Низкий порог электрической прочности что это

ПРОБОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Электрической прочностью изоляции кабеля или провода назы­вают напряжение, при достижении которого происходит пробой изо­ляции. По характеру пробоя изоляции различают электрический и тепловой.

Под электрическим (прокалывающим) пробоем понимается про­бой в наиболее ослабленном месте изоляции, происходящий в короткие промежутки времени и обычно связанный с местным разруше­нием изоляции кабелей и сопровождающийся иногда ветвистыми обугленными побегами. Электрический — ионизационный пробой про­исходит в воздушных включениях изоляции при достаточно высо­ких напряжениях в результате возникновения таких разрядов, переходящих в электрические скользя­щие разряды, заканчивающиеся про­боем изоляции.

Тепловой пробой изоляции кабе­лей имеет место в тех случаях, когда нагрев изоляции больше отводимого тепла (например, в кабелях высоко­го напряжения с большой толщиной изоляции). Этот вид пробоя развивается постепенно и происходит

обычно в тех местах, где повышение температуры из-за роста ди­электрических потерь происходит особенно интенсивно. Развитию теплового пробоя может способствовать повышенная температура окружающей среды. Место теплового пробоя изоляции представ­ляет радиальное отверстие с опаленной или оплавленной поверхно­стью без наличия в зоне пробоя ветвистых побегов.

Обычно пробой носит комбинированный характер. Нагрев, вы­званный скользящими разрядами, приводит к местному перегреву изоляции и развитию в этом месте теплового пробоя. Повышение напряженности поля в газовом включении снижает электрическую прочность изоляции, зависящую от его природы, толщины слоя и давления. Начальная напряженность ионизации маслонаполненного и газонаполненного кабелей при длительном приложении перемен­ного тока (50 гц) возрастает с увеличением давления (рис. 2-15), но электрическая прочность их снижается с увеличением длитель­ности приложения напряжения. Электрическая прочность пропитан­ной кабельной бумаги при кратковременном испытании на пробой переменным током уменьшается с увеличением толщины бумаги (рис. 2-16).

Пробивное напряжение кабеля при известной электрической прочности изоляции равно:

Пробивное напряжение кабеля при промышленной частоте мо­жет быть определено по эмпирической формуле:

где UH — номинальное линейное напряжение системы; k1=l, 15 — коэффициент, учитывающий возможность повышения рабочего на­пряжения; k2=l, 25/1,50 — коэффициент, учитывающий неоднород­ность изоляции (совпадение, зазоров лент, наличие вмятин, морщин и других дефектов технологии); k3 = 2,25/2,50 — коэффициент, учи­тывающий уровень внутренних перенапряжений в кабельных сетях; k4 = 1,10/1,20 — коэффициент, учитывающий уменьшение пробивного напряжения при снижении давления масла от расчетной величины до минимально допустимого значения. Запас электрической прочности

При расчете электрической прочности изоляции высоковольтных кабелей и проводов принимают 4—10-кратный запас допустимой на­пряженности электрического поля по сравнению с пробивной напря­женностью. Такой запас электрической прочности необходим из-за возможности ухудшения качества изоляции в процессе эксплуата­ции, а также за счет неоднородности изоляции по качеству, наличия острых углов и выступов токопроводящих жил кабеля и др. Элек­трическая прочность кабеля уменьшается с увеличением длины ка­беля, так как число слабых мест пропорционально поверхности токопроводящей жилы.

Электрическая прочность изоляции зависит от рода приложен­ного напряжения и снижается с увеличением длительности действия напряжения. Наибольшую электрическую прочность изоляция имеет при постоянном токе, а наименьшую — при переменном токе. Под влиянием электрического и теплового полей происходит ускорение процесса старения изоляции с медленным изменением ее физико-химических свойств, приводящих к местным ослаблениям электри­ческой прочности.

‘Кривую зависимости электрической прочности от времени при­ложения напряжения называют кривой жизни кабеля. Эта зависи­мость выражается уравнением

где т — коэффициент, зависящий от типа кабелей (для силовых ка­белей с вязкой пропиткой m = 7, для высоковольтных одножильных кабелей m≈ 6, для полиэтилена m≈ 4; τ —время до пробоя, мин; Eдл — прочность при бесконечно длительном приложении напряже­ния, кв/мм; Eпер — переменная часть электрической прочности,

кв/мм. Если откладывать по оси ординат Eпр, а по оси абсцисс ве­личину

(при правильно подобранном значении т), зависи­мость электрической прочности кабеля от времени имеет вид прямой линии. Пересечение ее с осью ординат дает предельное значение электрической прочности при бесконечно длительном приложении напряжения, равное для маслонаполненного кабеля низкого давле­ния 40 кв/мм, для газонаполненного кабеля высокого давления 20 кв/мм и для кабеля с вязкой пропиткой 12 кв/мм.

На рис. 2–17 приведена экспериментальная зависимость напря­женности поля при пробое кабеля с полиэтиленовой изоляцией (Δ = 10 мм), подвергавшегося циклическому нагреву. При частоте 80 Мгц электрическая прочность полиэтиленовой изоляции снижает­ся до 3—4 кв/мм. На рис. 2–18 приведена зависимость электриче­ской прочности кабеля с изоляцией из поливинилхлоридного пла­стиката от времени. Кратковременная электрическая прочность по­лиэтиленовой и поливинилхлоридной изоляции снижается с увели­чением радиуса провода:

Зависимость пробивного напряжения на постоянном токе при ступенчатом повышении напряжения (по 2 (кв/мм)/ч) от толщины полиэтиленовой изоляции и радиуса токопроводящих жил приве­дена на рис. 2–19. Средняя напряженность поля при пробое состав­ляет 45 кв/мм независимо от толщины изоляции, радиуса токопроводяшей жилы и полярности приложенного напряжения. Импульсная прочность изоляции кабелей на напряжение 100 кв и выше яв­ляется основной характеристикой при выборе толщины изоляции. Под импульсной прочностью понимают 10 положительных и 10 от­рицательных импульсов нормальной волны (1/50 мксек), не вызвав­ших пробоя изоляции.

Импульсное перенапряжение (Uмакс), возникающее в кабеле, зависит от емкости кабельной линии (С, мкф/км), ее длины (l, м) и величины перенапряжения в воздушной линии (U, кв):

Зависимость Uмакс /U1 от l/lо (где lо = 38 О м — строительная длина кабеля) приведена на рис. 2–20.

