16. Классификация диэлектриков по виду поляризации

Особенности поляризации дают возможность классифицировать все диэлектрики на несколько групп.

К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией. Таковыми являются, например, неполярные и слабополярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабополярные жидкости и газы (бензол, водород и др.).

Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями. К ним принадлежат полярные (дипольные) органические, полужидкие и твердые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза), а также некоторые хлорированные углеводороды.

Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно-электронно-релаксационной поляризациями. В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов ввиду существенного различия их электрических характеристик:

1) диэлектрики с электронной и ионной поляризациями;

2) диэлектрики с электронной, ионной и релаксационными поляризациями.

К первой группе преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, каменная соль (рисунок 1.2,а), корунд, рутил). Ко второй принадлежат неорганические стекла, материалы, содержащие стекловидную фазу (фарфор, микалекс), и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке.

Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релаксационной поляризациями: сегнетова соль, метатитанат бария и другие.

Приведенная выше классификация диэлектриков позволяет до известной степени предопределять основные их электрические свойства, как это показано далее.

17. Классификация магнитных материалов

Магнитным материалом называют материал, применяемый в технике с учетом его магнитных свойств.

Принято выделять две основные группы магнитных материалов: магнитомягкие и магнитотвердые; в третью группу включают магнитные материалы специального назначения, имеющие сравнительно узкие области применения.

К магнитомягким относят магнитные материалы с малой коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т.п.

К магнитотвердым относят материалы с большой коэрцитивной силой. Они перемагничиваются лишь в очень сильных магнитных полях и служат в основном для изготовления постоянных магнитов.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми с Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитотвердых материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1А/м, а в лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м.

Процессы намагничивания материалов обеих групп протекают аналогично, но количественное соотношение процессов смещения границ и вращения различно. Процессы смещения границ требуют меньших затрат энергии, чем процесс вращения. В магнитомягких материалах намагничивание происходит в основном за счет смещения границ, а в магнитотвердых — за счет вращения.

Термины «магнитомягкий» и «магнитотвердый» не являются характеристикой механических свойств материала. Существуют механически мягкие, но магнитотвердые материалы и наоборот.

К группе магнитных материалов специального назначения можно отнести материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для СВЧ, магнитострикционные, термомагнитные и некоторые другие (например, с постоянной и в слабых полях).

Кривая намагничивания.

Это важнейшая характеристика магнитных материалов, она показывает зависимость намагниченности или магнитной индукции материала от напряженности внешнего поля Н. Магнитная индукция материала Bi измеряется в теслах (Тл) и связана с намагниченностью М формулой

Основная (коммутационная) кривая намагничивания представляет собой геометрическое место вершин петель гистерезиса, полученных при циклическом перемагничивании (см. рис. 1.1) и отражает изменение магнитной индукции В в зависимости от напряженности магнитного поля Н, которое создается в материале при намагничивании. Напряженность магнитного поля в образце в виде тороида, когда магнитная цепь замкнута, равна напряженности внешнего поля Нв. В разомкнутой магнитной цепи на концах образца появляются магнитные полюса, создающие размагничивающее поле Нр. Разница между магнитными напряженностями внешнего и размагничивающего полей определяют внутреннюю магнитную напряженность Hi материала.

Магнитный гистерезис

Гистерезис - это термин, который применяется ко всем тем физическим явлениям, при которых реакция тела на внешние силы различна в зависимости от того, было ли оно до того момента подвергнуто действию тех же сил или же оно им подвергается впервые. В каждый данный момент гистерезисные свойства тела являются, таким образом, результатом всей его предшествующей истории. При удалении действующих сил тело проявляет «остаточные» свойства.

Если подвергать действию магнитного поля кусок стали, обладающий гистерезисом, меняя либо величину, либо направление поля, то образец будет проявлять остаточные свойства. Так, например, при полном удалении действовавшего поля намагничивание образца не исчезнет — будет наблюдаться некоторое «остаточное намагничивание:».

Если затем снова начать увеличивать поле, дав ему противоположное направление, то образец будет все еще сохранять свое первоначальное остаточное намагничивание. С ростом обратного поля это намагничивание будет убывать, и при некотором значении напряженности поля прежнее остаточное намагничивание исчезнет, и образец не будет намагниченным вовсе.

