Вопрос 6.1. Газообразные диэлектрические материалы

Газообразные диэлектрики широко используются при изготовлении высоковольтных аппаратов (воздушные и элегазовые выключатели, разрядники и др.). В ряде электро- и радиотехнических, радиоэлектронных устройств и приборов применяются газонаполненные элементы, где важны не только общефизические свойства газов, но и их электрические характеристики.Самым важным свойством газов с точки зрения употребления в электроаппаратуре - это способность их восстанавливать электрическую прочность. Другими существенными характеристиками являются малые плотность и диэлектрическая проницаемость, высокое значение удельного сопротивления, малый тангенс угла диэлектрических потерь tg, практически отсутствие старения, инертность ряда газов по отношению к твердым и жидким материалам, нетоксичность, способность работать при низких температурах и высоком давлении, негорючесть. Теплопроводность газов по сравнению с  твердых тел и жидкостей невелика.Основным недостатком газообразной электрической изоляции является ее низкая электрическая прочность, а именно Е_пр составляет около 10⁶ В/м, однако в ряде случаев этот дефект не имеет значения.При работе в одинаковых условиях электрическая прочность воздуха, азота и кислорода равны. Самая маленькая электрическая прочность у инертных газов. Так, у гелия она в 3 раза меньше, чем у воздуха, а для неона в семь раз, а именно 1,0∙10⁶ В/м и 4,29∙10⁵ В/м соответственно. Достаточно высокую пробивную напряженность имеют такие газообразные диэлектрики, как элегаз (шестифтористая сера) SF₆ и фреон CCl₂F₂. Их электрическая прочность превышает Е_пр воздуха примерно в 2,5 раза и составляет около 7,5∙10⁶ В/м. В десять раз большей пробивной напряженностью (3,0∙10⁷ В/м) по отношению к воздуху обладают представители перфторированных углеводородов, в частности пары фторфенантрена С₁₄F₂₄. Воздух представляет собой смесь газов, которая состоит из азота N₂ (78,03 об. %), кислорода О₂ (20,93 %), углекислого СО₂ (0,03 %) и инертных газов (Не, Хе, Ar, Ne, Кг) (0,1 %). При 15 - 20 °С плотность воздуха равна 1,225 - 1,205 кг/м³. Электрическая прочность воздуха равна 310⁶ В/м. Теплопроводность воздуха  составляет 0,03 Вт/(м·К). Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные конденсаторы и выключатели и т. п. Однако чаще всего он является вспомогательным изолятором, окружающим детали и узлы.Азот N₂ - бесцветный газ, не имеющий запаха. Он бесцветен также в жидком и твердом состоянии. Обладает одинаковой с воздухом электрической прочностью, но менее активен, чем воздух, который содержит кислород. Молекула газообразного азота двухатомна и не распадается на отдельные атомы даже при высокой температуре. Получают азот из атмосферного воздуха сжижением с последующей ректификацией. Содержание чистого азота в газообразном продукте колеблется от 99 до 99,9 %, а в жидком составляет 96 %. Количество кислорода в газообразном азоте достигает не более 1 %, а в жидком - 4 %. Азот химически инертен, при комнатной температуре не реагирует с металлами, за исключением лития. При нагревании соединяется с некоторыми металлами (магний, кальций), а при очень высокой температуре непосредственно с кислородом и водородом. В чистом виде азот применяется сравнительно редко (для высоковольтных конденсаторов постоянной емкости, для наполнения баллонов осветительных ламп). В микроэлектронике газообразный азот употребляют в качестве защитной среды, а жидкий - для наполнения ловушек в вакуумных системах.Водород Н₂ - бесцветный горючий газ, не имеющий запаха; самый легкий из всех газов (1 л водорода при нормальных условиях имеет массу 0,09 г). Водород технический в зависимости от марки получают электролизом воды и хлористых солей или паровой конверсией углеводородных газов. Общее содержание примесей в виде кислорода О₂, азота N₂, окиси углерода СО, двуокиси углерода СО₂ и метана составляет 0,2 - 5,0 %. Жидкий водород производится промышленностью многих стран, как ракетное топливо, в больших количествах. Смеси технического водорода с хлором, кислородом и воздухом взрывоопасны. Нижний предел взрываемости смеси водорода с воздухом равен 4 об. %, а верхний - 75 об. %, а водорода с кислородом соответственно 4 об. % и 94 об. %. Смесь водорода с хлором в соотношении 1 : 1 взрывается на свету. При работе с водородом необходимо соблюдать осторожность. Электрическая прочность водорода примерно на 40 - 50 % ниже воздуха и составляет (1,5 - 1,8)∙10⁶ В/м. Если к струе водорода поднести зажженную спичку, то водород загорается и горит несветящимся пламенем. При поджигании смеси, состоящей из двух объемов водорода и одного объема кислорода, происходит почти мгновенное соединение газов, которое сопровождается взрывом. Такая смесь называется гремучим газом. Температура водородного пламени примерно равна 1000 °С, а при введении в него избыточного кислорода - 2500 - 3000 °С. Водород обладает свойствами, особо благоприятными для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха, так как имеет высокую удельную теплопроводность и теплоемкость, а именно  = 0,2 Вт/(м·К). Крупные электрические машины заполняются водородом для снижения потерь мощности на трение ротора в газе и замедления старения органических компонентов изоляции. Водород используют в качестве восстановительной среды при пайке и термической обработке.