Физико-механические и химические св-ва диэлектриков

Диэлектрик (изолятор) — вещество, практически не проводящее электрический ток. Концентрация свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ см⁻³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле. С точки зрения зонной теории твёрдого тела диэлектрик — вещество с шириной запрещённой зоны больше 3 эВ.

 

Растворимость твердых диэлектриков оценивается количеством материала, переходящего в раствор за единицу времени с поверхности, соприкасаемой с растворителем. Лучше всего растворяются вещества близкие по химической природе к растворителю: дипольные вещества в дипольных жидкостях, нейтральные в нейтральных. При повышении t растворимость увеличивается.

Устойчивость к плесени

При длительной эксплуатации в тропических условиях на поверхности диэлектриков наблюдается образование плесени. Ухудшается электрическое сопротивление, увеличивается рост потерь, ухудшается механическая прочность диэлектриков. Наиболее подвержены плесени: целлюлозные гетинакс, текстолит, канифоль.

Наиболее стойки: неорганические диэлектрики: стекло, слюда, и органические – фторопласт, полиэтилен, полистирол, эпоксидные смолы.

Для защиты используются химикаты, которые ядовиты для бактерий.

Физико-химические свойства материалов важно знать при разработке технологических процессов изготовления из них деталей для того, чтобы получить надежную к эксплуатации аппаратуру. Поэтому разработчики должны иметь представления, могут ли те или иные материалы обрабатываться химико-технологическими способами — склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков.

Особенно важно выбрать материалы, надежные при длительной работе, которые не должны разрушаться с выделением побочных продуктов и вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов; не реагировать с различными веществами: газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т. п. (стойкость к воздействию этих веществ у разных диэлектриков весьма разнообразна).

Растворимость твердых материалов можно определить по количеству материала, переходящего в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Нередко растворимость оценивают по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворителе.
Лучше всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах похожие группировки атомов: дипольные вещества в дипольных жидкостях, неполярные в неполярных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (например, парафин, каучук) растворяются в жидких углеводородах; дипольные смолы, содержащие гидроксильные группы (феноло-формальдегидные и другие смолы),— в спирте и иных полярных растворителях.

Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации (молекулярной массы). Высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой — весьма трудно или не растворяются. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.

Любой бизнес, связанный с перевозкой грузов, нуждается в грузовиках, фургонах, прицепах. Однако новая техника стоит недёшево. В такой ситуации грузовые автомобили б у будут хорошим компромиссом.

Газообразные диэлектрики

Основными газообразными диэлектриками, применяющимися в электротехнике, являются: воздух, азот, водород и элегаз (гексафторид серы).

По сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками, газы обладают малыми значениями диэлектрической проницаемости и, высоким удельным сопротивлением и пониженной электрической прочностью.

Свойства газов по отношению к свойствам воздуха (в относительных единицах) приведены в таблице.

Свойства газов по отношению к свойствам воздуха

Характеристика	Воздух	Азот	Водород	Элегаз
Плотность		0,97	0,07	5,19
Теплопроводность		1,08	6,69	0,7
Удельная теплоемкость		1,05	14,4	0,59
Электрическая прочность			0,6	2,3

 

Воздух используется в качестве естественной изоляции между токоведущими частями электрических машин и линий электропередач. Недостатком воздуха является его окислительная способность из-за наличия кислорода и низкая электрическая прочность в неоднородных полях. Поэтому в герметизированных устройствах воздух используется редко.

Азот применяется в качестве изоляции в конденсаторах, высоковольтных кабелях и силовых трансформаторах.

Водород имеет пониженную электрическую прочность по сравнению с азотом и применяется в основном для охлаждения электрических машин. Замена воздуха водородом приводит к значительному улучшению охлаждения, так как удельная теплопроводность водорода значительно выше, чем у воздуха. Кроме того, при применении водорода снижаются потери мощности на трение о газ и вентиляцию. Поэтому водородное охлаждение позволяет повысить как мощность, так и КПД электрической машины.

Наибольшее распространение в герметизированных установках получил элегаз. Он применяется в газонаполненных кабелях, делителях напряжения, конденсаторах, трансформаторах и высоковольтных выключателях.

Преимуществами кабеля, заполненного элегазом, является малая электрическая емкость, то есть пониженные потери, хорошее охлаждение, сравнительно простая конструкция. Такой кабель представляет собой стальную трубу, заполненную элегазом, в которой при помощи электроизоляционных распорок укреплена проводящая жила.

Заполнение элегазом трансформаторов делает их взрывобезопасными.

Элегаз используется в высоковольтных выключателях, – элегазовых выключателях – так как обладает высокими дугогасящими свойствами.

Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции, находящихся под напряжением элементов конструкций и отводить от них тепло, выделяющееся при работе.

Электроизоляционные жидкости по химической природе можно классифицировать на нефтяные электроизоляционные масла и синтетические жидкости различных типов. По специфике применения они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях.

Жидкие диэлектрики на основе фтороорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Они получили применение для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах. По диэлектрическим свойствам фторированные углеводороды могут быть отнесены к неполярным соединениям.

Жидкие диэлектрики

Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью и, как правило, невысокой ценой. Кроме того, на основе полимеров с дисперсными добавками различной электропроводности, теплопроводности, магнитной проницаемости, диэлектрической проницаемости, твердости и т.п. можно получать разнообразные композиционные материалы с широким спектром свойств. По технологическим признакам полимерные материалы делятся на 2 класса - термопласты и реактопласты.

Термопласты - размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт - автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля.

Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен.

Реактопласты - при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Достаточно дешевы и технологичны реактопласты на основе фенолформальдегидных полимеров (бакелит) и аминоформальдегидных полимеров. Их электрофизические характеристики невысоки.