Конспект лекцій (стр. 7 )

  - негорючесть;

  - высокая термическая и химическая стабильность;

  - инертность по отношению к металлам, твердым диэлектрикам и резинам;

  - 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 коэффициент температурного расширения.

Проведенные нами исследования поведения некоторых жидкостей при постоянном и переменном напряжении показывают, что по электрофизическим параметрам: удельное сопротивление, tg d, электрическая прочность, они 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. Это препятствие может быть устранено. В настоящее время имеется задел по разработке новой, более дешевой технологии получения перфторуглеродов.

Приведем численные значения некоторых электрофизических параметров. Диэлектрическая проницаемость e = 1.8-2,  tgd < 10-4, r > (1012-1015) Ом×м, электрическая прочность - до 500 кВ/см. Важной особенностью является достаточно высокая электрическая прочность в газообразном (парообразном) состоянии - до 200-300 кВ/cм, т. к. фторуглеродные молекулы имеют высокое сродство к электрону, т. е. они являются электроотрицательными веществами. Из других свойств отметим не только негорючесть, но и термостабильность до температуры более 400 °С. Хотя теплопроводность фторуглеродов в два-три раза ниже, чем у трансформаторного масла, однако исключительно высокий коэффициент температурного расширения приводит к возникновению мощных конвективных потоков. При этом конвективный теплоотвод оказывается в 3-4 раза выше, чем у трансформаторного масла. Главный недостаток - дороговизна - они дороже трансформаторного масла в несколько десятков раз.  

К настоящему времени в энергетике эти жидкости не нашли широкого применения.  За рубежом применяются для охлаждения мощных выпрямителей и инверторов, преобразующих переменный ток в постоянный ток, для СВЧ устройств. Предполагаемое создание компактных пожаробезопасных испарительных трансформаторов для электротранспорта и компактных ЗРУ возможно только на основе перфторуглеродных жидкостей.

(більш, ніж у десять разів). Касторове масло рослинного походження, його отримують з насіння рицини. Основна область використання - просочення паперових конденсаторів для роботи в імпульсних умовах. Щільність касторового масла 0,95-0,97 т/м3, температура застигання від -10 °С до -18 °С. Його діелектрична проникливість при 20°С складає 4,0 - 4,5, а при 90С - = 3,5 - 4,0;

Кабельні масла використовуються у виробництві силових електричних кабелів; Просочуючи паперову ізоляцію цих кабелів, вони підвищують її електричну міцність, а також сприяють відводу теплоти втрат. Кабельні масла бувають різних типів. Для просочення ізоляції силових кабелів на робочі напруги до 35 кВ у свинцевих або алюмінієвих оболонках ( кабелі із грузлим просоченням ) застосовується масло марки КМ-25 з кінематичною в'язкістю не менш 23 мм2/c при 100°С, температурою застигання не вище мінус 100С и температурою спалаху не нижче +220°С. Для збільшення в'язкості до цього масла додатково додається каніфоль або ж синтетичний загущувач.

У маслозаповнених кабелях використовуються менш грузлі масла. Так, масло марки МН-4 застосовується для маслозаповнених кабелів на напруги 110-220 кВ, у яких під час експлуатації за допомогою підживлюючих пристроїв підтримується надлишковий тиск 0,3 - 0,4 Мпа.

Для маслозаповнених кабелів високого тиску ( до 1,5 Мпа ) на напруги від 110-500 кВ, що прокладаються в сталевих трубах, застосовується особливо ретельно очищене масло марки З-200.

3.3.4. Синтетичні діелектричні рідини.

Другий тип рідких діелектриків - важкогорючі й негорючі рідини. Рідких діелектриків з такими властивостями досить багато. Найбільше поширення в енергетику й електротехніку одержали хлордіфеніли. У закордонній літературі вони називаються хлордіфенілами. Це речовини, що мають у своєму составі подвійне бензольне кільце, т. зв. ді(бі)фенільне кільце й приєднані до нього один або кілька атомів хлору. У Росії застосовуються діелектрики цієї групи у вигляді сумішей, в основному суміші пентахлордіфеніл із трихлордіфенілом. Комерційні назви деяких з них - “совол”, “совтол”

Хлордіфенили є гарними діелектриками. У них підвищена діелектрична проникність ε =5-6 у порівнянні із трансформаторним маслом через полярність зв'язку електронегативного хлору з діфенільним кільцем. Тангенс кута діелектричних втрат tgδ ненабагато вище, чим у масла, електрична міцність також висока. Застосування цих діелектриків було обумовлено як цими властивостями, так і, головним чином, їх негорючістю. Тому в пожежнонебезпечних умовах (шахти, хімічні виробництва й т. п.) використовували трансформатори й інші електричні апарати, заповнені хлордіфенильними діелектриками.

Однак у всього класу цих речовин є два дуже істотні недоліки – висока токсичність і сильний вплив на озоновий шар. Хоча токсичність є очевидним недоліком, але найбільший негативний вплив на застосування хлордіфенилів виявив другий його недолік.

