Механические, тепловые и физико-химические характеристики диэлектриков.
Электротехническая аппаратура может работать в различных условиях, поэтому при выборе электроизоляционных материалов для ее изготовления учитывают как электрические параметры, так и механические, тепловые и физико-химические свойства, а правильный выбор их обеспечивает надежность и долговечность работы диэлектриков.
Основными механическими характеристиками являются прочность при растяжении, сжатии, изгибе, удельная ударная вязкость, вибро прочность.
Простейшие виды статические механических нагрузок - растягивающих, сжимающих и изгибающих - изучаются на основании элементарных закономерностей, известных из курса сопротивления материалов.
Значения пределов прочности при растяжении ( σ р ), сжатии ( σ с ) и изгибе ( σ и ) в системе СИ выражаются в паскалях (Н/м2).
Ударную вязкость ( σ уд ) материала находят делением затраченной на излом образца энергии А на площадь поперечного сечения образца. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м2.
В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций. Такая проверка проводится на вибростендах.
К основным тепловым характеристикам относятся температура вспышки паров, температура плавления, температура размягчения, теплостойкость, морозостойкость, нагревостойкость, температурные коэффициенты.
Температура вспышки - это такая температура, при которой смесь паров жидкого диэлектрика с воздухом вспыхивает от приближения небольшого открытого пламени, от искры и т. д. Она определяется с помощью прибора ПВНО (прибор вспышки - нагрева огневой) или ПВНЭ (прибор вспышки - нагрев электрический).
Если для кристаллических материалов основным тепловым параметром является температура плавления, то для аморфных веществ аналогичной характеристикой является температура размягчения. При размягчении происходит снижение механической прочности и постепенная деформация изделий. Одним из весьма распространенных параметров, характеризующих способность материала сохранять форму при нагреве и механических нагрузках, является теплостойкость по Мартенсу.
Морозостойкость определяет способность материала противостоять действию низких температур.
Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры, а также резких изменений температуры называется нагревостойкостью. Материалы, употребляемые для изоляции электрических машин и аппаратов, по величине длительно допустимой рабочей температуры подразделяются на семь классов нагревостойкости, которые следует изучить.
Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К-1.
Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.
Следует изучить следующие физико-химические характеристики диэлектриков: вязкость жидких диэлектриков, кислотное число, химическую стойкость, влагостойкость, радиационную стойкость, тропическую стойкость.
Вязкость является важным параметром жидких диэлектриков. Она измеряется вискозиметром. Сущность определения сводится к тому, что из сосуда через калиброванное отверстие в его дне выпускается определенный объем испытуемого материала и точно измеряется время истечения.
^ Кислотное число характеризует содержание в материале свободных кислот, которые вызывают коррозию соприкасающихся с ним металлов. Его величина определяется количеством едкого кали КОН, требующимся для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1 г испытуемого материала.
При работе материалов в химически активных, агрессивных средах разрешающее воздействие на разные материалы может быть сильным. Для работы в таких условиях, в зависимости от их природа, материалы должны обладать определенной химической стойкостью, которая определяется аналогично влагостойкости по изменению массы, размеров, механических и электрических параметров.
Для испытания на тропикостойкость материалы и изделия из них выдерживают при температуре 40-50°С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков.
Радиационной стойкостью называется способность электроизоляционного материала без повреждений и без существенного изменения практически важных свойств выдержать воздействие радиационных излучений.
УРОК №14
Газообразные диэлектрики.
В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации.
При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними и т.д.) различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность. Он нередко применяется вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, он не содержит кислорода, который оказывает окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу, и соединения, содержащие галогены (фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SF6 имеет электрическую прочность примерно в 2, 5 раза выше, чем у воздуха В связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым Б.М. Гохбергом элегазом (сокращение от слов «электричество» и «газ»).
Элегаз примерно в 5, 1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения, он может быть сжат (при нормальной температуре) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.п. Особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях.
Дихлордифторметан CCl2F2, так называемый фреон, имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но его температура кипения всего лишь 242, 7 К (-30, 5°С), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0, 6 МПа. Фреон вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов, что надо иметь в виду при конструировании электрических холодильников.
Даже небольшая примесь к воздуху элегаза, фреона, перфторорганических газов или паров заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.
Значительный интерес для электротехники представляет водород. Это очень легкий газ, обладающий весьма благоприятными свойствами для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха (водород характеризуется высокими значениями удельной теплопроводности и теплоемкости). При использовании водорода охлаждение вращающихся электрических машин существенно улучшается. Кроме того, при замене воздуха водородом заметно снижаются потери мощности на трение ротора машины о газ и на вентиляцию, так как эти потери приблизительно пропорциональны плотности газа. Вследствие отсутствия окисляющего действия кислорода воздуха замедляется старение органической изоляции обмоток машины и устраняется опасность пожара в случае короткого замыкания внутри машины. Наконец, в атмосфере водорода улучшаются условия работы щеток.
УРОК №15
Жидкие диэлектрики.
Жидкие диэлектрики это:
жидкости с низкой электропроводностью (10–10 Ом–1·см–1). Используются в электротехнике как изоляционные материалы, наибольшее применение имеют минеральные масла (в трансформаторах, конденсаторах и т. д.).
ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
ЖИ́ ДКИЕ ДИЭЛЕ́ КТРИКИ, молекулярные жидкости, удельное электрическое сопротивление которых превышает 1010 Ом см. Как и твердые диэлектрики, жидкие диэлектрики поляризуются в электрических полях: для них характерна электронная и ориентационная поляризация. Диэлектрическая проницаемость (статическая) жидких диэлектриков может достигать значений 102(для частоты 104Гц). В сильных электрических полях происходит электрический пробой жидких диэлектриков, механизм которого (тепловой или электронный) зависит от природы жидкости, ее чистоты, температуры, и др.
