Диэлектрические материалы. Строение и свойства

Диэлектрики образуют самую многочисленную группу электро­технических материалов. Они могут быть газообразными, жидкими или твердыми, аморфными, кристаллическими (моно- или поликри­сталлическими) или аморфно-кристаллическими, органическими, неорганическими или элементоорганическими (например, кремний-

органическими), природными или синтетическими и, наконец, пассивными или активными. При всем своем многообразии все ди­электрические материалы обладают характерными свойствами: не должны пропускать электрический ток (имеют высокое сопротивле­ние) и поляризуются в электрическом поле.

Органическими диэлектрическими материалами считают химиче­ские соединения, молекулы которых представляют собой цепочки или кольчатые системы из углеродных атомов. Атомы углерода обра­зуют остов молекулы, который «обрамляют» атомы водорода —Н и углеводородные группы (—СН₃, —С₂Н₅ и т. д.). В состав молекул мо­гут входить бензольные кольца (—С₆Н₅), пяти- или шестичленные циклы (—С₅Н₉, —С₆Н_И), а также атомы кислорода, азота, фосфора и др. Химическая связь между атомами углерода и других элементов ковалентная, преимущественно слабополярная, а между атомами уг­лерода — неполярная, и имеет энергию связи 263 кДж/моль.

Молекулярная масса органических веществ колеблется в широ­ких пределах. Молекула у низкомолекулярных соединений состоит из углеродных атомов в количестве от 2 до 50, а у высокомолекуляр­ных соединений (например, у полимеров) — от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч и более (молекулярная масса порядка 10³—10⁶). Для низкомолекулярных соединений характерны летучесть и низкая температура кристаллизации. Полимерные диэлектрики при температурах выше температуры стеклования Т_с обладают гиб­костью и эластичностью, а ниже Т_с становятся стеклообразными. При температурах, выше температуры текучести Г_т, полимеры пе­реходят в вязкотекучее состояние, и из них можно изготавливать волокна, пленки и другие изделия разнообразной формы. Органи­ческие диэлектрики, за небольшим исключением (политетрафтор­этилен, полиимиды и т. п.), имеют относительно низкую нагре­востойкость и пожароопасны. Многие из них (например, резины, материалы на основе целлюлозы, нефтяные масла) относительно легко подвергаются световому и тепловому старению.

Неорганические диэлектрические материалы представляют собой сложные системы, состоящие из окислов некоторых металлов и ме­таллоидов. Связь между атомами в них преимущественно ионная. Неорганические соединения характеризуются только химическим составом, структура для многих из них неизвестна (стекла, карамика и др.).

Эти материалы, как правило, твердые и хрупкие, негибкие и не­эластичные, имеют относительно высокую нагревостойкость, пожа­робезопасны, стойки к окислению и действию электрических разря­дов, УФ-лучей, озона и окислов азота. Однако технология их обработки более сложная, чем у органических материалов.

Кремнийорганические соединения (силиконы) представляют наиболее обширный класс элементоорганических веществ. Молеку­лы последних в своем составе, кроме атомов углерода и водорода, содержат также атомы кремния, кислорода, алюминия, титана, фос­фора или другого химического элемента.

Характерной особенностью кремнийорганических соединений явля­ется то, что молекулярная цепь состоит из чередующихся атомов кремния и кислорода, а боковыми («обрамляющими») частями —R явля­ются атомы водорода — Н или углеводородные группы (— СН₃, —С₂Н₅, -С₆Н₅ и др.):

R R

I I

(... — Si —О — Si —О — I I

R R

Таким образом, у кремнийорганических соединений остов моле­кулы имеет неорганическую природу, а «обрамляющие» группы — ор­ганическую. Энергия связи между атомами кремния и кислорода со­ставляет 374 кДж/моль, что обеспечивает этим соединениям более высокую, чем у органических веществ, термическую и химическую стойкость. При нормальных условиях в зависимости от величины мо­лекул кремнийорганические соединения могут находиться в жидком или твердом (полимерном) состоянии. Молекулы их имеют линейное, разветвленное или циклическое строение, образуя термопластичные или, чаще, термореактивные полимеры. В природе кремнийорганиче­ские соединения не встречаются, их получают только путем синтеза (поликонденсации). Широкое применение в электротехнике (как и в других областях техники) они получили благодаря ряду ценных ка­честв, прежде всего хорошим электроизоляционным свойствам, высо­кой тепло-, водо- и атмосферостойкости.

