Глава 8. Диэлектрические материалы

8.1 Газообразные диэлектрики

Преимуществами газов перед остальными видами диэлектричес­ких материалов являются высокое удельное сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая (близкая к единице) диэлектрическая проницаемость. Наиболее важным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую проч­ность после разряда.

Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко ис­пользуют двух- и трехатомные газы – азот, водород, углекислый газ. Электрические прочности этих газов при нормальных условиях мало отличаются друг от друга и могут с достаточной точностью при­ниматься равными прочности воздуха.

Азот имеет с воздухом практически одинаковую электрическую прочность и часто применяется вместо него для заполнения газовых конденсаторов и других целей, так как не содержит кислорода, оказывающего окисляющее влияние на соприкасающиеся с ним ма­териалы.

Значительный интерес представляет водород, имеющий весьма высокий коэффициент теплопроводности, несмотря на его меньшую электрическую прочность по сравнению с воздухом. Водород при­меняется в качестве электроизоляционной и охлаждающей среды в крупных турбогенераторах.

Лучше всего требованиям к газам, применяемым в электроизо­ляционных конструкциях, удовлетворяют элегаз SF₆ и фреон ССl₂F₂.

Элегаз или гексафторид серы (SР₆) имеет электрическую проч­ность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха. Поскольку элегаз обладает низкой температурой кипения и высокой плотностью, при­мерно в 5,1 раза тяжелее воздуха, он может быть сжат до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз нетоксичен, химически стоек, не раз­лагается при нагреве до 800^о С, Особенно велики его преимущества при повышенных давлениях. Элегаз обладает не только более высо­кой электрической прочностью, чем воздух, но и существенно бо­лее высокой дугогасящей способностью. Поэтому нарастающими темпами идут разработка и создание элегазовых выключателей и распределительных устройств, в которые наряду с выключателями входят разъединители, короткозамыкатели, трансформаторы тока и напряжения и использование элегаза в высоковольтных кабелях. Преимуществами элегазового кабеля по сравне­нию с бумажно-масляным являются малая электрическая емкость и диэлектрические потери, хорошее охлаждение. Благодаря таким преимуществам по элегазовым кабелям можно передавать очень большие мощности.

8.2 Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого на­пряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции, находящихся под на­пряжением элементов конструкции, и отводить от них теплоту, вы­деляющуюся при работе.

В качестве жидкого диэлектрика используют нефтяные масла, которые получают фракционной перегонкой нефти. Вы­деленные фракции представляют собой сложную смесь углеводоро­дов парафинового, нафтенового и ароматического рядов с неболь­шой примесью других компонентов, содержащих атомы серы, кисло­рода и азота.

В трансформаторных мас­лах содержание нафтеновых углеводородов достигает 75-80%. Необходимой составной ча­стью электроизоляционных нефтяных масел являются также аро­матические углеводороды, содержание которых ограничивается оп­ределенным оптимумом (обычно 10-12%), обеспечивающим наи­большее увеличение срока службы. Излишнее количество аромати­ческих углеводородов увеличивает тангенс угла диэлектрических потерь.

Чтобы получить трансформаторное масло, пригодное для приме­нения, необходимо очистить масляный дистиллят, который остает­ся после отгонки от нефти легких нефтепродуктов: бензина, керо­сина, лигроина.

Дистиллят очищают серной кислотой, затем нейтрализуют ще­лочью, промывают водой и сушат при 75-85°С, продувая через него воздух. Для очистки от примесей и механических загрязнений мас­ла фильтруют через адсорбенты – вещества, имеющие сильно раз­витую поверхность.

Свежее трансформаторное (конденсаторное) масло имеет обычно соломенно-желтый цвет, причем чем глубже очистка, тем светлее масло. Масла, бывшие в эксплуатации, из-за накопления продук­тов окисления имеют темный цвет.

