Физико-химические и механические свойства диэлектриков

Выбор электроизоляционного материала для конкретного электротехническо­го изделия производится с учётом не только его электрических характеристик, но также тех внешних факторов, которые могут оказывать влияние на стабильность его характеристик в процессе эксплуатации. К таким факторам следует отнести влажность и температуру окружающей среды, механические воздействия, радиоак­тивные излучения, воздействие химически агрессивных веществ и т.д.

Гигроскопичность электроизоляционных материалов. Многие электроизоляци­онные материалы гигроскопичны, т.е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды и влагопроницаемы, т.е. способны пропускать сквозь себя пары воды. В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара.

Абсолютная влажность воздуха - это масса водяного пара содержащегося в единице объёма воздуха.

Относительной влажностью воздуха называют отношение

(5.1)

где m - масса водяного пара в единице объёма; - максимально возможная мас­са водяного пара при той же температуре.

Нормальными условиями считают влажность 60-70% при температуре воздуха

Воздействие повышенной влажности воздуха в первую очередь оказывает влияние на поверхностное сопротивление диэлектрика. Для предохранения поверх­ности электроизоляционных деталей из полярных твёрдых диэлектриков от дейст­вия влажности их покрывают лаками , не смачивающимися водой. Способность ма­териала смачиваться водой характеризуется краевым углом смачивания.

Рис. 5.1 Капля воды на смачиваемой (а) и на несмачиваемой (б)

поверхностях. Для смачиваемых поверхностей , для несмачиваемых -

Попадание воды в поры твёрдого диэлектрика приводит к резкому снижению их электрических свойств. Размер молекул воды составляет м, что позволяет

им проникать даже во внутримолекулярные поры электроизоляционных материалов. Влагопоглощение образца материала определяют по формуле

, где m - начальная масса образца, - масса образца после его выдержки в течение t времени во влажной среде.

Сухой образец материала, помещенный во влажный воздух, будет постепенно поглощать влагу из воздуха, и его влажность с течением времени будет повышать­ся, приближаясь к равновесной влажности (рис 5.2.кривая1). Если образец будет

иметь влажность большую, чем влажность окружающего воздуха, то через некото­рое время его влажность уменьшится, приблизившись к значению равновесной влажности (рис.5.2. кривая 2).

 

Рис.5.2. Изменение влажности образца материала при увлажнении (1) и сушке (2) при постоянных значениях относительной влажности окружающего воздуха и тем­пературы.

Когда электрической изоляции приходиться работать в условиях соприкосно­вения не только с воздухом, содержащим пары воды, но и с водой (атмосферные осадки, погружные установки и т.д.) в таких случаях представляет интерес опреде­ление водопоглощаемости. Однако, влагопоглощаемость и водопоглощаемость не полностью отражают степень возможных изменений электрических свойств мате­риала при увлажнении. В том случае, если поглощенная влага способна образовы­вать внутри изоляции нити или плёнки, которые могут пронизывать весь промежу­ток между электродами, уже малые количества поглощаемой влаги приводят к рез­кому изменению электрических свойств изоляции. Если влага распределяется по объёму материала в виде отдельных, не соединенных между собой малых включе­ний, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно. Аналогично для несмачиваемых материалов уменьшение удельного поверхностного сопротивления при выдержке во влажной среде незначительно, так как влага, даже в случае образования отдельных капель, не создает сплошную плёнку.

При переменном напряжении наиболее чувствительным к увлажнению пара­метром диэлектриков является , который заметно возрастает при увлажнении. Менее чувствительна величина s, однако в связи с большим значением диэлектри­ческой проницаемости воды , при увлажнении материала в его, как правило, возрастает.

Для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов ( обо­лочки кабелей, компаундные заливки, лаковые покрытия и т.д.) важно знать влаго-проницаемость, электроизоляционных материалов, то есть способность пропускать сквозь себя пары воды

Количество влаги m ( в микрограммах), проходящее за время t(чac) через уча­сток поверхности s слоя изоляционного материала толщиной h (см) под дей­ствием разности давлений водяных паров и (мм.рт.ст.) с двух сторон слоя, равно

(5.2)

Коэффициент П есть влагопроницаемость данного материала.

Влагопроницаемость изоляционных материалов изменяется в широких преде­лах. Так, например, для парафина значение П равно 0,0007; для полистирола - 0,03; для триацетата целлюлозы - около 1 мкг/(см ч мм.рт.ст.).Уменьшить гигроскопич­ность и влагопроницаемость изоляционных материалов можно в результате их про­питки. Однако, учитывая, что молекулы пропитывающей жидкости значительно

больше молекул воды, пропитка не позволяет полностью закрыть доступ влаге в по­ры материала.

