Учет и снижение потерь при передаче электроэнергии

Что такое диэлектрические потери?

Применение электроизоляционных материалов основано на том, что они препятствуют преодолению электрическим током определенного пространства, ограниченного изолятором. Идеальный изолятор должен полностью исключать условия для проведения электрического тока. К сожалению, таких материалов в природе не существует. Такие диэлектрические вещества также не удалось создать в лаборатории.

Теоретически можно обосновать существование идеальных диэлектриков, но на практике синтезировать такие вещества нереально, так как даже незначительная часть примесей образует диэлектрическую проницаемость. Другими словами, всегда будет наблюдаться диссипация энергии в диэлектрической среде. Можно говорить об усилиях, направленных на снижение таких потерь.

Исходя из того, что часть электричества неизбежно теряется в изоляторе, был введен термин «диэлектрические потери» — необратимый процесс преобразования энергии электрического поля, проникающего в диэлектрическую среду, в тепло, т сила, направленная на нагрев изоляционного материала, находящегося в электрическом поле зоны действия.

Величина потерь определяется как отношение между активной мощностью и реактивной мощностью. Обычно активная мощность, потребляемая диэлектриком, очень мала по сравнению с реактивной мощностью. Это значит, что искомое значение тоже будет разреженным — сотые доли единицы. Для расчетов используется значение «тангенса угла», выраженное в процентах.

Электрическая характеристика, выражающая дисперсионное свойство диэлектрика, называется тангенсом угла диэлектрических потерь. В расчетах принято, что диэлектрик представляет собой изолирующий материал конденсатора, который изменяет емкость и в сумме дает угол фазового сдвига φ на 90º, образованный векторами напряжения и тока в цепи. Этот угол обозначается символом δ и называется углом рассеяния, т е диэлектрическими потерями. Величина, численно равная тангенсу данного угла (tgδ), это и есть характеристика диэлектрического нагрева.

tgδ используется в расчетах для определения количества рассеиваемой мощности по соответствующей формуле. Поэтому расчет имеет практическое значение. Введение понятия тангенса угла позволяет рассчитать относительные величины диэлектрических потерь. А это позволяет сравнивать качество разных изоляторов.

Именно этот показатель или просто угол δ указывают производители трансформаторных масел на упаковке своей продукции. О качестве изолятора можно судить по величине угла (tan δ): чем меньше угол δ, тем выше диэлектрические свойства изоляционного материала.

Диэлектрическая потеря

Диэлектрические потери количественно определяют присущее диэлектрическому материалу разложение электромагнитной энергии, например, на тепло.

Это может быть параметризовано либо в виде угловых потерь δ, либо в виде соответствующего тангенса угла потерь tan δ.

Оба относятся к фазору на комплексной плоскости, действительные и мнимые части которого представляют собой резистивную (с потерями) составляющую электромагнитного поля и ее реактивную (без потерь) составляющую).

Перспектива электромагнитного поля

С течением времени из-за изменения электромагнитных полей электромагнитная энергия обычно рассматривается как волны, распространяющиеся либо через свободное пространство, либо по линии передачи, либо по микрополосковой линии, либо по волноводу.

Диэлектрики часто используются во всех этих средах для механической поддержки электрических проводников и удержания их на фиксированном расстоянии или для обеспечения барьера между различными давлениями газа и передачи электромагнитной энергии.

Уравнения Максвелла решаются для компонент электрического и магнитного полей распространяющихся волн, удовлетворяющих граничным условиям геометрии конкретной среды.

Тогда уравнение ротора Максвелла для магнитного поля можно записать как где ″ — мнимая составляющая диэлектрической проницаемости, связанная с явлениями связанного заряда и дипольной релаксации, приводящими к потерям энергии, неотличимым от потерь из-за проводимости без заряда, которые количественно определяются как σ.

Компонент представляет собой известную диэлектрическую проницаемость без потерь, определяемую произведением диэлектрической проницаемости в свободном пространстве и относительной реальной диэлектрической проницаемостью, или ‘ = ε ′.

