Газообразные и жидкие диэлектрики

Лекция 1. Диэлектрические материалы. Свойства диэлектрических материалов.

Цель: закрепить и обобщить теоретические знания о тепловых, физико-химических, электрических свойствах диэлектрических материалов.

Электротехническими называются материалы, характеризующиеся определёнными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике согласно этим свойствам. По поведению в электрическом поле электротехнические материалы подразделяют на проводники, полупроводники и диэлектрики. Диэлектрики – наиболее обширный класс электротехнических материалов, основным электрическим свойством которых является способность к электрической поляризации, и сохранять электростатическое поле. К диэлектрикам условно относят материалы с удельным электрическим сопротивлением 𝜌 > 108 Ом·м. С точки зрения зонной теории, диэлектриками условно называют вещества с шириной запрещенной зоны превышающей 3 эВ.

По функциям, выполняемым в приборах и аппаратуре диэлектрические материалы можно разделить на электроизоляционные материалы (пассивные диэлектрики) и активные диэлектрики. Пассивные диэлектрики применяются в качестве электроизоляционных и конденсаторных материалов, не допускающих утечки электрических зарядов. Активными или управляемыми называют диэлектрические материалы, электрические свойства которых зависят от внешних факторов (температуры, давления, напряженности поля и т.д.), способных изменять характеристики электротехнических устройств и приборов. К ним относят сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электролюминофоры, материалы квантовой электроники и др.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяются на твердые, жидкие и газообразные. По химической природе различают на органические, неорганические и элементоорганические диэлектрики.

По электронному строению различают неполярные, полярные и ионные диэлектрики. Неполярные диэлектрики – газы, жидкости и твердые вещества, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, сера, полиэтилен. Полярные диэлектрики – органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно электронную и дипольно-релаксационную поляризации. К ним относятся кремнийорганические соединения, капрон, фенолформальдегидные смолы. Ионные диэлектрики – материалы с ионной, электронной и релаксационной поляризациями. К ним относятся кварц, слюда, корунд, TiO₂, стекла, керамика.

При выборе диэлектрических материалов необходимо учитывать их механические, тепловые, физико-химические и электрические свойства. К основным механическим характеристикам электротехнических материалов относятся: предел прочности материала при растяжении (𝜎_р), предел прочности материала при сжатии (𝜎_с), предел прочности материала при статическом изгибе (𝜎_и) и удельная ударная вязкость (а) материала.
Предел прочности материала при растяжении (𝜎_р) вычисляется по формуле:

где Р_р – разрушающее усилие при разрыве образца материала, Н;
S₀ – площадь поперечного сечения образца до испытания, мм². параллельно с определением предела прочности материала при растяжении определяется относительное удлинение при растяжении е_р по формуле:

где l ₀ – первоначальная длина образца, см; l ₁ – конечная длина образца, см.

Предел прочности при сжатии 𝜎_с определяется на образцах, имеющих форму цилиндра или куба. Предел прочности материала при сжатии ( ) вычисляется по формуле:

где Р_р – разрушающее усилие при сжатии образца материала, кГ ;
S_о – площадь поперечного сечения образца до испытания, см².

Предел прочности при статическом изгибе определяется на образцах, представляющих собой бруски прямоугольного или круглого сечения. Предел прочности при статическом изгибе 𝜎_и определяется на образцах, представляющих собой бруски прямоугольного или круглого сечения:

Где L – расстояние между стальными опорами в испытательной машине, см; b – ширина образца, см; h – толщина образца, см.

Удельную ударную вязкость a вычисляют как отношение работы, затраченной при разрушении образца, к площади его первоначального поперечного сечения:

где G – вес маятника, h ₁ – первоначальная высота, на которую поднят копр, h ₂ – высота, на которую влетел копр после удара, м; S_o – площадь поперечного сечения образца.

К тепловым свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, теплостойкость (по методу Мартенса и др.), температура вспышки паров (жидкие диэлектрики), температура размягчения (аморфные диэлектрики). Нагревостойкостью называется способность электроизоляционных материалов и изделий выдерживать повышенную температуру в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации изделия без разрушения и ухудшения важных свойств. Для электроизоляционных материалов, применяемых в электрических машинах и аппаратах, установлено семь классов нагревостойкости. Определение нагревостойкости производится установлением зависимости долговечности от температуры, которое дается уравнением Аррениуса:

Где L – срок службы или договечность, А и В – параметры данного материала.

