Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т.е способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов ( шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей ). Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью. Только для стёкол, хорошо обожжённой керамики и металлов влагопроницаемость почти равна нулю.
Количество влаги m ( в микро граммах ), проходящее за время ? через участок поверхности S [см 2 ] слоя изоляционного материала толщиной h [см] под действием разности давлений водяных паров р1 и р2 [ мм. рт . ст. ] с двух сторон слоя, равно :
m=П
Это уравнение аналогично уравнению для прохождения через тело электрического тока; разность давлений (р1 - р2) аналогична разности потенциалов, m/t - величине тока, а h/ПS - сопротивлению тела; коэффициент П, аналогичный удельной объёмной проводимости, есть влагопроницаемость данного материала.
Для различных материалов влагопроницаемость изменяется в весьма широких пределах. Так, для парафина значение П равно 0,0007; для полистирола - 0,03; для триацетата целлюлозы - около 1 мкг /(см- ч - мм рт. ст. ).
Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других пористых органических диэлектриков даёт лишь замедление увлажнения материала, не влияя на величину ? после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.
При длительном использовании электроаппаратуры, особенно в тропических условиях, на органических диэлектриках наблюдается развитие плесени. Появление плесени ухудшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь и может также ухудшить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Наиболее уязвимы для развития плесени целлюлозные материалы, в том числе и пропитанные ( гетинакс , текстолит ), канифоль, масляные лаки и др. Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики - керамика, стёкла, слюда, кремнийорганические материалы и некоторые из органических, например эпоксидные смолы, фторопласт - 4, полиэтилен, полистирол.
В тропиках приходится считаться также с возможностью повреждения электрической изоляции, кабельных оболочек термитами и животными. В ряде случаев весьма опасны для электроизоляционных и других материалов даже транспортировка и хранение на складах в тропических условиях.
Для испытания на тропикостойкость электроизоляционные материалы и различные электротехнические изделия длительно выдерживают при температуре 40 - 500С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков ( точные условия этих испытаний установлены Международной электротехнической комиссией ), после чего определяется степень ухудшения электрических и других свойств исследуемых образцов и отмечается интенсивность роста плесени на них.
С целью повышения плесенеустойчивости органической электрической изоляции в её состав вводят добавки фунгицидов, т.е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгициды. Имеется большое число рецептур фунгицидов, пригодных для введения в те или иные электроизоляционные материалы. К числу сильнодействующих фунгицидов принадлежат, в частности, некоторые органические соединения, содержащие азот, хлор, ртуть.
Нефтяные электроизоляционные
масла.
Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение двояко : во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод теплоты, выделяемой за счёт потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некоторые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом ( “ сухие трансформаторы ” ). Ещё одна важная область применения трансформаторного масла - масляные выключатели высокого напряжения. В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимися контактами выключателя происходит в масле или в находящихся под повышенным давлением газах, выделяемых маслом под действием высокой температуры дуги; это способствует охлаждению канала дуги и быстрому её гашению. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполненных вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.
Трансформаторные, а также другие нефтяные (“минеральные ”) электроизоляционные масла получают из нефти посредством её ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определённой ( по температуре кипения ) фракции и последующей тщательной очистки от химических нестойких примесей в результате обработки серной кислотой, а затем щёлочью, промывки водой и сушки.
Трансформаторное масло - это жидкость от почти бесцветной до тёмно - жёлтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Трансформаторное масло - горючая жидкость. Электрическая прочность масла - величина, чрезвычайно чувствительная к его увлажнению. Незначительная примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что воды ( около 80 ) значительно выше, чем масла (чистого масла около 2,2 ). Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряжённость электрического поля особенно велика и где, собственно и начинается развитие пробоя. Ещё более резко понижается электрическая прочность масла, если в нём, кроме воды содержатся волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи, легко впитывают в себя влагу из масла, причём значительно возрастает их ?r. Под действием сил поля увлажнённые волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла.
Вода легко может попасть в масло при его перевозке, хранении, переливки в недостаточно просушенную тару и т.п. Для сушки масла имеется несколько способов : пропускание под давлением сквозь фильтровальную бумагу в специальных установках - фильтропрессах; воздействие на масло центробежной силы в центрифуге, причём вода, имеющая плотность больше, чем у масла, отжимается с периферии сосуда и отделяется от масла; обработка адсорбентами; распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом и т.п. При сушке электрическая плотность увлажнённого масла восстанавливается.
Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного фазового сдвига. При пропитке бумажного диэлектрика повышаются как его , так и ЕПР; то и другое даёт возможность уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конденсатора при заданном рабочем напряжении, частоте и ёмкости.
Нефтяное конденсаторное масло имеет плотность 0,86 - 0,89 Мг/м3, температуру застывания минус 450С, ?r=2,1 ??2,3 и tg ??0,002 ( при частоте 1 кГц ).
Вазелиновое конденсаторное масло по плотности и электрическим свойствам близко к нефтяному, но имеет более высокую температуру застывания (-50С). Электрическая прочность конденсаторных масел не менее 20 МВ/м.
Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей; Пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают её электрическую прочность, а также способствуют отводу теплоты потерь. Кабельные масла бывают различных типов. Для пропитки изоляции силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках ( кабели с вязкой пропиткой ) применяется масло марки КМ-25 с кинематической вязкостью не менее 23 мм2/c при 1000С, температурой застывания не выше минус 100С и температурой вспышки не ниже +2200С. Для увеличения вязкости к этому маслу дополнительно добавляется канифоль или же синтетический загуститель.
В маслонаполненных кабелях используются менее вязкие масла. Так, масло марки МН-4 применяется для маслонаполненных кабелей на напряжения 110-220 кВ, в которых во время эксплуатации с помощью подпитывающих устройств поддерживается избыточное давление 0,3 - 0,4 МПа.
Для маслонаполненных кабелей высокого давления ( до 1,5 МПа ) на напряжения от 110-500 кВ, прокладываемых в стальных трубах, применяется особо тщательно очищенное масло марки С-200.
Синтетические жидкие диэлектрики.
Нефтяные масла склонны к электрическому старению, т.е. они могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряжённости. Для пропитки конденсаторов с целью получения повышенной ёмкости в данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь полярный жидкий диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением ?r имеются синтетические жидкие диэлектрики, по тем или иным свойствам превосходящие нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них.
Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путём замены в их молекулах некоторых ( или даже всех ) атомов водорода атомами хлора. Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила, имеющие общий состав С12Н10-nCLn (n - степень хлорирования от 3 до 6).
Хлорированные дифенилы обладают ?r , повышенной по сравнению с неполярными нефтяными маслами. По этому замена масел на хлорированные дифенилы при пропитке конденсаторов уменьшает объём конденсатора ( при этой же электрической ёмкости ) почти в 2 раза. Преимуществом хлорированных дифенилов является его не горючесть. Однако хлорированные дифенилы имеют и свои недостатки. Они сильно токсичны, из-за чего применение их для пропитки конденсаторов в некоторых странах запрещено законом. На их электроизоляционные свойства весьма значительно влияют примеси, наличие которых сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенной температуре. Недостатком является также заметное снижение их ?r и, следовательно ёмкости пропитанных хлорированными дифенилами конденсаторов при пониженных температурах. Хлорированные дифенилы обладают сравнительно высокой вязкостью, что в некоторых случаях вызывает необходимость разбавления их менее вязкими хлорированными углеводородами.
Кремнийорганические жидкости обладают малым tg ?, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабовыраженная зависимость вязкости от температуры. Эти жидкости весьма дорогие.
Фтороорганические жидкости имеют малый tg ??,?ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Некоторые фтороорганические жидкости могут длительно работать при температуре 2000С и выше. Пары некоторых фтороорганических жидкостей имеют высокую для газообразных диэлектриков электрическую прочность.
Характерными свойствами фтороорганических жидкостей является малая вязкость, низкое поверхностное натяжение (что благоприятствует пропитке пористой изоляции ), высокий температурный коэффициент объёмного расширения, высокая летучесть. Последнее обстоятельство требует герметизации аппаратов заливаемых фтороорганическими жидкостями. Фтороорганические жидкости способны обеспечить интенсивный отвод теплоты потерь от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов, чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости. Существуют специальные конструкции малогабаритных электротехнических устройств с заливкой фтороорганическими жидкостями, в которых для улучшения отвода теплоты используется испарение жидкости с последующей конденсацией её в охладителе и возвратом в устройство ( кипящая изоляция ); при этом теплота испарения отнимается от охлаждаемых обмоток, а наличие в пространстве над жидкостью фтороорганических паров, особенно под повышенным давлением, значительно увеличивает электрическую прочность газовой среды в аппарате.