Лишь при дальнейшем росте обратного направления образец станет намагничиваться в направлении этого поля. Напряженность обратного поля, при которой исчезает всякое намагничивании, называется «коэрцитивной силой», или, иногда, «магнитной жесткостью». Если графически нанести намагничивание в зависимости от величины и направления поля, то получается так называемая “гистерезисная петля”. Намагничивание всегда связано с затратой энергии. В случае гистерезиса намагничивание необратимо, и потому прохождение цикла гистерезиса связано с потерей энергии — образец нагревается. Размер потерянной энергии определяется площадью гистерезисной петли. В совершенно чистых и однородных (отожженных) кристаллах железа и никеля гистерезис отсутствует. Напротив, он резко выражен в образцах, состоящих из большого числа мелких спрессованных кристалликов, у многих сплавов железа, кобальта, никеля, у некоторых минералов, содержащих железо (магнитный железняк и тому подобное).

Основная кривая намагничивания (рис 1.2) имеет ряд характерных участков, которые можно условно выделить при намагничивании монокристалла ферромагнетика. Первый участок кривой намагничивания соответствует процессу смещения границ менее благоприятно ориентированных доменов. На втором участке происходит поворот векторов намагниченности доменов в направлении внешнего магнитного поля. Третий участок соответствует парапроцессу, т.е. завершающему этапу процесса намагничивания, когда сильное магнитное поле поворачивает в направлении своего действия не сориентированные магнитные моменты доменов ферромагнетика.

Описание

Магнитный гистерезис наблюдается в магнитоупорядоченных веществах (в определенном интервале температур), например в ферромагнетиках, обычно разбитых на домены  области спонтанной (самопроизвольной) намагниченности, у которых величина намагниченности (магнитный момент единицы объема) одинакова, но направления различны.

Под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счет других доменов. Векторы намагниченности отдельных доменов могут поворачиваться по полю. В достаточно сильном магнитном поле ферромагнетик намагничивается до насыщения, при этом он состоит из одного домена с намагниченностью насыщения JS, направленной вдоль внешнего поля H.

 

Типичная зависимость намагниченности от магнитного поля в случае гистерезиса

 

 

Рис. 1

 

В результате многочисленных исследований установлена следующая общая картина процесса намагничивания ферромагнетиков.

В отсутствии внешнего магнитного поля ферромагнетик разбивается на домены таким образом, что его результирующий магнитный момент близок к нулю. При включении внешнего магнитного поля энергии отдельных доменов делаются неодинаковыми: энергия меньше для тех доменов, в которых вектор намагниченности образует с направлением поля острый угол, и больше в том случае, если этот угол тупой. Поэтому возникает процесс смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей энергией уменьшается. В случае слабых полей эти смещения границ обратимы и точно следуют за изменением внешнего поля. При увеличении поля смещение границ доменов делаются необратимыми. При достаточной величине поля энергетически невыгодные домены исчезают вовсе. Если поле увеличивать еще больше, то возникает новый тип процесса намагничивания, при котором изменяется направление магнитного момента домена. В очень сильном магнитном поле HS магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю. В этом состоянии ферромагнетик имеет наибольший магнитный момент, то есть намагничен до насыщения, следовательно, при дальнейшем увеличении внешнего поля величина намагниченности JS  не меняется.

При уменьшении напряженности внешнего магнитного поля до HS значение намагниченности JS не будет меняться, при дальнейшем уменьшении напряженности внешнего магнитного поля значение намагниченности будет уменьшаться сначала за счет изменения направления магнитного момента домена, а затем преимущественно за счет возникновения и роста доменов с магнитным моментом, направленным против поля. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Это движение происходит скачками из-за наличия в образце дефектов (неоднородностей, примесей и т. п.), на которых доменные стенки задерживаются. Поэтому при уменьшении поля до нуля у образца сохраняется так называемая остаточная намагниченность JR. Образец полностью размагничивается лишь в достаточно сильном поле противоположного направления HK, называемом коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении магнитного поля обратного направления образец вновь намагничивается вдоль поля до насыщения. При циклическом изменении поля графическая зависимость, характеризующая изменение намагниченности образца, образует замкнутую кривую  петлю магнитного гистерезиса. 

Вектор магнитной индукции связан с векторами намагниченности и напряженности внешнего магнитного поля:

 

B = m0(J+H).