Для масел, лаков, заливочных и пропитывающих компаундов важной характе­ристикой является вязкость.

В соответствии с законом Пуазейля, объём жидкости V с динамической вязко­стью , протекающий за время под действием давления р сквозь капилляр дли­ной и радиусом равен

(5.3)

Скорость движения твердого шарика радиусом в неорганической среде с ди­намической вязкостью под влиянием непрерывно воздействующего усилия F по­стоянна и имеет величину, определяемую законом Стокса

(5.4) В системе СИ измеряется в Паскаль-секунду

Кинематическая вязкость v равна отношению динамической вязкости жидко­сти к её плотности

(5.5)

Размерность кинематической вязкости

Условная вязкость связана с динамической и кинематической вязкостями эмпи­рическими формулами. Это отношение времени истечения из вискозиметра Энгле-ра 200мл испытываемой жидкости (при заданной температуре испытания) к посто­янной прибора. Для вискозиметра Энглера постоянная прибора представляет собой время истечения 200 мл дистиллированной воды при . Измеряется условная вязкость в градусах Энглера.

Тепловые свойства диэлектриков. Данные свойства характеризуются следую­щими параметрами: нагревостойкостью, морозостойкостью, теплопроводностью и тепловым расширением.

Способность электроизоляционных материалов без вреда для них как кратко­временно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры, а также резкие смены температуры называется нагревостойкостью.

Для неорганических материалов нагревостойкость определяют по изменению их электрических свойств . Величину нагревостойкости оценивают соответст­вующими значениями температуры, при которой произошли эти изменения.

Нагревостойкость органических диэлектриков можно определять по началу ме­ханических деформаций и по изменению электрических характеристик.

Одним из способов оценки нагревостойкости является способ Мартенса. Он применяется для оценки качества пластмасс и подобных им материалов. По этому способу нагревостойкость характеризуют таким значением температуры, при кото­ром изгибающее напряжение вызывает заметную деформацию испыты­ваемого образца.

В процессе эксплуатации у диэлектриков наблюдается тепловое старение - не­обратимое ухудшение качества изоляции при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов. Кроме

температуры на скорость теплового старения могут оказывать влияние: наличие озона или других химических реагентов, воздействие электрического поля, ультра­фиолетового излучения, механических нагрузок и т. д. Для проверки стойкости электроизоляционных материалов к тепловому старению их длительное время вы­держивают при повышенной температуре. Затем сравнивают их свойства со свойст­вами исходного материала.

Материалы, используемые для изоляции электрических машин, трансформато­ров и аппаратов по нагревостойкости, разделяются на семь классов. Для каждого класса устанавливается определённая максимальная температура, при которой мате­риал может длительно работать без ухудшения своих свойств ( табл.1).

Таблца 5.1.

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов

Обо-	Темпера-	Основные группы электроизоля-
значе-	тура, ха-	ционных материалов, соответст-
ние	рактери-	вующих данному классу .
класса	зующая класс
Y		Волокнистые материалы из цел-
		люлозы, хлопка, натурального
		шёлка, полиамидов; поливинил-
		хлорид, вулканизированный на-
		туральный каучук
А		Волокнистые материалы, пропи-
		танные маслянными, масляно-
		смоляными и другими лаками
Е		Синтетические волокна, плёнки,
		смолы, слоистые пластики, изо-
		ляция эмалированных проводов
		на эпоксидных лаках
В		Материалы на основе слюды, асбеста и стекло-
		волокна в сочетании с ор-
		ганическими связующими
		и пропитывающими со-
		ставами соответствующей
		нагревостоикости
F		Те же материалы в сочетании с
		синтетическими связующими;
		изоляция эмалированных прово­дов на полиэфирамидных лаках
Н		Те же материалы с кремнийорга-
		ническими связующими; крем-
		нийорганические эластомеры
С	>180	Слюда, стекло, кварц, асбест, фторопласт-4.

 

Морозостойкость - это способность изоляции работать без ухудшения эксплуа­тационной надёжности при низких температурах. Электрические свойства изоляции при низких температурах, как правило, улучшаются, однако, многие материалы при понижении температуры становятся хрупкими и жесткими, что затрудняет их ис­пользование.

Теплопроводность материалов характеризуют удельной теплопроводностью , которая может быть определена в соответствии с уравнением Фурье

(5.5)

где - мощность теплового потока через площадку , нормальную к потоку энергии; - градиент температуры.

