Основные виды жидких диэлектриков

ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают поляр­ными и неполярными. Их электрофизические свойства в значитель­ной степени зависят от строения молекул и наличия примесей. При­меси образуются при окислении и разложении углеводородных фракций, при поглощении воды и попадании частичек волокнистых материалов.

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической прони­цаемостью ε, электропроводностью, диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ), электрической прочностью Е .

У полярных жидкостей (совол, гексол, этиленгликоль) диэлектрическая проницаемость ε определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Например, у гексола ε = 3, у этиленгликоля ε = 40.

У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется в основном только электронной поляризацией, не зависит от частоты и уменьшается с ростом температуры, приближаясь к единице.

Это явление объясняется уменьшением числа молекул в единице объема. У неполярных жидкостей ε меньше, чем у полярных. Например, у четыреххлористого углерода ε = 2,163, у толуола ε = 2,294.

Электропроводность жидких диэлектриков обусловлена переме­щением ионов, которые возникают в результате диссоциации самой жидкости и примесей, а также перемещением заряженных частиц примеси — молионов. С повышением температуры возрастает подвижность ионов и степень тепловой диссоциации. Эти факторы увеличивают электропроводность.

При небольших напряженностях электрического поля вступает в силу закон Ома, т.е. электрический ток I

, проходящий в жидкости, меняется пропорционально напряженности поля. В электрических полях с большой напряженностью
Е
(примерно 10…100 МВ/м) элек­трический ток не подчиняется закону Ома из-за увеличения числа ионов под влиянием поля.

Кроме ионной электропроводности у жидких диэлектриков на­блюдается молионная электропроводность, когда носителями заря­дов являются мельчайшие примеси. Такими примесями могут быть вода, различные твердые высокодисперсные частицы, находящие­ся во взвешенном состоянии (волокна, пылинки и др.). Эти части­цы адсорбируют своей поверхностью ионы и при воздействии элек­трического поля перемещаются к соответствующим электродам. У технических жидких диэлектриков, содержащих определенную долю примесей, при комнатной температуре преобладает молионная про­водимость. Молионная проводимость наблюдается, например, у трансформаторного масла, содержащего мельчайшие частицы гли­ны и эмульгированную воду.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает их удельное сопротивление, однако полностью удалить примеси невозможно.

Преобладание конкретного вида проводимости зависит от энер­гии диссоциации, т. е. энергии, необходимой для разрушения моле­кул и образования ионов. Чем выше энергия диссоциации, тем мень­ше ионная проводимость.

У полярных жидкостей диэлектрические потери состоят из по­терь на электропроводность и потерь, связанных с дипольно-релаксационной поляризацией. Они зависят от температуры, частоты и вязкости жидкости, так как поворот диполей в вязкой среде вызывает потери энергии на трение молекул. На высоких частотах жид­кие диэлектрики имеют повышенные диэлектрические потери. Например, совол при температуре Т- 90°С и частоте f

= 50 Гц имеет tgδ = 0,015. Поэтому жидкие полярные диэлектрики не рекоменду­ют применять на высоких частотах.

Диэлектрические потери у неполярных жидкостей, не содержа­щих примесей, — это потери, по существу, на электропроводность. Они не зависят от частоты и растут с ростом температуры, что объяс­няется увеличением сквозного тока. Диэлектрические потери этих жидкостей малы, так как мала их электропроводность. Например, чистое трансформаторное масло при температуре Т= 90°С и частоте f = 50 Гц имеет tgδ = 0,003.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в основном определяется наличием посторонних примесей, полярностью жидко­сти, температурой и другими факторами. Присутствующие в жид­кости пузырьки газа ионизируются, выделяя энергию, которая приводит к местному перегреву жидкости. Это ведет к образованию газового канала между электродами и в результате к пробою жидкости. Кроме газовых включений значительным фактором, снижа­ющим электрическую прочность жидких диэлектриков, является вода. Капельки воды поляризуются под влиянием электрического поля и образуют между электродами цепочки с повышенной про­водимостью, по которым и происходит электрический пробой. Элек­трическая прочность жидкостей, содержащих примеси, ниже, чем у очищенных.

В качестве жидких электроизоляционных материалов в электро­технических устройствах используют нефтяные (минеральные) мас­ла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное), синтетические жидкие диэлектрики (хлорированные углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости, сложные эфиры различных типов) и растительные масла.

Нефтяные электроизоляционные

масла. Нефтяные масла полу­чают в процессе ступенчатой перегонки нефти и удаления из нефтя­ного дистиллята (Продукт дистилляции; например, при перегонке нефти дистилляты — бензин, керо­син, смазочные масла и др) нестойких соединений (нафтеновых кислот, серы, смолы, кислорода, азота и др.).

Технологическая операция очистки нефтяного дистиллята от посторонних примесей называется рафинированием. От качества ее проведения в определенной степени зависят эксплуатационные свой­ства масла.

Эти масла обладают рядом свойств, которые обеспечили им широкое применение. Они сравнительно дешевы и могут производиться в больших количествах, при хорошей очистке имеют малый тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, обладают достаточно высокой электрической прочностью.

К недостаткам нефтяных масел относят ограниченный интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность, склонность к старению.

При работе в малозаполненном электрическом аппарате вследствие окисления соответствующих фракций углеводородов масло постепенно стареет, становясь более темным. В нем образуются частично растворимые и нерастворимые загрязняющие продукты. Нерастворимые тяжелые примеси оседают на погруженные в масло детали в виде «ила», вязкость масла увеличивается, что ухудшает теплоотвод от нагревающихся деталей. Процесс старения уско­ряется при контакте с воздухом, особенно, если воздух содержит озон; воздействии света и электрического поля; соприкосновении с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т.п.) и другими ве­ществами с кристаллическим строением; повышении температуры, контактировании с резинами.

При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы, что опасно, так как пузырьки газов могут стать очагами частичных разрядов. Если при этом температура газообразных продуктов (смеси паров масла и воздуха) превосходит их температуру вспышки, то может произойти взрыв.

Способность масел не выделять газов при старении в электрическом поле (или даже поглощать ранее выделившиеся газы) называют газостойкостью масел.