В зависимости от характера изменения электрических свойств под действием внешнего энергетического воздействия все диэлек­трики можно разделить на пассивные и активные. Пассивные диэлек­трики (или просто диэлектрики) изложены в гл. 7.1—7.14, актив­ные — в гл. 7.15.

7.1. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Жидкие диэлектрики в сравнении с газообразными обладают ря­дом преимуществ: у них примерно в три раза и более выше электри­ческая прочность, в три раза больше теплоемкость, в 30 раз выше теплопроводность. Электрические свойства в значительной мере за­висят от степени их очистки. Даже небольшое содержание ионоген- ной примеси заметно ухудшает их электрические характеристики. Особенно существенно на Е_пр жидких диэлектриков влияет нерас- творенная полярная примесь, например вода.

Основное назначение жидких диэлектриков заключается в повы­шении электрической прочности твердой пористой изоляции, отводе тепла от обмоток трансформатора, гашении электрической дуги в масляных выключателях. В конденсаторах жидкие диэлектрики, про­питывая твердую изоляцию, повышают ее Е_пр и е и тем самым — U_HOM и С_ном конденсатора. Наиболее распространенными жидкими ди­электриками являются: нефтяные масла — трансформаторное, кон­денсаторное и кабельное; синтетические жидкости — полихлордифе- нил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические. Растительные технические масла — касторовое, льняное, конопля­ное и тунговое — в настоящее время в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

7.1.1. Нефтяные электроизоляционные масла

Нефтяные масла получают путем ступенчатой перегонки нефти с выделением и последующей обработкой первой масляной фрак­ции — солярового масла. Обработка заключается в тщательной очи­стке от химически нестойких соединений (непредельных углеводо­родов, перекисей и т. п.) и полярной примеси. Очистка достигается путем последовательной обработки серной кислотой, щелочью, про­мывки водой и сушки. В ряде случаев электроизоляционные масла дополнительно обрабатывают адсорбентами, которые активно погло­щают остатки воды и полярную примесь.

Нефтяные масла — это слабовязкие, практически неполярные жид­кости. По химическому составу они представляют смесь различных углеводородов парафинового, нафтенового (углеводороды с пяти- и шестичленными циклами), ароматического (содержат бензольные кольца) и нафтеново-ароматического рядов с небольшим (до 1 мае. %) содержанием присадок, улучшающих их стойкость к термоокислитель­ному старению, а также температурно-вязкостные характеристики.

Нефтяные масла — желтого цвета (от почти бесцветного до тем­ного). Чем глубже очистка, тем светлее масло. С ростом содержания ароматических углеводородов и полярной примеси гигроскопич­ность масел увеличивается. Поэтому масла окисленные всегда более гигроскопичны и имеют пониженные электрические свойства. Хи­мический состав, а следовательно, свойства и стабильность масла за­висят от месторождения нефти.

Нефтяное трансформаторное масло

Нефтяное трансформаторное масло получило наиболее широ­кое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных вводах. В трансформато­рах нефтяное масло выполняет две основные функции: во-первых, заполняя поры волокнистой изоляции и промежутки между провода­ми обмоток, а также токопроводящими частями и баком трансфор­матора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, улучшает отвод тепла, выделяющегося за счет потерь мощности в обмотках и в сердечнике трансформатора. В масляных выключателях трансформаторное масло способствует еще и быстро­му гашению электрической дуги.

Классификация нефтяного трансформаторного масла. В соответст­вии с классификацией нефтяное трансформаторное масло подразде­ляют на:

— свежее — поступившее от завода-изготовителя; оно может иметь отклонение от нормативных показателей по влаго- и газосо­держанию;

— чистое, сухое — это масло «свежее», дополнительно прошед­шее обработку (осушивание); оно соответствует всем нормируемым показателям и готово к заливке в оборудование;

— регенерированное — отработанное, прошедшее очистку с помо­щью физических, химических и физико-химических методов до тре­бований нормативно-технической документации и пригодное к дальнейшему применению;

— эксплуатационное — залитое в оборудование и по показателям соответствующее нормам на эксплуатационное масло;

— отработанное — слитое из оборудования по истечении уста­новленного срока службы или утратившее в процессе эксплуата­ции качества, установленные нормативно-технической документа­цией.

