2. Термические свойства диэлектриков.

Поведение диэлектрика при нагревании характеризуется рядом свойств, которые в совокупно­сти определяют его допустимую рабочую температуру. К важней­шим термическим свойствам материала относятся теплопровод­ность, теплоемкость, плавление и размягчение материала, тепло­вое расширение, нагревостойкость, стойкость к термоударам.

Теплопроводность определяет процесс отвода теплоты от нагре­тых проводников и магнитопроводов через слой электрической изоляции, а также отвод теплоты из толщи электрической изоля­ции, нагретой за счет диэлектрических потерь.

Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопро­водности λ [Вт/(м·К) или Вт/(м°С)], который равен количеству теп­лоты, прошедшей через единицу площади при градиенте темпера­туры 1 К/м. Как правило, диэлектрики являются плохими проводниками теплоты, и X их мал. Так, для газов λ = (2...5) ·10^-2, для твердых диэлектриков λ = (0,02...3,0) Вт/(м·К).

Теплоемкость С [Дж/(кг·К)] вещества определяет то количество теплоты Q, которое необходимо для нагревания тела с массой т, от температуры Т_о до Т, и входит в уравнение Q = Ст(Т - Т_о). Вре­мя нагревания или охлаждения электроизоляционных конструкций зависит от теплоемкости используемых в них материалов. Тепло­емкость определяет количество теплоты, необходимой для их нагревания.

Твердые кристаллические диэлектрики при нагревании плавят­ся и для них характерным параметром является температура плав­ления Т_пл (К). Аморфные материалы переходят из твердого состояния в жидкое в интервале температур. Такой переход характеризуют температурой размягчения Т_разм. Температуру размягчения таких диэлектриков, как битум, воск и некоторых видов компаундов определяют по специальной методике.

Диэлектрик, как и другие материалы, при нагревании расширяется. Термическое расширение оценивают температурным коэффициентом длины ТКl = 1/l·dl/dTc (K^-1), и температурным коэффициентом объема ТКV=1/V·dV/dT (K^-1). Температурный коэффициент объема равен утроенному температурному коэффициенту длины: ТКV = ЗТКl. Значение ТКl большинства диэлектриков изменяется в пределах (0,3...20) ·10 K^-1. Весьма мал ТКl кварцевого стекла

(0,055·10^-5 K^-1), поэтому изделия из него не разрушаются при резких перепадах температур. В композиционном материале, состоящем из диэлектриков с разными ТКl, при нагревании или охлаждении возникают внутренние механические напряжения. При многократном повторении цикла «нагревание - охлаждение» в таких материалах образуются трещины, расслоения и другие механические повреждения, сопровождаемые резким снижением их электрических параметров.

Для жидких и аморфных вязких материалов (смол, компаундов) важным параметром является вязкость. Вязкость свойственна те­кучим телам, где имеет место сопротивление перемещению одной части (одного слоя) тела относительно другой. Это сопротивление характеризуется динамической вязкостью (Па·с) и кинематической вязкостью (м²/с), равной отношению динамической вязкости к плот­ности материала.

Пользуются и условной вязкостью (ВУ), которая связана с дина­мической и кинематической эмпирическими соотношениями. Ус­ловная вязкость измеряется с помощью вискозиметров разных ти­пов. С помощью капиллярных или универсальных вискозиметров ВУ измеряется по времени истечения заданного объема жидкости через капилляр или сопло заданного диаметра.

Вязкость определяет электрические свойства электроизоляцион­ных материалов и такие технологические процессы производства электрической изоляции, как пропитка твердых материалов лака­ми, компаундами, прессование материалов и изделий из них. Вяз­кость минерального масла определяет конвекционный теплоотвод от нагретых частей в окружающую среду в масляных трансформа­торах, выключателях и других устройствах.

Нагревостойкость электрической изоляции определяется по из­менениям ее Е_пр, tgδ, потере массы, механической прочности, а так­же другим параметрам в процессе выдержки при повышенных по сравнению с рабочей температурах. Например, при температуре размягчения сильно снижается механическая прочность диэлект­рика, и деформация изделий увеличивается до опасных пределов, они выходят из строя. Поэтому оценкой нагревостойкости мате­риала может служить Т_разм по Мартенсу. Критерием выхода изоля­ции из строя может служить также уменьшение ее Е_пр вдвое по срав­нению со значением до испытаний. Показателем нагревостойкос­ти может быть также время выхода из строя всех образцов при каждой температуре испытаний.

Материалы, используемые в изоляции электрических машин, трансформаторов и аппаратов, по нагревостойкости разделяют на семь классов. Для каждого класса устанавливается определенная максимальная температура, при которой материал может длитель­но работать без ухудшения свойств (табл. 4.2).

Класс нагревостойкости для электроизоляционных материалов или их сочетаний (систем изоляции) определяют на основе опыта эксплу­атации или испытаний, показывающих пригодность этих материалов для работы при температуре, соответствующей данному классу.

Изоляция целого ряда электротехнического и радиоэлектрон­ного оборудования должна сохранять свои свойства при охлажде­нии до температуры -(60...70)°С, а в ряде случаев и при темпера­туре жидкого азота (-196°С), водорода (-252°С) и гелия (-268,7°С). При низких температурах электрические свойства диэлектриков, как правило, улучшаются. Но механические свойства эластичных и гибких в нормальных условиях материалов при низких темпера­турах изменяются; они становятся жесткими, хрупкими и легко раз­рушаются, особенно при вибрациях.

Таблица 4.2

Класс	Температура, характеризующая класс, К(°С)	Основные группы электроизоляционных материалов, соответствующие данному классу
Y	363 (90)	На основе целлюлозы, непропитанные хлопчато­бумажные и шелковые ткани, бумага и картон, поливинилхлорид, вулканизованный натуральный каучук
А	378 (105)	Те же материалы, но пропитанные лаками или погруженные в электроизоляционную жидкость, предохраняющую от доступа кислорода
Е	393 (120)	Пластмассы на основе фенольно-формальдегидных смол, лавсановые пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы, изоляция эмальпроводов на таких смолах
В	403 (130)	Щепаная слюда на подложке из бумаги, асбестовые и на фенольно-формальдегидных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями
F	428 (155)	Слюдяные продукты, изделия из стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой со свя­зующими веществами на основе эпоксидных, термо­реактивных полиэфирных и кремнийорганических смол
Н	453 (180)	Материалы класса F, изготовленные с применением кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости
С	> 453 (180)	Чисто неорганические материалы без склеивающих и пропитывающих органических веществ, слюда, стекло и стеклоткани, асбест, микалекс, миканиты, фторолон-4, полиамиды

Холодостойкость электрической изоляции определяется в ре­зультате сравнения механических характеристик при отрицатель­ной и нормальной температурах. Например, измеряют деформации при растяжении при низкой l₂ и при нормальной l₁ температурах, возникающие под действием одинакового усилия и рассчитывают коэффициент холодостойкости K_хол = l₂/l₁. Холодостойкость опре­деляется предельно низкой температурой T_хол, при которой K_хол остается постоянным.

Стойкость к термоударам определяется для хрупких материалов и изделий из них. Например, изоляторы из электротехнического фар­фора должны выдерживать трехкратное нагревание без заметного ухудшения основных свойств. При определении стойкости к термо­ударам нагретые изоляторы погружаются в ледяную воду, где выдер­живаются определенное время. После выдержки изоляторы кондици­онируются на воздухе при комнатной температуре. Далее цикл «на­гревание - охлаждение» повторяют. После трех циклов изоляторы кондиционируются и подвергаются электрическим испытаниям.