4.Жидкие диэлектрики. Нефтяные электроизоляционные масла. Способ получения. Применение. Достоинства и недостатки.

Жидкие диэлектрики в сравнении с газообразными обладают ря­дом преимуществ: у них примерно в три раза и более выше электри­ческая прочность, в три раза больше теплоемкость, в 30 раз выше те­плопроводность. Электрические свойства в значительной мере зависят от степени их очистки. Даже небольшое содержание ионо­генной примеси заметно ухудшает их электрические характеристики. Особенно существенно на Е_пр жидких диэлектриков влияет нерас- творенная полярная примесь, например вода.

Основное назначение жидких диэлектриков заключается в повы­шении электрической прочности твердой пористой изоляции, отводе тепла от обмоток трансформатора, гашении электрической дуги в масляных выключателях. В конденсаторах жидкие диэлектрики, про­питывая твердую изоляцию, повышают ее Е_пр и е и тем самым — U_HOM и емкость конденсатора. Наиболее распространенными жидкими ди­электриками являются: нефтяные масла — трансформаторное, кон­денсаторное и кабельное; синтетические жидкости — полихлордифе- нил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические. Растительные технические масла — касторовое, льняное, конопля­ное и тунговое — в настоящее время в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

Нефтяные масла — это слабовязкие, практически неполярные жид­кости. По химическому составу они представляют смесь различных углеводородов парафинового, нафтенового (углеводороды с пяти- и шестичленными циклами), ароматического и (содержат бензольные кольца) нафтеново-ароматического рядов с небольшим (до 1 мас.%) со­держанием присадок, улучшающих их стойкость к термоокислительно­му старению, а также температурно-вязкостные характеристики.

Нефтяные масла — желтого цвета (от почти бесцветного до тем­ного). Чем глубже очистка, тем светлее масло. С ростом содержания ароматических углеводородов и полярной примеси гигроскопич­ность масел увеличивается. Поэтому масла окисленные всегда более гигросщпичны и имеют пониженные электрические свойства. Хи­мический состав, а следовательно, свойства и стабильность масла за­висят от месторождения нефти.

Примение: Нефтяное трансформаторное масло получило наиболее широ­кое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных вводах. В трансформато­рах нефтяное масло выполняет две основные функции: во-первых, заполняя поры волокнистой изоляции и промежутки между провода­ми обмоток, а также токопроводящими частями и баком трансфор­матора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, улучшает отвод тепла, выделяющегося за счет потерь мощности в обмотках и в сердечнике трансформатора. В масляных выключателях трансформаторное масло способствует еще и быстро­му гашению электрической дуги.

Получение: Нефтяные масла получают путем ступенчатой перегонки нефти с выделением и последующей обработкой первой масляной фрак­ции — солярового масла. Обработка заключается в тщательной очи­стке от химически нестойких соединений (непредельных углеводо­родов, перекисей и т.п.) и полярной примеси. Очистка достигается путем последовательной обработки серной кислотой, щелочью, про­мывки водой и сушки. В ряде случаев электроизоляционные масла дополнительно обрабатывают адсорбентами, которые активно погло­щают остатки воды и полярную примесь.

Достоинства и недостатки: Нефтяные электроизоляционные масла являются наиболее дос­тупными и недорогими жидкими диэлектриками, обладающими при хорошей очистке достаточно высокими электроизоляционными ха­рактеристиками — малой величиной tgS и высокой Е_пр. Недостатки нефтяных масел: пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость к тепловому и электрическому старению, гигроскопичность (достаточ­но высокая у окисленных масел). Для пропитки бумажных конденса­торов желательно иметь жидкий диэлектрик с более высоким значе­нием е.

5.Синтетические жидкие диэлектрики. Способ получения. Применение. Достоинства и недостатки. Некоторые свойства рассматриваемых ниже жидких синтетиче­ских диэлектриков лучше, чем у нефтяных масел. Наиболее широко распространенными из них являются полихлордифенил, кремнийор- ганические и фторорганические жидкости.

