книги из ГПНТБ / Казарновский Д.М. Материалы и детали электротехнической аппаратуры

теризуются стекло, многие монокристаллы, а также слюда, в ко­ торую влага проникает вдоль плоскостей спайности.

Если сопоставить с приведенными размерами пор величину мо­ лекулы воды, составляющую около 2,5 • 10“ 8 см, то станет ясным, что влага способна проникать даже в слабопористые материалы. В крупных порах происходит конденсация водяных паров на вну­

воды капилляром на некоторую высоту). Применение пропитки^ с целью устранения пористости имеет тот недостаток, что приме­ няемые для этой цели пропитывающие неполярные вещества имеют крупные молекулы размером более 10010~8 см. Поэтому пропитывающее вещество не проникает в мелкие поры. Заполне­ ние же крупных пор целесообразно, так как позволяет увеличить электрическую прочность пропитываемого материала.

Полярность. Наличие полярных молекул или групп сказы­ вается на увеличении количества поглощенной влаги; можно по­ лагать, что молекулы воды, сами обладающие дипольными мо­ ментами, сосредоточиваются около полярных групп или молекул; способность материала к адсорбции влаги на внутренней поверх­ ности пор и трещин увеличивается со степенью полярности мате­ риала. Полярные вещества поглощают больше влаги, чем непо­ лярные. Особенно неблагоприятно сочетание крупных пор и по­ лярных групп (бумага).

Растворимые включения. К хорошо растворимым веществам относятся соли, кислоты, щелочи. Соли нередко присутствуют, на­ пример в резине. Молекулы воды, проникая в материал и сопри­ касаясь с частицами солей, начинают их растворять; но упругость паров насыщенного раствора меньше упругости паров чистой воды, поэтому внутрь полости, содержащей частицу соли, продол­ жают медленно проникать молекулы воды, растягивая стенки включения. Чем больше эластичность материала, тем больше он поглощает влаги; так, например, малоэластичный полиэтилен сла­ бо насыщается водой. Этот вид поглощения, называемый осмоти­ ческим, наблюдают в резине и в других аналогичных материалах,

40

Смачиваемость. В первую очередь под воздействием влажной атмосферы изменяются поверхностные свойства диэлектрика — возрастает величина Tj- Способность смачиваться водой характе­ ризуют так называемым «краевым углом смачивания» 0. Если на­ нести на плоскую поверхность диэлектрика каплю воды угол, то ■О— угол между этой плоскостью и касательной к поверхности капли в вертикальном сечении в точке соприкосновения с диэлек­ триком. Этот угол невелик для смачиваемых диэлектриков (стек­ ло) и превышает 120 ° для несмачиваемых диэлектриков (поли­ этилен) .

Форма включений влаги. Открытая объемная пористость ди­ электрика приводит к поглощению влаги. Однако изменение элек­ трических свойств во многих случаях оказывается неодинаковым, даже при одном и том же влагопоглощении. Это связано с раз-

личным характером распределения частиц воды внутри диэлек­ триков.

Нитеобразная форма включений воды приводит к образованию между электродами проводящих каналов (рис. 4-1); такой ха­ рактер водопоглощения наблюдается, например, в бумаге при вы­ сокой окружающей влажности; свойства диэлектрика при этом резко снижаются.

Пленчатая форма частиц влаги (рис. 4-1, б) также неблаго­ приятно сказывается на электрических свойствах. Такой характер распределения влаги наблюдается в неполярных материалах, со­ держащих наполнитель, частицы которого на своей поверхности адсорбируют пленки влаги (например, мел, тальк и др.).

Сферическая форма частиц влаги при достаточно больших расстояниях между частицами (незначительное поглощение воды) мало сказывается на свойствах материала. Этим объясняется вы­ сокая влагостойкость малополярных изоляционных материалов {полистирол, полиэтилен), не содержащих наполнителей.

Помимо рассмотренных факторов на свойствах диэлектрика сказываются длительность воздействия, величины относительной влажности и температуры. Особенно неблагоприятное влияние оказывает тропическая влажность с ее повышенной температурой

<г=40-ъ50°С, ср = 98%).

41

В л а го ст о й к о ст ь и ее о ц ен к а

Под влагостойкостью понимают способность изоляционного материала к надежной эксплуатации при нахождении в атмосфе­ ре, близкой к состоянию насыщения водяным паром. Для коли­ чественной оценки влагостойкости предложен ряд методов. Хотя для суждения о свойствах влагостойкости недостаточно знанияколичества поглощенной влаги, на практике зачастую пользуются такими показателями: объемной гигроскопичностью, водопоглощаемостыо и поверхностной влагопоглощаемостыо.

