Материал: Основы механики

Конспект лекции №4. Тепловые свойства диэлектриков

Нагревостойкость. Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры называют нагревостойкость. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве (определение «теплостойкости»).

Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения - еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Если ухудшение качества изоляции может обнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и т. п.

Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации изоляции, скажем, изоляции оборудования открытых подстанции полевой аппаратуры связи, важна холодостойкость, т. е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например от - 60 до - 700 С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

Теплопроводность. Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляцией проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводность влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкости материала к тепловым импульсам. Теплопроводность материалов характеризуется теплопроводностью гТ, входящей в уравнения Фурье

(1.13)

где ДРт - мощность теплового потока сквозь площадку ДS, нормальную к потоку, dT/dl - градиент температуры.

Химические свойства диэлектриков и воздействие на материалы излучений высокой энергии

Химические свойства. Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии. Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химико-технологическими способами: склеивается, растворяется в растворителях с образованием лаков и т. д.

Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материла, соприкасающейся с растворителем. Легче всего растворяются вещества близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; дипольные вещества легче растворяются в дипольных жидкостях, нейтральные - в нейтральных. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации, высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой - весьма трудно.

Воздействие излучений высокой энергии. В современной технике возможны такие условия использования электроаппаратуры, при которых она оказывается под кратковременным или длительным воздействием корпускулярных либо волновых радиоактивных излучений высокой энергии.

К корпускулярным излучениям относятся быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, б-частицы и в-лучи (электроны различных скоростей).

К волновым излучениям принадлежат г-лучи, жесткое и мягкое рентгеновские излучения. Интенсивность излучения измеряют в Вт/м2, а для нейтронов часто указывают плотность потока быстрых или медленных нейтронов сквозь 1 м2.

Энергия излучения, попадая на поверхность материала, убывает по мере проникновения в глубину по закону:

(1.14)

где Р0 - мощность дозы в воздухе у поверхности материала, х - глубина, м - эффективный коэффициент ослабления изучения в материале.

Эффективный коэффициент ослабления для простых веществ:

(1.15)

где л - длина волны излучения, Z - номер элемента в таблице Менделеева, с - плотность, К - коэффициент пропорциональности.

Классификация диэлектриков

Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. К ним принадлежат электроизоляционные материалы; они используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части, находящиеся под различными электрическими потенциалами.

Назначение электрической изоляции - не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использования электроизоляционных материалов.

Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры или иных факторов.

Электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходной состоянии, во время введения их в изготовляемую изоляцию, является жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Существуют и материалы со свойствами, промежуточными между свойствами органических и неорганических материалов: это элементоорганические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, Al, P и др.

Необходимо иметь в виду, что электроизоляционные, механические, тепловые, влажностные и другие свойства диэлектриков заметно изменяются в зависимости от технологии получения и обработки материалов, наличия примесей, условий испытания и т. д. поэтому численные значения параметров материалов, приводимые в данной главе, во многих случаях следует рассматривать лишь как ориентировочные.

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»).

Особо большое значение в качестве низкотемпературного хладагента, в частности для устройств, использующих явление сверхпроводимости, имеет сниженный гелий. Гелий вообще представляет собой исключительно интересный материал, обладающий уникальными свойствами. Так, у него самая низкая по сравнению с другими газами (если не считать легкого изотопа того же элемента) температура сжижения (4,216 К при атмосферном давлений). Жидкий гелий имеет очень малую плотность (примерно в 8 раз меньше плотности воды при нормальной температуре; однако еще меньшей плотностью обладает жидкий водород).

Нефтяные электроизоляционные масла

Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора.

Трансформаторные, а также другие нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей путем обработки серной кислотой, затем щелочью, промывки водой и сушки.

Трансформаторное масло - это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Нефти разных месторождений отличаются по своим параметрам и зависимостям этих параметров от температуры. Способность не выделять газов при старении в электрическом поле или даже поглощать ранее выделившиеся газы называется газостойкостью масла.

Регенерация начавшего стареть масла, т. е. удаления из него продуктов старения и восстановление исходных свойств, достигается обработкой масла адсорбентами (как говорилось выше, адсорбенты поглощают не только воду, но и другие полярные вещества; продукты старения масла является полярными примесями в неполярном масле).

Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного сдвига фаз. При пропитке бумажного диэлектрика повышается как его диэлектрическая проницаемость, так и электрическая прочность; то и другое дает возможность уменьшить габариты, массу и стоимость конденсатора при заданных рабочем напряжении, частоте и емкости. Конденсаторное масло сходно с трансформаторным, но не требует особо тщательной очистки адсорбентами.

Кабельное масло используется в производстве силовых электрических кабелей; пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают ее электрическую прочность, а также способствуют отводу тепла потерь. Кабельное масло бывает различных типов.

Для пропитки бумажной изоляции обычных силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) чаще всего применяется масло марки МН-4 относительно малой вязкости (кинематическая вязкость не более 37 · 10-6 м2/с при +200 С и не более 9,6 · 10-6 м2/с при +500 С), в которой для повышения вязкости добавляется канифоль или синтетический загуститель.