Неорганические электроизоляционные пленки. Слюда и материалы на ее основе.

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Определение поляризации

Поляризацией называется состояние вещества, при котором элементарный объем диэлектрика приобретает электрический момент.

Возникновение (индуцирование) электрического момента в единице объема образца диэлектрического материала или участка электрической изоляции может происходить под действием электрического поля, механических напряжений или спонтанно (самопроизвольно).

Поляризованность — определяет интенсивность поляризации диэлектрика и является количественной характеристикой диэлектрика. Средний электрический момент, приходящийся на одну молекулу диэлектрика, дипольный момент молекул

p = q·l, (3.1.1)

где q — величина заряда, 1 — расстояние между центрами положительного и отрицательного заряда. Если существует п таких молекул (диполей) в 1 м, то

J= n•р (3.1.2)

Поляризованность J, Кл-м/м³ совпадает по значению с поверхностной плотностью зарядов, возникающих на поверхности диэлектрика.

Индуцированный полем электрический момент молекулы р, поляризованность диэлектрика и напряженность электрического поля Е-векторные физические величины.

Векторы J и Е в изотропных кристаллических диэлектриках и текстурах совпадают и имеют различные направления в анизотропных средах. Для изотропных (“линейных”) диэлектриков поляризованность J пропорциональна напряженности внешнего поля Е

J=ε₀·Х·Е, (3.1.3)

где X—безразмерный параметр, называемый диэлектрической восприимчивостью, а ε₀ — электрическая постоянная, равная 8,854·10^1/2 Ф/м.

Для характеристики способности диэлектрических материалов к поляризации в технике используют безразмерный параметр — относительную диэлектрическую проницаемость εr (индекс r в дальнейшем будем опускать).

 

Диэлектрическая проницаемость

Рассмотрим электрический конденсатор, изготовленный из параллельных пластин площадью S, м² расстояние между которыми d, м. Приложим к пластинам (электродам) конденсатора электрическое напряжение.

В конденсаторе, помещенном в вакуум на пластинах возникнет заряд Qо, на конденсаторе, между пластинами которого диэлектрик заряд -Q. Из-за поляризации диэлектрика в электрическом поле на его противоположных сторонах возникают заряды Qд, знак которых противоположен знаку поляризационных зарядов на поверхности диэлектрика. Следовательно, полный заряд конденсатора с диэлектриком

Q=Qо+Qд=ε·Qо. (3.1.4)

Здесь ε - относительная диэлектрическая проницаемость, один из важнейших параметров, характеризующих диэлектрические материалы.

Следовательно относительная диэлектрическая проницаемость представляет собой отношение суммарного заряда конденсатора с диэлектриком к заряду того же конденсатора, если поместить его в вакууме без диэлектрика, т. е.

ε=Q/Qо=(Qо+Qд)/Qо=1+Од/Оо. (3.1.5)

Из формулы 3.1.5 видно, что если Qд=О, что соответствует относительной диэлектрической проницаемости вакуума, то ε любого диэлектрика будет больше 1. В дальнейшем для краткости в большинстве случаев термин “относительная” при наименовании диэлектрической проницаемости, опускается.

Используя понятие поляризации и ε можно классифицировать диэлектрики на ЛИНЕЙНЫЕ и НЕЛИНЕЙНЫЕ (пассивные и активные).

Электронная поляризация

Электронная поляризация возникает в результате смещения электронных облаков относительно центра ядер атомов или ионов под действием электрического поля. Наблюдается во всех без исключения диэлектриках, а в неполярных материалах является единственным видом поляризации. Происходит электронная поляризация практически мгновенно—за время 10^-14-10^-16 с. После выключения электрического поля энергия, затраченная на поляризацию, возвращается источнику электрической энергии, так как деформированные оболочки атомов и ионов возвращаются в прежнее положение. Таким образом, эта поляризация происходит без потерь энергии. Вместе с ионной поляризацией она составляет группу “упругих” или быстрых видов поляризаций.

