Теория 1. 1. Основные понятия об электроматериалах. Классификация Электротехническими называются материалы
 Скачать 0.69 Mb.
|
|
5.1 Диэлектрические материалы Электроизоляционные материалы имеют чрезвычайно важное значение в электротехнике. Они используются для изоляции токоведущих частей друг от друга и от земли. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без электроизоляционных материалов. Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве рабочих диэлектриков в конденсаторах. К электроизоляционным материалам относятся и активные диэлектрики, т.е. диэлектрики с регулируемыми электрическими свойствами (сегнетоэлектрики, пъезоэлектрики и др). В разных случаях к электроизоляционным материалам предъявляют самые разные требования. Помимо электрических свойств (v, tg δ, Епр), большую роль в инженерном выборе имеют механические, тепловые и другие физико-химические свойства, а также способность материалов обрабатываться при изготовлении необходимых изделий. Электроизоляционные материалы наиболее многочисленный раздел электроматериалов, исчисляемый многими тысячами видов. Изучить все виды электроизоляционных материалов - непосильный труд. Наша задача - дать представление об основах рациональной классификации электроизоляционных материалов и рассмотреть наиболее типичные и широко распространенные виды электроизоляционных материалов. Электроизоляционные материалы, прежде всего, могут быть подразделены по агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые материалы. Наиболее многочисленные - твердые материалы. Особую группу составляют твердеющие материалы, в исходном состоянии - жидкие, затем – отвердевающие (лаки, компаунды, смолы). По химической природе электроизоляционные материалы разделяют на органические и неорганические. Многие органические вещества обладают ценными свойствами: гибкостью, эластичностью и могут быть выпущены в виде волокон, пленок и других форм. Однако все органические материалы обладают низкой нагревостойкостью. Неорганические материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто хрупки, технология изготовления их сложна, но у них высокая нагревостойкость. 5.2 Газообразные диэлектрики Газы не имеют постоянного объема, формы и структуры. При отсутствии оболочки газы способны расширяться беспредельно. При давлении 760 мм.рт.ст. газы имеют малую плотность. Газообразные диэлектрики при использовании в качестве электроизоляционных материалов имеют следующие преимущества: высокое ρ, , малый tg, недостаточно высокое Епр (для установок низкого напряжения этот недостаток не имеет значения). В установках высокого напряжения величину Епр увеличивают, применяя повышенное давление и применяя газы с большей электрической прочностью. В электрических устройствах газы можно использовать лишь в комбинации с твердыми материалами. Кроме воздуха, в электротехнике применяются и другие газы. Сравнительная таблица некоторых газов приведена в таблице 5.1. Таблица 5.1
Воздух. Из газовых диэлектриков, прежде всего, должен быть назван воздух, который, в силу своей распространенности, часто входит в состав электротехнических устройств. Воздух в твердой изоляции нежелателен, он создает ионизационные потери, а при высоком напряжении является очагом частичных разрядов в изоляции. Значительный интерес для электротехники представляет водород, который используется в качестве охлаждающей среды вместо воздуха для охлаждения мощных турбогенераторов. Таблица 5.2- Сравнительные характеристики воздуха и водорода
Для заполнения электровакуумных приборов и ламп применяются инертные газы аргон, неон, криптон, ксенон, гелий и др., которые обладают низкой электрической прочностью. Особо большое значение в качестве низкотемпературного хладоагента, в частности, для устройств, использующих явление сверхпроводимости, имеет сжиженный гелий. 5.3 Жидкие диэлектрики Жидкости обладают определенным объемом, но не имеют формы. Жидкости обладают определенным объемом, но не имеют формы. Сжимаемость различных жидкостей находится в пределах от 2106 до 2104 атм-1. Зависимость объема жидкости от температуры U V V0 Aekt , где V0 - минимальный объем при Т=0; U – энергия активации; VV0 – свободный объем жидкости. Вязкость жидкости или внутреннее трение – свойство жидкости оказывать сопротивление при перемещение одной части жидкости относительно другой. Жидкие диэлектрики разделяются на 3 группы: - нефтяные масла; - синтетические жидкости; - растительные масла. 