Тепловые

Нагревостойкость. Способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. В зависимости от значений допустимых в эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например, по заметному росту tg δ или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры, при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве ( метод Мартенса, способ кольца и шара и др.). Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам.

Температура вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения – еще более высокая температура, при которой при поднесении испытуемая жидкость загорается. Эти характеристики важны для оценки трансформаторного масла и растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

Наивысшая допустимая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.

Необратимое ухудшение качества изоляции лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов называется тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и др.

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется под действием ультрафиолетовых лучей, электрического поля, механических нагрузок и т.н..

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно важна. С вопросами о допустимой температуре тесно связаны меры пожарной безопасности и взрывобезопасности. В электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в осветительных устройствах, электронных и ионных приборах значительной мощности высокая рабочая температура электрической изоляции определяется особенностями работы всего устройства.

ГОСТ 8865 предусматривает разделение электроизоляционных материалов на класы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение нескольких лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях.

 

Классы нагревостойкости с (наибольшей допустимой рабочей температурой °С) : Y(90), A(105), E(120), B(130), F(155), H(180), C(>180)/

При указанных температурах обеспечиваются технико-экономические целесообразные сроки службы электрооборудования.

Нагревостойкость изоляционных материалов:

1 - Y – Волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка, шелка, органических пластмасс, ПВХ, каучука.

2 – А – Волокнистые материалы, пропитанные масляно-смоляными и др. лаками. Эмалированные провода и ПВАцетат. лаках.

3 – Е – Синтетические волокна, слоистые пластики на термореактивном связующем.

4 – В – На основе слюды, асбеста, стекловолокна в сочетании с органическими связующими.

5 – F – Те же материалы в сочетании с синтетическими связующими.

6 – Н – Кремнийорганические, эластомеры.

7 – С – Фторфлогопит, керамика, стекло, неорганические материалы.

Повышение нагревостойкости чрезвычайно важно – дает возможность повысить мощность при меньших габаритах установки.

Холодостойкость – способность изоляции выдерживать воздействие низких температур (от – 60 до – 70 °С) без недопустимого ухудшения её свойств. При низких температурах электрические свойства изоляции улучшаются, но гибкие при нормальных температурах становятся хрупкими.

Теплопроводность – перенос теплоты от более нагретых к менее нагретым, приводящем к выравниванию температуры. Теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности γ_т ( Вт/ м К°) из уравнения Фурье ( Н₂0 – 0,58 ; фарфор – 1,0; Аl₂0₃ – 30).

∆Р = γ_т dT / dl ∆S , где ∆Р – мощность теплового потока

Тепловое расширение - оценивают коэффициентом линейного расширения :

ТКl = dl = 1/l dl/dt K^-1 ( фарфор – 3,5 10⁶ К^-1, эпоксидная смола – 55 10⁶ К^-1).

Материалы с малым ТКЛ имеют большую нагревостойкость и наоборот.

Органические диэлектрики имеют ТКЛ намного более ТКЛ неорганических диэлектриков.

Влажностные св-ва

Диэлектрические материалы в большей или меньшей степени способны поглощать влагу из окружающей среды, а также пропускать ее через себя, т.е. они в определенной мере гигроскопичны и влагопроницаемы. Количество поглощенной влаги из атмосферного

воздуха зависит не только от природы самого диэлектрика, но также и от концентрации водяных паров в воздухе.

В атмосферном воздухе всегда присутствует то или иное количество водяных паров, содержание которых можно оценить по абсолютной влажности — по массе т водяных паров, находящихся в единице объема воздуха, или по относительной влажности \|/в, измеряемой в процентах (1):

где m— абсолютная влажность воздуха, г/м³; m_н — абсолютная влажность воздуха при насыщении (при тех же значениях температуры и давления, что и m), г/м³.

На практике содержание водяных паров в воздухе, т.е. влажность воздуха, обычно оценивают относительной влажностью \|/_в, так как экспериментально определить ее про-

ще, чем абсолютную влажность. Относительную влажность воздуха \|/_в измеряют с помощью специальных приборов: гигрометров, психрометров и т.п. Абсолютная и относительная влажности зависят от температуры: с увеличением температуры они возрастают (рис.1).

