Вплив радіоактивного опромінювання на електричні, механічні та теплові властивості діелектриків.
Електроізоляційні матеріали, з яких виготовлені елементи конструкцій, піддаються впливу механічних навантажень, і тому практичне значення
має механічна міцність цих матеріалів а також їхня здатність не деформуватися від механічних напруг.
Міцність на розрив, стиск і вигин. Ці найпростіші види статичних механічних навантажень – розтягувальних, стискальних і згинальних – вивчаються на підставі елементарних закономірностей, відомих з курсу опору матеріалів.
Значення меж міцності при розтягуванні (sр), стиску (sс) і згині (sз) у системі одиниць СІ виражаються в Паскалях (Н/м2). Для електроізоляційних матеріалів анізотропної будови (шаруватих, волокнистих) значення механічної міцності сильно залежить від напрямку прикладення навантаження. Важливо відзначити, що для ряду діелектриків (скла, керамічних матеріалів, багатьох пластмас та ін.) межа міцності при стиску значно більша, ніж при розриві і згині. Так, наприклад, у кварцевого скла при стискальних напругах можна одержати sс – 200 МПа, а при розтягуванні sр – до 50 МПа.
Механічна міцність ряду діелектриків сильно залежить від площі поперечного перерізу виробів і від температури.
Велике практичне значення мають крихкість, твердість і деякі інші механічні характеристики електроізоляційних матеріалів.
Крихкість. Багато матеріалів тендітні, тобто, маючи порівняно високу міцність стосовно статичних навантажень, у той же час легко руйнуються динамічними (раптово прикладеними) зусиллями.
У ряді випадків перевіряють здатність електроізоляційних матеріалів витримувати без руйнування тривалий вплив вібрацій, тобто повторних коливань певної частоти й амплітуди.
Твердість. Твердість, тобто здатність поверхневого шару матеріалу протистояти деформації від стискального зусилля, переданого за допомогою предмета малих розмірів, має для діелектриків менш істотне значення і визначається різними методами: для неорганічних матеріалів – за мінералогічною шкалою Мооса, для органічних діелектриків – за способом Бринеля або за допомогою маятника Кузнєцова.
В’язкість. Для рідких і напіврідких електроізоляційних матеріалів, олій, лаків, заливальних і просочувальних компаундів важливою механічною характеристикою є в’язкість. Динамічна в’язкість, або коефіцієнт внутрішнього тертя, рідини являє собою величину, що входить у цілий ряд законів гідродинаміки в’язких середовищ, а саме в закон Пуазейля – витікання в’язких рідин через капілярні трубки, у закон Стокса
– руху кульки в в’язкому середовищі під дією невеликої постійної сили. Закон зміни в’язкості від температури відповідає рівнянню експоненти:
де А – постійна, що характеризує дану рідину; W – енергія активації (дорівнює роботі переходу молекули з одного стійкого стану в інший); k = 1,38×10 -23 Дж/К – стала Больцмана.
Кінематична в’язкість n дорівнює відношенню динамічної в’язкості рідини до її густини:
У системі СІ кінематична в’язкість виміряється в м2/с, В’язкість усіх речовин, які не піддаються при нагріванні хімічним змінам, cильно зменшується з підвищенням температури.
Нагрівостійкість. Це здатність електроізоляційних матеріалів без пошкоджень витримувати дію високої напруги. Нагрівостійкість оцінюється відповідними значеннями температури, при яких ЕТМ може виконувати свої функції впродовж всього терміну служби. ГОСТ 8865-70 передбачає розділення електроізоляціїних матеріалів для електричних машин, трансформаторів на класи нагрівостійкості, для яких визначаються найбільші допустимі робочі температури, при яких за нормальних умов роботи властивості діелектриків не змінюються протягом тривалого часу.
