Виды диэлектриков

 

 

 

 

 

Жидкие синтетические диэлектрики.

 

Для пропитки конденсаторов с целью  получения повышенной ёмкости в  данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь жидкий полярный диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением r. Нефтяные масла склонны к электрическому старению, т.е. они, могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряжённости. Жидкие синтетические диэлектрики, по свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла. Помимо синтетических электроизоляционных жидкостей существуют и синтетические жидкости углеводородного состава. Эти неполярные жидкости в ряде случаев обладают более ценными свойствами (лучшие электроизоляционные свойства, стойкость к тепловому старению, газостойкость) по сравнению с маслами, получаемыми из нефти.

Рассмотрим наиболее важные:

Хлорированные углеводороды (получаются из различных углеводородов путём замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора). Широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила, имеющие общий состав С 12 Н 10-n CL n (n - степень хлорирования от 3 до 6).

Хлорированные дифенилы обладают  r , повышенной по сравнению с неполярными  нефтяными маслами, поэтому замена масел на хлорированные дифенилы при пропитке конденсаторов уменьшает объём конденсатора ( при этой же электрической ёмкости ) почти в 2 раза. Преимуществом хлорированных дифенилов является его не горючесть.

Однако хлорированные дифенилы имеют и свои недостатки: они сильно токсичны, (из-за этого применение их для пропитки конденсаторов в некоторых странах запрещено законом); на их электроизоляционные свойства весьма значительно влияют примеси (наличие которых сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенной температуре); заметное снижение их  r и, следовательно ёмкости пропитанных хлорированными дифенилами конденсаторов при пониженных температурах; хлорированные дифенилы обладают сравнительно высокой вязкостью, что в некоторых случаях вызывает необходимость разбавления их менее вязкими хлорированными углеводородами.

Фторорганические жидкости имеют малый tg φ, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Некоторые фторорганические жидкости могут длительно работать при температуре 200 ⁰ С и выше. Пары некоторых фторорганических жидкостей имеют высокую для газообразных диэлектриков электрическую прочность.

Свойства характерные для  фторорганических жидкостей малая вязкость, низкое поверхностное натяжение (что благоприятствует пропитке пористой изоляции), высокий температурный коэффициент объёмного расширения, высокая летучесть. Последнее обстоятельство требует герметизации аппаратов заливаемых фторорганическими жидкостями.

Фторорганические жидкости способны обеспечить интенсивный отвод теплоты потерь от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов, чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости. Существуют специальные конструкции малогабаритных электротехнических устройств с заливкой фторорганическими жидкостями, в которых для улучшения отвода теплоты используется испарение жидкости с последующей конденсацией её в охладителе и возвратом в устройство (кипящая изоляция); при этом теплота испарения отнимается от охлаждаемых обмоток, а наличие в пространстве над жидкостью фторорганических паров, особенно под повышенным давлением, значительно увеличивает электрическую прочность газовой среды в аппарате.

Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная не горючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются и горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока ещё весьма дорогие.

Кремнийорганические жидкости обладают малым tgδ, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабовыраженная зависимость вязкости от температуры. Эти жидкости весьма дорогие.

Прочие синтетические жидкости. Интересны и некоторые другие полярные электроизоляционные жидкости: нитробензол, этиленгликоль и цианоэтилсахароза имеют высокую диэлектрическую проницаемость  r =35,39.

Помимо синтетических электроизоляционных  жидкостей, отличающихся по химическому  составу и свойствам от нефтяных масел, существуют и синтетические жидкости углеводородного состава. Эти неполярные жидкости в некоторых случаях обладают более ценными свойствами (лучшие электроизоляционные свойства, стойкость к тепловому старению, газостойкость) по сравнению с нефтяными маслами. Например, пропитка бумажных конденсаторов полиизобутиленом с низкой степенью полимеризации приводит к повышению постоянной времени само заряда конденсатора примерно на порядок по сравнению с нефтяным конденсаторным маслом или вазелином.