Для борьбы со старением масел используют следующие средства:

вводят антиокислительные присадки (ингибиторы вещества, замедляющие химические реакции или прекращающие их; применяют для замедления или предотвращения некоторых процессов, например коррозии металлов, окисления топлив (от лат. inhibere — сдерживать, останавливать)), которые лег­ко соединяются с кислородом, защищая углеводородные фракции от окисления, замедляют старение масел и увеличивают его срок службы; ингибиторами являются ионол, пирамидон и др.;

ограничивают рабочую температуру (95°С для трансформаторов с воздушным охлаждением и 85°С — с водяным);

производят непрерывную фильтрацию масел через адсорбенты;

подвергают состарившееся масло регенерации (Превращение отработанных продуктов в исходные для повторного их использования (от лат. regeneratio — восстановление, возрождение, возобновление)), т.е. восстановлению его свойств путем очистки и сушки.

Трансформаторное масло

— жидкость от почти бесцветного до темно-желтого цвета. По химическому составу представляет собой смесь нафтеновых и парафиновых углеводородов и поэтому является неполярным диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью (ε = 2,2…2,3). После рафинирования масло допол­нительно очищается. Для этого оно обрабатывается щелочью, про­мывается водой и сушится. Окончательная очистка производится с помощью адсорбентов (Тела, на поверхности которых происходит поглощение вещества из раствора или газа) (силикагеля, инфузорных земель) и фильтр-прессов.

Трансформаторное масло обладает следующими свойствами: малая вязкость, что весьма важно, так как слишком вязкое масло хуже отводит теплоту потерь от обмоток и сердечника трансформатора и хуже пропитывает пористую изоляцию; температура застывания -70°С (что особенно важно для аппа­ратуры, работающей при низкой температуре окружающей среды);

электрическая прочность Е

пр — 10…25 МВ/м (очень чувствительна к увлажнению, но при сушке восстанавливается);

теплоемкость и теплопроводность масла увеличиваются с ростом температуры (при свободной конвекции (Перенос теплоты, массы, зарядов движущейся средой, например потоками воздуха, возникающими естественным путем в неоднородной среде (естественная конвекция) или создаваемыми искусственно (вынужденная конвекция) (от лат. convectio — привоз, шнесение)) масло отводит теплоту от погруженных в него обмоток и сердечника трансформатора в 25…30 раз интенсивнее, чем воздух).

Основными недостатками трансформаторного масла являются старение, воспламеняемость и горючесть, гигроскопичность (кате­горически запрещается хранить его в открытой таре).

Применяют трансформаторное масло в качестве изолирующей и охлаждающей среды в силовых и импульсных трансформаторах, реакторах высоковольтных выключателях, таких как дугогасящая среда.

Кабельное масло

отличается от трансформаторного повы­шенной вязкостью, а от конденсаторного — пониженными электри­ческими свойствами. Оно используется как составная часть в масляно-канифольных компаундах для пропитки изоляции силовых кабелей.

Конденсаторное масло

получается из трансформаторного после дополнительной обработки его в вакууме для удаления из него растворенного воздуха, что снижает диэлектрические потери. Его используют для пропитки изоляции в бумажных и пленочных кон­денсаторах, что позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конденсаторов.

Синтетические жидкие диэлектрики. Применение синтетических жидких диэлектриков предпочтительно в тех случаях, когда они по свойствам превосходят электроизоляционные масла. Например, ели требуется применение неполярных жидких диэлектриков или жидких диэлектриков с более высокой пожаро- и взрывоопасностью, чем у электроизоляционных масел.

Хлорированные углеводороды получают заменой некоторых или даже всех атомов водорода атомами хлора у различных углеводородов. Наиболее часто применяют полярные продукты хлорирования дифенила. Хлорированные дифенилы, а также газы, которые образуются при воздействии на эти жидкости электрической дуги, токсичны. Поэтому в ряде стран применение хлорированных дифенилов для пропитки конденсаторов запрещено законом. Наиболее известными представителями этой группы являются совол и севтол-10. Атомы в молекулах этих материалов расположены несимметрично, поэтому совол и севтол-10 являются полярными.

Совол и севтол-10 мало подвержены старению, не образуют с воздухом взрывчатых смесей, негигроскопичны, токсичны, дорогостоящи.

Совол (пентахлордифенил) представляет собой бесцветную вязкую жидкость, полученную хлорированием дифенила (С12Н10), в результате чего у последнего пять атомов водорода замещаются хлором. Совол является негорючим веществом, не окисляется, что составляет его главное преимущество перед нефтяными маслами. Однако его применение ограничивается следующими недостатками плотность D

= 1500… 1560, температура вспышки Твсп = 205…230°С, температура застывания Т3 = + 5°С, электрическая прочность при температуре Т= 20°С
Е
пр = 14… 18 МВ/м, значительная вязкость и области рабочих температур, что не позволяет использовать его в чистом виде; он примерно в 10 раз дороже трансформаторного масла.

Применяется взамен конденсаторного масла для пропитки низковольтных бумажных конденсаторов с повышенной емкостью.

Севтол-10 — негорючая, с повышенной температурой застывания жидкость, которую получают, разбавляя совол трихлорбензолом. Применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформатров.

Кремнийорганические жидкости — это продукт синтеза кремнистых и углеродистых соединений, свойства которых определяются типом органических радикалов. В соответствии с этим различают полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые и полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Эти жидкости характеризуются высокой нагревостойкостью, низкой температурой застывания, малым температурным коэффициентом вязкости, химической инертностью, малыми диэлект­рическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ) и низкой гигроскопичностью.

Полиметилсилоксановые жидкости получаются гидролизом диметилхлорсиланов с триметилхлорсиланами. Они не растворяются в спиртах и ацетоне, обладают высокой инертностью и не влияют на свойства металлов и резин при контакте с ними. Применяют для пропитки бумажных конденсаторов и гидрофобизации изоляционных лент.

Полидиэтилсилоксановые жидкости представляют собой смеси полиэтилсилоксанов. Бесцветны. Применяются для пропитки и за­ливки конденсаторов, работающих в интервале температур от -60 до 100°С.

Полиметилфенилсилоксановые жидкости отличаются более высокой нагревостойкостью и стойкостью к радиационному излучению.

Основные свойства некоторых электроизоляционных жидкостей приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные свойства электроизоляционных жидкостей

Фторорганические жидкости

представляют собой произ­водные углеводородов, у которых атомы водорода замещены фто­ром. Их пары не образуют с воздухом взрывоопасных смесей. Они обладают малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла ди­электрических потерь tgδ), ничтожно малой гигроскопичностью, высокой нагревостойкостью (некоторые жидкости могут длитель­но работать при температуре 200 °С и выше), высокой теплопро­водностью, полной негорючестью, высокой дугостойкостью.

