Колесов. Рис. 6.1. Абсолютная влажность воздуха т при нормальном атмосферном давлении и

з

т, г/м'

15 25 35 45 Г, °С

Рис. 6.1. Абсолютная влажность воздуха т при нормальном атмосферном давлении и различных значениях относительной влаж­ности \|/_в в функции температуры Т

В атмосферном воздухе всегда присутствует то или иное количе­ство водяных паров, содержание которых можно оценить по абсо­лютной влажности — по массе т водяных паров, находящихся в единице объема воздуха, или по относительной влажности \|/_в, изме­ряемой в процентах:

у_в = (т/О 100 %,

где т — абсолютная влажность воздуха, г/м³; т_н — абсолютная влаж­ность воздуха при насыщении (при тех же значениях температуры и давления, что и т), г/м³.

(6.4)

На практике содержание водяных паров в воздухе, т. е. влажность воздуха, обычно оценивают относительной влажностью \|/_в, так как экс­периментально определить ее проще, чем абсолютную влажность т. Относительную влажность воздуха \|/_в измеряют с помощью специаль­ных приборов: гигрометров, психрометров и т. п. Абсолютная и отно­сительная влажности зависят от температуры: с увеличением темпера­туры возрастают (рис. 6.1). Следовательно, одному и тому же значению относительной влажности воздуха \|/_в, измеренному при различной тем­пературе, будут соответствовать разные значения абсолютной влажно­сти т, т. е. различное содержание водяных паров в единице объема воз­духа. Зная относительную влажность воздуха \|/_в, с помощью формулы (6.4) и табл. 6.1 можно определить соответствующую ей абсолютную влажность т (при тех же значениях температуры и давления). Напри­мер, если относительная влажность воздуха \|/_в = 70 %, то абсолютная влажность при 10 °С будет равна т = (9,4 • 70)/100 = = 6,58 г/м³, при 20 °С т = (17,3 • 70)/100 = 12,11 г/м³, при 30 °С т = 20,23 г/м³. Это по­ложение необходимо учитывать на практике.

Таблица 6.1 Абсолютная влажность воздуха при насыщениит_а для различных значений температуры Т

J, °с	тн, г/м^3	Г,° С	1ЯН, г/м^3
-10	2,15		89,5
	4,86		131,3
	9,4		200,0
	17,3		295,0
	28,9		425,0
	50,6

Если в воздух с относительной влажностью \|/_в поместить два об­разца одного и того же материала, один из которых сухой, а другой влажный, то первый образец начнет увлажняться, а второй подсы­хать. Влажность обоих образцов в течение времени т будет асимпто­тически приближаться к некоторой равновесной влажности \|/_р, соот­ветствующей данной \|/_в (рис. 6.2). Эта равновесная влажность \|/_р, до которой материал стремится увлажниться или подсохнуть, при дан­ной влажности воздуха \|/_в и температуре у разных материалов раз­лична. У полярных материалов при одной и той же относительной влажности воздуха, например, \|/_в = 80 % и одной и той же пористо­сти равновесная влажность \|/_р в несколько раз больше, чем у непо­лярных. Материалы анизотропного строения впитывают влагу в раз­ных направлениях с различной скоростью. На степень увлажнения существенно влияют наличие и размер капиллярных пор. У сильно­пористых материалов, особенно волокнистых, \|/_р выше, чем у мате­риалов плотного, сплошного строения. С увеличением температуры \|/_р снижается.

Если поглощенная влага внутри материала образует сквозные нити или пленки, то даже небольшое ее количество приводит к рез­кому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределена в виде отдельных, не соединенных между собой вклю­чений, то наличие влаги менее существенно влияет на электрические свойства.

Под гигроскопичностью материала (в узком смысле этого слова) понимают равновесную влажность \|/_р при 20 °С в воздухе с \|/_в ~ 100 %. Если относительная влажность воздуха \|/_в = 65 % (Т= 20 °С), то это кондиционная влажность материала.

Если материал непосредственно соприкасается с водой, то в этом случае он характеризуется водопоглощаемостью.

Большое практическое значение для оценки качества защитных покрытий (лаковые покрытия изоляции электромашин, шланговая изоляция кабелей, компаундные заливки и т. п.) имеет влагопрони- цаемость материалов.

