- •Міністерство освіти і науки україни криворізький технічний університет
- •Передмова
- •Розділ 1. Введення в предмет
- •1.1. Визначення матеріалу, матеріалознавства, електротехнічного матеріалознавства.
- •1.2. Роль матеріалів у сучасній техніці.
- •1.3. Класифікація матеріалів, застосовуваних в енергетиці й електротехніці.
- •Розділ 2. Електрофізичні характеристики матеріалів.
- •2.1. Електропровідність матеріалів.
- •2.1.1. Основне рівняння електропровідності.
- •2.1.2. Електропровідність металів
- •2.1.3. Електропровідність газів
- •2.1.4. Електропровідність твердих діелектриків.
- •2.1.5. Електропровідність рідин.
- •2.2. Діелектрична проникність.
- •2.2.1. Діелектрична проникність газів.
- •2.2.2. Діелектрична проникність твердих і рідких діелектриків.
- •2.3. Електрична міцність матеріалів.
- •2.4.Теплові характеристики матеріалів.
- •2.5.Механічні характеристики матеріалів.
- •2.6 Вологостні властивості діелектриків.
- •2.6.1. Загальні характеристики вологості повітря
- •2.6.2 Гігроскопічність діелектриків.
- •2.6.3. Вологопроникливість діелектриків.
- •Розділ 3. Різні види діелектричних матеріалів.
- •3.1. Загальні характеристики й застосування газоподібних діелектриків.
- •3.2. Загальні характеристики й застосування рідких діелектриків.
- •3.3. Використовувані й перспективні рідкі діелектрики.
- •3.3.1. Трансформаторне масло.
- •3.3.2. Основні фізико-хімічні властивості трансформаторного масла.
- •3.3.3. Конденсаторне й кабельне масла.
- •3.3.4. Синтетичні діелектричні рідини.
- •3.4. Тверді діелектрики.
- •3.4.1. Загальні характеристики твердих діелектриків.
- •3.4.2. Види діелектриків. Застосування твердих діелектриків в енергетиці.
- •3.4.3. Полімерні матеріали.
- •3.4.4. Папір і картон
- •3.4.5. Шаруваті пластики
- •3.4.6. Лакотканини
- •Розділ 4. Провідникові матеріали.
- •4.1. Матеріали для проводів. Мідь, алюміній.
- •4.2. Матеріали для контактів.
- •4.3. Металеві резистивні матеріали
- •4.4. Принципи надпровідності.
- •Список рекомендованої літератури.
2.6.3. Вологопроникливість діелектриків.
Крім гігроскопічності, велике практичне значення має практичне значення їх здатність пропускати через себе пари води. Ця характеристика називається вологопроникливість і вона дуже важлива для оцінки якості матеріалів, застосовуваних для захисних покривів: зовнішні шланги кабелів, лакові покриття деталей). Тільки для стла, добре обпаленої кераміки й металів вологопроникливість практично дорівнює нулю.
Кількість вологи m, що проходить за час τ крізь ділянку площею S шару ізоляційного діелектрика товщиною h під дією різниці тисків P1 і P2 рівно
M = Π*(P1 - P2)*S* τ/h
Ця формула аналогічна рівнянню проходженню струму через тіло, а коефіцієнт пропорційності П у цій формулі аналогічний питомої об'ємної провідності. Цей коефіцієнт є вологопроникливістю даного матеріалу.
Відповідно до цього визначення в системі СІ вологопроникливість виміряється в [с] (секунди). Для твердих органічних діелектриків вологопроникливість має порядок значень 10-13 – 10-16 с.
Для зменшення гігроскопічності й вологопроникливості пористих і волокнистих ізоляційних матеріалів широко застосовується їхнє просочення. Необхідно розуміти, що просочення не усуває, а тільки сповільнює процеси нагромадження вологи основним діелектриком. Це пояснюється відносно великим розміром молекул просочення.
Розділ 3. Різні види діелектричних матеріалів.
3.1. Загальні характеристики й застосування газоподібних діелектриків.
У числі газоподібних діелектриків, насамперед, потрібно згадати повітря, яке мимо нашої волі входить до складу всіх електротехнічних пристроїв і виявляє свій вплив на їхню роботу.
Наприклад, у роботі ліній електропередач повітря є основним діелектриком і утворює єдину ізоляцію між оголеними проводами. Деякі елементи конструкції ЛЕП, наприклад відстань між струмонесучими проводами, можна визначити тільки знаючи діелектричні властивості газу.
Перевагами газів перед іншими видами електроізоляційних матеріалів є високий питомий електричний опір, малий тангенс кута діелектричних втрат. Найбільше ж коштовною властивістю газів є їхня здатність відновлювати електричну міцність після розряду.
Основні характеристики газів, як діелектриків, це діелектрична проникність, електропровідність, електрична міцність. Крім того, найчастіше важливі теплофізичні характеристики, у першу чергу теплопровідність.