5.3.1 Нефтяные масла имеют наибольшее применение в электротехнике и представляют собой смеси углеводородов. Изготовление масел из нефти – сложный технологический процесс, состоящий из ряда физико-химических операций. При температурах ниже 3000С из нефти выделяются легкие продукты: бензин, лигроин, керосин. Из оставшейся части, называемой мазутом, при температуре выше 3000С выделяется соляровое масло. Путем последовательной обработки масла кислотой и щелочью из него удаляют химически не стойкие соединения и получают электроизоляционное масло. Полученное масло промывают теплой дистиллированной водой, сушат, очищают отбеливающей глиной и фильтруют. Основным представителем нефтяных изоляционных масел является трансформаторное масло. Назначение трансформаторных масел - повышать электрическую прочность изоляции, отводить тепло и гасить электрическую дугу. Свойства нефтяного трансформаторного масла нормируются соответствующими ГОСТами. Конденсаторное масло применяется для пропитки и заливки бумажных и пленочных конденсаторов; оно сходно с трансформаторным, но отличается особо тщательно очисткой. Кабельные масла служат для пропитки бумажной изоляции кабелей. 5.3.2 Синтетические жидкие диэлектрики. Трансформаторное нефтяное масло при всех положительных качествах обладает пожаро- и взрывоопасностью. Выходом из положения является применение сухих трансформаторов или негорючих электроизоляционных жидкостей. К ним относятся ряд синтетических жидких диэлектриков, по тем или иным свойствам превосходящих нефтяные масла: хлорированные дифенилы (совол, совтол и др), но они весьма дороги (в 200-1000 раз дороже трансформаторного масла), что ограничивает их применение. 5.3.3 Растительные масла. Большое значение в электроизоляционной технике имеют растительное масла - вязкие жидкости, получаемые из семян различных растений: льняное, тунговое, касторовое, применяемые в лаках, эмалях, а также для пропитки твердой изоляции. 5.4 Твердые диэлектрики Все твердые диэлектрики по химическому составу подразделяются на две группы: органические (к этой группе относятся и элементоорганические) и неорганические. 5.4.1 Смолы служат исходным материалом для изготовления лаков, компаундов, замазок, пленок и пластических масс. Широко применяемыми в электротехнике синтетическими смолами являются полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид и др. Смолами называют высокомолекулярные вещества, которые в зависимости от температуры могут находиться в стеклообразном, эластичном и вязкотекучем состоянии. 5.4.2 Пластмассами называются искусственные материалы, получаемые на основании полимеров или других смол, которые способны при нагревании и давлении размягчаться, становиться пластичными, принимать заданную форму. 5.4.3 Лаки, эмали и компаунды относятся к твердеющим электроизоляционным материалам. Лаками называются диэлектрические материалы, представляющие собой коллоидные растворы пленкообразующих веществ (смол, битумов и высыхающих масел) в летучих растворителях с добавками пластификаторов. Лаки по применению разделяются на пропиточные, покровные, клеящие, по составу – на полимерные, нитроцеллюлозные и масляные. 5.4.4 Волокнистые изоляционные материалы состоят из частиц удлиненной формы - волокон: природных, искусственных и синтетических. К наиболее применяемым в электротехнике волокнистым материалам относятся кабельная, конденсаторная, телефонная бумаги, электрокартон, ткани, лакоткани. 5.4.5 Текстильные материалы получают методами специальной обработки длинноволокнистого сырья. Ткани отличаются от бумаг вполне определенным строением. 5.4.6 Твердые неорганические изоляционные материалы, к котором относится электроизоляционные стекла- неорганические, аморфные термопластические вещества; керамика, которую получают путем обжига при высокой температуре; слюда - важнейший природный электроизоляционный материал, асбест – неорганическое волокно, и оксидная изоляция, образующаяся при окислении некоторых металлов, имеют высокие электроизоляционные и термические свойства. 5.4.7 Активными диэлектриками называют диэлектрики, предназначенные для генерации, усиления, модуляции и преобразования электрических сигналов. К ним относятся сегнетоэлектрики, электреты, пъезоэлектрики, пироэлектрики. 6 Лекция №6. Проводниковые материалы Содержание лекции: классификация проводников; природа электропроводности металлов; - основные характеристики проводников; проводниковые материалы. Цель лекции: изучить свойства проводников и уметь связать их с конструкцией аппаратов и других изделий электротехники. 