Жидкие диэлектрики
Подразделяются на 3 группы:
1) нефтяные масла;
2) синтетические жидкости;
3) растительные масла.
ЖИ́ДКИЕ ДИЭЛЕ́КТРИКИ, молекулярные жидкости, удельное электрическое сопротивление которыхпревышает 1010 Ом см. Как и твердые диэлектрики, жидкие диэлектрики поляризуются в электрическихполях: для них характерна электронная и ориентационная поляризация.
Жидкими диэлектриками являются насыщенные ароматические, хлорированные и фторированныеуглеводороды, ненасыщенные парафиновые и вазелиновые масла, кремнийорганические соединения(полиорганосилоксаны), сжиженные газы, дистиллированная вода, расплавы некоторых халькогенидов и др.Для жидких диэлектриков характерна ковалентная связь (см. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ) электронов вмолекулах, а между молекулами действуют ван-дер-ваальсовые силы
Жидкие диэлектрики применяются в электроизоляционной технике в качестве пропитывающих и заливочныхсоставов при производстве электро- и радиотехнической аппаратуры: в электрических аппаратах высокогонапряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. По применению они делятся на жидкости дляконденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов,масляных выключателей. Электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость и теплопроводностьжидких диэлектриков имеет более высокие значения по сравнению с воздухом и другими газами приатмосферном давлении. Поэтому электроизоляционные жидкие диэлектрики должны обеспечиватьповышение электрической прочности твердой пористой изоляции, отвод тепла от обмоток трансформатора,гашение электрической дуги в масляных выключателях. В импульсном электрическом поле их электрическаяпрочность возрастает. Основными характеристиками диэлектрических жидкостей являются диэлектрическая проницаемость,электропроводность и электрическая прочность.
Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуетсядипольным моментом и поляризуемостью молекул. Собственная проводимость жидких диэлектриков имеетэлектронную и ионную составляющие. Она обусловлена автоэлектронной эмиссией с катода,электролитической диссоциацией молекул, ионизацией молекул. Электрические свойства жидкихдиэлектриков в значительной мере зависят от степени их очистки. Загрязнения, как правило, снижаютэлектрическую прочность жидких диэлектриков и увеличивают проводимость за счет возрастания количестваионов и заряженных коллоидных частиц. Проводимость жидкостей определяется ионизацией молекул и наличием в жидкости примесей. Основнымипримесями, уменьшающими электрическую прочность, являются микрочастицы, микропузырьки и вода.Очистка диэлектрических жидкостей (дистилляцией, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионнымобменом) приводит к уменьшению электропроводности и диэлектрических потерь и возрастаниюэлектрической прочности. Электрическая прочность в значительной степени является технологическойхарактеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционногопромежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма иматериал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков. Наиболее распространенными жидкими диэлектриками, применяемыми в качестве электроизоляционныхматериалов, являются: нефтяные масла — трансформаторное, конденсаторное и кабельное; синтетические жидкие диэлектрики — полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические ифторорганические; растительные технические масла (касторовое, льняное, конопляное и тунговое) в электроизоляционнойтехнике применяются ограниченно.
Нефтяные электроизоляционные масла Нефтяные масла — слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу представляютсмесь различных углеводородов парафинового, нафтенового, ароматического и нафтено-ароматическогорядов с небольшим (до 1% масс) содержанием присадок, улучшающих их стойкость к термоокислительномустарению, а также температурно-вязкостные характеристики. Нефтяное трансформаторное масло получилонаиболее широкое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях,высоковольтных водах. Нефтяное трансформаторное масло является неполярным диэлектриком. Поэтому вчистом масле диэлектрические потери обусловлены в основном токами проводимости, величина которыхмала, следовательно, малы и диэлектрические потери. При 20оС и 100 Гц = 2,2—2,3, = 1010-1013Ом.м, Епр=10—28 кВ/мм. В механизме пробоя основное влияние на образование газоразрядного канала проводимостиимеет нерастворенная в масле полярная полупроводящая и проводящая примесь. Вода, растворенная вмасле, увеличивает электропроводность и электрические потери, но мало влияет на электрическуюпрочность. Вода, выделенная в виде мелкодисперсных капель, вызывает резкое увеличение неоднородностиполя, что приводит к снижению пробивного напряжения. Нефтяное конденсаторное масло получают из трансформаторного путем его более глубокой очисткиадсорбентами. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного масла. При 20оС и 1 Гц = 2,1—2,3, = 1011-1012Ом.м, Епр= 14—18 кВ/мм. Используют для пропитки бумажных конденсаторов, вособенности силовых. При пропитке в результате заполнения пор бумаги маслом увеличиваютсядиэлектрическая проницаемость и электрическая прочность бумаги, следовательно, возрастают емкостьконденсатора и его рабочее напряжение. Нефтяное кабельное масло применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочимнапряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлическихоболочек маслонаполненных кабелей на напряжение до 110кВ и выше. Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и меньшимизначениями tg (до 2.10-4). Недостатки нефтяных масел — пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость ктепловому и электрическому старению, гигроскопичность. Синтетические жидкие диэлектрики Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов (совол,совтол), что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью.Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а внастоящее время почти повсеместно запрещено. Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являютсянетоксичными и экологически безопасными. Они не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкойгигроскопичностью и морозостойкостью. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степеньюполимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка: Кремний-кислородная связь имеет высокую термическую и химическую стойкость, поэтому кремнийорганическиесоединения устойчивы при высоких температурах (до 250оС). По своим диэлектрическим характеристикамполиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. При 20оС и 100 Гц = 2,4—2,8, = 1011-1012Ом.м, Епр= 14—18 кВ/мм. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсныхтрансформаторах, специальных конденсаторах, работающих при повышенной температуре, блоках радио- иэлектронной аппаратуры и в некоторых других случаях. Их недостаток — сравнительно быстраявоспламеняемость, кроме того, они значительно дороже нефтяных масел. Жидкие диэлектрики на основе фторорганических соединений отличаются негорючестью, высокойхимической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими итеплопередающими свойствами. Молекулы фторорганических жидкостей состоят из атомов углерода ифтора, при этом молекулярную цепь образуют атомы углерода. Фторорганические жидкости — неполярныедиэлектрики. При 20оС и 100 Гц = 2,2—2,5, = 1012-1014Ом.м, Епр= 12—19 кВ/мм. Они обеспечивают болееинтенсивный отвод тепла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяныемасла и кремнийорганические соединения. Применяются для наполнения небольших трансформаторов,блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочиетемпературы велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкиедиэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах.Недостатки — токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, высокая стоимость. Растительные масла К растительным маслам относятся касторовое, тунговое, льняное, конопляное. Растительные масла —слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую нагревостойкость и используется какпластификатор и для пропитки бумажных конденсаторов. Тунговое, льняное и конопляное масла относятся к«высыхающим» маслам. Высыхание обусловлено не испарением жидкости, а химическим процессом, воснове которого лежит окислительная полимеризация. Используются в качестве пленкообразующих в лаках(в том числе электроизоляционных), эмалях и красках.
