Файл: материалы.doc

18. Газообразные диэлектрики, их свойства, применение.

Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность.

Диэлектрическую проницаемость газов очень просто рассчитать по формуле e = 1+n(a+m2¤3kT)/e0, где n- число молекул с поляризуемостью a и дипольным моментом m в единице объема. Обычно значение e близко к 1, отличие от единицы можно обнаружить в 3-4 знаке после запятой. Причина этого - малое число молекул в газовой фазе n.

Электропроводность газов обычно не хуже 10-13 См/м, причем, как было показано во второй лекции, основным фактором вызывающим проводимость в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Вольт-амперная характеристика имеет три характерные зоны - омическое поведение, насыщение, экспоненциальный рост. Диэлектрические потери незначительны и их стоит учитывать только в третьей области.

Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.). Эти условия - давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н.у. имеет электрическую прочность 30 кВ/см. Коэффициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород - к = 0.5, гелий - к = 0.2, элегаз к = 2.9, фреон-12 - к = 2.4, перфторированные углеводородные газы к  = (4-10),.

Теплопроводность газов l также невелика по сравнению с теплопроводностью твердых тел и жидкостей, наибольшее ее значениеl= 0.2 Вт/(м×К) - у водорода. Для наиболее популярных газов l= 0.03 Вт/(м×К)--воздух, l= 0.012 Вт/(м×К) - элегаз. Для сравнения - у алюминия l= 200 Вт/(м×К).

Максимальные температуры эксплуатации газов определяются либо разложением молекул газа (характерно для сложных молекул), либо увеличением электропроводности до перехода из диэлектрического до резистивного состояния за счет ионизации и диссоциации молекул газа под действием тепловой энергии. Характерные температуры для второго варианта - порядка и более тысячи градусов.  

Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков.

Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п.

Электроотрицательными называются газы, молекулы которых обладают сродством к электрону, это означает, что при захвате электрона и превращении молекулы в отрицательный ион выделяется энергия. Этот процесс приводит к явлению  прилипания электронов, и уменьшению, тем самым, эффективного коэффициента ударной ионизации на значение коэффициента прилипания haэфф = a-h. Поэтому электроотрицательные газы имеют повышенную электрическую прочность. Из электроотрицательных газов с высокой электрической прочностью наибольшее применение нашел элегаз SF6.. Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России. В 30х годах известный ученый Б.М. Гохберг исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы SF6. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е = 89 кВ/см. Молекулярная масса составляет 146, характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Из теплофизических свойств: температура плавления = -50 °С при 2 атм, температура кипения (возгонки) = -63°С. Низкие значения последних параметров означают возможность применения элегаза при низких температурах.Из других полезных свойств отметим следующие: химическая инертность, нетоксичность, негорючесть, термостойкость (до 800°С), взрывобезопасность, слабое разложение в разрядах, низкая температура сжижения. В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны.

Комплекс свойств элегаза обеспечил достаточно широкое использование элегазовой изоляции. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т.к., как вы знаете, электрическая прочность увеличивается с ростом давления. На основе элегазовой изоляции созданы и эксплуатируются ряд электроустройств, из них кабели, конденсаторы, выключатели, компактные ЗРУ (закрытые распределительные устройства). Наиболее широкое применение элегаз нашел за рубежом, в особенности в Японии. Например, использование элегаза позволяет в десятки раз уменьшить размеры распредустройств, что очень актуально при высокой стоимости земли для размещения энергохозяйства. Это выгодно даже несмотря на высокую стоимость элегаза - более 10$ за 1 килограмм.

19. Жидкие диэлектрики, их свойства и применение.

Роль жидких диэлектриков в современном мире.

    В последние годы исследования механизма ионизации, электрической проводимости и пробоя жидких диэлектриков получили большое развитие в связи с важной ролью, которую эти явления играют во многих современных разделах физики, химии, техники и радиобиологии. Исследования жидких диэлектриков тесно связаны с физикой плазмы, физикой полупроводников, дозиметрией ионизирующего излучения, физикой и техникой электрической прочности материалов и т.д. Исследования механизма ионизации и электрической проводимости жидких диэлектриков имеют большое значение для так называемой физики здоровья и для медицины. Результаты этих исследований заполняют большой пробел в наших знаниях о механизме ионизации в газах и в жидкостях, а в особенности ионизации тканей и всего живого организма. Знания эти играют в настоящее время очень большую роль как в радиологии, так и во многих более общих проблемах, связанных с воздействием ионизирующего излучения на материю

Особенности жидкого состояния вещества.

    Законы теплового движения атомов и молекул в жидкостях особенно сложны. С одной стороны, расстояния между молекулы (атомами) жидкости почти такое же, как в твёрдом теле, поэтому поступательные перемещения ограничены и тепловое движение носит главным образом колебательный характер. Сдругой – в отличие от твёрдого тела при определённых условиях в жидкостях появляется возможность кооперативного перемещения одних групп молекул относительно других, что обусловливает её текучесть. Ещё одна особенность, отличающая жидкое состояние от газообразного: благодаря большим силам взаимодействия молекула, находящаяся в фиксированном положении (в состоянии колебания около определённой точки), вызывает известное упорядочение в расположении ближайших к ней молекул. Это упорядочение называют «ближним порядком».

Электропроводность жидких диэлектриков.

    В жидких диэлектриках бывают два основных механизма электропроводности: ионный и молионный. Ионная электропроводность определяется диссоциацией молекул жидкости, а также различных примесей или загрязнений, которые часто встречаются на практике, так как жидкости легко загрязняются.

    В технически чистых жидких диэлектриках всегда содержатся те или иные примеси, обычно легче диссоциирующие, чем основной диэлектрик, поэтому проводимость в них сильно зависит от чистоты жидкости: на собственную проводимость диэлектрика накладывается примесная проводимость. В зависимости от природы жидкого диэлектрика в нём могут быть разные диссоциирующие примеси. Например, нефтяному электроизоляционному маслу сопутствуют некоторые органические кислоты; само масло является химически нейтральным углеводородом. Эти кислоты благодаря лёгкой диссоциации заметно повышают удельную проводимость масла. Загрязнением в жидком диэлектрике, в частности в том же масле, является и вода, попадающая в него непосредственно из атмосферного воздуха благодаря известной гигроскопичности масла.

    Вода в жидком диэлектрике может быть в трёх состояниях: а) молекулярно-растворённое; б) в виде эмульсии, то есть в виде мельчайших капель, находящихся в жидком диэлектрике во взвешенном состоянии; в) в виде избыточной воды, не удерживающейся в эмульсии, выпадающей из неё. Избыточная вода или тонет в диэлектрике, если его плотность меньше

1000 кг/м3 (например, нефтяное масло), или всплывает на его поверхности, если плотность диэлектрика больше 1000 кг/м3 (например, хлорированный дифенил – совол).

    Лёд обычно всплывает на поверхность трансформаторного масла.

    Вода в жидком диэлектрике может переходить из одного состояния в другое при изменении температуры за счёт изменения растворяющей способности диэлектрика. При повышении температуры растворяющая способность увеличивается и эмульсионная вода полностью или частично переходит в молекулярно растворённое состояние, а избыточная вода – в эмульсионное в зависимости от значения температуры. При понижении температуры происходит обратный процесс. При длительном воздействии высокой температуры сказывается эффект сушки (испарения воды) жидкого диэлектрика. Гигроскопичность жидкости зависит от её состава и от наличия полярных молекул. Полярные молекулы, как правило, отличаются большой активностью, поэтому полярные жидкости легче смешиваются с различными примесями и загрязнениями.