Значення діелектричної проникності газів близько до 1. Електропровідність газів звичайно не гірше 10-13 См/м, причому, як було показано в другій лекції, основним фактором зухвалим провідність у не дуже сильних полях, є іонізуюче випромінювання. Вольт-амперна характеристика має три характерні зони - омічна поведінка, насичення, експонентний ріст. Діелектричні втрати незначні і їх варто враховувати тільки в третій області.
Електрична міцність у газів, порівняно з міцністю рідин і твердих діелектриків, невелика й сильно залежить як від зовнішніх умов, так і від природи газу. Звичайно пробивні характеристики різних газів зіставляють при нормальних умовах (н.у.). Ці умови - тиск 1 атм, температура 20 °С, електроди, що створюють однорідне поле, площею 1 див2, міжелектродний зазор 1 см. Повітря при н.у. має електричну міцність 3 кВ/мм.
Основні атмосферні гази, наприклад азот, мають близькі до повітря значення електричної міцності. Азот нерідко застосовується замість повітря в газових конденсаторах, оскільки він не містить кисню, хімічно більш інертний, не окиснить дотичні з ним матеріали.
Коефіцієнт до, що показує відношення електричної міцності газу до електричної міцності повітря становить для деяких газів, використовуваних у техніку: водень - до = 0.5, гелій - до = 0.2, елегаз до = 2.9, фреон-12 - до = 2.4, перфторовані вуглеводні гази до = (4-10),.
Теплопровідність газів також невелика в порівнянні з теплопровідністю твердих тіл і рідин, найбільше її значення l= 0.2 Вт/(м×К) - у водню. Для найбільш популярних газів l= 0.03 Вт/(м×К)--повітря, l= 0.012 Вт/(м×К) - елегаз. Для порівняння - в алюмінію l= 200 Вт/(м×К).
Існують спеціальні види синтетичних газових діелектриків, застосовуваних для ізоляції внутрішнього простору високовольтних вимикачів, газової ізоляції кабелів.
В електротехнічних пристроях знайшли широке застосування синтетичні газові діелектрики на основі фтору.
Основні газові діелектрики – це т.зв. елегаз («електричний» газ) і фреон.
Елегаз (гексафторид сірки) має хімічну формулу SF6. Основна область застосування – газонаповнені високовольтні вимикачі.
Своя назва він одержав від скорочення “електричний газ”. Унікальні властивості елегазу були відкриті в Росії, його застосування також почалося в Росії. В 30х роках відомий учений Б.М. Гохберг досліджував електричні властивості ряду газів і звернув увагу на деякі властивості шестифтористої сірки SF6. Електрична міцність при атмосферному тиску й зазорі 1 див становить Е = 8,9 кВ/мм. Характерним є дуже великий коефіцієнт теплового розширення й висока щільність. Це важливо для енергетичних установок, у яких проводиться охолодження яких-небудь частин пристрою, тому що при великому коефіцієнті теплового розширення легко утворюється конвективний потік, що несе тепло. З теплофізичних властивостей: температура плавлення = -50 °С при 2 атм, температура кипіння (сублімації) = -63°С. Низькі значення останніх параметрів означають можливість застосування елегазу при низьких температурах.
З інших корисних властивостей відзначимо наступні: хімічна інертність, нетоксичність, негорючість, термостійкість ( до 800°С), вибухобезпечніть, слабке розкладання в розрядах, низька температура скраплення. Під час відсутності домішок елегаз зовсім нешкідливий для людини. Однак продукти розкладання елегазу в результаті дії розрядів (наприклад, у розряднику або вимикачі) токсичні й хімічно активні.
Комплекс властивостей елегазу забезпечив досить широке використання елегазовій ізоляції. У пристроях елегаз звичайно використовується під тиском у кілька атмосфер для більшої компактності енергоустановок, тому що, як ви знаєте, електрична міцність збільшується з ростом тиску. На основі елегазової ізоляції створені й експлуатуються ряд електропристроїв, з них кабелі, конденсатори, вимикачі, компактні ЗРП (закриті розподільні пристрої). Найбільш широке застосування елегаз знайшов за рубежем, особливо в Японії. Наприклад, використання елегазу дозволяє в десятки раз зменшити розміри розподільних пристроїв, що дуже актуально при високій вартості землі для розміщення енергогосподарства. Це вигідно навіть незважаючи на високу вартість елегазу - більш 10$ за 1 кілограм.
У таблиці 3.1. наведені відносини електричної міцності деяких газів Епр.г до електричної міцності повітря Епр.п, яке прийнято за одиницю, а також дані точки кипіння газів при нормальному тиску.
Табл.3.1. Характеристики повітряутворюючих газів
Газ |
Щільність кг/м3 |
Температура кипіння, oc |
Eпр.г/Епр.п |
Азот |
1.25 |
-196 |
1.0 |
Гексафторид сірки (елегаз) |
6.70 |
-64 |
2.3 |
Дихлорфторметан (фреон-12) |
6.33 ( при -30oc) |
-30 |
2.4 |
Фреон має приблизно ту ж, що й елегаз електричну міцність, але при нормальній температурі його можна стиснути лише до 6 атм. Фреон викликає корозію деяких твердих діелектриків.