Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают поляр­ными и неполярными. Их электрофизические свойства в значитель­ной степени зависят от строения молекул и наличия примесей. При­меси образуются при окислении и разложении углеводородных фракций, при поглощении воды и попадании частичек волокнистых материалов.

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической прони­цаемостью ε, электропроводностью, диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ), электрической прочностью Е.

У полярных жидкостей (совол, гексол, этиленгликоль) диэлектрическая проницаемость ε определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Например, у гексола ε = 3, у этиленгликоля ε = 40.

У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется в основном только электронной поляризацией, не зависит от частоты и уменьшается с ростом температуры, приближаясь к единице.

Это явление объясняется уменьшением числа молекул в единице объема. У неполярных жидкостей ε меньше, чем у полярных. Например, у четыреххлористого углерода ε = 2,163, у толуола ε = 2,294.

Электропроводность жидких диэлектриков обусловлена переме­щением ионов, которые возникают в результате диссоциации самой жидкости и примесей, а также перемещением заряженных частиц примеси - молионов. С повышением температуры возрастает подвижность ионов и степень тепловой диссоциации. Эти факторы увеличивают электропроводность.

При небольших напряженностях электрического поля вступает в силу закон Ома, т.е. электрический ток I, проходящий в жидкости, меняется пропорционально напряженности поля. В электрических полях с большой напряженностью Е (примерно 10...100 МВ/м) элек­трический ток не подчиняется закону Ома из-за увеличения числа ионов под влиянием поля.

Кроме ионной электропроводности у жидких диэлектриков на­блюдается молионная электропроводность, когда носителями заря­дов являются мельчайшие примеси. Такими примесями могут быть вода, различные твердые высокодисперсные частицы, находящие­ся во взвешенном состоянии (волокна, пылинки и др.). Эти части­цы адсорбируют своей поверхностью ионы и при воздействии элек­трического поля перемещаются к соответствующим электродам. У технических жидких диэлектриков, содержащих определенную долю примесей, при комнатной температуре преобладает молионная про­водимость. Молионная проводимость наблюдается, например, у трансформаторного масла, содержащего мельчайшие частицы гли­ны и эмульгированную воду.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает их удельное сопротивление, однако полностью удалить примеси невозможно.

Преобладание конкретного вида проводимости зависит от энер­гии диссоциации, т. е. энергии, необходимой для разрушения моле­кул и образования ионов. Чем выше энергия диссоциации, тем мень­ше ионная проводимость.

У полярных жидкостей диэлектрические потери состоят из по­терь на электропроводность и потерь, связанных с дипольно-релаксационной поляризацией. Они зависят от температуры, частоты и вязкости жидкости, так как поворот диполей в вязкой среде вызывает потери энергии на трение молекул. На высоких частотах жид­кие диэлектрики имеют повышенные диэлектрические потери. Например, совол при температуре Т- 90°С и частоте f = 50 Гц имеет tgδ = 0,015. Поэтому жидкие полярные диэлектрики не рекоменду­ют применять на высоких частотах.

Диэлектрические потери у неполярных жидкостей, не содержа­щих примесей, - это потери, по существу, на электропроводность. Они не зависят от частоты и растут с ростом температуры, что объяс­няется увеличением сквозного тока. Диэлектрические потери этих жидкостей малы, так как мала их электропроводность. Например, чистое трансформаторное масло при температуре Т= 90°С и частоте f = 50 Гц имеет tgδ = 0,003.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в основном определяется наличием посторонних примесей, полярностью жидко­сти, температурой и другими факторами. Присутствующие в жид­кости пузырьки газа ионизируются, выделяя энергию, которая приводит к местному перегреву жидкости. Это ведет к образованию газового канала между электродами и в результате к пробою жидкости. Кроме газовых включений значительным фактором, снижа­ющим электрическую прочность жидких диэлектриков, является вода. Капельки воды поляризуются под влиянием электрического поля и образуют между электродами цепочки с повышенной про­водимостью, по которым и происходит электрический пробой. Элек­трическая прочность жидкостей, содержащих примеси, ниже, чем у очищенных.

В качестве жидких электроизоляционных материалов в электро­технических устройствах используют нефтяные (минеральные) мас­ла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное), синтетические жидкие диэлектрики (хлорированные углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости, сложные эфиры различных типов) и растительные масла.

Нефтяные электроизоляционные масла. Нефтяные масла полу­чают в процессе ступенчатой перегонки нефти и удаления из нефтя­ного дистиллята (Продукт дистилляции; например, при перегонке нефти дистилляты — бензин, керо­син, смазочные масла и др) нестойких соединений (нафтеновых кислот, серы, смолы, кислорода, азота и др.).

Технологическая операция очистки нефтяного дистиллята от посторонних примесей называется рафинированием. От качества ее проведения в определенной степени зависят эксплуатационные свой­ства масла.