Эксплуатационно-технические характеристики трансформатор­ного масла нормируются стандартом. В табл. 7.1 приведены пре­дельно допустимые значения основных характеристик нефтяного трансформаторного масла, подготовленного к заливке, а также нахо­дящегося в эксплуатации (в электрооборудовании).

Таблица 7.1 Предельно допустимые значения показателей качества трансформаторного масла, подготовленного и залитого в электрооборудование

Показатели	Значение показателей качества	Нормативно-
	трансформаторного масла	технический
			документ
	до залива	после залива
	в электрообору­	в электрообору­
	дование	дование
Пробивное напряжение, кВ, не			ГОСТ 6581-75
менее, для трансформаторов, аппа­
ратов и вводов напряжением:
до 15 кВ
15-35 кВ
60-150 кВ
220-500 кВ
750 кВ
1150 кВ
Массовое влагосодержание, %			ГОСТ 7822-75
(г/т), не более, для трансформато­
ров:
с пленочной или азотной	0,001 (10)	0,001 (10)
защитой
без специальной защиты	0,0020 (20)	0,0025 (25)

Показатели	Значение показателей качества трансформаторного масла	Нормативно- технический документ
до залива в электрообору­дование	после залива в электрообору­дование
Тангенс угла диэлектрических потерь, %, не более, при 90°С до 500 кВ вкл. 750 кВ 1150 кВ	2,2 0,5 0,5	2,6 0,7 0,5	ГОСТ 6581-75
Кислотное число, мг КОН/1 г масла, не более: до 500 кВ вкл. свыше 500 кВ	0,02 0,01	0,02 0,01	ГОСТ 5985-79
Содержание растворимых кислот и щелочей	Отсутствуют	Отсутствуют	ГОСТ 6307-75
Содержание механических при­месей, мас.% (г/т), не более: до 750 кВ вкл. силовые трансформаторы 1150 кВ	Отсутствуют 0,0005 (5)	Отсутствуют 0,0005 (5)	ГОСТ 6370-83
Температура вспышки в закры­том тигле, °С, не ниже			ГОСТ 6356-75
Газосодержание, % объема, не более (для герметичного электро­оборудования)	0,1	0,2	Инструкция завода-изгото- вителя

Примечания: 1. Проба трансформаторного масла для определения значения tg8 дополнительной обрабоке не подвергается. 2. Проверку газосодержания масла до­пустимо осуществлять абсорбциометрами, установленными в дегазационных установ­ках, или в лаборатории хроматографическим методом.

Электрические свойства. Нефтяное трансформаторное масло яв­ляется неполярным диэлектриком. Поэтому в чистом масле диэлек­трические потери обусловлены в основном токами проводимости, величина которых мала, следовательно, малы и диэлектрические по­тери (tg5). Механизм пробоя масла объясняет теория теплового про­боя, которая учитывает решающее влияние на образование газораз­рядного канала проводимости нерастворенной в масле полярной, полупроводящей и проводящей примеси. Чистое масло имеет отно­сительно высокие значения Е_пр Электрическую прочность электро­изоляционных масел обычно характеризуют величиной пробивного напряжения U_np в стандартной измерительной ячейке с расстоянием между электродами 2,5 мм.

В зависимости от степени очистки масла и частоты измеритель­ного напряжения (для е и tg5) при 20 °С е = 2,2—2,3; tgS =10~⁴, р = Ю¹⁰— 10¹³ Ом м, Е_пр = 10—28 кВ/мм. Из указанных характери­стик гостируемыми (см. табл. 7.1) являются tgS (при 90 °С) и [/_Пр(при 20 °С и h = 2,5 мм). С ростом температуры до 90 °С lg tg5 и lgy линей­но возрастают. У чистого сухого масла Е_пр при нагревании от —60 до 80 °С практически не изменяется, а выше 80 °С снижается в резуль­тате образования пузырьков газа из легких фракций масла и, как следствие этого, увеличения неоднородности электрического поля (см. рис. 5.18).