 

Следовательно, можно построить график зависимости магнитной индукции от напряжения внешнего магнитного поля. Очевидно, что вид кривой будет аналогичен кривой намагниченности, то есть при циклическом изменении поля будет иметь вид замкнутой кривой, которая так же носит название петли гистерезиса. Однако в области полей больших HS магнитная индукция не достигает насыщения, а растет линейно (что видно из уравнения).

 

Непредельные петли гистерезиса

 

 

Рис. 2

 

Если величину магнитного поля циклически изменять в таких пределах, что насыщение не достигается, то получается непредельная петля гистерезиса.

Площадь петли магнитного гистерезиса пропорциональна энергии, теряемой в образце за один цикл изменения поля. Эта энергия идет, в конечном счете, на нагревания образца. Такие потери называют гистерезисными.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -2 до 1);

Время существования (log tc от 15 до 15);

Время деградации (log td от 1 до 4);

Время оптимального проявления (log tk от -2 до 0).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Реализация наблюдения магнитного гистерезиса

Наблюдение гистерезиса проще всего осуществить по остаточной намагниченности. Именно, образец магнитно-жесткого ферромагнитика помещается на десять-сто секунд в постоянное магнитное поле. Затем источник магнитного поля устраняется, и наблюдается остаточная намагниченность образца. При многократном повторении опыта направление остаточной намагниченности меняется в соответствии с изменением направления внешнего поля, осуществлявшего намагничивание образца в последнем цикле.

Применение эффекта

Мягие ферромагнетики (мягкое железо, сплав пермолой), обладающие малым значением коэрцитивной силы HK (малыми потерями энергии), используют для изготовления сердечников трансформаторов, статоров и роторов генераторов.

Жесткие ферромагнетики (углеродистые стали, специальные сплавы), обладающие большим значением коэрцитивной силы HK, используют для изготовления постоянных магнитов.

МАГНИ́ТНЫЕ ПОТЕ́РИ, потери на перемагничивание ферромагнетиков. Складываются из потерь на гистерезис, на вихревые токи и на магнитное последействие.

Потери на гистерезис. Обусловлены необратимыми процессами перемагничивания. Потери на гистерезис за один цикл перемагничивания (т.е. за один период изменения поля), отнесенные к единице объема вещества, определяются площадью статической петли гистерезиса. Для вычисления этих потерь можно использовать эмпирическую формулу Эг=mⁿ, где — коэффициент, зависящий от свойств материала, m — максимальная индукция, достигаемая в данном цикле, n — показатель степени, принимающий значения от 1,6 до 2 в зависимости от m.

Потери на вихревые токи. В проводящей среде за счет ЭДС самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока, возникают вихревые токи. Вихревые токи нагревают проводники, в которых они возникли. Это приводит к потерям энергии в магнитопроводах (в сердечниках трансформаторов и катушек переменного тока, в магнитных цепях машин). Для уменьшения потерь на вихревые токи необходимо использовать материал с повышенным удельным сопротивлением, либо собирать сердечник из тонких слоев, изолированных друг от друга.

Потери на магнитное последействие. Обусловлены магнитной вязкостью — отставанием магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Спад намагниченности ферромагнетиков происходит не мгновенно, а течение некоторого промежутка времени. Время установления стабильного магнитного состояния существенно возрастает с понижением температуры. Одна из основных причин магнитного последействия — тепловая энергия, которая помогает слабо закрепленным доменным границам преодолевать энергетические барьеры, мешающие их свободному смещению при изменении поля. Физическая природа потерь на магнитное последействие во многом аналогична релаксационной поляризации диэлектриков.

18. Производство масла для трансформаторов

Первой операцией по обработке нефти является фракционная перегонка под вакуумом. При перегонке нефть путем испарения разделяется на ряд фракций, каждая из которых содержит близкие по температуре кипения и сходные по свойствам углеводороды.

Сначала от нефти отделяются наиболее легкие углеводороды: бензин, лигроин, керосин; затем перегоняются более тяжелые фракции, так называемый соляровый дестиллат, из которого и готовится трансформаторное масло.

Несмотря на сравнительно узкие пределы температур, перегонка не обеспечивает однородного состава масла, так как в дестиллат попадает целый ряд смежных фракций. Кроме того, в дестиллате имеются вредные примеси, ухудшающие свойства масла и сокращающие срок его службы.

При производстве, для получения полноценного продукта погон нефти подвергается очистке от нефтяных кислот, смол, серы и ненасыщенных соединений. Эта операция называется рафинированием. Дестиллат в течение определенного времени обрабатывается крепкой серной кислотой, которая окисляет все непредельные соединения и смолы и превращает их в нерастворимый кислый гудрон, который выпадает в осадок.