Конденсаторное масло получают из низкозастывающих высоко­качественных нефтей или путем дополнительной очистки адсорбен­тами трансформаторного масла. Пожарная опасность оценивается по темпера­туре вспышки паров трансформаторного масла в смеси с воздухом, которая не должна быть ниже 135-140^оС.

В масляных выключателях высокого напряжения, важным параметром масла является темпера­тура застывания. Масло в этих электрических аппаратах служит для охлаждения канала дуги и быстрого ее гашения в момент раз­рыва контактов. В то время как обычное трансформаторное масло имеет температуру застывания около –45°С, специальное «арк­тическое» масло, предназначенное для работы на открытых подстан­циях в районах Крайнего Севера, имеет температуру застывания –70°С (марка АТМ-65).

Наиболее важные для практического применения трансформа­торного масла свойства нормированы ГОСТ982-80. Из этих свойств необходимо знать кинематическую вязкость при тем­пературе 20 и 50^оС, так как при увеличении вязкости сверх допу­стимых пределов хуже отводится теплота от обмоток и магнитопровода трансформатора, что может привести к сокращению срока службы электрической изоляции. Нормировано также так называемое кислотное число – количество граммов КОН, ко­торым можно полностью нейтрализовать все кислые продукты, со­держащие в 1 кг масла. Этот показатель важен для учета старения масла в процессе его эксплуатации и для разных марок масла не должен превышать значений 0,03-0,1г КОН на 1кг. Для расчета расширителей трансформаторов, в которые переходит часть масла из бака трансформатора при повышении температуры, важно также учитывать и плотность масла, которая составляет 0,85-0,9мг/м³, и температурный коэффициент объемного расширения, имеющий значение около 0,00065К^-1. Способность масла отводить теплоту от магнитопровода и обмоток погруженного в него трансформатора зависит от удельной теплоемкости, равной при нормальной темпе­ратуре примерно 1,5 Дж/(кг·К), и коэффициента теплопроводности около 1 Вт,(м·К). Обе эти характеристики при росте температуры увеличиваются.

По своим диэлектрическим характеристикам хорошо очищенное от примесей и влаги трансформаторное масло обладает свойствами неполярного диэлектрика. Значение диэлектрической проницаемо­сти при 20°С равно 2,2-2,3, tgδ при частоте 50Гц для трансфор­маторного масла не должен превышать 0,003. Величина tgδ опреде­ляется проводимостью и зависит от степени очистки трансформатор­ного масла. Получение масел с пониженными диэлектрическими по­терями (значение tgδ около 0,002-0,0005) для кабелей и конденса­торов требует очень хорошей очистки с применением адсорбентов. Удельное электрическое сопротив­ление свежего трансформаторного масла при нормальной темпера­туре не превышает 10¹³Ом·м.

Важной характеристикой масла является его электрическая прочность, которая чрезвычайно чувствительна к увлажнению. Правила технической эксплуатации электростанций (ПТЭ) предус­матривают определенные нормы электрической прочности для чис­того и сухого трансформаторного масла, приготовленного для за­ливки в аппарат, и для масла, находившегося в эксплуатации.

Пробой масла производят в стандартном разряднике между по­груженными в масло металлическими дисковыми электродами диа­метром 25мм с закругленными краями при расстоянии между ними 2,5мм. Пробивное напряжение технически чистых масел в стандарт­ном разряднике составляет 50-60кВ при 50Гц и примерно 120кВ при воздействии импульсного напряжения. Примесь воды в масле снижает значение пробивного напряжения. Если вода находится в масле в виде эмульсии, т. е. в виде мельчайших капелек, которые втягиваются в места, где напряженность поля велика, то в этом ме­сте и начинается развитие пробоя. Увеличение пробивно­го напряжения с ростом температуры объясняется переходом воды из суспензии в молекулярно-растворенное состояние. Рост пробив­ного напряжения при уменьшении температуры ниже 0°С объяс­няется образованием льда и ростом вязкости масла.

