ડાઇલેક્ટ્રિક નુકશાન શું છે અને તેનું કારણ શું છે

ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન એ ડાઇલેક્ટ્રિકમાં એકમ સમય દીઠ વિખરાયેલી ઉર્જા છે જ્યારે તેના પર ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ લાગુ કરવામાં આવે છે અને ડાઇલેક્ટ્રિક ગરમ થવાનું કારણ બને છે. સતત વોલ્ટેજ પર, ઊર્જાની ખોટ માત્ર વોલ્યુમ અને સપાટીના વહનને કારણે થ્રુ કરંટની તાકાત દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. વૈકલ્પિક વોલ્ટેજ પર, વિવિધ પ્રકારના ધ્રુવીકરણ, તેમજ સેમિકન્ડક્ટરની અશુદ્ધિઓ, આયર્ન ઓક્સાઇડ, કાર્બન, ગેસના સમાવેશ વગેરેને કારણે થતા નુકસાનમાં આ નુકસાન ઉમેરવામાં આવે છે.

સૌથી સરળ ડાઇલેક્ટ્રિકને ધ્યાનમાં લેતા, આપણે વૈકલ્પિક વોલ્ટેજના પ્રભાવ હેઠળ તેમાં વિખરાયેલી શક્તિ માટે અભિવ્યક્તિ લખી શકીએ છીએ:

Pa = U·I,

જ્યાં U એ ડાઇલેક્ટ્રિક પર લાગુ થતો વોલ્ટેજ છે, Aza એ ડાઇલેક્ટ્રિકમાંથી વહેતા પ્રવાહનો સક્રિય ઘટક છે.

ડાઇલેક્ટ્રિક સમકક્ષ સર્કિટ સામાન્ય રીતે કેપેસિટર અને શ્રેણીમાં જોડાયેલ સક્રિય પ્રતિકારના સ્વરૂપમાં રજૂ થાય છે. વેક્ટર ડાયાગ્રામમાંથી (ફિગ. 1 જુઓ):

Aza = એકીકૃત સર્કિટ·tgδ,

જ્યાં δ — કુલ વર્તમાન I અને તેના કેપેસિટીવ ઘટક એકીકૃત સર્કિટના વેક્ટર વચ્ચેનો ખૂણો.

તેથી

Pa = U· એકીકૃત સર્કિટ·tgδ,

પરંતુ વર્તમાન

ઈન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ = UΩ C,

કોણીય આવર્તન પર કેપેસિટર (ડાઇલેક્ટ્રિક આપેલ) ની કેપેસીટન્સ ક્યાં છે ω.

પરિણામે, ડાઇલેક્ટ્રિકમાં વિખરાયેલી શક્તિ છે

Pa = U2Ω C·tgδ,

એટલે કે ડાઇલેક્ટ્રિકમાં વિખરાયેલી ઊર્જાની ખોટ એ કોણની સ્પર્શકના પ્રમાણસર હોય છે δ જેને કહેવાય છે ડાઇલેક્ટ્રિક નુકશાન કોણ અથવા ફક્ત નુકશાનનો કોણ. આ કોણ δ k ડાઇલેક્ટ્રિકની ગુણવત્તા દર્શાવે છે. એન્ગલ di ઇલેક્ટ્રીક નુકસાન δ જેટલો નાનો છે, ઇન્સ્યુલેટીંગ સામગ્રીના ડાઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો વધારે છે.

ચોખા. 1. વૈકલ્પિક વોલ્ટેજ હેઠળ ડાઇલેક્ટ્રિકમાં પ્રવાહોનું વેક્ટર ડાયાગ્રામ.

કોણ δ ની વિભાવનાની રજૂઆત પ્રેક્ટિસ માટે અનુકૂળ છે, કારણ કે ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાનના સંપૂર્ણ મૂલ્યને બદલે, સંબંધિત મૂલ્ય ધ્યાનમાં લેવામાં આવે છે, જે વિવિધ ગુણવત્તાના ડાઇલેક્ટ્રિક્સ સાથે ઇન્સ્યુલેશન ઉત્પાદનોની તુલના કરવાનું શક્ય બનાવે છે.

વાયુઓમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન

વાયુઓમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન ઓછું હોય છે. વાયુઓ ધરાવે છે ખૂબ ઓછી વિદ્યુત વાહકતા… તેમના ધ્રુવીકરણ દરમિયાન દ્વિધ્રુવીય વાયુના પરમાણુઓની દિશા ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન સાથે નથી. ઉમેરણ tgδ=e(U) ને આયનીકરણ વળાંક કહેવામાં આવે છે (ફિગ. 2).