Фторорганические жидкости применяют для пропитки и залив­ки конденсаторов и трансформаторов, для испытания элементов радиоэлектроники при низких и высоких температурах.

Кроме указанных жидких диэлектриков в радиоэлектронике при­меняют сильно полярные синтетические электроизоляционные жид­кости. Например, этиленгликоль (НО — СН2 — СН2 — ОН), который используют в качестве контрольной жидкости при контроле герме­тичности микросхем.

Приборы и принадлежности:рефрактометр, набор колб с растворами, стеклянная палочка, фильтровальная бумага.

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают поляр­ными и неполярными. Их электрофизические свойства в значитель­ной степени зависят от строения молекул и наличия примесей. При­меси образуются при окислении и разложении углеводородных фракций, при поглощении воды и попадании частичек волокнистых материалов.

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической прони­цаемостью ε, электропроводностью, диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ), электрической прочностью Е .

У полярных жидкостей (совол, гексол, этиленгликоль) диэлектрическая проницаемость ε определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Например, у гексола ε = 3, у этиленгликоля ε = 40.

У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется в основном только электронной поляризацией, не зависит от частоты и уменьшается с ростом температуры, приближаясь к единице.

Это явление объясняется уменьшением числа молекул в единице объема. У неполярных жидкостей ε меньше, чем у полярных. Например, у четыреххлористого углерода ε = 2,163, у толуола ε = 2,294.

Электропроводность жидких диэлектриков обусловлена переме­щением ионов, которые возникают в результате диссоциации самой жидкости и примесей, а также перемещением заряженных частиц примеси — молионов. С повышением температуры возрастает подвижность ионов и степень тепловой диссоциации. Эти факторы увеличивают электропроводность.

При небольших напряженностях электрического поля вступает в силу закон Ома, т.е. электрический ток I

, проходящий в жидкости, меняется пропорционально напряженности поля. В электрических полях с большой напряженностью
Е
(примерно 10…100 МВ/м) элек­трический ток не подчиняется закону Ома из-за увеличения числа ионов под влиянием поля.

Кроме ионной электропроводности у жидких диэлектриков на­блюдается молионная электропроводность, когда носителями заря­дов являются мельчайшие примеси. Такими примесями могут быть вода, различные твердые высокодисперсные частицы, находящие­ся во взвешенном состоянии (волокна, пылинки и др.). Эти части­цы адсорбируют своей поверхностью ионы и при воздействии элек­трического поля перемещаются к соответствующим электродам. У технических жидких диэлектриков, содержащих определенную долю примесей, при комнатной температуре преобладает молионная про­водимость. Молионная проводимость наблюдается, например, у трансформаторного масла, содержащего мельчайшие частицы гли­ны и эмульгированную воду.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает их удельное сопротивление, однако полностью удалить примеси невозможно.

Преобладание конкретного вида проводимости зависит от энер­гии диссоциации, т. е. энергии, необходимой для разрушения моле­кул и образования ионов. Чем выше энергия диссоциации, тем мень­ше ионная проводимость.

У полярных жидкостей диэлектрические потери состоят из по­терь на электропроводность и потерь, связанных с дипольно-релаксационной поляризацией. Они зависят от температуры, частоты и вязкости жидкости, так как поворот диполей в вязкой среде вызывает потери энергии на трение молекул. На высоких частотах жид­кие диэлектрики имеют повышенные диэлектрические потери. Например, совол при температуре Т- 90°С и частоте f

= 50 Гц имеет tgδ = 0,015. Поэтому жидкие полярные диэлектрики не рекоменду­ют применять на высоких частотах.

Диэлектрические потери у неполярных жидкостей, не содержа­щих примесей, — это потери, по существу, на электропроводность. Они не зависят от частоты и растут с ростом температуры, что объяс­няется увеличением сквозного тока. Диэлектрические потери этих жидкостей малы, так как мала их электропроводность. Например, чистое трансформаторное масло при температуре Т= 90°С и частоте f = 50 Гц имеет tgδ = 0,003.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в основном определяется наличием посторонних примесей, полярностью жидко­сти, температурой и другими факторами. Присутствующие в жид­кости пузырьки газа ионизируются, выделяя энергию, которая приводит к местному перегреву жидкости. Это ведет к образованию газового канала между электродами и в результате к пробою жидкости. Кроме газовых включений значительным фактором, снижа­ющим электрическую прочность жидких диэлектриков, является вода. Капельки воды поляризуются под влиянием электрического поля и образуют между электродами цепочки с повышенной про­водимостью, по которым и происходит электрический пробой. Элек­трическая прочность жидкостей, содержащих примеси, ниже, чем у очищенных.

В качестве жидких электроизоляционных материалов в электро­технических устройствах используют нефтяные (минеральные) мас­ла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное), синтетические жидкие диэлектрики (хлорированные углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости, сложные эфиры различных типов) и растительные масла.

Нефтяные электроизоляционные

масла. Нефтяные масла полу­чают в процессе ступенчатой перегонки нефти и удаления из нефтя­ного дистиллята (Продукт дистилляции; например, при перегонке нефти дистилляты — бензин, керо­син, смазочные масла и др) нестойких соединений (нафтеновых кислот, серы, смолы, кислорода, азота и др.).

Технологическая операция очистки нефтяного дистиллята от посторонних примесей называется рафинированием. От качества ее проведения в определенной степени зависят эксплуатационные свой­ства масла.

Эти масла обладают рядом свойств, которые обеспечили им широкое применение. Они сравнительно дешевы и могут производиться в больших количествах, при хорошей очистке имеют малый тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, обладают достаточно высокой электрической прочностью.

К недостаткам нефтяных масел относят ограниченный интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность, склонность к старению.

При работе в малозаполненном электрическом аппарате вследствие окисления соответствующих фракций углеводородов масло постепенно стареет, становясь более темным. В нем образуются частично растворимые и нерастворимые загрязняющие продукты. Нерастворимые тяжелые примеси оседают на погруженные в масло детали в виде «ила», вязкость масла увеличивается, что ухудшает теплоотвод от нагревающихся деталей. Процесс старения уско­ряется при контакте с воздухом, особенно, если воздух содержит озон; воздействии света и электрического поля; соприкосновении с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т.п.) и другими ве­ществами с кристаллическим строением; повышении температуры, контактировании с резинами.