Электроизоляционные материалы обладают значительно меньшей удельной те­плопроводностью, чем металлы. Наименьшее значение имеют пористые электро­изоляционные материалы с воздушными включениями. При пропитке, а также при уплотнении материалов внешним давлением, увеличивается. Как правило, кри­сталлические диэлектрики имеют более высокое значение , чем аморфные.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициен­том линейного расширения:

(5.6)

Материалы, обладающие малым значением коэффициента линейного расшире­ния, как правило, имеют высокую нагревостойкость. Органические диэлектрики об­ладают большими значениями температурного коэффициента линейного расшире­ния, чем неорганические. Определить значение ТК1 можно по методу аналогичному для определения

Механические свойства диэлектриков. В процессе эксплуатации электроизоля­ционные материалы подвергаются воздействию механических нагрузок. В связи с этим большое практическое значение имеют механическая прочность и способность их не деформироваться от механических напряжений. Характеристиками, с помо­щью которых можно оценить механические свойства электроизоляционных мате­риалов, являются прочность на разрыв, сжатие и изгиб. Значение этих характери­стик для волокнистых, слоистых и подобных им материалов зависит от направле­ния приложения нагрузки. При повышении температуры механическая прочность электроизоляционных материалов, как правило, уменьшается. В некоторых случаях практическое значение имеют такие механические характеристики материалов, как хрупкость и твёрдость. Связано это с тем, что многие материалы, обладая сравни­тельно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, легко разру­шаются под действием динамических усилий. Для оценки способности материала выдерживать динамическую нагрузку их подвергают испытаниям с целью опреде­ления удельной ударной вязкости. Этот параметр определяется отношением затра­ченной на излом образца энергии на поперечное сечение образца. В системе СИ удельная ударная вязкость имеет размерность

Твёрдость - это способность поверхностного слоя материала противостоять де­формации от сжимающего усилия, передаваемого посредством предметов малых размеров. Данный параметр можно определить различными методами: для неорга

нических диэлектриков - по минералогической шкале, для органических - по спо­собу Бринелля или с помощью маятника Кузнецова.

В основе минералогической или условной десятичной шкалы твёрдости лежит ряд природных материалов, расположенный по их возрастающей твёрдости. Твёр­дость талька принята за единицу

1 Тальк 1 6. Ортоглаз 900

2. Гипс 1,4 7. Кварц 1500

3. Кальцит 10 8. Топаз 5500

4. Флюорит 27 9. Корунд 360000

5. Апатит 44 10. Алмаз 5000000

Твёрдость вещества определяют по сопротивлению нанесению на его поверх­ности царапин. Например, корундом можно нанести царапины на поверхности об­разцов минералов 1-8. Следует отметить, что приведенные цифры приблизительно характеризуют истинные соотношения твёрдости отдельных минералов.

Способ Бринелля заключается в том, что закалённый шарик диаметра D вдав­ливается в образец с определённым усилием Р. После снятия нагрузки, измеряется глубина h отпечатка шарика на поверхности материала или диаметр d лунки. Твер­дость по Бринеллю определяется по формуле

(5.7)

Химические свойства диэлектриков. В процессе изготовления и эксплуатации электроизоляционные материалы подвергаются воздействию различных химических веществ. В связи с этим важно, чтобы при длительной работе материалы не вызыва­ли коррозию соприкасающихся с ними металлов, а также не разрушались с выделе­нием побочных продуктов. Кроме того, они не должны реагировать с окружающими веществами.

Растворимость твёрдых материалов оценивается количеством материала пере­шедшего в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприка­сающейся с растворителем.

Эта характеристика важна для подбора подходящих растворителей, лаков , а также для прогнозирования стойкости твёрдых материалов к воздействию различ­ных жидкостей.

При определении химостойкости образцы материалов на длительное время по­мещают в условия, по возможности близкие к эксплуатационным с точки зрения выбора концентрации химически активной среды, температуры, давления и т.д. По­сле этого определяют изменение внешнего вида образцов, их массы и других пара­метров.

Для масел и других электроизоляционных жидкостей измеряют кислотное чис­ло, характеризующее содержание в веществе свободных кислот. Эта величина опре­деляет технологические особенности материала, а также способность диэлектрика вызывать коррозию соприкасающихся с ним тел. В трансформаторном масле высо­кое кислотное число является признаком плохой очистки или далеко зашедшего процесса старения масла.

Кислотное число - это количество грамм едкого кали, требующегося для того, чтобы нейтрализовать все свободные кислоты, содержащиеся в одном килограмме испытываемого материала.

Литература:[I.e.73 - 88]

Контрольные вопросы:

1.Опишите способы уменьшения гигроскопичности диэлектриков.

2.Перечислите параметры, характеризующие тепловые свойства диэлектриков. Дайте им краткую характеристику.

3.Перечислите классы нагревостойкости, на которые разделяются электроизоля­ционные материалы.

4.Перечислите параметры, характеризующие механические свойства диэлектри­ков и укажите факторы, оказывающие на них влияние.

5.Перечислите параметры, характеризующие химические свойства диэлектриков.