92

Лекция 10,11 электроизоляционные материалы.

1.Газообразные диэлектрики.

Газообразные диэлектрики при использовании в качестве электроизоляционных материалов имеют следующие преимущества перед жидкими и твердыми:

-высокое удельное сопротивление ;

-малую, близкую к 1 диэлектрическую проницаемость ;

-малый тангенс угла диэлектрических потерь tg.

Недостатком газообразной электрической изоляции является ее низкая электрическая прочность. Однако, в ряде случаев, например в устройствах низкого напряжения этот недостаток нe имеет практического значения, а иногда его устраняют применением газов

под давлением. В электрических устройствах газы используются в комбинациях с обладающими достаточной механической прочностью твердыми материалами, например, конденсаторы переменной и постоянной емкости.

Самым распространенным диэлектриком является воздух. Например, на участках воздушных ЛЭП между опорами воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами. При недостаточно тщательной пропитке изоляции электрических машин, кабели конденсаторов в ней могут оставаться следы воздуха в виде воздушных включений, часто весьма нежелательных, ибо при высоких напряжениях они могут быть очагами образования частичных разрядов.

Параметры некоторых газообразных диэлектриков приведены в таблице 3.

Таблица 3.

материал	воздух	О2	Н2	N2	элегаз SF6	CO2	He
1. Молек. масса г/моль	28,96	32,0	2,016	28,013	146,06	44,011	4,003
2. Ткип, К	83,2	90,2	20,4	77,3	209,3	194,7	4,2
3. Плотность, кг/м3 жидкость газ	960 1,293	1142 1,43	71 0,09	804 1,25	1910 6,5	1,977	125 0,18
4. Коэффициент теплопроводности Вт/мК, газ	0,0257	0,026	0,166	0,025		0,015	0,14
5. Диэлектрическая проницаемость жидкость газ	1,00057	1,48 1,0053	1,23 1,000272	1,43 1,0059	1,00211	1,00099	1,04 1,0000

В таблице приведены свойства воздуха и ряда наиболее применяемых в качестве диэлектриков газов, а так же свойства тех же газов в жидком состоянии, если они применяются в криоэлектронных изделиях.

При равных условиях – давлении, температуре, форме электродов, расстоянии между ними и пр., разные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности.

В то же время различные газы обладают различной химической активностью при равных электрических свойствах.

Так, азот обладает практически одинаковой с воздухом электрической прочностью, поэтому его нередко применяют вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и в других случаях, поскольку он не содержит кислорода, который может оказать окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы.

Некоторые газы, главным образом с высокой молекулярной массой и плотностью, содержащей галоген (фтор, хлор и т.д.), электроотрицательны, для их ионизации требуется большая энергия, и они имеют большую, по сравнению с воздухом, электрическую прочность. Так, гексофторид серы SF₆ обладает в 2,5 раза большей электрической прочностью, чем воздух.

Впервые электрические свойства этого газа исследовал советский ученный Гохберг и дал ему название «элегаз». Элегаз может быть сжат при обычной температуре до 2 Мпа без сжижения, он не токсичен, химостоек, не разлагается при нагреве до 800 ^ С, его с успехом можно использовать в комнатных распределительных устройствах, конденсаторах и кабелях.

Многие перфторированные углеводороды, т.е. углеводороды, в которых все атомы водорода заменены атомами фтора, имеющие общий состав С_xF_y, при нормальных условиях могут быть газами или жидкостями (С₇F₁₄). При этом электрическая прочность этих газов, а также паров жидкостей в 6 – 10 раз выше, чем воздуха, и может быть соизмерима с Е_пр электроизоляционных жидкостей (рис.36), увеличиваясь с возрастанием давления. Преимуществами этих азов по сравнению жидкими диэлектриками является значительно меньшая плотность, более высекая нагревостойкость, большая стойкость к старению. Даже небольшая примесь фторсодержащих газов или паров в воздухе значительно превышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электроустановках высокого напряжения.

Водород характеризуется более высокими значениями удельной теплопроводности и теплоемкости, чем воздух, что дает преимущества при использовании его в качестве охлаждающей среды. Кроме того, при заполнении объема крупных электрических машин водородом снижаются потери на трение ротора в газе и замедляются процессы старения энергетических компонентов изоляции.

При равных условиях Е_пр водорода на 40% ниже воздуха.

Для заполнения газонаполненных приборов и источников света употребляют инертные газы, пары ртути и натрия. При использовании инертных газов необходимо учитывать, что они обладают весьма низкой электрической прочностью. Так, Е_пр Ne в 17 paз ниже, чем воздуха.

Гелий – материал, обладающий уникальными свойствами. Он имеет низкую температуру сжижения, чрезвычайно низкую теплоту испарения. Сжиженный гелий применяют в качестве низкотемпературного хладоагента в сверхпроводящих устройствах.

Иногда в качестве криогенного хладоагента применяют жидкий неон, температура кипения которого немного выше, чем у жидкого водорода, но он инертен и не образует с кислородом взрывоопасных смесей.

Однако, при выборе того или иного газа необходимо учитывать его стоимость. Так, если принять относительную стоимость. 1м³ жидкого азота за единицу, стоимость жидкого водорода составит 2 , неона – 30, а гелия – 30000.