Вода, растворенная в масле, увеличивает электропроводность и tg5, но мало влияет на электрическую прочность. Вода, выделенная в виде мелкодисперсных капель (эмульсии), вызывает резкое увеличе­ние неоднородности поля, что приводит к снижению Е_пр. Образова­ние и накопление в масле вследствие его старения растворенных и нерастворенных продуктов термоокислительной деструкции и струк­турирования приводит к снижению £_пр и р и увеличению tg8. Раство­ренными продуктами будут образующиеся органические кислоты, а нерастворенными — вода, коллоидные частицы, шлам и др.

Физико-химические свойства нефтяного трансформаторного мас­ла в значительной мере определяются химическим составом и строе­нием образующих его углеводородов. Плотность изменяется в преде­лах от 850 до 900 кг/м³, а температурный коэффициент плотности составляет в среднем 0,00065 К"¹. Чем больше в масле ароматических углеводородов, тем выше его плотность.

Удельная теплопроводность X, Вт/(м-К), и удельная теплоем­кость с, Дж/(кг-К) масла существенно влияют на процесс отвода тепла, выделяющегося вследствие потерь в обмотках и сердечнике трансформатора; они зависят от температуры и с ее ростом увели­чиваются. При нормальной температуре масла X ~ 1 Вт/(м-К), а с - 1,5 ДжДкг-К)

Важной эксплуатационной характеристикой масел является вяз­кость. Для жидкостей вязкость при данных температуре и давлении является постоянной величиной, поэтому ее значение стандартизи­руется. С повышением температуры вязкость уменьшается, а при низких температурах сильно возрастает. Различают три вида вязко­сти: динамическую, кинематическую и условную. В технике обычно используют кинематическую вязкость.

Кинематическая вязкость — отношение динамической вязкости к плотности жидкости при той же температуре. За единицу кинемати­ческой вязкости принят стокс (1 Ст = Ю^-4 м²/с). Сотая часть стокса (сантистокс) — это кинематическая вязкость воды при 20 °С, 1 сан- тистокс (сСт)=10~⁶ м²/с = 1 мм²/с.

Кинематическая вязкость трансформаторного масла составляет 17-18,5 мм²/с при 20 °С и 6,5-6,7 мм²/с при 50 °С.

Содержание воды (влаги) в трансформаторном масле ухудшает его эксплуатационные свойства. Масло способно поглощать воду при 20 °С ~0,1 %, а при 60 °С -0,2 %. При дальнейшем добавлении вода осаждается на дно сосуда. При содержании 0,05 % нерастворен­ной воды электрическая прочность масла снижается более чем на 20 %, но особенно сильно снижается при поглощении воды, когда масло загрязнено органическими волокнами. Например, введение 1,1 мг волокна и 2 мл воды в 10 л масла снижает его Е_пр на 15 %. Масло может увлажняться как при транспортировке и хранении, так и в процессе эксплуатации вследствие химических процессов старе­ния и возможного соприкосновения его с воздухом, всегда содержа­щим влагу. Опасные последствия возможны при электролизе воды, находящейся в масле. Ионизация образующихся при электролизе пу­зырьков водорода и кислорода служит причиной пробоя масла.

Один из важнейших показателей, указывающих на развитие про­цессов окисления в трансформаторном масле, — кислотное число (к.ч.). Величина к.ч. непрерывно возрастает вследствие накопления в масле кислых продуктов, образующихся под воздействием молеку­лярного кислорода, т. е. в результате термоокислительной деструк­ции. Резкое повышение содержания кислых продуктов в масле ука­зывает на необходимость его замены или регенерации. Кислотное число масла перед заливкой в трансформатор не должно превышать 0,02 мг КОН/1 г масла для электрооборудования с U_pa6 до 500 кВ и 0,01 мг КОН/1 г — свыше 500 кВ с ингибирующей присадкой. Пре­дельно допустимое значение к.ч. масла составляет 0,25 мг КОН/1 г. При достижении к.ч. этого значения трансформаторные масла заме­няют (или регенерируют).

