Конспект лекцій (стр. 8 )

Поява носіїв заряду сильно пов'язане з вологістю цих матеріалів і визначається, як розглядалося в гл.1 і 2 дисоціацією домішок і полярних груп основної речовини на поверхні роздягнула. У випадку іонних кристалів, у провідності беруть участь іони основної речовини, домішок, дефекти структури. Електронна провідність реалізується в титанатів барію, стронцію і т. д., електронна, діркова й іонна провідність у полімерів.

Додамо деякі терміни, специфічні для твердих діелектриків:

хімічна стійкість - здатність витримувати контакти з різними середовищами (кислота - кислотостійкість, луг - лугостійкість, озон - озоностійкість, масло - маслостійкість, вода - водостійкість);

трекінгостійкість - здатність протистояти дії дуги;

дендритостійкість - здатність протистояти утворенню дендритів.

3.4.2. Види діелектриків. Застосування твердих діелектриків в енергетиці.

Усі діелектричні матеріали можна розділити на групи, використовуючи різні принципи, наприклад, розділити на неорганічні й органічні матеріали.

Неорганічні діелектрики: скла, слюда, кераміка, неорганічні плівки (окисли, нітриди, фторидів), металлофосфати, електроізоляційний бетон. Особливості неорганічних діелектриків - негорючі, як правило, світло-, озоно - термостійкі, мають складну технологію виготовлення. Старіння на змінній напрузі практично відсутні, схильні до старіння на постійній напрузі.

Органічні діелектрики: полімери, воски, лаки, гуми, папери, лакотканини. Особливості органічних діелектриків - горючі (в основному), малостійкі до атмосферних і експлуатаційних впливів, мають (в основному) просту технологію виготовлення, як правило, більш дешеві в порівнянні з неорганічними діелектриками. Старіння на постійній напрузі практично відсутнє, на змінній напрузі старіють за рахунок часткових розрядів, дендритів і водних тріінгів.

Застосування в енергетику:

- лінійна й підстанційна ізоляція - це порцеляна, стекло й кремнійорганічна гума в підвісних ізоляторах ПЛ, порцеляна в опорних і прохідних ізоляторах, склопластики як несучі елементи, поліетилен, папір у високовольтних уведеннях, папір, полімери в силових кабелях;

- ізоляція електричних приладів - папір, гетинакс, склотекстоліт, полімери, слюдяні матеріали;

- ізоляція машин, апаратів - папір, картон, лаки, компаунди, полімери;

- конденсатори різних видів - полімерні плівки, папір, оксиди, нітриди.

Із практичної точки зору в кожному випадку вибору матеріалу електричної ізоляції слід аналізувати умови роботи й вибирати матеріал ізоляції відповідно до комплексу вимог. Для орієнтування доцільно розділити основні діелектричні матеріали на групи за умовами застосування.

1. Нагрівостійка електрична ізоляція. Це в першу чергу виробу зі слюдяних матеріалів, деякі з яких здатні працювати до температури 700 ° С. Скла й матеріали на їхній основі (склотканини, склослюдініти). Органосілікатні й металофосфатні покриття. Керамічні матеріали, зокрема нітрид бору. Композиції із кремнійорганіки з термостійким сполучним. З полімерів високу нагрівостійкість мають поліімід, фторопласт.

2. Вологостійка електрична ізоляція. Ці матеріали повинні бути гідрофобні (незмочування водою) і негігроскопічні. Яскравим представником цього класу є фторопласт. У принципі можлива гідрофобізація шляхом створення захисних покриттів.

3. Радіаційно-стійка ізоляція. Це, у першу чергу, неорганічні плівки, кераміка, склотекстоліт, слюдинітові матеріали, деякі види полімерів (полііміди, поліетилен).

4. Тропікостійка ізоляція. Матеріал повинен бути гідрофобним, щоб працювати в умовах високої вологості й температури. Крім того, він повинен бути стійким проти цвілевих грибків. Кращі матеріали: фторопласт, деякі інші полімери, гірші - папір, картон.

5. Морозостійка ізоляція. Ця вимога характерна, в основному для гум, тому що при зниженні температури всі гуми втрачають еластичність. Найбільш морозостійка кремнійорганічна гума з фенільними групами ( до -90°С).

6. Ізоляція для роботи у вакуумі (космос, вакуумні прилади). Для цих умов необхідно використовувати вакуумно-щільні матеріали. Придатні деякі, спеціально приготовлені керамічні матеріали, малопридатні полімери.

3.4.3. Полімерні матеріали.

Полімери, як правило, є гарними діелектриками. Вони мають низькі діелектричні втрати, високий питомий опір, високу електричну міцність, високу технологічність і, як правило, невисокою ціною. Крім того, на основі полімерів з дисперсними добавками різної електропровідності, теплопровідності, магнітній проникності, діелектричній проникності, твердості й т. п. можна одержувати різноманітні композиційні матеріали із широким спектром властивостей.

По технологічних ознаках полімерні матеріали діляться на 2 класу - термопласти й реактопласти.

Термопластичні матеріали при підвищенні температури розм'якшуються, легко деформуються. Характерною рисою термопластичних матеріалів є те, що їх нагрівання не викликає необоротних змін їх властивостей. Термореактивні (термозатверджуючі) матеріали (реактопласти) при нагріванні здобувають необоротні зміни, вони спікаються, здобувають значну механічну міцність і твердість.

