Конспект лекцій (стр. 1 )

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра електропостачання та ресурсозбереження

Конспект лекцій

з дисципліни «Електротехнічні матеріали»

для студентів з напрямку підготовки 6.050701

«Електротехніка та електротехнології»

денної та заочної форм навчання

м. Кривий Ріг

2010 р.

Укладачі : , к. т.н, доцент, , старший викладач.

Відповідальний за випуск : Щокін В. П., к. т.н, доцент.

Рецензент : , к. т.н, доцент.

Конспект лекцій з дисципліни «Електротехнічні матеріали» охоплює основні теми курсу, містить загальнотеоретичні відомості з матеріалознавства. Значний обсяг матеріалу присвячено діелектричним матеріалам, опису властивостей та кількісних характеристик матеріалів, найбільш поширених у практичному використанні при конструюванні та виробництві електротехнічних пристроїв. Наведено список рекомендованої літератури.

Розглянуто Схвалено

на засіданні на вченій раді

кафедри ЕПР електротехнічного

факультету

Протокол № 5 Протокол № 1

від 08.10.2010 р. від 27.10.2010 р.

Зміст

Передмова 5

Розділ 1. Введення в предмет 5

1.1. Визначення матеріалу, матеріалознавства, електротехнічного матеріалознавства. 5

1.2. Роль матеріалів у сучасній техніці. 6

1.3. Класифікація матеріалів, застосовуваних в енергетиці й електротехніці. 7

Розділ 2. Електрофізичні характеристики матеріалів. 8

2.1. Електропровідність матеріалів. 8

2.1.1. Основне рівняння електропровідності. 8

2.1.2. Електропровідність металів. 8

2.1.3. Електропровідність газів. 8

2.1.4. Електропровідність твердих діелектриків. 9

2.1.5. Електропровідність рідин. 9

2.2. Діелектрична проникність. 9

2.2.1. Діелектрична проникність газів. 10

2.2.2. Діелектрична проникність твердих і рідких діелектриків. 10

2.3. Електрична міцність матеріалів. 10

2.4.Теплові характеристики матеріалів. 11

2.5.Механічні характеристики матеріалів. 12

2.6 Вологостні властивості діелектриків. 12

2.6.1. Загальні характеристики вологості повітря. 12

2.6.2 Гігроскопічність діелектриків. 12

2.6.3. Вологопроникливість діелектриків. 13

Розділ 3. Різні види діелектричних матеріалів. 14

3.1. Загальні характеристики й застосування газоподібних діелектриків. 14

3.2. Загальні характеристики й застосування рідких діелектриків. 15

3.3. Використовувані й перспективні рідкі діелектрики. 16

3.3.1. Трансформаторне масло. 16

3.3.2. Основні фізико-хімічні властивості трансформаторного масла. 17

3.3.3. Конденсаторне й кабельне масла. 19

3.3.4. Синтетичні діелектричні рідини. 20

3.4. Тверді діелектрики. 21

3.4.1. Загальні характеристики твердих діелектриків. 21

3.4.2. Види діелектриків. Застосування твердих діелектриків в енергетиці. 22

3.4.3. Полімерні матеріали. 23

3.4.4. Папір і картон. 25

3.4.5. Шаруваті пластики. 26

3.4.6. Лакотканини. 28

Розділ 4. Провідникові матеріали. 28

4.1. Матеріали для проводів. Мідь, алюміній. 28

4.2. Матеріали для контактів. 29

4.3. Металеві резистивні матеріали. 30

4.4. Принципи надпровідності. 31

Список рекомендованої літератури. 31

Передмова

Дисципліна «Електротехнічні матеріали», з одного боку, базується на таких фундаментальних науках, як фізика, хімія і електротехніка, а з іншого боку - є їх логічним розвитком і створює основу для вивчення багатьох профілюючих дисциплін електро - і радіотехнічних спеціальностей. Спираючись на базові дисципліни - фізику, хімію, електротехніку і технічну механіку, ЕТМ безпосередньо обслуговують багато профілюючі дисципліни.

Система навчання полягає в читанні лекцій і підготовці лабораторних робіт. Обсяг курсу містить у собі 18 лекцій і 8 лабораторних робіт.

Виконання лабораторних робіт пов’язане з використанням високої напруги. Тому необхідно якнайсуворіше дотримання заходів безпеки.

Метою нашого курсу є ознайомлення й вивчення основних матеріалів, застосовуваних в електроенергетиці, їх основних властивостей.

Курс «Електротехнічні матеріали» є частиною більш загальної наукової дисципліни – матеріалознавства.

Розділ 1. Введення в предмет

1.1. Визначення матеріалу, матеріалознавства, електротехнічного матеріалознавства.

Матеріал - це об'єкт, що володіє певним составом, структурою й властивостями, призначений для виконання певних функцій. Матеріали можуть мати різний агрегатний стан: тверде, рідке, газоподібне або плазмове. Функції, які виконують матеріали - різноманітні. Це може бути забезпечення протікання струму - у провідникових матеріалах, збереження певної форми при механічних навантаженнях - у конструкційних матеріалах, забезпечення непротікання струму, ізоляція - у діелектричних матеріалах, перетворення електричної енергії в теплову - у резистивних матеріалах. Звичайно матеріал виконує кілька функцій, наприклад діелектрик обов'язково випробовує якісь механічні навантаження, а значить є конструкційним матеріалом.

