Диэлектрические материалы

Общие сведения

Диэлектриками называют вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в элек­трическом поле. В газообразных, жидких и твердых диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекула­ми или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться, при этом происходит разделение центров положительного и от­рицательного зарядов, т.е. поляризация. Используемые диэлект­рики содержат и свободные заряды, которые, перемещаясь в элек­трическом поле, обусловливают электропроводность - способ­ность диэлектрика пропускать постоянный электрический ток. Однако количество таких свободных зарядов в диэлектрике неве­лико, поэтому ток весьма мал. Следовательно, для диэлектрика характерным является большое сопротивление прохождению по­стоянного тока.

Диэлектрическими материалами называют класс электротехни­ческих материалов, предназначенных для использования их диэ­лектрических свойств (большое сопротивление прохождению элек­трического тока и способность поляризоваться).

Электроизоляционными материалами называют диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоля­ции токоведущих частей в электротехнических и радиоэлектрон­ных устройствах. Электрическая изоляция является неотъемлемой частью электрической цепи и, прежде всего, нужна для того, чтобы не пропускать ток по не предусмотренным электрической схемой цепям.

Используемые в качестве электроизоляционных материалов диэлектрики называют пассивными. Широко применяются так на­зываемые активные диэлектрики, параметры которых можно ре­гулировать, изменяя напряженность электрического поля, темпе­ратуру, механические напряжения и другие параметры воздейству­ющих на них факторов. Например, конденсатор, диэлектрическим материалом в котором служит пьезоэлектрик, под действием при­ложенного переменного напряжения изменяет свои линейные раз­меры и становится генератором механических колебаний. Емкость электрического конденсатора, выполненного из нелинейного диэ­лектрика - сегнетоэлектрика, изменяется в зависимости от напря­женности электрического поля; если такая емкость включена в ко­лебательный LC-контур, то изменяется и его частота настройки.

По агрегатному состоянию диэлектрические материалы разде­ляются на газообразные, жидкие и твердые.

  По происхождению различают диэлектрические материалы природные, которые мо­гут быть использованы без химической переработки, искусствен­ные, изготавливаемые химической переработкой природного сы­рья, и синтетические, получаемые в ходе химического синтеза.

По химическому составу их разделяют на органические, пред­ставляющие собой соединения углерода с водородом, азотом, кис­лородом и другими элементами; элементоорганические, в молеку­лы которых входят атомы кремния, магния, алюминия, титана, железа и других элементов; неорганические, не содержащие в сво­ем составе углерода.

Электрические, термические, механические и физико-химичес­кие свойства, характеризующие процессы воздействия на диэлект­рики электрического поля, высоких и низких температур, механи­ческих нагрузок, ионизирующих излучений, различных газов и жидкостей, климатических факторов, а также тропических усло­вий и других факторов, процессы, происходящие в диэлектричес­ких материалах в ходе технологий их получения, переработки и эксплуатации, определяются природой сил связей, действующих между частицами, из которых построен диэлектрик, и строением диэлектрика.

Из многообразия свойств диэлектрических материалов, опре­деляющих их техническое применение, главными, характерными являются электрические свойства - электропроводность, поляри­зация и диэлектрические потери, электрическая прочность и элект­рическое старение.

Техника, технология производства и эксплуатация электротех­нического и радиоэлектронного оборудования предъявляют самые разнообразные требования к свойствам диэлектрических материа­лов. Кроме нужных электрических свойств диэлектрические мате­риалы должны обладать еще и требуемыми термическими, меха­ническими и многими другими свойствами.

Электрические свойства электроизоляционных материалов оценивают с помощью величин, называемых электрическими характеристиками. К ним относятся: удельное объемное сопротивление, удельное поверхностное сопротивление, диэлектрическая проницаемость, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность материала.

Удельное объемное сопротивление — величина, дающая возможность оценить электрическое сопротивление материала при протекании через него постоянного тока. Величина, обратная удельному объемному сопротивлению, называется удельной объемной проводимостью.

Удельное поверхностное сопротивление — величина, позволяющая оценить электрическое сопротивление материала при протекании постоянного тока по его поверхности между электродами. Величина, обратная удельному поверхностному сопротивлению, называется удельной поверхностной проводимостью.

Температурный коэффициент удельного электрического сопротивления — величина, определяющая изменение удельного сопротивления материала с изменением его температуры. С повышением температуры у всех диэлектриков электрическое сопротивление уменьшается, следовательно, их температурный коэффициент удельного сопротивления имеет отрицательный знак.