Нефтяные масла представляют собой горючую жидкость. Сте­пень их огнеопасности, зависящая от содержания в масле легко ис­паряющихся горючих веществ, оценивается температурой вспышки, которая у трансформаторного масла должна находиться в пределах 135-150 °С, но не ниже 135 °С.

Температура застывания масла — очень важная характеристика для масел, используемых в масляных выключателях и контактных устройствах для регулирования напряжения под нагрузкой, эксплуа­тируемых на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. С понижением температуры вязкость масла существенно возрастает, в связи с чем надежность работы электроаппарата резко снижается.

В соответствии с требованиями МЭК все отечественные транс­форматорные масла имеют температуру застывания не выше —45 °С. Масла марок ТАп, Т-750, АГК и MB имеют более низкую температу­ру застывания (ниже —50; —55; -60; —70 °С соответственно). Масла для холодного климата с низкой температурой застывания и хоро­шими показателями текучести получают из нафтеновых или мало- парафинистых нефтей. Однако в связи с нехваткой последних ис­пользуют масла из парафинистых нефтей, в которые для понижения температуры застывания вводят депрессаторы, например парафлоу (ароматический полимер).

Старение нефтяного трансформаторного масла

При эксплуатации маслоналивного электрооборудования под воздейст­вием кислорода воздуха (или другого окислителя) в масле протекают глубо­кие необратимые химические процессы, приводящие к ухудшению всего комплекса его эксплуатационно-технических характеристик. Эти процессы, которым в первую очередь подвержены непределенные углеводороды, суще­ственно ускоряются под действием теплового и электрического полей. Хи­мические процессы старения вызывают, с одной стороны, деструкцию моле­кул масла и образование низкомолекулярных ионогенных продуктов (перекисей, органических кислот, воды и др.), увеличивающих ионную проводимость масла, с другой — процессы структурирования («осмоления») окисленных молекул с образованием коллоидных частиц и более высокомо­лекулярных продуктов — шлама. Коллоидные частицы обусловливают элек- трофоретическую проводимость и совместно с ионогенной примесью сни­жают р масла и увеличивают диэлектрические потери. Коллоидные частицы, имея более низкую подвижность в сравнении с ионами, образуют объемные заряды и увеличивают тем самым неоднородность электрического поля; в результате Е_пр масла снижается. Шлам и другие нерастворенные в масле продукты старения, а также частицы примесей, внесенные в него извне (на­пример, эмульгированная вода, частицы волокон, металла), образуют мелко­дисперсную фазу, которая увеличивает неоднородность электрического поля в масле и существенно снижает его Е_пр и р, а также увеличивает tg5. Особен­но опасными являются примеси, размер частиц которых составляет от 2 до 10 мкм. В технически чистом масле в 1 см³ может содержаться до несколь­ких десятков и сотен тысяч микрочастиц размером до 100 мкм.

Электрическое поле ускоряет процессы старения — образуется больше воды, происходит коагуляция осадка и его сосредоточение в зоне макси­мальной напряженности поля. Некоторые сорта масел под действием элек­трического поля выделяют газы, что очень вредно и опасно. Пузырьки газа могут стать очагами ионизации (частичных электрических разрядов), что, в свою очередь, деструктирует масло, вызывая ионизационные потери и сни­жая электрическую прочность. Способность масла не выделять газы при ста­рении в электрическом поле называют газостойкостью. Ароматические угле­водороды химически связывают водород в момент его выделения из углеводородных молекул. В этой связи присутствие ароматических углеводо­родов в электроизоляционных маслах полезно, однако большое их содержа­ние вызывает увеличение гигроскопичности и, как следствие, tg5. Поэтому количество ароматических углеводородов должно быть оптимальным.

Окислительные процессы старения существенно возрастают с повыше­нием температуры; увеличение температуры на каждые 10°С ускоряет про­цессы старения в среднем в 2—4,5 раза. С повышением температуры снижа­ется и пожаробезопасность. Поэтому наивысшую рабочую температуру масла считают 95°С. Активными катализаторами окислительных процессов старения масел являются медь и ее сплавы, а также соли органических ки­слот и металлов переменной валентности (Си, Fe, Со и др.), растворенные в масле.

