5.5. Электропроводность жидких диэлектриков

Электропроводность жидких диэлектриков зависит от многих факторов: строения молекул, температуры, наличия примесей, наличия крупных заряженных коллоидных частиц и других факторов.

Электропроводность неполярных жидкостей зависит от наличия диссоциированных примесей и влаги. В полярных жидкостях электропроводность создается кроме примесей диссоциированными ионами самой жидкости. Полярные жидкости обладают повышенной проводимостью по сравнению с неполярными. С повышением диэлектрической проницаемости проводимость возрастает. Очистка жидкостей от примесей уменьшает их проводимость.

Удельная проводимость жидкого диэлектрика экспоненциально зависит от температуры и выражается уравнением

где А и a – постоянные, характеризующие жидкость.

Рост проводимости жидкости с ростом температуры вызывается уменьшением ее вязкости, приводящим к возрастанию подвижности ионов, и ростом степени диссоциации.

В области слабых полей ток в жидких диэлектриках описывается законом Ома. В отличие от газов в зависимости тока от напряжения жидкого диэлектрика обычно отсутствует участок насыщения, хотя он может появиться при высокой степени очистки жидкости. В области высоких полей, превышающих 10 – 100 МВ/м, закон Ома нарушается в результате увеличения числа ионов, движущихся под влиянием поля.

5.6. Электропроводность твердых диэлектриков

Обусловлена, как передвижением ионов самого диэлектрика, так и ионов примесей, а у некоторых материалов и наличием свободных электронов. Электронная электропроводность наблюдается при сильных электрических полях. При низких температурах передвигаются слабо закрепленные ионы и ионы примесей, а при высоких температурах движутся термически освобождаемые ионы кристаллической решетки. Ионная электропроводность, в отличие от электронной, сопровождается переносом вещества.

Температурная зависимость удельной проводимости твердых диэлектриков описывается выражение

где W – энергия активации носителей заряда, k – постоянная Больцмана.

Для каменной соли энергия активации ионов натрия 0,85 эВ, ионов хлора 2,5 эВ, электронов 6,0 эВ.

Кристаллы с одновалентными ионами, например NaCl, обладают большей проводимостью по сравнению с кристаллами с многовалентными ионами MgO, Al2O3.

При больших напряженностях (выше 10 - 100 МВ/м) электрического поля в кристаллическом диэлектрике появляется значительный электронный ток, быстро возрастающий с ростом напряженности поля, приводящий к нарушению закона Ома.

5.7. Физико – механические и химические свойства диэлектриков

При выборе изоляционного материала приходится учитывать не только электрические свойства, но и влажностные, тепловые, химические, механические свойства, химическую стойкость и активность диэлектрика его тропикостойкость и радиационную стойкость.

Влажностные свойства диэлектриков

Влагостойкость – это надежность эксплуатации изоляции при нахождении ее в атмосфере водяного пара близкого к насыщению. Влагостойкость оценивают по изменению электрических, механических и других физических свойств после нахождения материала в атмосфере с повышенной и высокой влажностью; по влаго- и водопроницаемости; по влаго- и водопоглощаемости.

Влагопроницаемость – способность материала пропускать пары влаги при наличии разности относительных влажностей воздуха с двух сторон материала.

Влагопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном нахождении во влажной атмосфере близкой к состоянию насыщения.

Водопоглощаемость – способность материала сорбировать воду при длительном погружении его в воду.

Тропикостойкость и тропикализация оборудования – защита электрооборудования от влаги, плесени, грызунов.

Тепловые свойства диэлектриков

Для характеристики тепловых свойств диэлектриков используются следующие величины.

Нагревостойкость – способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры и резких смен температуры. Определяют по температуре, при которой наблюдается существенное изменение механических и электрических свойств, например, в органических диэлектриках начинается деформация растяжения или изгиба под нагрузкой.

Теплопроводность – процесс передачи тепла в материале. Характеризуется экспериментально определяемым коэффициентом теплопроводности λт. λт – количество теплоты, переданной за одну секунду через слой материала толщиной в 1 м и площадью поверхности – 1 м2 при разности температур поверхностей слоя в 1 °К. Коэффициент теплопроводности диэлектриков изменяется в широких пределах. Самые низкие значения λт имеют газы, пористые диэлектрики и жидкости (для воздуха λт = 0,025 Вт/(м·К), для воды λт = 0,58 Вт/(м·К)), высокие значения имеют кристаллические диэлектрики (для кристаллического кварца λт = 12,5 Вт/(м·К)). Коэффициент теплопроводности диэлектриков зависит от их строения (для плавленого кварца λт = 1,25 Вт/(м·К)) и температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения: . Материалы с малым тепловым расширением, имеют, как правило, более высокую нагревостойкость и наоборот. Тепловое расширение органических диэлектриков значительно (в десятки и сотни раз) превышает расширение неорганических диэлектриков. Поэтому стабильность размеров деталей из неорганических диэлектриков при колебаниях температуры значительно выше по сравнению с органическими.