Жидкими диэлектриками являются насыщенные ароматические, хлорированные и фторированные углеводороды, ненасыщенные парафиновые и вазелиновые масла, кремнийорганические соединения (полиорганосилоксаны), сжиженные газы, дистиллированная вода, расплавы некоторых халькогенидов и др. Для жидких диэлектриков характерна ковалентная связь электронов в молекулах, а между молекулами действуют ван-дер-ваальсовые Жидкие диэлектрики применяются в электроизоляционной технике в качестве пропитывающих и заливочных составов при производстве электро- и радиотехнической аппаратуры: в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. По применению они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей. Электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и теплопроводность жидких диэлектриков имеет более высокие значения по сравнению с воздухом и другими газами при атмосферном давлении. Поэтому электроизоляционные жидкие диэлектрики должны обеспечивать повышение электрической прочности твердой пористой изоляции, отвод тепла от обмоток трансформатора, гашение электрической дуги в масляных выключателях. В импульсном электрическом поле их электрическая прочность возрастает.
Основными характеристиками диэлектрических жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.
Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. Собственная проводимость жидких диэлектриков имеет электронную и ионную составляющие. Она обусловлена автоэлектронной эмиссией с катода, электролитической диссоциацией молекул, ионизацией молекул. Электрические свойства жидких диэлектриков в значительной мере зависят от степени их очистки. Загрязнения, как правило, снижают электрическую прочность жидких диэлектриков и увеличивают проводимость за счет возрастания количества ионов и заряженных коллоидных частиц.
Проводимость жидкостей определяется ионизацией молекул и наличием в жидкости примесей. Основными примесями, уменьшающими электрическую прочность, являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Очистка диэлектрических жидкостей (дистилляцией, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом) приводит к уменьшению электропроводности и диэлектрических потерь и возрастанию электрической прочности. Электрическая прочность в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков.
Наиболее распространенными жидкими диэлектриками, применяемыми в качестве электроизоляционных материалов, являются:
нефтяные масла — трансформаторное, конденсаторное и кабельное;
синтетические жидкие диэлектрики — полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические;
растительные технические масла (касторовое, льняное, конопляное и тунговое) в электроизоляционной технике применяются ограниченно.
Нефтяные электроизоляционные масла
Нефтяные масла — слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу представляют смесь различных углеводородов парафинового, нафтенового, ароматического и нафтено-ароматического рядов с небольшим (до 1% масс) содержанием присадок, улучшающих их стойкость к термоокислительному старению, а также температурно-вязкостные характеристики. Нефтяное трансформаторное масло получило наиболее широкое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных водах. Нефтяное трансформаторное масло является неполярным диэлектриком. Поэтому в чистом масле диэлектрические потери обусловлены в основном токами проводимости, величина которых мала, следовательно, малы и диэлектрические потери. При 20оС и 100 Гц = 2, 2—2, 3, = 1010-1013Ом.м, Епр= 10—28 кВ/мм. В механизме пробоя основное влияние на образование газоразрядного канала проводимости имеет нерастворенная в масле полярная полупроводящая и проводящая примесь. Вода, растворенная в масле, увеличивает электропроводность и электрические потери, но мало влияет на электрическую прочность. Вода, выделенная в виде мелкодисперсных капель, вызывает резкое увеличение неоднородности поля, что приводит к снижению пробивного напряжения.
Нефтяное конденсаторное масло получают из трансформаторного путем его более глубокой очистки адсорбентами. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного масла. При 20оС и 1 Гц = 2, 1—2, 3, = 1011-1012Ом.м, Епр= 14—18 кВ/мм. Используют для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых. При пропитке в результате заполнения пор бумаги маслом увеличиваются диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность бумаги, следовательно, возрастают емкость конденсатора и его рабочее напряжение.
Нефтяное кабельное масло применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей на напряжение до 110кВ и выше.
Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и меньшими значениями tg (до 2.10-4). Недостатки нефтяных масел — пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость к тепловому и электрическому старению, гигроскопичность.
Синтетические жидкие диэлектрики
Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов (совол, совтол), что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено.
Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Они не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью и морозостойкостью. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка: Кремний-кислородная связь имеет высокую термическую и химическую стойкость, поэтому кремнийорганические соединения устойчивы при высоких температурах (до 250оС). По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. При 20оС и 100 Гц = 2, 4—2, 8, = 1011-1012Ом.м, Епр= 14—18 кВ/мм. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, работающих при повышенной температуре, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях. Их недостаток — сравнительно быстрая воспламеняемость, кроме того, они значительно дороже нефтяных масел.
Жидкие диэлектрики на основе фторорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Молекулы фторорганических жидкостей состоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. Фторорганические жидкости — неполярные диэлектрики. При 20оС и 100 Гц = 2, 2—2, 5, = 1012-1014Ом.м, Епр= 12—19 кВ/мм. Они обеспечивают более интенсивный отвод тепла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и кремнийорганические соединения. Применяются для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах. Недостатки — токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, высокая стоимость.
Растительные масла
К растительным маслам относятся касторовое, тунговое, льняное, конопляное. Растительные масла — слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую нагревостойкость и используется как пластификатор и для пропитки бумажных конденсаторов. Тунговое, льняное и конопляное масла относятся к «высыхающим» маслам. Высыхание обусловлено не испарением жидкости, а химическим процессом, в основе которого лежит окислительная полимеризация. Используются в качестве пленкообразующих в лаках (в том числе электроизоляционных), эмалях и красках.
УРОК № 16
Популярное:
