Матеріал діелектрика. Електроізоляційні матеріали: види, властивості, характеристики та сфери застосування
У 1729 р. англійський фізик Стефан Грей виявив, що електричний заряд може переміщатися одним тілам і переміщатися іншим. Наприклад, металевим дротом електрика в його дослідах поширювалася, а по шовковій нитці немає. З того часу всі речовини почали ділитися на провідники та непровідники електрики. Останні були названі Фарадеєм діелектриками.
Введений Фарадеєм в 1837 р. термін "діелектрики" утворений від двох слів - грецького "діа" (що означає "через") та англійської electric (електричний).
Діелектриком називають речовину, яка не проводить електричний струм, отже в цій речовині відсутні вільні заряджені частинки( тобто. таких заряджених частинок, які здатні вільно переміщатися по всьому об'єму тіла). Такими частками могли бути електрони, але у ідеальному діелектриці все електрони пов'язані з ядром атома, тобто. належать окремим атомам, і вільно переміщатися тілом що неспроможні. Щоб порушити цей зв'язок, потрібні сильні фактори, що впливають.
Діелектрики мають здатність пропускати через себе електростатичне поле. Проникаючи через діелектрики електростатичне поле слабшає, але не до нуля, як це відбувається в металах.
Діелектриками можуть бути речовини у трьох агрегатних станах: газоподібному (азот, водень), рідкому (чиста вода), твердому (бурштин, порцеляна, кварц).
Будь-яка молекула є системою із сумарним зарядом, рівним нулю. Поведінка молекули у зовнішньому електричному полі еквівалентна диполю. Позитивний заряд такого диполя дорівнює сумарному заряду ядер, поміщений у центр тяжкості позитивних зарядів; негативний заряд дорівнює сумарному заряду електронів і поміщений в центр тяжкості негативних зарядів.
Усі діелектрики поділяються на три групи: полярні, неполярні та кристалічні.
Кристалічні діелектрики мають іонну структуру, - це слабополярні діелектрики. До них відносяться NaCl, KCl.
При приміщенні діелектрика в електричне поле в його об'ємі та на поверхні з'являються макроскопічні заряди. Зазначені заряди виникають у результаті поляризації діелектриків.
Поляризацією діелектрика називається процес орієнтації диполів, тобто. зміщення позитивних та негативних зарядів усередині діелектрика в протилежні сторони.
Трьом групам діелектриків відповідає три види поляризації.
Дипольна (орієнтаційна) поляризація.
За відсутності зовнішнього поля дипольні моменти полярних молекул внаслідок теплового руху орієнтовані у просторі хаотично та їх результуючий момент дорівнює нулю (рис.12.22, а). Якщо такий діелектрик помістити в зовнішнє поле (рис.12.22, б), то сили цього поля прагнуть повернути диполі вздовж поля і виникає відмінний від нуля результуючий момент. Ця орієнтація дипольних моментів молекул поля тим сильніше, що більше напруженість електричного поля нижча температура.
Електронна поляризація
. Якщо неполярну молекулу помістити в зовнішнє електричне поле Е 0 то під дією електричного поля відбувається деформація її електронних орбіт і молекули діелектрика перетворюються на диполі, відразу орієнтовані вздовж зовнішнього поля (ядра молекули при цьому зміщуються по полю, а електронна оболонка витягується проти поля і молекула набуває дипольного моменту
(Рис. 12.23).
Іонна поляризація . Якщо кристалічний діелектрик (NaCl) має кристалічну решітку, у вузлах якої правильно чергуються позитивні та негативні іони, помістити в зовнішнє електричне поле Е 0 то відбудеться зміщення позитивних іонів грати вздовж напрямку поля, а негативних іонів - у протилежний бік. В результаті діелектрик поляризується.
Такого роду поляризація називається іонною. Ступінь іонної поляризації залежить від властивостей діелектрика та від напруженості поля.
Поділяються на 3 групи:
1) нафтові олії;
2) синтетичні рідини;
3) рослинні олії.
Рідкі діелектрики використовують для просочення кабелів високої напруги, конденсаторів, для заливання трансформаторів, вимикачів та вводів. Крім цього вони виконують функції теплоносія у трансформаторах, дугогасника у вимикачах та ін.
Нафтові олії
Нафтові олії являють собою суміш парафінового вуглеводнів (З n Н 2 n+ 2 ) і нафтенового (З n Н 2 n ) рядів. Вони широко застосовуються в електротехніці як трансформаторне, кабельне і конденсаторне мастила. Олія, заповнюючи проміжки та пори всередині електротехнічних установок та виробів, підвищує електричну міцність ізоляції та покращує тепловідведення від виробів.
Трансформаторна олія одержують із нафти шляхом перегонки. Електричні властивості трансформаторної олії значною мірою залежать від якості очищення олії від домішок, вмісту в ній води та ступеня знегажування. Діелектрична проникність олії 2,2, питомий електричний опір 10 13 Ом · М.