При работе маслонаполненных трансформаторов или других электрических аппаратов, содержащих масло, наблюдается посте­пенное ухудшение рабочих параметров масла: tgδ, цвета, кислот­ности, вязкости, температуры замерзания и др. Ухудшение этих свойств вызвано явлением «старение», которое сопровождается изме­нением химических и электрофизических показателей. Наиболее интенсивно процессы старения масла протекают при повышении тем­пературы масла выше 95°С при одновременном воздейст­вии электрического поля, света, излучений высоких энергий и присутствия некоторых материалов и соединений, являющихся катализаторами старения. Активными катализаторами являются медь и ее сплавы, а также соли меди, железа, кобальта, органических ки­слот, растворимые в масле. В начале процесса старения масла обра­зуются частично растворимые загрязняющие продукты — смолы и кислоты, а с течением времени появляются тяжелые нераствори­мые осадки, которые в виде «ила» или «шлама» осаждаются на дне бака, на менее нагретых частях трансформатора и в местах с повы­шенной напряженностью поля. Слой ила значительно ухудшает теплоотвод от нагретых деталей, а низкомолекулярные кислоты, со­держащиеся в состаренном масле, разрушают изоляцию обмоток и вызывают коррозию металлов. Электрическое поле ускоряет про­цесс старения масла и изменяет характер продуктов окисления ма­сел. При старении некоторых сортов масла в электрическом поле мо­жет наблюдаться также и газовыделение, от которого избавляются подбирая состав масла.

С целью повышения устойчивости масел к процессам старения их состав подбирают таким образом, чтобы в нем не содержалось ес­тественных катализаторов окисления и сохранялись соединения, замедляющие окисление. Такие вещества называются ингибитора­ми. В масла вводят также синтетические ингибиторы – ионол, ДВРС в концентрации от 0,1 до 0,5%. Введение ионола замедля­ет процесс старения масла в 2-3 раза. Чтобы продлить срок служ­бы масла в оборудовании, используют различные методы. Наибо­лее распространенный способ – герметизация оборудования, в ре­зультате которой устраняется непосредственный контакт масла с кислородом воздуха. Этот прием используется в кабельной, конден­саторной технике и в трансформаторостроении. В трансформаторах, кроме того, для замедления накопления продуктов окисления масла используется метод естественной циркуляции масла через так на­зываемый термосифонный фильтр, который можно периодически заменять на свежий, заполненный адсорбентом. Такие фильтры по­стоянно соединены с трансформатором. Для трансформаторов раз­личных габаритов разработано около 20 типов термосифонов. Осо­бенностью термосифонных фильтров является возможность восста­новления масла в трансформаторе без его отключения. Для предо­твращения оксидирования и увлажнения масла в трансформато­рах свободное пространство между поверхностью масла и крыш­кой бака или расширителя обычно заполняется азотом.

Для электрических аппаратов напряжением выше 35кВ масла очи­щаются от содержащихся в них влаги, газов и легких примесей пу­тем термовакуумной обработки в специальных аппаратах. Осушка масел производится искусственными цеолитами, которые известны также под названием «молекулярные сита». Масла с кислотным чис­лом ниже 0,4мг КОН на 1г подвергаются очистке природными и синтетическими адсорбентами при температуре 50-60°С.

Основные характеристики регенерированного масла должны со­ответствовать нормам на свежие масла.

Кроме трансформаторного масла в электротехнической промыш­ленности находят применение другие виды нефтяных масел. К ним относятся конденсаторные, кабельные и масла для масляных выклю­чателей и контакторных устройств регулирования напряжения под нагрузкой.

Синтетические жидкие диэлектрики. Они применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить длительную и надежную ра­боту высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках и напряженности электрического поля, в по­жаро- или взрывоопасной среде. Жидкие диэлектрики находят при­менение и для заливки герметичных кожухов, в которых располага­ются блоки электронной аппаратуры.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, не­горючестью, повышенным значением диэлектрической проницаемо­сти и относительно невысокой стоимостью. Однако в связи с токсичностью хлори­рованных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено, хотя в эксплуа­тации еще имеется их значительное количество.