ચોખા. 2. હવાના સમાવેશ સાથે ઇન્સ્યુલેશન માટે વોલ્ટેજના કાર્ય તરીકે tgδ માં ફેરફાર

વધતા વોલ્ટેજ સાથે વધતો tgδ ઘન ઇન્સ્યુલેશનમાં ગેસના સમાવેશની હાજરીનું મૂલ્યાંકન કરી શકે છે. ગેસમાં નોંધપાત્ર આયનીકરણ અને નુકસાન સાથે, ગરમી અને ઇન્સ્યુલેશનનું ભંગાણ થઈ શકે છે.તેથી, ઉત્પાદન દરમિયાન ગેસના સમાવેશને દૂર કરવા માટે ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ વિદ્યુત મશીનોના વિન્ડિંગ્સના ઇન્સ્યુલેશનને વિશેષ સારવાર આપવામાં આવે છે - શૂન્યાવકાશ હેઠળ સૂકવવા, દબાણ હેઠળ ગરમ સંયોજન સાથે ઇન્સ્યુલેશનના છિદ્રોને ભરવા અને દબાવવા માટે રોલિંગ.

હવાના સમાવેશનું આયનીકરણ ઓઝોન અને નાઇટ્રોજન ઓક્સાઇડની રચના સાથે છે, જે કાર્બનિક ઇન્સ્યુલેશન પર વિનાશક અસર કરે છે. અસમાન ક્ષેત્રોમાં હવાનું આયનીકરણ, ઉદાહરણ તરીકે, પાવર લાઇનમાં, દૃશ્યમાન પ્રકાશ (કોરોના) અને નોંધપાત્ર નુકસાનની અસર સાથે છે, જે ટ્રાન્સમિશન કાર્યક્ષમતાને ઘટાડે છે.

પ્રવાહી ડાઇલેક્ટ્રિક્સમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન

પ્રવાહીમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન તેમની રચના પર આધારિત છે. અશુદ્ધિઓ વિના તટસ્થ (બિન-ધ્રુવીય) પ્રવાહીમાં, વિદ્યુત વાહકતા ખૂબ ઓછી હોય છે, તેથી તેમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન પણ ઓછું હોય છે. ઉદાહરણ તરીકે, શુદ્ધ કન્ડેન્સર તેલમાં tgδ હોય છે

ટેકનોલોજીમાં, ધ્રુવીય પ્રવાહી (સોવોલ, એરંડાનું તેલ, વગેરે) અથવા તટસ્થ અને દ્વિધ્રુવીય પ્રવાહીનું મિશ્રણ (ટ્રાન્સફોર્મર તેલ, સંયોજનો, વગેરે), જેમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન તટસ્થ પ્રવાહી કરતાં નોંધપાત્ર રીતે વધારે છે. ઉદાહરણ તરીકે, એરંડા તેલનું tgδ 106 Hz ની આવર્તન અને 20°C (293 K) તાપમાન 0.01 છે.

ધ્રુવીય પ્રવાહીનું ડાઇલેક્ટ્રિક નુકશાન સ્નિગ્ધતા પર આધાર રાખે છે. આ નુકસાનને દ્વિધ્રુવીય નુકસાન કહેવામાં આવે છે કારણ કે તે દ્વિધ્રુવ ધ્રુવીકરણને કારણે છે.

ઓછી સ્નિગ્ધતા પર, અણુઓ ઘર્ષણ રહિત ક્ષેત્રની ક્રિયા હેઠળ લક્ષી હોય છે, આ કિસ્સામાં દ્વિધ્રુવનું નુકસાન ઓછું હોય છે, અને કુલ ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન ફક્ત વિદ્યુત વાહકતાને કારણે થાય છે. વધતી જતી સ્નિગ્ધતા સાથે દ્વિધ્રુવનું નુકસાન વધે છે.ચોક્કસ સ્નિગ્ધતા પર, નુકસાન મહત્તમ છે.

આ એ હકીકત દ્વારા સમજાવવામાં આવ્યું છે કે પૂરતી ઊંચી સ્નિગ્ધતા પર પરમાણુઓ પાસે ક્ષેત્રમાં પરિવર્તનને અનુસરવાનો સમય નથી અને દ્વિધ્રુવ ધ્રુવીકરણ વ્યવહારીક રીતે અદૃશ્ય થઈ જાય છે. આ કિસ્સામાં, ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન ઓછું છે. જેમ જેમ આવર્તન વધે છે તેમ, મહત્તમ નુકસાન ઊંચા તાપમાનના પ્રદેશમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે.

નુકસાનની તાપમાન અવલંબન જટિલ છે: tgδ વધતા તાપમાન સાથે વધે છે, તેની મહત્તમ પહોંચે છે, પછી ન્યૂનતમ સુધી ઘટે છે, પછી ફરીથી વધે છે, આ વિદ્યુત વાહકતામાં વધારો દ્વારા સમજાવવામાં આવે છે. દ્વિધ્રુવની ખોટ વધતી જતી આવર્તન સાથે વધે છે જ્યાં સુધી ધ્રુવીકરણને ક્ષેત્રમાં ફેરફારને અનુસરવાનો સમય ન મળે, ત્યારબાદ દ્વિધ્રુવ પરમાણુઓ પાસે ક્ષેત્રની દિશામાં સંપૂર્ણ રીતે દિશામાન થવાનો સમય નથી હોતો અને નુકસાન સતત બને છે.