Призначення трансформаторних масел – підвищувати міцність ізоляції; відводити тепло; сприяти дугогасенню в масляних вимикачах, покращувати якість електроізоляціїв електротехнічних виробах: реостатах, паперових конденсаторах, кабелях з паперовою ізоляцією, силових кабелях - шляхом заливання та просочення.
Трансформаторна олія в процесі експлуатації старіє, що погіршує її якість. Старінню олії сприяють: контакт олії з повітрям, підвищені температури, зіткнення з металами (Су, Рb, Fе), вплив світла. Для збільшення терміну служби олію регенерують очищенням та видаленням продуктів старіння, додаванням інгібіторів.
Кабельнеі конденсаторнеолії відрізняються від трансформаторного вищою якістю очищення.
Синтетичні рідкі діелектрики
Синтетичні рідкі діелектрики за деякими властивостями перевершують нафтові електроізоляційні олії.
Хлоровані вуглеводні
Совол – пентахлордіфенілЗ 6 Н 2 Сl 3 - З 6 Н 3 Сl 2 , одержують при хлоруванні дифенілуЗ 12 Н 10
С 6 Н 5 – С 6 Н 5 + 5 Сl 2 → С 6 Н 2 Сl 3 – С 6 Н 3 Сl 2 + 5 НСl
Соволзастосовується для просочення та заливання конденсаторів. Має більш високу порівняно з нафтовими маслами діелектричною проникністю. Діелектрична проникність совала 5,0, питомий електричний опір 10 11 ¸ 10 12 Ом · м. Застосовується совол для просочення паперових силових і радіоконденсаторівз підвищеною питомою ємністю та невисокою робочою напругою.
Совтол - Суміш совала з трихлорбензолом. Використовується для ізоляції вибухобезпечних трансформаторів.
Кремнійорганічні рідини
Найбільшого поширення мають полідиметилсилоксанові, полідіетилсилоксанові, поліметилфенілсилоксановірідини.
Полісилоксанові рідини рідкі кремнійорганічні полімери ( поліорганосилоксани), мають такі цінні властивості як: висока нагрівостійкість, хімічна інертність, низька гігроскопічність, низька температура застигання, високі електричні характеристики у широкому інтервалі частот та температур.
Рідкі поліорганосилоксани є полімерними сполуками з низьким ступенем полімеризації, молекули яких містять силоксанне угруповання атомів.
,
де атоми кремнію пов'язані з органічними радикалами R: метил CH 3 , етил C 2 H 5 , феніл C 6 H 5 . Молекули поліорганосилоксанових рідин можуть мати лінійну, лінійно-розгалужену та циклічну структуру.
Рідкі поліметилсилоксани одержують при гідролізі диметилдихлорсилану у суміші з триметилхлорсиланом .
рідини, Що Утворюються, безбарвні, розчиняються в ароматичних вуглеводнях, дихлоретані та ряді інших органічних розчинників, не розчиняються в спиртах і ацетоні. Поліметилсилоксанихімічно інертні, не надають агресивної дії на метали і не взаємодіють з більшістю органічних діелектриків та гум. Діелектрична проникність 2,0¸ 2,8, питомий електричний опір 10 12 Ом · м, електрична міцність 12¸ 20 МВ/м
Формула полідиметилсилоксанамає вигляд
– Si(СН 3) 3 – Про – [ Si(СН 3) 2 – О] n –Si(СН 3) =
Рідкі кремнійорганічні полімери знаходять застосування як:
Полідіетилсилоксани – одержують при гідролізі діетилдіхлорсилану і триетилхлорсилану . Мають широкий інтервал температури кипіння. Будова виражається формулою:
Властивості залежить від температури кипіння. Електричні властивості збігаються з властивостями полідиметилсилоксану.
Рідкі поліметилфенілсилоксани мають будову, що виражається формулою
Отримують гідролізом фенілметилдихлорсилановта ін Олія в'язка. Після обробкиNаОНв'язкість підвищується втричі. Витримує нагрівання протягом 1000 годин до 250 °С. Електричні властивості збігаються з властивостями полідиметилсилоксану.
При γ - опроміненні в'язкість кремнійорганічних рідин сильно зростає, а діелектричні характеристики різко погіршуються. При великій дозі опромінення рідиниперетворюються на каучукоподібнумасу, а потім у тверде тендітне тіло.
Фторорганічні рідини
Фторорганічні рідини 8 F 16 – негорючі та вибухобезпечні, високонагрівостійкі(200 ° С), мають малу гігроскопічність. Пари мають високу електричну міцність. Рідини мають низьку в'язкість, летючі. Мають кращий тепловідведення, ніж нафтові масла і кремнійорганічні рідини.–) n,
є неполярним полімером лінійної структури. Виходить полімеризацією газу етиленуЗ 2 Н 4 при високому тиску (до 300 МПа) або при низькому (до 0,6 МПа). Молекулярна маса поліетилену високого тиску – 18000 – 40000, низького – 60000 – 800000.