Кислый гудрон, находясь в контакте с маслом, разрушает основные углеводороды. Поэтому для уменьшения причиняемого им вреда обработка кислотой производится при возможно более низкой температуре и гудрон удаляется из масла как можно скорее. Для этого дают в течение 40—60 мин. основной массе гудрона осесть на дно и, не ожидая полного отстоя, сливают трансформаторное масло и обрабатывают его отбеливающей землей или жидким стеклом, которые способствуют образованию крупных хлопьев гудрона и быстрому его оседанию. Кислота для более энергичного действия применяется концентрированная (95—100%) и вводится в несколько приемов небольшими порциями. Общее количество кислоты достигает 12—14% от веса дестиллэта.

Для нейтрализации избытка серной кислоты, оставшейся в масле, и для удаления нафтеновых кислот масло обрабатывается водным раствором щелочи (едкого натра); образовавшиеся при этом соли, мыла и эмульсии отделяются отстаиванием.

Оставшееся в масле незначительное количество солей и мыл ведет к его окислению, поэтому после отстоя масло должно быть тщательно промыто водой. Плохая промывка весьма опасна и может быть обнаружена по повышенной зольности, недостаточной стабильности, по наличию водорастворимых кислот и щелочей и по другим признакам.

Однако могут быть случаи, когда плохо промытое масло удовлетворяет всем нормам и все же содержит значительные количества сульфита натрия, образовавшегося при нейтрализации серной кислоты едким натром. Сульфит натрия с водой образует проводящий раствор, резко снижающий пробивное напряжение, и поэтому представляет большую опасность. Количество сульфита может быть столь велико, что он выпадает из раствора и образует на дне бочек сетку кристаллов. На одной ТЭЦ было несколько аварий вследствие заливки — в аппараты плохо промытого масла.

Присутствие сульфита натрия можно обнаружить следующим образом. В водную вытяжку масла, приготовленную так же, как для определения реакции масла, прибавляют несколько капель соляной кислоты и затем равный объем 10% раствора хлористого бария. Появление мути или осадка сернокислого бария указывает на присутствие сульфита.

Для полного удаления влаги промытое масло подвергается сушке продувкой воздуха.

Окончательная очистка трансформаторного масла производится обработкой его при температуре 70—80° отбеливающей землей, путем перемешивания масла с мелко размолотой землей. Отбеливающие земли или глины удаляют последние остатки смол и кислот и масло получает свой приятный соломенный цвет.

Описанный метод рафинирования основан на химическом взаимодействии серной кислоты с ненасыщенными углеводородами. Кроме этого существует метод рафинирования с помощью сернистого ангидрида, однако его широкому применению препятствует дороговизна процесса и сложность аппаратуры.

Применение трансформаторного масла

В большинстве трансформаторов, применяемых для энергоснабжения, используется трансформаторное масло, получаемое из нефти. И только часть распределительных трансформаторов заполняется негорючей синтетической жидкостью и часть выполняется в сухом виде, т. е. без заполнения жидким диэлектриком. Как правило, все трансформаторы номинального напряжения выше 35 кВ заполняются трансформаторным маслом. Масло в трансформаторе выполняет две функции: электрической изоляции и передачи тепла от активной части трансформатора к устройствам охлаждения. В качестве диэлектрика трансформаторное масло используется в трех основных типах изоляционных конструкций: — Чисто масляные промежутки, например, между контактами переключающих устройств. — Масляные промежутки в комбинации с пропитанной маслом твердой  изоляцией. Например, изоляция между обмотками, имеющими твердую витковую изоляцию и масляный промежуток, подразделенный барьерами из пропитанного маслом электротехническою картона. — Пропитанная маслом твердая изоляция, например между витками обмотки и в высоковольтных конденсаторных вводах с бумажно-масляной изоляцией. Потери энергии в трансформаторе вызывают нафен обмоток, магнитной системы, а также деталей конструкции. Нагрев ограничен передачей тепла в окружающее пространство. Благодаря относительно малой вязкости и высокой теплоемкости трансформаторное масло является хорошим переносчиком тепла от наиболее нагретых частей трансформатора к его охлаждающим устройствам.

