Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Учебник.pdf
пользуется для пропитки твердых пористых и слоистых изоляционных материалов с целью повышения нагревостойкости и электрической прочности.
Трансформаторное масло является одним из наиболее широко использу-
емых жидких диэлектриков.
Трансформаторное масло — жидкость от почти бесцветной, до темно-жел-
2
того цвета с малой вязкостью. Кинематическая вязкость составляет 17–18,5 мм
при 20 °С и 6,5–6,7 мм
2
/с при 50 °С; кислотное число 0,03–0,1 г КОН/кг; темпе-
/с
ратура вспышки 135–140 °С; температура застывания — 45 °С. Специальные
сорта трансформаторного масла (АТМ-65) имеют еще более низкую температуру застывания — до –70 °С.
Одной из важных характеристик трансформаторного масла является кри-
тическая температура плавучести льда. При температурах более низких, чем
критическая температура плавучести льда, плотность жидкого диэлектрика
становится больше плотности льда. Кристаллы льда всплывают на поверхность
жидкого диэлектрика и под воздействием электрического поля образуют мостики между электродами, находящимися в масле. Образование мостиков
из льдинок снижает электрическую прочность трансформаторного масла Е
пр
.
Электрическая прочность трансформаторного масла чувствительна к
наличию влаги. При этом незначительное количество воды в масле приводит
к резкому уменьшению электрической прочности. Капельки влаги втягиваются
в места, где напряженность электрического поля наибольшая, и образуют мостики, по которым и происходит пробой. Существенно влияет на электрическую прочность наличие в масле волокнистых примесей.
Так как вода легко попадает из окружающей среды в масло при транспор-
тировке, то перед использованием оно подвергается сушке пропусканием
под давлением через фильтровальную бумагу в фильтр-прессах, на центрифугах или путем обработки адсорбентами.
Просушенное трансформаторное масло должно соответствовать нормам
электрической прочности, приведенным в табл. 1.4.
Испытание образца на пробой производят с помощь двух погруженных
в масло дисковых электродов с закругленными краями диаметром 25 мм
при расстоянии между ними 2,5 мм.
При эксплуатации трансформаторное масло стареет. В нем образуются
кислоты и смолы. Кислоты разрушают твердую изоляцию обмоток и вызывают
коррозию соприкасающихся с маслом металлов. Нерастворимые в масле смолы
оседают на погруженные в масло части электротехнических устройств в виде
слоя ила, что резко ухудшает условия охлаждения их.
71
Таблица 1.4
Для аппаратов
Электрическая прочность не менее, кВ/мм
масло, находящееся
6
25
30
Нормы электрической прочности трансформаторного масла
с рабочим
сухое масло
напряжением, кВ
35
110 и 220
330
30
40
50
в эксплуатации
25
35
45
Процесс старения приводит к выделению пузырьков газов, которые могут
стать очагами ионизации.
Свойство не выделять пузырьки газов при старении в электрическом поле
или даже поглощать их называется газостойкость масла.
Для замедления скорости старения трансформаторное масло подвергается
непрерывной регенерации. С этой целью в установках имеются термосифонные
фильтры. Масло, проходя через термосифонный фильтр со слоем адсорбента,
очищается от влаги и твердых примесей. В масло добавляются специальные вещества, ингибиторы, замедляющие его старение (ионол, амидопирин и другие).
1.10.4. Твердые и твердеющие изоляционные материалы
Наиболее многочисленными из изоляционных материалов являются
твердые. Их насчитывается несколько тысяч наименований. В связи с этим рассмотрим только некоторые из них.
Изоляционные материалы, изготовленные на основе слюды. Обладают
хорошими изоляционными свойствами, особенно когда электрическое поле
направлено поперек плоскостей спайности, по которым слюда расщепляется
на тонкие пластины, и высокой нагревостойкостью. Из слюды изготавливаются
миканиты и микафолии — листовые или рулонные материалы, склеенные
из лепестков слюды с помощью клеящего лака или смолы с применением волокнистой подложки из бумаги, ткани или стеклоткани. Миканиты подразделяются по назначению на коллекторные К, прокладочные П, формовочные Ф,
гибкие Г. Применяются в коллекторах электрических машин, для изоляции
нагревательных элементов, изготовления каркасов, катушек, трубок и т.д.