Величина импульсного напряжения кабеля по нормам МЭК принята не ниже

где U0 — напряжение между жилой и экраном кабеля, кв.

Импульсная прочность пропитанной бумажной изоляции высоко­вольтных кабелей возрастает с уменьшением толщины бумажных лент, применяемых для изоляции, увеличивается с повышением плот­ности бумаги и вязкости пропитывающего состава, но не зависит от давления. Значения напряженности поля при пробое импульсным напряжением для кабелей с вязкой пропиткой и маслонаполненного в зависимости от толщины бумаги приведены на рис. 2–21.

На рис. 2–22 приведены кривые средней и максимальной напря­женности электрического поля при пробое в зависимости от толщи­ны изоляции и радиуса токопроводящих жил при испытании на пе­ременном и постоянном токе и импульсным напряжением.

После несложной процедуры регистрации Вы сможете пользоваться всеми сервисами и создать свой веб-сайт.

Моя заявка.
всего позиций: 0.

Proelectro2.ru (2005-2016), ООО «Виртуальные города» (2009-2016).
Администрация [email protected] , тел./факс: +7 (8552) 53-40-76

Электрический пробой и электрическая прочность: виды и причины явления

Резкое возрастание величины тока в вакууме, а также в газообразном, жидком или твердом диэлектрике, либо в полупроводнике, связанное с приложением к объему образца напряжения, величина которого превышает некое критическое значение, именуют электрическим пробоем. Электрический пробой как явление может длиться от нескольких пикосекунд до довольно продолжительного времени, как например в случае установления устойчивого дугового разряда в газе.

С явлением электрического пробоя тесно связана такая характеристика как электрическая (или диэлектрическая) прочность. Для твердых и жидких диэлектриков, а также для газов, электрическая прочность в заранее определенных условиях является величиной постоянной и выражается в В/см (вольт на сантиметр).

Она обозначает величину минимальной (критической) напряженности электрического поля в веществе, при которой наступает электрический пробой. Для твердых диэлектриков, таких как кварц или слюда, электрическая прочность лежит в диапазоне от 10 6 до 10 7 В/см, для жидких диэлектриков (таких как трансформаторное масло) — достигает 10 6 В/см.

Если напряженность электрического поля в диэлектрике вдруг начинает превышать его электрическую прочность, то после пробоя диэлектрик начинает проводить электрический ток. Это связано с явлениями ударной ионизации и туннелирования, причем роли каждого из этих двух явлений для разных конкретных диэлектриков различны. В условиях пробоя электропроводность диэлектрика возрастает скачком, а сам диэлектрик зачастую испытывает при этом перегрев и разрушается.

У газов электрическая прочность связана с давлением и толщиной слоя, — чем выше давление — тем ниже электрическая прочность: при нормальных условиях в воздухе, при толщине слоя в 1 см, электрическая прочность находится в районе 30 кВ/см, однако с понижением давления она может доходить до 10 7 В/см.

Электрический пробой вакуума

В вакууме, в промежутке между двумя проводящими электродами, к которым приложено критическое электрическое напряжение, появляются свободные электроны. Как следствие — проводимость в промежутке увеличивается и возникает электрический ток.

Суть происходящего заключается в том, что при некотором минимальной напряжении, на микроостриях катода (отрицательного электрода) сначала начинается автоэлектронная эмиссия, формирующая слабые предпробойные токи.

Когда же напряжение возрастает, между электродами формируется искровой разряд, который в принципе способен превратиться в дугу в парах металла, из которого изготовлены электроды. Есть две теории, описывающие данный процесс.

Согласно одной — электронно-лучевой теории — электроны, образовавшиеся в результате автоэлектронной эмиссии на катоде, будучи ускорены электрическим полем в промежутке, врезаются в анод, вызывая его локальный разогрев. Выделяются газы и пары металлов, атомы которых тут же ионизируются ускоренными электронами, в результате формируется электронная лавина.

Положительно заряженные ионы, получившиеся в результате такой ионизации, направляются к катоду, формируя возле него пространственный заряд, локально увеличивающий электрическую напряженность возле катода, что способствует усилению автоэлектронной эмиссии.

Вместе с этим начинается ионно-электронная эмиссия и катодное распыление. Концентрация паров металлов и газов в промежутке возрастает, вследствие чего развиваются искровой и дуговой разряды.

Согласно другой теории, ток автоэлектронной эмиссии разогревает катод, и при плотностях тока около 10 8 А/кв.м, на катоде происходит микровзрыв, приводящий к образованию паров металла, в которых и формируется дуговой разряд.

Электрический пробой газа

В газах электрический пробой напрямую связан с электрическим током и процессом ионизации. В результате столкновений электронов, ускоренных электрическим полем, с атомами и молекулами газа, начинается лавинообразное размножение заряженных частиц с образованием новых электронов, которые также ускоряются и усиливают ионизацию, формируя самостоятельный разряд.

Если для поддержания разряда в газе требуется дополнительная ионизация, например, внешним ионизирующим излучением, то такой разряд называется несамостоятельным. Обычно для поддержания разряда в газе применяют постоянное или переменное электрическое поле. В процессе разряда в газе, движущиеся ионы увлекают за собой молекулы газа, это называют электрическим ветром.

Молния как электрический пробой газа

Так называемый «пробой на убегающих электронах» впервые в 1992 году рассмотрел российский физик-теоретик Александр Викторович Гуревич. Данный вид пробоя в газе, как полагают, является начальной фазой формирования природной молнии.

Суть заключается в том, что электроны в воздухе при обычных условиях отличаются небольшой средней длиной свободного пробега — около 1 мкм. Среди электронов в воздухе встречаются быстрые электроны — с энергиями от 0,3 до 1 МэВ, которые движутся со скоростями близкими к скорости света. Такие быстрые электроны отличаются от «обычных» электронов в 100 раз большей средней длиной свободного пробега.

Электрическое поле в атмосфере способно ускорить быстрые электроны до энергий, сильно превышающих энергию обычных, изначально покоившихся электронов. При столкновении ускоренных электронов с молекулами воздуха, высвобождаются «убегающие» релятивистские электроны, формирующие электронные лавины.