Трансформаторное масло получают перегонкой и последующей очисткой сырой нефти Оно представляет собой смесь углеводородов в пропорциях в зависимости от месторождения нефти. Углеводороды, грубо говоря, делятся на три класса: нафтеновые, парафиновые и ароматические. Нафтеновые и парафиновые являются насыщенными углеводородами, химически стабильными. Они отличаются друг от друга химической структурой, а также физическими и химическими свойствами. Ароматические — являются ненасыщенными углеводородами и поэтому они менее стабильны и более химически активны. Применяемая за рубежом классификация масел как нафтеновых или парафиновых не означает, что эти масла состоят исключительно из нафтеновых или парафиновых углеводородов, а указывает на преобладание характеристик одного из этих классов в смеси нафтеновых, парафиновых и ароматических углеводородов. Источники нафтеновой нефти встречаются все реже и имеется тенденция все более частого применения парафиновой нефти. Это не приводит к каким либо отрицательным последствиям за исключением возможного повышения температуры застывания, что устраняется с помощью специальных добавок. Трансформаторное масло при работе в трансформаторах подвергается тепловому старению, при этом происходит окисление масла и выделение шлама. За последние десятилетия технологические процессы получения масла были значительно усовершенствованы и позволили увеличить срок эксплуатации масла. Масла разных изготовителей (разных марок) допускают смешивание в любой пропорции. Для повышения стабильности масла в него добавляют антиокислительные добавки — ижибиторы. Все марки отечественных масел имеют в своем составе ингибиторы. Однако современные масла, благодаря совершенной технологии их   изготовления, могут быть высокостабильными и не требовать добавки ингибиторов. Для такого масла может потребоваться введение в него ингибиторов только в случаях трансформаторов с тяжелым режимом работы, например, для очень больших трансформаторов. Трансформаторные масла применяют для заливки силовых и измерительных трансформаторов, реакторного оборудования, а также масляных выключателей. В последних аппаратах масла выполняют функции дугогасящей среды.

Общие требования и свойства

Электроизоляционные свойства трансформаторных масел определяются в основном тангенсом угла диэлектрических потерь. Диэлектрическая прочность трансформаторных масел в основном определяется наличием волокон и воды, поэтому механические примеси и вода в маслах должны полностью отсутствовать. Низкая температура застывания масел (-45 °С и ниже) необходима для сохранения их подвижности в условиях низких температур. Для обеспечения эффективного отвода тепла трансформаторные масла должны обладать наименьшей вязкостью при температуре вспышки не ниже 95, 125, 135 и 150 °С для разных марок.

Наиболее важное свойство трансформаторных масел - стабильность против окисления, т. е. способность масла сохранять параметры при длительной работе. В России все сорта применяемых трансформаторных масел ингибированы антиокислительной присадкой - 2,6-дитретичным бутилпаракрезолом (известным также под названиями ионол, агидол-1 и др.). Эффективность присадки основана на ее способности взаимодействовать с активными пероксидными радикалами, которые образуются при цепной реакции окисления углеводородов и являются основными ее носителями. Трансформаторные масла, ингибированные ионолом, окисляются, как правило, с ярко выраженным индукционным периодом.

В первый период трансформаторные масла, восприимчивые к присадкам, окисляются крайне медленно, так как все зарождающиеся в объеме масла цепи окисления обрываются ингибитором окисления. После истощения присадки масло окисляется со скоростью, близкой к скорости окисления базового масла. Действие присадки тем эффективнее, чем длительнее индукционный период окисления масла, и эта эффективность зависит от углеводородного состава масла и наличия примесей неуглеводородных соединений, промотирующих окисление масла (азотистых оснований, нафтеновых кислот, кислородсодержащих продуктов окисления масла).

Международная электротехническая комиссия разработала стандарт (Публикация 296) "Спецификация на свежие нефтяные изоляционные масла для трансформаторов и выключателей". Стандарт предусматривает три класса трансформаторных масел: I - для южных районов (с температурой застывания не выше -30 °С), II - для северных районов (с температурой застывания не выше -45 °С), III - для арктических районов (с температурой застывания -60 °С). Буква А в обозначении класса указывает на то, что масло содержит ингибитор окисления, отсутствие буквы означает, что масло не ингибировано.

