Основные характеристики диэлектрических материалов

Для диэлектрических материалов наибольшее практическое значение среди электрических свойств и характеристик имеют поляри­зация, диэлектрические потери, пробой и электрическая прочность.

Поляризация −это процесс упорядочения (смещения и деформации элек­тронных оболочек), связанных электрических зарядов вещества под действием приложенного электрического поля.

Диэлектрическая проницаемость − величина, показывающая, во сколь­ко раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме.

Наименьшую диэлектрическую проницаемость имеет вакуум (ε₀=1), диэлектрическая проницаемость воздуха 1,00058; жидкие и твердые ди­электрики − 2...17, а у сегнетоэлектриков − 1500...7500.

На величину диэлектрической проницаемости оказывают влияние из­менение температура (с увеличением температуры ее величина понижает­ся) и частота приложенного к диэлектрику напряжения.

Диэлектрические потери — часть энергии (мощности) электрического переменного поля, которая при переполяризации превращается в диэлек­трике в теплоту и нагревает его.

Диэлектрические потери количественно характеризуются величиной тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (угол δ — разность фаз между векторами поляризации электрических зарядов и напряженности электри­ческого поля). У твердых диэлектриков величины диэлектрических потерь — (2...5)^.10^-3. Наименьшими значениями диэлектрических потерь обладают неионизированные газы, которые все являются диэлектриками.

Диэлектрические потери диэлектрика, включенного под постоянное напряжение, значительно меньше. При этом неравенство потерь энергии при действии постоянного или переменного напряжения наблюдается только в диэлектриках. Особенно большие потери мощности могут возни­кать при больших частотах.

Большие активные потери энергии вызывают нагрев диэлектрика и его преждевременное разрушение. Разрушение твердых диэлектриков под действием электрического тока может быть двух видов: пробой толщи ма­териала и разряд по его поверхности. Наибольшие разрушения вызывает пробой.

Пробой − резкое возрастание электропроводности вещества в электриче­ском поле, напряженность которого превышает определенное значение.

Пробой проходит в три стадии: формирование разряда, завершение разряда и послепробойная стадия. При пробое протекание тока происхо­дит по узкому каналу и сопровождается, как правило, необратимыми раз­рушениями вещества: образуется сквозное отверстие или проплавляется канал. Наличие в материале пор, воздушных и газовых включений определяет благоприятные условия для пробоя, так как в них возникают допол­нительные микроразряды.

Различают тепловой пробой, происходящий при существенном тепло­вом воздействии на материал, и чисто электрический пробой, вызванный увеличением напряжения внешнего поля до критического значения (элек­трической прочности).

Электрическая прочность − величина критического напряжения од­нородного электрического поля при пробое, позволяющая оценить спо­собность материала противостоять его разрушению электрическим напря­жением.

Числовые значения электрической прочности твердых диэлектриков очень большие (несколько миллионов вольт на 1 м толщины материала). Электрическая прочность чистых однородных жидких диэлектриков по ве­личине близка к электрической прочности твердых диэлектриков, но нали­чие примесей и загрязнений существенно ее понижают.

У слюды, кварца и других «хороших» диэлектриков электрическая прочность ~ 10⁸...10⁹ В/м; у очищенных жидких диэлектриков ~10⁸ В/м; у воздуха при нормальных условиях и толщине слоя ~0,01 м − 3^.10⁶ В/м. У полупроводников электрическая прочность изменяется от 10⁸ до 10³ В/ м.

Разрушение твердого диэлектрика от электрического разряда в виде электрической дуги начинается и происходит в газе над его поверхностью. Под влиянием дуговых разрядов и искрения происходит прогрессирующее поверхностное эрозионное разрушение в виде токопроводящего следа или токопроводящей дорожки, имеющих древовидную форму. И дуга, и токопроводящий слой вызывают высокотемпературные реакции разложения и горения диэлектрика.

Диэлектрики используются, главным образом, как электроизо­ляционные материалы. Пьезоэлектрики применяются для преобразо­вания звуковых колебаний в электрические и наоборот; пироэлектрики − для индикации и измерения интенсивности инфракрасного излучения; сегнетоэлектрики − как нелинейные элементы в радио­электронике. Из жидких диэлектриков наибольшее применение име­ют минеральные масла (в трансформаторах, конденсаторах и т.д.).

Требования к электроизоляционным материалам рудничного оборудова­ния (ГОСТ Р 51330.20-99)

Рудничное электрооборудование может иметь два уровня изо­ляции − 1 или 2.

Рудничное электрооборудование с изоляцией уровня 1 должно быть рассчитано для работы при относительной влажности окру­жающей среды 98 ± 2 % (с конденсацией влаги) при температуре:5 ± 2°С. Электрооборудование с изоляцией уровня 2 должно быть рассчитано для работы при относительной влажности окружающей среды 98 ± 2 % при температуре 25 ± 2°С.

Электрооборудование, предназначенное для работы в уголь­ных шахтах, должно иметь уровень изоляции 1.

Электроизоляционные материалы, применяемые для изготов­ления деталей рудничного оборудования, классифицируются по срав­нительному индексу трекингостойкости (СИТ) на группы (а,..., г).

В табл. 4.5 приведена примерная классификация электроизоля­ционных материалов по группам трекингостойкости.

Для рудничного электрооборудования и электрооборудова­ния угольных шахт не допускается применение гигроскопических ди­электриков, имеющих влагопоглощение за 24 ч более 2 % (например, шифер, мрамор, древесина и т.п.).

Электроизоляционные материалы для деталей рудничного и шахтного оборудования должны обладать:

· функциональными свойствами, например прочностью и твер­достью, гарантирующими их работоспособность;

· ударной вязкостью, кДж/ м², не менее, для материалов:

керамических − 3;

пластических масс, слоистых пластиков, литых смол и компаундов − 4;

изоляционных для изготовления электрических со­единителей − 7;

· теплостойкостью не менее чем на 20°С выше их наиболь­шей рабочей температуры.

Таблица 4.5

Примерная классификация электроизоляционных материалов по трекингостойкости

Группа материала

Наименование, марка материала

а б в г

Электрокерамика (фарфор, стеатит, кордиерит); слюда и слюдяные материалы без органических связующих; электроизоляционные стекла (ситаллы, микалекс) Аминопласты марок МФВ1, МФВ3, (К-78-51), МФЕ1 (ДО-2); пресс-материалы на основе кремнийнорганических смол ПКО-1-1-1 (КФ-9), ПКО-1-1-3 (КФ-10), ПКО-1-2-4 (КМС-9), ПКО-1-3-5 (КПЖ-9), ПКО-1-3-11 (КМК-218) и др.; асбоцемент, асботе6кстолит; стеклотекстолиты СКМ-9, СТКМ; фторопласт-4; компанор М-5 ЭШ; пресс-материалы на основе полиэфирной смолы ПСК-5РМ Пресс-материалы на основе полиэфирных смол (премиксы) ПСК-5, ПСК-5Н, ПСК-ОРМТ, ПСК-ОРВМТ, лавсановый гетинакс ЛГ-20 Премиксы ПСК-5Т, ПСК-5НТ; полиамид 610, полистирол листовой АСБ-2020, паронит ПОН

Изоляционные части, изготовленные из пластмассы или пла­стин, в которых полностью или частично удален поверхностный слой, должны покрываться изоляционным лаком, имеющим значение СИТ не ниже, чем первоначальный слой.