Таким образом происходит пробой воздуха при атмосферном давлении, причем напряжение пробоя оказывается сильно меньше, чем при пробое воздуха (тоже при атмосферном давлении) в лабораторных условиях. Здесь критический уровень равен около 2,16 кВ/см, тогда как без «убегающих» электронов потребовалось бы 23 кВ/см.

Источником, отвечающим за образование быстрых электронов в атмосфере, изначально являются космические лучи, ионизирующие молекулы воздуха в верхних слоях атмосферы, высвобождающие таким образом релятивистские электроны, которые и рассматриваются как «быстрые».

Тепловой пробой полупроводников и диэлектриков

При чрезмерном разогреве кристаллической решетки полупроводника или диэлектрика может случиться его тепловой пробой. Суть в том, что с ростом температуры вещества, свободные электроны в нем приобретают энергию, близкую к той, которой достаточно для ионизации атомов кристаллической решетки. В связи с этим пробивное (критическое) напряжение данного вещества снижается.

Так, в результате передачи тепла к полупроводнику извне, либо вследствие протекания по нему тока, или из-за протекания переменного тока внутри диэлектрика (тепло диэлектрических потерь), в условиях когда тепло не успевает уходить в окружающую среду, может произойти термическое разрушение образца.

Для полупроводникового p-n-перехода тепловой пробой является необратимым, и, как правило, является следствием превышения обратного напряжения, которое из-за разогрева полупроводника уменьшилось. Именно таким путем часто вызывается выход из строя полупроводниковых приборов.

Лавинный пробой в диэлектриках и полупроводниках

Под действием сравнительно сильного электрического поля внутри диэлектрика или полупроводника, носители заряда в нем способны уже на расстоянии длины свободного пробега разогнаться до такой степени, что приобретают кинетическую энергию достаточную для того чтобы произвести ударную ионизацию атомов или молекул.

В итоге, от столкновений с атомами или молекулами таких ускоренных носителей заряда, внутри вещества образуются пары противоположно заряженных частиц, которые также начинают разгонятся электрическим полем и тоже производят ударную ионизацию. При этом число участвующих в ударной ионизации заряженных частиц нарастает лавинообразно.

Туннельный пробой и эффект Зенера

Туннельный эффект, проявляющийся как квантовомеханическое явление просачивания электронов через тонкий потенциальный (энергетический) барьер, способен вызвать явление резкого нарастания тока через обратносмещенный p-n-переход — туннельный пробой.

Суть эффекта состоит в том, что когда p-n-переход находится в обратносмещенном состоянии, энергетические зоны — зона проводимости и валентная зона — перекрываются. В данных условиях электроны имеют возможность переходить из валентной зоны p-области — в зону проводимости n-области.

Электрическое поле, приложенное к обедненному слою полупроводника, вызывает в нем туннелирование электронов из валентной зоны — в зону проводимости, что и выражается как резкое нарастание обратного тока через p-n-переход. Если данный ток как-то ограничен, то пробой обратим и p-n-переход не разрушается (а при лавинном пробое — разрушается).

В сильнолегированных p-n-переходах туннельный эффект наблюдается уже при напряжении менее 5 вольт, пробой является обратимым и относится к чистому эффекту Зенера (применяется в стабилитронах — диодах Зенера).

• Воздушные линии электропередачи: типы линий, классификация опор, фундаменты, провода и тросы
• Биметаллические элементы электрических аппаратов и электроприборов
• Почему электротехника — наука о контактах

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика

Поделитесь этой статьей с друзьями:

Всё что нужно знать о газообразных диэлектриках

Диэлектрики — это класс материалов, обладающих крайне низкой способностью к пропусканию электрического тока. Диэлектрическими свойствами обладают вещества в различных агрегатных состояниях (твёрдом, жидком и газообразном). Большинство газов отличается высокими диэлектрическими параметрами, ввиду того что в них практически отсутствуют свободные носители электрического заряда, способные создавать ток при наличии электрического поля. Газообразные диэлектрики (ГД) находят своё применение в качестве изоляторов в различных электротехнических устройствах.

Примеры диэлектриков

Параметры газообразных диэлектриков

К основным параметрам и свойствам ГД относятся:

• Электропроводность.
• Напряжение пробоя в электрическом поле (однородном и неоднородном).
• Диэлектрическая проницаемость, значение которой близко к единице.
• Минимальный тангенс угла диэлектрических потерь.
• Восстановление диэлектрических свойств после разряда.

Параметры ГД

Применение в электротехнике

Среди множества возможных вариантов использования газов или газовых смесей в качестве диэлектриков на практике востребованы:

• Воздух.
• Азот.
• Водород.
• Элегаз (SF₆ — гексафторид серы).
• Фреоны — производные метана CH₄, этана C₂H₆, в которых водород замещён хлором или фтором, например, дихлорфторметан CCl₂F₂ (фреон-12).
• Инертные газы (гелий, ксенон, криптон, неон, аргон) в основном предназначены для наполнения электровакуумных устройств, радиоламп, газосветных трубок. Общая черта этих газов — низкий ионизационный потенциал, в силу чего они имеют низкий порог электрической прочности (у воздуха в 17 раз выше, чем у гелия).

В таблице приведены свойства некоторых газов относительно свойств воздуха:

Свойства некоторых газов

Область применения газообразных диэлектриков достаточно широка, благодаря их преимуществам перед другими видами электроизоляционных материалов, самым ценным среди которых считается способность газов восстанавливать электрическую прочность после разряда.

Характеристики и применение основных ГД

Воздух

Воздух представляет собой смесь нескольких газов, которые образуют атмосферу Земли.

Состав воздуха

Воздух выступает естественной изоляцией между токопроводящими частями электротехнических устройств и линий электропередач. К его недостаткам следует отнести:

• Окислительные свойства, обусловленные присутствием кислорода.
• Слабую электрическую прочность (низкое пробивное напряжение) в неоднородном электрическом поле. В герметичных устройствах не применяется.

Применение воздуха в качестве диэлектрика

Азот (N₂)

Азот без примесей применяют в качестве изолятора в электровакуумной технике, в герметичных высоковольтных конденсаторах, микроэлектронных устройствах и трансформаторах.

Водород (Н2)

Основное преимущество водорода — большое значение теплопроводности (в шесть раз больше аналогичного параметра воздуха). Данное свойство позволяет эффективно снижать потери на вентиляцию (охлаждение). В результате значительно увеличивается срок эксплуатации твёрдой изоляции, исключаются процессы окисления.