У Росії й деяких інших країнах найбільш перспективними для застосування вважаються силікони (сілоксани) або кремнійорганичні рідини. Це величезний клас рідин з різними електро - і теплофізичними характеристиками. Добре очищені рідини мають ε =2.5 - 3.5, tgδ <10-3, ρ >1012 Ом·м. Звичайно у цих з'єднань підвищена, у порівнянні з маслом, температура спалаху. Деякі рідини на основі модифікованих поліметилетилсилоксанів мають температуру спалаху близько 300°С. До недоліків силоксанів належить те, що досліджені кремнійорганічні рідини не можуть забезпечити пожежобезпечність і, отже, не можуть повністю замінити хлордіфеніли. Крім того, вони в кілька разів дорожче трансформаторного масла.

Дуже цікавий клас фторорганических рідин. У закордонній літературі вони називаються перфторвуглеводні. По суті, це еквівалент звичайним органічним рідинам, тільки замість атома водню скрізь перебуває атом фтору. Наприклад, є аналоги органічним сполукам, таким як пентан С5H12 - перфторпентан С5F12, гексан С6H14- перфторгексан С6F14, триетил(пропіл, бутіл)амін – перфтортриетил (пропіл, бутіл) амін і т. п.

Існує навіть перфтортрансформаторне масло. (На відміну від справжнього трансформаторного масла перфтортрансформаторне масло при нормальних умовах є твердою речовиною й використовується в якості морозостійкого змащення). Наявність фтору на місці водню означає, що речовина повністю окиснилася, адже фтор є найдужчим окиснювачем, більш сильним, чому кисень. Тому фторвулецеві рідини інертні стосовно будь-яких впливів, в. т.ч. стабільні під дією електричного поля й температури. Оскільки вони ні із чим не взаємодіють, вони не розчиняють масла, гуму, воду й т. п. Високі характеристики фторвулецевих рідин важливі для застосувань. Заміна атома H на атом F приводить до нових властивостей і новим можливостям:

- негорючість;

- висока термічна й хімічна стабільність;

- інертність стосовно металів, твердих діелектриків і гумам;

- нетоксичність, відсутність кольору й заходу;

- можливість добору рідин з різними крапками кипіння й замерзання;

- низька розчинність води й висока розчинність газів;

- відсутність розчинності будь-яких нефторованих матеріалів;

- високий коефіцієнт температурного розширення.

Проведені дослідження поведінки деяких рідин при постійній і змінній напрузі показують, що по електрофізичних параметрах: питомий опір, tg δ, електрична міцність, вони значно перевершують аналогічні показники будь-яких інших рідин, включаючи мінеральні масла. Вони нетоксичні, неокислювані, мають низьку в'язкість, у тому рахунку у низькотемпературній області. Ряд рідин мають крапку замерзання -70°С и нижче. Основна перешкода до більш широкого використання - порівняно висока ціна. Ця перешкода може бути усунуте. У цей час є заділ по розробці нової, більш дешевої технології одержання перфторвуглеводнів.

3.4. Тверді діелектрики.

3.4.1. Загальні характеристики твердих діелектриків.

Тверді діелектрики - це надзвичайно широкий клас речовин, що містить речовини з, що радикально різняться електричними, теплофізичними, механічними властивостями.

Наприклад, діелектрична проникність міняється від значення, що незначно перевищує 1, до більш ніж 50000, залежно від типу діелектриків: неполярний, полярний, сегнетоелектрик. На початку курсу приводилися визначення різних типів діелектриків. Коротенько торкнемося цих визначень стосовно до твердих діелектриків.

Неполярний діелектрик - речовина, що містить молекули з переважно ковалентним зв'язком.

Полярний діелектрик - речовина, що містить дипольні молекули або групи, або, що має іони в складі структури.

Сегнетоелектрик - речовина, що має в складі області зі спонтанною поляризацією.

Механізми поляризації в них різко різняться:

- чисто електронна поляризація в неполярних діелектриків типу поліетилена, полістиролу, при цьому діелектрична проникливість ε - невелика, не більш 3, діелектричні втрати теж малі;

- іонна поляризація в іонних кристалів типу NaСl або дипольна в полярних діелектриків типу льоду, при цьому ε може перебувати в межах від 3-4 до 100, діелектричні втрати можуть бути досить значні, особливо на частотах обертання диполів і інших резонансних частотах;

- доменна поляризація в сегнетоелектриків - при цьому ε максимальна й може досягати 10000-50000, діелектричні втрати можуть бути досить значні, особливо на резонансних частотах і в області підвищених частот.

Особливості механізмів провідності у твердих діелектриках - концентрація носіїв дуже мала, рухливість іонів у гомогенних матеріалах дуже мала, рухливість електронів у чистих матеріалах велика, у технічно чистих - мала. Механізми електропровідності різні в різних речовинах. Іонна провідність реалізується в полідисперсних діелектриків (картон, папір, гетинакс, дерево) і іонних кристалів. У першому випадку іони пересуваються по границях роздягнула, утвореним злиплими дисперсними частками.