Электрический момент, приходящийся на одну частицу (атом, ион) для не слишком больших полей, пропорционален напряженности поля

Р=Аэ·Е (3.1.7)

Коэффициент Аэ называется электронной поляризуемостью. Для многих диэлектриков, таких как газы, неполярные жидкости можно легко установить взаимосвязь между макроскопическим параметром диэлектрической проницаемостью - ε и микроскопическим параметром - поляризуемостью Аэ, используя, приведенные в разделе “Поляризация” формулы р=n·Аэ·Е= εо(ε-1)·Е, откуда

ε=1+n·Аэ/εо, (3.1.8)

Аэ частиц от температуры не зависит, но диэлектрическая проницаемость, как видно из последней формулы, зависит от числа частиц в единице объема n, которое уменьшается с повышением температуры из-за теплового расширения диэлектрика.

В температурной зависимости ε неполярных диэлектриков резкое уменьшение ε с температурой наблюдается при переходах вещества из одного агрегатного состояния в другое-из твердого в жидкое и из жидкого в газообразное. Диэлектрическая проницаемость ε неполярных диэлектриков близка к квадрату коэффициента лучепреломления диэлектрика (следствие уравнения Максвелла) ε=n². Так как время установления поляризации у таких диэлектриков очень мало, их ε не зависит от частоты вплоть до очень высоких частот, порядка 10¹⁴-10¹⁶ Гц. При таких частотах будет наблюдаться резонансная поляризация.  

 

 

Ионная поляризация

Ионная поляризация наблюдается в веществах с ионной химической связью и проявляется в смещении друг относительно друга разноименно заряженных ионов. Как указывалось, время установления ионной поляризации весьма мало, всего на 2-3 порядка больше электронной поляризации. Соотношение ε=n² для веществ с ионной поляризацией не соблюдается.

Зависимость ε от температуры у твердых ионных линейных диэлектриков с ростом температуры может быть различной. У большинства ионных диэлектриков с ростом температуры ε увеличивается, так как при этом уменьшается коэффициент упругой связи между ионами и расстояние между ними увеличивается при тепловом расширении материала. Если обозначим через Купр. — коэффициент упругой связи, а через х смещение ионов, то в состоянии равновесия qЕ=Купр·dх, а элементарный электрический момент пары, состоящей из двух разноименно заряженных ионов Ри=q·dх=q²·Е/Купр и

Аи=q²/Купр. (3.1.9)

Тогда поляризованность единицы объема Ри будет равна сумме всех элементарных моментов, ε увеличивается с ростом температуры для неорганических стекол различного состава, для электротехнического фарфора, содержащего большое количество стекловидной фазы. Но у некоторых веществ и ε с большим внутренним полем электронная поляризация преобладает над ионной, как например у рутила TiО₃ и перовскита СаТiO₃, с ростом температуры уменьшается.

Если диэлектрик характеризуется не только электронной, но и ионной поляризацией, то общая поляризуемость (деформационная) будет равна сумме электронной и ионной поляризуемости А=Аэ+Аи. Наличие второго слагаемого приводит к тому, что А ионных диэлектриков больше, чем у неполярных веществ. Более высокие значения ε наблюдается у ионных диэлектриков, содержащих многовалентные ионы. В таких веществах ионы слабо связаны друг с другом и несут большие электрические заряды, что обусловливает большую ионную поляризуемость.

 

Спонтанная поляризация

В некоторых классах полярных ионных кристаллов и веществах, относящихся к жидкокристаллическим, в определенном температурном интервале наблюдаются фазовые переходы без изменения агрегатного состояния, в процессе которых происходит существенная перестройка их структуры. Такая перестройка, не нарушая физически и химически однородное состояние вещества, приводит к существенному изменению электрических свойств диэлектриков (проводимости, диэлектрической проницаемости), оптической активности и др. Вблизи фазовых переходов, возникающих при изменении параметров окружающей среды, данные параметры могут изменяться резко, иногда на несколько порядков по величине. Такие фазовые переходы, при которых неполярные вещества самопроизвольно (спонтанно) переходят в полярное состояние называют сегнетоэлектрическими, а сам процесс перехода в новое состояние спонтанной поляризацией. Неполярная фаза, как правило, является более высокотемпературной, чем полярная, но в каждом сегнетоэлектрическом веществе фазовые переходы имеют свои особенности.