Хлорированные углеводороды можно получить путем хлориро­вания дифенила С₆Н₅-С₆Н₅. При этом можно получать продук­ты с различной степенью хлорирования: три-, тетра-, пента- и гексахлордифенилы. По мере увеличения степени хлорирования растут молекулярная масса, плотность, вязкость, температура застывания и кипения. Вместе с тем возрастает и экологическая опасность, по­этому в конденсаторостроении пентахлордифенил (совтол) был заме­нен на трихлордифенил, хотя он и имеет повышенную вязкость при низких температурах.

Для применения в силовых трансформаторах использу­ют в основном совтол-10, представляющий собой смесь 90% пента-хлордифенила и 10 % трихлорбензола, который имеет в рабочем ин­тервале температур вязкость, близкую к вязкости трансформатор­ного масла. Однако по своим вязкостно-температурным свойствам совтол-10 значительно уступает гексолу, представляющему собой смесь 20% пентахлордифенила и 80% гексахлорбутадиена. Гексол не застывает при температуре до -60°С и меньше подвержен влиянию загрязнений. Значения тангенса угла диэлектрических потерь для трихлордифенила, совтола-10 и гексола при 90°С ле­жат в пределах 0,015-0,03. Удельное объемное сопротивление полихлордифенилов при рабочих температурах – в пределах 3·10⁹-10¹²Ом·м. Наименее полярные свойства проявляются у гексола, у которого ε при 70°С не превышает 2,7-2,9. Электрическая проч­ность большинства жидкостей на основе хлористых углеводородов при 20°С не превышает 18-22МВ/м.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соедине­ний (полиорганосилоксанов). Они являются нетоксичными и эколо­гически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка , атомы кремния которой связаны с органическими радикалами, изависимости от строения радикала (метил-, этил-, фенил-), непосредственно связанного с атомом кремния, основные группы кремнийорганических жидкостей имеют название: полиметилсилоксановые (ПМСЖ), полиэтилсилоксановые (ПЭСЖ), полифенилсилоксановые (ПСФЖ), полиметилфенилсилоксаиовые (ПМСЖ). Температура вспышки паров этих жидкостей нормируется не ниже 300^oС. температура застывания – ниже -60°С. При температурах более высоких, чем температура вспышки паров, эти жидкости самовоспламеняются без контакта с открытым пламенем. По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. Так, для полиэтилсилоксановых жидкостей tgδ=(2-3)·10^-4; ε=24-25; ρ=10¹¹-10¹²Ом·м, U_пр ≥ 45кВ.

Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях.

Жидкие диэлектрики на основе фторорганических соединений. Они отличаются негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. По химическому составу представляют собой углеводороды, амины, эфиры и другие соединения, в которых атомы водорода частично или полностью замещены атомами фтора или хлора (в хлорфторорганических соединениях). Если атомы водорода полностью замещены на атомы фтора, то такие соединения называются перфорированными. Некоторые фторуглеводороды и фторхлоруглеводороды нашли применение в качестве хладоагентов и получили название хладонов (раньше их называли фреонами). Некоторые сорта хладонов получили применение в качестве жидких диэлектриков. Фторуглеводородные жидкости получили применение для заполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах.

По диэлектрическим свойствам фторированные углеводороды могут быть отнесены к неполярным соединениям. Так, для хладона-112, хладона-113, хладона-114 значение tgδ=0,0001-0,0002, ρ=10¹²-10¹⁴ Ом·см, ε=2,2-2 5, U_пр=28-49кВ в стандартном разряднике.

Смесь хладонов с воздухом взрывобезопасна. Хладоны признаны нетоксичными соединениями, однако в помещении, заполненном их парами, возможна смерть теплокровных животных от удушья, вызванного, по-видимому, недостатком кислорода. При высоких температурах хладоны разлагаются с выделением токсичных продуктов.