Применение ГД

Элегаз

Элегаз — это сокращенное наименование от «электрический газ», химическая формула которого SF₆ (шестифтористая сера или гексафторид серы). Уникальные диэлектрические свойства SF₆ в сочетании с другими параметрами первым обнаружил и исследовал российский учёный Б. М. Гохберг.

• Пробивное напряжение (электрическая прочность) этого газа в 2.5 раза превышает аналогичный параметр воздуха.
• Отсутствие токсичности.
• Химическая стойкость.
• Низкая горючесть.
• Малая электрическая ёмкость.
• Высокие охлаждающие свойства.
• Возможность создания малогабаритных устройств.
• Способность выдерживать нагрев до 800 градусов.
• Плотность — 6.39 кг/куб. м.
• Диэлектрическая проницаемость — 1.00191.

Главный недостаток — высокая цена. В целях удешевления конечных изделий в элегаз добавляется азот или фреон.

• Дугогасящий, изолирующий материал для создания среды в кабелях, конденсаторах, высоковольтных переключателях, мощных трансформаторах, рентгеновских трубках.
• Контроль показателей герметичности при производстве микросхем.

Использование элегазовой изоляции

В дополнение к перечисленным достоинствам элегаз обладает следующими полезными свойствами:

• Химическая инертность.
• Взрывобезопасность.
• Низкая температура сжижения.
• Способность противостоять разложению при воздействии разрядов.
• Отсутствие вредного воздействия на человека.

Набор полезных свойств элегаза оказался востребован в технологиях электроизоляции. Возможность применения элегаза под давлением в несколько атмосфер позволила создавать более компактные электроустановки:

• Конденсаторы.
• Кабели.
• Выключатели.
• Малогабаритные закрытые распределительные устройства (ЗРУ) на напряжение 110 кВ и выше.

Элегаз существенно превосходит воздух по величине электрической прочности и параметру дугогасящей способности. Все эти свойства стимулируют значительные инвестиции в производство элегазовых выключателей и распредустройств, короткозамыкателей, разъединителей, трансформаторов напряжения и тока.

Перспективным направлением считается применение элегаза в высоковольтных кабелях, которые по сравнению с масляно-бумажными имеют низкую электрическую ёмкость и диэлектрические потери. Такие параметры обеспечивают возможность передачи больших мощностей.

Применение элегаза

Масштабное использование элегаза наблюдается за рубежом, в частности в Японии. Основная причина заключается в том, что он позволяет в десять и более раз уменьшить габариты распредустройств.

Фреон

Химическая формула фреона — CCl₂F₂. Электрическая прочность фреона практически равна электрической прочности элегаза. Главный его недостаток — высокая температура кипения, равная -30.5 градусов, в связи с чем при нормальной температуре можно добиться его сжатия без сжижения только до 0.6 МПа. Кроме того, фреон активирует процессы коррозии у электроизоляционных материалов на основе твердых органических веществ, что необходимо учитывать при проектировании электротехнических устройств.

К достоинствам всех газов следует отнести стабильность физических свойств, то есть, они не ухудшаются с течением времени. Воздух, водород, элегаз, азот, фреон и ряд инертных газов применяются в зависимости от требований, предъявляемых к конкретному классу устройств.

Электротехнические материалы

В лекциях 10 и 11 будут рассмотрены вопросы, касающиеся основных свойств и применения диэлектриков. При этом больше будет уделено внимания общим сведениям и информации о новых перспективных материалах, получение конкретных сведения о свойствах конкретных материалов предполагаются из справочников по электротехническим материалам.

10.1. Газообразные диэлектрики.

10.1.1. Основные характеристики.

в начало лекции

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

Диэлектрическую проницаемость газов очень просто рассчитать по формуле e = 1+n( a + m 2 ¤3 kT)/ e ₀ , где n- число молекул с поляризуемостью a и дипольным моментом m в единице объема. Обычно значение e близко к 1, отличие от единицы можно обнаружить в 3-4 знаке после запятой. Причина этого — малое число молекул в газовой фазе n.

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 см 2 , межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н.у. имеет электрическую прочность 30 кВ / см. 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 l 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).

Максимальные температуры эксплуатации газов определяются либо разложением молекул газа (характерно для сложных молекул), либо увеличением электропроводности до перехода из диэлектрического до резистивного состояния за счет ионизации и диссоциации молекул газа под действием тепловой энергии. Характерные температуры для второго варианта — порядка и более тысячи градусов.

10.1.2. Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков.

в начало лекции

Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции — линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п.

Электроотрицательными называются газы, молекулы которых обладают сродством к электрону, это означает, что при захвате электрона и превращении молекулы в отрицательный ион выделяется энергия. Этот процесс приводит к явлению прилипания электронов , и уменьшению, тем самым, эффективного коэффициента ударной ионизации на значение коэффициента прилипания h a _эфф = a-h . Поэтому электроотрицательные газы имеют повышенную электрическую прочность. Из электроотрицательных газов с высокой электрической прочностью наибольшее применение нашел элегаз SF_6.. Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России. В 30 х 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 = 89 кВ/см. Молекулярная масса составляет 146, 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.

10. 2. Жидкие диэлектрики.

10.2.1. Общие свойства.

в начало лекции

С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. В качестве примера — у неполярного диэлектрика гексана дипольный момент отсутствует, поляризация имеет чисто электронный характер и, вследствие этого, диэлектрическая проницаемость мала e £ 2 . Трансформаторное масло, являясь смесью веществ, имеет в своем составе небольшое количество полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Поэтому e возрастает до ~ 2 ,2-2,4. Касторовое масло имеет больше полярных молекул, следовательно больше e ~4,5. Этиловый спирт, глицерин, вода являются представителями полярных веществ, диэлектрическая проницаемость составляет 24, 40, 81 соответственно.

Электропроводность жидкостей определяется ионизацией молекул, наличием в жидкости примесей особого сорта: ионофоров и ионогенов, возникновением электрогидродинамических течений, как уже рассматривалось во второй лекции. Кроме того, в жидкостях возникают т.н. двойные электрические слои.