6*

Влагопроницаемость характеризует способность материала про­пускать через себя влагу. Благодаря наличию мельчайшей порис-

К вакуум­ному насосу

---J Вода Влагопоглотитель

Рис. 6.2. Изменение во времени т влаж- Рис. 6.3. Схема установки для определе-

ности \|/ образцов материала влажного (/) ^ния влагопроницаемости материала и сухого (2) при неизменяющихся значе­ниях \|/_в и Т окружающего воздуха

тости большинство материалов влагопроницаемы. Только стекла, обожженная глазурированная керамика и металлы влагонепрони­цаемы.

Коэффициент влагопроницаемости П материала находится из основного уравнения влагопроницаемости

М = П(Р_Х - PJSx/h, (6.5)

где U — количество влаги, кг, проходящее за время т, с, сквозь уча­сток поверхности образца материала площадью 5, м², и толщиной h, м, под действием разности давлений Р_х и Р₂, Па, с двух сторон слоя. Величина М является разностью весов сосуда с влагопоглотителем до испытания и через время т (рис. 6.3). В единицах СИ Я измеряется в секундах.

Уравнение (6.5) формально аналогично закону Ома, при этом разность давлений Р_х — Р₂ подобна разности потенциалов, отноше­ние М/т — силе тока, h/(IlS) — электрическому сопротивлению тела; коэффициент П аналогичен удельной объемной проводимости.

У различных материалов величина П изменяется в очень широ­ких пределах:

Наименование материала Коэффициент влагопроницаемости /7, с

Парафин............................................................................ 1,5-10"¹⁶

Полистирол....................................................................... 6,2-10"¹⁵

Триацетат целлюлозы....................................................... 2,1-Ю'¹³

6.3. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

V_P

у,

В процессе эксплуатации диэлектрические материалы подверга­ются кратковременному или длительному воздействию высокой или низкой температуры. Нередко происходит резкая смена температуры (термоудары). При охлаждении электрические свойства материалов
улучшаются. Механические свойства ниже некоторого значения тем­пературы, называемой температурой хрупкости Т_хр, ухудшаются; на­ступает хрупкое разрушение.

У полимеров Т_хр всегда ниже, чем Т_с. Разность Т_с — Т_хр определя­ет температурный интервал вынужденной эластичности. Чем больше разность Т_с — Т_хр, тем шире температурный интервал эксплуатации полимера. Этот температурный интервал зависит от величины сег­мента молекулярной цепи: если сегмент небольшой (гибкоцепной полимер), то Т_хр близка к Т_с. Обычно гибкоцепные полимеры имеют более низкие значения Г_с, чем жесткоцепные (полимеры с большой величиной сегмента; см. гл. 1.7.1). С увеличением сегмента Т_хр поли­мера становится существенно ниже Г_с, в результате температурный интервал вынужденной эластичности возрастает. Если от Т_с зависит верхний предел рабочего температурного интервала полимера, экс­плуатируемого в стеклообразном состоянии, то Т_хр во многих случаях определяет его нижний предел. В стеклообразном состоянии поли­меры наиболее выгодно эксплуатировать в температурном интервале от Т_с до Т_хр: чем больше этот температурный интервал, тем выше це­нится полимер (табл. 6.2).

Таблица 6.2 Значения температуры стеклования Т_с, хрупкости Т_хр и температурного интервала вынужденной эластичности(т_с — Т_хр) некоторых полимеров

Полимер	Гс,° С	Т °с хр' ^	гс - vc
Полистирол	80-90	-40
Полиметилметакрилат
Поливинилхлорид		-90
Резина ненаполненная на основе:
натурального каучука HK	-62	-80
синтетического каучука бутадиенового CKC	-39	-112
синтетического каучука бутадиенстирольного
скс-зо	-49	-135

К важнейшим тепловым свойствам диэлектрических материалов относят нагревостойкость, холодостойскость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкостью материала называют его способность без не­допустимого ухудшения эксплуатационно-технических характери­стик выдерживать кратковременное и длительное воздействие высо­ких температур, а также термоудары. Нагревостойкость материала можно оценить также с помощью таких его свойств, как стойкость к тепловому старению, искро- и дугостойкость, а у жидких диэлектри­ков — температура вспышки и температура воспламенения. Таким образом, нагревостойкость — это максимально допустимая темпера­тура, при которой может работать диэлектрик без ухудшения своих эксплуатационно-технических характеристик в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, и является его на- гревостойкостью.