Молекули поліетилену мають здатність утворювати ділянки матеріалу з упорядкованим розташуванням ланцюгів (кристалітів), тому поліетилен складається з двох фаз (кристалічної та аморфної), співвідношення яких визначає його механічні та теплові властивості. Аморфна надає матеріалу еластичні властивості, а кристалічна – жорсткість. Аморфна фаза має температуру склювання +80 °С. Кристалічна фаза має більш високу нагрівостійкістю.
Агрегати молекул поліетилену кристалічної фази являють собою сфероліти з орторомбічною структурою. Вміст кристалічної фази (до 90%) у поліетилені низького тиску вище, ніж у поліетилені високого тиску (до 60%). Завдяки високій кристалічності поліетилен низького тиску має більш високу температуру плавлення (120 -125 °С) та більш високу міцність при розтягуванні. Структура поліетилену значною мірою залежить від режиму охолодження. При його швидкому охолодженні утворюються дрібні сфероліти, при повільному охолодженні великі. Швидко охолоджений поліетилен відрізняється великою гнучкістю та меншою твердістю.
Властивості поліетилену залежить від молекулярної ваги, чистоти, сторонніх домішок. Механічні властивості залежать від рівня полімеризації. Поліетилен має велику хімічну стійкість. Як електроізоляційний матеріал широко застосовується у кабельній промисловості та у виробництві ізольованих проводів.
В даний час виготовляються такі види поліетилену та поліетиленових виробів:
1. поліетилен низького та високого тиску - (н.д.) та (в.д.);
2. поліетилен низького тиску для кабельної промисловості;
3. поліетилен низькомолекулярний високого чи середнього тиску;
4. пористий поліетилен;
5. поліетиленовий спеціальний шланговий пластикат;
6. поліетилен для виробництва ВЧ кабелю;
7. електропровідний поліетилен для кабельної промисловості;
8. поліетилен, наповнений сажею;
9. хлорсульфований поліетилен;
10. плівка поліетиленова.
Фторопласти
Існує кілька видів фторвуглецевих полімерів, які можуть бути полярними та неполярними.
Розглянемо властивості продукту реакції полімеризації газу тетрафторетилену
(F 2 С = СF 2).
Фторопласт – 4(політетрафторетилен) – пухкий порошок білого кольору. Структура молекул має вигляд
Молекули фторопласту мають симетричну будову. Тому фторопласт є неполярним діелектриком.
Симетричність молекули та висока чистота забезпечують високий рівень електричних характеристик. Велика енергія зв'язку міжЗ і F надає йому високу холодостійкість та нагрівостійкість. Радіодеталі з нього можуть працювати від -195 ÷ +250 °С. Негорючий, хімічно стійкий, негігроскопічний, має гідрофобність, не уражається пліснявою. Питомий електричний опір становить 10 15 ¸ 10 18 Ом · м, діелектрична проникність 1,9¸ 2,2, електрична міцність 20¸ 30 МВ/м
Радіодеталі виготовляють із порошку фторопласту холодним пресуванням. Відпресовані вироби спікають печах при 360 - 380°С. При швидкому охолодженні вироби виходять загартованими з високою механічною міцністю. При повільному охолодженні – загартовані. Вони легше обробляються, менш жорсткі, мають високий рівень електричних характеристик. При нагріванні деталей до 370° з кристалічного стану переходять в аморфний і набувають прозорості. Термічне розкладання матеріалу починається за > 400°. При цьомуутворюється токсичний фтор.
Недолік фторопласту – його плинність під впливом механічного навантаження. Має низьку стійкість до радіації та трудомісткості при переробці у вироби. Один з найкращих діелектриків для техніки ВЧ та НВЧ. Виготовляють електро- та радіотехнічні вироби у вигляді пластин, дисків, кілець, циліндрів. Ізолюють ВЧ кабелі тонкою плівкою, що ущільнюються при усадці.
Фторопласт можна модифікувати, застосовуючи наповнювачі – скловолокно, нітрид бору, сажу та ін., що дає можливість отримувати матеріали з новими властивостями та покращити наявні властивості.
Діелектрична проникність може мати дисперсію.
Ряд діелектриків виявляють цікаві фізичні властивості.
Посилання
- Віртуальний фонд природничих та науково-технічних ефектів «Ефективна фізика»
Wikimedia Foundation. 2010 .