Для сегнетоэлектриков характерны зависимости ε от температуры с резко выраженным максимумом, который наблюдается вблизи точки перехода (точки Кюри Тк). Сегнетоэлектрики характеризуются необычайно высокими значениями ε (до 10³-10⁵), хотя некоторые водорастворимые сегнетоэлектрики имеют ε=5-6. Характерные свойства сегнетоэлектриков обусловлены наличием у них доменной структуры — взаимосвязанных микрообластей, в пределах которых векторы поляризации структурных ячеек имеют одинаковое направление. Температурная и частотная зависимости ε для наиболее изученного сегнетоэлектрика титаната бария ВаТiO₃ показана на рис. 3.1.6. Для сегнетоэлектрических материалов характерно нелинейное изменение ε ОТ напряженности электрического поля, поэтому они относятся к нелинейным диэлектрикам.

рис. 3.1.6

 

Токи абсорбции

В постоянном электрическом поле токи абсорбции могут устанавливаться в течение длительного времени в зависимости от типа диэлектрика и механизма поляризации. Уменьшение тока Iабс может наблюдаться в течение минут или даже часов. После исчезновения тока абсорбции через диэлектрик будет протекать только ток 1скв. При расчете сопротивления изоляции на постоянном напряжении необходимо расчет вести по току сквозной проводимости Iскв. исключая токи абсорбции. Механизмы возникновения и уменьшения тока абсорбции показаны в табл. 3.2.2.

Таблица 3.2.2

N	Условия возникновения Iабс	Механизм или причина уменьшения проводимости
1	При ионной проводимости наличие блокирующих контактов с электродами (БК)	БК препятствуют прохождению носителей заряда через границу - электрод-диэлектрик или разряду носителей, подходящих из объема диэлектрика на границе с электродом
2	Неоднородная структура диэлектрика	Накопление заряда на границах раздела, что вызывает перераспределение электрического поля
3	Ионная или молионная проводимость в жидком ди- электрике	Необратимое удаление носителей заряда и разрядка их на электродах (электроочистка).
4	Инжекция электронов или дырок в диэлектрик	Захват носителей заряда на ловушки (дефекты решетки) и исключение их из процесса переноса тока
5	Наличие в диэлектрике замедленной поляризации	Установление релаксационной поляризации с течением времени

С учетом (3.2.4) получим

γ_v =n·q·μ (3.2.6)

Для диэлектрика плоского конденсатора с поперечным сечением S, равным площади каждого электрода и толщиной диэлектрика d, (расстояние между электродами)

ρ_v=R·S/d. (3.2.7)

В системе СИ рассмотренные в формулах параметры выражаются в следующих единицах: j—А/м², Е—В/м, n-м^-3, q—Кл, v—м/с, μ—м²/В·с, ρ— Ом-м, γ—1/Ом·м=См/м.

 

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Определения

Диэлектрические потери — та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла. Нагрев диэлектрика в постоянном электрическом поле зависит от значений удельных объемного и поверхностного сопротивлении (или удельной проводимости). Если известно сопротивление диэлектрика в Омах, то потери мощности в нем в ваттах можно подсчитать по известному соотношению

P=U²/R, (3.3.1)

где U — напряжение, В.

Для сопоставления потерь различных материалов лучше пользоваться удельными потерями, которые для единичного объема диэлектрика в виде куба со стороной 1 м будут определяться по формуле

Руд=Е²/ρ, (3.3.2)

или

Руд = E ²·V, (3.3.3)

где Е — напряженность электрического поля, ρ — удельное электрическое сопротивление, v — удельная электрическая проводимость.

В переменном электрическом поле диэлектрические потери (диэлектрическое поглощение) связаны в основном с процессами установления поляризации. Упругие, быстропротекающие виды поляризации — электронная и ионная вызывают поглощение энергии электрического поля на частотах инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, когда частоты собственных колебаний ионов и электронов совпадают с частотой электрического поля. Основным источником диэлектрических потерь в широкой области радиочастот в большинстве случаев являются релаксационные виды поляризации, связанные с тепловым движением ионов, электронов или полярных молекул, радикалов, доменов или объемных зарядов, локализованных на неоднородностях.

