Электротехнические материалы (стр. 3 )

2.3.2. Диэлектрическая проницаемость твердых и жидких диэлектриков.

Значение диэлектрической проницаемости твердых и жидких диэлектриков существенно зависит от их физико-химической природы: от размеров и степени полярности молекул, то есть, от механизмов поляризации, присущих тому или иному веществу. Диэлектрическая проницаемость в этом случае также зависит от температуры. Однако в отличие от газов температурный коэффициент диэлектрической проницаемости может иметь нелинейный характер и принимать положительные значения. Для полярных веществ имеет место и зависимость диэлектрической проницаемости от частоты приложенного напряжения. С ростом частоты диэлектрическая проницаемость полярных диэлектриков снижается.

Значения диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков изменяются в диапазоне от 2-3 до 7000-9000 (титанат бария).

Лекция 3. Электрическая прочность материалов. Тепловые и механические характеристики материалов.

3.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

3.2. Электрическая прочность диэлектриков.

3.3. Тепловые и механические характеристики материалов.

3.1. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

3.1.1. Определение электрического тока.

3.1.2. Какие Вы знаете виды носителей зарядов?

3.1.3. Какие процессы определяют электропроводность газов?

3.1.5. Какой вид носителей определяет проводимость металлов?

3.1.6. Какой вид носителей определяет проводимость жидкостей?

3.1.7. Дайте определение диэлектрической проницаемости.

3.2. Электрическая прочность диэлектриков.

Диэлектрик, находящийся в электрическом поле, при определенном значении напряженности электрического поля теряет изоляционные свойства. Это явление носит название пробоя, а значение напряжения при котором происходит пробой – электрической прочностью диэлектрика. Электрическая прочность определяется пробивным напряжением, отнесенным к толщине диэлектрика в месте пробоя:

Eпр = Uпр/h

На практике обычно измеряют электрическую прочность в киловольтах на миллиметр. Электрическая прочность существенно зависит от расстояния между электродами и их формы, от большого числа разнообразных физико-технических параметров.

При нормальных условиях электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами в 1 см составляет 3.2 кВ/мм.

Для твердых и жидких диэлектриков очень характерна зависимость электрической прочности от наличия и состава примесей. Например, электрическая прочность трансформаторного масла составляет 4кВ/мм, но после тщательной очистки от воды этот показатель увеличивается до 20-25 кВ/мм. Наличие твердых примесей искажает картину поля, делает его неравномерным, приводит к появлению зон локального перенапряжения.

Реальные диэлектрики отличаются от идеальных, прежде всего наличием в теле диэлектрика микропор, в особенности на поверхности раздела “электрод-диэлектрик”. Это является одним из главных факторов ухудшения свойств электрической изоляции в процессе эксплуатации, т. н. старения диэлектриков.

Старение диэлектриков - ухудшение характеристик диэлектриков при их эксплуатации.

Основной механизм старения диэлектриков - воздействие частичных разрядов. Дело в том, что в энергетике на диэлектрики действуют, как правило, переменные электрические поля. При этом при действии переменного напряжения определенной амплитуды в газовых или воздушных порах возникают частичные разряды.

Частичный разряд - локальный лавинный разряд в газовой поре диэлектрика.

3.3. Тепловые и механические характеристики материалов.

3.3.1. Тепловые характеристики материалов.

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость и тепловое расширение.

Температура - это понятие, введенное для характеристики энергии, которой обладают молекулы вещества. Для материалов вводят несколько характерных температурных точек, указывающих работоспособность и поведение материалов при изменении температуры.

Нагревостойкость - максимальная температура, при которой не уменьшается срок службы материала.

По этому параметру все материалы разделены на классы нагревостойкости.

Обозначение класса	Y	A	E	B	F	H	C
Рабочая температура, °С	90	105	120	130	155	180	Выше 180

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка ( бумаги, картоны, непропитанные ткани), если они не пропитаны специальными средствами.

К классу А относятся те же материалы, защищенные внешней изоляцией, пропитанные специальными лаками. К классу А относятся изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных лаках.

К классу Е относятся пластмассы с органическим наполнителем, такие как текстолит, гетинакс.

К классам Y, А, Е относятся в основном органические электроизоляционные материалы.

В класс В входят материалы с большим содержанием неорганических компонентов, например асбестовые материалы с органическими пропитками.

К классам F, Н принадлежат изделия из стекловолокна с эпоксидными или кремнийорганическими пропитывающими материалами.

