Файл: РМ текст лекций.doc

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

3.7. 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 3·10⁹-10¹²Ом·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.

3.8. 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. гдеп—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—10¹⁶Ом·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^-4до 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.