¿Qué es la pérdida dieléctrica y qué la causa?

Las pérdidas dieléctricas son la energía disipada por unidad de tiempo en un dieléctrico cuando se le aplica un campo eléctrico y hace que el dieléctrico se caliente. A voltaje constante, las pérdidas de energía están determinadas solo por la fuerza de la corriente debida al volumen y la conducción superficial. En tensión alterna, estas pérdidas se suman a las pérdidas debidas a distintos tipos de polarizaciones, así como a la presencia de impurezas semiconductoras, óxidos de hierro, carbono, inclusiones de gases, etc.

Considerando el dieléctrico más simple, podemos escribir la expresión de la potencia disipada en él bajo la influencia de un voltaje alterno:

Pa = U · I,

donde U es el voltaje aplicado al dieléctrico, Aza es el componente activo de la corriente que fluye a través del dieléctrico.

El circuito equivalente dieléctrico se suele presentar en forma de un condensador y una resistencia activa conectados en serie. Del diagrama vectorial (ver Fig. 1):

Aza = Circuito integrado·tgδ,

donde δ — el ángulo entre el vector de la corriente total I y su componente capacitivo Circuito integrado.

Por lo tanto

Pa = U·Circuito integrado·tgδ,

pero la corriente

Circuito integrado = UΩ C,

donde es la capacitancia de un capacitor (dieléctrico dado) a la frecuencia angular ω.

Como resultado, la potencia disipada en el dieléctrico es

Pa = U2Ω C·tgδ,

es decir. las pérdidas de energía disipadas en el dieléctrico son proporcionales a la tangente del ángulo δ que se denomina ángulo de pérdida dieléctrica o simplemente el ángulo de pérdida. Este ángulo δ k caracteriza la calidad del dieléctrico. Cuanto menor sea el ángulo di pérdidas eléctricas δ, mayores serán las propiedades dieléctricas del material aislante.

Arroz. 1. Diagrama vectorial de corrientes en un dieléctrico bajo tensión alterna.

Introducción del concepto de ángulo δ Es conveniente para la práctica, porque en lugar del valor absoluto de las pérdidas dieléctricas, se tiene en cuenta un valor relativo, que permite comparar productos de aislamiento con dieléctricos de diferente calidad.

Pérdidas dieléctricas en gases

Las pérdidas dieléctricas en los gases son pequeñas. Los gases tienen conductividad eléctrica muy baja… La orientación de las moléculas de gas dipolar durante su polarización no va acompañada de pérdidas dieléctricas. La adición tgδ=e(U) se denomina curva de ionización (Fig. 2).

Arroz. 2. Cambio en tgδ en función de la tensión para aislamiento con inclusiones de aire

Un aumento de tgδ con un voltaje creciente puede evaluar la presencia de inclusiones de gas en el aislamiento sólido. Con ionización y pérdidas significativas en el gas, puede ocurrir calentamiento y ruptura del aislamiento.Por lo tanto, el aislamiento de los devanados de las máquinas eléctricas de alto voltaje para eliminar las inclusiones de gas durante la producción se somete a un tratamiento especial: secado al vacío, llenado de los poros del aislamiento con un compuesto calentado a presión y laminado para prensado.

La ionización de las inclusiones de aire va acompañada de la formación de ozono y óxidos de nitrógeno, que tienen un efecto destructivo sobre el aislamiento orgánico. La ionización del aire en campos irregulares, por ejemplo, en líneas eléctricas, va acompañada del efecto de la luz visible (corona) y pérdidas importantes, lo que reduce la eficiencia de transmisión.

Pérdidas dieléctricas en dieléctricos líquidos

Las pérdidas dieléctricas en los líquidos dependen de su composición. En los líquidos neutros (no polares) sin impurezas, la conductividad eléctrica es muy baja, por lo que las pérdidas dieléctricas también son pequeñas en ellos. Por ejemplo, el aceite de condensador refinado tiene un tgδ

En tecnología, líquidos polares (Sovol, aceite de ricino, etc.) o mezclas de líquidos neutros y dipolares (aceite del transformador, compuestos, etc.), en los que las pérdidas dieléctricas son significativamente superiores a las de los líquidos neutros. Por ejemplo, el tgδ del aceite de ricino a una frecuencia de 106 Hz y una temperatura de 20 °C (293 K) es 0,01.