Гелий Не - инертный газ, самый легкий из всех инертных газов (его плотность примерно в восемь раз ниже таковой для воды при нормальной температуре, но несколько выше, чем у водорода. Он не горит, не поддерживает горение. При комнатной температуре обыкновенное стекло, железо, палладий и платина непроницаемы для гелия, однако он проникает через кварцевое стекло, а при высокой температуре - через фосфор. Он обладает уникальными свойствами. Так гелий имеет достаточно низкую электрическую прочность (примерно в 3 раза меньшую, чем у воздуха, а именно 1,0∙10⁶ В/м), наименьшую по сравнению со всеми газами температуру сжижения (4,216 К при атмосферном давлении); диэлектрическая проницаемость жидкого и газообразного гелия практически равны, коэффициент термического расширения газообразного и жидкого гелия одного порядка. Благодаря чрезвычайно низкой теплоте испарения сжиженный гелий применяют в качестве низкотемпературного хладагента. При испарении жидкого гелия была получена самая низкая температура, всего на несколько десятых градуса выше абсолютного нуля. В микроэлектронике гелий применяют в качестве индикаторного газа при контроле герметичности микросхем.Аргон Аг - бесцветный инертный газ, почти в 2 раза тяжелее воздуха (1 л аргона при нормальных условиях имеет массу 1,781 г). Обладает совокупностью благоприятных свойств: относительно низким потенциалом ионизации, химической инертностью, невысокой теплопроводностью, более простой по сравнению с другими инертными газами технологией получения и очистки. Применяется в газоразрядных приборах и осветительных лампах, в микроэлектронике в качестве защитного газа при микропайке, микросварке; при сборке и межоперационном хранении приборов в инертной среде; как газ-носитель при производстве полупроводниковых материалов.Вследствие своей малой теплопроводности криптон и ксенон применяются в производстве некоторых видов электрических ламп. Иногда в качестве криогенного хладоагента используется жидкий неон, температура кипения которого лишь ненамного превосходит таковую у водорода. Для неона, как и для всех инертных газов, характерно весьма малое различие в температурах кипения и плавления и составляет всего 3,5 К, в то время как для азота эта разность приблизительно равна 14 К. Химическая инертность неона - это его преимущество перед взрывоопасным водородом. Однако Ne очень дорогой. Электрическая прочность неона в семь раз меньше, чем у воздуха, а именно равна 4,29∙10⁵ В/м.Шестифтористая сера (гексафторид серы SF₆) обладает электрической прочностью примерно в 3 раза большей, чем воздух и составляет около 8,9∙10⁶ В/м. Впервые в 30-х годах 20 века исследовавший этот газообразный диэлектрик советский ученый Б. М. Гохберг назвал его элегазом (сокращение от слов «электричество» и «газ»). 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) равна -63 °С. Низкие значения последних параметров означают возможность применения элегаза при низких температурах. Элегаз не токсичен, взрывобезопасен, химически стоек, не разлагается при нагревании (до 800 °С), может быть сжат (при нормальной температуре) без сжижения до давления 2 МПа, примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает достаточно низкой температурой кипения. К одному из недостатков элегаза относится его относительно высокая стоимость. Для удешевления изделий или технологических операций с применением элегаза его часто используют в смеси с более дешевым азотом. 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 применяется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, так как электрическая прочность увеличивается с ростом давления. На основе элегазовой изоляции созданы и эксплуатируются ряд электроустройств, применяется в газонаполненных высоковольтных конденсаторах, кабелях, выключателях, компактных ЗРУ (закрытые распределительные устройства), а также в качестве электроотрицательного газа при контроле герметичности микросхем. 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 кг.Дихлордифторметан CCl₂F₂ - так называемый хладон-12. Его электрическая прочность в 2,5 раза больше, чем у воздуха и равна 7,5∙10⁶ В/м, температура кипения 242,7 К (-30,5 °С), при нормальных условиях может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Хладон-12 вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов.Многие перфторированные углеводороды, имеющие состав, описываемый общей формулой С_хF_y при нормальных условиях являются газами (СF₄, С₂F₆, С₃F₈, С₄F₈ и С₄F₁₀). Их электрическая прочность в 6 - 10 раз превосходит Е_пр воздуха. По сравнению с жидкими диэлектриками обладают значительно меньшей плотностью, более высокими нагревостойкостью и устойчивостью к старению.Даже небольшая примесь элегага, фреона и перфторированных газов к воздуху заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.В микроэлектронике применяют различные газы и их смеси, к чистоте которых предъявляются высокие требования, так как наличие примесей в виде посторонних газов и взвешенных частиц может привести к снижению электрических параметров готовых приборов. Общее содержание примесей в исходных газах должно составлять не более 0,5 - 1,0 %. Основную массу примесей, попадающих в газ по причине газовыделений стенок аппаратуры, составляют пары воды. Кроме того, в газах могут содержаться окись углерода, сернистый газ, хлор, фтор. Чтобы снизить уровень загрязнений газов, трубопроводы, вентили и части установок изготавливают из высокочистых вакуумных материалов с низким газоотделением (нержавеющей стали, меди, алюминия, стекла, фторопласта и др.). Сушку газов проводят с помощью адсорбентов (силикагель, алюмогель или цеолит), которые обладают высокой адсорбционной способностью. Транспортируют газы в металлических баллонах, которые имеют окраску, соответствующую определенному виду газа.