72
Керамические изоляционные материалы. Изготавливаются на основе гли-
ны, образующей в смеси с водой пластичную, способную формоваться массу.
При формовке ей придается вид готового изделия. Затем изделие сушится, глазируется и обжигается при высокой температуре (1200–1800 ºС). При обжиге
керамика приобретает нужные свойства, а глазировка уменьшает ее гигроскопичность.
Важнейшими видами керамики являются фарфор, стеатит, корундовая
керамика.
Керамика используется в силовой электротехнике для изготовления изо-
ляторов, конденсаторов и в качестве конструкционного материала.
Достоинствами керамики являются высокая нагревостойкость, негорю-
честь и то, что она не подвержена старению.
К недостатку керамики можно отнести ее пористость, влияющую на ме-
ханическую и электрическую прочность.
Органические полимерные изоляционные материалы. Эти материалы
подразделяются на термопластичные и термореактивные.
Термопластичные полимерные материалы при низких температурах твер-
ды, но при нагреве размягчаются и легко деформируются. Они растворяются
в соответствующих растворителях. Характерной особенностью термопластичных материалов является то, что нагрев до температуры, соответствующей их
пластичному состоянию, не вызывает необратимых изменений их свойств.
Термореактивные полимерные материалы при нагреве претерпевают не-
обратимое изменение свойств. Они, как говорят, запекаются (отверждаются),
приобретая значительную механическую прочность и твердость. При этом они
теряют свойства растворимости и плавкости.
Примерами термопластичных полимерных материалов являются поли-
этилен, полистирол, полипропилен и т.п. Эти материалы чаще всего используются для изоляции кабелей и проводов. Обладают хорошими электрическими
свойствами и малой гигроскопичностью.
Из термореактивных материалов наиболее широкое применение нашли
эпоксидные смолы. Обладают хорошими электрическими свойствами, механической прочностью, высокой стойкостью к влажности, высокой нагревостойкостью.
В электротехнике эпоксидные смолы используются для пропитки и за-
ливки изоляции, в качестве связующего в пластмассах и слоистых пластиках.
Электроизоляционные лаки. Это коллоидные растворы смол, битумов,
высыхающих масел в летучих растворителях. Различают лаки пропиточные,
покровные, клеящие.
73
Пропиточные лаки применяются для пропитки обмоток электрических
машин, трансформаторов. Пропитка превращает обмотку в монолит, что существенно улучшает ее механические и электрические свойства, уменьшает гигроскопичность.
Покровные лаки и эмали используются для получения тонкой поверх-
ностной изоляции обмоточных и монтажных проводов, лакирования листовой
электротехнической стали.
Клеящие лаки используются в качестве связующего при изготовлении
миканитов и других изоляционных материалов.
По технологии применения лаки подразделяются на лаки холодной и го-
рячей сушки.
Слоистые пластики — материалы, получаемые склеиванием большого
числа слоев основы с помощью связующего. Наиболее распространены: текстолиты (основой является ткань), гетинаксы (основа — бумага), стеклотекстолиты (основа — стеклоткань).
Используются в качестве электроизоляционных и конструкционных ма-
териалов (каркасы обмоток электрических машин и трансформаторов, стержней, плат для монтажа электрических схем и т.д.).
Компаунды — не содержащие летучих растворителей смеси смол, биту-
мов, масел. По назначению различают заливочные и пропиточные компаунды.
Заливочные компаунды применяются для заполнения пустот в изоляции,
заливки кабельных муфт с целью защиты изоляции от влаги и химически агрессивных веществ.
Пропиточные компаунды используются для пропитки пористой и волок-
нистой изоляции (бумага, картон, ткань и т.п.). Широкое применение этот вид
компаундов нашел в кабельном производстве (для пропитки бумажной изоляции с целью защиты от влаги и повышения электрической прочности).
74
ГЛАВА 2. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Sim ⋅=
2.1. Физическая природа магнетизма. Ферромагнетизм
Известно, что элементарный замкнутый круговой электрический ток i со-
здает магнитное поле, основной характеристикой которого является магнитный
момент
, где S — векторная величина площади, охватываемой током
[7].