Диэлектрическая проницаемост ь — величина, позволяющая оценить способность материала создавать электрическую емкость. Относительная диэлектрическая проницаемость входит в величину абсолютной диэлектрической проницаемости.

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости — величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры.

Тангенс угла диэлектрических потерь — величина, определяющая потери мощности в диэлектрике, работающем при переменном напряжении.

Электрическая прочность — величина, позволяющая оценить способность диэлектрика противостоять разрушению его электрическим напряжением. Механическая прочность электроизоляционных и других материалов оценивается при помощи следующих характеристик: предел прочности материала при растяжении, относительное удлинение при растяжении, предел прочности материала при сжатии, предел прочности материала при статическом изгибе, удельная ударная вязкость, сопротивление раскалыванию.

Электрическая прочность диэлектриков. При повышении напряжения, приложенного к диэлектрику, может наступить пробой — потеря диэлектриком его электроизоляционных свойств с образованием токопроводящего канала высокой проводимости. Напряжение Uпр, при котором наступает пробой, называется пробивным. Напряженность электрического поля Eпр, при которой произошел пробой, характеризует электрическую прочность диэлектрика, E_пр = U_пр /h

где h — кратчайшее расстояние по диэлектрику между точками приложения напряжения.

Кроме электрооборудования, испытательным напряжением проверяют изоляцию всех защитных средств: диэлектрические перчатки, коврики, штанги, инструмент с изолированными ручками и т. д.

Пробивное напряжение зависит не только от изоляционного материала, но и от конфигурации проводников, между которыми проложена изоляция. Дело в том, что от формы проводников зависит равномерность электрического поля. В неравномерном электрическом поле пробой образуется в тех местах диэлектрика, где имеет место наибольшая напряженность поля (выше Eпр), например вблизи выступающих углов токоведущих частей электрических установок.

Электрическая прочность воздуха или газа зависит от расстояния между электродами, давления газа, температуры и степени неоднородности электрического поля. При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение пробивной напряженности. Так, при нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет около 32 кВ/см, а при расстоянии 0,0005 см — 700 кВ/см.

При больших давлениях газа расстояние между отдельными молекулами становится меньше и тем самым уменьшается длина свободного пробега электрона, а следовательно, снижается его энергия. Для создания условий начала ударной ионизации потребуется большая напряженность.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в значительной степени зависит от наличия в них примесей воды, газа, мельчайших механических частиц. Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Например, неочищенное трансформаторное масло имеет Eпр?40 кВ/см, а после очистки — Eпр?200-250 кВ/см. Электрическая прочность очищенного трансформаторного масла практически не зависит от температуры до 80 °С, а затем начинает несколько понижаться.

Пробой твердых диэлектриков может происходить по различным физическим причинам. Различают тепловой и электрический пробой. Тепловой пробой (рис. 354, а) может произойти в твердом диэлектрике 1 при длительном приложении к нему напряжения (например, в точках 2). При этом через диэлектрик проходит некоторый ток утечки, вызывающий его разогрев. При достаточно высокой напряженности Е происходит сильный разогрев диэлектрика, а так как все твердые диэлектрики являются плохими проводниками тепла, то их нагрев сопровождается быстрым увеличением тока утечки. В результате происходит лавинообразный процесс нарастания температуры диэлектрика и его разрушения: он обугливается или расплавляется. Вследствие неоднородности электрического поля и структуры диэлектрика разрушение может произойти не по всей поверхности, а в одной или нескольких точках.

Причиной электрического пробоя твердых диэлектриков является ударная ионизация молекул. В месте прохождения электрического тока происходит местный

Рис. 354. Пробой и перекрытие твердого диэлектрика

Рис. 355. Пути прохождения токов утечки: а — через толщу диэлектрика; б — по его поверхности

разогрев и разрушение диэлектрика. По сравнению с тепловым электрический пробой развивается за очень короткий промежуток времени (10-7—10-8 с) после того, как напряженность поля достигла критического значения. Электрический пробой возникает при значительно больших значениях напряжения, чем тепловой. Поэтому для твердых и жидких диэлектриков различают электрическую прочность при кратковременном и длительном приложении напряжения, причем электрическая прочность в последнем случае ниже.

