Конспект лекцій (стр. 3 )

2.2.1. Діелектрична проникність газів.

Гази мають низьку щільність, більші міжмолекулярні відстані. Гази мають низьку здатність до поляризації, їх діелектрична проникність незначно перевершує одиницю. Наприклад для кисню ε = 1.00055. Залежність діелектричної проникності від тиску й температури визначається зміною числа молекул в одиниці об'єму газу. Тобто, з ростом тиску діелектрична проникність збільшується, а з ростом температури діелектрична проникність газу знижується. На значення діелектричної проникності повітря також виявляє певне значення його вологість. З ростом вологості діелектрична проникність повітря незначно збільшується.

2.2.2. Діелектрична проникність твердих і рідких діелектриків.

Значення діелектричної проникності твердих і рідких діелектриків суттєво залежить від їхньої фізико-хімічної природи: від розмірів і ступеня полярності молекул, тобто, від механізмів поляризації, властивих тому або іншій речовині. Діелектрична проникність у цьому випадку також залежить від температури. Однак на відміну від газів температурний коефіцієнт діелектричної проникності може мати нелінійний характер і ухвалювати позитивні значення. Для полярних речовин має місце й залежність діелектричної проникності від частоти прикладеного напруги. З ростом частоти діелектрична проникність полярних діелектриків знижується.

Значення діелектричної проникності твердих діелектриків змінюються в діапазоні від 2-3 до 7000-9000 (титанат барію).

2.3. Електрична міцність матеріалів.

Діелектрик, що перебуває в електричнім полі, при певному значенні напруженості електричного поля втрачає ізоляційні властивості. Це явище зветься пробою, а значення напруги при якім відбувається пробій – електричною міцністю діелектрика. Електрична міцність визначається пробивною напругою, віднесеним до товщини діелектрика в місці пробою:

Eпр = Uпр/h

На практиці звичайно вимірюють електричну міцність у кіловольтах на міліметр. Електрична міцність суттєво залежить від відстані між електродами і їх форми, від великого числа різноманітних фізико-технічних параметрів.

При нормальних умовах електрична міцність повітря при відстані між електродами в 1 см становить 3.2 кВ/мм.

Для твердих і рідких діелектриків дуже характерна залежність електричної міцності від наявності й состава домішок. Наприклад, електрична міцність трансформаторного масла становить 4кВ/мм, але після ретельного очищення від води цей показник збільшується до 20-25 кВ/мм. Наявність твердих домішок спотворює картину поля, робить його нерівномірним, приводить до появи зон локальної перенапруги.

Реальні діелектрики відрізняються від ідеальних, насамперед наявністю в тілі діелектрика мікропор, особливо на поверхні роздягнула “ електрод-діелектрик”. Це є одним з головних факторів погіршення властивостей електричної ізоляції в процесі експлуатації, т. зв. старіння діелектриків.

Старіння діелектриків - погіршення характеристик діелектриків при їхній експлуатації.

Основний механізм старіння діелектриків - вплив часткових розрядів. Справа в тому, що в енергетику на діелектрики діють, як правило, змінні електричні поля. При цьому при дії змінної напруги певної амплітуди в газових або повітряних порах виникають часткові розряди.

Частковий розряд - локальний лавинний розряд у газовій порі діелектрика.

2.4.Теплові характеристики матеріалів.

До найважливіших теплових властивостей діелектриків ставляться нагрівостійкість, холодостійкість і теплове розширення.

Температура - це поняття, введене для характеристики енергії, яку мають молекули речовини. Для матеріалів уводять кілька характерних температурних крапок, що вказують працездатність і поведінка матеріалів при зміні температури.

Нагрівостійкість - максимальна температура, при якій не зменшується термін служби матеріалу.

По цьому параметру всі матеріали розділені на класи нагрівостійкості згідно таблиці 2.1.

Табл.2.1. Класи нагрівостійкості матеріалів.

Позначення класу	Y	A	E	B	F	H	C
Робоча температура, С	90	105	120	130	155	180	Вище 180

До класу Y відносяться волокнисті матеріали на основі целюлози й шовку (папери, картони, непросочені тканини), якщо вони не просочені спеціальними засобами.

До класу А відносяться ті ж матеріали, захищені зовнішньою ізоляцією, просочені спеціальними лаками. До класу А ставляться ізоляція емаль-проводів на масляно-смоляних лаках.

До класу Е відносяться пластмаси з органічним наповнювачем, такі як текстоліт, гетинакс.

До класів Y, А, Е відносяться в основному органічні електроізоляційні матеріали.

У клас У входять матеріали з більшим змістом неорганічних компонентів, наприклад азбестові матеріали з органічними просоченнями.

До класів F, Н належать вироби зі скловолокна з епоксидними або кремнійорганічними наповнювачами.

Клас С утворюють чисто неорганічні матеріали: слюда, кварц, азбест і т. п.

Теплостійкість - температура, при якій відбувається погіршення характеристик при короткочаснім її досягненні.

Термостійкість - температура, при якій відбуваються хімічні зміни матеріалу.

Морозостійкість - здатність працювати при знижених температурах (цей параметр важливий для гум).