При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы, что опасно, так как пузырьки газов могут стать очагами частичных разрядов. Если при этом температура газообразных продуктов (смеси паров масла и воздуха) превосходит их температуру вспышки, то может произойти взрыв.

Способность масел не выделять газов при старении в электрическом поле (или даже поглощать ранее выделившиеся газы) называют газостойкостью масел.

Для борьбы со старением масел используют следующие средства:

вводят антиокислительные присадки (ингибиторы вещества, замедляющие химические реакции или прекращающие их; применяют для замедления или предотвращения некоторых процессов, например коррозии металлов, окисления топлив (от лат. inhibere — сдерживать, останавливать)), которые лег­ко соединяются с кислородом, защищая углеводородные фракции от окисления, замедляют старение масел и увеличивают его срок службы; ингибиторами являются ионол, пирамидон и др.;

ограничивают рабочую температуру (95°С для трансформаторов с воздушным охлаждением и 85°С — с водяным);

производят непрерывную фильтрацию масел через адсорбенты;

подвергают состарившееся масло регенерации (Превращение отработанных продуктов в исходные для повторного их использования (от лат. regeneratio — восстановление, возрождение, возобновление)), т.е. восстановлению его свойств путем очистки и сушки.

Трансформаторное масло

— жидкость от почти бесцветного до темно-желтого цвета. По химическому составу представляет собой смесь нафтеновых и парафиновых углеводородов и поэтому является неполярным диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью (ε = 2,2…2,3). После рафинирования масло допол­нительно очищается. Для этого оно обрабатывается щелочью, про­мывается водой и сушится. Окончательная очистка производится с помощью адсорбентов (Тела, на поверхности которых происходит поглощение вещества из раствора или газа) (силикагеля, инфузорных земель) и фильтр-прессов.

Трансформаторное масло обладает следующими свойствами: малая вязкость, что весьма важно, так как слишком вязкое масло хуже отводит теплоту потерь от обмоток и сердечника трансформатора и хуже пропитывает пористую изоляцию; температура застывания -70°С (что особенно важно для аппа­ратуры, работающей при низкой температуре окружающей среды);

электрическая прочность Е

пр — 10…25 МВ/м (очень чувствительна к увлажнению, но при сушке восстанавливается);

теплоемкость и теплопроводность масла увеличиваются с ростом температуры (при свободной конвекции (Перенос теплоты, массы, зарядов движущейся средой, например потоками воздуха, возникающими естественным путем в неоднородной среде (естественная конвекция) или создаваемыми искусственно (вынужденная конвекция) (от лат. convectio — привоз, шнесение)) масло отводит теплоту от погруженных в него обмоток и сердечника трансформатора в 25…30 раз интенсивнее, чем воздух).

Основными недостатками трансформаторного масла являются старение, воспламеняемость и горючесть, гигроскопичность (кате­горически запрещается хранить его в открытой таре).

Применяют трансформаторное масло в качестве изолирующей и охлаждающей среды в силовых и импульсных трансформаторах, реакторах высоковольтных выключателях, таких как дугогасящая среда.

Кабельное масло

отличается от трансформаторного повы­шенной вязкостью, а от конденсаторного — пониженными электри­ческими свойствами. Оно используется как составная часть в масляно-канифольных компаундах для пропитки изоляции силовых кабелей.

Конденсаторное масло

получается из трансформаторного после дополнительной обработки его в вакууме для удаления из него растворенного воздуха, что снижает диэлектрические потери. Его используют для пропитки изоляции в бумажных и пленочных кон­денсаторах, что позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конденсаторов.

Синтетические жидкие диэлектрики. Применение синтетических жидких диэлектриков предпочтительно в тех случаях, когда они по свойствам превосходят электроизоляционные масла. Например, ели требуется применение неполярных жидких диэлектриков или жидких диэлектриков с более высокой пожаро- и взрывоопасностью, чем у электроизоляционных масел.

Хлорированные углеводороды получают заменой некоторых или даже всех атомов водорода атомами хлора у различных углеводородов. Наиболее часто применяют полярные продукты хлорирования дифенила. Хлорированные дифенилы, а также газы, которые образуются при воздействии на эти жидкости электрической дуги, токсичны. Поэтому в ряде стран применение хлорированных дифенилов для пропитки конденсаторов запрещено законом. Наиболее известными представителями этой группы являются совол и севтол-10. Атомы в молекулах этих материалов расположены несимметрично, поэтому совол и севтол-10 являются полярными.

Совол и севтол-10 мало подвержены старению, не образуют с воздухом взрывчатых смесей, негигроскопичны, токсичны, дорогостоящи.

Совол (пентахлордифенил) представляет собой бесцветную вязкую жидкость, полученную хлорированием дифенила (С12Н10), в результате чего у последнего пять атомов водорода замещаются хлором. Совол является негорючим веществом, не окисляется, что составляет его главное преимущество перед нефтяными маслами. Однако его применение ограничивается следующими недостатками плотность D

= 1500… 1560, температура вспышки Твсп = 205…230°С, температура застывания Т3 = + 5°С, электрическая прочность при температуре Т= 20°С
Е
пр = 14… 18 МВ/м, значительная вязкость и области рабочих температур, что не позволяет использовать его в чистом виде; он примерно в 10 раз дороже трансформаторного масла.

Применяется взамен конденсаторного масла для пропитки низковольтных бумажных конденсаторов с повышенной емкостью.

Севтол-10 — негорючая, с повышенной температурой застывания жидкость, которую получают, разбавляя совол трихлорбензолом. Применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформатров.

Кремнийорганические жидкости — это продукт синтеза кремнистых и углеродистых соединений, свойства которых определяются типом органических радикалов. В соответствии с этим различают полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые и полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Эти жидкости характеризуются высокой нагревостойкостью, низкой температурой застывания, малым температурным коэффициентом вязкости, химической инертностью, малыми диэлект­рическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ) и низкой гигроскопичностью.

Полиметилсилоксановые жидкости получаются гидролизом диметилхлорсиланов с триметилхлорсиланами. Они не растворяются в спиртах и ацетоне, обладают высокой инертностью и не влияют на свойства металлов и резин при контакте с ними. Применяют для пропитки бумажных конденсаторов и гидрофобизации изоляционных лент.