Образующиеся при старении перекиси, органические кислоты, вода, шлам ускоряют старение масла и ухудшают также свойства твердых изоля­ционных материалов, в первую очередь содержащих целлюлозу, и вызывают коррозию металлических деталей, соприкасающихся с маслом. Шлам, кроме того, осаждаясь на обмотках и стенках бака тронсформатора в виде плотного слоя, так называемого «ила», ухудшает теплоотвод.

Устойчивость масла к старению, стабильность его эксплуатационных ха­рактеристик зависят от месторождения нефти, из которого получено масло, способа и глубины его очистки. Чем меньше непредельных углеводородов и выше степень очистки масла, тем оно более стойко к термоокислительным процессам. Для повышения стойкости масла к старению в технике широко применяют ингибирующие присадки (антиокислители) в концентрации от 0,1 до 0,5 мас.%. Во всех отечественных нефтяных электроизоляционных маслах в качестве антиокислителя используют ионол, содержание которого зависит от марки масла, но должно быть не менее 0,2 мас.%. Старение масла в присутствии ионола протекает в 2—3 раза медленнее, чем без него. Инги­битор, осуществляя химическую защиту масла от старения, сам расходуется (разрушается) и, достигнув определенной концентрации (ниже 0,1 мас.%.), перестает защищать масло. С этого момента начинаются интенсивные про­цессы его старения. Эксплуатация масла с содержанием ионола менее 0,1 мас.% недопустима. Поэтому в процессе эксплуатации осуществляют контроль (при проведении полного анализа) за содержанием ионола, и при снижении его концентрации до 0,1 мас.% в масло вводят ионол в количестве 0,2—0,3 мас.%. Перед введением ионола масло необходимо регенериро­вать — снизить кислотное число до требуемого уровня и удалить образовав­шиеся шлам и воду.

Старение ухудшает рабочие параметры масла: tg5, U_np, кислотное число, вязкость, температуры вспышки и застывания и др., повышается влажность масла, и оно темнеет. Поэтому при получении масла, его хранении и перед заливкой в электрооборудование, а также в процессе эксплуатации следует производить систематический контроль в соответствии с РД 34.43.105—89 («Методические указания по эксплуатации трансформаторных масел»).

Нефтяное конденсаторное масло

Конденсаторное масло получают из трансформаторного путем его более глубокой очистки адсорбентами и обезгаживания в вакуу­ме. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного масла: е = 2,1—2,3 и tg8 не более 2-Ю^-3 при 20 °С и частоте 1 кГц (обычно tg5 = 2 10"⁴); р не менее Ю¹²Ом м при 20 °С и 10¹¹ Ом м при 100 °С, Е_пр не ниже 20 кВ/мм, температура застывания -45 °С.

Конденсаторное масло используют для пропитки бумажных кон­денсаторов, в особенности силовых. При пропитке в результате за­полнения пор бумаги маслом увеличиваются диэлектрическая про­ницаемость и электрическая прочность бумаги, а следовательно, возрастают емкость конденсатора и его рабочее напряжение или же при тех же параметрах емкости и рабочего напряжения снижаются габариты, масса и стоимость конденсатора.

Для пропитки бумажных конденсаторов используют также вазе­линовое масло, которое по электрическим свойствам близко к неф­тяному конденсаторному маслу, но имеет более высокую температу­ру застывания —5 °С.

Нефтяное кабельное масло

Кабельное масло применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлических обо­лочек маслонаполненных кабелей на напряжения до 110 кВ и выше. В первом случае для пропитки бумажной изоляции используют мас­ло с кинематической вязкостью не более 37 мм²/с (при 20 °С) и не более 9,6 мм²/с (при 50 °С). Для повышения вязкости до указанных значений в масло добавляют канифоль или синтетический загусти­тель.

Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа) на напряжение от 110 до 500 кВ используют особо тщательно очи­щенное нефтяное масло, имеющее значение tg5 при 50 Гц и 100 °С, равное не более 0,003, Е_пр при 50 Гц и 20 °С не менее 20 кВ/мм, ки­нематическую вязкость при 20 °С не более 800 мм²/с и при 50 °С не более 50 мм²/с; температура застывания должна быть не выше -30 °С, а температура вспышки не ниже +200 °С.