Для многих твердых диэлектриков, в частности различных пластмасс, очень важна способность сохранять форму под влиянием механической нагрузки и повышенной температуры – теплостойкость. Эту величину определяют при помощи аппарата Мартенса, и фиксируется по искривлению полимеров и пластмасс под действием нагрузки. У нефтяных и синтетических масел (жидких диэлектриков) мерой теплостойкости служит температура вспышки паров, температура воспламененияч, тепловое старение. Температура размягчения определяется у материалов аморфного строения (смолы, битумы и др.) Для характеристики физико-химических свойств диэлектриков используются следующие величины: кислотное число, вязкость, влагостойкость, химическая стойкость, тропикостойкость, морозостойкость.

Кислотное число показывает количество миллиграммов едкого калия (КОН), которое необходимо для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г жидкого диэлектрика. Кислотное число определяется у электроизоляционных масел, а также у лаков, компаундов и других материалов.

Вязкостью, или внутренним трением, называется сопротивление жидекого диэлектрика перемещению одних ее слоев относительно других представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости. Влагостойкость характеризуется влагопоглощаемостью и гироскопичностью. Влагопоглощаемость – это способность диэлектрика сорбировать воду при работе во влажной атмосфере. Эта величина вычисляется по формуле:

где G_о — вес абсолютно сухого образца материала, г; G₃ — вес образца материала после пребывания его во влажной атмосфере в течение суток или более, г. Чем больше влагопоглощаемость, тем ниже его изоляционные свойства.

Химическая стойкость материалов позволяет оценить степень стойкости диэлектриков при воздействии на них растворителей (толуол, бензин, спирты, минеральные масла и др.), окислителей (озон, хлор, окислы азота и др.) и других разрушающих агентов (кислоты, щелочи, их растворы и пары).

Тропикостойкостью называетсясвойство матриалов выдерживать воздействие тропических условий: интенсивного солнечного облучения, высокой или очень малой влажности, повышенной температуры, грибковой плесени и др. микроорганизмов, насекомых, грызунов и т.п.

Основными электрическими характеристиками диэлектриков являются удельное электрическое сопротивление, электропроводность, поляризация, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент удельного электрического сопротивления, электрическая прочность.

Удельное электрическое сопротивление – это основная электрическая характеристика электротехнических материалов, Ом∙м, для диэлектриков различают удельное объемное сопротивление и удельное поверхностное сопротивление:

Затем вычисляют удельное объемное сопротивление диэлектрика по формуле:

где S — площадь верхнего электрода, см², равная:
h — толщина диэлектрика, см, через которую проходит ток объемной электропроводности.

Значения удельного объемного сопротивления у электроизоляционных материалов находятся в пределах: , удельное поверхностное сопротивление диэлектриков находится в пределах:

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления – это величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением температуры на 1 кельвин:

Для диэлектриков имеет отрицательное значение, так как удельное сопротивление изоляционных материалов понижается при повышении температуры. В областях, где наблюдается линейная зависимость удельного сопротилвения от темератрцуы, выполняется соотношение:

где и - удельное сопротивление и температурный коэффициент удельного сопротивления при температуре T ₀, а  удельное сопротивление при температуре T. Экспериментальные данные показывают, что у большинства металлов при комнатной температуре примерно 0,004 К^-1. У ферромагнитных металлов значение несколько выше.

Диэлектрическая проницаемость ε характеризует влияние среды на силу взаимодействия находящихся в ней зарядах.

Диэлектрическими потерями называют мощность, рассеиваемую в диэлектрике при воздействии на него поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Количественной характеристикой диэлектрических потерь (активной мощности) является тангенс угла диэлектрических потерь (tg α) в изоляционных материалах, работающих под переменным напряжением. Одной из важных практических характеристик, определяющих способность данного электроизоляционного материала противостоять пробою, является электрическая прочность. Электрическая прочность (Eпр) – минимальная напряженность поля Eпр, при которой наблюдается пробой диэлектрика:

где Е_пр — величина приложенного к диэлектрику напряжения, при котором произошел пробой, измеряемая в киловольтах, кВ/ h — толщина диэлектрика в месте пробоя, мм.

Чем толще слой электроизоляционного материала, тем больше пробивное напряжение. В то же время пробивные напряжения слоев одинаковой толщины различных электроизоляционных материалов могут быть весьма различными. Пробивное напряжение является характеристикой слоя элктроизоляционной конструкции (изоляции кабеля, электрической машины и т.д.) определенной толщины, в то время как электрическая прочность характеризует электроизоляционный материал (гетинакс, фарфор, пластмассы).

Газообразные и жидкие диэлектрики

Цель: закрепить и обобщить знания о жидких и газообразных диэлектриках.