Потеря диэлектриком изоляционных свойств может наступить также вследствие его перекрытия по поверхности. Это явление называется перекрытием изоляции, или поверхностным разрядом (см. рис. 354, а). Обычно перекрытие наступает при значительно меньшей напряженности, чем пробой. Напряжение, при котором наступает перекрытие, в значительной степени зависит от расстояния между токоведущими частями и состояния поверхности Диэлектрика (влажность, загрязненность, шероховатость). Поэтому поверхность фарфоровых изоляторов и других изоляционных деталей делают полированной и волнистой (для увеличения пути возможного перекрытия). Конструкция изоляторов, предназначенных для наружной установки, предусматривает также ребра (рис. 354,б), чтобы их поверхность хотя бы частично оставалась сухой во время дождя, чем достигается необходимая стойкость к перекрытию.

При перекрытии твердая изоляция непосредственно не повреждается если она не будет оплавлена или обожжена электрической дугой, возникшей при мощном поверхностном разряде. Во многих случаях последствия перекрытия легко устраняют зачисткой поврежденной поверхности и покрытием ее изоляционным лаком. Поэтому изоляторы и другие изоляционные изделия проектируют таким образом, чтобы их пробивное напряжение было выше напряжения перекрытия по поверхности.

Удельное сопротивление. В реальном диэлектрике всегда имеется некоторое количество свободных электронов и ионов. Под действием электрического поля эти электроны и ионы перемещаются внутри диэлектрика, образуя так называемый ток утечки. Ток утечки при нормальных условиях работы электрической установки должен быть очень малым по сравнению с рабочими токами, протекающими по ее токоведущим частям (проводам, шинам, кабелям). В случае приложения к токоведущим частям 1 (рис. 355) напряжения токи утечки 3 и 4 могут проходить через диэлектрик двумя путями: через толщу диэлектрика 2 по всему его объему (рис. 355, а) и по поверхности (рис. 355, б). В соответствии с этим различают объемные и поверхностные токи утечки, а также удельное объемное сопротивление диэлектрика и его удельное поверхностное сопротивление ?v. Удельное объемное сопротивление измеряют, как и у проводниковых материалов, в омметрах (Ом*м); оно равно сопротивлению куба из данного материала с ребром 1 м при прохождении тока от одной его грани к противоположной. Удельное поверхностное сопротивление измеряют в омах, оно представляет собой сопротивление квадрата, вырезанного из поверхности изоляции данного материала, при прохождении тока от одной его стороны к противоположной.

Таким образом, общее сопротивление изоляции Rиз определяется объемным и поверхностным сопротивлениями данного изоляционного материала. Сопротивление изоляции определяет значение общего тока утечки в данной электротехнической установке.

Изоляционные материалы под влиянием атмосферных воздействий и света изменяют свои изоляционные свойства в результате электрохимических процессов и механического повреждения изоляции. Это явление называется старением изоляции. Влага, пропитывая изоляционные материалы, сильно уменьшает их сопротивление. Некоторые материалы (гигроскопичные) легко отсыревают даже от соприкосновения с воздухом, поглощая находящуюся в нем влагу. После просушки отсыревшие материалы вновь восстанавливают свои изоляционные качества (сопротивление их значительно возрастает). При механическом разрушении изоляционного материала (разрыве, пробое, растрескивании, изломе) он полностью или частично теряет свои изоляционные свойства.

Поверхностное сопротивление диэлектрика определяется в основном состоянием его поверхности, степенью ее загрязнения и влажностью окружающей среды. При повышенной влажности на поверхности изоляционных материалов образуются тонкие пленки влаги, через которые проходят токи утечки. Особенно сильно понижается в этом случае сопротивление у гигроскопичных материалов (непропитанные ткани, ленты, бумага и др.). Смолы же и лаки негигроскопичны; и на их поверхности не так легко образуется пленка влаги. Поэтому гигроскопичные материалы пропитывают смолами и лаками.

  Диэлектрическая проницаемость. При внесении диэлектрика в электрическое поле, например между двумя разноименно заряженными пластинами Л и Б (рис. 356, а), происходит смещение положительно заряженных ядер 1 атомов в сторону действия силовых линий поля (по направлению к отрицательной пластине Б), а электронных оболочек 2 — в противоположную сторону. В результате этого электрически нейтральные молекулы диэлектрика поляризуются, т. е. все положительные заряды, входящие в состав молекул, смещаются в направлении действия поля, а все отрицательные заряды — в противоположном направлении (рис. 356,б).
В таком поляризованном состоянии молекулы 3 находятся все время, пока диэлектрик расположен в электрическом поле. Если напряженность электрического поля не слишком велика, то положительные и отрицательные заряды молекул полностью разойтись не могут, так как электроны будут удерживаться в атомах и молекулах диэлектрика внутриатомными и внутримолекулярными силами. В момент смещения электрических зарядов в молекулах диэлектрика в нем возникает ток смещения. Однако в отличие от тока в проводнике он образуется не в результате

Рис. 356. Смещение ядер атомов диэлектрика и их электронных оболочек в электрическом поле (а) и поляризация молекул диэлектрика (б)

перемещения свободных электронов от одного атома к другому, а благодаря смещению электронов внутри атомов. Ток смещения появляется при внесении диэлектрика в электрическое поле и удалении его из зоны действия поля или при изменении напряженности поля.