Дивитись що таке "Діелектрики" в інших словниках:
ДІЕЛЕКТРИКИ, речовини, що погано проводять електричний струм (питомий опір порядку 1010 Ом?м). Існують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики. Зовнішнє електричне поле викликає поляризацію діелектрика. У деяких твердих… Сучасна енциклопедія
Діелектрики- ДІЕЛЕКТРИКИ, речовини, що погано проводять електричний струм (питомий опір порядку 1010 Омм). Існують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики. Зовнішнє електричне поле викликає поляризацію діелектрика. У деяких твердих… Ілюстрований енциклопедичний словник
Речовини, що погано проводять електричний струм (питомий електроопір 108 1012 Ом см). Існують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики. Зовнішнє електричне поле викликає поляризацію діелектриків. У деяких твердих діелектриках. Великий Енциклопедичний словник
- (англ. dielectric, від грец. dia через, крізь і англ. electric електричний), речовини, що погано проводять електрич. струм. Термін "Д." введений Фарадеєм для позначення в, які проникає електрич. поле. Д. явл. всі гази (неіонізовані), деякі … Фізична енциклопедія
ДІЕЛЕКТРИКИ- ДІЕЛЕКТРИКИ, непровідники, або ізолятори тіла, що погано ведуть або зовсім не ведуть електрики. Напр. скло, слюда, сірка, парафін, ебоніт, порцеляна і т. п. Протягом тривалого часу при вивченні електрики. Велика медична енциклопедія
- (Ізолятори) речовини, що не проводять електричного струму. Приклади діелектриків: слюда, бурштин, каучук, сірка, скло, фарфор, різні сорти олій та ін. Самойлов К. І. Морський словник. М. Л.: Державне Військово-морське Видавництво НКВМФ Союзу … Морський словник
Назва, дана Михайлом Фарадеєм тілам не проводили, інакше, що погано проводять електрику, як, напр., повітря, скло, різні смоли, сірка і т. д. Подібні тіла називаються також ізоляторами. До досліджень Фарадея, виготовлених у 30 х… Енциклопедія Брокгауза та Єфрона
ДІЕЛЕКТРИКИ- Речовини, що практично не проводять електричний струм; бувають твердими, рідкими та газоподібними. У зовнішньому електричному полі Д. поляризуються. Їх використовують для ізоляції електротехнічних пристроїв, в електричних конденсаторах, у квантовій. Велика політехнічна енциклопедія
Речовини, що погано проводять електричний струм. Термін "Д." введений М. Фарадеєм для позначення речовин, через які проникають електричні поля. У будь-якій речовині, … Велика Радянська Енциклопедія
Речовини, що погано проводять електричний струм (електропровідність діелектрики10 8 10 17 Ом 1 см 1). Існують тверді, рідкі та газоподібні діелектрики. Зовнішнє електричне поле викликає поляризацію діелектриків. У деяких твердих… Енциклопедичний словник
Книги
- Діелектрики та хвилі , А. Р. Хіппель. Автор пропонованої уваги читачів монографії, відомий дослідник у галузі діелектриків американський вчений А. Хіппель неодноразово виступав у періодичній пресі та в...
- Дія лазерного випромінювання полімерні матеріали. Наукові основи та прикладні завдання. У 2 книгах. Книжка 1. Полімерні матеріали. Наукові основи лазерного впливу на полімерні діелектрики, Б. А. Виноградов, К. Є. Перепелкін, Г. П. Мещерякова. Пропонована книга містить відомості про структуру та основні термічні та оптичні властивості полімерних матеріалів, механізм впливу на них лазерного випромінювання в інфрачервоному, видимому…
Класифікація з будови молекул
Класифікація з хімічного складу
Класифікація за способом отримання
Класифікація за агрегатним станом
Активні та пасивні діелектрики
Визначення діелектричних матеріалів
Класифікація та галузі використання діелектричних матеріалів
Діелектриками називаються речовини, основною електричною властивістю яких є здатність поляризуватися в електричному полі.
Електроізоляційними матеріалами називають діелектричні матеріали, призначені для створення електричної ізоляції струмопровідних частин електротехнічних установок.
Ізолятором називається виріб з електроізоляційного матеріалу, завданням якого є кріплення та ізоляція один від одного провідників, що знаходяться під різними потенціалами (наприклад, ізолятори повітряної ЛЕП).
Електричною ізоляцією називається електроізоляційна система певного електротехнічного виробу, виконана з одного або декількох електроізоляційних матеріалів.
Діелектрики, що використовуються в якості електроізоляційних матеріалів, називаються пасивними діелектриками. В даний час широко застосовуються так звані активні діелектрики, параметри яких можна регулювати, змінюючи напруженість електричного поля, температуру, механічні напруги та інші параметри факторів, що впливають на них.
Наприклад, конденсатор, діелектричним матеріалом в якому служить п'єзоелектрик, під дією змінної напруги змінює свої лінійні розміри і стає генератором ультразвукових коливань. Місткість електричного конденсатора, виконаного з нелінійного діелектрика – сегнетоелектрика, змінюється залежно від напруженості електричного поля; якщо така ємність включена в коливальний LC-контур, змінюється і його частота настройки.
Діелектричні матеріали класифікують:
По агрегатному стану: газоподібні, рідкі та тверді;
За способом отримання: природні та синтетичні;
За хімічним складом: органічні та неорганічні;
За будовою молекул: нейтральні та полярні.