La pérdida dieléctrica de los líquidos polares depende de la viscosidad. Estas pérdidas se denominan pérdidas de dipolo porque se deben a la polarización del dipolo.

A baja viscosidad, las moléculas se orientan bajo la acción de un campo sin fricción, las pérdidas dipolares en este caso son pequeñas y las pérdidas dieléctricas totales se deben únicamente a la conductividad eléctrica. Las pérdidas dipolares aumentan con el aumento de la viscosidad.A una determinada viscosidad, las pérdidas son máximas.

Esto se explica por el hecho de que a una viscosidad suficientemente alta las moléculas no tienen tiempo de seguir el cambio en el campo y la polarización del dipolo prácticamente desaparece. En este caso, las pérdidas dieléctricas son pequeñas. A medida que aumenta la frecuencia, la pérdida máxima se desplaza a una región de mayor temperatura.

La dependencia de la temperatura de las pérdidas es compleja: tgδ aumenta con el aumento de la temperatura, alcanza su máximo, luego disminuye a un mínimo y luego aumenta nuevamente, esto se explica por un aumento en la conductividad eléctrica. Las pérdidas del dipolo aumentan con el aumento de la frecuencia hasta que la polarización tiene tiempo de seguir el cambio en el campo, después de lo cual las moléculas del dipolo ya no tienen tiempo para orientarse completamente en la dirección del campo y las pérdidas se vuelven constantes.

En fluidos de baja viscosidad, las pérdidas por conducción predominan a bajas frecuencias y las pérdidas dipolares son insignificantes; por el contrario, en radiofrecuencias las pérdidas del dipolo son elevadas. Por lo tanto, los dieléctricos dipolares no se utilizan en campos de alta frecuencia.

Pérdidas dieléctricas en dieléctricos sólidos

Las pérdidas dieléctricas en dieléctricos sólidos dependen de la estructura (cristalina o amorfa), la composición (orgánica o inorgánica) y la naturaleza de la polarización. En dieléctricos neutros sólidos como azufre, parafina, poliestireno, que solo tienen polarización electrónica, no hay pérdidas dieléctricas. Las pérdidas sólo pueden deberse a las impurezas. Por lo tanto, dichos materiales se utilizan como dieléctricos de alta frecuencia.

Los materiales inorgánicos, como los monocristales de sal de roca, silvita, cuarzo y mica pura, que poseen polarización electrónica e iónica, tienen bajas pérdidas dieléctricas debido únicamente a la conductividad eléctrica. Las pérdidas dieléctricas en estos cristales no dependen de la frecuencia, y tgδ disminuye al aumentar la frecuencia. A medida que aumenta la temperatura, las pérdidas y el tgft cambian de la misma manera que la conductividad eléctrica, aumentando según la ley de una función exponencial.

En vidrios de distinta composición, por ejemplo, cerámicas con un alto contenido en fase vítrea, se observan pérdidas por conductividad eléctrica. Estas pérdidas son causadas por el movimiento de iones débilmente enlazados; generalmente ocurren a temperaturas superiores a 50 - 100°C (323 - 373 K). Estas pérdidas aumentan significativamente con la temperatura según la ley de una función exponencial y dependen poco de la frecuencia (tgδ disminuye al aumentar la frecuencia).

En los dieléctricos policristalinos inorgánicos (mármol, cerámica, etc.), se producen pérdidas dieléctricas adicionales debido a la presencia de impurezas semiconductoras: humedad, óxidos de hierro, carbono, gas, etc. mismo material, porque las propiedades del material cambian bajo la influencia de las condiciones ambientales.

Las pérdidas dieléctricas en dieléctricos polares orgánicos (madera, éteres de celulosa, solución natural, resinas sintéticas) se deben a la polarización estructural debido al empaquetamiento de partículas sueltas. Estas pérdidas dependen de que la temperatura tenga un máximo a una determinada temperatura así como de que la frecuencia aumente con su crecimiento. Por lo tanto, estos dieléctricos no se utilizan en campos de alta frecuencia.

Característicamente, la dependencia tgδ de la temperatura para papel impregnado con el compuesto tiene dos máximos: el primero se observa a temperaturas negativas y caracteriza la pérdida de fibras, el segundo máximo a temperaturas elevadas se debe a la pérdida del dipolo del compuesto. A medida que aumenta la temperatura en los dieléctricos polares, aumentan las pérdidas asociadas con la conductividad eléctrica.