Трансформаторные масла работают в сравнительно "мягких" условиях. Температура верхних слоев масла в трансформаторах при кратковременных перегрузках не должна превышать 95 °С. Многие трансформаторы оборудованы пленочными диафрагмами или азотной защитой, изолирующими масло от кислорода воздуха. Образующиеся при окислении некоторые продукты (например, гидроперекиси, мыла металлов) являются сильными промоторами окисления масла. При удалении продуктов окисления срок службы масла увеличивается во много раз. Этой цели служат адсорберы, заполненные силикагелем, подключаемые к трансформаторам при эксплуатации. Срок службы трансформаторных масел в значительной мере зависит также от использования в оборудовании материалов, совместимых с маслом, т. е. не ускоряющих его старение и не содержащих нежелательных примесей. Для высококачественных сортов трансформаторных масел срок службы без замены может составлять 20-25 лет и более.

Перед заполнением электроаппаратов трансформаторное масло подвергают глубокой термовакуумной обработке. Согласно действующему РД 34.45-51.300-97 "Объем и нормы испытаний электрооборудования" концентрация воздуха в масле, заливаемом в трансформаторы с пленочной или азотной защитой, герметичные вводы и герметичные измерительные трансформаторы не должна превышать 0,5 % (при определении методом газовой хроматографии), а содержание воды 0,001 % (мас. доля). В силовые трансформаторы без пленочной защиты и негерметичные вводы допускается заливать масло с содержанием воды 0,0025 % (мас. доля). Содержание механических примесей, определяемое как класс чистоты, не должно быть хуже 11-го для оборудования напряжением до 220 кВ и хуже 9-го для оборудования напряжением выше 220 кВ. При этом показатели пробивного напряжения трансформаторных масел в зависимости от рабочего напряжения оборудования должны быть равны (кВ):

Рабочее напряжение оборудования	Пробивное напряжение масла
До 15 (вкл.)	30
Св. 15 до 35 (вкл.)	35
От 60 до 150 (вкл.)	55
От 220 до 500 (вкл.)	60
750	65

Непосредственно после заливки трансформаторных масел в оборудование допустимые значения пробивного напряжения на 5 кВ ниже, чем у масла до заливки. Допускается ухудшение класса чистоты на единицу и увеличение содержания воздуха на 0,5 %.

В этом же РД указаны значения показателей трансформаторного масла, по которым состояние эксплуатационного масла оценивается как нормальное. При превышении этих значений должны быть приняты меры по восстановлению масла или устранению причины ухудшения показателя. Помимо этого даны значения показателей, при которых масло подлежит замене. В табл. 5.4 приведены требования к эксплуатационным маслам. Сорбенты в термосифонных и адсорбционных фильтрах трансформаторов согласно РД 34.20.501-95 "Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации" следует заменять в трансформаторах мощностью свыше 630 кВ·А при кислотном числе масла более 0,1 мг КОН/г, а также при появлении в масле растворенного шлама, водорастворимых кислот и (или) повышении тангенса угла диэлектрических потерь выше эксплуатационной нормы. В трансформаторах мощностью до 630 кВ·А адсорбенты в фильтрах заменяют во время ремонта или при эксплуатации при ухудшении характеристик твердой изоляции. Содержание влаги в сорбенте перед загрузкой в фильтры не должно превышать 0,5 %.

19. Электрическая прочность — характеристика диэлектрика, минимальная напряжённость электрического поля, при которой наступает электрический пробой. Все газы, а также все твёрдые и жидкие диэлектрики обладают конечной электрической прочностью.

Когда напряжённость электрического поля превышает электрическую прочность, диэлектрик начинает проводить электрический ток. Проводимость вызывается комбинацией ударной ионизации и туннельного просачивания; роль каждого из этих эффектов зависит от конкретного диэлектрика.

ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРО́ЧНОСТЬ, минимальная напряженность однородного электрического поля Е_пр, при которой наступает пробой диэлектриков. Электрическая прочность зависит от материала диэлектрика, конфигурации электродов, внешних факторов, качества диэлектрика, типа воздействующего напряжения. Электрической прочностью обладают все газы, в том числе пары металлов, твердые и жидкие диэлектрики.

При определении электрической прочности для исключения теплового пробоя измерения производятся, как правило, в импульсном режиме, но импульсы напряжения должны быть достаточно длительными, чтобы процессы, приводящие к электрическому пробою, протекали без перенапряжений. Такими процессами являются ударная ионизация либо туннельное просачивание, либо то и другое. При напряжениях выше электрической прочности диэлектрик становится проводником (когда напряженность электрического поля Е достигает пробивной Е_пр, электропроводность скачкообразно возрастает). Переход в проводящее состояние часто приводит к разрушению материала из-за перегрева.

Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит от внешних условий и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н. у.). Эти условия — давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см², межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н. у. имеет электрическую прочность 3.10⁴В/см. Коэффициент k, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород — k = 0.5, гелий — k = 0.2, элегаз к = 2.9, фреон-12 - k = 2.4, перфторированные углеводородные газы k = (4-10).

Жидкие диэлектрики отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие частицы твердых веществ, наличие которых сильно влияет на электрическую прочность жидкого диэлектрика. Зависимость от влажности проявляется при малой влажности, менее 0.01% и выражается в резком уменьшении пробивного напряжения с ростом содержания воды. Для чистых жидкостей, как правило, наблюдаются три области зависимостей электрической прочности от температуры: при низких температурах электрическая прочность падает по мере роста температуры, затем очень слабо меняется и вблизи температуры кипения опять заметное падение.

В твердых диэлектриках чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом Е_пр достигает значений более 10⁶В/м. Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.

Тонкие пленки могут обладать существенно более высокой электрической прочностью, чем массивные образцы. Это свойство получило название электрического упрочнения материалов.

20.ДИЭЛЕКТРИ́ЧЕСКИЕ ПОТЕ́РИ, часть энергии электрического поля, необратимо преобразующаяся в теплоту в диэлектрике, т. е. диэлектрические потери — это электрическая мощность, затрачиваемая на нагрев диэлектрика, находящегося в электрическом поле.

Потери в диэлектриках наблюдаются как при переменном, так и при постоянном напряжении. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется значениями удельных объемного и поверхностного сопротивлений. При воздействии переменного напряжения на диэлектрик в нем, кроме сквозной электропроводности, могут проявляться другие механизмы превращения электрической энергии в тепловую. Поэтому качество материала недостаточно характеризовать только сопротивлением изоляции. Чаще всего для характеристики способности диэлектрика рассеивать энергию в электрическом поле используют угол диэлектрических потерь, а также тангенс этого угла.

Углом диэлектрических потерь d называют угол, равный разности фаз между векторами поляризации Р и напряженности Е электрического поля, т. е. это угол, дополняющий до 90^о угол сдвига фаз j между током и напряжением в емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика вектор тока в такой цепи опережает вектор напряжения на угол 90^о; при этом угол d равен нулю. Чем больше рассеивается в диэлектрике мощность, тем меньше угол сдвига фаз j и тем больше угол диэлектрических потерь и его функция tgd. Тангенс угла диэлектрических потерь непосредственно входит в формулу для рассеиваемой в диэлектрике мощности, поэтому практически наиболее часто пользуются этой характеристикой.

Диэлектрические потери имеют важное значение для материалов, используемых в установках высокого напряжения, в высокочастотной аппаратуре и особенно в высоковольтных, высокочастотных устройствах, поскольку значение диэлектрических потерь пропорционально квадрату приложенного к диэлектрику напряжения и частоте. Материалы, предназначенные для применения в этих условиях, должны отличаться малыми значениями угла потерь и диэлектрической проницаемости. Большие диэлектрические потери в электроизоляционных материалах вызывают сильный нагрев изготовленного из него изделия и могут привести к его тепловому разрушению.

Виды диэлектрических потерь

1) Потери на электропроводность. Обнаруживаются в диэлектриках, имеющих заметную электропроводность, объемную или поверхностную.

2) Релаксационные потери. Обусловлены активными составляющими поляризационных токов. Характерны для диэлектриков, обладающих замедленными видами поляризации, и проявляются в области достаточно больших частот, когда сказывается отставание поляризации от изменения поля. Релаксационные потери наблюдаются и у линейных диэлектриков с ионно-релаксационным и электронно-релаксационным механизмами поляризации. Потери, обусловленные миграционной поляризацией, имеются в материалах со случайными примесями или отдельными компонентами, намеренно введенными в диэлектрик для требуемого изменения его свойств. Случайными примесями в диэлектрике могут быть, в частности, полупроводящие вещества, например, восстановленные оксиды, образовавшиеся в диэлектрике или попавшие в него в процессе изготовления.

3) Ионизационные потери. Свойственны диэлектрикам в газообразном состоянии.

4) Резонансные потери. Наблюдаются в некоторых газах при строго определенной частоте и выражаются в интенсивном поглощении энергии электромагнитного поля. Резонансные потери возможны и в твердых телах, если частота вынужденных колебаний, вызываемая электрическим полем, совпадает с частотой собственных колебаний частиц твердого вещества.