Полихлордифенил (совол) — хлорированный продукт дифенила С₁₂Н₁₀, по своему составу близок к пентахлордифенилу С₁₂Н₅С15. Представляет собой густую бесцветную жидкость, токсичную, дейст­вующую раздражающе на кожу и слизистую оболочку. Его вязкость при 40°С в четыре раза выше, чем у нефтяного трансформаторного масла, Гзаст = 5°С. Это полярный диэлектрик. Его электрические свойства: при 20°С и 1 кГц: г «5 и tg5 «(5—10)-10”³; р » 10^п Омм; Е_пр « 15 кВ/мм, к.ч. = 0,015 — 0,020 мг КОН/1г образца. Может при­меняться для пропитки бумажных силовых конденсаторов. Замена нефтяного масла при пропитке бумажных конденсаторов полихлор- дифенилом позволяет повысить их емкость на 50 %.

Полихлордифенил негорюч, пожаробезопасен, стоек к окисле­нию. Его недостатки: под действием постоянного напряжения разла­гается с выделением хлористого водорода, ухудшающего его электри­ческие свойства, а также разрушающего металлические электроды. Полихлордифенил в 4—10 раз дороже нефтяных масел.

Совтол — раствор полихлордифенила (совола) в трихлорбензоле С₆Н₃С1₃. Имеет меньшую, чем совол, вязкость и температуру засты­вания (Т_злс = —30°С), токсичен. Совол и совтол действуют разрушаю­ще на резину, краски и некоторые другие материалы. Из-за токсич­ности в ряде стран (Япония) они запрещены законом к использованию в электротехнике.

Кремнийорганические жидкости — вещества, молекулы которых состоят из чередующихся атомов кремния Si и кислорода О (струк­турную формулу см. выше) и имеют линейное строение. Кремний- кислородная связь называется силоксановой и имеет высокую тер­мическую и химическую стойкость (энергия связи равна 374 кДж/моль), поэтому кремнийорганические соединения устойчивы при высоких температурах (вплоть до 250°С).

Кремнийорганические жидкости бесцветны, растворимы в орга­нических растворителях (например, бензоле), нерастворимы в воде и спиртах. Нетоксичны, не вызывают коррозии металлов, обладают очень низкой гигроскопичностью и морозостойкостью (—70°С ). Их можно отнести к неполярным диэлектрикам. При 20°С и 100 Гц е = 2,4-2,8, tg8 = (1 — 3)10"⁴, р = 10¹¹ — 10¹² Ом-м, £_пр=14-18 кВ/мм. Используют для пропитки конденсаторов, работающих при повышенных температурах.

Недостатки: сравнительно легко загораются (горят сильно коптя­щим пламенем), значительно (в несколько десятков и даже сотен раз) дороже нефтяных масел.

Фторорганические жидкости — вещества, молекулы которых со­стоят из атомов углерода и фтора, при этом молекулярную цепь об­разуют атомы углерода. В зависимости от величины молекул эти со­единения могут быть газообразными (например, CF₄, C₂F₆, C₃F₈, C₄F₈, C₄F₁₀), жидкими (например, C₅F₈, C₈F₁₆, C₁₄F₂₄) или твердыми (например, полимер ПТФЭ (—CF₂—CF₂—)„ (^см- ^гл* 7.2.1). Эти со­единения пожаробезопасны ( полностью негорючи), трекингостой­ки, абсолютно негигроскопичны и имеют высокую нагревостойкость (до 300°С).

Фторорганические жидкости — неполярный диэлектрик: при 20°С и 100 Гц £ » 2,2 — 2,5; tgS » (1 - 2)-10“⁴; р 10¹²—10¹⁴ Омм, Е_пр = 12—19 кВ/мм. Они обеспечивают более интенсивный отвод те­пла от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов трансформатора, чем нефтяные масла и кремнийорганические соединения. Кроме того, их пары над жидкостью, в особенности при повышенном дав­лении, значительно увеличивают электрическую прочность газовой среды в аппарате и повышают U_p.

Недостатки: токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, взаимодействие с резинами, окисью железа (окалиной, ржавчиной), медью, что приводит к их загрязнению, а также высо­кая стоимость (более чем в 1000 раз дороже нефтяных масел).