ГАЗООБРАЗНІ ДІЕЛЕКТРИКИ
До газоподібних діелектриків відносяться: повітря, азот, водень, вуглекислий газ, елегаз, хладон (фреон), аргон, неон, гелій та ін. Вони використовуються при виготовленні електричних апаратів (повітряні та елегазові вимикачі, розрядники)
Найбільш широко як електроізолюючий матеріал використовується повітря. Повітря містить: пари води та гази: азот (78%), кисень (20,99%), вуглекислий газ (0,03%), водень (0,01%), аргон (0,9325%), неон (0 ,0018%), а також гелій, криптон, та ксенон, які за обсягом у сумі становлять десятитисячні частки відсотка.
Важливими властивостями газів є їхня здатність відновлювати електричну міцність, мала діелектрична проникність, високе значення питомого опору, практично відсутність старіння, інертність ряду газів по відношенню до твердих і рідких матеріалів, нетоксичність, здатність їх працювати при низьких температурах та високому тиску, негорючість.
РІДКІ ДІЕЛЕКТРИКИ
Рідкі діелектрики призначені для відведення теплоти від обмоток і магнітопроводів в трансформаторах, гасіння дуги в масляних вимикачах, посилення твердої ізоляції в трансформаторах, маслонаповнених вводах, конденсаторах, маслонаповнених кабелях.
Рідкі діелектрики ділять на дві групи:
Нафтові олії (трансформаторна, конденсаторна, кабельна);
Синтетичні олії (совтол, рідкі кремнійорганічні та фтороорганічні сполуки).
4.1.7 Області використання діелектриків як ЕТМ
Застосування в електроенергетиці:
- лінійна та підстанційна ізоляція- це фарфор, скло та кремнійорганічна гума в підвісних ізоляторах ПЛ, фарфор в опорних та прохідних ізоляторах, склопластики як несучі елементи, поліетилен, папір у високовольтних вводах, папір, полімери в силових кабелях;
- ізоляція електричних приладів- папір, гетинакс, склотекстоліт, полімери, слюдяні матеріали;
- машин, апаратів- папір, картон, лаки, компаунди, полімери;
- конденсатори різних видів- полімерні плівки, папір, оксиди, нітриди.
З практичної точки зору в кожному випадку вибору матеріалу електричної ізоляції слід аналізувати умови роботи та вибирати матеріал ізоляції відповідно до комплексу вимог. Для орієнтування доцільно поділити основні діелектричні матеріали на групи за умовами застосування.
1. Нагрівостійка електрична ізоляція.Це насамперед вироби із слюдяних матеріалів, деякі з яких здатні працювати до температури 700°С. Скло та матеріали на їх основі (склотканини, склослюдиніти). Органосилікатні та металофосфатні покриття. Керамічні матеріали, зокрема нітрид бору. Композиції із кремнійорганіки з термостійким сполучним. З полімерів високу нагрівостійкість мають поліімід, фторопласт.
2. Електрична вологостійка ізоляція.Ці матеріали повинні бути гідрофобними (незмочування водою) і негігроскопічні. Яскравим представником цього класу є фторопласт. В принципі, можлива гідрофобізація шляхом створення захисних покриттів.
3. Радіаційно-стійка ізоляція.Це насамперед неорганічні плівки, кераміка, склотекстоліт, слюдинітові матеріали, деякі види полімерів (полііміди, поліетилен).
4. Тропікостійка ізоляція.Матеріал повинен бути гідрофобним, щоб працювати в умовах високої вологості та температури. Крім того, він має бути стійким проти цвілевих грибків. Найкращі матеріали: фторопласт, деякі інші полімери, найгірші - папір, картон.
5. Морозостійка ізоляція.Ця вимога характерна, переважно гум, т.к. при зниженні температури всі гуми втрачають еластичність. Найбільш морозостійка кремнійорганічна гума з фенільними групами (до -90 ° С).
6. Ізоляція до роботи у вакуумі (космос, вакуумні прилади).Для цих умов необхідно використовувати вакуумно-щільні матеріали. Придатні деякі спеціально приготовлені керамічні матеріали, малопридатні полімери.
Електротехнічний картон використовується як діелектричні дистанційні прокладки, шайби, розпірки, як ізоляція магнітопроводів, пазова ізоляція обертових машин і т.п. Картон, як правило, використовується після просочення трансформаторним маслом. Електрична міцність просоченого картону сягає 40-50 кВ/мм. Оскільки вона вища за міцність трансформаторної олії, для збільшення електричної міцності трансформаторів найчастіше влаштовують у середовищі олії спеціальні бар'єри з картону. Маслобар'єрна ізоляція має міцність Е=300-400 кВ/см. Недоліком картону є гігроскопічність, в результаті попадання вологи зменшується механічна міцність і різко зменшується електрична міцність (у 4 і більше разів).