Возможность повышения рабочей температуры диэлектрика имеет важное практическое значение. Увеличивая нагревостойкость изоляции электрических машин и аппаратов, можно повышать их мощность или же снижать габариты и массу. Однако при достаточно высокой температуре многие органические диэлектрики размягчают­ся, расплавляются. Поэтому их нагревостойкость определяется тем­пературой появления необратимой деформации (т. е. размягчения или плавления). У неорганических диэлектриков при нагревании обычно наблюдается резкое ухудшение электрических свойств. По­этому нагревостойкость неорганических диэлектриков определяется, как правило, по температуре начала резкого роста tg5 или у.

Известным методом оценки нагревостойкости твердых органиче­ских диэлектриков по температуре начала их размягчения является «теплостойкость по Мартенсу». В соответствии с этим методом нагревостойкость характеризуется температурой, при которой изги­бающее напряжение в 5 МПа вызывает заметную необратимую де­формацию. Скорость нагревания ~1 К/мин. Нагревостойкость поли­стирола, определенная этим методом, равна примерно 80—90 °С, а гетинакса 150—180 °С.

Температурой вспышки называют температур^ жидкости, при ко­торой смесь ее образующихся паров с воздухом вспыхивает при под­несении к ней открытого пламени. Температура воспламенения — это еще более высокая температура, при которой загорается вся жид­кость при поднесении открытого пламени.

Ухудшение свойств материала при длительном воздействии по­вышенной температуры за счет медленно протекающих химических процессов термоокислительной деструкции (разрушения) или струк­турирования («сшивания» молекул) называется тепловым старением изоляции.

В результате теплового старения у лаковых пленок, резины по­вышаются твердость, хрупкость, образуются трещины или, наоборот, они размягчаются, появляется липкость. Тепловое старение ускоря­ется под действием озона, окислов азота, ультрафиолетовых лучей, электрических разрядов, увеличения давления воздуха и т. п.

Для оценки стойкости электрической изоляции электротехниче­ских изделий к воздействию температуры Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации принят новый межгосударственный стандарт (ГОСТ 8865—93), которым вве­дены классы нагревостойкости. Для каждого класса определена мак­симальная рабочая температура, до которой (включительно) можно эксплуатировать электротехнические изделия длительно (в течение ряда лет) в нормальных эксплуатационных условиях.

Класс нагревостойкости............... У А Е В F Н 200 220 250

Максимальная рабочая

температура, °С............................. 90 105 120 130 155 180 200 220 250

При указанных температурах наилучшим образом обеспечивают­ся технико-экономические показатели работы электрооборудования. В особых случаях (электрооборудование с коротким сроком службы) возможно некоторое повышение рабочей температуры материала по сравнению с приведенной выше.

Использование буквенных обозначений класса нагревостойкости необязательно. Повышение температуры выше 250 °С производится на интервал в 25 °С с присвоением соответствующего класса.

К классу Y (максимальная рабочая температура 90 °С) относятся материалы на основе целлюлозы и шелка — бумага, картон, пряжа, ткани, лента и т. п.

К классу А (Г_{макс раб} = 105 °С) принадлежат те же материалы, что и к классу У, только пропитанные лаками или погруженные в масло (для защиты от кислорода воздуха), а также эфиры целлюлозы, по­лиамидные смолы (пленки), древеснослоистые пластики и т. п.

К классу Е (Г_{макс раб} =120 °С) относятся пластмассы с органиче­ским наполнителем и термореактивным связующим, типа феноло- формальдегидной смолы (гетинакс, текстолит), а также эпоксидные смолы без наполнителя.

Таким образом, к классам У, А, Е относятся в основном чисто органические диэлектрики.

К классу В (Г_{макс раб} =130 °С) принадлежат щепаная слюда, ас­бест, стекловолокно в сочетании с органическими связующими.

К классу Е(Т_{макс раб} =155 °С) относятся те же материалы, что и к классу В, но в качестве связующего использованы органические ве­щества повышенной нагревостойкости: кремнийорганические, эпок­сидные и термореактивные смолы.

К классу Н (Г_{макс раб} = 180 °С) принадлежат материалы, у которых в качестве связующего использована кремнийорганическая смола особо высокой нагревостойкости.

К классам 200, 220 и 250 относятся неорганические диэлектрики, например слюда, кварц, асбест, бесщелочные стекла, оксид алюми­ния, для склеивания или пропитки которых не используют органи­ческие вещества. Из органических материалов к этому классу отно­сятся политетрафторэтилен и полиимиды.

Холодостойкость — способность материала работать без ухудше­ния эксплуатационно-технических характеристик при низких темпе­ратурах, например от минус 60 °С и ниже. Как указывалось выше, при низких температурах электрические свойства улучшаются, но ухудшаются механопрочностные характеристики. При низких темпе­ратурах жидкие диэлектрики загустевают, твердые становятся хруп­кими, что вызывает затруднения при эксплуатации.