Холодостійкість. Це здатність ізоляції виконувати свої функції без погіршення експлуатаційної надійності при низьких температурах від –60 до –70 °С, оскільки деякі еластичні матеріали при низьких температурах стають криxкими, що викликає відповідні труднощі при роботі з ізоляцією. Тому дослідження електроізоляційних матеріалів на холодостійкість часто проводять одночасно з дією вібрацій.
Теплопровідність. Практичне значення теплопровідності пояснюється тим, що тепло, яке виділяється внаслідок втрат потужності в оточених електричною ізоляцією провідниках і магнітному осерді, а також внаслідок діелектричних втрат в ізоляції, переходить у навколишнє середовище. Теплопровідність впливає на електричну міцність при тепловому пробої і на стійкість матеріалу до теплових імпульсів. Теплопровідність матеріалів характеризують теплопровідністю gт, що входить у рівняння Фур’є:
де DРТ – потужність теплового потоку крізь площадку DS, нормальну до потоку; dT/dl – градієнт температури.
Значення gт електроізоляційних матеріалів за винятком окису берилію менше, ніж більшості металів. Найменші значеннями gт мають пористі електроізоляційні матеріали з повітряними включеннями. При просоченні, а також при ущільненні матеріалів зовнішнім тиском gт збільшується. Як правило, кристалічні діелектрики мають більш високі значення gт, ніж аморфні. Величина gт мало залежить від температури.
Теплове розширення діелектриків. Його, як і інших матеріалів, оцінюють температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР), який вимірюється у К-1:
Матеріали, для яких характерні малі значеннями ТКЛР, мають, як правило, найбільш високу нагрівостійкість і навпаки.
Органічні діелектрики мають підвищене значення ТКЛР в порівнянні з неорганічними діелектриками. Тому деталі, виготовлені з неорганічних матеріалів, мають підвищену стабільність розмірів при коливаннях температури.
Практичне значення теплопровідності, термостійкості, стійкості до термоудару та температурного коефіцієнту розширення електроізоляційних матеріалів.
Стійкість до термоударів визначається перепадом температури нагріву і охолодження зразків (зразки охолоджують у воді нормальної температури), при якому на поверхні зразків з’являються помітні тріщини. Вимірюється у град.
Теплопровідність – властивість матеріалу проводити тепло. Характеризується коефіцієнтом теплопровідності (λ).
Температурний коефіцієнт питомого електричного опору (αρ) характеризує залежність питомого електричного опору матеріалу від температури.
Характеристика електроізоляційних властивостей повітря та інших газоподібних діелектриків.
Як діелектрик повітря має такі позитивні властивості: швидко відновлює свою електричну міцність після пробою, незначно змінює діелектричну проникність, діелектричні втрати повітря практично дорівнюють нулю.
Негативні властивості повітря як діелектрика: погана теплопровідність, низька електрична міцність, різка її зміна біля поверхні твердого діелектрика ( Eпр = 2,19...2,27 кВ/мм), здатність зволожуватись, створювати оксиди, підтримувати горіння. Електрична міцність повітря не є постійною величиною і залежить від його тиску, відносної вологості та ступеня однорідності електричного поля, в якому здійснюється пробій.
У числі газоподібних діелектриків перш за все повинне бути згадане повітря, яке через свою загальну поширеність, майже завжди входить до складу електричних пристроїв і грає в них роль електричної ізоляції, додаткової до твердих або рідких електроізоляційних матеріалів. У окремих частинах електричних установках, наприклад на ділянках повітряних ліній електропередачі між опорами, повітря утворює єдину ізоляцію між голими проводами лінії. При недостатньо ретельно проведеному просоченню ізоляції електричних машин, кабелів, конденсаторів в ній можуть залишатися повітряні включення, часто небажані, оскільки вони при високій робочій напрузі ізоляції можуть стати вогнищами утворення іонізації.
У табл. 7.1. приведені властивості повітря і ряду широко вживаних в техніці газів, а також властивості тих же газів в зрідженому стані, що мають велике значення для електротехнічних пристроїв, що працюють при низькому тиску (так звані пристрої кріоелектротехніки).