصيل الكهربائي. هذه الخسائر ناتجة عن حركة الأيونات ضعيفة الارتباط ؛ تحدث عادة في درجات حرارة أعلى من 50 - 100 درجة مئوية (323 - 373 كلفن). تزداد هذه الخسائر بشكل كبير مع درجة الحرارة وفقًا لقانون الوظيفة الأسية وتعتمد قليلاً على التردد (يتناقص tg مع زيادة التردد).

في العوازل غير العضوية متعددة الكريستالات (الرخام ، السيراميك ، إلخ) ، تحدث خسائر إضافية في العزل الكهربائي بسبب وجود شوائب أشباه الموصلات: الرطوبة ، أكاسيد الحديد ، الكربون ، الغاز ، إلخ. المادة نفسها ، لأن خصائص المادة تتغير تحت تأثير الظروف البيئية.

الخسائر العازلة في المواد العازلة العضوية القطبية (الخشب ، إيثرات السليلوز ، المحلول الطبيعي ، الراتنجات الاصطناعية) ناتجة عن الاستقطاب الهيكلي بسبب تعبئة الجسيمات السائبة. تعتمد هذه الخسائر على درجة الحرارة التي لها حد أقصى عند درجة حرارة معينة بالإضافة إلى زيادة التردد مع نموها. لذلك ، لا يتم استخدام هذه العوازل في المجالات عالية التردد.

بشكل مميز ، فإن اعتماد tgδ على درجة الحرارة للورق المشرب بالمركب له حدان أقصى: الأول يُلاحظ في درجات حرارة سالبة ويميز فقدان الألياف ، أما الحد الأقصى الثاني في درجات الحرارة المرتفعة فهو ناتج عن فقد ثنائي القطب للمركب. مع زيادة درجة الحرارة في العوازل القطبية ، تزداد الخسائر المرتبطة بالتوصيل الكهربائي.