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

Для диэлектриков с малыми потерями этот угол ≪ 1 и tan δ ≈ δ. После некоторых дальнейших математических вычислений, чтобы получить решение для полей электромагнитных волн, оказывается, что мощность уменьшается с расстоянием.

Есть и другие вклады в потери мощности для электромагнитных волн, которые не включены в это выражение, например, из-за тока стенки в линии передачи или проводниках волновода. Кроме того, аналогичный анализ можно применить к прозрачности.

Таким же образом можно определить тангенс угла электрических потерь.

Потери электроэнергии в СНТ: проблемы и решения

Объем фактических потерь электроэнергии в садовых некоммерческих товариществах (СНТ) может достигать 30% индивидуального потребления каждого отдельного абонента. Причиной тому является совокупность трех факторов: некачественные сети, недостоверный учет и воровство электроэнергии. Последовательное устранение этих проблем позволит снизить уровень фактических потерь до нормативного уровня — 5% от общей потребляемой мощности в сетях СНТ.

Какими приборами можно измерить

Потери можно измерить с помощью различных инструментов. Например, ИПИ-10 от производителя Tettek, который позволяет исследовать твердые и жидкие диэлектрические материалы.

Для измерения тангенсов углов в диэлектрических жидкостях иногда применяют приборы, например Тангенсы-ЗМ. Измерители Ш2-12ТМ также активно используются для определения искомых величин.

Это самое важное, что нужно знать о диэлектрических потерях. Благодаря формулам из статьи можно рассчитать потери для разных материалов!

Какие значения используют для расчёта

Мостовые схемы позволяют измерять различные типы приборов с показателями от 10-8 до 1010 Ом, с высокой точностью (обычно погрешность расчета составляет до двух девятых процента). Для расчетов необходимы индивидуальные и суммарные значения сопротивления.

Характеристика диэлектрических потерь в жидких диэлектриках

Здесь значение потерь напрямую связано с составом. Если жидкость нейтральна и не содержит примесей, величина потерь стремится к нулю из-за низкой электропроводности.

Для технических целей применяют жидкости с полярностью или смесью нейтральной и дипольной полярности (сюда входят и соединения). У них значительно большие потери.

Потери в полярных жидкостях обусловлены таким свойством, как вязкость, и называются дипольными, так как определяются дипольной поляризацией. В то же время при малой вязкости потери невелики, с повышением потери увеличиваются.

Кроме того, в жидкостях наблюдается сложная зависимость диэлектрических потерь от температурного режима. При повышении температуры тангенс δ увеличивается до максимального значения, после чего снова падает до минимума и снова увеличивается, что связано с изменением электропроводности под действием температуры.

Рекомендуем изучить — Переходные процессы в цепях переменного тока, законы переключения, явления резонанса.

Диэлектрические утери твёрдых веществ

Твердые тела обладают особым набором свойств. Например, они различаются по составу, структуре и поляризации, из-за чего возникают диэлектрические потери. Для диэлектриков с надежностью и хорошими качествами используйте:

1. Сера.
2. Керосин.
3. Полистирол.

Существуют также диэлектрики с проводимостью электричества. Это включает:

1. Кварц.
2. Соль.
3. Мерцание.

Керамические и мраморные диэлектрики, которые являются кристаллическими, являются типичными примерами этих значений. Они содержат смесь полупроводников.

У них есть отличительные свойства: диэлектрические потери будут зависеть от условий окружающей среды. Значения величины могут изменяться из-за влияния факторов внешней среды.

Виды диэлектрических потерь

В зависимости от электрических свойств различных видов диэлектрика различают следующие виды диэлектрических потерь, сопровождающихся нагревом диэлектрика:

• потери на ионизацию, наблюдаемые в газах;
• релаксационные потери в жидких (вязких) диэлектриках в результате релаксационной поляризации;
• рассеяние в веществах, имеющих дипольную поляризацию;
• поляризационное рассеяние в материалах с непрерывной электропроводностью;
• высокочастотные резонансные потери;
• диэлектрические потери, вызванные неоднородностью структуры твердых диэлектрических веществ.