Двойной электрический слой — образование в жидкости, на границе с другими телами (электроды, диэлектрики, несмешивающиеся жидкости), заряженных слоев с повышенной электропроводностью, причем поверхность раздела и объем жидкости приобретают заряды разного знака.

Образование двойных слоев актуально для технических жидких диэлектриков, например для транспорта по трубам горючих диэлектрических сред типа нефти, конденсата и т.д. Устранение двойных слоев может быть осуществлено только при тщательной очистке диэлектрических жидкостей от ионизирующихся примесей.

Очистка диэлектрических жидкостей может осуществляться дистилляцией, в.т.ч. под вакуумом, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом. При этом, как правило, уменьшается электропроводность, диэлектрические потери, возрастает электрическая прочность.

Основной примесью, дающей проводимость жидких диэлектриков является вода , а основными примесями, уменьшающими электрическую прочность являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Поэтому в практике энергосистем для регенерации трансформаторного масла его фильтруют, обезгаживают вакуумированием, осушают с помощью пропускания через объем, заполненный адсорбентами ( цеолитами , либо силикагелем ).

Цеолиты — твердые вещества естественного или искусственного происхождения, обладающие большой удельной поверхностью за счет пор молекулярных размеров и возможностью адсорбции примесей в этих порах. Силикагель — пористый адсорбент для поглощения влаги и полярных примесей. Он обладает меньшей избирательностью по отношению к разным примесям и меньшей удельной поверхностью по сравнению с цеолитами.

Электропроводность жидкостей наиболее радикально (до 6 порядков величины по сравнению с данными из справочников) возрастает после применения нового способа очистки- электродиализа.

Электродиализ — способ удаления ионов из промежутка за счет пропускания постоянного тока при использовании ионообменных мембран, проводимость которых осуществляется только одним видом ионов: в катионообменной носители заряда — катионы, ее располагают у катода, в анионообменной носители заряда — анионы, ее располагают у анода.

За счет различных способов очистки жидкостей в исследованиях удавалось получить электропроводность не выше электропроводности лучших твердых диэлектриков, а именно до 10 -19 См/м.

Электрическая прочность — также, как и электропроводность, в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков. Есть несколько наиболее общих и очевидных приемов увеличения электрической прочности: дегазация жидкости, пропускание через адсорбент, пропускание через фильтр с субмикронными размерами пор. Некоторые из этих способов используются в энергосистемах для осушки и регенерации масла.

Двадцать-тридцать лет назад велись споры, является ли электрическая прочность “истинной” характеристикой жидкости. Этот вопрос достаточно принципиален. Дело в том, что если измеренная электрическая прочность является истинной характеристикой, то практически бессмысленны попытки ее увеличения. Если электрическую прочность считать технологической характеристикой, следствием протекания определенных предпробивных процессов , то резонно, что воздействием на эти процессы можно управлять электрической прочностью. Как указывалось в лекции 9, электрический пробой является следствием цепочки событий, которые весьма чувствительны как к примесям, так и к свойствам границы раздела “электрод-жидкость”. Поэтому пробоем можно управлять.

Для примера рассмотрим эксперименты по пробою на постоянном напряжении замечательной диэлектрической жидкости — перфтортриэтиламина (С₂F₅)₃N. Первые измерения свежезалитой жидкости без специальной очистки жидкости и электродов дали значения электрической прочности Е_пр= 60-70 кВ/см, причем с ростом числа пробоев электрическая прочность слабо возрастает до 70-80 кВ/см. Если жидкость подвергнуть операциям дегазирования, обезвоживания и фильтрации, то можно получить 200-300 кВ/cм. После дополнительного проведения тренировочной серии в 20-30 маломощных разрядов электрическая прочность достигала 550-600 кВ/см.

10.2.2. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.

в начало лекции

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик — это трансформаторное масло.

Трансформаторное масло , — очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 ° С до 400 ° С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул 220-340 а.е., и содержит следующие основные компоненты.

2. Нафтены или циклопарафины

3. Ароматические углеводороды

4. Асфальто-смолистые вещества

5. Сернистые соединения

6 . Азотистые соединения

7. Нафтеновые кислоты

8. Антиокислительная присадка (ионол)

Каждый из компонентов масла играет определенную роль при эксплуатации. Парафины и циклопарафины обеспечивают низкую электропроводность и высокую электрическую прочность. Ароматические углеводороды уменьшают старение масла и увеличивают стойкость к частичным разрядам в объеме масла. Асфальто-смолистые, сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты являются примесями и не играют положительной роли. Асфальто-смолистые соединения ответственны за возникновение осадка в масле и за его цвет. Сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты ответственны за процессы коррозии металлов в трансформаторном масле.

Углеводороды парафинового ряда, кроме высокой химической устойчивости обладают высокой температурой вспышки и рядом других положительных качеств, но теряют текучесть (застывают) уже при комнатной температуре и поэтому не допускается большого содержания парафинов. Более того, нефти с их большим содержанием (грозненская, сураханская) для приготовления масел не применяются.

Нафтеновые углеводороды менее устойчивы, чем парафины и легко окисляются. Типичной нафтеновой нефтью является доссорская нефть, из которой готовится лучшее трансформаторное масло.

Ароматические углеводороды разделяются на углеводороды симметричного строения (бензол, нафталин, антрацен) и ароматики с длинными боковыми цепями(толуол). Первые являются одним из наиболее трудно окисляемых веществ. Эти ароматики являются ценной составной частью масла, так как защищают его от окисления. Вторые весьма легко соединяются с кислородом, причем их способность к самоокислению растет с увеличением числа и длины боковых цепей.