Эти масла обладают рядом свойств, которые обеспечили им широкое применение. Они сравнительно дешевы и могут производиться в больших количествах, при хорошей очистке имеют малый тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, обладают достаточно высокой электрической прочностью.

К недостаткам нефтяных масел относят ограниченный интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность, склонность к старению.

При работе в малозаполненном электрическом аппарате вследствие окисления соответствующих фракций углеводородов масло постепенно стареет, становясь более темным. В нем образуются частично растворимые и нерастворимые загрязняющие продукты. Нерастворимые тяжелые примеси оседают на погруженные в масло детали в виде «ила», вязкость масла увеличивается, что ухудшает теплоотвод от нагревающихся деталей. Процесс старения уско­ряется при контакте с воздухом, особенно, если воздух содержит озон; воздействии света и электрического поля; соприкосновении с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т.п.) и другими ве­ществами с кристаллическим строением; повышении температуры, контактировании с резинами.

При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы, что опасно, так как пузырьки газов могут стать очагами частичных разрядов. Если при этом температура газообразных продуктов (смеси паров масла и воздуха) превосходит их температуру вспышки, то может произойти взрыв.

Способность масел не выделять газов при старении в электрическом поле (или даже поглощать ранее выделившиеся газы) называют газостойкостью масел.

Для борьбы со старением масел используют следующие средства:

вводят антиокислительные присадки (ингибиторы вещества, замедляющие химические реакции или прекращающие их; применяют для замедления или предотвращения некоторых процессов, например коррозии металлов, окисления топлив (от лат. inhibere - сдерживать, останавливать)), которые лег­ко соединяются с кислородом, защищая углеводородные фракции от окисления, замедляют старение масел и увеличивают его срок службы; ингибиторами являются ионол, пирамидон и др.;

ограничивают рабочую температуру (95°С для трансформаторов с воздушным охлаждением и 85°С - с водяным);

производят непрерывную фильтрацию масел через адсорбенты;

подвергают состарившееся масло регенерации (Превращение отработанных продуктов в исходные для повторного их использования (от лат. regeneratio - восстановление, возрождение, возобновление)), т.е. восстановлению его свойств путем очистки и сушки.

Трансформаторное масло - жидкость от почти бесцветного до темно-желтого цвета. По химическому составу представляет собой смесь нафтеновых и парафиновых углеводородов и поэтому является неполярным диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью (ε = 2,2...2,3). После рафинирования масло допол­нительно очищается. Для этого оно обрабатывается щелочью, про­мывается водой и сушится. Окончательная очистка производится с помощью адсорбентов (Тела, на поверхности которых происходит поглощение вещества из раствора или газа) (силикагеля, инфузорных земель) и фильтр-прессов.

Трансформаторное масло обладает следующими свойствами: малая вязкость, что весьма важно, так как слишком вязкое масло хуже отводит теплоту потерь от обмоток и сердечника трансформатора и хуже пропитывает пористую изоляцию; температура застывания -70°С (что особенно важно для аппа­ратуры, работающей при низкой температуре окружающей среды);

электрическая прочность Е _пр - 10...25 МВ/м (очень чувствительна к увлажнению, но при сушке восстанавливается);

теплоемкость и теплопроводность масла увеличиваются с ростом температуры (при свободной конвекции (Перенос теплоты, массы, зарядов движущейся средой, например потоками воздуха, возникающими естественным путем в неоднородной среде (естественная конвекция) или создаваемыми искусственно (вынужденная конвекция) (от лат. convectio - привоз, шнесение)) масло отводит теплоту от погруженных в него обмоток и сердечника трансформатора в 25...30 раз интенсивнее, чем воздух).

Основными недостатками трансформаторного масла являются старение, воспламеняемость и горючесть, гигроскопичность (кате­горически запрещается хранить его в открытой таре).

Применяют трансформаторное масло в качестве изолирующей и охлаждающей среды в силовых и импульсных трансформаторах, реакторах высоковольтных выключателях, таких как дугогасящая среда.

Кабельное масло отличается от трансформаторного повы­шенной вязкостью, а от конденсаторного - пониженными электри­ческими свойствами. Оно используется как составная часть в масляно-канифольных компаундах для пропитки изоляции силовых кабелей.

Конденсаторное масло получается из трансформаторного после дополнительной обработки его в вакууме для удаления из него растворенного воздуха, что снижает диэлектрические потери. Его используют для пропитки изоляции в бумажных и пленочных кон­денсаторах, что позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конденсаторов.

Синтетические жидкие диэлектрики. Применение синтетических жидких диэлектриков предпочтительно в тех случаях, когда они по свойствам превосходят электроизоляционные масла. Например, ели требуется применение неполярных жидких диэлектриков или жидких диэлектриков с более высокой пожаро- и взрывоопасностью, чем у электроизоляционных масел.