При рассмотрении потерь на переменном напряжении закономерности получаются более сложные, чем на постоянном напряжении. Когда говорят о диэлектрических потерях, то, обычно, имеют ввиду потери при переменном напряжении.

В электрическом конденсаторе с идеальным диэлектриком, т.е. диэлектриком без потерь, вектор тока опережает вектор напряжения на 90°. В реальных диэлектриках угол между током Iс, протекающим через емкость, и напряжением меньше 90° за счет потерь, которые вызывают протекание активного тока Iа, совпадающего по фазе с напряжением. Векторные диаграммы для идеального диэлектрика и упрощенная векторная диаграмма диэлектрика с потерями показаны на рис. 3.3.1. На этом же рис. показаны схемы замещения диэлектрика без потерь и с потерями (а, б, в).

рис 3.3.1

Чисто формально в простейшем случае схема замещения может быть выбрана из параллельно или последовательно соединенных емкости и активного сопротивления.

Угол 6, дополняющий угол сдвига фаз между током и напряжением до 90°, называется углом диэлектрических потерь. Как видно из векторной диаграммы тангенс этого угла равен отношению активного и реактивного токов

tgδ=Ia/Ic (3.3.4)

или отношению активной мощности Ра к реактивной Рр

tgδ=Pa/Pp. (3.3.5)

Иногда для характеристики устройства с диэлектриком определяют добротность — параметр, обратный тангенсу угла диэлектрических потерь

Q=1/tgδ=ctgδ (3.3.6)

У материалов, применяемых на повышенных частотах и при высоких напряжениях, tgδ лежит в пределах 10^-3 —2·10^-4 для низкочастотных диэлектрических материалов — полярных диэлектриков значения tgδ обычно 10^-1—10^-2 для слабополярных—до 10^-3.

Релаксационные потери

Основные причины, вызывающие протекание через диэлектрик абсорбционных токов, приводящих к релаксационным потерям, перечислены в разделе об электропроводности диэлектриков (ток абсорбции). Отметим, что потери релаксационного характера могут наблюдаться не только в полярных диэлектриках, но и в неполярных, например при наличии пористой или слоистой структуры, когда становится возможна ионизация газовых включений, накопление объемных зарядов и др. Появление абсорбционных токов в полярных диэлектриках под действием внешнего поля, наряду с неоднородностью, обусловлено, главным образом, ориентацией полярных молекул.

В вязких жидкостях полярные молекулы - диполи, ориентируясь во внешнем поле преодолевают силы внутреннего трения (вязкость) в результате чего часть электрической энергии превращается в тепло. В твердых диэлектриках релаксационные потери вызываются как процессами установления дипольной поляризации, так и поляризацией, определяемой слабосвязанными ионами.

Зависимость tgδ от частоты для релаксационных поляризаций имеет наибольшую физическую ясность для полярных жидкостей, в которых дипольные молекулы могут сравнительно легко вращаться друг относительно друга, преодолевая силы вязкого трения. Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то для чисто дипольного механизма потерь при частоте ω_д (рис. 3.3.4) будет наблюдаться максимум (кривая 1). Условие максимума ω_д·τ~1, где τ - время релаксации. Увеличение tgδ происходит до тех пор, пока время релаксации дипольных молекул τ <<1/2f, т.е. с ростом частоты диполям не хватает времени для ориентации. Если в диэлектрике заметны потери сквозной проводимости, то они, в соответствии с выражением tgδ=  уменьшаются сростом частоты (кривая 2). В этом случае суммарная зависимость имеет вид кривой 3.

 

рис. 3.3.4

Зависимость tgδ полярных диэлектриков от температуры Если пренебречь потерями сквозной проводимости, то, как и в зависимости tgδ от частоты, в температурной зависимости tgδ будет максимум, как показано на рис.3.3.5. Применительно к полярным жидкостям максимум можно объяснить тем, что начальное возрастание tgδ связано со снижением вязкости, уменьшением сил трения между диполями и, вследствие этого, их более легкой ориентации в электрическом поле, что приводит к росту tgδ. С другой стороны, с увеличением температуры нарастает тепловое хаотическое движение молекул дезориентирующее ориентацию диполей, что и приводит к уменьшению tgδ при достаточно высоких температурах tgδ обусловленный сквозной проводимостью (кривая 2), суммируется с кривой 1, давая кривую 3.

