Жидкие диэлектрики.

В качестве жидких диэлектриков наиболее часто применяют нефтяные электроизоляционные масла и различные синтетические диэлектрики. Нефтяные электроизоляционные масла получают из нефти посредством ступенчатой фракции по температуре кипения. Эти масла обладают рядом свойств, которые обеспечили их широкое применение:

• они сравнительно дешевы и производятся в больших количествах;

• при высокой степени очистки масла обладают достаточно хорошими электроизоляционными свойствами.

Одним из самых распространенных является трансформаторное масло. Трансформаторное масло представляет собой жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу являющуюся смесью различных углеводородов и поэтому принадлежащую к неполярным диэлектрикам с малой диэлектрической проницаемостью (=2,2). Имеет малую кинематическую вязкость, что необходимо для лучшего отвода тепла и пропитки пористой изоляции. С ростом температуры  уменьшается, а tg возрастает, что характерно для неполярных диэлектриков. Другим важным параметром масла является температура застывания, характеризующая возможность работы аппаратуры при низких температурах. Специальные "арктические" масла имеют температуру застывания ~ -70° С.

Электрическая прочность масла очень зависят от степени увлажнения. При сушке масла его электрическая прочность восстанавливается. Обычно величина Е_пр составляет 10 – 25 МВ/м. Плотность различных типов масла находится в пределах 870 – 900 кг/м³.

Так как при заливке силовых трансформаторов масло выполняет двоякую роль во-первых, повышает электрическую прочность изоляции, заполняя поры в волокнистой изоляции и промежутки между витками обмоток, во-вторых, улучшает отвод тепла от обмоток и сердечника трансформатора, то необходимо знать удельные теплоемкость и теплопроводность масла. Они составляют 1500 Дж/кгК и 1 Вт/мК со­ответственно. С ростом температуры теплоемкость и теплопроводность масла возрастают. Эффективность масла при теплоотводе в 25 – 30 раз выше, чем воздуха при свободной конвекции.

В процессе эксплуатации трансформаторное масло стареет, становясь более темным. В нем образуются загрязняющие eго продукты-кислоты, смолы, частично растворимые в масле, частично растворимые в масле, частично нет, которые в виде ''ила'' осаждаются на дно аппарата, значительно ухудшая теплоотвод. Образующиеся при этом низкомолекулярные кислоты раз­рушают изоляцию обмоток и вызывают коррозию соприкасающегося с маслом металла.

При старении увеличивается кислотное число, возрастает вязкость, ухудшаются электроизоляционные свойства. Скорость старения масла возрастает при:

• доступе воздуха (кислорода и озона);

• повышении температуры (обычная температура масла 95С);

• соприкосновении с некоторыми металлами (Cu, Fe, Pb и др.) и с веществами-катализаторами старения;

• воздействии света;

• воздействии электрического поля, т. к. некоторые сорта масел могут выделять газы.

Для замедления процесса старения в, масла, добавляют ингибиторы –антикислотные добавки, например ионол, пирамидон и др.

Сильно окисленное масло (кислотное число > 0,4 мг КОН/г), претерпевшее глубокое старение, регенерируют специальными адсорбентами.

Несмотря на использование мер предохранения от старения масел, они в процессе эксплуатации все же окисляются и со временем в них появляются твердые и жидкие продукты окисления и вода, время от – времени масла надо очищать от примесей и воды, восстанавливая их свойства. Воду удаляют испарением, нагревая масло без доступа воздуха, твердые примеси удаляют на фильтр-прессах.

Некоторые марки электроизоляционных нефтяных масел:

• трансформное АТМ-65;

• конденсаторное;

• кабельное МH-4; С-220.

Синтетические жидкие диэлектрики свободны от недостатков , присущих нефтяным маслам – горючести, сравнительно невысокой температуры вспышки паров, малой диэлектрической проницаемости. Они состоят из хлорированных углеводородов, типичным представителем которых является совол.