6.1 Определение, классификация и назначение проводниковых материалов Проводниковые материалы – это вещества, легко проводящие электрический ток. Проводниковыми материалами могут быть твердые и жидкие вещества. К твердым проводникам относятся металлы и их сплавы, к жидким – расплавы металлов, ртуть – единственный металл, который при температуре 20°С находится в жидком состоянии, и электролиты. Газы являются проводниками в особом ионизированном состоянии. Твердые проводники и жидкие металлы обладают электронной проводимостью; жидкие растворы – ионной проводимостью; плазменная проводимость здесь не рассматривается; газы и пары металлов в нормальном состоянии являются диэлектриками. Проводниковые материалы классифицируются по величине электропроводности и назначению следующим образом: а) проводники высокой проводимости предназначены для изготовления обмоток электрических машин, а также для передачи электроэнергии на большие расстояния с возможно малыми потерями; б) проводники с высоким удельным сопротивлением предназначены для преобразования электрической энергии в тепловую (электропечи); в) непроволочные проводники, в основном, электрические угли и порошки; г) высокоомные пленочные и композиционные материалы для резисторов в электро- и радиотехнике; д) различные металлы, применяемые в электротехнике. 6.2 Природа электропроводности металлов Согласно электронной теории металлов, твердые проводники имеют кристаллическую решетку, изображенную на рисунке 10.1.  1- кристаллическая решетка; 2- положительные ионы металла в узлах кристаллической решетки; 3 – электронный газ. Рисунок 10.1- Строение кристалла проводника – металла Электронная теория металлов дала возможность аналитически описать и объяснить найденные ранее экспериментальным путем основные законы электропроводности. 6.3 Основные электрические и физические свойства проводников К основным характеристикам проводниковых материалов относятся: - удельная проводимость и удельное сопротивление, (γ и ρ); температурный коэффициент удельного сопротивления, (ТКρ); - удельная теплопроводность, (γт); контактная разность потенциалов и термоэлектродвижущая сила; - предел прочности при растяжении и относительное удлинение (σрас, ∆lсж). Для проводника с постоянным сечением S и длиной l вычисляется по выражению = R S/l. (6.1) Диапазон значений металлических проводников при 20 оС составляет от 0.016 для серебра и до 10 мк Ом.м для некоторых сплавов. Удельное сопротивление () металлического проводника может быть выражено на основании электронной теории металлов = 2m vт / е2 N ср, (6.2) где m - масса электрона; vт - средняя скорость теплового движения электрона; ср - средняя длина свободного пробега электрона; е - заряд электрона; N - число свободных носителей заряда в единице объема проводника. Для различных проводников vт - примерно одинаковы. Незначительно отличаются и N, например, для Cu и Ni - эта разница 10%. Число N с увеличением температуры в проводнике остается неизменным. При увеличении to происходит увеличение амплитуды колебаний узлов решетки. Это вызывает большее количество препятствий на пути направленного движения электронов, уменьшается ср, и подвижность электронов снижается. Поэтому металлов с повышением tо- возрастает. Типичная кривая изменения металлического проводника (меди) в зависимости от t о представлена на рисунке 6.1  Рисунок 6.1 – Зависимость меди от t Скачок соответствует температуре плавления меди (1083 оС). В узких диапазонах температуры допустима линейно - кусочная аппроксимация этой зависимости, и величина в конце интересующего нас температурного диапазона ∆t может быть найдена по формуле t= o (1 + ∆t), (6.3) где о - значение в начале диапазона. Величина ρ в уравнении (6.3) называется средним температурным коэффициентом удельного сопротивления кρ = ρ = t - o/o Δt. [град-1]. (6.4) Значения ρ чистых металлов в твердом состоянии близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, т.е. ρ 1/273 0.004 град-1. 6.3.1 Термо Э.Д.С. При контакте 2-х металлов между ними возникает разность потенциалов. Из электронной теории металлов следует, что контактная разность потенциалов между металлами А и В равна UАВ = UВ - UА + КТ/е ln (nоА/nоВ) , (6.5) где UА, UВ - потенциалы материалов; nоА/nоВ - концентрация электронов в металлах А и В. Если температуры спаев одинаковы, то разность потенциалов в замкнутой цепи = 0. Если один контакт имеет Т1, а второй - Т2 , то возникает термо Э.Д.С. U = UАВ + UВА = UВ - UА + KТ1/ е∙ ln (nОА/nОВ) + UА-UВ+КТ2/ еln(nОв/nОА). (6.6) Откуда U = K/е(T1 -T2) ln (nОА/nОВ) = A(T1 - T2). (6.7) Выбрав два металла, имеющих большую КРП и обладающих линейной зависимостью U = f(T1 -T2), используют их для измерения температур (термопары).  Рисунок 6.2 - Схема термопары Термопары применяют в местах труднодоступных для измерения температур другими способами (в толще магнитопроводов электрических машин, трансформаторов и др). |