Погіршення ізоляційних властивостей може відбуватися при тривалій дії щодо невеликих температур. Підвищення швидкості хімічних реакцій в ізоляції викликає теплове старіння ізоляції. Старіння ізоляції проявляється у вигляді підвищення твердості й крихкості, утвору тріщин, зниженні електричної міцності. У середньому підвищення температури на кожні 10 градусів зменшує тривалість старіння ізоляції вдвічі. На швидкість старіння істотний вплив виявляє наявність підвищеної концентрації кисню, озону або хімічно активних реагентів, вплив прямих сонячних променів. З питаннями припустимої температури тісно зв'язані заходи пожежної безпеки й вибухобезпечності встаткування.

При роботі декількох матеріалів в умовах механічного контакту необхідно враховувати теплове розширення діелектриків, яке оцінюють температурним коефіцієнтом лінійного розширення. Органічні діелектрики мають різко підвищені ТКЛР у порівнянні з неорганічними.

2.5.Механічні характеристики матеріалів.

Більшість електротехнічних матеріалів виконує кілька функцій, у тому числі й функції конструкційних матеріалів. Тому часто для електротехнічних матеріалів знати числові значення міцності на розрив, стиск, вигин. Багато матеріалів мають підвищену крихкість, тобто легко руйнуються динамічними навантаженнями. Для рідких діелектриків – масел, лаків важливою механічною характеристикою є в'язкість.

2.6 Вологостні властивості діелектриків.

2.6.1. Загальні характеристики вологості повітря

Електротехнічне встаткування завжди працює в контакті з атмосферним повітрям, зазнає дії різноманітних факторів, наприклад перепадам температури. Атмосферне повітря має досить складний хімічний склад і одним з найбільш істотних компонентів є водяні пари. Вода є гарним розчинником, легко проникає в пори й впливає на стан і експлуатаційні властивості всіх матеріалів. Наприклад, при підвищеній вологості швидше протікають процеси корозії конструкційних матеріалів, окисняться контакти й провідники, знижується електрична міцність діелектриків.

Зміст водяної пари в атмосфері оцінюють таким показником як абсолютна вологість повітря. Цей показник чисельно дорівнює масі водяної пари, що втримується в одиниці об'єму повітря (кг/м3). Кожній температурі відповідає певне максимальне значення абсолютної вологості mнас. Більшої кількості води повітря містити не може, вода випадає у вигляді роси. Абсолютна вологість, необхідна для насичення повітря, різко зростає зі збільшенням температури. Відносна вологість повітря показує процентний вміст у повітрі водяної пари стосовно максимально можливого: φ = m/ mнас 100%.

При нормальній температурі 20°С и нормальному атмосферному тиску значення mнас рівняється 17,3 г/м3. При проведенні різних випробувань і вимірів установлюється так звана нормальна вологість повітря, відповідна до відносної вологості φ = 65%.

Вода є сильно дипольним діелектриком з відносно низьким питомим опором порядку 103-104 Ом*м. Тому влучення води в діелектрик веде до різкого погіршення електричної міцності ізоляції. Особливо помітний вплив вологи при підвищених температурах. Тому в особливий клас виконання виділяється встаткування, призначене для роботи в тропічних умовах, тобто в умовах підвищеної вологості й підвищених температур.

Електроізоляційні матеріали в більшій або меншому ступені мають властивості гігроскопічності, тобто здатністю усмоктувати в себе вологу з навколишнього середовища, і вологопроникливістю, тобто здатністю пропускати через себе пари води.

2.6.2 Гігроскопічність діелектриків.

У першу чергу вплив підвищеної вологості повітря відбивається на зменшенні поверхневого опору діелектриків. Це пов'язане з появою на їхній поверхні великих водяних крапель і плівок. Здатність діелектриків змочуватися водою характеризується крайовим кутом змочування Θ краплі води, нанесеної на плоску поверхню – показати на малюнку. Чим менше Θ – тем сильніше змочування, для поверхонь, що змочуються, Θ <°90 С, для, що змочуються - Θ >°90, рис.2.1.

Рис.2.1. Змочувані та незмочувані поверхні

При наявності в діелектрику об'ємної пористості або при нещільній структурі волога попадає й усередину матеріалу.

Для захисту поверхні електроізоляційних деталей від дії атмосферної вологості їх покривають спеціальними лаками, що не змочуються водою.

Діелектрик, поміщений у середовище з деяким іншим рівнем вологості, протягом деякого часу досягає рівноважний із середовищем стану в результаті процесів зволоження або сушіння. Для волокнистих діелектриків установлюється кондиційна вологість, відповідна до рівноважної вологості матеріалу, якщо він перебуває в повітрі в нормальних умовах. Наприклад, для кабельного паперу кондиційна вологість установлюється рівної 8%. На гігроскопічність матеріалу найважливіший вплив виявляє будова матеріалу і його хімічний склад. Сильно пористі матеріали, природно, більш гігроскопічні, чому матеріали щільної будови. Для ілюстрації приведемо відомості про розміри пор ( в ангстремах, 10-10 м) для деяких матеріалів, табл.2.2.