Совол получают хлорированием расплавленного кристаллического вещества дифенила С₅ Н ₆ - С ₆ Н₅ в присутствии катализатора – олова, железа и др. При этом происходит реакция замещения атомов Н атомами Сl.

Сl₃Н₂С₆ – С₆Н₃Сl₂ (пентахлордифенил-совол)

Т. к. молекулы совола построены несимметрично, они полярны и материал является полярным диэлектриком.

Совол – негорючее вещество, что является его главным преимуществом перед нефтяным маслом, однако, при температуре +5С он застывает. Его =5,2 , что позволяет снизить габариты и массу бумажных конденсаторов при пропитке, однако при электрическом разряде в нем образуются токсичные газы, поэтому его применение для пропитки конденсаторов запрещено.

Большой практический интерес представляют кремнийорганичесие жидкости. Они обладают малым tg, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью, низкой температурой замерзания, высокой температурой вспышки паров, нетоксичны. Однако, они достаточно дороги. Их используют в специальных трансформаторах небольшой мощности, в бумажных и пленочных конденсаторах.

В зависимости от характера радикалов, присоединенных к атомам кремния в основной силоксановой цепочке молекулы, различают полиметилсилоксановые (ПМС) жидкости (СН₃),полиэтилсилоксансвые (ПЭС) – (С₂Н₅) и полиметилфенилсилоксановые (ПМФС) - (СН₃ + С₆Н₅).

[-Si - О - Si - 0 – Si - ] – силоксановая цепочка

При температуре 20С и частоте 1 кГц эти жидкости характеризуются =2,5 – 3,3 ; tg=0,0001 – 0,0003 ; t _max 250C , температурой застывания -60...-100С;E_пр =15 – 18 МВ/м.

Практически всеми преимуществами кремнийорганических жидкостей по сравнению с нефтяными маслами обладают фтороорганические жидкости. Отличительным преимуществом их является

необыкновенно высокая электрическая прочность паров некоторых фторорганических жидкостей. Фторорганические жидкости обеспечивают более интенсивный теплоотвод от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов.

Существуют специальные конструкции малогабаритных электронных устройств с заливкой фторорганическими жидкостями, в которых для улучшения отвода тепла используют испарение жидкости с nocледующей конденсацией ее в охладителе и возвратом в устройство (кипящая изоляция). При этом теплота испарения удаляется от охлаждаемых узлов, а наличие в пространстве над уровнем жидкости фторорганических паров, особенно при повышенном давлении, значительно увеличивает электрическую прочность газовой среды в аппарате.

Электроизоляционные высокополимерные твердые материалы.

Высокополимерные материалы состоят из молекул больших размеров, включающих в себя десятки и сотни тысяч молекул каких-либо простых веществ, называемых мономерами. Мономеры – вещества, легко вступающие в химические реакции. В результате этих реакций образуется новое высокополимерное вещество (полимер) большой молекулярной массы. Реакцию образования полимера из мономера называют полимеризацией . При полимеризации молекулярная масса вещества увеличивается, возрастает температура плавления и кипения, повышается вязкость. В процессе полимеризации вещество может переходить из газообразного или жидкого состояния в состояние твердого тела.

В молекулах полимеров молекулы мономера прочно связаны друг с другом силами химических связей.

• А - А - А - А –

Большие молекулы полимеров могут иметь форму вытянутых в длину нитей, т.е. линейную структуру. Это линейные полимеры, способные размягчаться при нагревании, т.е. они являются термопластичными материалами.

Полимеры, состоящие из молекул, развитых по трем направлениям в пространстве, называются пространственными, они относительно хрупки, как правило, не размягчаются при нагревании, т.е. являются термоактивными материалами.

Полимеры могут иметь аморфное или кристаллическое строение.

Высокополимерные вещества бывают природными (янтарь, натуральный каучук) и синтетическими (полистирол и др.).

