Материаловедение и технология конструкционных материалов (стр. 13 )

По кривой 1 и формуле (5.9) можно рассчитать допустимое рабочее напряжение

(5.10)

где tgδ1 соответствует t1раб = t1.

По кривой 2 и формуле (5.9) может быть рассчитано пробивное напряжение изолятора.

Рисунок 5.4 - Кривые зависимости Ра (1 и 2) от температуры

при разном приложенном к изолятору напряжении (U1<<U2)

и прямая теплоотдачи (3)

В данном случае критическая температура совпадает с рабочей и напряжение на изоляторе должно рассматриваться как критическое, т. е. пробивное

(5.11)

где значение tgδ2 соответствует критической темпе ратуре t2кр = t2.

Для плоского конденсатора при толщине диэлектрика h и отводе тепла через электроды, температуру которых принимаем равной t0, находим (в киловольтах)

(5.12)

если все величины, имеющие размерности, выражены в когерентных единицах системы СИ.

Электрохимический пробой изоляционных материалов имеет особенно существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжениях низкой частоты, когда в материале развиваются электролитические процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции.

Такое явление часто называют также старением диэлектрика в электрическом поле, поскольку оно приводит к постепенному снижению электрической прочности, заканчивающемуся пробоем при напряженности поля, значительно меньшей пробивной напряженности, полученной при кратковременном испытании.

Ранее считалось, что старение свойственно лишь органическим диэлектрикам (пропитанная бумага, резина и т. д.), в которых оно обусловлено, прежде всего, развитием ионизационного процесса в воздушных включениях. Ионизацию связывали с выделением озона и окислов азота, приводящих к постепенному химическому разрушению изоляции. Позднее было показано, что явление старения может иметь место и в некоторых неорганических диэлектриках, например в титановой керамике.

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале малых количеств химически активных веществ, или с образованием полупроводящих соединений. В керамике, содержащей окислы металлов переменной валентности (например, TiO2), электрохимический пробой встречается значительно чаще, чем в керамике, состоящей из окислов алюминия, кремния, магния, бария. Наличие щелочных окислов в алюмосиликатной керамике способствует возникновению электрохимического пробоя и ограничивает допустимую рабочую температуру. При электрохимическом пробое, наблюдаемом при постоянном напряжении и низких частотах в условиях повышенных температур или высокой влажности воздуха, большое значение имеет материал электрода. Серебро, способное диффундировать в керамику, облегчает электрохимический пробой в противоположность, например, золоту.

Лекция 6

ГАЗООБРАЗНЫЕ И ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

6.1 Классификация диэлектриков

Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. К ним принадлежат электроизоляционные материалы. Они используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами. Назначение электрической изоляции - не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использования электроизоляционных материалов.

Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры или иных факторов.

Наконец, к диэлектрическим материалам принадлежат и активные диэлектрики, т. е. диэлектрики с управляемыми свойствами (сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты и др.).

Настоящая лекция посвящена электроизоляционным материалам, которые образуют самый многочисленный тип электротехнических материалов вообще; количество отдельных видов конкретных электроизоляционных материалов, применяемых в современной электропромышленности, исчисляется многими тысячами.

В различных случаях применения к электроизоляционным материалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств, большую роль играют механические, тепловые и другие физико-химические свойства, способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий, а также стоимость и дефицитность материалов. Поэтому для различных случаев применения выбирают разные материалы.

Электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии во время введения их в изготовляемую изоляцию являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Большое практическое значение имеет также разделение электроизоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические.

Под органическими веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и другие металлы, кислород и т. п.

Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью, из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое применение. Однако органические электроизоляционные материалы за немногими исключениями (фторлоны, полиимиды и пр.) имеют относительно низкую нагревостойкость.

Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки, технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как правило, неорганические электроизоляционные материалы обладают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органические, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции.

Существуют и материалы со свойствами, промежуточными между свойствами органических и неорганических материалов. Это элементоорганические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов: Si, A1, Р и др.

6.2 Газообразные диэлектрики

В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации.

При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними и т. д.) различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность. Он нередко применяется вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, он не содержит кислорода, который оказывает окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу, и соединения, содержащие галогены (фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SF6 имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха В связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым элегазом (сокращение от слов «электричество» и «газ»).

Элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения, он может быть сжат (при нормальной температуре) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т. п. Особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях.

Дихлордифторметан CCl2F2, так называемый фреон, имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но его температура кипения всего лишь 242,7 К (-30,5°С), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Фреон вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов, что надо иметь в виду при конструировании электрических холодильников.

Даже небольшая примесь к воздуху элегаза, фреона, перфторорганических газов или паров заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.

Значительный интерес для электротехники представляет водород. Это очень легкий газ, обладающий весьма благоприятными свойствами для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха (водород характеризуется высокими значениями удельной теплопроводности и теплоемкости). При использовании водорода охлаждение вращающихся электрических машин существенно улучшается. Кроме того, при замене воздуха водородом заметно снижаются потери мощности на трение ротора машины о газ и на вентиляцию, так как эти потери приблизительно пропорциональны плотности газа. Вследствие отсутствия окисляющего действия кислорода воздуха замедляется старение органической изоляции обмоток машины и устраняется опасность пожара в случае короткого замыкания внутри машины. Наконец, в атмосфере водорода улучшаются условия работы щеток.