Полидиэтилсилоксановые жидкости представляют собой смеси полиэтилсилоксанов. Бесцветны. Применяются для пропитки и за­ливки конденсаторов, работающих в интервале температур от -60 до 100°С.

Полиметилфенилсилоксановые жидкости отличаются более высокой нагревостойкостью и стойкостью к радиационному излучению.

Основные свойства некоторых электроизоляционных жидкостей приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные свойства электроизоляционных жидкостей

Фторорганические жидкости

представляют собой произ­водные углеводородов, у которых атомы водорода замещены фто­ром. Их пары не образуют с воздухом взрывоопасных смесей. Они обладают малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла ди­электрических потерь tgδ), ничтожно малой гигроскопичностью, высокой нагревостойкостью (некоторые жидкости могут длитель­но работать при температуре 200 °С и выше), высокой теплопро­водностью, полной негорючестью, высокой дугостойкостью.

Фторорганические жидкости применяют для пропитки и залив­ки конденсаторов и трансформаторов, для испытания элементов радиоэлектроники при низких и высоких температурах.

Кроме указанных жидких диэлектриков в радиоэлектронике при­меняют сильно полярные синтетические электроизоляционные жид­кости. Например, этиленгликоль (НО — СН2 — СН2 — ОН), который используют в качестве контрольной жидкости при контроле герме­тичности микросхем.

Приборы и принадлежности:рефрактометр, набор колб с растворами, стеклянная палочка, фильтровальная бумага.

Лекция 10 Газообразные, жидкие и твердые диэлектрики. — презентация

Вопросы лекции: Газообразные диэлектрики основные характеристики электроотрицательные газы, применение в энергетике Жидкие диэлектрики. Применение в энергетике общие свойства используемые и перспективные жидкие диэлектрики Общие характеристики диэлектриков Виды диэлектриков. Применение твердых диэлектриков Свойства наиболее применяемых диэлектриков Полимерные материалы Бумага и картон Материалы для изоляторов Слюдяные материалы.

Газообразные диэлектрики. Основные характеристики. Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность. Диэлектрическую проницаемость газов: = 1+n( +3 2 /kT)/ 0 где n- число молекул с поляризуемостью и дипольным моментом в единице объема. Обычно значение близко к 1, отличие от единицы можно обнаружить в 3-4 знаке после запятой. Причина этого — малое число молекул в газовой фазе n.

Электропроводность газов обычно не хуже См/м, причем, основным фактором вызывающим проводимость в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Диэлектрические потери незначительны и их стоит учитывать только в области сильных полей. Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.),

давлении 1 атм., температуре 20 С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см 2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н.у. имеет электрическую прочность 30 кВ/см. Коэфициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов: водород к = 0.5, гелий к = 0.2, элегаз к = 2.9, фреон-12 к = 2.4, перфторированные углеводородные газы к = (4-10 ).

Теплопроводность газов также невелика по сравнению с теплопроводностью твердых тел и жидкостей, наибольшее ее значение = 0.2 Вт/(м К) — у водорода. Для наиболее популярных газов = 0.03 Вт/(м К)—воздух, = Вт/(м К) — элегаз. Для сравнения — у алюминия = 200 Вт/(м К). Максимальные температуры эксплуатации газов определяются либо разложением молекул газа, либо увеличением электропроводности за счет диссоциации молекул газа под действием тепловой энергии. Характерные температуры для второго варианта — порядка и более тысячи градусов.

Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков. Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции — линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п.

Электроотрицательными называются газы, молекулы которых обладают сродством к электрону, это означает, что при захвате электрона и превращении молекулы в отрицательный ион выделяется энергия. Этот процесс приводит к явлению прилипания электронов, и уменьшению, тем самым, эфективного коэфициента ударной ионизации на значение коэфициента прилипания эф. Поэтому электроотрицательные газы имеют повышенную электрическую прочность. Из электроотрицательных газов с высокой электрической прочностью наибольшее применение нашел элегаз SF 6. Свое название он получил от сокращения электрический газ. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России.

Электрическая прочность элегаза при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е = 89 кВ/см. Молекулярная масса 146, характерным является очень большой коэфициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэфициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Из теплофизических свойств: температура плавления = -50 С при 2 атм, температура кипения (возгонки) = -63 С. Низкие значения последних параметров означают возможность применения элегаза при низких температурах.

Другие полезные свойства элегаза : — химическая инертность, — нетоксичность, — негорючесть, — термостойкость (до 800 С), — взрывобезопасность, — слабое разложение в разрядах, — низкая температура сжижения. В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны.

Применение: В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер. кабели, конденсаторы, выключатели, компактные ЗРУ (закрытые распределительные устройства). Наиболее широкое применение элегаз нашел за рубежом, в особенности в Японии. Например, использование элегаза позволяет в десятки раз уменьшить размеры распредустройств, что очень актуально при высокой стоимости земли для размещения энергохозяйства. Это выгодно даже несмотря на высокую стоимость элегаза — более 10$ за 1 килограмм.

Жидкие диэлектрики. Общие свойства. С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность. Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. Так, например, у неполярного диэлектрика гексана дипольный момент отсутствует, поляризация имеет чисто электронный характер и, вследствие этого, диэлектрическая проницаемость мала.

Трансформаторное масло, являясь смесью веществ, имеет в своем составе небольшое количество полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Поэтому возрастает до ~,2-2,4. Касторовое масло имеет больше полярных молекул, следовательно больше ~4,5. Этиловый спирт, глицерин, вода являются представителями полярных веществ, ~ 24, 40, 81 соответственно. Для неполярных жидкостей

Электропроводность жидкостей определяется ионизацией молекул, наличием в жидкости примесей особого сорта: ионофоров и ионогенов, возникновением электрогидродинамических течений. Очистка диэлектрических жидкостей может осуществляться дистилляцией, в.т.ч. под вакуумом, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом. При этом, как правило, уменьшается электропроводность, диэлектрические потери, возрастает электрическая прочность.

Основной примесью, дающей проводимость жидких диэлектриков является вода, а основными примесями, уменьшающими электрическую прочность являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Электропроводность жидкостей наиболее радикально (до 6 порядков величины по сравнению с данными из справочников) возрастает после применения нового способа очистки- электродиализа. Электродиализ — способ удаления ионов из промежутка за счет пропускания постоянного тока при использовании ионообменных мембран, проводимость которых осуществляется только одним видом ионов.