В современной электротехнике используются, главным образом, синтетические высокополимерные материалы - диэлектрики.

Если электрическая изоляция в эксплуатации должна выдерживать повышенные температуры, не деформируясь и сохраняя высокую механическую прочность, или если она должна быть стойкой при соприкосновении с растворителями, то целесообразно использовать термореактивные материалы.

Термопластичные материалы более эластичны и менее хрупки, чем термореактивные, менее подвержены тепловому старению.

В ряде случаев технология обработки термопластичных материалов проще.

Приведем характеристики некоторых полимерных материалов.

Полистирол получают в результате полимеризации исходного вещества - стирола С₈Н₈,представляющего жидкий ненасыщенный углеводород со структурной формулой,представленной на рис.37.

Благодаря наличию двойной связи между двумя соседними атомами углерода молекула обладает способностью легко полимеризоваться. В результате образуется твердое вещество – полистирол (рис.38).

Полистирол имеет следующие характеристики:

• плотность – 1050 кг/м³;

• _р = 39-41 Мпа;

• удельная вязкость -  = 18-22 кДж/м²;

• теплостойкость – 75-80С, размягчается при +110-+120С;

• холодостойкость – до -60С;

• растворяется в неполярных растворителях: бензоле, толуоле, ксилоле;

• =10¹³-10¹⁴ Омм4

• =2,4;

• tg=(2-4)10^-4;

• Е_пр=25-30 МВ/м.

Применяется для изготовления катушек, изоляционных пане­лей, оснований и изоляторов для электроизмерительных приборов. Может использоваться в виде пленок (стиропленки) толщиной 20-100 мкм и шириной 10-300 мм; имеет при этом Е_пр = 80-100 МВ/м. Основ­ное применение – изоляция жил высокочастотных кабелей и производство конденсаторов.

Главный недостаток полистирола – хрупкость, т.е. невысокая ударная вязкость и склонность к растрескиванию.

От этих недостатков свободен ударопрочный полистирол – смесь полистирола с синтетическими каучуками или сополимерами. Имеет =40-50 кДж/м² и =3,0-3,3.

Полиэтилен - твердый непрозрачный материал белого или светло-серого цвета, несколько жирный на ощупь, получают полимеризацией под давлением газа этилена Н₂С=СН₂.

Различают полиэтилен высокого, среднего и низкого давления.

В зависимости от марки имеет плотность 920-960 кг/м³.

Имеет разную степень кристаллизации и, соответственно, температуру плавления – 108-125 и 130С.

Величина _р=10-18 МПа, 18-40 МПа, 23-31 МПа; теплостойкость 55-60С, 85С и 70С для полиэтилена высокого, среднего и низкого давления соответственно.

Холодостойкость – до -70 -150С.

Электрические свойства такие же, как у полистирола. При комнатной температуре в растворителях не растворяется, при температуре +70С растворяется в ксилола, минеральных маслах.

Основными недостатками являются невысокая нагревостойкость (90С), склонность к растрескиванию, нестойкость к солнечному свету.

Применяется для изоляции радиочастотных, телефонных и силовых кабелей.

Из полиэтилена высокого давления изготавливают электроизоляционные полупроводниковые пленки толщиной 30-200 мкм и шириной до 1,5 м, а из полиэтилена СД и НД – негибкие электроизоляционные изделия – каркасы, катушки, платы и др.

Для повышения нагревостойкости до 100С полиэтилен подвергают ионизирующему облучению, при этом происходит соединение линейных молекул друг с другом и образование больших пространственных молекул.

Винипласт получают горячим прессованием из порошкаполивинилхлорида. Химически стоек, обладает высокой механической прочностью, ударостоек, имеет хорошие изоляционные свойства.