Электроизоляционные материалы подразделяются на газообразные, жидкие и твердые. К газообразным диэлектрикам относятся воздух (смесь газов и паров воды) и различные газы. Воздух окружает все электрические установки и как диэлектрик во многом определяет надежность их работы. Провода линий электропередачи высокого напряжения, закрепленные на мачтах с помощью фарфоровых или стеклянных изоляторов, на всем протяжении изолированы друг от друга только слоем воздуха. Электроизоляционные свойства газообразных диэлектриков резко снижаются при ионизации космической радиацией, нагревом. Их используют в качестве диэлектриков в газонаполненных конденсаторах, воздушных выключателях высокого напряжения и в других электрических устройствах.

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные органические жидкости, подразделяющиеся на природные (нефтяные масла, касторовое масло и др.) и синтетические (совол, совтол и др.) масла. Жидкие электроизоляционные материалы широко применяются в электротехнических установках. Ими заполняют внутренние пространства трансформаторов, реакторов, масляных выключателей и т.п. Молекулы жидких диэлектриков обладают большей подвижностью по сравнению с молекулами твердого тела, и повышение температуры увеличивает подвижность молекул. Благодаря большой подвижности молекул при температурах 70-80 , минеральные масла применяют для пропитки пористых электроизоляционных материалов (картоны, бумаги, дерево и др.), что обеспечивает улучшение их электрических характеристик.

Нефтяные электроизоляционные масла представляют собой смесь насыщенных (С_nН_2n+2), ароматических (С_nН_2n-6) и нафтеновых (С_nН_2n) углеводородов. В процессе дробной перегонкой нефти получают соляровое масло, из которого после различной степени очистки выделяют трансформаторное, кабельное и конденсаторное масла. Трансформаторные масла используют для силовых трансформаторов и высоковольтных выключателей, кабельные масла – для пропитки бумажной изоляции высоковольтных кабелей, конденсаторные масла применяют для пропитки бумажной изоляции конденсаторов. Для этой же цели в бумажно-масляных конденсаторах используют синтетические масла: совол (пентахлордифенил С₆Н₂С_l3 – С₆Н₃С_l2), совтол (смесь совола с трихлор-бензолом), кремнийорганические жидкости (олигодиметилсилоксановые, олигометилфенилсилоксановые, олигодиэтилсилоксановые жидкости), фторорганические жидкости (С₈F₁₆). Ассртимент кремнийорганических жидкостей насчитыает более 200 торговых марок. Синтетические кремнийорганические и фторорганические масла негорючи и невзрывобезопасны, обладают малой гигроскопичностью и лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла. Для всех типов олигоорганосилоксанов характерны: широкие температурные интервалы существования в жидком состоянии, слабая зависимость теплофизических свойств от температуры, высокие диэлектрические свойства, высокая нагревостойкость (200 °С), химическая инертность.

В процессе эксплуатации повышенные температуры, контакты масла с кислородом воздуха, воздействие света, влаги, соприкосновение с такими металлами как железо, медь, свинец, способствуют старению масла. В результате образуются твердые смолообразные примеси, выпадающие в виде осадков на обмотках и других частях трансформатора, что затрудняет теплоотвод от нагретых частей. Растворимые в горячем масле примеси значительно ухудшают его электрические свойства. Кислоты, образующиеся в процессе старения масла, вызывают разрушение изоляции обмоток. Поэтому для увеличения срока службы в масло вводят ингибиторы, замедляющие процесс старения, или подвергают регенерации очисткой и удалением продуктов старения.

Практическая часть

Задание:

2.1. Используя справочную литературу (Приложение 2), заполните табл. 2.1 и среди перечисленных жидкостей выберите обладающую наименьшей температурой вспышки паров, наибольшей электрической прочностью и наименьшим тангенсом угла диэлектрических потерь. Укажите область применения этой жидкости.

Таблица 2.1. Основные характеристики нефтяных изоляционных масел

Характеристика	Трасформаторное	Кондентсаторное	Кабельное
Характеристика	Трасформаторное	Кондентсаторное	МН-2 (при 20°С)	С-220 (при 20°С)
Плотность, кг/м³
Вязкость, м²/с
Кислотное число, мг/КОН
Температура вспышки паров, °С
Температура застывания, °С
Удельное электрическое сопротивление, Ом ∙ м
Диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь
Электрическая прочность, МВ/м

Ответ________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.2. Используя справочную литературу (Приложение 2), заполните табл. 2.2 и среди перечисленных жидкостей выберите обладающую наименьшей температурой вспышки паров, наибольшей электрической прочностью и наименьшим тангенсом угла диэлектрических потерь. Укажите область применения этой жидкости.

