Теория 1. 1. Основные понятия об электроматериалах. Классификация Электротехническими называются материалы
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
3.1 Природа диэлектрических потерь Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля и вызывающую нагрев диэлектрика. Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживается сквозной ток, обусловленный проводимостью. Ток сквозной проводимости называют активным током, он вызывает нагрев диэлектрика, следовательно, определяет диэлектрические потери. При постоянном напряжении, когда нет периодической поляризации, качество материала диэлектрика характеризуется v и s сопротивлениями. При переменном напряжении, кроме сквозной электропроводности, возникает ряд добавочных причин, вызывающих потери энергии в диэлектрике. Величина диэлектрических потерь характеризуется рассеиваемой мощностью, отнесенной к единице объема, т.е. удельными потерями. Чаще для характеристики диэлектрика, определяющей его способность рассеивать энергию, пользуются углом диэлектрических потерь , и тангенсом угла диэлектрических потерь tg. Углом диэлектрических потерь называют угол , дополняющий до 90˚ угол сдвига фаз между током и напряжением в активно-емкостной цепи. В случае идеального диэлектрика через диэлектрик проходит только ток смещения. Ток проводимости равен 0. В этом случае = 90˚ и ˚. Чем больше диэлектрик рассеивает энергию, тем меньше угол и больше . Большие диэлектрические потери в изоляции вызывают сильный ее нагрев и могут привести к ее тепловому разрушению. Природа диэлектрических потерь различна и зависит от агрегатного состояния вещества: газообразного, жидкого, твердого.  Рисунок 3.1 - К определению понятия угла диэлектрических потерь Изучение потерь энергии в диэлектрике можно связать с поведением конденсатора с данным диэлектриком в цепи переменного напряжения. Схема, эквивалентная конденсатору с диэлектриком, обладающим потерями, должна быть выбрана так, чтобы активная мощность, расходуемая в данной схеме, была равна мощности, рассеиваемой в диэлектрике конденсатора. Ток должен опережать напряжение на тот же угол, что и в рассматриваемом конденсаторе. Эта задача может быть решена заменой конденсатора с потерями идеальным конденсатором с последовательно включенным активным сопротивлением (последовательная схема) или идеальным конденсатором, шунтированным активным сопротивлением (параллельная схема). Такие схемы введены только условно. Представленная на рисунке 3.2 диаграмма  (параллельное включение Ср и сопротивления R) Суммарный ток в диэлектрике равен I = Ic + Ia. (3.1) где Ic- емкостная составляющая; Ia- активная составляющая. Из векторной диаграммы токов формула диэлектрических потерь при переменном напряжении имеет вид Р = U2ωCtgδ, (3.2) где Р – диэлектрические потери, Вт; U-напряжение, В; ω-угловая частота, с-1; С -емкость, Ф; Согласно определению, tg δ равен отношению активного тока к реактивному. Заменяя токи через отношения напряжения к соответствующим сопротивлениям, получаем для параллельной схемы замещения выражение tgδ = 1/ωСpR. (3.3) 3.2 Виды диэлектрических потерь Диэлектрические потери по их особенностям и физической природе можно подразделить на четыре основных вида: а) диэлектрические потери, обусловленные поляризацией; б) диэлектрические потери сквозной электропроводности; в) диэлектрические потери, обусловленные неоднородностью структуры; г) ионизационные диэлектрические потери. 3.3 Методы измерения tg δ Для определения tg δ применяется мостовой метод. Измерения производятся на переменном напряжении в соответствии с рисунком 2.3. Величина tg δ определяется по уравнению tg δ = 2πf∙c4 ∙ 10-6 ∙ R4. (3.4) При значениях R4= 10000/π и f = 50 Гц tg δ = [c4]. (3.5) 3.4 Пробой диэлектриков Каждый диэлектрик в электрическом поле теряет изоляционные свойства, если напряженность поля Е превысит некоторое критическое значение. Это явление носит название пробоя диэлектрика. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением Uпр, а Епр - пробивной напряженностью. Пробивная напряженность поля Епр, определяется отношением пробивного Uпр к толщине диэлектрика в месте пробоя Епр = Uпр/ , (3.6) где - толщина диэлектрика, м. В системе СИ Епр измеряется в В/м; но для практических расчетов удобной единицей измерения является кВ/мм: 1 В/м = 10 -6 кВ/мм. Разряд в воздухе у поверхности твердого диэлектрика называется поверхностным пробоем или поверхностным перекрытием. На величину поверхностного разряда оказывают влияние форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота переменного тока, состояние поверхности диэлектрика, давление воздуха. При пробое в газах или жидких диэлектриках, в силу подвижности молекул, пробитый участок после снятия напряжения U восстанавливает свои первоначальные свойства. При пробое твердого диэлектрика в нем остается след в виде пробитого, прожженного или оплавленного отверстия неправильной формы. Повреждение поверхности твердого диэлектрика, связанное с образованием проводящих следов, называют трекингом. Номинальное напряжение Uн электрической изоляции должно быть меньше пробивного напряжения Uпр Uпр/Uн = Кпр. (3.7) Это отношение называют коэффициентом запаса электрической прочности. Продолжительное воздействие электрического поля высокой напряженности Е приводит к необратимым процессам в диэлектрике, в результате которых его Uпр снижается, т.