Электротехнические материалы

Детали, изготовленные из них, служат для генерации, усиления, модуляции, преобразования электрического сигнала. К ним относятся: сегнето- и пьезоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие кристаллы, электрооптические материалы и др.

В зависимости от химической природы диэлектрики могут быть неорганическими и органическими, а по агрегатному состоянию газообразными, жидкими и твердыми. К твердым неорганическим электроизоляционным материалам относятся минеральные диэлектрики кварц, слюда асбест, мрамор и др. Органическими диэлектриками являются природные и синтетические смолы, пластмассы, каучуковые материалы, лаки, воскообразные и волокнистые материалы.

Основные электрические характеристики этих материалов:

диэлектрическая проницаемость ;

удельное объемное сопротивление ;

удельное поверхностное сопротивление s;

диэлектрические потери tg ;

электрическая прочность Епр.

Эти характеристики определяются механизмом и расстоянием смещения связанных заряженных частиц, а также концентрацией и подвижностью свободных зарядов, т.е. поляризацией и электропроводностью соответственно. Электропроводность и некоторые виды поляризации вызывают диэлектрические потери. Электропроводность диэлектриков в слабых полях не зависит от увеличения напряженности электрического поля Е (соблюдается закон Ома), а в сильных полях возрастает с увеличением Е. При дальнейшем увеличении Е наступает пробой и диэлектрик утрачивает свои электроизоляционные свойства.

Кроме электрической нагрузки, диэлектрик в процессе эксплуатации может подвергаться повышенному тепловому и механическому воздействию. В ряде случаев ему приходится работать в условиях высокой влажности (погруженным в воду), в химически агрессивной среде и т.п. Поэтому при выборе диэлектрического ма-

41

териала руководствуются не только его электрическими свойствами, но и механическими, химическими и др.

В диэлектриках под воздействием электрического поля происходит поляризация, т.е. смещение зарядов относительно друг друга, ориентация молекул и ионов в направлении поля. В результате поляризации на поверхности материала образуются заряды разных знаков, поэтому диэлектрик можно рассматривать как конденсатор.

Способность диэлектрика поляризоваться в электрическом поле характеризуется диэлектрической проницаемостью ε, пред-

ставляющей собой отношение емкости конденсатора с данным диэлектриком С к емкости конденсатора с вакуумом между электродами С0:

C .

C0

В диэлектриках различают следующие основные виды поляризации: электронную, ионную, дипольную и спонтанную.

Электронная поляризация выражается в упругом смещении орбит электронов относительно ядер атомов или ионов под воздействием внешнего электрического поля. Она является основным видом поляризации для нейтральных диэлектриков (воздух, азот, трансформаторное масло, парафин, полиэтилен, полистирол, фто- ропласт-4). Нейтральные (неполярные) диэлектрики могут работать в полях высокой частоты, не рассеивая электрическую энергию и не нагреваясь.

Ионная поляризация создается упругим смещением связанных ионов в ионных диэлектриках (слюда, мрамор, кварц и др.).

Дипольная поляризация обусловлена ориентацией диполей под влиянием внешнего электрического тока. Процесс дипольной поляризации диэлектрика происходит во времени и сопровождается затратой энергии на преодоление внутреннего трения. Этот вид поляризации наблюдается у диэлектриков с полярным строением молекул: касторовое масло, канифольные компаунды, бакелит, аминопласты, вода, спирты и др.

42

Спонтанная (самопроизвольная) поляризация возникает при самопроизвольной ориентации групп диполей (доменов) даже при отсутствии внешнего поля. Этот вид поляризации присущ сегнетоэлектрикам (титанат бария и др.). Диэлектрическая проницаемость зависит от температуры и частоты.

Электропроводность диэлектриков при обычных условиях является ничтожно малой. Она имеет ионный характер, так как обусловлена перемещениемионов примесейили ионовосновногоматериала.

Проводимость диэлектриков может быть сквозной и поверхностной, т.е. электрический ток может проходить как через толщу диэлектрика, так по тонкому поверхностному слою влаги. Объемная и поверхностная электропроводности оцениваются обратными величинами удельным объемом V иповерхностным S сопротивлением.

Удельное объемное электросопротивление V, Ом·м, численно равно сопротивлению постоянному току RV куба диэлектрика со стороной в 1 м при условии, что ток протекает перпендикулярно одной из его граней:

V RV Sh ,

где RV сопротивление куба диэлектрика, Ом; S площадь поперечного сечения диэлектрика, м2; h толщина диэлектрика, м.

Удельное поверхностное сопротивление S численно равно сопротивлению RS постоянному току поверхности диэлектрика, ограниченной шириной электродов d и расстоянием между ними t, при условии, что ток проходит перпендикулярно сторонам прямоугольника, образованного электродами,

S RS dt .

Удельное сопротивление диэлектриков зависит от химического состава, строения и наличия примесей, а также от температуры, влажности окружающей среды и напряженности электрического поля. С повышением температуры V уменьшается, так как уменьшается вязкость жидких диэлектриков, в результате чего увеличивается подвижность ионов; в твердых диэлектриках увеличивается

43

число диссоциированных ионов самого диэлектрика и его примесей, а также возрастает подвижность ионов.

