Механические, термические и физико-химические свойства диэлектриков

Ограничимся перечислением важнейших неэлектрических параметров диэлектрических материалов.

Механические свойства при статической нагрузке — разрушающие напряжения при растяжении, сжатии, изгибе, определяемые стандартными методами; твердость, удельная ударная вязкость, гибкость, модуль Юнга.

Термические свойства диэлектриков — теплопроводность, теплоемкость, температура плавления, температура размягчения, термическое расширение; вязкость, температура вспышки паров, нагревостойкость, холодостойкость, стойкость к термоударам.

Физико-химические свойства диэлектриков - химостойкость, влагостойкость, водостойкость и водопоглощение, тропикостойкость, радиационная стойкость, атмосферостойкость, кислотность.

В целом ряде случаев при применении диэлектрических материалов их механические, термические, физико-химические свойства играют определяющее значение. Однако, ввиду ограниченного объема учебного пособия отсылаем читателя для проработки перечисленных выше параметров к дополнительной литературе [1,2,3].

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.

Электрические свойства. Для неполярных, очищенных от примесей полимеров, полученных полимеризацией (полиэтилен, полистирол, политет-рафторэтилен и др.) характерны большие значения ρ_v (10¹⁴—10¹⁶ Ом·м), малый tgδ (порядка 10), малое значение ε (2,0-2,4). Полярные полимеры имеют более низкие значения р, большие значения ε и tgδ. Относительная диэлектрическая проницаемость слабополярных полимеров составляет обычно 2,8-4,0, для полярных в зависимости от строения полимера она меняется от 4 до 20. Влияние строения полимера на ε в основном определяется значением дипольного момента отдельного звена макромолекулы и числом полярных групп в единице объема, ε значительно возрастает при увеличении в полимере содержания воды. Увеличение степени кристалличности также приводит к увеличению ε. Так, у аморфного полистирола ε составляет 2,49-2,55, у кристаллического 2,61. Для применения полимеров в кабельной технике предпочтительнее материалы с малой ε (неполярные и слабополярные полимеры), в конденсаторостроении — с повышенными значениями ε. При высоких частотах используются такие полимеры как полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, в которых мала ε и диэлектрические потери. В низкочастотных конденсаторах или при постоянном токе, можно применять полимеры с повышенными значениями ε в стеклообразном состоянии.

Значения tgδ зависят от химического строения, структуры полимера. Низкомолекулярные примеси и, в частности, влага, включения пузырей воздуха, пыль, частицы низко- и высокомолекулярных веществ могут привести к появлению дополнительных максимумов в температурной зависимости tgδ. Значения tgδ для неполярных полимеров лежат в пределах от 10^-4 до 10^-3. Вблизи и выше температуры стеклования возможен рост tgδ при повышении температуры, что обусловлено повышением ионной проводимости полимера. Значения tgδ полярных полимеров в сильной степени зависят от частоты и температуры, что ограничивает их применение при высоких частотах.

Нагревостойкость полимерных материалов. Длительная рабочая температура линейных полимеров за исключением фторосодержащих и полифе-нилов не превышает 120°С, особенно нагревостойки кремнийорганические и некоторые фторорганические полимеры, длительная рабочая температура которых достигает 180-200°С. Высокую устойчивость к действию повышенной температуры проявляют полимеры пространственного строения.

Природные полимеры - целлюлоза, шеллак, лигнин, латекс, протеин и искусственные, получаемые путем переработки природных - натуральный каучук, целлюлоза и др. сыграли большую роль в современной технике. В некоторых областях, например в целлюлозно-бумажной промышленности они остаются незаменимыми. Однако для производства и потребления диэлектрических материалов в настоящее время наибольшее значение имеют синтетические полимеры.

 

СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОЛИМЕРЫ

Линейные неполярные полимеры. К неполярным полимерам с малыми диэлектрическими потерями относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, получаемые полимеризацией. Мономерные звенья макромолекул этих полимеров не обладают дипольным моментом. Эти полимеры имеют наибольшее техническое значение из материалов, получаемых полимеризацией.

Линейные полярные полимеры. По сравнению с неполярными полимерами материалы этой группы обладают большими значениями диэлектрической проницаемости (ε=3-6) и повышенными диэлектрическими потерями (tgδ=(l-6)·10^-2 на частоте 1 МГц). Такие свойства обусловливаются асимметричностью строения элементарных звеньев макромолекул, благодаря чему в этих материалах возникает дипольно-релаксационная поляризация. Удельное поверхностное сопротивление этих материалов сильно зависит от влажности окружающей среды. К числу этих полимеров относятся поливинилхлорид, фторолон-3 (политрифторхлорэтилен), полиамидные смолы. Для электротехнических целей эти полимеры применяются в основном как изоляционные и конструкционные в диапазоне низких частот.

 

Таблица 3.9.1

Диэлектрические параметры	Полиэтилен	Фторопласт-4	Поливинилхлорид	Эпоксидные смолы
ρv, Ом·м	10^15	10^15-10^18	10^11-10^13	10^12-10^13
ε, 1 МГц	2,2-2,4	1,9-2,2	3,1-3,4	3,9-4,2
tgδ, 1 МГц	(2-4)·10^-4	(2-2,5)·10^-4	0,015-0,018
Епр, МВ/м	45-55	25-27	35-45	20-80
Траб, ˚С	90	260	90	120-140

Полимеры, получаемые поликонденсацией. В зависимости от особенностей проведения реакции поликонденсации могут быть получены полимеры как с линейной, так и с пространственной или сетчатой структурой молекул. В связи с тем, что при поликонденсации происходит выделение низкомолекулярных побочных продуктов, которые не всегда могут быть полностью удалены из полимера, диэлектрические параметры поликонденсационных полимеров несколько ниже, чем у получаемых с помощью полимеризации. Однако поликонденсационные полимеры могут быть получены с рядом ценных свойств, обусловливающих их широкое применение для материалов, применяемых в электротехнических целях. Так, линейные поликонденсационные полимеры имеют высокую прочность и большое удлинение при разрыве. Многие из них способны вытягиваться в тонкие нити, из которых можно получать электроизоляционные ткани, пряжу. Некоторые полимеры применяются для изготовления пленочных материалов. В отличие от линейных поликонденсационных материалов, которым присущи свойства термопластичных материалов, продукты, являющиеся в своей конечной стадии термореактивными, широко применяются как связующее в пластмассах, в качестве лаковой основы и в производстве слоистых пластиков. Из числа наиболее широко применяемых поликонденсационных полимеров можно назвать фенолоформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, кремнийорганические. В таблице 3.9.1 приведены основные показатели некоторых упомянутых полимеров.

 

Выполнить конспект практического занятия №27