Область применения и общие характеристики газообразных диэлектриков

В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, нужно упомянуть воздух, который помимо нашей воли входит в состав всех электротехнических устройств и оказывает свое влияние на их работу.

Например, в работе линий электропередач воздух является основным диэлектриком и образует единственную изоляцию между оголенными проводами. Некоторые элементы конструкции ЛЭП, например расстояние между токонесущими проводами, можно определить только зная диэлектрические свойства газа.

Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь. Наиболее же ценным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда.

Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность.

Значение диэлектрической проницаемости газов близко к 1. Электропроводность газов обычно не хуже 10^-13 См/м, причем, как было показано во второй лекции, основным фактором вызывающим проводимость в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Вольт-амперная характеристика имеет три характерные зоны - омическое поведение, насыщение, экспоненциальный рост. Диэлектрические потери незначительны и их стоит учитывать только в третьей области.

Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.). Эти условия - давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н.у. имеет электрическую прочность 3 кВ/мм.

Основные атмосферные газы, например азот, имеют близкие к воздуху значения электрической прочности. Азот нередко применяется вместо воздуха в газовых конденсаторах, поскольку он не содержит кислорода, химически более инертен, не окисляет соприкасающиеся с ним материалы.

Коэффициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород - к = 0.5, гелий - к = 0.2, элегаз к = 2.9, фреон-12 - к = 2.4, перфторированные углеводородные газы к = (4-10),.

Теплопроводность газов также невелика по сравнению с теплопроводностью твердых тел и жидкостей, наибольшее ее значение l = 0.2 Вт/(м×К) - у водорода. Для наиболее популярных газов l = 0.03 Вт/(м×К)--воздух, l = 0.012 Вт/(м×К) - элегаз. Для сравнения - у алюминия l = 200 Вт/(м×К).

Существуют специальные виды синтетических газовых диэлектриков, применяемых для изоляции внутреннего пространства высоковольтных выключателей, газовой изоляции кабелей.

В электротехнических устройствах нашли широкое применение синтетические газовые диэлектрики на основе фтора.

Основные газовые диэлектрики – это т.н. элегаз («электрический» газ) и фреон.

Элегаз (гексафторид серы) имеет химическую формулу SF6. Основная область применения – газонаполненные высоковольтные выключатели.

Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России. В 30х годах известный ученый Б.М. Гохберг исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы SF6. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е = 8,9 кВ/мм. Характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Из теплофизических свойств: температура плавления = -50 °С при 2 атм, температура кипения (возгонки) = -63°С. Низкие значения последних параметров означают возможность применения элегаза при низких температурах.

Из других полезных свойств отметим следующие: химическая инертность, нетоксичность, негорючесть, термостойкость (до 800°С), взрывобезопасность, слабое разложение в разрядах, низкая температура сжижения. В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например, в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны.

Комплекс свойств элегаза обеспечил достаточно широкое использование элегазовой изоляции. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т.к., как вы знаете, электрическая прочность увеличивается с ростом давления. На основе элегазовой изоляции созданы и эксплуатируются ряд электроустройств, из них кабели, конденсаторы, выключатели, компактные ЗРУ (закрытые распределительные устройства). Наиболее широкое применение элегаз нашел за рубежом, в особенности в Японии. Например, использование элегаза позволяет в десятки раз уменьшить размеры распредустройств, что очень актуально при высокой стоимости земли для размещения энергохозяйства. Это выгодно даже несмотря на высокую стоимость элегаза - более 10$ за 1 килограмм.

В таблице приведены отношения электрической прочности некоторых газов Епр.г к электрической прочности воздуха Епр.в, которое принято за единицу, а также даны точки кипения газов при нормальном давлении.

Фреон имеет примерно ту же, что и элегаз электрическую прочность, но при нормальной температуре его можно сжать лишь до 6 атм. Фреоон вызывает коррозию некоторых твердых диэлектриков.