При поляризации диэлектриков поляризованные молекулы создают свое собственное поле, направление которого противоположно направлению внешнего поля, поэтому напряженность результирующего поля уменьшается. Способность диэлектрика поляризоваться определяется его диэлектрической проницаемостью е. Чем больше диэлектрическая проницаемость данного диэлектрика, тем сильнее уменьшается напряженность созданного в нем поля.

Таким образом, диэлектрическая проницаемость характеризует степень поляризации диэлектрика, а следовательно, и влияние поля его поляризованных молекул на результирующую напряженность.

Диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов существенно влияет на емкость конденсаторов. Поэтому при изготовлении конденсаторов желательно применять изоляцию с большой диэлектрической проницаемостью, позволяющей легче получить требуемую емкость при малых размерах конденсатора. В электрических кабелях, наоборот, большая емкость во многих случаях является нежелательной и изоляция их должна иметь возможно меньшую диэлектрическую проницаемость. Абсолютную диэлектрическую проницаемость измеряют в фарадах на метр (Ф/м).

Абсолютная диэлектрическая проницаемость в акуума (пустоты)?₀ равна 8,85*10^-12 Ф/м; ее называют также электрической постоянной. Абсолютную диэлектрическую проницаемость?а удобно выражать через электрическую постоянную?₀ в виде?_а =?₀?, где? — относительная диэлектрическая проницаемость.

Относительная диэлектрическая проницаемость пустоты (вакуума) принята за единицу. Для всех других веществ она больше единицы. Например, диэлектрическая проницаемость резины больше, чем вакуума, почти в 3 раза, фарфора — в 6 раз, слюды — в 4—8, стекла — в 7—8, а дистиллированной воды — в 80 раз. Следовательно, относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в какой-либо реальной среде (воздухе, фарфоре, стекле и пр.) по сравнению с вакуумом.

Угол диэлектрических потерь. При использовании изоляционных материалов в электрических установках переменного тока на диэлектрики воздействует переменное электрическое поле. В этом случае процесс поляризации будет происходить периодически то в одном, то в другом направлении и по материалу диэлектрика будет непрерывно проходить переменный ток смещения. Кроме этого, возникает и переменный ток утечки, обусловленный перемещением имеющихся в диэлектрике свободных электронов и ионов. Эти токи нагревают диэлектрик и вызывают потери электрической энергии.

В идеальном диэлектрике (без потерь электрической энергии) переменный ток опережал бы напряжение на четверть периода, т. е. на угол 90 °. В реальном диэлектрике этот ток из-за наличия потерь энергии опережает напряжение на несколько меньший угол. Разность между 90° и этим углом называется углом диэлектрических потерь и обозначается б. Чем больше потери энергии при прохождении переменного тока через диэлектрик, тем больше угол б.

Обычно качество электроизоляционных материалов характеризуется не углом потерь, а тангенсом этого угла tg б. У изоляционных материалов, предназначенных для работы при высоких напряжениях и высокой частоте (трансформаторное масло, слюда, керамика и пр.), tg б составляет 0,01—0,0001. У материалов, применяемых в менее ответственных установках (картон, бумага, пластмасса), tg б составляет 0,1—0,01. При увлажнении изоляции tg б возрастает. Недопустимо большие диэлектрические потери в изоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленных из него изделий и могут привести к их тепловому разрушению.

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ - часть энергии переменного электрического поля в диэлектрической среде, которая переходит в тепло.

При изменении значения и направления напряжённости Е электрического поля диэлектрическая поляризация также меняет величину и направление; за время одного периода переменного поля поляризация дважды устанавливается и дважды исчезает. Если диэлектрик построен из молекул, которые представляют собой диполи (полярные молекулы) или содержит слабо связанные ионы, то ориентация таких частиц или смещение в электрическом поле (ориентационная поляризация) требуют определённого времени (время релаксации). В результате максимум поляризации не совпадает во времени с максимумом напряжённости поля, т. е. имеется сдвиг фаз между напряжённостью поля и поляризацией. Благодаря этому имеется также сдвиг фаз между напряжённостью электрического поля Е и электрической индукцией D, который и обусловливает потери энергии We.