Все электроизоляционные масла должны обладать высокой стабильностью своих характеристик, которые могут изменяться, когда масло стареет. Старение масла в основном выражается в окислении его кислородом воздуха. Высокая температура в эксплуатационных условиях это окисление ускоряет. Старение масла ускоряется также металлическими катализаторами: медью, латунью, железом и другими металлами. Присутствие воды в масле ускоряет процесс его старения. При старении в масле образуются твердые смолообразные примеси, не растворимые и растворимые в горячем масле. Такие примеси выпадают в виде осадков на обмотках и других частях трансформатора, что затрудняет теплоотвод от нагретых частей. Будучи же растворенными в масле, примеси значительно ухудшают его электрические свойства. В процессе старения масла в нем образуются кислоты, которые могут вызвать разрушение изоляции обмоток. Чтобы замедлить старение масел, в них вводят вещества, задерживающие окисление — ингибиторы *. Однако присадка ингибиторов не может полностью предохранить масло от окисления и старения. Поэтому электроизоляционные масла следует хранить и перевозить в сухой чистой таре, перекачивать их по чистым металлическим трубопроводам (но не по резиновым шлангам, которые, растворяясь, загрязняют масло). В условиях эксплуатации масло необходимо защищать от проникновения в него воздуха и влаги. Крышки маслонаполненных аппаратов должны плотно закрываться и иметь консерваторы, т. е. дополнительные бачки. Иногда в трансформаторах пространство над уровнем масла заполняют инертным газом, например азотом, который химически не действует на масло и защищает масло от окисления.
Органические полимерные материалы
Полиэтилен
Полиэтилен, структурная формула которого имеет вид
(– СН2 – СН2 –)n,
представляет собой неполярный полимер линейной структуры. Получается полимеризацией газа этилена С2Н4 при высоком давлении (до 300 МПа), либо при низком (до 0,6 МПа). Молекулярная масса полиэтилена высокого давления – 18000 – 40000, низкого – 60000 – 800000.
Молекулы полиэтилена обладают способностью образовывать участки материала с упорядоченным расположением цепей (кристаллитов), поэтому полиэтилен состоит из двух фаз (кристаллической и аморфной), соотношение которых определяет его механические и тепловые свойства. Аморфная придает материалу эластичные свойства, а кристаллическая – жесткость. Аморфная фаза имеет температуру стеклования +80 °С. Кристаллическая фаза обладает более высокой нагревостойкостью.
Агрегаты молекул полиэтилена кристаллической фазы представляют собой сферолиты с орторомбической структурой. Содержание кристаллической фазы (до 90 %) в полиэтилене низкого давления выше, чем в полиэтилене высокого давления (до 60 %). Благодаря высокой кристалличности полиэтилен низкого давления имеет более высокую температуру плавления (120 -125 °С) и более высокую прочность при растяжении. Структура полиэтилена в значительной степени зависит от режима охлаждения. При его быстром охлаждении образуются мелкие сферолиты, при медленном охлаждении – крупные. Быстро охлажденный полиэтилен отличается большой гибкостью и меньшей твердостью.
Свойства полиэтилена зависят от молекулярного веса, чистоты, посторонних примесей. Механические свойства зависят от степени полимеризации. Полиэтилен обладает большой химической стойкостью. Как электроизоляционный материал широко применяется в кабельной промышленности и в производстве изолированных проводов.
В настоящее время изготовляются следующие виды полиэтилена и полиэтиленовых изделий:
1. полиэтилен низкого и высокого давления - (н.д.) и (в.д.);
2. полиэтилен низкого давления для кабельной промышленности;
3. полиэтилен низкомолекулярный высокого или среднего давления;
4. пористый полиэтилен;
5. полиэтиленовый специальный шланговый пластикат;
6. полиэтилен для производства ВЧ кабеля;
7. электропроводящий полиэтилен для кабельной промышленности;
8. полиэтилен, наполненный сажей;
9. хлорсульфированный полиэтилен;
10. пленка полиэтиленовая.