Радиационная стойкость диэлектриков

Современная техника может подвергаться воздействию корпускулярных или волновых излучений высокой энергии, которое изменяет физические и химические свойства материалов. Степень стойкости физико-химических свойств материала, степень сохранения ими электрических, механических и других свойств к воздействию излучения называется радиационной стойкостью.

Взаимодействие излучения с веществом зависит от природы вещества и излучения. Рассеяние энергии излучения происходит в основном за счет ионизации (внутренний фотоэффект), возбуждения атомов, комптоновского рассеяния, при очень больших энергиях из-за ядерных преобразований. Часть энергии излучения расходуется на выбивание атомов в междоузлия, т.е. на создание дефектов структуры – вакансий и междоузельных атомов, в основном в поверхностном слое материала. Но воздействие излучений, обладающих большой длиной пробега частиц, например, нейтронов, вызывает нарушение структуры по всему объему облучаемого материала.

Воздействие излучения может сопровождаться химическими превращениями - разрываются и перемещаются химические связи, образуются свободные радикалы. Так в органических полимерах происходит выделение газов, образование и ликвидация двойных связей, полимеризация образование поперечных связей, вулканизация. Химические превращения сопровождаются изменением физических свойств материала.

Стойкие к воздействию излучения материалы должны:

· должны обладать способностью поглощать энергию без чрезмерной ионизации;

· способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем обнаруживать разрыв связей.

Наиболее стойкими к облучению неорганическими диэлектриками являются: кварц, слюда, глинозем, оксид циркония оксид бериллия и слюдяные материалы со стекловидным связующим. Воздействие излучения приводит у них к снижению удельного сопротивления и электрической прочности, После прогрева облученных неорганических диэлектриков при высоких температурах (отжига) у них возможно восстановление первоначальных свойств.

Изучение влияния радиоактивного излучения на органические полимеры: полиэтилен, полистирол, синтетический и натуральный каучуки и др. – показывает, что ароматические соединения проявляют большую стойкость к действию радиации по сравнению с алифатическими соединениями. Полагают, что бензольные кольца поглощают значительную часть радиоактивного излучения без деструкции. В результате повышается радиационная устойчивость соединений с бензольными кольцами (полистирол) по сравнению с полимерами алифатического ряда без бензольных колец (полиэтилен, фторопласт). Наименее устойчивы к действию радиации полидиметилсилоксаны. Фенильные группы в полимерах увеличивают стойкость к радиации.

5.8. Электроизоляционные материалы

Электроизоляционные материалы классифицируются по:

· агрегатному состоянию – газообразные, жидкие, твердые и твердеющие (лаки, компаунды) материалы;

· по химической природе – органические, неорганические, элементоорганические материалы.

5.8.1. Газообразные диэлектрики

Воздух и газы являются идеальными диэлектриками до процесса их ионизации. При ионизации космической радиацией, нагревом их электроизоляционные свойства резко снижаются.

Электрическая прочность воздуха при нормальном давлении 2,1 МВ/м. Электрическая прочность воздуха заметно зависит от частоты электрического поля. Воздух при высоком давлении превосходит по электрической прочности такие диэлектрики, как фарфор и трансформаторное масло.

5.8.2. Жидкие диэлектрики

Подразделяются на 3 группы:

1) нефтяные масла;

2) синтетические жидкости;

3) растительные масла.

Жидкие диэлектрики используют для пропитки кабелей высокого напряжения, конденсаторов, для заливки трансформаторов, выключателей и вводов. Кроме этого они выполняют функции теплоносителя в трансформаторах, дугогасителя в выключателях и др.

Нефтяные масла

Нефтяные масла представляют собой смесь углеводородов парафинового (СnН2n+2) и нафтенового (СnН2n) рядов. Они широко применяются в электротехнике в качестве трансформаторного, кабельного и конденсаторного масел. Масло, заполняя промежутки и поры внутри электротехнических установок и изделий, повышает электрическую прочность изоляции и улучшает теплоотвод от изделий.

Трансформаторное масло получают из нефти путем перегонки. Электрические свойства трансформаторного масла в значительной степени зависят от качества очистки масла от примесей, содержания в нем воды и степени обезгаживания. Диэлектрическая проницаемость масла 2,2, удельное электрическое сопротивление 1013 Ом·м.