Диэлектрические потери, характеризуют величину энергии, которая рассеивается, диссипирует в полимерном диэлектрике при прохождении через него электрического тока. Диссипация внешней энергии сопровождается нагревом физического тела. Диэлектрические потери определяются произведением диэлектрической проницаемости на тангенс угла диэлектрических потерь, который в зависимости от физико-химических особенностей пластмассы может изменяться.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относятся: кислотное число, вязкость, водопоглощаемость.

Кислотное число — это количество миллиграммов едкого калия, необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г диэлектрика. Кислотное число определяется у жидких диэлектриков, компаундов и лаков. Эта величина позволяет оценить количество свободных кислот в диэлектрике, а значит, степень их воздействия на органические материалы. Наличие свободных кислот ухудшает электроизоляционные свойства диэлектриков.

Вязкость, или коэффициент внутреннего трения, дает возможность оценить текучесть электроизоляционных жидкостей (масел, лаков и др.). Вязкость бывает кинематической и условной.

Водопоглощаемость — это количество воды, поглощенной диэлектриком после пребывания его в дистиллированной воде в течение суток при температуре 20° С и выше. Величина водопоглощаемости указывает на пористость материала и наличие в нем водорастворимых веществ. С увеличением этого показателя электроизоляционные свойства диэлектриков ухудшаются.

К тепловым характеристикам диэлектриков относятся: температура плавления, температура размягчения, температура каплепадения, температура вспышки паров, теплостойкость пластмасс, термоэластичность (теплостойкость) лаков, нагревостойкость, морозостойкость, тропикостойкость.

В современном электромашиностроении и аппаратостроении широко применяют разнообразные изоляционные материалы. Все они отличаются друг от друга электрическими, механическими и химическими свойствами. Важнейшими электрическими характеристиками электроизоляционных материалов являются электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное), диэлектрическая проницаемость и значение диэлектрических потерь. Однако для практических целей немаловажное значение имеют и другие характеристики этих материалов: механическая прочность, гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость, гигроскопичность, химическая стойкость и т. п.

Газообразные диэлектрики
В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации.
При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними и т.д.) различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность. Он нередко применяется вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, он не содержит кислорода, который оказывает окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу, и соединения, содержащие галогены (фтор, хлор и пр.), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность. Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SF₆ имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха В связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым Б.М. Гохбергом элегазом (сокращение от слов «электричество» и «газ»).
Элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения, он может быть сжат (при нормальной температуре) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.п. Особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях.
Дихлордифторметан CCl₂F₂, так называемый фреон, имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но его температура кипения всего лишь 242,7 К (-30,5°С), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Фреон вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов, что надо иметь в виду при конструировании электрических холодильников.
Даже небольшая примесь к воздуху элегаза, фреона, перфторорганических газов или паров заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.
Значительный интерес для электротехники представляет водород. Это очень легкий газ, обладающий весьма благоприятными свойствами для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха (водород характеризуется высокими значениями удельной теплопроводности и теплоемкости). При использовании водорода охлаждение вращающихся электрических машин существенно улучшается. Кроме того, при замене воздуха водородом заметно снижаются потери мощности на трение ротора машины о газ и на вентиляцию, так как эти потери приблизительно пропорциональны плотности газа. Вследствие отсутствия окисляющего действия кислорода воздуха замедляется старение органической изоляции обмоток машины и устраняется опасность пожара в случае короткого замыкания внутри машины. Наконец, в атмосфере водорода улучшаются условия работы щеток.

В области слабых электрических полей носители заряда в газах появляются в результате воздействия на нейтральные молекулы газа быстрых частиц, квантов света, радиоактивного, ультрафиолетового и других излучений.

В результате часть нейтральных молекул распадается на положительные ионы и электроны. Электроны в большинстве случаев захватываются другими нейтральными молекулами, образуя отрицательные ионы, которые участвуют в общем тепловом движении. Некоторая часть электронов, встречаясь с положительными ионами, рекомбинирует, образуя нейтральные частицы, при этом выделяется рекомбинационное излучение в виде квантов света. На длине свободного пробега ионы получают некоторую энергию.

Достигая противоположно заряженных электродов, носители заряда нейтрализуются на них, и в цепи возникает электрический ток.