ઓછી સ્નિગ્ધતાવાળા પ્રવાહીમાં, ઓછી આવર્તન પર વહનની ખોટ પ્રબળ હોય છે અને દ્વિધ્રુવની ખોટ નહિવત્ હોય છે; તેનાથી વિપરિત, રેડિયો ફ્રીક્વન્સીઝ પર દ્વિધ્રુવની ખોટ વધુ હોય છે. તેથી, ઉચ્ચ આવર્તન ક્ષેત્રોમાં દ્વિધ્રુવીય ડાઇલેક્ટ્રિક્સનો ઉપયોગ થતો નથી.

ઘન ડાઇલેક્ટ્રિક્સમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન

ઘન ડાઇલેક્ટ્રિક્સમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન બંધારણ (સ્ફટિકીય અથવા આકારહીન), રચના (કાર્બનિક અથવા અકાર્બનિક) અને ધ્રુવીકરણની પ્રકૃતિ પર આધારિત છે. સલ્ફર, પેરાફિન, પોલિસ્ટરીન જેવા નક્કર તટસ્થ ડાઇલેક્ટ્રિક્સમાં, જેમાં ફક્ત ઇલેક્ટ્રોનિક ધ્રુવીકરણ હોય છે, ત્યાં કોઈ ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન નથી. નુકસાન ફક્ત અશુદ્ધિઓને કારણે થઈ શકે છે. તેથી, આવી સામગ્રીનો ઉપયોગ ઉચ્ચ-આવર્તન ડાઇલેક્ટ્રિક્સ તરીકે થાય છે.

અકાર્બનિક પદાર્થો, જેમ કે રોક સોલ્ટ, સિલ્વાઇટ, ક્વાર્ટઝ અને શુદ્ધ અભ્રકના સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ, જેમાં ઇલેક્ટ્રોનિક અને આયનીય ધ્રુવીકરણ હોય છે, માત્ર વિદ્યુત વાહકતાને કારણે ઓછા ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન થાય છે. આ સ્ફટિકોમાં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન આવર્તન પર આધારિત નથી, અને tgδ વધતી આવર્તન સાથે ઘટે છે. જેમ જેમ તાપમાન વધે છે તેમ, નુકસાન અને tgft વિદ્યુત વાહકતાની જેમ જ બદલાય છે, ઘાતાંકીય કાર્યના નિયમ અનુસાર વધે છે.

વિવિધ રચનાના ચશ્મામાં, ઉદાહરણ તરીકે, વિટ્રિયસ તબક્કાની ઉચ્ચ સામગ્રીવાળા સિરામિક્સ, વિદ્યુત વાહકતાને કારણે થતા નુકસાન જોવા મળે છે. આ નુકસાન નબળા બંધાયેલા આયનોની હિલચાલને કારણે થાય છે; તેઓ સામાન્ય રીતે 50 - 100 ° સે (323 - 373 કે) થી વધુ તાપમાને થાય છે. ઘાતાંકીય કાર્યના નિયમ અનુસાર તાપમાન સાથે આ નુકસાન નોંધપાત્ર રીતે વધે છે અને આવર્તન પર થોડો આધાર રાખે છે (વધતી આવર્તન સાથે tgδ ઘટે છે).

અકાર્બનિક પોલીક્રિસ્ટલાઇન ડાઇલેક્ટ્રિક્સ (આરસ, સિરામિક્સ, વગેરે) માં, સેમિકન્ડક્ટર અશુદ્ધિઓની હાજરીને કારણે વધારાના ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન થાય છે: ભેજ, આયર્ન ઓક્સાઇડ, કાર્બન, ગેસ, વગેરે. સમાન સામગ્રી, કારણ કે પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓના પ્રભાવ હેઠળ સામગ્રીના ગુણધર્મો બદલાય છે.

કાર્બનિક ધ્રુવીય ડાઇલેક્ટ્રિક્સ (લાકડું, સેલ્યુલોઝ ઇથર્સ, કુદરતી દ્રાવણ, કૃત્રિમ રેઝિન) માં ડાઇલેક્ટ્રિક નુકસાન છૂટક કણોના પેકિંગને કારણે માળખાકીય ધ્રુવીકરણને કારણે છે. આ નુકસાન ચોક્કસ તાપમાને મહત્તમ તાપમાન તેમજ તેની વૃદ્ધિ સાથે વધતી આવર્તન પર આધાર રાખે છે. તેથી, આ ડાઇલેક્ટ્રિક્સનો ઉપયોગ ઉચ્ચ આવર્તન ક્ષેત્રોમાં થતો નથી.

લાક્ષણિક રીતે, સંયોજન સાથે ફળદ્રુપ કાગળ માટે તાપમાન પર tgδ અવલંબન બે મેક્સિમા ધરાવે છે: પ્રથમ નકારાત્મક તાપમાને જોવા મળે છે અને તંતુઓના નુકસાનને દર્શાવે છે, એલિવેટેડ તાપમાને બીજું મહત્તમ સંયોજનના દ્વિધ્રુવના નુકસાનને કારણે છે. જેમ જેમ ધ્રુવીય ડાઇલેક્ટ્રિક્સમાં તાપમાન વધે છે તેમ, વિદ્યુત વાહકતા સાથે સંકળાયેલ નુકસાન વધે છે.