Диэлектрические вещества ведут себя по-разному при разных температурах, при постоянном или переменном токе.

Максимальные потери возникают при достижении определенного температурного порога. Этот порог индивидуален для каждого вещества. Тангенс угла δ также зависит от приложенного напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тангенса угла от напряжения

Диэлектрические потери в разных диэлектриках

В газах

Для газообразных веществ или их включений в диэлектрических материалах ионизационные потери характерны при определенных условиях: при ионизации молекул газа. Например, ионизация газов происходит при электрических пробоях током. При этом молекулы газа превращаются в ионы, создавая проводящий канал с максимальным напряжением. В результате диэлектрические потери лавинообразно возрастают, стремясь к максимальному углу tg.

При таких диэлектрических потерях эффект быстро нарастает: Pu = A1 f (U — Ui) 3 , где A1 — постоянная, зависящая от типа вещества, f — частота поля, а символы U, U обозначают приложенное напряжение и ионизацию напряжения в зависимости от давления газа.

Если напряжение Ui не достигает порога, необходимого для запуска процесса ударной ионизации, то нагрев диэлектрика пренебрежимо мал, так как пространственная ориентация дипольных молекул в газах не влияет на электропроводность при поляризации. Поэтому газы являются лучшими диэлектриками с малыми потерями, особенно в области высоких частот.

Зависимость тангенса угла рассеяния мощности в диэлектриках с газовыми включениями иллюстрирует график на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость от тангенса угла потерь

В жидких диэлектриках

Наличие диэлектрических потерь в жидкостях зависит главным образом от их полярности. В среде неполярных диэлектриков рассеяние обусловлено электропроводностью. При наличии примесей дипольных молекул в жидких веществах (так называемых полярных жидкостях) потери мощности могут быть значительными. Это связано с увеличением электропроводности в результате дипольной релаксационной поляризации.

Жидкие полярные изоляторы имеют ярко выраженную зависимость от потери вязкости. Вращаясь под действием магнитного поля в вязкой среде, диполи нагреваются в результате трения. Рассеиваемая мощность жидкого диэлектрика увеличивается до тех пор, пока механизмы поляризации не отстают от изменений электрического поля. При достижении максимума поляризации процесс стабилизируется.

В твердых веществах

Высокочастотные диэлектрики с неполярной структурой имеют малый тангенс δ. К ним относятся качественные материалы:

• сера;
• полимеры;
• керосин и некоторые другие.

Потери в диэлектриках с полярной молекулой более значительны. К таким материалам относятся:

• органические стекла;
• эбонит и другие резиновые вещества;
• полиамиды;
• целлюлозные материалы;
• фенолформальдегидные смолы.

Керамические диэлектрики без примесей имеют плотную структуру ионной решетки. Они обладают высоким удельным сопротивлением и значение tg δ таких материалов не превышает 10-3.

Вещества с рыхлым расположением ионов обладают ионной поляризацией. Они также показывают электронную поляризацию, tg δ поляризации этих диэлектриков даже выше — от 10-2.

Сегнетоэлектрические вещества и вещества со сложной неоднородной структурой, такие как текстолит, пластик, гетинакс и др., имеют tg δ > 0,1.

Потери мощности из-за проводимости происходят во всех диэлектриках. Однако потери становятся заметными только на частотах от 50 до 1000 Гц, в температурном режиме более 100 ºС. Высокое переменное напряжение, как и удельное сопротивление, также влияет на величину рассеяния.

Читайте также: Что такое тахогенератор и зачем он нужен?

Факторы, которые увеличивают тангенс угла диэлектрических потерь

Специалисты выделяют несколько факторов, которые приводят к увеличению тангенса. На первый взгляд они кажутся незначительными, но в итоге определяют КПД трансформатора.

Наличие мыла в маслах

Мыло в маслах, используемых для смазки обмоток трансформатора, изменит числовое значение. Это связано с тем, что мыло провоцирует дополнительное увлажнение, что приводит к снижению удельного сопротивления. Тени увеличивают проводимость, что влияет на рост тангенса.