Диэлектрическими потерями называется энергия электрического поля, рассеиваемая в диэлектрике и вызывающая его нагрев. Они обусловлены токами сквозной проводимости (токи утечки)

впостоянном электрическом поле и поляризационными токами (токи смещения) в переменном поле.

Рассматривая диэлектрик как конденсатор, включенный параллельно с основной электрической цепью, можно считать, что ток

внем опережает напряжение на 90 . Вместе с тем из-за потерь в диэлектрике наряду с емкостным током в цепи будет иметь место активный ток, обусловленный сквозной проводимостью и совпадающий по фазе с напряжением. Следовательно, суммарный ток будет

опережать напряжение по фазе на угол , меньший 90 (рис. 14).

Рис. 14. Параллельная схема, эквивалентная конденсатору с потерями

Угол , дополняющий до 90 угол сдвига фаз , называется углом диэлектрических потерь. Сами потери можно характеризовать тангенсом этого угла. В технике иногда вместо tg используется понятие «добротность» Q 1tg .

44

Чем меньше значение tg , тем лучше диэлектрик, так как в нем наблюдается меньше потери энергии. В зависимости от величины tg диэлектрики подразделяются на низкочастотные и высокочастотные. Низкочастотные диэлектрики имеют tg порядка 0,1– 0,001 и используются в низкочастотных устройствах. Высокочастотные диэлектрики применяются в высокочастотных установках и имеют tg менее 0,001.

Диэлектрические потери в изолирующих материалах зависят от температуры и влажности окружающей среды, напряжения и частоты электрического тока.

Электрическая прочность диэлектриков представляет собой его свойство выдерживать высокие напряжения без пробоя и характеризуется пробивной напряженностью, МВ/м,

Eпр Uhпр ,

где Uпр пробивное напряжение, МВ; h толщина диэлектрика, м. Различают три вида пробоя диэлектриков: электрический, те-

пловой и электрохимический.

Электрический пробой является результатом высокой электронной проводимости, появившейся в диэлектрике вследствие ударной ионизации, осуществляемой электронами под действием электрического поля высокой напряженности.

Тепловой пробой происходит в результате термического разрушения материала, вызванного нагревом из-за резкого возрастания диэлектрических потерь.

Электрохимический пробой происходит под влиянием химических процессов (электролиз, термическое разложение, восстановление окислов и др.) у материалов, длительное время находящихся в электрическом поле.

Электрохимический пробой характерен для жидких диэлектриков. Газообразные диэлектрики подвержены только электрическому пробою. Они обладают меньшей электрической прочностью, чем жидкие и твердые диэлектрики. Твердые диэлектрики подвержены в основном электрическому и тепловому пробоям.

45

Положительным свойством жидких и газообразных диэлектриков является их способность восстанавливать свои изоляционные свойства в месте пробоя.

В зависимости от химической природы диэлектрики могут быть неорганическими и органическими, а по агрегатному состоянию газообразными, жидкими и твердыми.

3.2. Органические диэлектрики

3.2.1.Газообразные диэлектрики

Кгазообразным диэлектрикам относятся воздух, азот, водо-

род, фреон, элегаз (SF6) и другие газы, причем наиболее распространенным является воздух. Газообразные диэлектрики отличаются незначительной поляризацией и очень малой электропроводностью (табл. 5). Электрическая прочность газообразных диэлектриков зависит от природы газа и возрастает с увеличением молекулярного веса газа.

В области давлений, меньших атмосферного, с увеличением степени разряжения увеличивается длина свободного пробега электронов, возрастает их скорость и кинетическая энергия. Все это облегчает ионизацию нейтральных молекул, и Епр падает.

46

Увеличение давления выше атмосферного приводит к увеличению плотности газа, уменьшению длины свободного пробега, скорости и кинетической энергии электронов. Поэтому ионизация затрудняется и Епр растет.

Газообразные диэлектрики применяются в газонаполненных конденсаторах, выключателях высокого напряжения, в газонаполненных кабелях и других электрических устройствах.

3.2.2. Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики применяются для электрической изоляции токоведущих деталей, для отвода тепла от катушек и сердечников в силовых трансформаторах, для гашения дуги в масляных выключателях, а также для пропитки некоторых твердых диэлектриков.

Жидкие диэлектрики (табл. 6) подразделяются на природные масла (трансформаторное, конденсаторное и кабельное) и синтетические (совол, совтол, жидкие кремнийорганические и фторорганические соединения).

Трансформаторное масло продукт перегонки нефти, относящийся к слабополярным диэлектрикам. На свойства трансформаторного масла очень сильное влияние оказывают влага, воздух, сажа, грязь. С течением времени под влиянием температуры и кислорода воздуха масло окисляется и разлагается.

47

Конденсаторное и кабельное масла получаются из трансформаторного масла путем более тщательной его очистки.

Совол синтетическая негорючая, взрывобезопасная жидкость, отличающаяся высокой температурой застывания.

