Методы тепловых испытаний электроизоляционных материалов

Под влиянием температуры, прежде всего ее колебаний в широких пределах, характеристики электроизоляционных материалов и изделий претерпевают существенные изменения. В большинстве случаев основные параметры электрической изоляции с повышением температуры ухудшаются. Как правило, нарушаются условия работы и проводящих частей, окруженных изоляцией. Изменяются свойства изоляции и под воздействием низких температур.

Поэтому тепловые или температурные испытания электрической изоляции приобретают особое значение при ответе на вопрос о надежности эксплуатации оборудования и устройств, включающих в себя электроизоляционные материалы и конструкции.

К тепловым характеристикам относятся:

• температура плавления кристаллических диэлектриков или температура размягчения аморфных диэлектриков;

• коэффициент теплопроводности материала;

• температура вспышки паров жидких диэлектриков;

• нагревостойкость;

• теплостойкость;

• стойкость к термоударам;

• холодостойкость;

• термическое старение;

• температуропроводность;

• теплоемкость;

и др.

При проведении тепловых испытаний большое значение имеют методы определения нагревостойкости, холодостойкости, определения зависимостей электрических и других характеристик материалов от температуры. При этом необходимо правильно измерять температуру изделия при испытаниях.

Температура

Международная температурная стоградусная шкала основана на воспроизведении постоянных (реперных) температур фазового равновесия ряда чистых веществ при атмосферном давлении 760 мм рт.ст. (плотность ртути 13,5951 г/см³):

- кипение чистого кислорода - 182,97 ˚С;

- таяние льда (вода насыщена воздухом) 0,000 ˚С;

- кипение воды + 100,00 ˚С;

- кипение серы + 444,60˚С;

- плавление серебра + 960,5 ˚С;

- плавление золота + 1063,0 ˚С.

По существующей термодинамической шкале, принятой за основную единицу в системе СИ точка плавления воды составляет 273,16 К. Следует отметить, что градус Цельсия (или стоградусной шкалы) не совсем точно совпадает с Кельвином (К).

Существует также шкала Фаренгейта, используемая в США.

В 1730 году французский ученый Реомюр предложил свою шкалу температур. В ней: 0 ˚С = 0 ˚R;

100 ˚С = 80 ˚R.

Т.е. 1 ˚R = 1,25 ˚С. Сегодня эта шкала (шкала Реомюра) не используется.

На практике используют приближенные формулы для пересчета из стоградусной шкалы в термодинамическую и шкалу Фаренгейта:

Т = t + 273, [ K ];

t_F = t + 32 , [ºF]. Здесь t везде в [ºС].

Методы измерения температуры

Обычно температура измеряется термометрами, термопарами, термометрами сопротивления (по изменению электрического сопротивления металлической проволоки), терморезисторами (по изменению электрического сопротивления полупроводникового элемента). Для измерения очень высоких температур применяют оптические пирометры.

Устройство термометра общеизвестно. Ртутные термометры могут измерять температуру от -37ºС до +600ºС, спиртовые – до -115ºС. Термометрами можно измерять температуру тел, имеющих достаточно большие размеры при медленном изменении температуры.

К основным достоинствам термопар относятся их простота и универсальность. При выборе материалов для термопар стремятся к тому, чтобы они позволяли получить большую термо-э.д.с. и, чтобы свойства термопары практически не менялись при повторных нагреваниях. Существует целый спектр термопар, для части из которых есть стандартные градуировочные таблицы для перевода величины термо-э.д.с. в градусы Цельсия (с учетом, что холодный спай находится при температуре 0ºС). При выборе термопар, кроме того, необходимо знать их диапазон рабочих температур. Например, в таблице представлены термопары, изготовленные из разных металлов, и рассчитанные на различные диапазоны эксплуатации.

Термопара	Предельная температура, ºС	Чувствительность, мВ/ºС
Медь-константан	До + 200	0,041
Медь-копель	До + 200	0,07
Хромель-копель	- 200 ÷ + 800	0,007 – 0,008
Хромель-алюмель	- 200 ÷ + 1100	0,041
Платина-платинородий	0 ÷ 1600	0,007 – 0,014

Наиболее распространенная в лабораторных условиях, простая в изготовлении и эксплуатации медь-константановая термопара, как и ряд других, требует проведения градуировки во всем диапазоне измерений температуры. Градуировка термопар проводится в специальных учреждениях или непосредственно в лабораторных условиях.

Можно это сделать, например, так: горячий спай термопары плотно прижимают к головке термометра и производят нагревание в термостате, в песочной ванне или другим способом. Нагрев производится медленно, чтобы уменьшить погрешность за счет инерционности термометра и термопары. Холодный спай при этом лучше всего опустить в тающий лед. По термометру отмечают температуру, а потенциометром измеряют термо-э.д.с. Можно вместо потенциометра использовать милливольтметр, но в этом случае градуировка будет действительна только с применением данного милливольтметра, так как существует падение напряжения в головке термопары и в подводящих проводах.

Если в распоряжении имеются вещества, температуры фазовых переходов которых известны точно, то можно проградуировать термопару с их помощью более точно, поскольку в момент затвердевания (расплавления) температура некоторое время не меняется. Промежуточные между точками температуры определяются линейной интерполяцией.

Электроды термопар соединяются путем пайки. В качестве припоя используются олово, серебро и другие металлы. Электроды могут свариваться путем погружения скрученных концов в ванну с графитом, насыщенным раствором нашатыря, поваренной соли, и подачи к ванне и проводам напряжения.

Термометры сопротивления являются наиболее точными из всех термометров, так как методы измерения электрических сопротивлений достаточно разработаны и имеют высокую точность.

Используется зависимость сопротивления R_t металлической проволоки от температуры:

,

где R₀ – сопротивление проволоки при температуре t₀ (обычно 20˚С);

α – коэффициенты. Для меди α = 0,0043 1/˚С.

В широком диапазоне температур можно ограничиваться только двумя первыми слагаемыми в формуле.

К материалам, на основе которых изготавливаются термометры сопротивления, относятся платина (от -200˚С до + 660˚С), медь (от -50˚С до + 180˚С), железо (до + 150˚С). При высоких температурах используется вольфрам, отличающийся большой механической прочностью.