Электроизоляционные материалы

Назначение, классификация и основные характеристики диэлектриков

Диэлектриками – называют вещества, имеющие весьма малую электропроводность, характеризуемую токами утечки. Их используют для изоляции токоведущих частей в электротехнических устройствах.

Различают:

1) Газообразные диэлектрики.

2) Жидкие (минеральные масла и синтетические жидкости).

3) Твёрдые (органические и минеральные).

По структуре - кристаллические и аморфные .

Общие свойства:

а) все диэлектрики способны поляризоваться;

б) под действием переменного напряжения в них происходит рассеивание электрической энергии и переход её в тепловую;

в) в сильных электрических полях возможен пробой диэлектрика ( т.е. потеря электроизоляционных свойств).

1) Электрические характеристики:

а) удельное сопротивление (Ом×м)

Для диэлектриков =10⁸…10¹⁸ Ом×м. Изменение в зависимости от температуры оценивается – температурным коэффициентом удельного сопротивления. Для диэлектриков ТK_ρ < 0, т.е. с повышением температуры - уменьшается;

б) относительная диэлектрическая проницаемость ε_r – характеризует способность диэлектрика поляризоваться и образовывать электрическую ёмкость в конденсаторах;

ε_r = 1 (для вакуума, воздуха). Для различных диэлектриков ε_r - от единицы до нескольких тысяч.

Различают:

- электронную поляризацию (ε_r = 1…2);

- дипольную (ε_r =3…8);

- ионную (ε_r = 8…20);

- спонтанную (ε_r = 1500…7500 – характерна для сегнетодиэлектриков).

Таблица

Значенияε_rдля некоторых изоляционных материалов

Материал	εr
Газы Гетинакс Фторопласт Лакоткани Полиэтилен Полистирол Электрокартон Масло трансформаторное Совол Оргстекло Поливинилхлорид Вода дистиллированная Титанат кальция Титанат бария Титанат бария с добавками	1,000072 – 1,00138 6 – 8 1.9 – 2.1 3 – 4 2,3 – 2,4 2,4 – 2,6 1,8 – 2,5 2,2 3 – 5

в) диэлектрические потери – возникают в виде потерь активной мощности в диэлектриках, работающих при переменном напряжении. Они проявляются в нагреве диэлектрика и характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь (tg δ).

Потери активной мощности P_а = U²2πƒC×tg δ.

tg δ = 2…6 (×10^-4) – для жидких и твёрдых диэлектриков высокого класса и может быть до 0,05. При нагреве диэлектрические потери растут;

г) электрическая прочность (E_пр) – напряжённость электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика:

Е_пр кВ/мм,

где U_пр – пробивное напряжения, h – толщина слоя диэлектрика.

Различают:

а) электрический пробой - под действием внешнего электрического поля за очень короткое время ( ~ 10^-8с);

б) тепловой пробой – происходит из-за диэлектрических потерь, когда количество выделяющейся теплоты больше отводимой.

2) Механические характеристики - определяют путём механических испытаний, при которых устанавливают пределы прочности при растяжении, сжатии, изгибе, а также удельную ударную вязкость.

3) Тепловые характеристики:

а) температура плавления или размягчения диэлектрика;

б) теплостойкость – позволяет оценить стойкость диэлектрика к кратковременному нагреву. Определяется при помощи аппарата Мартенса или по методу кольца и шара;

в) нагревостойкость – способность диэлектрика выдерживать длительное тепловое воздействие, не теряя электроизоляционных свойств.

Согласно стандарту установлены 7 классов нагревостойкости диэлектриков:

Y (до 90 ⁰С) - бумага, картон, х.б. ткани и др.

А (до 105⁰С) - те же диэлектрики, пропитанные лаком или маслом,

Е (до 120⁰С­­) - гетинакс, текстолит,

В (до 130⁰С) - слюда, миканит, стеклоткани,

F (до 155⁰С) - кремнийорганические смолы

Н (до 180⁰С) - те же с более высокими показателями

С (более 180⁰С) - стекло, фторопласт, асбест

г) холодостойкость;

д) температура вспышки паров – для жидких диэлектриков.