На уровне атома можно условно выделить три основные формы движения
электрических зарядов, создающих элементарные магнитные моменты:
– движение электронов по круговой орбите вокруг ядра;
– вращение электронов вокруг собственной оси;
– вращение протонов ядра атома.
Наибольший магнитный момент создается за счет вращения электрона
вокруг собственной оси. Этот магнитный момент получил название «спин элек-
трона» Спины электронов могут принимать только вполне определенные дис-
кретные значения, кратные постоянной Планка. Минимальное значение спина
электрона превышает магнитный момент, создаваемый протоном, примерно
в 650 раз.
Но не все электроны, создающие электронные оболочки атома, участвуют
в создании магнитного момента атома. Рассмотрим, как создается результиру-
ющий магнитный момент атома вещества. Электроны в атомах вещества зани-
мают различные энергетические уровни, которые принято изображать в виде
ряда электронных оболочек. Количество оболочек в атоме химического эле-
мента определяется номером периода таблицы Менделеева, в котором распо-
ложен данный элемент. Каждая из электронных оболочек состоит из ряда под-
оболочек, число которых колеблется от 1 до 4. Номер электронной оболочки
индексируется цифрами от 1 до 7, а номер подоболочки — буквами s, p, d, f.
В подоболочках с индексом s могут находиться максимально 2, в подобо-
лочках р — 6, в подоболочках d — 10 и в подоболочках f — 14 электронов.
Заполнение электронами оболочек и подоболочек у подавляющего боль-
шинства элементов подчиняется следующему правилу.
Прежде всего, заполняются наиболее близко расположенные к ядру атома
оболочки и подоболочки. Заполнение последующих электронных подоболочек
начинается после того, как заполнена предыдущая.
75
В заполненных подоболочках половина электронов, заполнивших элек-
тронную подоболочку, вращаются в одном направлении, создавая спиновые
моменты, направление которых условно принимается за положительное.
Другая половина электронов данной подоболочки вращается в противо-
положном направлении, создавая спиновые моменты, направление которых
принимается за отрицательное.
Так как количество положительных и отрицательных спинов в заполнен-
ной электронной подоболочке одинаково, то они взаимокомпенсируются.
Следовательно, атомы элементов, электронные оболочки и подоболочки
которых заполнены электронами, не имеют собственных магнитных моментов,
а сами вещества слабо намагничиваются в магнитном поле.
Но у ряда химических элементов такой порядок заполнения электронами
оболочек и подоболочек нарушается (рис. 2.1).
Так у атома железа не заполнена полностью подоболочка 3d, на которой
находится всего б электронов вместе 10, а уже заполнена следующая, валентная
для железа, подоболочка 4s.
Пять из шести электронов подоболочки Зd вращаются в одном направле-
нии, создавая положительные спины электронов. Шестой электрон вращается
в обратном направлении, создавая противоположно направленный спин — от-
рицательный.
Таким образом, в подоболочке Зd атома железа существует 4 некомпен-
сированных спинов электронов, которые, суммируясь, вызывают появление
магнитного момента у атома.
76
Fe
+
1s
2s
2p
3s
3p
3d
4s
-1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
+1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
Рис. 2.1. Заполнение электронами оболочек и
подоболочек у атома железа: «+» — условно положительное
количество спиновых моментов; «–» — условно отрицательное
количество спиновых моментов
Наличие некомпенсированных спинов электронов в различных подобо-
лочках наблюдается и у атомов ряда других элементов: кобальта, никеля, марганца и др.
Электроны, находящиеся в наружной валентной подоболочке, служить
источником магнитных моментов не могут, так как при образовании молекул и
кристаллов их магнитные моменты компенсируются спинами валентных электронов соседних атомов.
Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать первое условие воз-
никновения ферромагнетизма у веществ.
Для того чтобы вещество хорошо намагничивалось и в нем создавалась
магнитная индукция, необходимо, чтобы у атомов этого вещества существовали нескомпенсированные спины электронов в подоболочках, предшествующих
валентной.
