Конспект лекцій (стр. 4 )

Табл.2.2. Розміри пор у діелектриках.

Макропори в кераміку	103 – 106
Капіляри у волокнах целюлози	1000
Пори в стінках волокна	10-100
Міжмолекулярні пори	10-50
Внутрішнмолекулярні пори	До 10

Для порівняння вкажемо, що ефективний діаметр молекули води рівний приблизно 3 ангстрема. Тому уникнути гігроскопічності матеріалів, особливо органічних, з великими молекулами, практично неможливо.

Кількість поглиненої діелектриком води не повністю відбиває ступінь зміни властивостей матеріалу при зволоженні. Якщо поглинена волога утворює подовжені нитки або плівки, які можуть пронизувати міжелектродний проміжок, то навіть незначна кількість вологи приводить до різкого зниження електричної міцності ізоляції. Якщо ж вода розподіляється за обсягом матеріалу рівномірно, то вплив вологи буде менш істотним.

Найбільш помітне падіння електричної міцності має місце для діелектриків, що містять розчинні у воді домішки, що створюють електроліти з високою питомою провідністю.

Ще один ефект. При зволоженні діелектрика в ньому значно збільшуються діелектричні втрати в зміннім електричнім полі, що приводить до додаткового нагрівання ізоляції, але може приводити й до додаткового просушування ізоляції.

2.6.3. Вологопроникливість діелектриків.

Крім гігроскопічності, велике практичне значення має практичне значення їх здатність пропускати через себе пари води. Ця характеристика називається вологопроникливість і вона дуже важлива для оцінки якості матеріалів, застосовуваних для захисних покривів: зовнішні шланги кабелів, лакові покриття деталей). Тільки для стла, добре обпаленої кераміки й металів вологопроникливість практично дорівнює нулю.

Кількість вологи m, що проходить за час τ крізь ділянку площею S шару ізоляційного діелектрика товщиною h під дією різниці тисків P1 і P2 рівно

M = Π*(P1 - P2)*S* τ/h

Ця формула аналогічна рівнянню проходженню струму через тіло, а коефіцієнт пропорційності П у цій формулі аналогічний питомої об'ємної провідності. Цей коефіцієнт є вологопроникливістю даного матеріалу.

Відповідно до цього визначення в системі СІ вологопроникливість виміряється в [с] (секунди). Для твердих органічних діелектриків вологопроникливість має порядок значень 10-13 – 10-16 с.

Для зменшення гігроскопічності й вологопроникливості пористих і волокнистих ізоляційних матеріалів широко застосовується їхнє просочення. Необхідно розуміти, що просочення не усуває, а тільки сповільнює процеси нагромадження вологи основним діелектриком. Це пояснюється відносно великим розміром молекул просочення.

Розділ 3. Різні види діелектричних матеріалів.

3.1. Загальні характеристики й застосування газоподібних діелектриків.

У числі газоподібних діелектриків, насамперед, потрібно згадати повітря, яке мимо нашої волі входить до складу всіх електротехнічних пристроїв і виявляє свій вплив на їхню роботу.

Наприклад, у роботі ліній електропередач повітря є основним діелектриком і утворює єдину ізоляцію між оголеними проводами. Деякі елементи конструкції ЛЕП, наприклад відстань між струмонесучими проводами, можна визначити тільки знаючи діелектричні властивості газу.

Перевагами газів перед іншими видами електроізоляційних матеріалів є високий питомий електричний опір, малий тангенс кута діелектричних втрат. Найбільше ж коштовною властивістю газів є їхня здатність відновлювати електричну міцність після розряду.

Основні характеристики газів, як діелектриків, це діелектрична проникність, електропровідність, електрична міцність. Крім того, найчастіше важливі теплофізичні характеристики, у першу чергу теплопровідність.

Значення діелектричної проникності газів близько до 1. Електропровідність газів звичайно не гірше 10-13 См/м, причому, як було показано в другій лекції, основним фактором зухвалим провідність у не дуже сильних полях, є іонізуюче випромінювання. Вольт-амперна характеристика має три характерні зони - омічна поведінка, насичення, експонентний ріст. Діелектричні втрати незначні і їх варто враховувати тільки в третій області.

Електрична міцність у газів, порівняно з міцністю рідин і твердих діелектриків, невелика й сильно залежить як від зовнішніх умов, так і від природи газу. Звичайно пробивні характеристики різних газів зіставляють при нормальних умовах (н. у.). Ці умови - тиск 1 атм, температура 20 °С, електроди, що створюють однорідне поле, площею 1 див2, міжелектродний зазор 1 см. Повітря при н. у. має електричну міцність 3 кВ/мм.

Основні атмосферні гази, наприклад азот, мають близькі до повітря значення електричної міцності. Азот нерідко застосовується замість повітря в газових конденсаторах, оскільки він не містить кисню, хімічно більш інертний, не окиснить дотичні з ним матеріали.