Останнім часом бурхливо розвивається виробництво ізоляторів для ПЛ на основі кремнійорганічної гуми. Цей матеріал відноситься до каучуків, основна властивість яких – еластичність. Це дозволяє виготовляти з каучуків не лише ізолятори, а й гнучкі кабелі. В енергетиці використовуються різні типи каучуків: натуральні каучуки, бутадієнові, бутадієн-стирольні, етиленпропіленові та кремнійорганічні.
Електротехнічна порцелянає штучним мінералом, утвореним із глинистих мінералів, польового шпату та кварцу в результаті термообробки за керамічною технологією. До найбільш цінних його властивостей відноситься висока стійкість до атмосферних впливів, позитивних і негативних температур, до впливу хімічних реагентів, високі механічна та електрична міцність, дешевизна вихідних компонентів. Це визначило широке застосування фарфору для ізоляторів.
Електротехнічне склояк матеріал для ізоляторів має деякі переваги перед фарфором. Зокрема, у нього більш стабільна сировинна база, простіше технологія, що допускає більшу автоматизацію, можливість візуального контролю несправних ізоляторів.
Слюдає основою великої групи електроізоляційних виробів. Головна перевага слюди - висока термостійкість поряд із досить високими електроізоляційними характеристиками. Слюда є природним мінералом складного складу. В електротехніці використовують два види слюд: мусковіт КАl 2 (АlSi 3 Про 10)(ОН) 2 і флогопіт КMg 3 (АlSi 3 Про 10 (ОН) 2 . Високі електроізоляційні характеристики слюди зобов'язані її незвичайній будові, а саме - шаруватості. можна розщеплювати на плоскі пластинки аж до субмікронних розмірів.Руйнуючі напруги при відриві одного шару від іншого шару становлять приблизно 0.1 МПа, тоді як при розтягуванні вздовж шару - 200-300 МПа. високий питомий опір, більше 10 12 Ом·м, досить високу електричну міцність, більше 100 кВ/мм, термостійкість, температура плавлення понад 1200°С.
Слюда використовується як електрична ізоляція, як у вигляді щипаних тонких пластинок, в т.ч. склеєних між собою (міканіти), і у вигляді слюдяних паперів, зокрема. просочених різними сполучними (слюдініти чи слюдопласти). Слюдяний папір проводиться за технологією, близькою до технології звичайного паперу. Слюду подрібнюють, готують пульпу, на папероробних машинах розкочують аркуші паперу.
Міканіти мають кращі механічні характеристики і вологостійкість, але вони дорожчі і менш технологічні. Застосування - пазова та виткова ізоляція електричних машин.
Слюдініти - Листові матеріали, виготовлені зі слюдяного паперу на основі мусковита. Іноді їх комбінують з підкладкою зі склотканини (склослюдиніт), або полімерної плівки (пленкослюдиніт). Папери, просочені лаком, або іншим сполучним, мають кращі механічні та електрофізичні характеристики, ніж непросочені папери, але їх термостійкість зазвичай нижче, т.к. вона визначається властивостями просочуючого сполучного.
Слюдопласти - листові матеріали, виготовлені із слюдяного паперу на основі флогопиту та просочені сполучними. Як і слюдініти, вони також поєднуються з іншими матеріалами. У порівнянні зі слюдинітами вони мають дещо гірші електрофізичні характеристики, але мають меншу вартість. Застосування слюдінітів та слюдопластів – ізоляція електричних машин, нагрівальностійка ізоляція електричних приладів.
Найбільше застосування газів в енергетиці має повітря. Це пов'язано з дешевизною, загальнодоступністю повітря, простотою створення, обслуговування та ремонту повітряних електроізоляційних систем, можливістю візуального контролю. Об'єкти, в яких застосовується повітря як електрична ізоляція - лінії електропередач, відкриті розподільні пристрої, повітряні вимикачі тощо.
З електронегативних газів з високою електричною міцністю найбільше застосування знайшов елегаз SF6.. Свою назву він одержав від скорочення "електричний газ". Унікальні властивості елегазу було відкрито у Росії, його застосування також розпочалося у Росії. У 30-х роках відомий вчений Б.М. Гохберг досліджував електричні властивості ряду газів і звернув увагу деякі властивості шестифтористої сірки SF6. Електрична міцність при атмосферному тиску та зазорі 1 см становить Е=89 кВ/см. Молекулярна маса становить 146, характерним є дуже великий коефіцієнт теплового розширення та висока щільність. Це важливо задля енергетичних установок, у яких проводиться охолодження будь-яких частин пристрою, т.к. при великому коефіцієнті теплового розширення легко утворюється конвективний потік, що забирає тепло. З теплофізичних властивостей: температура плавлення = -50 ° С при 2 атм, температура кипіння (ліхтаря) = -63 ° С, що означає можливість застосування при низьких температурах.
