Электротехнические материалы (стр. 4 )

При наличии в диэлектрике объемной пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь материала.

Для защиты поверхности электроизоляционных деталей от действия атмосферной влажности их покрывают специальными лаками, не смачиваемыми водой.

Диэлектрик, помещенный в среду с некоторым другим уровнем влажности, в течение некоторого времени достигает равновесного со средой состояния в результате процессов увлажнения или сушки. Для волокнистых диэлектриков устанавливается кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала, если он находится в воздухе в нормальных условиях. Например, для кабельной бумаги кондиционная влажность устанавливается равной 8%. На гигроскопичность материала важнейшее влияние оказывает строение материала и его химический состав. Сильно пористые материалы, естественно, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения. Для иллюстрации приведем сведения о размерах пор ( в ангстремах, 10-10 м) для некоторых материалов:

Макропоры в керамике	103 - 106
Капилляры в волокнах целлюлозы	1000
Поры в стенках волокна	10-100
Межмолекулярные поры	10-50
Внутримолекулярные поры	До 10

Для сравнения укажем, что эффективный диаметр молекулы воды равен примерно 3 ангстрема. Поэтому избежать гигроскопичности материалов, особенно органических, с крупными молекулами, практически невозможно.

Количество поглощенной диэлектриком воды не полностью отражает степень изменения свойств материала при увлажнении. Если поглощенная влага образует удлиненные нити или пленки, которые могут пронизывать межэлектродный промежуток, то даже незначительное количество влаги приводит к резкому снижению электрической прочности изоляции. Если же вода распределяется по объему материала равномерно, то влияние влаги будет менее существенным.

Наиболее заметное падение электрической прочности имеет место для диэлектриков, содержащих растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой удельной проводимостью.

Еще один эффект. При увлажнении диэлектрика в нем значительно увеличиваются диэлектрические потери в переменном электрическом поле, что приводит к дополнительному нагреву изоляции, но может приводить и к дополнительному просушиванию изоляции.

4.3. Влагопроницаемость диэлектриков.

Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет практическое значение их способность пропускать через себя пары воды. Эта характеристика называется влагопроницаемость и она очень важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов: наружные шланги кабелей, лаковые покрытия деталей). Только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроницаемость практически равна нулю.

Количество влаги m, проходящее за время τ сквозь участок площадью S слоя изоляционного диэлектрика толщиной h под действием разности давлений P1 и P2 равно

M = Π*(P1 - P2)*S* τ/h

Эта формула аналогична уравнению прохождению тока через тело, а коэффициент пропорциональности П в этой формуле аналогичен удельной объемной проводимости. Этот коэффициент является влагопроницаемостью данного материала.

В соответствии с этим определением в системе СИ влагопроницаемость измеряется в [с] (секунды). Для твердых органических диэлектриков влагопроницаемость имеет порядок значений 10-13 – 10-16 с.

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых и волокнистых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо понимать, что пропитка не устраняет, а только замедляет процессы накопления влаги основным диэлектриком. Это объясняется относительно крупным размером молекул пропитки.

Тема 2. Различные виды диэлектрических материалов.

Лекция 5. Газообразные и жидкие диэлектрики.

5.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

5.2. Область применения и общие характеристики газообразных диэлектриков.

5.3. Воздух.

5.4. Специальные газовые диэлектрики.

5.1. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

5.1.1. Абсолютная влажность воздуха. Влияние температуры на абсолютную влажность воздуха.

5.1.2. Относительная влажность воздуха. Её нормированное значение.

5.1.3. Общее представление о смачиваемости веществ.

5.1.4. Гигроскопичность диэлектриков.

5.1.5. Методы защиты диэлектриков от влаги.

5.2. Область применения и общие характеристики газообразных диэлектриков.

В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, нужно упомянуть воздух, который помимо нашей воли входит в состав всех электротехнических устройств и оказывает свое влияние на их работу.

Например, в работе линий электропередач воздух является основным диэлектриком и образует единственную изоляцию между оголенными проводами. Некоторые элементы конструкции ЛЭП, например расстояние между токонесущими проводами, можно определить только зная диэлектрические свойства газа.

Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь. Наиболее же ценным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда.

Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность.

Значение диэлектрической проницаемости газов близко к 1. Электропроводность газов обычно не хуже 10-13 См/м, причем, как было показано во второй лекции, основным фактором вызывающим проводимость в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Вольт-амперная характеристика имеет три характерные зоны - омическое поведение, насыщение, экспоненциальный рост. Диэлектрические потери незначительны и их стоит учитывать только в третьей области.

Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н. у.). Эти условия - давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н. у. имеет электрическую прочность 3 кВ/мм.

Основные атмосферные газы, например азот, имеют близкие к воздуху значения электрической прочности. Азот нередко применяется вместо воздуха в газовых конденсаторах, поскольку он не содержит кислорода, химически более инертен, не окисляет соприкасающиеся с ним материалы.

Коэффициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород - к = 0.5, гелий - к = 0.2, элегаз к = 2.9, фреон-12 - к = 2.4, перфторированные углеводородные газы к  = (4-10),.

Теплопроводность газов также невелика по сравнению с теплопроводностью твердых тел и жидкостей, наибольшее ее значение l= 0.2 Вт/(м×К) - у водорода. Для наиболее популярных газов l= 0.03 Вт/(м×К)--воздух, l= 0.012 Вт/(м×К) - элегаз. Для сравнения - у алюминия l= 200 Вт/(м×К).

Существуют специальные виды синтетических газовых диэлектриков, применяемых для изоляции внутреннего пространства высоковольтных выключателей, газовой изоляции кабелей.

В электротехнических устройствах нашли широкое применение синтетические газовые диэлектрики на основе фтора.

Основные газовые диэлектрики – это т. н. элегаз («электрический» газ) и фреон.

Элегаз (гексафторид серы) имеет химическую формулу SF6. Основная область применения – газонаполненные высоковольтные выключатели.

Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России. В 30х годах известный ученый исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы SF6. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е = 8,9 кВ/мм. Характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т. к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Из теплофизических свойств: температура плавления = -50 °С при 2 атм, температура кипения (возгонки) = -63°С. Низкие значения последних параметров означают возможность применения элегаза при низких температурах.

Из других полезных свойств отметим следующие: химическая инертность, нетоксичность, негорючесть, термостойкость (до 800°С), взрывобезопасность, слабое разложение в разрядах, низкая температура сжижения. В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например, в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны.

Комплекс свойств элегаза обеспечил достаточно широкое использование элегазовой изоляции. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т. к., как вы знаете, электрическая прочность увеличивается с ростом давления. На основе элегазовой изоляции созданы и эксплуатируются ряд электроустройств, из них кабели, конденсаторы, выключатели, компактные ЗРУ (закрытые распределительные устройства). Наиболее широкое применение элегаз нашел за рубежом, в особенности в Японии. Например, использование элегаза позволяет в десятки раз уменьшить размеры распредустройств, что очень актуально при высокой стоимости земли для размещения энергохозяйства. Это выгодно даже несмотря на высокую стоимость элегаза - более 10$ за 1 килограмм.

В таблице приведены отношения электрической прочности некоторых газов Епр. г к электрической прочности воздуха Епр. в, которое принято за единицу, а также даны точки кипения газов при нормальном давлении.