Теплопроводность материалов имеет важное практическое значе­ние. Мощность потерь, выделяющаяся в виде тепла в проводниках и магнитопроводах электрических машин, трансформаторов и других аппаратов, должна, по сути, переходить в окружающую среду через слой изоляции. Поэтому температура нагрева проводников и магни- топроводов будет зависеть от теплопроводности электроизоляцион­ного материала. С увеличением же температуры изоляции значения ее у и tg5 возрастают, а Е_пр снижается. Теплопроводность материалов количественно характеризуют удельной теплопроводностью X, Вт/(м К), указывающей, какое количество тепла прошло через еди­ницу площади за единицу времени при градиенте температуры в 1 К/м. Удельная теплопроводность X некоторых материалов:

Воздух (в малых зазорах)..	0,05	Графит.....................	.... 18
Битум..................................	0,07	А12о3........................	.... 25-30
Бумага................................	0,10	MgO.........................	.... 36
Лакоткань.............................	0,13	Железо.....................	.... 68
Гетинакс.............................	0,35	ВеО..........................	.... 218
Фарфор...............................	1,6	Алюминий................
Стеатит...............................	2,2	Медь........................

Значения X для большинства электроизоляционных материалов значительно меньше, чем для металлов. Объясняется это тем, что те­плопроводность в чистых металлах электронная (см. гл. 12.3.3), а в диэлектриках фононная. Фонон — это квант (порция) энергии тепло­вых колебаний решетки. Исключение составляют керамические ок­сиды металлов (А1₂0₃, MgO, ВеО), которые имеют X того же порядка, что и металлические проводники. С увеличением пористости мате­риала X уменьшается, при пропитке X увеличивается.

Тепловое расширение диэлектрических материалов оценивают температурным коэффициентом линейного расширения TKJIP, К^-1, ко­торый характеризует относительное удлинение образца при нагрева­нии на 1 К:

ТКЛР = a_t= (\/l)(dl/dT), (6.6)

где / — длина испытуемого бруска, м.

Обычно материалы с малым значением TKJIP имеют наиболее высокую нагревостойкость и наоборот. TKJIP некоторых материалов a_r 10⁶, К^-1, приведен ниже:

Неорганические материалы Органические материалы

Кварцевое стекло................ 0,55 Эпоксидные смолы.... 55

Фарфор..................................... 3,5 Пластмассы............................... 55—70

Стеатит...................................... 7 Политетрафторэтилен... 100

Силикатные стекла.... 9,2 Полиэтилен........................... 100—145

ТКЛР — важный параметр для узлов, работающих в режиме изменяющейся температуры, в которых контактируют или соедине­ны различные материалы, например электрические вводы в электро­лампах, полупроводниковых приборах, конденсаторах, трансформа­торах и т. п.

6.4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Важной характеристикой диэлектрических материалов является их химическая, радиационная и световая стойкость, а для материа­лов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и темпера­туры, еще и стойкость к плесени — тропикостойкостъ. При работе твердых диэлектриков в соприкосновении с жидкостями необходимо знать их взаимную растворимость и растворяемость.

При эксплуатации электроизоляционных материалов в местно­сти, загазованной химически агрессивными веществами, необходи­мо, чтобы эти материалы длительно и надежно работали не разряжа­ясь, т. е. обладали достаточной химической стойкостью. Важно также, чтобы диэлектрики не вызывали коррозию металлов, с кото­рыми они соприкасаются. Например, трансформаторное масло с по­вышенным кислотным числом может вызывать коррозию металли­ческих частей трансформатора.

Кислотное число указывает концентрацию свободных кислот в масле; оно определяется количеством миллиграммов едкого калия КОН, которое необходимо для нейтрализации всех свободных ки­слот в одном грамме образца (мгКОН/1г).

Радиационная стойкость — это способность материалов работать, не ухудшая своих основных свойств в условиях интенсивного иони­зирующего излучения (нейтронного и гамма-излучения) или после его воздействия. Обычно предельно допустимой дозой нейтронного и гамма-излучения считают такую, получив которую диэлектриче­ский материал снижает хотя бы одну из своих основных электриче­ских или механических характеристик на 25 % и более. Часто радиа­ционную стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, попадающих на единицу площади материала (например, нейтрон/м²) и вызывающих заметное ухудшение его основных характеристик. Многие диэлектрики имеют высокую радиационную стойкость, вы­держивая плотность облучения до 10²² нейтрон/м², в то время как полупроводники заметно повреждаются при плотности в 10¹⁸ ней­трон/м². Из диэлектриков наибольшая радиационная стойкость от­мечается у неорганических материалов: кварца, слюды и т.п., наи­меньшая — у органических полимеров.