Хлорированные углеводороды получают заменой некоторых или даже всех атомов водорода атомами хлора у различных углеводородов. Наиболее часто применяют полярные продукты хлорирования дифенила. Хлорированные дифенилы, а также газы, которые образуются при воздействии на эти жидкости электрической дуги, токсичны. Поэтому в ряде стран применение хлорированных дифенилов для пропитки конденсаторов запрещено законом. Наиболее известными представителями этой группы являются совол и севтол-10. Атомы в молекулах этих материалов расположены несимметрично, поэтому совол и севтол-10 являются полярными.

Совол и севтол-10 мало подвержены старению, не образуют с воздухом взрывчатых смесей, негигроскопичны, токсичны, дорогостоящи.

Совол (пентахлордифенил) представляет собой бесцветную вязкую жидкость, полученную хлорированием дифенила (С₁₂Н₁₀), в результате чего у последнего пять атомов водорода замещаются хлором. Совол является негорючим веществом, не окисляется, что составляет его главное преимущество перед нефтяными маслами. Однако его применение ограничивается следующими недостатками плотность D = 1500... 1560, температура вспышки Т_всп = 205...230°С, температура застывания Т₃ = + 5°С, электрическая прочность при температуре Т= 20°С Е _пр = 14... 18 МВ/м, значительная вязкость и области рабочих температур, что не позволяет использовать его в чистом виде; он примерно в 10 раз дороже трансформаторного масла.

Применяется взамен конденсаторного масла для пропитки низковольтных бумажных конденсаторов с повышенной емкостью.

Севтол-10 - негорючая, с повышенной температурой застывания жидкость, которую получают, разбавляя совол трихлорбензолом. Применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформатров.

Кремнийорганические жидкости - это продукт синтеза кремнистых и углеродистых соединений, свойства которых определяются типом органических радикалов. В соответствии с этим различают полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые и полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Эти жидкости характеризуются высокой нагревостойкостью, низкой температурой застывания, малым температурным коэффициентом вязкости, химической инертностью, малыми диэлект­рическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ) и низкой гигроскопичностью.

Полиметилсилоксановые жидкости получаются гидролизом диметилхлорсиланов с триметилхлорсиланами. Они не растворяются в спиртах и ацетоне, обладают высокой инертностью и не влияют на свойства металлов и резин при контакте с ними. Применяют для пропитки бумажных конденсаторов и гидрофобизации изоляционных лент.

Полидиэтилсилоксановые жидкости представляют собой смеси полиэтилсилоксанов. Бесцветны. Применяются для пропитки и за­ливки конденсаторов, работающих в интервале температур от -60 до 100°С.

Полиметилфенилсилоксановые жидкости отличаются более высокой нагревостойкостью и стойкостью к радиационному излучению.

Основные свойства некоторых электроизоляционных жидкостей приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные свойства электроизоляционных жидкостей

Параметр	Совол	Октол	Минеральное масло
трансформа­торное	конденса­торное
Плотность D, г/см3	1,50... 1,56	0,85	0,84... 0,89	0,85...0,92
Удельное электрическое сопротивление р, Ом-м	1014... 10-15	1013.. 10-14	1014...1015	1014... 1016
Диэлектрическая проницаемость ε при Т= 20 °С	5,0... 5,2	2,2... 2,4	2,1...2,4	2,1...2,3
Тангенс угла диэлектрических потерь tgδ при	0,002...	0,005	0,0006...	0,0003... 0,0006
температуре 20 °С и частоте 50 Гц	...0,0004		...0,001
Электрическая прочность Е пр при 20 °С
частоте 50 Гц, кВ/мм	14...18	12...15	15...20	20... 25
Температура, °С:
| застывания, не более	-8	-15	-45	-45
вспышки, не менее	200... 230
Кислотное число, мг КОН /г масла	0,01...0,02	0,03	0,03... 0,05	0,015...1,020

Фторорганические жидкости представляют собой произ­водные углеводородов, у которых атомы водорода замещены фто­ром. Их пары не образуют с воздухом взрывоопасных смесей. Они обладают малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла ди­электрических потерь tgδ), ничтожно малой гигроскопичностью, высокой нагревостойкостью (некоторые жидкости могут длитель­но работать при температуре 200 °С и выше), высокой теплопро­водностью, полной негорючестью, высокой дугостойкостью.

Фторорганические жидкости применяют для пропитки и залив­ки конденсаторов и трансформаторов, для испытания элементов радиоэлектроники при низких и высоких температурах.

Кроме указанных жидких диэлектриков в радиоэлектронике при­меняют сильно полярные синтетические электроизоляционные жид­кости. Например, этиленгликоль (НО - СН₂ - СН₂ - ОН), который используют в качестве контрольной жидкости при контроле герме­тичности микросхем.

Приборы и принадлежности: рефрактометр, набор колб с растворами, стеклянная палочка, фильтровальная бумага.