З інших корисних властивостей відзначимо такі: хімічна інертність, нетоксичність, негорючість, термостійкість (до 800 ° С), вибухобезпечність, слабке розкладання в розрядах, низька температура зрідження. Без домішок елегаз абсолютно нешкідливий для людини. Однак продукти розкладання елегазу внаслідок дії розрядів (наприклад, у розряднику або вимикачі) токсичні та хімічно активні. Комплекс властивостей елегазу забезпечив досить широке використання ізоляції елегазу. У пристроях елегаз зазвичай використовують під тиском у кілька атмосфер для більшої компактності енергоустановок, т.к. електрична міцність збільшується зі зростанням тиску. На основі елегазової ізоляції створено та експлуатується ряд електропристроїв, з них кабелі, конденсатори, вимикачі, компактні ЗРУ (закриті розподільні пристрої).
Найбільш поширений в енергетиці рідкий діелектрик – це трансформаторна олія.
Трансформаторна олія- очищена фракція нафти, що отримується при перегонці, кипляча при температурі від 300 ° С до 400 ° С. Залежно від походження нафти мають різні властивості і ці відмінні властивості вихідної сировини відбиваються на властивостях олії. Воно має складний вуглеводневий склад із середньою вагою молекул 220-340 а.е., і містить такі основні компоненти.
З споріднених трансформаторної олії за властивостями та застосуванням рідких діелектриків варто відзначити конденсаторні та кабельні масла.
Конденсаторні олії. Під цим терміном об'єднана група різних діелектриків, що застосовується для просочення паперово-масляної та паперово-плівкової ізоляції конденсаторів. Найбільш поширене конденсаторна оліяза ГОСТ 5775-68 виробляють із трансформаторної олії шляхом більш глибокого очищення. Відрізняється від звичайних олій більшою прозорістю, меншим значенням tg (більше, ніж у десять разів). Касторове маслорослинного походження, воно виходить з насіння рицини. Основна сфера використання - просочування паперових конденсаторів для роботи в імпульсних умовах.
Щільність касторової олії 0,95-0,97 т/м3, температура застигання від -10 ° С до -18 ° С. Його діелектрична проникність при 20 ° С становить 4,0 - 4,5, а при 90 ° С - = 3,5 – 4,0; tg при 20° С дорівнює 0,01-0,03, а при 100° С tg = 0,2- 0,8; Епр при 20° З дорівнює 15-20 МВ/м. Касторове масло не розчиняється в бензині, але розчиняється в етиловому спирті. На відміну від нафтових олій рицинова не викликає набухання звичайної гуми. Цей діелектрик відноситься до рідких слабополярних діелектриків, його питомий опір за нормальних умов становить 108 - 1010 Oм·м.
Кабельні оліїпризначені для просочення паперової ізоляції силових кабелів. Основою їх також є нафтові олії. Від трансформаторної олії відрізняються підвищеною в'язкістю, збільшеною температурою спалаху та зменшеними діелектричними втратами. З марок мастил відзначимо МН-4 (малов'язке, для заповнення кабелів низького тиску), С-220 (високов'язке для заповнення кабелів високого тиску), КМ-25 (найбільш в'язке).
Другий тип рідких діелектриків - важкогорючі та негорючі рідини. Рідких діелектриків із такими властивостями досить багато. Найбільшого поширення в енергетиці та електротехніці набули хлордифеніли. У зарубіжній літературі вони називаються хлорбіфенілами. Це речовини, які мають у своєму складі подвійне бензольне кільце, т.зв. ді(бі)фенільне кільце та приєднані до нього один або кілька атомів хлору. У Росії її застосовують діелектрики цієї групи як сумішей, переважно суміші пентахлордифенила з трихлордифенилом. Комерційні назви деяких із них - "совол", "совтол", "калорія-2".
Діелектричні матеріали класифікуються і за низкою внутрішньовидових ознак, що визначаються їх основними характеристиками: електричними, механічними, фізико-хімічними, тепловими.
4.2.1 До електричних характеристик діелектричних матеріалів відносяться:
Питома об'ємна електрична опір ρ, Ом*м або питома об'ємна провідність σ, См/м;
Питомий поверхневий електричний опір ρ s , Ом, або питома поверхнева провідність s см ;
Температурний коефіцієнт питомого електричного опору ТК ρ , С -1 ;
Діелектрична проникність ε;
Температурний коефіцієнт діелектричної проникності ТКε;
Тангенс кута діелектричних втрат δ;
Електрична міцність матеріалу Е пр,МВ/м.
4.2.2 Теплові характеристики визначають термічні властивості діелектриків.
До теплових характеристик належать:
Теплоємність;
Температура плавлення;
Температура розм'якшення;
Температура краплепадіння;
Теплостійкість;
Нагрівостійкість;
Холодностійкість – здатність діелектриків протистояти низьким температурам, зберігаючи електроізоляційні властивості;
Тропікостійкість – стійкість діелектриків до комплексу зовнішніх впливів за умов тропічного клімату (різкий перепад температур, висока вологість, сонячна радіація);
Термоелатичність;
Температура спалаху парів електроізоляційних рідин.