4)Физико- химические характеристики:

а) вязкость – определяет пропитывающую способность жидких диэлектриков;

б) кислотное число – количество KOH, необходимое для нейтрализации свободных кислот содержащихся в 1 грамме жидкого диэлектрика.

в) водопоглощение;

г) химическая стойкость (к растворителям, кислотам, щелочам);

д) тропическая стойкость (стойкость против высокой температуры, влажности, плесневых грибков, солнечной радиации, тропических насекомых).

Газообразные диэлектрики

Воздух и все газы при малой степени ионизации являются диэлектриками. Электропроводность газов отображают вольт-амперной характеристикой:

I. - ток пропорционален напряжению, соблюдается закон Ома, свободные заряженные частицы постепенно втягиваются в направленное движение. II. - ток не зависит от напряжения. Все свободные заряженные частицы движутся направленно и скорость их растёт. III- скорость заряженных частиц резко возрастает, происходит явление ударной ионизации, заканчивающееся пробоем газа – точка П (I→∞; U→0)

Различают:

а) пробой в однородном поле (например: между параллельными пластинами, где напряжённость поля везде одинакова) – происходит сразу в виде искры, возникающей в любом месте. Искра может перейти в дугу при достаточной мощности источника тока;   б) пробой в неоднородном поле (например: между остриём и пластиной) - происходит в несколько стадий: сначала ионизируется газ у острия и возникает коронирующий разряд (голубое свечение). При повышении напряжения, разряд переходит в кистевой и заканчивается искрой. При этом выделяются активные окислители: озон (О3) и окись азота (NO).

Во избежание возникновения коронирующего разряда в высоковольтных установках, острые кромки электродов скругляют или закрывают металлическими экранами.

Основные газообразные диэлектрики:

1) Воздух Е_пр ≈ 3 кВ/мм.

2) Элегаз (SF₆) Е_пр ≈ 7-8 кВ/мм

3) Фреон (CСl₂F₂) Е_пр ≈ 7-8 кВ/мм.

4) Водород – имеет наивысшую среди газов теплопроводность и используется в электроустановках как охлаждающая среда; Е_пр ≈ 1,8 кВ/мм.

Жидкие диэлектрики

Применяют в трансформаторах, масляных выключателях, кабелях, конденсаторах (для пропитки пористой изоляции, как охлаждающая среда, и искрогаситель).

Наиболее распространены нефтяные масла, полученные дробной перегонкой нефти, реже применяют синтетические жидкости.

Нефтяные масла

а) трансформаторное – маловязкое, прозрачное, желтоватое. Температура застывания –45⁰С, вспышки паров +135⁰С, электрическая прочность E_пр > 16 кВ/мм. В процессе эксплуатации масло стареет, при этом ухудшаются его свойства. Продукты старения: нерастворимые (шлам) - налипают на стенки бака ухудшая теплообмен; растворимые (свободные кислоты) – разъедают изоляцию и ухудшают электроизоляционные свойства. Периодически масло меняют. Отработанное масло – подвергают частичной или полной очистке – регенерации. При этом выполняют фильтрование, центрифугирование, химическую обработку (кислотно-щелочную) и сушку под вакуумом;

б) конденсаторное масло – получают дополнительной очисткой и отстаиванием трансформаторного. Eпр > 20 кВ/мм, ε_r = 2,1…2,3. Применяют для заливки высоковольтных конденсаторов с бумажной изоляцией;

в) кабельные масла:

Ø маловязкие – применяют в маслонаполненных кабелях низкого давления до 3 атм.;

Ø средневязкие (С-110, С-220) – предназначены для высоковольтных кабелей (110 кВ и выше), при давлении ~ 14 атм.- имеют наиболее стабильные параметры.

Ø вязкое масло – сильно загущённое канифолью. Применяют для пропитки бумажной изоляции кабелей напряжением до 35 кВ.