7.1.2. Синтетические жидкие диэлектрики

Нефтяные электроизоляционные масла являются наиболее дос­тупными и недорогими жидкими диэлектриками, обладающими при хорошей очистке достаточно высокими электроизоляционными ха­рактеристиками — малой величиной tg5 и высокой Е_пр. Недостатки нефтяных масел: пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость к тепловому и электрическому старению, гигроскопичность (достаточ­но высокая у окисленных масел). Для пропитки бумажных конденса­торов желательно иметь жидкий диэлектрик с более высоким значе­нием е.

Некоторые свойства рассматриваемых ниже жидких синтетиче­ских диэлектриков лучше, чем у нефтяных масел. Наиболее широко распространенными из них являются полихлордифенил, кремнийор- ганические и фторорганические жидкости.

Полихлордифенил (совол) — хлорированный продукт дифенила С₁₂Н₁₀, по своему составу близок к пентахлордифенилу С₁₂Н₅С1₅. Представляет собой густую бесцветную жидкость, токсичную, дейст­вующую раздражающе на кожу и слизистую оболочку. Его вязкость при 40 °С в четыре раза выше, чем у нефтяного трансформаторного масла, Г_заст = 5 °С. Это полярный диэлектрик. Его электрические свойства: при 20 °С и 1 кГц: е - 5 и tg5 - (5-10)-10"³; р ~ 10¹¹ Ом м; E_np ~ 15 кВ/мм, к.ч. = 0,015 — 0,020 мг КОН/1г образца. Может при­меняться для пропитки бумажных силовых конденсаторов. Замена нефтяного масла при пропитке бумажных конденсаторов полихлор­дифенил ом позволяет повысить их емкость на 50 %.

Полихлордифенил негорюч, пожаробезопасен, стоек к окисле­нию. Его недостатки: под действием постоянного напряжения разла­гается с выделением хлористого водорода, ухудшающего его элек­трические свойства, а также разрушающего металлические электро­ды. Полихлордифенил в 4—10 раз дороже нефтяных масел.

Совтол — раствор полихлордифенила (совола) в трихлорбензоле С₆Н₃С1₃. Имеет меньшую, чем совол, вязкость и температуру засты­вания (Т_заст= -30 °С), токсичен. Совол и совтол действуют разру­шающе на резину, краски и некоторые другие материалы. Из-за токсичности в раде стран (Япония) они запрещены законом к ис­пользованию в электротехнике.

Кремнийорганические жидкости — вещества, молекулы которых со­стоят из чередующихся атомов кремния Si и кислорода О (структур­ную формулу см. выше) и имеют линейное строение. Кремнийкисло- родная связь называется силоксановой и имеет высокую термическую и химическую стойкость (энергия связи равна 374 кДж/моль), поэтому кремнийорганические соединения устойчивы при высоких температу­рах (вплоть до 250 °С).

Кремнийорганические жидкости бесцветны, растворимы в орга­нических растворителях (например, бензоле), нерастворимы в воде и спиртах. Нетоксичны, не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью и морозостойкостью (—70 °С). Их можно отнести к неполярным диэлектрикам. При 20 °С и 100 Гц е =2,4-2,8, tgS =(1-3)10"⁴, р = 10¹¹ — 10¹² Омм, Е_пр = 14-18 кВ/мм. Используют для пропитки конденсаторов, работающих при повышенных температурах.

Недостатки: сравнительно легко загораются (горят сильно коптя­щим пламенем), значительно (в несколько десятков и даже сотен раз) дороже нефтяных масел.

Фторорганические жидкости — вещества, молекулы которых со­стоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь об­разуют атомы углерода. В зависимости от величины молекул эти со­единения могут быть газообразными (например, CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈, C₄F₁₀), жидкими (например, C₅F₈, C₈F₁₆, C₁₄F₂4) или твердыми (например, полимер ПТФЭ (—CF₂—CF₂—)_п (см. гл. 7.2.1). Эти со­единения пожаробезопасны (полностью негорючи), абсолютно не­гигроскопичны и имеют высокую нагревостойкость (до 300°С).