Вольтамперная характеристика газообразного диэлектрика для слабых и средних полей (при напряженностях поля до 10⁶ В/м) приведена на рис. 3.8.

Поля, вызывающие ионизацию газов, относят к сильным, а не вызывающие ионизацию — слабыми. Напряженность, разделяющую слабые и сильные поля, называют критической напряженностью Е_{кр .}

На участке ab приближенно соблюдается закон Ома j=g • E, так как концентрация носителей заряда сохраняет постоянное значение вследствие равновесия между процессами ионизации и рекомбинации, распределение потенциала линейно. Закон Ома выполняется в очень слабых полях до значений Е <1 В/м, при этом g =10^-13 Ом^-1•м^-1 (для нормальных атмосферных условий при расстоянии между электродами h =1 см).

Рис. 3.8. Вольт-амперная характеристика газообразного диэлектрика:

ab – область слабых полей, закон Ома;

bc – область средних полей, насыщение;

cd – область сильных полей, ударная ионизация.

На участке bc(насыщение) скорость носителей заряда возрастает настолько, что они не успевают рекомбинировать и почти все достигают электродов (j_нас =10^-14 – 10^-16 А/м²). В постоянном поле в этом случае накапливается объемный заряд — положительный у катода, отрицательный у анода. Разряд на участке abc называют несамостоятельным.

Несамостоятельная электропроводность осуществляется за счет ионов и электронов, образующихся в результате ионизации, вызванной внешним энергетическим воздействием, таким как космические и солнечные лучи, радиоактивное излучение Земли и т.п. При нормальных условиях в 1 см³ воздуха содержится 2.7•10¹⁹ молекул. В результате воздействия космических лучей и радиоактивного излучения Земли (электрическое поле отсутствует) в 1 см³ воздуха образуется 600–1000 пар ионов и электронов от электрического поля дополнительную скорость.

На участке cd начинается ударная ионизация молекул электронами. Это область сильных полей (для воздуха Е >10⁶ В/м). При напряженности Е_пр газ пробивается (самостоятельный разряд). Возрастание тока при Е > Е _кр (участок cd) обусловлено увеличением числа носителей заряда (электронов и ионов) в результате электронной ударной ионизации, фотоионизации и холодной эмиссии электронов из катода. При Е _кр наступает пробой, в этом состоянии газ (воздух) утрачивает свои электроизоляционные свойства, так как между электродами образуется плазменный газоразрядный канал проводимости.

 

Основными газообразными диэлектриками, применяющимися в электротехнике, являются: воздух, азот, водород и элегаз (гексафторид серы).

По сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками, газы обладают малыми значениями диэлектрической проницаемости и, высоким удельным сопротивлением и пониженной электрической прочностью.

Свойства газов по отношению к свойствам воздуха (в относительных единицах) приведены в таблице.

Свойства газов по отношению к свойствам воздуха

Характеристика	Воздух	Азот	Водород	Элегаз
Плотность	1	0,97	0,07	5,19
Теплопроводность	1	1,08	6,69	0,7
Удельная теплоемкость	1	1,05	14,4	0,59
Электрическая прочность	1	1	0,6	2,3

Воздух используется в качестве естественной изоляции между токоведущими частями электрических машин и линий электропередач. Недостатком воздуха является его окислительная способность из-за наличия кислорода и низкая электрическая прочность в неоднородных полях. Поэтому в герметизированных устройствах воздух используется редко.

Азот применяется в качестве изоляции в конденсаторах, высоковольтных кабелях и силовых трансформаторах.

Водород имеет пониженную электрическую прочность по сравнению с азотом и применяется в основном для охлаждения электрических машин. Замена воздуха водородом приводит к значительному улучшению охлаждения, так как удельная теплопроводность водорода значительно выше, чем у воздуха. Кроме того, при применении водорода снижаются потери мощности на трение о газ и вентиляцию. Поэтому водородное охлаждение позволяет повысить как мощность, так и КПД электрической машины.

Наибольшее распространение в герметизированных установках получил элегаз. Он применяется в газонаполненных кабелях, делителях напряжения, конденсаторах, трансформаторах и высоковольтных выключателях.

Преимуществами кабеля, заполненного элегазом, является малая электрическая емкость, то есть пониженные потери, хорошее охлаждение, сравнительно простая конструкция. Такой кабель представляет собой стальную трубу, заполненную элегазом, в которой при помощи электроизоляционных распорок укреплена проводящая жила.

Заполнение элегазом трансформаторов делает их взрывобезопасными.