Коефіцієнт до, що показує відношення електричної міцності газу до електричної міцності повітря становить для деяких газів, використовуваних у техніку: водень - до = 0.5, гелій - до = 0.2, елегаз до = 2.9, фреон-12 - до = 2.4, перфторовані вуглеводні гази до = (4-10),.

Теплопровідність газів також невелика в порівнянні з теплопровідністю твердих тіл і рідин, найбільше її значення l= 0.2 Вт/(м×К) - у водню. Для найбільш популярних газів l= 0.03 Вт/(м×К)--повітря, l= 0.012 Вт/(м×К) - елегаз. Для порівняння - в алюмінію l= 200 Вт/(м×К).

Існують спеціальні види синтетичних газових діелектриків, застосовуваних для ізоляції внутрішнього простору високовольтних вимикачів, газової ізоляції кабелів.

В електротехнічних пристроях знайшли широке застосування синтетичні газові діелектрики на основі фтору.

Основні газові діелектрики – це т. зв. елегаз («електричний» газ) і фреон.

Елегаз (гексафторид сірки) має хімічну формулу SF6. Основна область застосування – газонаповнені високовольтні вимикачі.

Своя назва він одержав від скорочення “електричний газ”. Унікальні властивості елегазу були відкриті в Росії, його застосування також почалося в Росії. В 30х роках відомий учений досліджував електричні властивості ряду газів і звернув увагу на деякі властивості шестифтористої сірки SF6. Електрична міцність при атмосферному тиску й зазорі 1 див становить Е = 8,9 кВ/мм. Характерним є дуже великий коефіцієнт теплового розширення й висока щільність. Це важливо для енергетичних установок, у яких проводиться охолодження яких-небудь частин пристрою, тому що при великому коефіцієнті теплового розширення легко утворюється конвективний потік, що несе тепло. З теплофізичних властивостей: температура плавлення = -50 °С при 2 атм, температура кипіння (сублімації) = -63°С. Низькі значення останніх параметрів означають можливість застосування елегазу при низьких температурах.

З інших корисних властивостей відзначимо наступні: хімічна інертність, нетоксичність, негорючість, термостійкість ( до 800°С), вибухобезпечніть, слабке розкладання в розрядах, низька температура скраплення. Під час відсутності домішок елегаз зовсім нешкідливий для людини. Однак продукти розкладання елегазу в результаті дії розрядів (наприклад, у розряднику або вимикачі) токсичні й хімічно активні.

Комплекс властивостей елегазу забезпечив досить широке використання елегазовій ізоляції. У пристроях елегаз звичайно використовується під тиском у кілька атмосфер для більшої компактності енергоустановок, тому що, як ви знаєте, електрична міцність збільшується з ростом тиску. На основі елегазової ізоляції створені й експлуатуються ряд електропристроїв, з них кабелі, конденсатори, вимикачі, компактні ЗРП (закриті розподільні пристрої). Найбільш широке застосування елегаз знайшов за рубежем, особливо в Японії. Наприклад, використання елегазу дозволяє в десятки раз зменшити розміри розподільних пристроїв, що дуже актуально при високій вартості землі для розміщення енергогосподарства. Це вигідно навіть незважаючи на високу вартість елегазу - більш 10$ за 1 кілограм.

У таблиці 3.1. наведені відносини електричної міцності деяких газів Епр. г до електричної міцності повітря Епр. п, яке прийнято за одиницю, а також дані точки кипіння газів при нормальному тиску.

Табл.3.1. Характеристики повітряутворюючих газів

Газ	Щільність кг/м3	Температура кипіння, oc	Eпр. г/Епр. п
Азот	1.25	-196	1.0
Гексафторид сірки (елегаз)	6.70	-64	2.3
Дихлорфторметан (фреон-12)	6.33 ( при -30oc)	-30	2.4

Фреон має приблизно ту ж, що й елегаз електричну міцність, але при нормальній температурі його можна стиснути лише до 6 атм. Фреон викликає корозію деяких твердих діелектриків.

3.2. Загальні характеристики й застосування рідких діелектриків.

З електрофізичної точки зору найбільш важливими характеристиками рідин є діелектрична проникність, електропровідність і електрична міцність.

Діелектрична проникність є дійсною характеристикою рідин і характеризується дипольним моментом і поляризуємістю молекул. Як приклад - у неполярного діелектрика гексана дипольний момент відсутній, поляризація має чисто електронний характер і, внаслідок цього, діелектрична проникність мала e ~ 2. Трансформаторне масло, будучи сумішшю речовин, має у своєму составі невелика кількість полярних молекул, що володіють дипольним моментом. Тому e зростає до ~ 2,2-2,4. Касторове масло має більше полярних молекул, отже більше e ~4,5. Етиловий спирт, гліцерин, вода є представниками полярних речовин, діелектрична проникність становить 24, 40, 81 відповідно.

Електропровідність рідин визначається іонізацією молекул, наявністю в рідині домішок особливого сорту: іонофорів і іоногенів, виникненням електрогідродинамічних течій, як уже розглядалося в другій лекції. Крім того, у рідинах виникають т. зв. подвійні електричні шари.