Объемная гигроскопичность. Относительное возрастание ве­ са G] сухого образца диэлектрика под воздействием влажной атмосферы (9 = 98%) при 20° С в течение 24 или 48 часов пред­ ставляет собой гигроскопичность диэлектрика; она обычно выра­ жается в процентах

Весовая водопоглощаемость. Относительное возрастание веса сухого образца диэлектрика при погружении его в воду на 24 или 48 часов при 20° С представляет собой водопоглощаемость диэлек­ трика; она также выражается в процентах

где G3 — вес образца после извлечения из воды и обтирания.

Поверхностная влагопоглощаемость. При определении объем­ ной гигроскопичности во многих случаях необходимо учитывать величину поверхности, через которую проникает влага в диэлек­ трике. При одном и том же весе образца увеличение поверхности (при уменьшении толщины образца) может привести к увеличе­ нию количества поглощенной влаги за 24 часа. Получение состоя­ ния увлажнения, близкого к равновесному, требует для ряда ма­ териалов более длительного воздействия влажной атмосферы. По­ этому во многих случаях (особенно для тонколистовых и пленоч­ ных материалов) определяют изменение веса при увлажнении за неделю на единицу веса и на единицу поверхности S образца при влажности ю= 98% и температуре 20°С; это и есть поверхност­ ная влагопоглощаемость

42

Условия смачиваемости полярных, ионных и неполярных диэлек­

Коэффициент влагостойкости. Как было изложено, данные о количестве поглощенной влаги далеко недостаточны для сужде­ ния о влагостойкости. Поэтому наряду с указанными следует при­ менять методы, основанные на изменении основных параметров изоляции (tgo, у) в процессе увлажнения. Эти методы, отличаю­ щиеся высокой чувствительностью, позволяют обнаружить ухуд­ шение свойств изоляции под действием влажной атмосферы, даже

+ CEBGD

Рис. 4-2. Условия смачиваемости:

а) ионного; б) полярного и в) неполярного диэлектриков; г) удельная поверхностная проводимость в функции относительной влажности ат­ мосферы: 1 — ионный диэлектрик (слюда); 2 — полярный (шеллак); 3 — неполярный (церезин)

при неуловимо малых значениях гигроскопичности. Для оценки влагостойкости может служить отношение значений tgSi сухого

ношение называют коэффициентом влагостойкости Кв по углу по­ терь; чем выше Кв, тем более влагостоек материал.

(4-4)

Аналогично такой критерий может быть введен, если восполь­

с максимумом. В этом случае для оценки влагостойкости можно

43

храняет силу критерий Кв- Коэффициент влагостойкости, напри­ мер, для высококачественной керамики имеет значение в среднем Кв = 0,7.

Влагопроницаемость диэлектрика

Многие диэлектрики используются для изготовления корпусов- и.покрытий, защищающих от воздействия влаги. В таких случаях необходимо учитывать свойства влагопроницаемости материала. При стационарном режиме за время %сквозь пленку площадью 5“ и толщиной h рассматриваемого материала проходит некоторое количество (масса) воды Q, если с одной стороны пленки давле­ ние водяных паров pit а с другой стороны р2

Указанное уравнение влагопроницаемости может быть пред­

Зависимость между влажностью материала с и давлением во­

между основными величинами, характеризующими влагопроницае­

г/см3-мм- рт. ст. влагопроницаемости Я в г/см-ч-мм- рт. ст., то

44

Гр и б о ст о й к о ст ь

Вусловиях тропической влажности необходимо учитывать воз­ можность развития на поверхности диэлектриков и внутри них грибковой плесени. Появление грибковой плесени сопровождается снижением механической прочности (особенно целлюлозных волок­ нистых материалов); ростом проводимости диэлектриков, что об­ условлено электролитическим характером продуктов жизнедея­ тельности грибков и высоким содержанием влаги в их клетках; усилением коррозии металлических деталей. Под грибостойкостью понимают способность изоляционного материала препятствовать развитию грибковой плесени и способность к надежной эксплуата­ ции в условиях тропической влажности.

Для повышения грибостойкости органических материалов в их состав вводят ядохимикаты, так называемые фунгициды, напри­

мер 8-оксихинолат меди. Наибольшей грибостойкостью обла­ дают неорганические диэлектрики: стекло, слюда, керамика, ас­

бест, а также определенные кремний- и фтороорганические мате­ риалы. v

4-2. НАГРЕВОСТОЙКОСТЬ

Возможность применения изоляционного материала в наибо­ лее широком интервале температур чрезвычайно ценна для прак­ тики. Использование повышенных температур в электрических ма­ шинах и аппаратах позволяет уменьшить их размеры и вес. Во многих электротехнических устройствах электрическая изоляция должна работать при высоких температурах.

При низких температурах диэлектрики также должны сохра­ нять требуемые свойства, особенно при их использовании в север­ ных широтах, в самолетном электрооборудовании и т. п. Поэтому факторам, ограничивающим рабочий интервал температур изоли­ рующих материалов, следует уделить серьезное внимание.