рис. 3.3.5

 

Зависимость tgδ от напряжения имеет нелинейный характер в диэлектриках с пористой структурой, в волокнистой или прессованной изоляции, пористой керамике и пластмассах и т. д. Зависимость tgδ от напряжения (напряженности поля) в этом случае носит название кривой ионизации - рис. 3.3.6.

рис. 3.3.6

Процесс ионизации пор начинается в точке А и завершается в точке В, после чего кривая несколько снижается из-за того, что поры приобретают большую проводимость и падение напряжения на них становится малым. В процессе ионизации пор часть кислорода переходит в озон О₃ и образуются окислы озона, вызывающие разрушение органической изоляции. В неорганической изоляции в большинстве случаев наличие пор также нежелательно. Например, частичные разряды в керамике, если она содержит поры и используется в качестве диэлектрика конденсатора, приведут к нестабильности частоты конденсатора (эффект “мерцания”).

Зависимость от влажности проявляется для гигроскопических диэлектриков, материалов волокнистых и с открытой пористостью, стекол, некоторых.керамических материалов, ряда полярных диэлектриков. Увеличение влажности приводит у таких материалов к росту активных составляющих абсорбционных токов и токов сквозной проводимости, что приводит к увеличению tgδ и вызывает нагрев электрической изоляции.

 

Электротепловой пробой

Электротепловой (тепловой) пробой возможен, когда выделяющееся в диэлектрике за счет электропроводности или диэлектрических потерь тепло –Q₁ становится больше отводимой теплоты - Q₂. В результате в месте пробоя происходит прогрессирующий разогрев диэлектрика, сопровождающийся образованием узкого проплавленного канала высокой проводимости.

Если не учитывать распределение температуры по толщине диэлектрика, то можно легко получить приближенное выражение для анализа зависимости Unp от влияния различных факторов. Пусть

Q₁=U²ωCtgδ. (3.4.1)

Если в диэлектрике будут только потери проводимости (неполярный диэлектрик), то tgδ=tgδ_oexp[α(T-To)], где а и tgδ_o зависят от природы диэлектрика, Т— температура окружающей среды (электродов), Т₀—температура диэлектрика. Количество отводимого тепла определяется равенством

Q₂=2σS(T-To), (3.4.2)

где σ — суммарный коэффициент теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду, S — площадь электрода.

 

 

рис. 3.4.1

 

Из графического представления зависимости Q₁ и Q₂ от температуры (рис. 3.4.1) видно, что при U₁ и T₁ будет устойчивое тепловое равновесие Q₁=Q_2,

при U₂, Т₂ и U₁/T₂— состояние неустойчивого теплового равновесия, при нарушении которого в результате прогрессивного разогрева диэлектрика будет тепловой пробой.

Тепловой пробой обычно происходит в течение 10^-2 –10^-3с.

Пробой диэлектрика при тепловом пробое происходит там, где хуже всего теплоотдача, Епр при тепловом пробое уменьшается: при увеличении температуры, времени выдержки образца под напряжением; при увеличении толщины диэлектрика из-за ухудшения теплоотвода от внутренних слоев (Unp с увеличением толщины диэлектрика растет нелинейно).

Электрохимический пробой происходит при напряжениях меньших электрической прочности диэлектрика. Вызывается изменением химического состава и структуры диэлектрика в результате электрического старения. Время развития этого вида пробоя 10³-10⁸ с.

 

Пробой жидких диэлектриков

Электрическая форма пробоя, развивающаяся за время 10^-5-10^-8 с, наблюдается в тщательно очищенных жидких диэлектриках и связывается с инжекцией электронов с катода. Епр при этом достигает 10⁷ В/м. В технически чистых жидких диэлектриках пробой носит тепловой характер. На электрический пробой жидких диэлектриков влияют многие факторы, числу которых относятся материал электродов, примеси, загрязнение жидкости; дегазация жидкости и электродов; длительность воздействия напряжения; скорость возрастания напряжения и его частоты; температура, давление и др.