Назначение трансформаторных масел – повышать электрическую прочность изоляции; отводить тепло; способствовать дугогашению в масляных выключателях, улучшать качество электроизоляции в электротехнических изделиях: реостатах, бумажных конденсаторах, кабелях с бумажной изоляцией, силовых кабелях - путем заливки и пропитки.

Трансформаторное масло в процессе эксплуатации стареет, что ухудшает его качество. Старению масла способствуют: контакт масла с воздухом, повышенные температуры, соприкосновение с металлами (Сu, Рb, Fе), воздействие света. Для увеличения срока службы масло регенерируют очисткой и удалением продуктов старения, добавлением ингибиторов.

Кабельное и конденсаторное масла отличаются от трансформаторного более высоким качеством очистки.

Синтетические жидкие диэлектрики

Синтетические жидкие диэлектрики по некоторым свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла.

Хлорированные углеводороды

Совол – пентахлордифенил С6Н2Сl3 – С6Н3Сl2, получают при хлорировании дифенила С12Н10

С6Н5 – С6Н5 + 5Сl2 → С6Н2Сl3 – С6Н3Сl2 + 5НСl

Совол применяется для пропитки и заливки конденсаторов. Обладает более высокой по сравнению с нефтяными маслами диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость совола 5,0, удельное электрическое сопротивление 1011 ¸ 1012Ом·м. Применяется совол для пропитки бумажных силовых и радиоконденсаторов с повышенной удельной емкостью и невысоким рабочим напряжением.

Совтол – смесь совола с трихлорбензолом. Используется для изоляции взрывобезопасных трансформаторов.

Кремнийорганические жидкости

Наибольшее распространение имеют полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые, полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Полисилоксановые жидкости – жидкие кремнийорганические полимеры (полиорганосилоксаны), обладают такими ценными свойствами как: высокая нагревостойкость, химическая инертность, низкая гигроскопичность, низкая температура застывания, высокие электрические характеристики в широком интервале частот и температур.

Жидкие полиорганосилоксаны представляют собой полимерные соединения с низкой степенью полимеризации, молекулы которых содержат силоксанную группировку атомов

где атомы кремния связаны с органическими радикалами R: метилом CH3, этилом C2H5, фенилом C6H5. Молекулы полиорганосилоксановых жидкостей могут иметь линейную, линейно-разветвленную и циклическую структуру.

Жидкие полиметилсилоксаны получают при гидролизе диметилдихлорсилана в смеси с триметилхлорсиланом.

Образующиеся жидкости бесцветны, растворяются в ароматических углеводородах, дихлорэтане и ряде других органических растворителей, не растворяются в спиртах и ацетоне. Полиметилсилоксаны химически инертны, не оказывают агрессивного действия на металлы и не взаимодействуют с большинством органических диэлектриков и резин. Диэлектрическая проницаемость 2,0 ¸ 2,8, удельное электрическое сопротивление 1012 Ом·м, электрическая прочность 12 ¸ 20 МВ/м

Формула полидиметилсилоксана имеет вид

– Si(СН3)3 – О – [Si(СН3)2 – О]n – Si(СН3) = О

Жидкие кремнийорганические полимеры находят применение как:

1) смазочные масла и смазки;

2) гидрофобизация;

3) при литье металлов для смазки форм;

4) диэлектрик для пропитки бумажных конденсаторов;

5) амортизационные и гидравлические масла;

6) масла для конденсационных насосов.

Полидиэтилсилоксаны – получают при гидролизе[10] диэтилдихлорсилана и триэтилхлорсилана. Имеют широкий интервал температур кипения. Строение выражается формулой:

Свойства зависят от температуры кипения. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

Жидкие полиметилфенилсилоксаны имеют строение, выражаемое формулой

Получают гидролизом фенилметилдихлорсиланов и др. Масло вязкое. После обработки NаОН вязкость повышается в 3 раза. Выдерживает нагрев в течение 1000 час до 250 °С. Электрические свойства совпадают со свойствами полидиметилсилоксана.

При γ – облучении вязкость кремнийорганических жидкостей сильно возрастает, а диэлектрические характеристики резко ухудшаются. При большой дозе облучения жидкости превращаются в каучукоподобную массу, а затем в твердое хрупкое тело.

Фторорганические жидкости

Фторорганические жидкости – С8F16 – негорючи и взрывобезопасны, высоконагревостойки (200 °С), обладают малой гигроскопичностью. Пары их имеют высокую электрическую прочность. Жидкости имеют низкую вязкость, летучи. Обладают лучшим теплоотводом, чем нефтяные масла и кремнийорганические жидкости.