Важным преимуществом фтороорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная не горючесть и высокая дугостойкость ( кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются и горят сильно коптящим пламенем ). Как и кремнийорганические соединения, фтороорганические жидкости пока ещё весьма дорогие.
Прочие синтетические жидкости. Представляют интерес и некоторые другие полярные электроизоляционные жидкости. Нитробензол, этиленгликоль и цианоэтилсахароза имеют высокую диэлектрическую проницаемость ?r=35?39.
Помимо синтетических электроизоляционных жидкостей, отличающихся по химическому составу и свойствам от нефтяных масел, существуют и синтетические жидкости углеводородного состава. Эти неполярные жидкости в некоторых случаях обладают более ценными свойствами (лучшие электроизоляционные свойства, стойкость к тепловому старению, газостойкость) по сравнению с нефтяными маслами.
Так, пропитка бумажных конденсаторов полиизобутиленом с низкой степенью полимеризации приводит к повышению постоянной времени само заряда конденсатора примерно на порядок по сравнению с нефтяным конденсаторным маслом или вазелином.
Сравнительно дешёвый отечественный материал (октол) представляет собой смесь полимеров изобутилена и его изомеров, имеющих общий состав С4Н8 и получаемых из газообразных продуктов крекинга нефти.
Значение ?r октола 2,0 - 2,2; tg ? ( при 1кГц ) 0,0001; температура застывания минус 120С.
Природные смолы.
Канифоль - хрупкая смола, получаемая из живицы ( природной смолы сосны ) после отгонки её жидких составных частей ( скипидара ). Канифоль в основном состоит из органических кислот. Канифоль растворима в нефтяных маслах ( особенно при нагреве) и других углеводородов, растительных маслах, спирте, скипидаре и прочие.
Электроизоляционные свойства канифоли : ?=1012- 1013 Ом ? м; ЕПР= 10 - 15 МВ/м; зависимость ?r и tg ? от температуры характерна для полярных диэлектриков. Температура размягчения канифоли составляет 50 - 700С. На воздухе канифоль постепенно окисляется, при чём температура размягчения её повышается, а растворимость снижается.
Канифоль, растворённая в нефтяных маслах, применяется при изготовлении пропиточных и заливочных кабельных компаундов.
Растительные масла.
Растительные масла - вязкие жидкости, получаемые из семян различных растений. Из этих масел особенно важны высыхающие масла, способные под воздействием нагрева, освещения, соприкосновения с кислородом воздуха и других факторов переходить в твёрдое состояние. Тонкий слой масла, налитый на поверхность какого-либо материала, высыхает и образует твёрдую, блестящую, прочно пристающую к подложке электроизоляционную плёнку. Высыхание масел является сложным химическим процессом, связанным с поглощением маслом некоторого количества кислорода из воздуха.
Скорость высыхания масел увеличивается с повышением температуры, при освещении, а также в присутствии катализаторов химических реакций высыхания - сиккативов. В качестве сиккативов используют соединения свинца, кальция, кобальта и др.
Отверждённые плёнки высыхающих масел в тяжёлых углеводородах, например в трансформаторном масле, не растворяются даже при нагреве, так что являются практически маслостойкими, но к ароматическим углеводородам, например бензолу, они менее стойки. При нагреве отверждённая плёнка не размягчается. Наиболее распространённые высыхающие масла - льняное и тунговое.
Льняное масло золотисто - жёлтого цвета получается из семян льна. Его плотность 0,93-0,94 Мг/м3, температура застывания - около -200С.
Тунговое (древесное) масло получают из семян тунгового дерева, которое разводится на Дальнем Востоке и на Кавказе. Тунговое масло не является пищевым и даже токсично. Плотность тунгового масла - 94 МГ/м3 , температура застывания - от 0 до минус 50С.
По сравнению с льняным маслом тунговое высыхает быстрее. Оно даже в толстом слое высыхает более равномерно и даёт водонепроницаемую плёнку, чем льняное. Высыхающие масла применяются в электропромышленности для изготовления электроизоляционных масляных лаков, лакотканей, для пропитки дерева и для других целей. В последнее время наблюдается тенденция к замене высыхающих масел синтетическими материалами. Невысыхающие масла могут применяться в качестве жидких диэлектриков.