Светостойкость — это стойкость электроизоляционных материа­лов к действию ультрафиолетовых лучей. Под действием светового облучения некоторые материалы (например, резины) утрачивают эластичность, необходимую механическую прочность, в них появля­ются трещины, лаковые покрытия отстают от подложек.

Тропикостойкостъ характеризует работоспособность диэлектриче­ских материалов в районах с тропическим климатом (\|/_в ~ 100 Г~ 30—40°С). При длительной работе электроустановок во влажном воздухе (\|/_в = 98—100 %) электрические характеристики многих орга­нических материалов существенно ухудшаются. Удельное объемное сопротивление р органической изоляции после нескольких суток пребывания в воде или в воздухе с \|/_в =100 % снижается на порядок и более, tg5 возрастает в несколько раз, а Е_пр снижается в 1,5—2 раза и более (рис. 6.4—6.6). Ухудшаются электрические свойства и у пла­стмасс с неорганическим наполнителем, но с органическим связую­щим — через несколько суток пребывания в воздухе с \|/_в = 95—98 % (рис. 6.7). Из рис. 6.4 и 6.6 также видно, что ухудшение электриче-

Рис. 6.4. Зависимость р (а) и tg8 при /=50 Гц (б) поликарбонатной пленки толщиной 0,1 мм от времени х увлажнения при 20 °С: 1 — в воде;2 — в воздухе с \|/_в = 100%

Г_пр, МВ/м tgS

Рис. 6.5. Зависимость Е_пр полиамид- Рис. 6.6. Зависимость tg5 при частоте 50 Гц ной пленки от времени х увлажнения полиакрилатной пленки от времени х ув-

при 40 °С: лажнения при 20 °С:

1 — в воде; 2 — в воздухе с \|/_в = 100 % 7 — в воздухе с \|/_в = 95—98%;

2 — в воде

6.7. Зависимость р гибких слюдинитов от времени х пребывания в воздухе с \|/_в = 95—98 %, Г= 20 ± 5 °С:

стеклослюдинит на кремнийорганическом 2 — слюдинит на битумно-масляном лаке; слюдинит на глифталиево-масляном лаке

ских характеристик у органических диэлектриков во влажном возду­хе происходит интенсивнее, чем за такое же время при непосредст­венном контакте материала с водой. Этот факт объясняется тем, что пары воды более активно проникают в микропоры и микротрещины с последующей конденсацией внутри материала. Вода же в жидком состоянии из-за наличия краевого угла смачивания проникает в микропоры с большим замедлением. Растворимость и коэффициент диффузии воды в полимерных материалах зависят от их природы, температуры и относительной влажности воздуха.

В тропическом климате на органических диэлектриках может развиваться плесень, что, в свою очередь, приводит к значительному уменьшению удельного поверхностного сопротивления, росту ди­электрических потерь, снижению электрической прочности, корро­зии металлических частей. Наименее стойкие к образованию плесе­ни — материалы на основе целлюлозы, в том числе пропитанных смолами (гетинакс, текстолит). Наиболее стойкие — неорганические диэлектрики (стекла, керамика, слюда), кремнийорганические и не­которые органические материалы (эпоксидные смолы, политетра­фторэтилен, полиэтилен, полистирол).

Немаловажной характеристикой является растворимость. Это свойство необходимо учитывать при подборе растворителей для ла­ков, пластификаторов для полимеров и т. п., а также для оценки стойкости твердого диэлектрического материала к действию различ­ных жидкостей, с которыми он может соприкасаться при изготовле­нии изоляции (например, при пропитке лаками) и в процес­се эксплуатации (например, твердая изоляция маслонаполненных трансформаторов).

Как правило, твердые материалы лучше растворяются в жидко­стях, близких по своей химической природе. Так, полярные вещест­ва лучше растворяются в полярных жидкостях (например, канифоль в спирте, полиметилметакрилат в дихлорэтане); неполярные вещест­ва—в неполярных растворителях (например, парафин и каучук в жидких неполярных углеводородах). Линейные полимеры растворя­ются лучше. С увеличением молекулярной массы растворимость по­лимера снижается, при нагревании — улучшается.

Глава 7

Дата добавления: 2015-08-09