Таблица 2.2. Основные характеристики синтетических жидкостей

Характеристика	Совол	Совтол-10	ПЭСЖ
Плотность, кг/м³
Вязкость, м²/с
Кислотное число, мг/КОН
Температура вспышки паров, °С
Температура застывания, °С
Удельное электрическое сопротивление, Ом ∙ м
Диэлектрическая проницаемость
Тангенс угла диэлектрических потерь
Электрическая прочность, МВ/м

2.3. Что называется вольтамперной характеристикой диэлектрика? Вычертите вольтамперную кривую газообразного диэлектрика и отметьте участки: а) омического поведения; б) ударной ионизации; в) насыщения. Дайте объяснения перечисленным явлениям.

Ответ:

I U Рис.1. Вольтамперная кривая газообразного диэлектрика

2.4. Опишите химический состав нефтяных электроизоляционных масел? Как влияет каждый компонент на их свойства?

2.5. Чем обусловлена электрическая проводимость нефтяных масел?

2.6. На какие три группы делятся нефтяные масла? В чем их различие?Для каких целей они применяются? Ответ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.7. Охарактеризуйте кабельные масла. На какие три группы делятся кабельные масла по вязкости? Для чего они применяются? Ответ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.8. Охарактеризуйте масло марки МН-2. Где оно применяется и при каких давлениях? Ответ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.9. Охарактеризуйте масло марки С-220. Где оно применяется и при каких давлениях? Ответ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.10. Охарактеризуйте состав совтола. Чем отличаестя совтол-2 от совтола-10? Для чего они применяются?

2.11. Назовите способы очистки масел? Как замедлить старение масла

2.12. От чего зависит электрическая прочность газов, жидкостей? Ответ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.13. Охарактеризуйте преимущества и недостатки применения кремнийогранических жидкостей. Приведите примеры. Ответ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2.14. Наличие каких низкомолекулярных неорганических веществ характеризует кислотное число для углеводородных, кремнийогранических, фторорганических жидкостей, совола и совтола

Выполните задания:

2.15. Жидкие диэлектрики:

а) препятствуют окислению проводников;

б) отводят тепло;

в) сохраняют тепло;

г) изолируют токоведущие части.

2.16. Какова область применения жидких диэлектриков?

а) силовые трансформаторы;

б) масляные включатели;

в) конденсаторы маслонаполненные;

г)кабели, силовые трансформаторы, конденсаторы, масляные выключатели.

2.16. Какие из жидких диэлектриков являются наиболее применимыми?

а) синтетические масла;

б) кремнийорганические жидкости;

в) нефтяные электроизоляционные масла;

г) синтетические масла и органические жидкости.

2.17. Пропитывающая способность жидких диэлектриков определяется:

б) пористостью;

в) текучестью;

г) вязкостью.

2.18. В чем состоит назначение трансформаторного масла?

а) для изоляции обмоток;

б) для защиты от окружающей среды обмоток;

в) для изоляции и охлаждения обмоток.

2.19. Где применяют среденевязкие масла С-110 и С-220?

а) в кабелях низкого и среднего давления до 3∙ 10⁵Па;

б) пропитка и заполнение высоковольтных кабелей на 110 кВ при 14∙ 10⁵Па;

в) применяется для кабелей с бумажной изоляцией до 35кВ.

2.20. Какие факторы вызывают старение масла?

а) повышение температуры, электрические поля, сопротивление с металлом, с воздухом;

б) только повышенные температуры;

в) только электрические поля и воздух;

г) исключительно соприкосновение с металлами.

2.21. Совол относится к следующим жидким диэлектрикам:

а) кремнийорганическим жидкостям;

б) хлорированным углеводородам;

в) синтетическим углеводородам;

г) минеральным маслам.

2.22. Установите соответствие между жидкими диэлектриками и их температурой вспышки паров, определите класс нагревостойкости:

Трансформаторное масло	220°С
Кабельное масло	135°С
Совол	180°С
Кремнеорганическая жидкость	200°С

2.23. Установите соответствие между жидкими диэлектриками и их температурой замерзания:

Совол	- 65°С
Совтол-2	-45°С
Конденсатиорное масло	+5°С
Кремнеорганическая жидкость	-40°С

2.24. Газообразные диэлектрики:

а) азот, плексиглас, элегаз, углекислый газ;

б) воздух, аргон, элегаз, гелий;

в) озон, кислород, водород, ионизированный воздух.

2.25. ПЭСЖ относится к:

а) кремнийорганическим жидкостям;

б) хлорированным углеводородам;

в) синтетическим углеводородам;

Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 175; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!