Элегаз используется в высоковольтных выключателях, – элегазовых выключателях – так как обладает высокими дугогасящими свойствами

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 тепла, выделяемого за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некоторые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом («сухие» трансформаторы). Еще 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, что способствует охлаждению канала дуги и быстрому ее гашению. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполняемых вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.
Трансформаторные, а также другие нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей путем обработки серной кислотой, а затем щелочью, промывки водой и сушки. Часто электроизоляционные масла дополнительно обрабатываются адсорбентами, т.е. веществами (особые типы глин или же получаемые искусственным путем материалы), которые обладают сильно развитой поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают воду и различные полярные примеси. Такая обработка производится или перемешиванием нагретого масла с измельченным адсорбентом с последующим отстаиванием, или же фильтрованием масла сквозь слой адсорбента (перколяция). Применяются и другие способы очистки масла.
Трансформаторное масло - это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов.
Трансформаторное масло - горючая жидкость; большие количества (часто тысячи тонн) масла, находящиеся в масляных хозяйствах энергосистем, представляют большую пожарную опасность. Поэтому в масляных хозяйствах необходимо тщательно соблюдать все требования, предписываемые правилами пожарной безопасности. Пожарная опасность масла оценивается по его температуре вспышки.
Температура застывания масла - параметр, особенно важный для масла, заливаемого в масляные выключатели, устанавливаемые на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. Специальное «арктическое» масло (марки АТМ-65) имеет температуру застывания минус 70°С.
Помимо температуры застывания, для работающих при низких температурах окружающей среды электроизоляционных жидкостей, имеющих плотность менее 1Мг/м³, важна критическая температура плавучести льда. Ниже этой температуры кристаллики льда, образующегося при замерзании примесей воды, плавают в электроизоляционной жидкости и таким образом снижают ее электрическую прочность (иными словами, в этом интервале температур плотность электроизоляционной жидкости больше плотности льда).
Электрическая прочность масла - величина, чрезвычайно чувствительная к его увлажнению. Весьма малая примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что диэлектрическая проницаемость ε воды (около 80) значительно выше, чем масла (диэлектрическая проницаемость чистого масла около 2,2). Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряженность поля особенно велика и где, собственно, и начинается развитие пробоя.
Еще более резко понижается электрическая прочность масла, если в нем, кроме воды, содержатся волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи легко впитывают в себя влагу из масла, причем значительно возрастает их диэлектрическая проницаемость. Под действием сил поля увлажненные 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, переливке в недостаточно просушенную тару и т.п. Для сушки масла используются несколько способов: пропускание под давлением сквозь фильтровальную бумагу в специальных установках; воздействие на масло центробежной силы в центрифуге, причем вода, имеющая плотность, большую, чем у масла, отжимается к периферии сосуда и отделяется от масла; уже упоминавшаяся обработка адсорбентами; распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом, и т.п.
Плотность трансформаторного масла от 0,87 до 0,90 Мг/м³. Его температурный коэффициент объемного расширения от 0,00065 до 0,00066 К^-1 (эта величина важна для расчета расширителей трансформаторов, в которые выдавливается из бака часть масла при повышении температуры). При нормальной температуре удельная теплоем- кость масла примерно равна 1,5 кДж/(кг×К), а теплопроводность - порядка 1Вт/(м×К); при росте температуры как удельная теплоемкость, так и теплопроводность масла увеличиваются. Масло отводит энергию тепловых потерь от погруженных в него обмоток и магнитопровода трансформатора в 25-30 раз интенсивнее, чем воздух (при свободной конвекции).
При работе в трансформаторе или ином маслозаполненном электрическом аппарате масло постепенно стареет. При старении оно становится более темным, в нем образуются загрязняющие его продукты - кислоты, смолы, которые частично растворимы в масле, а частично, оказываются нерастворимыми; последние, как более тяжелые, осаждаются на дне бака и на погруженных в масло деталях в виде слоя «ила», значительно ухудшающего теплоотвод от нагревающихся деталей. Образующиеся в масле низкомолекулярные кислоты разрушают изоляцию обмоток и вызывают коррозию соприкасающихся с маслом металлов. При старении увеличиваются вязкость и кислотное число масла, ухудшаются его электроизоляционные свойства. Обычно температура вспышки паров масла в эксплуатации постепенно повышается вследствие испарения углеводородов с малой молекулярной массой, однако при местных перегревах масла в трансформаторах (а также после разрыва электрической дуги в масляном выключателе) может произойти крекинг (разрыв молекул с образованием углеводородов пониженной молекулярной массы), что приводит к понижению температуры вспышки.
Скорость старения масла возрастает:
а) при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха, особенно интенсивно идет старение при соприкосновении масла с озоном;
б) при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95°С);
в) при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т.п.) и другими веществами - катализаторами старения;
г) при воздействии света;
д) при воздействии электрического поля.
При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы, что очень вредно, так как пузырьки газов могут стать очагами ионизации. Способность не выделять газов при старении в электрическом поле или даже поглощать ранее выделившиеся газы называется газостойкостьюмасла.
Конденсаторное масло служит для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых, предназначенных для компенсации индуктивного сдвига фаз. При пропитке бумажного диэлектрика повышается как его диэлектрическая проницаемость, так и электрическая прочность; то и другое дает возможность уменьшить габариты, массу и стоимость конденсатора при заданных рабочем напряжении, частоте и емкости.
Конденсаторное масло сходно с трансформаторным, но требует особо тщательной очистки адсорбентами.
^ Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей; пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают ее электрическую прочность, а также способствуют отводу тепла потерь. Кабельные масла бывают различных типов.
Для пропитки бумажной изоляции обычных силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) чаще всего применяется масло марки МН-4 относительно малой вязкости, в которое для повышения вязкости добавляется канифоль или синтетический загуститель. Масло той же марки, но без увеличивающих вязкость добавок применяется для маслонаполненных кабелей на напряжение 110 кВ и выше, в которых с помощью специальных подпитывающих устройств во время эксплуатации поддерживается избыточное давление от 0,3 до 0,4 МПа.
Синтетические жидкие диэлектрики
Трансформаторное и другие рассмотренные ранее электроизоляционные масла нефтяного происхождении обладают рядом преимуществ, которые и обеспечили им весьма широкое применение: они сравнительно дешевы и могут производиться заводами нефтеперерабатывающей промышленности в весьма больших количествах; при хорошей очистке их тангенс угла диэлектрических потерь, как это и свойственно чистым неполярным диэлектрикам, мал, а электрическая прочность достаточно высока. Однако в некоторых случаях качество этих масел оказывается недостаточно высоким. Например, когда требуется полная пожарная безопасность и взрывобезопасность, маслонаполненные трансформаторы и другие подобные аппараты применяться не могут.