Первой операцией приготовления трансформаторного масла из нефти является фракционная перегонка под вакуумом. При перегонке нефть путем испарения разделяется на ряд фракций, каждая из которых содержит близкие по температуре кипения и сходные по свойствам углеводороды. Cначала от нефти отделяются наиболее легкие углеводороды: бензин, лигроин, керосин; затем перегоняются более тяжелые фракции , так называемый соляровый дистиллят, из которого и готовится масло. Перегонка не обеспечивает однородного состава масла, так как в дистиллят попадает целый ряд смежных фракций. Кроме того, в нем имеются вредные примеси, ухудшающие свойства масла и сокращающие срок службы. Для получения полноценного продукта погон нефти подвергается очистке от нефтяных кислот, смол, серы и ненасыщенных соединений. Эта операция называется рафинированием. Дистиллят в течение определенного времени обрабатывается крепкой серной кислотой, которая окисляет все непредельные соединения и смолы и превращает их в нерастворимый кислый гудрон, который выпадает в осадок. Кислый гудрон, находясь в контакте с маслом, разрушает основные углеводороды. Поэтому для уменьшения причиняемого им вреда обработка кислотой производится при возможно более низкой температуре и гудрон удаляется из масла как можно скорее. Общее количество кислоты достигает 12-14% от веса дистиллята. Для нейтрализации избытка серной кислоты, оставшейся в масле, и для удаления нафтеновых кислот масло обрабатывается водным раствором щелочи (едкого натра); образовавшиеся при этом соли, мыла и эмульсии отделяются отстаиванием. Оставшееся в масле незначительное количество солей и мыл ведет к его окислению, поэтому после отстоя масло должно быть тщательно промыто водой. Для полного удаления влаги промытое масло подвергается сушке продувкой воздуха. Окончательная очистка масла производится обработкой его при температуре 70-80 ° С отбеливающей землей (адсорбент). Отбеливающие земли или глины удаляют последние остатки смол и кислот и масло получает свой приятный соломенный цвет.

Основные физико-химические свойства масла.

Из основных характеристик масла отметим, что оно горючее, биоразлагаемое, практически не токсичное, не нарушающее озоновый слой. Плотность масла обычно находится в диапазоне (0.84-0.89) × 10 3 кг/м 3 . Вязкость является одним из важнейших свойств масла. С позиций высокой электрической прочности желательно иметь масло более высокой вязкости. Для того, чтобы хорошо выполнять свои дополнительные функции в трансформаторах (как охлаждающая среда) и выключателях (как среда, где движутся элементы привода), масло должно обладать невысокой вязкостью, в противном случае трансформаторы не будут надлежащим образом охлаждаться, а выключатели- разрывать электрическую дугу в установленное для них время.

Поэтому выбирают компромиссное значение вязкости для различных масел. Кинематическая вязкость для большинства масел при температуре 20 ° С составляет 28-30 × 10 -6 м 2 /с. Температурой застывания называется температура, при которой масло загустевает настолько, что при наклонении пробирки с охлажденным маслом под углом 45 ° его уровень останется неизменным в течение 1 мин. В масляных выключателях температура застывания имеет решающее значение. Свежее масло не должно застывать при температуре -45 ° С; в южных районах страны разрешается применять масло с температурой застывания -35 ° С. Для эксплуатационных масел допускается ряд отступлений от нормированной температуры застывания в зависимости от того, находится ли масло в трансформаторе или выключателе, работает в закрытом помещении или же на открытом воздухе. Для специальных арктических сортов масла температура застывания уменьшается до -(60-65) ° С, однако при этом понижается и температура вспышки до 90-100 ° С.

Температурой вспышки называется температура нагреваемого в тигле масла, при котором его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней пламени. Вспышка происходит настолько быстро, что масло не успевает прогреться и загореться. Температура вспышки трансформаторного масла не должна быть ниже 135 ° С. Если нагреть масло выше температуры вспышки, то наступает такой момент, когда при поднесении пламени к маслу оно загорается. Температура, при которой масло загорается и горит не менее 5 сек., называется температурой воспламенения масла . Температура, при которой происходит возгорание в закрытом тигле, в присутствии воздуха, без поднесения пламени, называется температурой самовоспламенения. Для трансформаторного масла она составляет 350-400 ° С.

Из других теплофизических характеристик отметим сравнительно небольшую теплопроводность l от 0.09 до 0.14 Вт/(м × К), уменьшающуюся в зависимости от температуры. Теплоемкость, наоборот, увеличивается с ростом температуры от 1.5 кДж/(кГ × К) до 2.5 кДж/(кГ × К). Коэффициент теплового расширения масла определяет требования к размерам расширительного бака трансформатора и составляет примерно 6.5 × 10 -4 1/К.

Удельное сопротивление масла нормируется при температуре 90 ° С и напряженности поля 0.5 МВ/м, и оно не должно превышать 5 × 10 10 Ом × м для любых сортов масел. Отметим, что удельное сопротивление, как и вязкость, сильно падают с ростом температуры (более чем на порядок при уменьшении температуры на 50 ° С). Диэлектрическая проницаемость масла невелика и колеблется в пределах 2.1-2.4. Тангенс угла диэлектрических потерь определяется наличием примесей в масле. В чистом масле он не должен превышать 2 × 10 -2 при температуре 90 ° С и рабочей частоте 50 Гц. В окисленном загрязненном и увлажненном масле tg d возрастает и может достигать более чем 0.2. Электрическая прочность масла определяется в стандартном разряднике с полусферическими электродами диаметром 25.4 мм и межэлектродным расстоянием 2.5 мм. Пробивное напряжение должно составлять не менее 70 кВ, при этом в разряднике электрическая прочность масла будет не менее 280 кВ/см.

Поглощение и выделение газов маслом . Масло способно поглощать и растворять весьма значительные количества воздуха и других газов. По имеющимся данным в 1 см 3 масла при комнатной температуре растворяется: азота 0.086 см 3 ; кислорода 0.16 см 3 ; углекислоты 1.2 см 3 . При этом кислород, не только растворяется, но и химически соединяется с маслом, образуя продукты окисления. Выделение газов из масла очень часто является признаком зарождающегося дефекта в обмотке трансформатора. В настоящее время разработан и используется способ определения дефектов в трансформаторе по наличию растворенных в масле газов, т.н. хроматографический анализ.

Существует большой разрыв между сроком службы трансформатора и сроком службы масла. Трансформатор может работать без ремонта 10-15 лет, а масло уже через год требует очистки, а через 4-5 лет — регенерации. Мерами, позволяющими продлить срок эксплуатации масла, являются:

1) защита масла от соприкосновения с наружным воздухом путем установки расширителей с фильтрами, поглощающими кислород и воду, а также вытеснение из масла воздуха;

2) снижение перегрева масла в условиях эксплуатации;

3) регулярные очистки от воды и шлама;

4) применение для снижения кислотности непрерывной фильтрации масла;

5) повышение стабильности масла путем введения антиокислителей.

Антиокислительная присадка специально вводится в масло для предотвращения его окисления под действием локальных высоких температур и реакций с проводниковыми и диэлектрическими материалами. Обычно в качестве присадки используют ионол, реже применяются и другие добавки.

О роли этой присадки можно судить по следующему реальному случаю, происшедшему в одной их энергосистем Урала. На станцию поступило импортное трансформаторное масло. Оно имело лучшую прозрачность по сравнению с отечественным маслом, меньший tg d , более высокое пробивное напряжение в стандартном испытательном разряднике. Без дальнейшей проверки им заполнили трансформатор. Однако не прошло и года после начала эксплуатации трансформатора, как он вышел из строя. Произошла авария. После вскрытия обнаружили, что масло сильно потемнело, tg d оказался значительно выше нормы, а электрическая прочность значительно ниже нормы. Проведенный анализ показал, что причиной выхода было ускоренное старение масла, т.к. оно не содержало никакой антиокислительной присадки и, в силу тщательной очистки, не содержало естественных примесей — ингибиторов окислительных процессов.

Очистка, сушка и регенерация масла. Очисткой масла называется такая операция, с помощью которой загрязненное или окисленное масло приводится в пригодное для эксплуатации состояние. После хорошей очистки масло должно полностью восстановить свои начальные свойства, т.е. должно быть совершенно прозрачно, не должно содержать кислот, осадков, воды, угля и других загрязнений. Причины изъятия масла из эксплуатации могут быть двух родов. Если масло во время эксплуатации оказалось лишь загрязненным различными постоянными веществами и не претерпело глубоких изменений, то для его восстановления достаточно прибегнуть к одному из описываемых ниже методов механической очистки.

К механическим методам очистки относятся:

1) отстой;
2) центрифугирование;
3) фильтрование;
4) промывка.

Все эти методы имеют целью удалить из масла главным образом воду, механические загрязнения, нерастворимый шлак и уголь. Другой причиной изъятия масла из эксплуатации служит его старение под действием высокой температуры, кислорода воздуха, мощных частичных разрядов. Такое масло претерпевает столь глубокие изменения, что для восстановления его свойств необходимо применить один из следующих методов химической очистки (регенерации):

1) сернокислотный метод;
2) щелочноземельный метод;
3) обработку адсорбентами.

Очистка масла непосредственно в трансформаторах и выключателях может производиться периодически или после аварии при резком снижении пробивного напряжения, появления угля и прочих ненормальных явлениях или в результате данных хроматографического анализа. Как правило, трансформаторы и выключатели в этих случаях выводятся из работы и отключаются от сети.

Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла.

Конденсаторные масла . Под этим термином объединена группа различных диэлектриков, применяемая для пропитки бумажно-масляной и бумажно-пленочной изоляции конденсаторов. Наиболее распространенное конденсаторное масло по ГОСТ 5775-68 производят из трансформаторного масла путем более глубокой очистки. Отличается от обычных масел большей прозрачностью, меньшим значением tg d (более, чем в десять раз). Касторовое масло растительного происхождения, оно получается из семян клещевины. Основная область использования — пропитка бумажных конденсаторов для работы в импульсных условиях. Плотность касторового масла 0,95-0,97 т/м 3 , температура застывания от -10 ° С до -18 ° С. Его диэлектрическая проницаемость при 20 ° С составляет 4,0 SYMBOL 45 \f «Symbol» \s 14 — 4,5, а при 90 ° С — SYMBOL 101 \f «Symbol» \s 16 e = 3,5 SYMBOL 184 \f «Symbol» \s 14 — 4,0; tg SYMBOL 100 \f «Symbol» \s 14 d при 20 ° С равен 0,01 SYMBOL 45 \f «Symbol» \s 14 — 0,03, а при 100 ° С tg SYMBOL 100 \f «Symbol» \s 14 d = 0,2 SYMBOL 45 \f «Symbol» \s 14 — 0,8; Е_пр при 20 ° С равно 15 SYMBOL 45 \f «Symbol» \s 14 — 20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел касторовое не вызывает набухания обычной резины. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет 10 8 SYMBOL 45 \f «Symbol» \s 14 — 10 10 Oм × м.

Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также является нефтяные масла. От трансформаторного масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями. Из марок масел отметим МН-4 (маловязкое, для заполнения кабелей низкого давления), С-220 (высоковязкое для заполнения кабелей высокого давления), КМ-25 (наиболее вязкое).

Второй тип жидких диэлектриков — трудногорючие и негорючие жидкости. Жидких диэлектриков с такими свойствами достаточно много. Наибольшее распространение в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы. В зарубежной литературе они называются хлорбифенилами. Это вещества, имеющие в своем составе двойное бензольное кольцо, т.н. ди(би)фенильное кольцо и присоединенные к нему один или несколько атомов хлора. В России применяются диэлектрики этой группы в виде смесей, в основном смеси пентахлордифенила с трихлордифенилом. Коммерческие названия некоторых из них — «совол», «совтол», «калория-2».

Хлордифенилы являются хорошими диэлектриками. У них повышена диэлектрическая проницаемость e = 5-6 по сравнению с трансформаторным маслом из-за полярности связи электроотрицательного хлора с дифенильным кольцом. Тангенс угла диэлектрических потерь tg d ненамного выше, чем у масла, электрическая прочность также высока. Применение этих диэлектриков было обусловлено как этими свойствами, так и, главным образом, их негорючестью. Поэтому в пожароопасных условиях (шахты, химические производства и т.п.) использовали трансформаторы и другие электрические аппараты, заполненные хлордифенильными диэлектриками.

Однако у всего класса этих веществ имеются два очень существенных недостатка — высокая токсичность и сильное влияние на озоновый слой. Хотя токсичность является очевидным недостатком, но наибольшее негативное влияние на применение хлордифенилов оказал второй его недостаток.

Дело в том, что, как вы знаете, над поверхностью Земли, на высоте более 100 км существует мощный слой озона О₃, который играет чрезвычайно важную роль в защите жизни на Земле от жесткого космического излучения. В последнее время этот слой стал истончаться, появились т.н. «озоновые дыры». Это явление связывают с хозяйственной деятельностью человека, причем основными «врагами» озона считают вещества, содержащие хлор и бром, которые взаимодействуют с озоном и, тем самым, разрушают его. Поэтому мировая общественность забила тревогу, требуя запретить применение таких веществ. Было проведено несколько конференций, обсуждавших эту проблему, и в 1976 году был принят т.н. «Монреальский Протокол». Согласно ему, все вещества, которые могут попасть в ионосферу, были проверены на взаимодействие с озоном и разделены на группы, по степени взаимодействия. Наиболее опасные вещества, в.т.ч. фреоны (хладоагенты в бытовых холодильниках) и хлордифенилы были ограничены в производстве, начиная с 1980 г., а к 2000 году их не должно быть и в эксплуатации. Наша страна подписала протокол, поэтому сейчас их не производят у нас в стране, в силу чего в ряде мест возникли проблемы с трансформаторами, ранее заполненными хлордифенилами. Поскольку они негорючи и использовались в силу этого для ответственных пожароопасных условий, найти им замену нелегко. Наиболее типичная ситуация — в трансформаторе понизился (за счет утечек) уровень жидкого диэлектрика. Просто добавить другое масло невозможно, т.к. хлордифенилы не смешиваются с маслами и неясно поведение такой композиции в условиях эксплуатации.

Возникшая после запрета хлордифенилов проблема поиска подходящего пожаробезопасного жидкого диэлектрика до сих пор не решена. В каждой стране ее пытаются решать по своему. В Великобритании пытаются внедрять диэлектрики на основе эфиров пентаэритрита (фирменное название Мидель 7221, Мидель 7131), в Германии — диэлектрики на основе эфиров фталевой кислоты ( Bayelectrol, диоктилфталат ). В России и некоторых других странах наиболее перспективными для применения считаются силиконы (силоксаны) или кремнийорганические жидкости . Это громадный класс жидкостей с различными электро- и теплофизическими характеристиками. Хорошо очищенные жидкости обладают e =2.5-3.5, tg d < 10 -3 , r >10 12 Ом × м. Обычно у этих соединений повышенная, по сравнению с маслом, температура вспышки. Некоторые жидкости, на основе модифицированных полиметилэтилсилоксанов имеют температуру вспышки около 300 ° С. К недостаткам силоксанов относится то, что исследованные кремнийорганические жидкости не могут обеспечить пожаробезопасность и, следовательно, не могут полностью заменить хлордифенилы. Кроме того, они в несколько раз дороже трансформаторного масла.

Очень интересен класс фторорганических жидкостей. В зарубежной литературе они называются перфторуглероды. По сути, это эквивалент обычным органическим жидкостям, только вместо атома водорода везде находится атом фтора. Например есть аналоги органическим соединениям, таким как пентан С₅ H₁₂ — перфторпентан С₅ F₁₂ , гексан С₆ H₁₄ — перфторгексан С₆ F₁₄ , триэтил(пропил,бутил)амин — перфтортриэтил(пропил,бутил)амин и т.п. Существует даже перфтортрансформаторное масло. (В отличие от настоящего трансформаторного масла перфтортрансформаторное масло при нормальных условиях является твердым веществом и используется в качестве морозостойкой смазки). Наличие фтора на месте водорода означает, что вещество полностью окислилось, ведь фтор является самым сильным окислителем, более сильным, чем кислород. Поэтому фторуглеродные жидкости инертны по отношению к любым воздействиям, в.т.ч. стабильны под действием электрического поля и температуры. Поскольку они ни с чем не взаимодействуют, они не растворяют масла, резину, воду и т.п. Высокие характеристики фторуглеродных жидкостей важны для применений. Замена атома H на атом F приводит к новым свойствам и новым возможностям:

— высокая термическая и химическая стабильность;

— инертность по отношению к металлам, твердым диэлектрикам и резинам;

— нетоксичность, отсутствие цвета и запаха;

— возможность подбора жидкостей с различными точками кипения и

— низкая растворимость воды и высокая растворимость газов;

— отсутствие растворимости любых нефторированных материалов;

— высокий коэффициент температурного расширения.

Проведенные нами исследования поведения некоторых жидкостей при постоянном и переменном напряжении показывают, что по электрофизическим параметрам: удельное сопротивление, tg d , электрическая прочность, они значительно превосходят аналогичные показатели любых других жидкостей, включая минеральные масла. Они нетоксичны, неокисляемы, имеют низкую вязкость, в.т.ч. в низкотемпературной области. Ряд жидкостей имеют точку замерзания -70 ° С и ниже. Основное препятствие к более широкому использованию — сравнительно высокая цена. Это препятствие может быть устранено. В настоящее время имеется задел по разработке новой, более дешевой технологии получения перфторуглеродов.

Приведем численные значения некоторых электрофизических параметров. Диэлектрическая проницаемость e = 1.8-2, tg d < 10 -4 , r >( 10 12 -10 15 ) Ом × м, электрическая прочность — до 500 кВ / см. Важной особенностью является достаточно высокая электрическая прочность в газообразном (парообразном) состоянии — до 200-300 кВ /c м, т.к. фторуглеродные молекулы имеют высокое сродство к электрону, т.е. они являются электроотрицательными веществами. Из других свойств отметим не только негорючесть, но и термостабильность до температуры более 400 ° С. Хотя теплопроводность фторуглеродов в два-три раза ниже, чем у трансформаторного масла, однако исключительно высокий коэффициент температурного расширения приводит к возникновению мощных конвективных потоков. При этом конвективный теплоотвод оказывается в 3-4 раза выше, чем у трансформаторного масла. Главный недостаток — дороговизна — они дороже трансформаторного масла в несколько десятков раз.

К настоящему времени в энергетике эти жидкости не нашли широкого применения. За рубежом применяются для охлаждения мощных выпрямителей и инверторов, преобразующих переменный ток в постоянный ток, для СВЧ устройств. Предполагаемое создание компактных пожаробезопасных испарительных трансформаторов для электротранспорта и компактных ЗРУ возможно только на основе перфторуглеродных жидкостей.

Список лекций

1. Введение в предмет.
2. Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.
3. Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.
4. Теплофизические и механические характеристики материалов.
5. Конструкционные материалы.
6. Проводниковые материалы.
7. Слабопроводящие материалы.
8. Электропроводность и потери в диэлектриках.
9. Процессы в диэлектриках по действием сильных электрических полей.
10. Газообразные и жидкие диэлектрики.
11. Твердые диэлектрики.
12. Магнитные материалы.
13. Сверхпроводящие материалы.
14. Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов.
15. Испытания материалов.