Матеріалознавство - наука, що займається вивченням складу, структури, властивостей матеріалів, поведінку матеріалів при різних впливах: теплових, електричних, магнітних і т. д., а також при комбінації цих впливів. Теоретичною основою матеріалознавства є фізика й хімія. Стихійними матеріалознавцями були ще прадавні люди, наприклад, що навчилися робити кам'яні наконечники або сокири з певних каменів із шаруватою структурою. Технічний прогрес людства багато в чому заснований на матеріалознавстві. У свою чергу технічний прогрес дає нові можливості, методи, прилади для матеріалознавства, дозволяє створювати нові матеріали.

Розглянемо приклад з комп'ютерною технікою. Перші комп'ютери були на вакуумних електронних лампах і мали порівняно скромні можливості. Розмір їх був приблизно зі спортивний зал, розмір одиничного елемента для зберігання й обробки інформації становив кілька сантиметрів. Після відкриття напівпровідників розмір елемента поменшився приблизно в 10 раз, розміри комп'ютера поменшилися також приблизно в 10 раз. У міру дослідження напівпровідників їх розмір зменшувався, поки не відбувся якісний стрибок після відкриття інтегральних схем, коли кілька транзисторів з'єднали в одному елементі. Надалі й цей елемент постійно зменшувався й у ньому з'єднували все більшу кількість транзисторів. У цей час елементарний транзистор має розмір приблизно 0.5 мкм, у більших інтегральних схемах з'єднуються тисячі елементів. Передбачається, що в найближчому майбутньому буде поступово здійснюватися перехід на масштаб 0.2 мкм і 0.18 мкм. Є ідеї про створення елементів розміром з молекулу!

Електротехнічне матеріалознавство - це розділ матеріалознавства, який займається матеріалами для електротехніки й енергетики, тобто матеріалами, що володіють специфічними властивостями, необхідними для конструювання, виробництва й експлуатації електротехнічного устаткування. Ряд матеріалів традиційні для кожного з розділів матеріалознавства, у першу чергу, це конструкційні матеріали. Основні матеріали, розглянуті тут специфічні саме для електротехнічного розділу матеріалознавства, це в першу чергу діелектричні матеріали, потім провідникові матеріали, матеріали для резисторів. В основному ці теми й будуть розглядатися в курсі електротехнічного матеріалознавства. Для успішного освоєння курсу не потрібно спеціалізованих знань – досить математики та фізики в обсязі загального курсу.

1.2. Роль матеріалів у сучасній техніці.

Матеріали відіграють визначальну роль у технічному прогресі. Вище ми розглядали приклад з області обчислювальної техніки, коли вдосконалювання матеріалу й технології виготовлення елементів устаткування з нього приводить до радикально нових результатів. Можна навести ще приклади з інших галузей техніки.

Наприклад, виготовлення балонів для зберігання газів під тиском. Вага балона визначається товщиною стінки посудини, яка, у свою чергу, визначається механічною міцністю матеріалу. Чим менш міцний матеріал, тем важче посудина. Отож, посудина для зберігання азоту, приблизно на тиск 100 атм, обсягом 100 л, виготовлений зі сталі має різна вага в різних країнах, де різна технологія виготовлення стали й, відповідно, різна її механічна міцність. Наприклад вищезгадана посудина в США має вага 40 кг, у нас - 80 кг, а в Китаї - 150 кг.

Розробка нових електротехнічних матеріалів з поліпшеними або новими експлуатаційними властивостями сприяє поліпшенню експлуатаційних характеристик електротехнічних виробів.

Інший приклад, більш близький до енергетики. Робоча напруженість електричного поля в потужному імпульсному накопичувачі енергії (великий конденсатор, у якім у якості діелектрика є вода) в американському накопичувачі «Юпітер» вибирається 150 кВ/см, а в російському накопичувачі «Ангара» - усього 80 кВ/см. В американців краще технологія готування води й електродів, отже, краще властивості матеріалу (води) у накопичувачі, значить пробій у воді досягається при більш високій напруженості, і можна вибрати більшу робочу напруженість.

Ще більш близький приклад - ізолятори високовольтних ліній. Історично першими придумали ізолятори з порцеляни. Технологія їх виготовлення досить складна, примхлива. Ізолятори виходять досить громіздкими й важкими. Навчилися працювати зі склом - з'явилися скляні ізолятори. Вони легше, дешевше, їхня діагностика трохи простіше. І, нарешті останні винаходи - це ізолятори із кремнійорганичної гуми. Перші ізолятори з гуми були не дуже вдалі. На їхній поверхні із часом утворювалися мікротріщини, у яких набивався бруд, утворювалися провідні треки, потім ізолятори пробивалися. Докладне вивчення поведінки ізоляторів в електричнім полі проводів повітряних ліній в умовах зовнішніх атмосферних впливів, дозволило підібрати ряд добавок, що поліпшили атмосферо стійкість, стійкість стосовно забруднень і дії електричних розрядів. У результаті зараз створений цілий клас легких, міцних ізоляторів на різні рівні напруги.

Для порівняння, вага підвісних ізоляторів для ВЛ 1150 кВ зіставимо з вагою проводів у прольоті між опорами й становить кілька тонн. Це змушує ставити додаткові паралельні гірлянди ізоляторів, що збільшує навантаження на опору. Потрібно використовувати більш міцні, а значить більш масивні опори. Це збільшує матеріалоємність, велику вагу опор значно піднімає витрати на монтаж. Для довідки, вартість монтажу становить до 70% вартості будівництва лінії електропередач. На прикладі видне, як один елемент конструкції впливає на конструкцію в цілому. Застосування кремнійорганичної гуми дозволяє різко здешевити й прискорити будівництво. Основою для цього прогресу є розробка й використання для ізоляторів нових електротехнічних матеріалів. Легкі ізолятори дають можливість полегшити опори, тим самим зменшується вітрове навантаження, здешевлюється виготовлення, доставка й монтаж повітряних ліній.