Термопласти – це в основному лінійні полімери, а реактопласти – це полімери із сильно розвитому просторовою структурою.

Термопласти (термопластичні матеріали) - розм'якшуються при нагріванні, що дозволяє використовувати просту технологію термопресування. При цьому гранули вихідного полімеру поміщають у камеру термопласт - автомата, нагрівають до температури розм'якшення, пресують і прохолоджують. Так роблять дрібні діелектричні деталі. Для великогабаритних виробів, типу кабелів, напівтвердий розплав видавлюють через фільєру разом із внутрішнім електродом кабелю.

Найпоширенішим діелектриком цього класу є поліетилен H-(CH2)nh. Поліетилен роблять шляхом полімеризації газу етилену при підвищених тисках і температурах.

Хімічна формула етилену З2H4. Будова молекули H2C = CH2. Етилен є побічним продуктом нафтопереробки.

В основному використовуються дві технології. Історично першої була технологія одержання поліетилену при високому тиску до 250 МПа й температурі до 300 °С за допомогою ініціюючих агентів-окиснювачів. При цьому виходить т. зв. поліетилен високого тиску ПЕВД, для якого використовується й інша назва - поліетилен низкою щільності (ПЕНП).

У цей час більш поширена технологія одержання поліетилену за допомогою каталізаторів при невисокому тиску до 1 МПа, невисокій температурі до 80°С. При цьому виходить т. зв. поліетилен низького тиску ПЕНД, для якого використовується й інша назва - поліетилен високого щільності (ПЕВП). Головна відмінність отриманих продуктів з фізико-хімічної точки зору - підвищена водостійкість ПЕНД у порівнянні з ПЕВД. Інші характеристики практично однакові: питомий опір 1014-1015 Ом·м, питомий поверхневий опір1015 Ом, діелектрична проникливість 2.2-2.4, тангенс кута діелектричених втрат 10-4, електрична міцність 45-55 кВ/мм, теплопровідність 0.3-0.4 Вт/(м·К), теплоємність 2 кДж/(кг·К), щільність 920-960 кг/м3. Клас нагрівостійкості Y.

Поліетилен широко використовують у якості силової електричної ізоляції в кабелях, особливо т. зв. "зшитий" поліетилен. ( У закордонній літературі - cross-linked polyethylene). Його одержують або опроміненням високоенергетичними частками (електронами, фотонами, важкими частками), або вулканізацією. При цьому утворюється просторова сітка, подібно тому, як це реалізується в гумі. Модифікований матеріал може експлуатуватися при температурі до 200 °С, крім того, він стає більш стійким стосовно агресивних середовищ і розчинникам, механічно більш міцним, його питомий опір підвищується приблизно на два порядки.

З інших термопластичних полімерів, використовуваних в енергетику у вигляді електроізоляційних плівок відзначимо поліпропілен, полівінілхлорид, лавсан.

Інші широко застосовувані на практиці полімерні ізоляційні матеріали – полістирол, полівінілхлорид, поліметилметакрилат.

Рядом унікальних властивостей має фторопласт (політетрафторетилен) – один із представників фторорганічних полімерів.

Цей матеріал у нас називається фторлон-4 (фторопласт-4). Він хімічно інертний, не розчиняється в розчинниках, аж до температури 260 °С, абсолютно не змочується водою, не гігроскопічний.

Реактопласти (термореактивні матеріали) - при нагріванні не розм'якшуються, після досягнення деякої температури починаються руйнуватися. Виробу з них звичайно роблять різними способами. Одна з розповсюджених дешевих технологій полягає в наступному. Спочатку готовлять прес-порошки полімеру. Потім прес порошок засинають у прес-форму й пресують при певному тиску й температурі. При цьому виникає зчеплення між деформованими частками, і після охолодження матеріал готовий до використання.

Можливе проведення полімеризації з вихідних компонентів у заздалегідь підготовлених формах. Так роблять виробу з епоксидних полімерів, кремнійорганичної гуми.

Досить дешеві й технологічні реактопласти на основі фенолформальдегідних полімерів (бакеліт) і аміноформальдегідних полімерів.

Першими реактопластами, отриманими близько 100 років тому, були фенолформальдегідні смоли (ФФС). Компонентами цих смол є фенол і формальдегід, реакція поліконденсації яких відбувається при нагріванні до 450 .. - 470 ДО. Вихідною сировиною для ФФС є кам'яне вугілля, що й пояснює дешевину й постояле зростання виробництва, особливо у вигляді теплоізоляційних пінопластів для будівельної промисловості. В електроніці ФФС широко застосовуються для виготовлення шаруватих пластиків, покриттів і фарб (лак на основі ФФС називається бакелітовим), деталей електроізоляційної апаратури, сепараторів акумуляторів і т. д.

Питомий опір отверділої ФФС — 1012 ... ...1013 Ом-См, tg = 0,015 при f=106 Гц, електрична міцність 10...18 кВ/мм, =10 ... —11 (50 Гц) і =6 (106 Гц). Діапазон робочих температур 210 ... 470°К. Композиції на основі ФФС і рубаного вуглецевого волокна (вуглепресволокніт) мають підвищену нагрівостійкість — короткочасно до 800°С. Широко застосовуються в радіоелектроніці гетинакс і текстоліт-шаруваті пластики на основі ФФС із паперовим і тканинними наповнювачами. Недоліки ФФС - крихкість, висока в'язкість олігомерів і висока температура затвердіння.