21. Кристалли́ческая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции. Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с элементами симметрии.

В зависимости от природы частиц, помещающихся в узлах кристаллической решетки, и от характера сил взаимодействия между частицами различают четыре типа кристаллических решеток и соответственно четыре типа кристаллов: ионные, атомные, металли­ческие и молекулярные.

 1. Ионные кристаллы. В узлах кристаллической ре­шетки помещаются ионы разных знаков. Силы взаимодействия между ними являются в основном электростатическими (кулоновскими). Связь, обусловленная электростатическими силами притяжения между разноименно заряженными ионами, называется гетерополярной (или ионной).

Типичным примером ионной решетки может служить изображенная на рис. 112.1 решетка каменной соли (NaCl). Эта решетка принадлежит к кубической системе. Белыми кружками изображе­ны несущие положительный заряд ио­ны натрия, черными кружками — отрицательные ионы хлора. Как видно из рисунка, ближайшими соседями иона данного знака будут ионы противоположного знака. В газообразном состоянии NaCl состоит из молекул, в которых объединяются попарно ионы натрия с ионами хлора. Образующая молекулу группировка из иона Na и иона Сl утрачивает в кристалле обособленное существование. Ионный кристалл состоит не из моле­кул, а из ионов. Весь кристалл в целом можно рассматривать как одну гигантскую молекулу.

2. Атомные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются нейтральные атомы. Связь, объединяющая в кристалле (а также и в молекуле) нейтральные атомы, называется гомеополярной (или ковалентной). Силы взаимодействия при гомеополярной связи имеют также электрический (но не кулоновский) характер. Объяснение этих сил может быть дано только на основе квантовой механики.

Гомеополярная связь осуществляется электронными парами. Это означает, что в обеспечении связи между двумя атомами участвует по одному электрону от каждого атома. По этой причине гомеополярная связь имеет направленный характер. При гетерополярной связи каждый ион воздействует на все достаточно близкие к нему ионы. При гомеополярной связи воздействие направлено на тот атом, с которым у данного атома имеется совместная электронная пара. Гомеополярная связь может осуществляться только валентными, т. е. наименее связанными с атомом, электронами. Поскольку каждый электрон может обеспечить связь только с одним атомом, число связей, в которых может участвовать данный атом (число соседей, с которыми он может быть связан), равно его валентности.

 

Типичными примерами атомных кристаллов могут служить алмаз и графит. Оба эти вещества тождественны по химической природе (они построены из атомов углерода), но отличаются кристаллическим строением. На рис. 112.2, а показана решетка алмаза, на рис. 112.2, б — решетка графита. На этом примере отчетливо видно влияние кристаллической структуры на свойства вещества.

Такую же решетку, как у алмаза (решетку типа алмаза), имеют типичные полупроводники — германий (Ge) и кремний (Si). Для этой решетки характерно то, что каждый атом окружен четырьмя равноотстоящими от него соседями, расположенными в вершинах правильного тетраэдра. Каждый из четырех валентных электронов входит в электронную пару, связывающую данный атом с одним из соседей.

3. Металлические кристаллы. Во всех узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы металла. Между ними беспорядочно, подобно молекулам газа, движутся электроны, отщепившиеся от атомов при образовании ионов. Эти электроны играют роль «цемента», удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решетка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решетки и не могут ее покинуть.

 

Большинство металлов имеет решетки одного из трех типов: кубическую объемно-центрированную (рис. 112.3, а), кубическую гранецентрированную (рис. 112.3, б) и так называемую плотную гексагональную (рис. 112.3, в). Последняя представляет собой гексагональную решетку с отношением с/а, равным . Кубическая  гранецентрированная и плотная гексагональная решетки соответствуют наиболее плотной упаковке одинаковых шаров.

4. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решетки помещаются определенным образом ориентированные молекулы. Силы связи между молекулами в кристалле имеют ту же природу, что и силы притяжения между молекулами, приводящие к отклонению газов от идеальности. По этой причине их называют ван-дер-ваальсовскими силами. Молекулярные решетки образуют, например, следующие вещества: Н₂, N₂, О₂, СО₂, Н₂О. Таким образом, обычный лед, а также так называемый сухой лед (твердая углекислота) представляют собой молекулярные кристаллы.