Диэлектрические потери – это …

Диэлектрические потери представляют собой часть энергии электрического поля, необратимо превращающуюся в теплоту в диэлектрике.

Диэлектрические потери — это электрическая мощность, используемая для нагрева диэлектрика в электрическом поле.

Если вы просмотрите технические параметры любой марки трансформаторного масла, то увидите строчку с надписью «тангенс угла диэлектрических потерь». Что это за показатель и так ли он важен? Попробуем выяснить.

Во-первых, давайте определим диэлектрические потери. Диэлектрические потери — это потери энергии в материале при воздействии на него электромагнитного поля.

Для численной характеристики способности диэлектрика к такой диссипации был введен тангенс угла диэлектрических потерь. Обычно его определяют опытным путем.

В качестве диэлектрика принимается диэлектрик конденсатора, и измеряются его емкость и угол, дополняющие угол фазового сдвига 90° между током и напряжением исследуемой цепи. Тангенс такого угла есть тангенс угла диэлектрических потерь.

Если предположить, что система изоляции выполнена из идеального диэлектрика, то в этом случае потерь при приложении к ней переменного напряжения не будет. Но на практике идеальных материалов не бывает, и всегда будут происходить потери энергии. Вопрос только в их количестве.

Во многих случаях удобно рассчитывать тангенс угла диэлектрических потерь, вычисляя отношение активной мощности, потребляемой изоляцией, к реактивной мощности.

Активная мощность, потребляемая изолирующей средой, обычно незначительна по сравнению с реактивной мощностью. Поэтому при делении получаются значения, не превышающие сотые доли.

Для облегчения последующих расчетов тангенс угла диэлектрических потерь принято вычислять в процентах.

Почему повышается тангенс угла диэлектрических потерь трансформаторных масел?

Если предположить, что в трансформаторе используется масло хорошего пускового качества, то можно утверждать, что увеличение диэлектрических потерь связано с проникновением в диэлектрик посторонних примесей. Чаще всего это плохо пропеченный лак от трансформатора. На тангенс угла диэлектрических потерь влияют старые шламы, мыла, кислые шламоподобные продукты, не содержащие металла (кислоты, смолы, асфальтены, карбены и др.).

Международная электротехническая комиссия рекомендует использовать свежие масла, тангенс угла диэлектрических потерь которых не превышает 0,5% при 90°C.

Как снизить тангенс угла диэлектрических потерь?

Тангенс угла диэлектрических потерь является одним из критических параметров. Это связано с тем, что выход за пределы нормируемых значений требует либо замены, либо восстановления (регенерации) трансформаторного масла.

С точки зрения экономической стоимости второй вариант представляется более перспективным, так как позволяет повторно использовать нефтепродукт по назначению.

Объем масла, необходимый для восполнения небольших потерь, возникающих при регенерации, несопоставим с тем объемом, который потребовался бы для полной замены отработанного сырья.

GlobeCore предлагает универсальное оборудование, предназначенное для очистки, дегазации и регенерации трансформаторных масел. Речь идет об установках типа СММ-Р.

К несомненным достоинствам установок СММ-Р можно отнести возможность многократного восстановления свойств сорбента непосредственно при обработке масла и работе с трансформаторами, находящимися под напряжением.

Технологии GlobeCore — это не только существенная экономия денежных средств и нефтяных ресурсов, но и вклад в снижение вредных выбросов! Чем меньше отработанных масел на нашей планете незаконно сбрасывается в землю и водоемы, тем она будет чище.

Помните, что диэлектрические потери – это не приговор, и при правильном подходе вы сможете контролировать изменение этого параметра.

Что такое мостовая схема

Мостовая схема — это тип соединения, при котором между двумя точками, которые напрямую не соединяют источники, имеется мостовая составляющая. Для равных значений нет применимого диагонального сопровождения, поэтому можно добиться эквивалентности.