Воздействие нагревания

Изменение свойств диэлектриков под воздействием нагрева обусловлено различными процессами.

Плавление или размягчение. Плавление или постепенное раз­ мягчение аморфных диэлектриков ограничивает возможность по­ вышения их температуры в простейшем случае. Обычно рассмат­ риваемый процесс имеет значение с точки зрения определения наибольшей допустимой температуры для легкоплавких и легкоразмягчаемых диэлектриков, например парафина.

Деформация при нагрузке. С повышением температуры диэлек­ трик под действием механической нагрузки все больше деформи­ руется; например, при действии изгибающего усилия увеличи­ вается прогиб образца. Величина деформаций'может служить для оценки наибольшей допустимой температуры. Применяемый для

45

этой цели прибор дал повод для введения термина «теплостой­ кость по Мартенсу». По деформации под нагрузкой судят о допу­ стимой температуре для пластмасс, эбонита и т. п.

Снижение механической прочности. Повышение температуры сопровождается снижением механической прочности многих видов диэлектриков, особено волокнистого строения. Во многих случаях этот фактор ограничивает возможность повышения температуры.

Тепловое старение. Под тепловым старением понимают ухуд­ шение практически важных свойств, происходящее в результате длительного воздействия на изоляционный материал высокой тем­ пературы. При этих условиях развиваются химические процессы, сопровождающиеся изменением состава и структуры материалов. Например, в минеральном масле появляются нерастворимые про­ дукты окисления, выпадающие в виде осадка на дне и обмотках трансформатора; лакоткани темнеют и становятся хрупкими; в органических высокомолекулярных веществах начинается распад молекул или отрыв звеньев. Тепловое старение наблюдается не только в органических, но и при известных условиях (сильные электрические поля, высокая влажность) и во многих неорганиче­ ских диэлектриках. При тепловом старении важную роль играет наличие озона —- более сильного окислителя, чем кислород, нали­ чие ультрафиолетовых лучей и катализаторов, ускоряющих хими­ ческие процессы старения.

Повышение проводимости или угла потерь. Ограничение пре­ дельной температуры зачастую обусловлено не изменением физи­ ческого состояния или химического состава, а недопустимым по­ вышением tgS или у, а в некоторых случаях и снижением Епр. Рост tgo при повышенных температурах может привести к электротепловому пробою. С увеличением tgS снижаются также свой­ ства колебательного контура — его добротность. Сопротивление изоляции элементов аппаратуры при нагревании может оказаться ниже допустимой величины из-за роста проводимости у. В этих случаях допустимая температура будет определяться наибольшей приемлемой величиной у или tgo. Заметим, что рост у или tgS может быть связан и с тепловым старением.

Нагревостойкость и ее оценка

Различают длительную нагревостойкость изоляционных мате­ риалов и кратковременную нагревостойкость. В первом случае необходимо учитывать влияние медленно развивающихся процес­ сов, например теплового старения, дающих заметный эффект спустя сотни и тысячи часов. Поэтому под длительной нагревостойкостыо понимают способность изоляционного материала без повреждения и без существенного ухудшения практически важных свойств выдерживать воздействие высокой температуры. Каждый изоляционный материал относят к тому или иному классу нагревостойкости. Под классом нагревостойкости подразумевают груп­

46

ГЛАВА 5

1 ВОЗДУШНАЯ И ЖИДКАЯ изоляция

Газообразное состояние вещества, как и жидкое, отличается слабым взаимодействием между молекулами. Газы и неполярные чистые жидкости имеют ничтожно малые потери (если нет иони­ зации), а после пробоя и снятия напряжения восстанавливают свои электроизоляционные свойства. Использование многих элек­ тротехнических конструкций в условиях воздушной атмосферы предопределяет необходимость изучения ее электроизоляционных свойств; вместе с тем широко используются в технике и жидкие диэлектрики.

5-1. ВОЗДУШ НАЯ и з о л я ц и я

Воздух представляет собой смесь газов, содержащую также

Электронная составляющая проводимости при слабых полях обусловлена ионизацией молекул под воздействием солнечной ра­ диации, радиоактивного излучения земли и других внешних иони­ заторов. В среднем концентрация пар электрон — ион составляет около 1000 см~г.

Удельная проводимость воздуха в слабых полях составляет величину порядка 1(Н8 ом~>см~>. При увеличении напряженности поля в неравномерном поле появляется корона — местная иониза­ ция— у острых выступов на краях электродов и т. п. Проводи­ мость воздуха при наличии короны возрастает. Проводимость ионосферы заметно выше за счет повышенной концентрации заря­ женных частиц.

Диэлектрическая проницаемость воздуха, являющегося непо­ лярным диэлектриком, имеет величину, близкую к единице. При нормальных условиях s= 1,00058, однако значение е меняется вза-

49