Электрическая прочность — также, как и электропроводность, в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. Есть несколько наиболее общих и очевидных приемов увеличения электрической прочности: — дегазация жидкости, — пропускание через адсорбент, — пропускание через фильтр с субмикронными размерами пор. Некоторые из этих способов используются в энергосистемах для осушки и регенерации масла.

Является ли электрическая прочность истинной характеристикой жидкости — вопрос достаточно принципиальный. На наш взгляд, электрический пробой является следствием цепочки событий, которые весьма чувствительны как к примесям, так и к свойствам границы раздела электрод- жидкость. Поэтому пробоем можно управлять. Пример: пробой на постоянном напряжении диэлектрической жидкости — перфтортриэтиламина (С 2 F 5 ) 3 N. Первые измерения свежей жидкости без очистки жидкости и электродов дали Епр= кВ/см. Если жидкость подвергнуть операциям дегазирования, обезвоживания и фильтрации, то можно получить кВ/см. После дополнительного проведения тренировочной серии в маломощных разрядов электрическая прочность достигала кВ/см. Т.е., увеличение почти в 10 раз!

Используемые и перспективные жидкие диэлектрики. Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик — это трансформаторное масло (Т.М.). Трансформаторное масло — очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 С до 400 С. В зависимости от происхождения нефти, Т.М. обладает различными свойствами. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул а.е

Трансформаторное масло содержит следующие основные компоненты. 1. Парафины 10-15% 2. Нафтены или циклопарафины 60-70% 3. Ароматические углеводороды 15-20% 4. Асфальто-смолистые вещества 1-2 % 5. Сернистые соединения

Парафины и циклопарафины обеспечивают низкую электропроводность и высокую электрическую прочность. Ароматические углеводороды уменьшают старение масла и увеличивают стойкость к частичным разрядам в объеме масла. Асфальто-смолистые, сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты являются примесями и не играют положительной роли. Асфальто-смолистые соединения ответственны за возникновение осадка в масле и за его цвет. Сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты ответственны за процессы коррозии металлов в трансформаторном масле.

Углеводороды парафинового ряда, кроме высокой химической устойчивости обладают высокой температурой вспышки и рядом других положительных качеств, но теряют текучесть (застывают) уже при комнатной температуре и поэтому не допускается большого содержания парафинов. Более того, нефти с их большим содержанием (грозненская, сураханская) для приготовления масел не применяются. Нафтеновые углеводороды менее устойчивы, чем парафины и легко окисляются. Типичной нафтеновой нефтью является доссорская нефть, из которой готовится лучшее трансформаторное масло.

Ароматические углеводороды разделяются на углеводороды симметричного строения (бензол, нафталин, антрацен) и ароматики с длинными боковыми цепями(толуол). Первые являются одним из наиболее трудно окисляемых веществ. Эти ароматики являются ценной составной частью масла, так как защищают его от окисления. Вторые весьма легко соединяются с кислородом, причем их способность к самоокислению растет с увеличением числа и длины боковых цепей.

Основные физико-химические свойства масла. Горючее, биоразлагаемое, практически не токсичное, не нарушающее озоновый слой. Плотность масла обычно находится в диапазоне ( ) 10 3 кг/м 3. Вязкость является одним из важнейших свойств масла. С позиций высокой электрической прочности желательно иметь масло более высокой вязкости. Для того, чтобы хорошо выполнять свои дополнительные функции в трансформаторах (как охлаждающая среда) и выключателях (как среда, где движутся элементы привода), масло должно обладать невысокой вязкостью, в противном случае трансформаторы не будут надлежащим образом охлаждаться, а выключатели — разрывать электрическую дугу в установленное для них время.

Температурой застывания называется температура, при которой масло загустевает настолько, что при наклонении пробирки с охлажденным маслом под углом 45 его уровень останется неизменным в течение 1 мин. В масляных выключателях температура застывания имеет решающее значение. Свежее масло не должно застывать при температуре -45 С; в южных районах страны разрешается применять масло с температурой застывания -35 С. Температурой вспышки называется температура нагреваемого в тигле масла, при котором его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней пламени. Вспышка происходит настолько быстро, что масло не успевает прогреться и загореться. Температура вспышки трансформаторного масла не должна быть ниже 135 С. Если нагреть масло выше температуры вспышки, то наступает такой Температура, при которой масло загорается и горит не менее 5 сек., называется температурой воспламенения масла. Температура, при которой происходит возгорание в закрытом тигле, в присутствии воздуха, без поднесения пламени, называется температурой самовоспламенения. Для трансформаторного масла она составляет С

Из других теплофизических характеристик отметим сравнительно небольшую теплопроводность от 0.09 до 0.14 Вт/(м К), Теплоемкость — от 1.5 к Дж/(кГ К) до 2.5 к Дж/(кГ К). Коэфициент теплового расширения масла определяет требования к размерам расширительного бака трансформатора и составляет примерно /К.

Удельное сопротивление масла нормируется при температуре 90 С и напряженности поля 0.5 МВ/м, и оно не должно превышать Ом м для любых сортов масел. Удельное сопротивление, как и вязкость, сильно падают с ростом температуры (более чем на порядок при уменьшении температуры на 50 С). Диэлектрическая проницаемость масла невелика и колеблется в пределах Тангенс угла диэлектрических потерь определяется наличием примесей в масле. В чистом масле он не должен превышать при температуре 90 С и рабочей частоте 50 Гц. В окисленном загрязненном и увлажненном масле tg возрастает и может достигать более чем 0.2. Электрическая прочность масла определяется в стандартном разряднике с полусферическими электродами диаметром 25.4 мм и межэлектродным расстоянием 2.5 мм. Пробивное напряжение должно составлять не менее 70 кВ, при этом в разряднике электрическая прочность масла будет не менее 280 кВ/см.

Трансформатор может работать без ремонта лет, а масло уже через год требует очистки, а через 4-5 лет — регенерации. Мерами, позволяющими продлить срок эксплуатации масла, являются: 1) защита масла от соприкосновения с наружным воздухом путем установки расширителей с фильтрами, поглощающими кислород и воду, а также вытеснение из масла воздуха; 2) снижение перегрева масла в условиях эксплуатации; 3) регулярные очистки от воды и шлама; 4) применение для снижения кислотности непрерывной фильтрации масла; 5) введения антиокислителей.