Сравнительно дешёвый отечественный  материал (октол) представляет собой смесь полимеров изобутилена и его изомеров, имеющих общий состав С ₄ Н ₈ и получаемых из газообразных продуктов крекинга нефти. Октол имеет  молекулярную массу от 400 до 1500 и плотность 0,850-0,875 Мг/м₃; его вязкость при +70°С составляет 1,3-3,0 мПа-с. Значение Е октола 2,3;  tgδ около 0,001. октол с успехом применяется для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей на напряжение до 10 кВ. Нитробензол НО-СН₂-СН₃-ОН  и цианоэтилсахароза С₃₈Н₁₆ имеют высокую диэлектрическую проницаемость. Для использования в электрической изоляции сильполярные жидкости должны быть чрезвычайно тщательно очищены, так как даже малейшие примеси существенно снижают их ρ и повышают tgδ (менее 0,0001 в диапазоне частот 10⁵-10⁸  Гц). Нитробензол характеризуется сильно выраженным эффектом Керра, поэтому может быть применен в устройствах, использующих этот эффект. Сравнительно слабополярная жидкость - лектрол (эфир себациновой  кислоты и бутилового спирта). Строение молекулы НуСа-СОО - (СН) я-СОО-С₄На. имеет весьма низкий tgδ (менее 0,0001 в диапазоне частот 10⁵-10⁸ Гц).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Газообразные  диэлектрики

 

В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть, упомянут воздух, который часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам ЛЗ отдельных частях электрических установок. Например, на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации.

Рассмотрим кратко некоторые другие газы, которые могут представить интерес для практики.

При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними и т.д.) различные  газы могут иметь заметно различающиеся  значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность. Он редко применяется вместо воздуха для заполнения конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, он не содержит кислорода, который оказывает окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы,  имеющие высокую молекулярную массу и соединений, содержащие галогены (фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SР6 имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. В связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым Б.М. Гохбергом  элегазом (сокращено от слов «электричество» и «газ»). Элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения. Он может быть сжат (при нормальной температурой) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, что с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.п. особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Битумы

 

Битумы - аморфные материалы, представляющие собой сложные смеси углеводородов (обычно они содержат также некоторое количество кислорода и серы) и, обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный или темно-коричневый цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах - легче ароматических (бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойкие. В спирте и воде  битумы нерастворимы. Они имеют гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны, плотность их близка к 1 Мг/м³ .

различают битумы искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжелые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами. Залежи асфальтов связаны с нефтяными месторождениями, так как в природных условиях асфальты также образовывались из нефти. Асфальты обычно бывают загрязнены минеральными примесями. В электроизоляционной технике из нефтяных битумов применяют битумы марок Б1-3-1П, БН-1У и БН-У, а также более тугоплавкие спецбитумы марок В и Г. Температура размягчения  (по способу кольца и шара) для них должна быть не ниже определенных значений (от 50°С для БН-Ш до 125°С для В).

температура размягчения асфальтов  доходит до 220°С. более туго 50 Гц плавкие  битумы, как правило, имеют лучшие электроизоляционные свойства, которые медленнее ухудшаются. При повышении температуры они труднее растворимы и при низких температурах более тверды и хрупки. Температура размягчения битума может быть повышена продувкой, т.е. пропусканием воздуха сквозь расплавленный битум. Повышение температуры размягчения битума происходит при этом вследствие окисления и дополнительной полимеризации битума. добавление нефтяного масла улучшает холодостойкость битума, т.е. делает его менее хрупким при низких температурах. битумы - слабополярные вещества с E= 2,5- 3,0;  tgδ порядка 0,01; Eпр= 10- 25 МВ/м и р= 10¹³- 10¹⁴ Ом м;  эти параметры мало зависят от влажности. Битумы используются для изготовления лаков и компаундов.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Смолы

