Природа электропроводности газообразных, жидких и твердых диэлектриков
Газообразные диэлектрики широко используются при изготовлении высоковольтных аппаратов (воздушные и элегазовые выключатели, разрядники и др.), кроме того, воздух окружает большое число электротехнических установок, а в ЛЭП является основной изолирующей средой. В ряде электро- и радиотехнических, радиоэлектронных устройств и приборов используются различные, газонаполненные элементы, где важны не только общефизические свойства газов, но и их электрические характеристики.
Наиболее важное свойство газов с точки зрения использования в электроаппаратуре - это способность их восстанавливать электрическую прочность. Другими важными свойствами являются малые плотность и диэлектрическая проницаемость, высокое значение удельного сопротивления, очень малый tgd практически отсутствие старения, инертность ряда газов по отношению к твердым и жидким материалам, нетоксичность, способность их работать при низких температурах и высоком давлении, негорючесть.
Современная техника использует большое число жидкостей, которые обладают электроизоляционными свойствами. Конкретная область применения предъявляет к жидким диэлектрикам и иные требования: высокой теплопроводности, стойкости к окислению, совместимости с твердыми материалами, пожаробезопасности, экологической безопасности, вязкости, стабильности и т. п.
Ни одна жидкость не может удовлетворить всем предъявляемым требованиям одновременно, поэтому необходимо при использовании той или иной жидкости ориентироваться на важнейшие для каждого конкретного случая свойства.
Большинство из электроизоляционных свойств жидкостей зависит от температуры, давления, влажности, напряженности электрического поля и других внешних воздействии (рис.1 -5).
Рис. 1. Зависимость напряжения пробоя трансформаторного масла от температуры:
1 - масло ТКП; 2 - масло Т-1500; электроды - диски диаметром 25 мм с закругленными краями, расстояние между дисками 2,5 мм.
Рис.2. Зависимость электрической прочности масла от содержания в нем влаги
Рис.3. Зависимость tgd от температуры для совола различной степени очистки при частоте 50 Гц: 1 - после первой перегонки; 2 - после второй перегонки; 3 – после обработки силикагелевым адсорбентом; 4 - после обработки глинистым адсорбентом
Рис. 4. Зависимость электрической прочности нефтяного масла от давления: 1 – недегазированное; 2 – дегазированное
Рис. 5. Зависимость удельного объемного сопротивления жидких диэлектриков от температуры: 1 – трансформаторное масло тщательной очистки; 2 – промышленное трансформаторное масло; 3 — совол
Все электроизоляционные жидкости можно подразделять по химической природе на две большие группы:
1) нефтяное масло (трансформаторное, конденсаторное и кабельное);
2) синтетические жидкости (хлорированные и фторированные углеводороды, кремнийорганические, фторорганические и др.).
Однако возможно подразделение и по другим признакам: по применению, по верхнему пределу допустимой рабочей температуры, по степени горючести и т. п.
Твердые электроизоляционные материалы представляют собой очень большую группу материалов, включающую в себя органические, элементорганические и неорганические диэлектрики. К этой группе материалов условно, с точки зрения эксплуатации, можно отнести и твердеющие материалы (лаки, эмали, компаунды и клеи), которые в готовом изделии являются твердыми, хотя в технологическом процессе введения или нанесения их они могут быть жидкими или пластичными. К твердым материалам относятся большинство полимеров, бумага и картон, слоистые и пропитанные волокнистые материалы, намотанные изделия, все виды керамики, стекла, слюды и слюдосодержащие материалы, древесина и т. д.
Физико-химические свойства твердых электроизоляционных материалов зависят от внешних воздействий и условий окружающей среды (рис. 14.6 - 14.11), что позволяет иметь достаточно большой выбор для использования материалов в практических целях.
Рис. 6. Зависимость напряжения пробоя изоляции проводов диаметром 1,0 мм, эмалированных лаками ПЭ-955 (1) и ПЭ-943 (2), от продолжительности старения при 180 °С.
а) б)
Рис.7. Температурные зависимости электрического сопротивления (а) и электрической прочности (б) материалов:
1 - слюдопластовая бумага; 2 - периклаз; 3 - асбестовый пластик;
4 - кордиеритовая керамика; 5 – электрофарфор
Рис. 9. Зависимость электрической прочности ленточной
изоляции от толщины (при различном числе слоев):
1 - полиимидная пленка 35 мкм; 2 - полиимидная пленка 55 мкм;
3 - микалента ЛФК-ТТ 0,1 мм
Рис. 10. Зависимость tgd электрокартона от температуры
Рис. 11. Зависимость напряжения пробоя лакотканей
от растягивающего усилия: 1 - ЛХМ-105 (А-0,15 мм);
2 - ЛШМ-105 (А-0,10 мм); 3 - ЛКМ-105 (Л-0,10 мм);
4 - ЛСБ-120/130 (А-0,17 мм); 5 - ЛСК-155/180 (А-0,15 мм);
6 - ЛСЭ-105/130 (4-0,15 мм)
В соответствии с принятой в настоящее время классификацией группу керамических материалов составляют твердые вещества неорганического происхождения, основными классификационными признаками которых являются: способ получения (керамическая технология), структура (поликристаллические многофазные системы), особые характерные свойства: электрические (высокая электрическая прочность, стойкость к электрическому и тепловому старению), механические (высокая механическая прочность, твердость, отсутствие деформаций при длительном приложении нагрузки), тепловые (исключительно высокая нагревостойкость), физико-химические (стойкость к действию агрессивных сред и излучений высоких энергий, малая гигроскопичность и водопроницаемость, вакуумная плотность). Совокупность столь уникальных свойств обусловливает широкое применение керамических материалов в современной электротехнике, электроэнергетике и радиотехнике. Во многих видах электротехнической аппаратуры удельный вес керамических изделий составляет свыше 80 %.
В зависимости от назначения и области применения керамические материалы принято делить на подгруппы, включающие материалы с определенными электрофизическими параметрами и составом.
Изоляторные материалы используются для изготовления изоляторов различных типов: линейных (подвесные, подвесные стержневые, штыревые), опорных, проходных (вводы), телеграфных и телефонных, аппаратных (используются в конструкциях различных электрических аппаратов); установочных изделий (ролики, детали предохранителей, патронов, штепсельных соединений); для изготовления установочных изделий в радиотехнике и микроэлектронике: ламповых панелей, каркасов катушек индуктивности, осей, антенных изоляторов (опорных, проходных, подвесных), изоляционных оснований плат в микромодулях и толстопленочных микросхемах, деталей корпусов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Часто изоляторные керамические материалы помимо основной функции выполняют также функции конструкционных элементов аппаратуры, подвергаясь при эксплуатации воздействию значительных механических нагрузок. В связи с этим выбор изоляторного материала для конкретного применения следует производить с учетом его механических характеристик. Зависимости основных электрических характеристик от температуры приведены на рис.12.
Рис. 12. Зависимость удельного электрического сопротивления
изоляторного фарфора (1) и радиофарфора (2) от температуры