Число потерь в газообразных веществах

Так как электропроводность газообразных веществ очень мала, то и число диэлектрических потерь в них невелико.

Когда происходит поляризация молекул газа, диэлектрические потери отсутствуют. В этом случае используется зависимость, называемая кривой ионизации. Эта зависимость показывает, что если тангенс δ увеличивается с ростом напряжения, то это свидетельствует о наличии в этом случае газовых включений в изоляции. Если ионизация значительна, значительны и потери газа, что может привести к нагреву и разрушению изоляции.

Поэтому очень важно при изготовлении утеплителя избавиться от газовых включений. Для этого используется специальная обработка. Он предполагает сушку утеплителя в условиях вакуума, после чего все поры заполняются компаундом под давлением. Следующим шагом будет прокатка. При ионизации образуются озон и оксиды азота, что приводит к разрушению органической изоляции. Если эффект ионизации появляется там, где поля неравномерны, это приводит к значительному снижению эффективности при передаче (это происходит на линиях электропередач).

Формула расчета

Обычно мостовые схемы используются для расчета характеристик конденсаторов с минимальным энергопотреблением. Баланс мостов рассчитывается по стандартной формуле:

• Сх=CNR2/R1;
• Rx=RNR1/R2.

Искомый тангенс, рассчитанный по формуле равновесия, будет равен tgδ=ωCxRx=ωCNRN.

Что способствует повышению диэлектрических потерь

Норма диэлектрических потерь прописывается в инструкции к конкретному устройству. Существуют факторы, вызывающие колебания и отклонения от нормы (чаще ее повышение). Есть несколько типов:

• за счет электропроводности сквозного типа;
• ионизирующий;
• резонанс;
• из-за поляризации.

Если график частотно-температурной зависимости интуитивно понятен, то с другими факторами, приводящими к негативному явлению, дело обстоит иначе. Отметим, что нагрев трансформаторного масла приводит к более интенсивному смещению, а иногда даже смещению зарядов диэлектрика. При стабильно низких температурах вязкость не меняется, поэтому смещения диполей нет.

Но увеличение частоты приводит к улучшению проводимости. Значения емкостного тока могут смещать диполи, при больших значениях трение уменьшается. Увеличение угла также вызывает проявление влаги в любой форме (она может быть и в газообразном виде). Это приводит к увеличению индекса ионизации, при этом увеличивается напряжение.

Методика расчета

Составим схему, где включен конденсатор с диэлектриком. При этом активная мощность в этой цепи должна быть равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике рассматриваемого конденсатора, а угол сдвига, образованный векторами тока и напряжения, должен быть равен углу сдвига в конденсаторе. Такие условные схемы с последовательным и параллельным включением активного сопротивления показаны на рис. 1. На одном и том же изображении строятся векторные диаграммы для каждой схемы.

Рис. 1. Диэлектрические эквивалентные схемы
Рис. 2. Формулы для расчета

Значение символов понятно из рисунка 1.

Отметим, что в качественных диэлектриках величина tg2 δ очень мала, поэтому ею можно пренебречь. Тогда каждая из формул расчета диэлектрических потерь будет иметь вид: Pa = U2*ω*C*tδ. Если напряжение в этой формуле выразить в вольтах, угловую частоту (ω) в с-1, а емкость С в фарадах, то получим мощность (Па) в ваттах.

очевидно, что параметры расчета по приведенным выше схемам зависят от частоты. Отсюда следует, что после расчета параметров диэлектрика на одной частоте их нельзя автоматически переносить для расчетов в других диапазонах частот.

Механизмы потерь по-разному проявляются в твердых, жидких и газообразных веществах. Рассмотрим характер дисперсии в этих диэлектриках.

Технологии GlobeCore — это не только существенная экономия денежных средств и нефтяных ресурсов, но и вклад в снижение вредных выбросов! Чем меньше отработанных масел на нашей планете незаконно сбрасывается в землю и водоемы, тем она будет чище.

Помните, что диэлектрические потери – это не приговор, и при правильном подходе вы сможете контролировать изменение этого параметра.