е. происходит электрическое старение изоляции. Вследствие такого старения срок службы изоляции ограничен. Кривую зависимости Uпр от времени приложения напряжения U называют кривой жизни электрической изоляции. Электрическая прочность диэлектриков зависит от агрегатного состояния, от химического состава, структуры вещества и воздействия внешних факторов (температуры, атмосферного давления, толщины, частоты и однородности поля, времени приложения напряжения, влажности и др). Механизм пробоя газообразных, жидких и твердых диэлектриков имеют существенные различия. 3.5 Методы экспериментального определения электрической прочности Электрическая прочность жидких и твердых диэлектриков определяется на установках типа АИИ - 70, позволяющих производить испытания на постоянном и переменном U в пределах от 0 до 70 кВ. Принципиальная схема электрических соединений установки АИИ - 70 дана на рисунке 3.3.  1 - резервуар с электродами для испытания жидких диэлектриков; 2 - вывод постоянного U для испытания твердых диэлектриков; 3 - вывод переменного U для испытания твердых диэлектриков. Рисунок 5.3 - Электрическая схема испытательной установки АИИ - 70 4 Лекция №4. Физико-механические свойства электроизоляционных материалов Содержание лекции: механические и тепловые свойства; влажностные характеристики; - физико-механические свойства; стойкость к воздействию радиации. Цель лекции: изучить характеристики, которые необходимо учитывать при выборе электротехнических материалов для конкретного применения. Механические и физико-химические свойства электротехнических материалов При выборе электротехнического материала для конкретного применения следует учитывать не только его электрические, но и механические, тепловые свойства, стойкость к воздействию высоких и низких температур, влаги, радиации и других внешних факторов. Механическая прочность диэлектриков Диэлектрики под воздействием механических нагрузок могут испытывать внутренние напряжения. К основным механическим характеристикам относятся: предел прочности материала при растяжении (õр), относительное удлинение при растяжении (lp), предел прочности материала при сжатии (õс), предел прочности материала при статическом изгибе (õиз) и удельная ударная вязкость õу, а также твердость и вязкость. Все эти характеристики определяют на образцах специально установленной формы в соответствии со стандартом. Тепловые свойства 4.3.1 Нагревостойкость - это свойство материалов и изделий выдерживать повышенную температуру без разрушения и недопустимого ухудшения электрических свойств. Величину нагревостойкости оценивают значением t0C, при которой появляются эти изменения. Материалы, применяемые для изоляции с учетом их нагревостойкости, подразделяются на классы нагревостойкости. Для каждого класса фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение ряда лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях. Рекомендацией Международной электротехнической комиссии (МЭК) предусмотрены классы нагревостойкости, указанные в таблице 4.1. Таблица 4.1
Класс У - изоляция из непропитанных и непогруженных в жидкий диэлектрик волокнистых материалов (древесина, бумага, картон, фибра, хлопчатобумажное волокно, натуральный шелк), полиамиды, поливинхлорид, вулканизированный и натуральный каучук. Класс А - те же волокнистые материалы, но пропитанные масляными и другими лаками или погруженные в нефтяные или синтетические масла, изоляция эмалированных проводов «винифлекс» и «металвин», полиамидные пленки. Класс Е- слоистые пластики (текстолит, гетинакс) на термореактивных связующих, эмалированные провода на эпоксидных лаках, поликарбонатные пленки и др. Класс В - неорганические материалы: слюда, стекловолокно, асбест со связующими и пропитывающими органическими составами, соответствующей нагревостойкости, политрифторхлорэтилен и др. Класс F - те же неорганические материалы с более нагревостойкими связывающими и пропитывающими составами, эмалированные провода на полиэфиримидных и полиэфирциануратных лаках. Класс Н - тоже в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры. Класс 200 - неорганические материалы (слюда, электротехническая керамика, бесщелочное стекло, кварц) без связующих материалов или с неорганическими связующими. Класс 220 - политетрафторэтилен, полиимидные материалы - пленки, волокна, изоляция эмальпроводов из полиимида и фторопласта-4, оксидная и фторидная изоляция, минералы. 