Совтол получается путем разбавления совола трихлорбензолом, отличается более низкой температурой застывания (до 45 С).

Кремнийорганические жидкости (метилполисилоксаны) не-

токсичны, химически инертны и стабильны по свойствам. Фторорганические жидкости отличаются наиболее высокой

нагревостойкостью, низкой температурой застывания, химической стабильностью и повышенными электроизоляционными свойствами.

Кремнийорганические и фторорганические жидкости применяются для пропитки и заливки трансформаторов, конденсаторов, для заливки вибраторов осциллографов и другой аппаратуры.

3.2.3. Твердые диэлектрики

Основой всех твердых диэлектриков являются электроизоляционные смолы, которые бывают естественными и искусственными.

Кестественным смолам относятся шеллак, канифоль, а также эфиры целлюлозы (нитроцеллюлоза, этил- и ацетилцеллюлоза), занимающие промежуточное значение между природными и синтетическими смолами.

Синтетические смолы по своей структуре могут быть нейтральными и полярными. К нейтральным смолам, применяемым

ввысокочастотной аппаратуре, относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен (фторопласт-4), полиизобутилен и некоторые из кремнийорганических соединений.

Кполярным смолам, которые характеризуются пониженными электроизоляционными свойствами, относятся фенолоформальдегидные, эпоксидные, полиамидные, полиэфирные смолы, полихлорвинил, фторопласт-3.

Полиэтилен и полистирол применяются для изоляции высокочастотных кабелей, изготовления каркасов катушек индуктивности, в качестве конденсаторного диэлектрика, а также входят в состав покровных и пропиточных лаков.

48

Для низкочастотных смол с полярным строением молекул характерна резкая зависимость электрических свойств от температуры и частоты. Полихлорвинил применяется для производства пластмасс, изоляции проводов и кабелей. Эпоксидные и полиэфирные смолы находят применение в виде заливочных и пропиточных компаундов, для изготовления лаков, клеев и пластмасс.

Полиамидные смолы широко используются в качестве герметизирующего материала для конденсаторов и трансформаторов и в производстве изоляции обмоточных проводов.

3.2.4. Лаки и компаунды

Лаки растворы пленкообразующих веществ в летучих растворителях. Пленкообразующими веществами могут быть природные и синтетические смолы, растительные масла, эфиры целлюлозы. В качестве растворителей применяются скипидар, ацетон, бензол, толуол, спирты.

Лаки по своему назначению подразделяются на пропиточные, покровные и клеящие. Пропиточные лаки применяются для пропитки волокнистой изоляции с целью повышения ее электрической

имеханической прочности, теплопроводности, нагревостойкости

иуменьшения гигроскопичности.

Покровные лаки служат для создания защитного электроизолирующего покрытия на пропитанных обмотках и изделиях с целью механической защиты и защиты от атмосферных воздействий. Клеящие лаки применяются для склеивания различных диэлектриков (миканиты) или для приклеивания их к металлам.

Компаундами называются смеси различных изоляционных веществ (смол, битумов, эфиров целлюлозы, масел, воскообразных диэлектриков и др.), находящихся в момент их применения в жидком состоянии и твердеющих после охлаждения. Компаунды применяются для пропитки изоляции и заливки узлов и блоков электрорадиоаппаратуры с целью ее герметизации, улучшения теплоотвода, повышения вибростойкости и механической прочности. В отличие от лаков компаунды не содержат летучих растворителей.

49

3.2.5.Волокнистая изоляция

Кизоляционным материалам с волокнистым строением относятся дерево, бумага, картон, фибра и ткани. Основными недостатками большинства волокнистых материалов являются высокая водопоглощаемость, низкая теплостойкость и горючесть. Волокнистая

изоляция применяется как низкочастотный материал и обычно

впропитанном виде.

Взависимости от назначения различают следующие основные виды бумаги:

конденсаторная бумага, применяемая как диэлектрик в бумажных конденсаторах толщиной от 5 до 30 мкм;

кабельная бумага, предназначенная для изоляции кабелей. Отличается большей прочностью, гибкостью и впитывающей способностью;

пропиточная бумага, применяемая для изготовления гетинакса. Отличается малой плотностью для лучшей впитываемости смолы.

Электротехнический картон применяется в качестве пазовой изоляции в электрических машинах и для каркасов катушек; картон марки ЭМ применяется в масляных трансформаторах.

Фибра продукт обработки неплотных сортов бумаги раствором хлористого цинка. Поверхность листов при этом частично желатинирована, что способствует при прессовании получению монолитной плотной массы.

Текстильные электроизоляционные материалы в виде пряжи, лент и тканей вырабатываются из асбеста, стекловолокна, натурального шелка, растительных и синтетических волокон.

Наибольшее применение нашли текстильные материалы из хлопка, используемые для электрической изоляции, а также для защиты от механических повреждений. Лакоткани (пропитанные) применяют в качестве основной изоляции электрических машин (полюсных катушек, пазовой и межвитковой изоляции) и для изготовления текстолита.

50