Интервал рабочих температур нефтяных масел, ограничиваемый, с одной стороны, температурой застывания или чрезмерного повышения вязкости и, с другой стороны, температурой начала быстрого теплового старения в данных условиях эксплуатации, сравнительно узок. Нефтяные масла склонны и к электрическому старению, т.е. они могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряженности. Для пропитки конденсаторов с целью получения повышенной емкости в данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь полярный жидкий диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением диэлектрической проницаемости.
Имеется ряд синтетических жидких диэлектриков, по тем или иным свойствам превосходящих нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим некоторые из них.
^ Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора.
Из числа применяемых в нашей стране хлорированных дифенилов отметим совол.
Замена соволом нефтяного масла в производстве силовых бумажных конденсаторов позволяет снизить объем конденсатора при равной реактивной мощности примерно в два раза. Это дает большой экономический выигрыш, хотя совол и дороже масла. Совол более стабилен при работе в электрическом поле, чем масло. Недостатком конденсаторов, пропитанных соволом, является сильное уменьшение емкости при падении температуры ниже 0°С. Совол - прозрачная бесцветная жидкость с плотностью около 1,5 Мг/м³. Благодаря высокой температуре застывания (+5°С) и значительной вязкости в области рабочих температур, совол в чистом виде не может использоваться для заливки трансформаторов. Для этой цели совол должен разбавляться менее вязкими жидкостями.
^ Кремнийорганические жидкости обладают весьма малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабо выраженная зависимость вязкости от температуры. Как и другие кремнийорганические соединения, кремнийорганические жидкости весьма дороги, что ограничивает их применимость. Эти жидкости имеют при 1 кГц и 20°С значение диэлектрической проницаемости от 2,5 до 3,3, тангенс угла диэлектрических потерь от 0,0001 до 0,0003; наивысшая допускаемая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250°С длительно и до 350°С кратковременно.
Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются и горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока еще весьма дороги.
Для использования в электрической изоляции сильнополярные жидкости должны быть чрезвычайно тщательно очищены, так как даже малейшие примеси существенно снижают их характеристики. Интересной проблемой является возможность использования в качестве диэлектрика конденсаторов сверхчистой воды (пока еще практически не полученной), имеющей ε = 80.