4.3.2 Теплопроводность - процесс передачи тепла в материале; он характеризуется теплопроводностью γт, входящей в уравнение Фурье. 4.3.3 Тепловое расширение диэлектриков и других материалов, оценивается температурным коэффициентом линейного расширения, который показывает во сколько раз произойдет увеличение линейных размеров при изменении температуры на 1 градус. 4.3.4 Холодостойкость и стойкость в области криогенных температур. Во многих случаях эксплуатации изоляции, например, изоляции оборудования открытых подстанций важна холодостойкость, т.е. способность изоляции не снижать эксплуатационной надежности при температурах - (60 - 70) 0С и более низких (криогенных) температурах. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако, многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими. Проверка электроизоляционных материалов на холодостойкость нередко осуществляют с одновременным воздействием вибрации. 4.4 Влажностные свойства 4.4.1 Влагостойкость – это способность изоляции к надежной эксплуатации в атмосфере, близкой к насыщению водяным паром. 4.4.2 Влагопроницаемость - свойство материала пропускать пары воды при разности давлений водяного пара с 2-х сторон. 4.4.3 Влагопоглощаемость - способность изоляционного материала сорбировать воду при нахождении в атмосфере насыщенной водяным паром. 4.4.4 Водопоглощаемость - способность материала сорбировать воду при погружении в воду. 4.4.5 Смачиваемость - способность диэлектрика смачиваться водой, характеризуется углом смачивания капли воды. Смачиваемость характеризует адсорбцию жидкости твердым телом. 4.4.6 Гигроскопичность материала позволяет определить степень устойчивости материала к воздействию на него паров воды при работе во влажной среде. 4.5 Методы защиты Во избежание пробоя диэлектриков, связанного с понижением электрической прочности из-за пропитывания их атмосферной влагой, принимаются меры против водопоглощения волокнистыми материалами. Этими мерами являются пропитка волокнистой или пористой изоляции пропитывающими лаками и покрытие их снаружи покровными водоотталкивающими лаками. Назначение пропитывающих лаков – заполнить поры материала веществом лака. Для этой цели пропитывающие лаки должны быть маловязкими. Покрывные лаки имеют достаточную вязкость, являются гидрофобными жидкостями. 4.6 Радиационная стойкость Радиационной стойкостью материалов называют степень сохранения электрических, механических и других свойств после действия на диэлектрики корпускулярных или волновых радиоактивных излучений высокой энергии. Радиационная стойкость учитывается при использовании радиоактивных излучений для синтеза, полимеризации и обработки материалов. Энергия излучения, попадая на поверхность материала, убывает по мере проникновения в глубину по закону Рх = Р0 е –μх , (6.1) где Ро - мощность физической дозы в воздухе у поверхности материала; х - глубина проникновения; μ – эффективный коэффициент ослабления излучения в материале μ = К3 Z3, (6.2) где - длина волны излучения; Z - номер элемента в таблице Менделеева; – плотность; К - коэффициент пропорциональности. Таким образом, поглощение излучения в материале зависит от природы материала (Z3) и качества излучения (3). При длительном или очень интенсивном облучении произойдет разрушение любого полимера или под действием облучения у полимеров возможен переход из одного структурного состояния в другое. Влияние облучения на кварц, слюду, глинозем, ZrO 2, ВеО, слюдяные материалы со стекловидными связующими менее сильное. Материалы, стойкие к облучению, должны обладать двумя свойствами: способностью поглощать энергию без чрезмерной ионизации; способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем обнаруживать разрыв цепей. Под действием излучения электрические свойства диэлектриков (рv, tgδ, Епр, ) могут изменяться в ту или другую сторону в зависимости от вида диэлектрика. Такие же изменения происходят и с физико-механическими свойствами электротехнических материалов. 4.7 Химическая стойкость Химической стойкостью материалов называется характеристика, позволяющая оценить степень стойкости при воздействии на них растворителей (толуол, бензин, спирты, минеральные масла и др.), окислителей (озон, хлор, окислы азота, и др.) и других разрушающих реагентов (кислоты, щелочи, их растворы и пары). Для определения химической стойкости диэлектрика подробно исследуют изменение механических и электрических характеристик образцов, находившихся длительное время под воздействием тех или иных реагентов. 5 Лекция №5. Диэлектрические материалы. Содержание лекции: газообразные диэлектрики; - жидкие диэлектрики; твердые эиэлектрики. Цель лекции: дать представление об основах рациональной классификации электроизоляционных материалов; рассмотреть наиболее распространенные виды газообразных и жидких материалов. | |||||||||||||||||||||||||||