Конденсаторные масла. Под этим термином объединена группа различных диэлектриков, применяемая для пропитки бумажно-масляной и бумажно- пленочной изоляции конденсаторов. Наиболее распространенное конденсаторное масло по ГОСТ производят из трансформаторного масла путем более глубокой очистки. Отличается от обычных масел большей прозрачностью, меньшим значением tg (более, чем в десять раз).

Касторовое масло растительного происхождения, оно получается из семян клещевины. Основная область использования — пропитка бумажных конденсаторов для работы в импульсных условиях. диэлектрическая проницаемость при 20 С составляет 4,0 — 4,5; tg при 20 С равен 0,01 — 0,03, Епр при 20 С равно МВ/м. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет 10 8 – Oм м.

Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также является нефтяные масла. От трансформаторного масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями.).

Второй тип жидких диэлектриков — трудногорючие и негорючие жидкости. Наибольшее распространение в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы (хлорбифенилами). Хлордифенилы – негорючие, хорошие диэлектрики ( = 5-6) в связи с полярностью связи электроотрицательного хлора с дифенильным кольцом. Тангенс угла диэлектрических потерь tg ненамного выше, чем у масла, электрическая прочность также высока. Применение: трансформаторы и другие электрические аппараты, заполненные хлордифенильными диэлектриками в пожароопасных условиях. Недостатки: высокая токсичность и сильное влияние на озоновый слой.

В связи с этим хлордифенилам пытаются найти замену. Так, например, в России и некоторых других странах наиболее перспективными для применения считаются силиконы (силоксаны) или кремнийорганические жидкости. Это класс жидкостей с различными электро- и теплофизическими характеристиками. Хорошо очищенные жидкости обладают = , tg Ом м. Обычно у этих соединений повышенная температура вспышки ( до 300С). Недостатки: исследованные кремнийорганические жидкости не могут обеспечить пожаробезопасность и, следовательно, не могут полностью заменить хлордифенилы. Кроме того, они в несколько раз дороже трансформаторного масла.

Фторорганические жидкости (перфторуглероды). Фторуглеродные жидкости инертны по отношению к любым воздействиям, в.т.ч. стабильны под действием электрического поля и температуры. Не растворяют масла, резину, воду и т.п. Свойства: — негорючесть; — высокая термическая и химическая стабильность; — нетоксичность, отсутствие цвета и запаха; — возможность подбора жидкостей с различными точками кипения и замерзания; — низкая растворимость воды и высокая растворимость газов; — отсутствие растворимости любых нефторированных материалов; — высокий коэфициент температурного расширения.

По электрофизическим параметрам: = 1.8-2, tg ( ) Ом м, электрическая прочность — до 500 кВ/см, высокая электрическая прочность в газообразном (парообразном) состоянии — до кВ/см, негорючесть, термостабильность до температуры более 400, фторорганические жидкости значительно превосходят аналогичные показатели любых других жидкостей, включая минеральные масла. Они нетоксичны, неокисляемы, имеют низкую вязкость, в.т.ч. в низкотемпературной области. Ряд жидкостей имеют точку замерзания -70 С и ниже. Основное препятствие к более широкому использованию — сравнительно высокая цена.

Общие характеристики твердых диэлектриков Неполярный диэлектрик — вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью. Полярный диэлектрик — вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры. Сегнетоэлектрик — вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Механизмы поляризации у них резко различаются: — чисто электронная поляризация у неполярных диэлектриков типа полиэтилена, полистирола, при этом -мала, не более 3, диэлектрические потери тоже малы; — ионная поляризация у ионных кристаллов типа NaCl или дипольная у полярных диэлектриков типа льда, при этом может находиться в пределах от 3-4 до 100, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на частотах вращения диполей и других резонансных частотах;

— доменная поляризация у сегнетоэлектриков — при этом максимальна и может достигать , диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на резонансных частотах и в области повышенных частот. Особенности механизмов проводимости в твердых диэлектриках — концентрация носителей очень мала, подвижность ионов в гомогенных материалах очень мала, подвижность электронов в чистых материалах велика, в технически чистых – мала.

Некоторые термины, специфичные для твердых диэлектриков: Химическая стойкость- способность выдерживать контакты с разными средами (кислота — кислотостойкость, щелочь — щелочестойкость, озон — озоностойкость, масло — маслостойкость, вода — водостойкость); Трекингостойкость- способность противостоять действию дуги; Дендритостойкость — способность противостоять образованию дендритов

Виды диэлектриков. Применение твердых диэлектриков в энергетике : Все диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы. Неорганические диэлектрики. стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков — негорючие, как правило, свето-, озоно, — термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении.

Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков — горючи (в основном), малостойкие к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов.

Применение в энергетике: — линейная и подстанционная изоляция — это фарфор, стекло и кремнийорганическая резина в подвесных изоляторах ВЛ, фарфор в опорных и проходных изоляторах, стеклопластики в качестве несущих элементов, полиэтилен, бумага в высоковольтных вводах, бумага, полимеры в силовых кабелях; — изоляция электрических приборов — бумага, гетинакс, стеклотекстолит, полимеры, слюдяные материалы;

— машин, аппаратов — бумага, картон, лаки, компаунды, полимеры; — конденсаторы разных видов- полимерные пленки, бумага, оксиды, нитриды. С практической точки зрения в каждом случае выбора материала электрической изоляции следует анализировать условия работы и выбирать материал изоляции в соответствии с комплексом требований.

Для ориентировки целесообразно разделить основные диэлектрические материалы на группы по условиям применения. Нагревостойкая электрическая изоляция (изделия из слюдяных материалов, стекла и материалы на их основе,органосиликатные, металлофосфатные покрытия, керамические материалы, композиции из кремнийорганики с термостойким связующим). Влагостойкая электрическая изоляция эти материалы должны быть гидрофобны (несмачивание водой) и негигроскопичны.

Радиационно-стойкая изоляция: неорганические пленки, керамика, стеклотекстолит, слюдинитовые материалы, некоторые виды полимеров (полиимиды, полиэтилен). Тропико-стойкая изоляция. Материал должен быть гидрофобным, чтобы работать в условиях высокой влажности и температуры. Кроме того, он должен быть стойким против плесневых грибков. Лучшие материалы: фторопласт, некоторые другие полимеры, худшие — бумага, картон.