Смолы  - применяемые в практике, хотя и не вполне строгое с научной  точки зрения, название обширной группы материалов, которые характеризуются  как некоторым сходством химической природы (это сложные смеси органических веществ, главным образом высокомолекулярных), так и некоторыми общими для них физическими свойствами. При достаточно низких температурах смолы - это аморфные стеклообразные массы, более или менее хрупкие. При нагреве смолы (если они только ранее не претерпевали химических изменений) размягчаются, становясь пластичными, а затем жидкими. Применяемые в электроизоляционной технике смолы большей частью нерастворимы в воде и мало гигроскопичны, но растворимы в подходящих по химической природе органических растворителях. Обычно смолы обладают клейкостью и при переходе из жидкого состояния в твердое (при охлаждении расплава или при испарении летучего растворителя из раствора) прочно пристают к соприкасающимся с ними твердыми телами.

Природные смолы представляют собой продукты жизнедеятельности животных организмов.

Канифоль - хрупкая смола, получаемая из живицы (природной смолы сосны) после отгонки её жидких составных частей (скипидара). Канифоль в основном состоит из органических кислот.

Канифоль растворима в нефтяных маслах (особенно при нагреве) и других углеводородов, растительных маслах, спирте, скипидаре и прочие.

Канифоль, растворённая в нефтяных маслах, применяется при изготовлении пропиточных и заливочных кабельных  компаундов.

Электроизоляционные свойства канифоли : r=10 ¹² - 10 ¹³ Ом м; Е _пр = 10 - 15 МВ/м; зависимость r и tg φ от температуры характерна для полярных диэлектриков. Температура размягчения канифоли составляет 50 - 70 ⁰ С. На воздухе канифоль постепенно окисляется, причём температура размягчения её повышается, а растворимость снижается.

Шеллак- смола, выделяемая на ветвях деревьев некоторыми насекомыми. Он хорошо растворим. Электроизоляционные свойства: ρ- 10¹³-10¹⁵ Ом м, έ около 3,5; tgδ около 0,01; Е_пр= 20-20 МВ/м. при 50-60^оС шеллак становится гибким, а при дальнейшем повышении температуры размягчается и расплавляется. При продолжительном нагреве шеллак запекается, становясь неплавким и нерастворимым. Таким образом, шеллак обладает слабо выраженными термореактивными свойствами. В электроизоляционной технике шеллак используется в виде клеящих лаков, в частности при изготовлении миканитов.

Копалы - тугоплавкие смолы с характерным блеском, большой твердостью и сравнительно труднорастворимые. эти смолы добавляют частично как ископаемые продукты разложения ранее произраставших деревьев - смолоносов, частично как смолы ныне растущих деревьев. Копалы добавляют к масляным краскам для увеличения твердости их пленок. К ископаемым копалам относятся янтарь. Он имеет ρ 10¹⁵-10¹⁷ Ом м; έ- 2,8; tgδ= 0,001. янтарь изредка применяется для изготовления вводов в приборы, где важно высокое сопротивление изоляции.

 

Синтетические смолы.

Полиолефин. Простейший олефин (т.е. ненасыщенный углеводород с одной двойной связью С=С в молекуле) этилен Н₂С=СН₂ или С₃Н₄ при нормальной температуре является газообразным веществом. Идеализированная формула строения молекулы полимера  этилена- полиэтилена, являющегося уже твердым веществом, имеет вид цепи, но фактически строение молекулы более сложно. Долгое время единственным способом полиэтилена была полимеризация этилена при весьма высоком (до 300 МПа) давлении и температуре 200°С; при этом инициатором реакции является кислород, вводимый в небольших количествах в реактор. Впоследствии было создано производство полиэтилена  низкого давления (ПЭНД): давление при полимеризации всего 0,3-0,6 МПа, температура около 80°С; используется комплексный катализатор (катализатор Циглера) из смеси ТіСŀ₄  с одним из алюминийорганических соединений: (С₂Н₅)АŀСŀ, С₂Н₅АŀСŀ2,Аŀ(С₂Н₅)₃       или Аŀ(С₄Н₉)₃.