Фторорганические жидкости — неполярный диэлектрик: при 20 °С и 100 Гц е «2,2 — 2,5; tg5 - (1 — 2)10⁴; р = 10¹²-10¹⁴ Ом м, Е_пр = 12—19 кВ/мм. Они обеспечивают более интенсивный отвод те­пла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и кремнийорганические соединения. Кроме того, их пары над жидкостью, в особенности при повышенном дав­лении, значительно увеличивают электрическую прочность газовой среды в аппарате и повышают U_p.

Недостатки: токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, взаимодействие с резинами, окисью железа (окалиной, ржавчиной), медью, что приводит к их загрязнению, а также высо­кая стоимость (более чем в 1000 раз дороже нефтяных масел).

7.1.3. Растительные масла

К растительным маслам относятся касторовое масло и «высы­хающие» масла — тунговое, льняное и конопляное. Молекула масел представляет собой триглицерид жирных кислот — химическое со­единение глицерина и трех жирных кислот. Жирные кислоты имеют цепочку, состоящую преимущественно из 18 углеродных атомов. Растительные масла — слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую нагревостойкость (до 240 °С), используется главным образом как пластификатор и для пропитки бумажных кон­денсаторов.

Высыхающие масла применяют в качестве пленкообразующих в лаках (в том числе электроизоляционных), эмалях и красках. Так как каждая жирная кислота триглицерида этих масел содержит несколь­ко двойных связей, они легко полимеризуются, образуя плотные влаго- и коррозионностойкие пленки. В полимеризации участвуют жирные кислоты, имеющие две и особенно три двойные связи. Та­ких кислот в высыхающих маслах содержится до 85—90 %. В качест­ве катализатора полимеризации («высыхания») используют сиккати­вы, например, оксид свинца РЬО. Высыхание этих масел, как видно из сказанного, является процессом, связанным не с испарением жидкой фазы (растворителя), а с химическим процессом, в основе которого лежит окислительная полимеризация.

7.2.ТЕРМОПЛАСТЫ

Термопласты, или термопластичные полимеры, представляют группу диэлектриков, обладающих хорошими электрическими свой­ствами (табл. 7.2), поэтому их широко используют в электро- и ра­диотехнике. Макромолекулы их имеют строение линейное или раз­ветвленное. В большинстве случаев термопласты — это аморфные или кристаллизующиеся полимеры, нерастворимые в воде, зато, как правило, растворимые в близких по природе органических раствори­телях; они мало гигроскопичны, стойки к химически агрессивным средам (кислотам и щелочам). Ряд из них имеет достаточно низкую температуру стеклования, поэтому при комнатной температуре они обладают гибкостью и эластичностью. При температурах выше тем­пературы текучести термопласты переходят в вязкотекучее состояние и под действием внешнего давления принимают заданную форму, которую сохраняют после охлаждения. В этом состоянии из них из­готавливают изделия. Повторный нагрев снова приводит термопла­сты в пластическое состояние.

Все термопласты, за редким исключением (например, политет­рафторэтилен и полиимиды), горючи, а изделия из них пожароопас­ны. Для снижения горючести и повышения тем самым пожаробезо- пасности электро- и радиоаппаратуры в полимеры в ряде случаев вводят антипирирующие добавки.

Антипиреи — это вещество, которое при температуре горения раз­лагается с выделением большого количества негорючих газообраз­ных продуктов, снижающих концентрацию кислорода в зоне горе­ния до величины гашения пламени.

В большинстве случаев термопласты используют в производстве изделий без наполнителей, поэтому их часто называют смолами, ко­торые могут быть природными и синтетическими. Все смолы, рас­сматриваемые в гл. 7.2, — синтетические. В электроизоляционной технике термопласты применяют как самостоятельно, например изо­ляция проводов и кабелей, каркасы катушек индуктивности, пленки для производства конденсаторов, волокнистые материалы, так и в виде составной части клеев, лаков, компаундов, пластмасс. Исполь­зуют их и как конструкционные материалы. Все термопласты по сво­ему поведению в электрическом поле подразделяются на две боль­шие группы: термопласты неполярные и полярные. Для снижения температуры стеклования Г_с, увеличения термо- или светостойкости или улучшения какого-либо другого свойства в термопласты вводят небольшие количества соответствующих добавок (стабилизаторов, пластификаторов и т. п.), в некоторых случаях — красители.

Дата добавления: 2015-08-09