Морозостойкая изоляция. Это требование характерно, в основном для резин, т.к. при понижении температуры все резины теряют эластичность. Наиболее морозостойка кремнийорганическая резина с фенильными группами (до -90 С). Изоляция для работы в вакууме (космос, вакуумные приборы). Для этих условий необходимо использовать вакуумно-плотные материалы. Пригодны некоторые, специально приготовленные керамические материалы, малопригодны полимеры

Свойства наиболее применяемых диэлектриков. Полимерные материалы Полимеры -хорошие диэлектрики. Они обладают: низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью и, как правило, невысокой ценой. Кроме того, на основе полимеров с дисперсными добавками можно получать разнообразные композиционные материалы с широким спектром свойств.

По технологическим признакам полимерные материалы делятся на 2 класса — термопласты и реактопласты. Термопласты — размягчаются при нагревании, при этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт — автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, вместе с внутренним электродом кабеля. Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH 2 ) n H.

Его основные параметры: удельное сопротивление Ом м, удельное поверхностное сопротивление Ом, диэлектрическая проницаемость , тангенс угла диэлектрических потерь 10 -4, электрическая прочность кВ/мм, теплопроводность Вт/(м К), теплоемкость 2 к Дж/(кг К), плотность кг/м 3. Класс нагревостойкости Y. Полиэтилен широко используют в качестве силовой электрической изоляции в кабелях, в особенности т.н. «сшитый» полиэтилен. (В зарубежной литературе — cross-linked polyethylene).

Реактопласты — при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают прессованием нагретых порошков, либо полимеризацией непосредственно в изделии. Достаточно дешевы и технологичны реактопласты на основе фенолформальдегидных полимеров (бакелит) и аминоформальдегидных полимеров. Их электрофизические характеристики невысоки.

Эпоксидные полимеры обладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками. Высокая полярность приводит к слабой водостойкости. Главное преимущество эпоксидных компаундов — простота технологии приготовления. Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью — капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100 С до +250 С) — полиимиды и композиты на их основе.

Бумага и картон Самые тонкие и прочные бумаги используются для изготовления конденсаторов. Достаточно отметить, что плотность конденсаторных бумаг достигает 1.6 т/м 3, т.е. более, чем в 1.5 раза превышает плотность воды. При этом электрическая прочность бумаги толщиной 10 мкм, пропитанной трансформаторным маслом, составляет до 10 МВ/см.

Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает кВ/мм. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность Е= кВ/см. Недостатком картона является гигроскопичность

Материалы для изоляторов. В последнее время бурно развивается производство изоляторов для ВЛ на основе кремнийорганической резины. Этот материал относится к каучукам, основное свойство которых — эластичность. В энергетике используются разные типы каучуков: натуральные каучуки, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, этиленпропиленовые и кремнийорганические.

Основу кремнийорганических резин составляют полиорганосилоксаны: R R | | НО-Si-O-{-Si-O-} n H | | R R Где R — одинаковые, либо разные органические радикалы. В зависимости от типа этих радикалов меняются свойства кремнийорганической резины. Свойства чистых кремнийорганических резин неудовлетворительны, в первую очередь ввиду низкой прочности и недостаточной свето- озоностойкости. В качестве усиливающих активных наполнителей используют нанопорошки двуокиси кремния (аэросил, белая сажа) и двуокиси титана.

Из электрофизических и теплофизических свойств композиционного материала отметим: диэлектрическая проницаемость = ; удельное объемное сопротивление Ом м; удельное поверхностное сопротивление Ом; тангенс угла диэлектрических потерь ;

электрическая прочность кВ/мм, теплоемкость к Дж/(кГ К); плотность кГ/м 3 ; прочность на разрыв 4-6 МПа. Свойства кремнийорганических резин : высокая теплоемкость, сравнительно невысокая механическая прочность, стойкость к действию озона, света и масла, морозостойкость ( ) С и нагревостойкость ( ) С, влагонепроницаемость, но газопроницаемость, масло-бензонестойкость.

Электротехнический фарфор К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность, дешевизна исходных компонентов. Это определило широкое применение фарфора для производства изоляторов. Недостатками фарфора являются хрупкость, высокая плотность, низкая теплопроводность, высокие диэлектрические потери.

Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов. По химическому составу стекло является набором окислов кремния, бора, алюминия, натрия, кальция и т.п. По термодинамическому состоянию оно представляет собой сильно загустевшую жидкость вследствие переохлаждения.

Обычное, щелочное стекло непригодно для изготовления изоляторов ввиду растрескивания, помутнения и т.п. в условиях эксплуатации. Для этой цели разработано специальное малощелочное (без натрия и калия) стекло. К недостаткам стекла, точнее способа его производства, относится большая энергоемкость получения материала, т.к. стекло длительно варят при высоких температурах.

Слюдяные материалы Главное достоинство слюды — высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристиками. В электротехнике используют два вида слюд: мусковит КАl 2 (АlSi 3 О 10 )(ОН) 2 и флогопит КMg 3 (АlSi 3 О 10 (ОН) 2. Высокие электроизоляционные характеристики слюды обязаны ее необычному строению, а именно — слоистости. Из других свойств слюды отметим невысокий tg, менее чем ; высокое удельное сопротивление, более Ом м; достаточно высокую электрическую прочность, более 100 кВ/мм; термостойкость, температура плавления более 1200 С.

Слюда используется в качестве электрической изоляции, как в виде щипаных тонких пластинок, в.т.ч. склеенных между собой (миканиты), так и в виде слюдяных бумаг, в.т.ч. пропитанных различными связующими (слюдиниты или слюдопласты). Миканиты обладают лучшими механическими характеристиками и влагостойкостью, но они более дороги и менее технологичны. Применение — пазовая и витковая изоляция электрических машин.

Слюдиниты — листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе мусковита. Иногда их комбинируют с подложкой из стеклоткани (стеклослюдинит), или полимерной пленки (пленкослюдинит). Бумаги, пропитанные лаком, или другим связующим, обладают лучшими механическими и электрофизическими характеристиками, чем непропитанные бумаги, но их термостойкость обычно ниже, т.к. она определяется свойствами пропитывающего связующего.

Слюдопласты — листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе флогопита и пропитанные связующими. Применение слюдинитов и слюдопластов — изоляция электрических машин, нагревостойкая изоляция электрических приборов. В заключение раздела хотелось бы привести сравнительные данные по электрической прочности в нормальных условиях некоторых распространенных газообразных, жидких и твердых диэлектриков.