Нагрівостійкість - одна з найважливіших характеристик діелектриків. Відповідно до ГОСТ 21515-76 нагрівостійкість - це здатність діелектрика довго витримувати вплив підвищеної температури протягом часу, порівнянного з терміном нормальної експлуатації, без неприпустимого погіршення його властивостей.
Класи нагрівальностійкості. Усього сім. Характеризуються температурним індексом ТІ. Це температура, коли він термін служби матеріалу становить 20 тис. годин.
4.2.3 Вологісні властивості діелектриків
Вологостійкість - це надійність експлуатації ізоляції при знаходженні її в атмосфері водяної пари близької до насичення. Вологостійкість оцінюють зі зміни електричних, механічних та інших фізичних властивостей після знаходження матеріалу в атмосфері з підвищеною та високою вологістю; по волого- та водопроникності; по волого- та водопоглинальності.
Вологопроникність - здатність матеріалу пропускати пари вологи за наявності різниці відносних вологостей повітря з двох сторін матеріалу.
Вологопоглинання – здатність матеріалу сорбувати воду при тривалому знаходженні у вологій атмосфері, близькій до стану насичення.
Водопоглинання - здатність матеріалу сорбувати воду при тривалому зануренні його у воду.
Тропікостійкість та тропікалізація обладнання – захист електрообладнання від вологи, плісняви, гризунів.
4.2.4 Механічні властивості діелектриків визначають такі характеристики:
Руйнівна напруга при статичному розтягуванні;
Руйнівна напруга при статичному стисканні;
Руйнівна напруга при статичному згині;
Твердість;
Ударна в'язкість;
Опір розколювання;
стійкість до надриву (для гнучких матеріалів);
Гнучкість за кількістю подвійних перегинів;
Пластоеластичні властивості.
Механічні характеристики діелектриків визначають відповідні ГОСТи.
4.2.5 Фізико-хімічні характеристики:
Кислотне число, що визначає кількість вільних кислот у діелектриці, що погіршують діелектричні властивості рідких діелектриків, компаундів та лаків;
Кінематична та умовна в'язкість;
Водопоглинання;
Водостійкість;
Вологостійкість;
Дугостійкість;
трекінгстійкість;
Радіаційна стійкість та ін.
Щоб визначити: що таке діелектрики у фізиці, пригадаємо, що найважливішою характеристикою діелектрика є поляризація. У будь-якій речовині вільні заряди переміщуються під впливом електричного поля, при цьому з'являється струм, а пов'язані заряди поляризуются. Речовини поділяються на провідники та діелектрики залежно від того, які заряди переважають (вільні або пов'язані). У діелектриках переважно під впливом зовнішнього електричного поля виникає поляризація. Якщо розрізати провідник, що знаходиться в електричному полі, можна розділити заряди різних знаків. Такого зробити з поляризаційними зарядами діелектрика не можна. У металевих провідниках вільні заряди можуть переміщатися великі відстані, тоді як у діелектриках позитивні і негативні заряди переміщаються у межах однієї молекули. У діелектриків енергетична зона повністю заповнена.
Якщо зовнішнє поле відсутнє, то заряди, що мають різні знаки, по всьому об'єму діелектрика рівномірно розподілені. За наявності зовнішнього електричного поля заряди, що входять в молекулу, зміщуються в протилежних напрямках. Дане усунення проявляється, як виникнення заряду лежить на поверхні діелектрика, при поміщенні їх у зовнішнє електричне полі - і є явище поляризації.
Поляризація залежить від виду в діелектриці. Так, в іонних кристалах поляризація виникає, в основному, через зсув іонів в електричному полі і лише трохи за рахунок деформації електронних атомних оболонок. Тоді як у алмазі, що має ковалентний хімічний зв'язок, поляризація відбувається за рахунок деформації електронних атомних оболонок в електричному полі.
Діелектрик називають полярним, якщо його молекули мають власний електричний дипольний момент. У таких діелектриках за наявності зовнішнього електричного поля електричні дипольні моменти орієнтуються вздовж поля.
Поляризацію діелектрика визначають за допомогою вектора поляризації. Ця величина дорівнює сумі електричних дипольних моментів всіх молекул у одиничному обсязі речовини. Якщо діелектрик є ізотропним, то виконується рівність:
де - Електрична постійна; - Діелектрична сприйнятливість речовини. Діелектрична сприйнятливість речовини пов'язана з діелектричною проникністю як:
де характеризує ослаблення зовнішнього електричного поля в діелектриці за рахунок наявності поляризаційних зарядів. Полярні діелектрики мають найбільші величини. Так, для води = 81.
У деяких діелектриках поляризація виникає у зовнішньому електричному полі, а й при механічних напругах. Дані діелектрики звуться: п'єзоелектрики.
У діелектриків питомий електричний опір набагато більший, ніж у провідників. Воно лежить в інтервалі: Ом/див. Тому діелектрики застосовують для виготовлення ізоляції електротехнічних пристроїв. Важливим випадком застосування діелектриків є використання в електричних конденсаторах.