В неочищенных жидкостях пробивное напряжение определяется действующим значением (тепловой характер пробоя), в очищенных -амплитудным (электрическая форма пробоя). Более сильное влияние примесей и загрязнений как жидких так и газообразных сказывается на низких частотах. Увеличение электрической прочности трансформаторного масла происходит при фильтрации и сушке (при частоте 50 Гц-втрое, на частоте 10³ Гц-только на 30%).

Для многих жидкостей в зависимости пробивного напряжения от температуры имеется максимум при температурах 30-80°С, высота которого уменьшается с ростом частоты (в пределах 0,4-12 МГц). Кривая тангенса угла диэлектрических потерь при температуре максимума проходит через минимум.

Увеличение давления от 60 до 800 мм. рт. ст. увеличивает пробивное напряжение на 200-300%.

Добавка к жидкости частиц вещества с диэлектрической проницаемостью большей, чем у жидкости, приводит к росту тока в несколько раз.

 

Пробой твердых диэлектриков

В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизмы пробоя.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации — так называемые частичные разряды. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электротермический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика. Электромеханический пробой - механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.

 

ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются: высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь; малая, близкая к единице диэлектрическая проницаемость. Наиболее же ценным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда. Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко используют двух- и трехатомные газы — азот, водород, углекислый газ. Электрические прочности этих газов при нормальных условиях мало отличаются друг от друга и могут с достаточной точностью приниматься равными прочности воздуха. В таблице 3.5.1 приведены отношения электрической прочности некоторых газов, включая и высокопрочные, Епр г к электрической прочности воздуха, которая принята за единицу. В этой же таблице даны точки кипения газов при нормальном давлении.

 

 

Таблица 3.5.1

Газ	Плотность кг/м^3	температура кипения °С	^тф r'^-np в
Азот	1,25	-196	1,0
Гексафторид серы (элегаз)	6,70	-64	2,3
Дихлорфторметан (фреон-12) Гексафторэтан	6,33* 9,01	-30 -78	2,4 2,0
Трифторметилпентафторсера	—	-20,4	3,05

 

Наилучшим образом требованиям к газам, применяемым в электроизоляционных конструкциях, удовлетворяет элегаз и фреон. Гексафторэтан нельзя использовать при повышенных давлениях из-за низких критических параметров.

 

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 конструкции 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. Нефтяные масла получают фракционной перегонкой нефти с последующей очисткой масляного дистиллята. Нефтяные электроизоляционные масла являются горючими жидкостями и представляют большую пожарную опасность.

Пожарная опасность оценивается по температуре вспышке паров жидкого диэлектрика в смеси с воздухом. Эта температура должна быть не ниже 135-140°С. Наиболее важные для практического применения трансформаторного масла свойства нормированы стандартом ГОСТ 982-80. Из рассмотренных.характеристик следует отметить кинематическую вязкость при температуре 20 и 50°С, знание которой весьма важно, так как при увеличении вязкости сверх допустимых пределов хуже отводится тепло от обмоток и магнитопровода трансформатора, что может привести к сокращению срока службы электрической изоляции. Стандартом нормировано также так называемое кислотное число. Этот показатель важен для учета старения масла в процессе его эксплуатации.

По своим диэлектрическим характеристикам хорошо очищенное от примесей и влаги трансформаторное масло обладает свойствами неполярного диэлектрика. Важной характеристикой масла является его электрическая прочность, которая чрезвычайно чувствительна к увлажнению. Пробивное напряжение технически чистых масел в стандартном разряднике составляет 50-60 KB при 50 Гц и примерно 120 кВ при воздействии импульсного напряжения. С целью повышения устойчивости масел к процессам старения в масла вводят синтетические ингибиторы. Ингибиторы замедляют процесс старения масла в 2-3 раза. Масла, побывавшие в эксплуатации, подвергаются регенерации. Осушка масел производится искусственными цеолитами, которые известны также под названием “молекулярные сита”. Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и меньшими значениями tgδ (до 2·10^-4). Основные физико-химические показатели товарных конденсаторных масел приведены в ГОСТ 5775-68.