Характеризуется следующими параметрами :

• плотность – 1350 кг/м³;

• _р=60-80 МПа;

• =100-150 кДж/м²;

• теплостойкость - +60 - +80С;

• холодостойкость - - (10-15)С;

• разлагается при +150 - +200С;

• _v=(1,0-10)^-12 Омм;

• =3,2;

• tg=0,01-0,02;

• Е_пр=30-42МВ/м.

Недостатком винипласта является малая холодостойкость.

Винипласт легко обрабатывается. Применяется для изготовления баков для аккумуляторов, корпусов химических и гальванических ванн и пр.

Поливинилхлоридный пластикат представляет гибкий рулонный материал, получаемый из порошка поливинилхлорида, смешанного с пластификаторами – густыми маслообразными жидкостями (дибутилфтолат и др.) в количестве 30-35%. Смесь прокатывается пол нагревом несколько раз, в результате получают гибкий пластикат в виде лент толщиной 0,8-2,5 мм и шириной до 400 мм.

Имеет :

• плотность - 1200-1300 кг/м³;

• _р=18-20 МПа;

• холодостойкость до - 45 - 60С;

• температуру размягчения +200 - +250СЖ

• _v=10⁹-10¹² Омм;

• =4-5;

• tg=0,03-0,08;

• Е_пр=20-30 МВ/м.

Применяется в качестве основной изоляции монтажных проводов, для изготовления защитных оболочек – шлангов, кабелей, и липкой изоляционной ленты.

Полиэфиры (полиэфирные смолы) – некоторые синтетические полимеры ; по своим свойствам близкие к природным смолам – канифоли и др. являются продуктами поликонденсации различных спиртов и органических кислот. Полиэфиры . получаемые из двухатомных спиртов (гликолей), т.е. спиртов, имеющих две гидроксильные группы (OH) в молекуле и из двухосновных органических кислот, т.е. кислот, имеющих две карбонильные группы (COОH) в молекуле термопластичный.

Полимеры, получаемые из трех атомных спиртов, из кислот с основностью не менее двух – термореактивны.

Так, полиэтилентерефталат (в России – лавсан, по аббревиатуре слов «лаборатория высокомолекулярных соединений АН СССР»), получаемый из этиленгликоля (НО-СН₂-СН₂-ОН) и двухосновный терефталевой кислоты (НООС-С₆Н₄-СООН) имеет линейное строение молекулы и является типичным термопластичным материалом.

Характеризуется значительной механической прочностью.

Имеет следующие параметры:

плотность 1400 кг/м³;

_р=100-180 МПа;

холодостойкость – до -150С;

нагревостойкость – до +120 - +130С;

температуру размягчения +260С;

_v=10¹²-10¹³ Омм;

=0,2;

tg=0,002-0,006;

Е_пр=140-180 МВ/м.

Изготавливается в виде прозрачных пленок толщиной 80-100 мкм.

Применяется в качестве пазововой изоляции в электрических машинах, в качестве высокопрочной изоляции эмалированных проводов.

Гифтали (гифталевые смолы) получают поликонденсацией многоатомныных спиртов (гликоль, глицерин и др.) и органических кислот (фталевая, малеиновая и др.). Эти термореактивные материалы, обладающие высокой клейкостью, применяются для изготовления клееной слюдяной изоляции. Они обладают высокой нагревостойкостью – до 130С.

Полиметилметакрилат (плексиглас, органической стекло) – полимер метилового спирта и метакриловой кислоты. Основными характеристиками являются:

плотность 1180 кг/м³;

_р=60-70 МПа;

холодостойкость – до -50…-60С;

теплостойкость – +60 - +80С;

_v=10¹⁰-10¹¹ Омм;

=3,6;

tg=0,06;

Е_пр=15-22 МВ/м.

Устойчив к действию разбавленных кислот, бензину, минеральным маслам. Растворяется в ароматических углеводородах (бензоле, толуоле, кселоле), ацетоне и др. растворителях.

Оргстекло – термопластичная пластмасса, легко формуется и механически обрабатывается, склеивается дихлорэтановым клеем.