Однако выполнения только одного этого условия недостаточно для того,
чтобы вещество являлось ферромагнетиком. Связано это с тем, что в любом
объеме вещества, с которым приходится иметь дело на практике, содержится
большое количество атомов. Электроны атомов образуют многоэлектронный
коллектив.
Между атомами происходит постоянный обмен электронами. При обмене
между электронами соседних атомов возникает сильное электростатическое
77
взаимодействие. Данное взаимодействие получило название «обменного».
r
a
k =
k
Wоб
3 6 Fe
Cо
Ni
Энергия этого взаимодействия называется «обменной» энергией.
Такое электростатические взаимодействие электронов соседних атомов
способно ориентировать нескомпенсированные спины электронов в определенном направлении. Направление ориентации спинов электронов соседних атомов определяется значением обменной энергии.
Известно, что обменная энергия зависит от отношения:
,
где а — расстояние между центрами соседних атомов;
r — радиус электронной подоболочки с некомпенсированными спинами
электронов.
Рис. 2.2. Зависимость «обменной» энергии от геометрических
размеров кристаллической решетки вещества
При k >
3 обменная энергия положительна, но настолько мала, что спины
электронов соседних атомов ориентируются хаотично, вещества с такой ориентацией спинов намагничиваются слабо и относятся к классу парамагнетиков.
С уменьшением k значение обменной энергии возрастает, что заставляет спиновые моменты соседних атомов ориентироваться параллельно друг другу. Это
приводит к тому, что спиновые моменты атомов складываются, и возникает самопроизвольное намагниченное состояние вещества. При k = 3,5 обменная
энергия достигает максимума и при дальнейшем сближении атомов начинает
убывать. Когда k < 3, обменная энергия становится отрицательной. При отрица-
78
тельной обменной энергии энергетически выгодным становится взаимопроти-
∑
=
=
n
i
i
V
m
M
1
i
m
HxM ⋅=
( )
HxHB ⋅+=
0
μ
воположная ориентация спинов электронов соседних атомов, приводящая к их
взаимной компенсации. Вещества с отрицательной обменной энергией называются антиферромагнетиками.
Таким образом, второе условие возникновения ферромагнетизма в веществе заключается в том, что оно должно обладать достаточно большей положительной обменной энергией, т.е. отношение k должно находиться в диапазоне
3 < k < 6.
При выполнении обоих условий в веществе возникает внутреннее магнитное поле.
2.2. Основные характеристики магнитных веществ
Магнитное состояние вещества оценивается намагниченностью. Намагниченностью называется сумма элементарных магнитных моментов в единице
объема вещества:
, (2.1)
где
— элементарный магнитный момент (спин электрона);
V — объем образца.
Значение намагниченности зависит от напряженности магнитного поля Н
и связано с последней формулой:
, (2.2)
где х — магнитная восприимчивость вещества. В системе СИ магнитная восприимчивость является безразмерной величиной.
Под воздействием напряженности магнитного поля в веществе создается
магнитная индукция, зависимость которой от напряженности поля и намагниченности материала описывается уравнением:
79
, (2.3)
где
0
μ
HHB
r
⋅⋅=⋅= μμμ
0a
a
μ
r
μ
r
μμμ
0a
⋅=
H
B
=
a
μ
0
μ
μ
⋅
=
H
B
r
— магнитная постоянная вакуума, Гн/м. В системе СИ индукция изме-
ряется в теслах (Тл), а в системе СГС — в гауссах (ГС).
Связь между индукцией и напряженностью магнитного поля может быть
также описана следующим уравнением:
, (2.4)
где
— абсолютная магнитная проницаемость;
— относительная магнитная проницаемость.
Абсолютная магнитная проницаемость имеет ту же размерность, что и
магнитная постоянная вакуума, а относительная магнитная проницаемость является безразмерной величиной.
Абсолютная и относительная магнитные проницаемости связаны между собой соотношением:
. (2.5)
Если учесть, что
,
а
,
то становится ясным физический смысл относительной магнитной проницаемости. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе больше,
чем индукция в вакууме под воздействием намагничивающих полей одинаковой напряженности.
2.3. Строение ферромагнетиков
Все процессы намагничивания и перемагничивания обусловлены магнитным взаимодействием атомов. Это взаимодействие приводит к тому, что
80