Класс С образуют чисто неорганические материалы: слюда, кварц, асбест и т. п.

Теплостойкость - температура, при которой происходит ухудшение характеристик при кратковременном ее достижении.

Термостойкость - температура, при которой происходят химические изменения материала.

Морозостойкость - способность работать при пониженных температурах (этот параметр важен для резин).

Ухудшение изоляционных свойств может происходить при длительном действии относительно небольших температур. Повышение скорости химических реакций в изоляции вызывает тепловое старение изоляции. Старение изоляции проявляется в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин, снижении электрической прочности. В среднем повышение температуры на каждые 10 градусов уменьшает продолжительность старения изоляции вдвое. На скорость старения существенное влияние оказывает наличие повышенной концентрации кислорода, озона или химически активных реагентов, воздействие прямых солнечных лучей. С вопросами допустимой температуры тесно связаны меры пожарной безопасности и взрывобезопасности оборудования.

При работе нескольких материалов в условиях механического контакта необходимо учитывать тепловое расширение диэлектриков, которое оценивают температурным коэффициентом линейного расширения. Органические диэлектрики имеют резко повышенные ТКЛР по сравнению с неорганическими.

3.3.2. Механические характеристики материалов.

Большинство электротехнических материалов выполняет несколько функций, в том числе и функции конструкционных материалов. Поэтому часто для электротехнических материалов знать числовые значения прочности на разрыв, сжатие, изгиб. Многие материалы обладают повышенной хрупкостью, т. е. легко разрушаются динамическими нагрузками. Для жидких диэлектриков – масел, лаков важной механической характеристикой является вязкость.

Лекция 4. Влажностные свойства диэлектриков.

4.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

4.2. Общие характеристики влажности воздуха

4.3. Гигроскопичность диэлектриков.

4.4. Влагопроницаемость диэлектриков.

4.1. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

4.1.1. Дайте определение электрической прочности диэлектрика.

4.1.2. Старение диэлектриков. Что является основными причинами старения диэлектриков.

4.1.3. Дайте определение нагревостойкости.

4.1.4. Понятие о делении диэлектриков по классам нагревостойкости.

4.1.5. Положительный эффект от повышения нагревостойкости изоляции.

4.2. Общие характеристики влажности воздуха

Электротехническое оборудование всегда работает в контакте с атмосферным воздухом, подвергается действию разнообразных факторов, например перепадам температуры. Атмосферный воздух имеет достаточно сложный химический состав и одним из наиболее существенных компонентов являются водяные пары. Вода является хорошим растворителем, легко проникает в поры и оказывает существенное влияние на состояние и эксплуатационные свойства всех материалов. Например, при повышенной влажности быстрее протекают процессы коррозии конструкционных материалов, окисляются контакты и проводники, снижается электрическая прочность диэлектриков.

Содержание водяного пара в атмосфере оценивают таким показателем как абсолютная влажность воздуха. Этот показатель численно равен массе водяного пара, содержащейся в единице объема воздуха (кг/м3). Каждой температуре соответствует определенное максимальное значение абсолютной влажности mнас. Большего количества воды воздух содержать не может, вода выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры. Относительная влажность воздуха показывает процентное содержание в воздухе водяного пара по отношению к максимально возможному: φ = m/ mнас 100%.

При нормальной температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении значение mнас равняется 17,3 г/м3. При проведении различных испытаний и измерений устанавливается так называемая нормальная влажность воздуха, соответствующая относительной влажности φ = 65%.

Вода является сильно дипольным диэлектриком с относительно низким удельным сопротивлением порядка 103-104 Ом*м. Поэтому попадание воды в диэлектрик ведет к резкому ухудшению электрической прочности изоляции. Особенно заметно влияние влаги при повышенных температурах. Поэтому в особый класс исполнения выделяется оборудование, предназначенное для работы в тропических условиях, т. е. в условиях повышенной влажности и повышенных температур.

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени обладают свойствами гигроскопичности, т. е. способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемостью, т. е. способностью пропускать через себя пары воды.

4.3. Гигроскопичность диэлектриков.

В первую очередь воздействие повышенной влажности воздуха отражается на уменьшении поверхностного сопротивления диэлектриков. Это связано с появлением на их поверхности крупных водяных капель и пленок. Способность диэлектриков смачиваться водой характеризуется краевым углом смачивания Θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность – показать на рисунке. Чем меньше Θ – тем сильнее смачивание, для смачиваемых поверхностей Θ < 90°С, для смачиваемых - Θ > 90°С.