 

 

 

Следовательно, одному и тому же значению относительной влажности

воздуха \|/_в, измеренному при различной температуре, будут соответствовать разные значения абсолютной влажности т, т.е. различное содержание водяных паров в единице объема воздуха. Зная относительную влажность воздуха \|/_в, с помощью формулы (1) и табл.1 можно определить соответствующую ей абсолютную влажность т (при тех же значениях температуры и давления). Например, если относительная влажность воздуха \|/_в = 70%, то абсолютная влажность при 10°С будет равна m = (9,4 • 70)/100 == 6,58 г/м3, при 20°Сm = (17,3-70)/100 = 12,11 г/м3, при 30°С m = 20,23 г/м3.

Это положение необходимо учитывать на практике.

 

 

Таблица 1.

 

 

 

Если в воздух с относительной влажностью \|/_в поместить два образца одного и того же материала, один из которых сухой, а другой влажный, то первый образец начнет увлажняться, а второй подсыхать. Влажность обоих образцов в течение времени τ будет асимптотически приближаться к некоторой равновесной влажности \|/_р, соответствующей данной \|/_в (рис.2).

 

 

 

Эта равновесная влажность \|/_р, до которой материал стремится увлажниться или подсохнуть, при данной влажности воздуха \|/_в и температуре у разных материалов различна. У полярных материалов при одной и той же относительной влажности воздуха, например, \|/в = 80% и одной и той же пористости равновесная влажность \|/_р в 7—8 раз больше, чем у неполярных. Материалы анизотропного строения впитывают влагу в разных направлениях с различной скоростью. На степень увлажнения существенно влияют наличие и размер капиллярных пор. У сильнопористых материалов, особенно волокнистых, \|/_р выше, чем у материалов плотного, сплошного строения. С увеличением температуры \|/_р снижается.

Если поглощенная влага внутри материала образует сквозные нити или пленки, то даже небольшое ее количество приводит к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределена в виде отдельных, не соединенных между собой включений, то наличие влаги менее существенно влияет на электрические свойства.

Под гигроскопичностью материала (в узком смысле этого слова) понимают равновесную влажность \|/_р при 20°С в воздухе с \|/_в100%. Если относительная влажность воздуха \|/_в = 65% (Т=20°С), то это кондиционная влажность материала.

Если материал непосредственно соприкасается с водой, то в этом случае он характеризуется водопоглощаемостью.

Большое практическое значение для оценки качества защитных покрытий (лаковые покрытия изоляции электромашин, шланговая изоляция кабелей, компаундные заливки и т.п.) имеет влагопроницаемость материалов.

 

Влагопроницаемость характеризует способность материала пропускать через себя влагу. Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов влагопроницаемы. Только стекла, обожженная глазурированная керамика и металлы влагонепроницаемы.

Коэффициент влагопроницаемости П материала находится из основного уравнения влагопроницаемости

 

где М — количество влаги, кг, проходящее за время τ , с, сквозь участок поверхности образца материала площадью S, м2, и толщиной h, м, под действием разности давлений Р₁ и Р₂, Па, с двух сторон слоя.

Величина М является разностью весов сосуда с влагопоглотителем до испытания и через время τ (рис. 3). В единицах СИ П измеряется в секундах.

Уравнение формально аналогично закону Ома, при этом разность давлений Р₁ — Р₂ подобна разности потенциалов, отношение М/ τ — силе тока, Н/(ПS) — электрическому сопротивлению тела; коэффициент П аналогичен удельной объемной проводимости.

У различных материалов величина П изменяется в очень широких пределах:

Способность диэлектриков смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела. Чем меньше θ , тем сильнее смачивание; для смачиваемых поверхностей θ < 90° (рис ), для несмачиваемых θ > 90° .

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости простых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков лишь замедляет увлажнение материала, не влияя на удельное объемное сопротивление после длительного воздействия влажности. Молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры, по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.

Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики : керамика, стекло, кремнийорганические материалы и некоторые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт – 4, полиэтилен, полистирол.

Испытания на тропикостойкость , электроизоляционные материалы и различные электротехнические изделия длительно выдерживают при температуре 40 - 50°С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневелых грибков (точные условия этих испытаний установлены Международной электротехнической комиссией), после чего определяется степень ухудшения электрических и других свойств исследуемых образцов и отмечается интенсивность роста плесени на них.

С целью улучшения плесенестойкости органической электрической изоляции в ее состав вводят добавки фунгицидов, т.е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгициды ( соединения, содержащие азот, хлор, ртуть).