Кабельные масла отличаются от трансформаторных по температуре вспышки и вязкости.

Синтетические жидкие диэлектрики — применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить длительную и надежную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках и напряженности электрического поля, в пожаро- и взрывоопасной среде. Жидкие диэлектрики находят применение и для заливки герметичных кожухов, в которых располагаются блоки электронной аппаратуры.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено, хотя в эксплуатации еще имеется их значительное количество.

Значения тангенса угла диэлектрических потерь для трихлордифенила, совтола-10 и гексола при 90°С лежит в пределах 0,015-0,03. Удельное объемное сопротивление полихлордифенилов при рабочих температурах в пределах 3·10⁹-10¹² Ом·м. Наименее полярные свойства проявляются у гексола, у которого ε при 70°С не превышает 2,7-2,9. Электрическая прочность большинства жидкостей на основе хлористых углеводородов при 20°С не превышает 18- 22 МВ/М.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка

‌  ‌

—Si—О—Si—,

‌  ‌

атомы кремния которой связаны с органическими радикалами. 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 теплопередаю-щими 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.

ПОЛИМЕРЫ. ОБЩИЕ СВОЙСТВА

Для изготовления электрической изоляции используют большое число материалов, относящихся к группе полимеров. Полимеры - высокомолекулярные соединения. Они имеют большую молекулярную массу. Молекулы полимеров, называемые макромолекулами, состоят из большого числа многократно повторяющихся структурных группировок (элементарных звеньев), соединенных в цепи химическими связями.

Полимеры получают из мономеров — веществ, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных звеньев. Так как полимеры представляют собой смеси молекул с различной длиной цепи, то под молекулярной массой полимера понимают ее среднее статистическое значение. Молекулярная масса полимера может достигать значение в несколько миллионов.

Степень полимеризации является важной характеристикой полимеров — она равна числу элементарных звеньев в молекуле. Например, структурную формулу поливинилхлорида можно записать в компактном виде

(-Н2С-СНС1-) п. где п— степень полимеризации. Полимеры с низкойстепенью полимеризации называют олигомерами.

Полимеризацией называют реакцию образования полимера из молекул мономера без выделения низкомолекулярных побочных продуктов. При этой реакции в мономере и элементарном звене полимера соблюдается одинаковый элементный состав. Примером реакции полимеризации является полимеризация этилена.

Поликонденсация — реакция образования полимера из мономеров с одновременным образованием побочных низкомолекулярных продуктов реакции (воды, спирта и др.). Элементный состав мономерной молекулы отличается от элементного состава полимерной молекулы. Реакция поликонденсации лежит в основе получения важнейших высокополимеров, таких, как фенолоформальдегидные смолы, полиэфирные и др. Термином “смола” в промышленности иногда пользуются наряду с названием “полимер”.

Полимеры делят на два типа — линейные и пространственные в зависимости от пространственной структуры макромолекул. В линейных полимерах макромолекулы состоят из последовательности повторяющихся звеньев с большим отношением длины молекулы к ее поперечному размеру. Макромолекулы пространственных полимеров связаны в общую сетку.

Термопластичные полимеры (термопласты) получают на основе полимеров с линейной структурой макромолекул. При нагревании они размягчаются, а при охлаждении затвердевают. При этом процессе не происходит никаких химических изменений. Для электрической изоляции термопласты применяются в основном в форме нитей или пленок, получаемых из расплавов. Способность к формованию и к растворению в подходящих по составу растворителях сохраняется у них и при повторных нагревах. Термореактивные полимеры получают из полимеров, которые при нагревании или при комнатной температуре вследствие образования пространственной сетки из макромолекул (отверждения) переходят в неплавкое и нерастворимое состояние. Этот процесс является необратимым.

Линейные аморфные и кристаллизующиеся полимеры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем. Кристаллические полимеры обычно содержат как кристаллическую, так и аморфную фазы. Многие свойства полимеров зависят от соотношения аморфной и кристаллической фаз — степени кристалличности.