Касторовое масло получается из семян клещевины; иногда используется для пропитки бумажных конденсаторов. Плотность касторового масла 0,95-0,97 МГ/м3, температура застывания от минус 10 до минус 180С ; ?r равно 4,0 - 4,5 при температуре 200С; tg ??0,01 - 0,03, ЕПР=15-20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте.
Битумы.
Битумы - аморфные материалы, представляющие собой сложные смеси углеводородов (обычно они содержат некоторое количество кислорода и серы). Они имеют чёрный (или тёмно-коричневый) цвет, при низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах, несколько труднее в бензине, не маслостойкие. В спирте и воде битумы не растворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы. Битумы термопластичны, плотность их близка к 1 Мг/м3. Различают искусственные (нефтяные), представляющие собой тяжёлые продукты перегонки нефти, и природные (ископаемые), называемые также асфальтами.
Температура размягчения асфальта доходит до 2000С. Более тугоплавкие битумы имеют лучшие электроизоляционные свойства, которые медленно ухудшаются при повышении температуры; Они труднее растворимы и при низких температурах более тверды и хрупки. Природные асфальты используются в компаундах для заливки трансформаторов. Битумы - слабо полярные вещества с ?r = 2,5 - 3,0; tg ? около 0,01; ЕПР= 10 - 25 МВ/м и ? = 1013- 1014 Ом/м; Эти параметры мало зависят от влажности.
Воскообразные диэлектрики.
Представляют собой твёрдые легкоплавкие вещества, обладающие низкой механической прочностью и малой гигроскопичностью они употребляются для пропитки и заливки существенный недостаток - значительная усадка при застывании, по этому большая часть объёма пор изоляции оказывается заполненной воздухом, что приводит к понижению электрической прочности пропитанной изоляции.
Давший название группе материалов пчелиный воск для электрической изоляции в настоящее время не используется.
Парафин - наиболее дешёвая и широко известная неполярное воскообразное вещество. Получают его разгонкой и вымораживанием из соответствующей фракции дистиллата парафинистой нефти. Имеет плотность 0,85 - 0,9 Мг/м3. И температуру плавления 50-550С, tg ??0,0003 - 0,0007, ? - более 1016 Ом ??м; ЕПР= 20 - 25 МВ/м. При нормальной температуре парафин обладает высокой химической стабильностью, но при нагреве до 1300С на воздухе легко окисляется, снижая плотность в 100 раз. Парафин применяют для пропитки бумажных конденсаторов низкого напряжения, для пропитки дерева и картона, для заливки катушек с невысокой рабочей температурой. Парафин не растворим в воде и спиртах, но растворяется в жидких углеводородах : нефтяных маслах, бензине, бензоле.
Церезин - смесь твёрдых углеводородов метанового ряда. Изготовляется путём очистки минерала озокерита (горного воска, представляющего собой продукт естественного перерождения нефти в условиях доступа воздуха. Преимущества - более высокая температура плавления (65 - 800С) и стойкость к окислению; плотность у церезина выше, а тангенс меньше чем у парафина. При пропитке бумажных и слюдяных конденсаторов церезин вытесняет парафин.
Синтетический парафин и синтетический церезин - высокомолекулярные углеводороды с температурой плавления 100 - 1300С получают при изготовлении синтетического бензина и масел. Электроизоляционные свойства этих материалов близки к свойствам натурального парафина и натурального церезина используют при пропитке бумажных конденсаторов.
Вазелин - близкая к воскообразным веществам масса, мазеобразная; применяется для пропитки бумажных конденсаторов. Вазелин - смесь твёрдых и жидких углеводородов получаемых из нефти. tg ??при 1 кГц , нормальной температуре не более 0,0002, ? -не менее 5 ? 1012 Ом ??м; ЕПР при 50 Гц не менее 20 МВ/м.
Используемая Литература :
1. “ Электротехнические материалы ”
Н.П.Богородский; В.В. Пасынков 86 г.
“ Теория диэлектриков ”
А.А. Воробьёв;Б.М.Тареев. 86 г.
“ Материалы электронной техники ”
В.В. Пасынков; В.С. Сорокин. 86 г.
“ Материалы в приборостроении и автоматике ”
Ю.Н. Пятин 82 г.