3.5. Механические, термические и физико-химические свойства диэлектриков

Ограничимся перечислением важнейших неэлектрических параметров диэлектрических материалов.

Механические свойства при статической нагрузке — разрушающие напряжения при растяжении, сжатии, изгибе, определяемые стандартными методами; твердость, удельная ударная вязкость, гибкость, модуль Юнга.

Термические свойства диэлектриков — теплопроводность, теплоемкость, температура плавления, температура размягчения, термическое расширение; вязкость, температура вспышки паров, нагревостойкость, холодостойкость, стойкость к термоударам.

Физико-химические свойства диэлектриков - химостойкость, влагостойкость, водостойкость и водопоглощение, тропикостойкость, радиационная стойкость, атмосферостойкость, кислотность.

В целом ряде случаев при применении диэлектрических материалов их механические, термические, физико-химические свойства играют определяющее значение. Однако, ввиду ограниченного объема учебного пособия отсылаем читателя для проработки перечисленных выше параметров к дополнительной литературе [1,2,3].

3.6. Газообразные диэлектрики

Преимуществами газов перед остальными видами электроизоляционных материалов являются: высокое удельное электрическое сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь; малая, близкая к единице диэлектрическая проницаемость. Наиболее же ценным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда. Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко используют двух- и трехатомные газы — азот, водород, углекислый газ. Электрические прочности этих газов при нормальных условиях мало отличаются друг от друга и могут с достаточной точностью приниматься равными прочности воздуха. В таблице 3.5.1 приведены отношения электрической прочности некоторых газов, включая и высокопрочные, Епр г к электрической прочности воздуха, которая принята за единицу. В этой же таблице даны точки кипения газов при нормальном давлении.

Таблица 3.5.1

Газ	Плотность кг/м^3	температура кипения °С	^тф r'^-np в
Азот	1,25	-196	1,0
Гексафторид серы (элегаз)	6,70	-64	2,3
Дихлорфторметан (фреон-12) Гексафторэтан	6,33* 9,01	-30 -78	2,4 2,0
Трифторметилпентафторсера	—	-20,4	3,05

Наилучшим образом требованиям к газам, применяемым в электроизоляционных конструкциях, удовлетворяет элегаз и фреон. Гексафторэтан нельзя использовать при повышенных давлениях из-за низких критических параметров.

3.7. Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции, находящихся под напряжением элементов конструкции и отводить от них тепло, выделяющееся при работе.

Электроизоляционные жидкости по химической природе можно классифицировать на нефтяные электроизоляционные масла и синтетические жидкости различных типов. По специфике применения они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей. Нефтяные масла получают фракционной перегонкой нефти с последующей очисткой масляного дистиллята. Нефтяные электроизоляционные масла являются горючими жидкостями и представляют большую пожарную опасность.

Пожарная опасность оценивается по температуре вспышке паров жидкого диэлектрика в смеси с воздухом. Эта температура должна быть не ниже 135-140°С. Наиболее важные для практического применения трансформаторного масла свойства нормированы стандартом ГОСТ 982-80. Из рассмотренных .характеристик следует отметить кинематическую вязкость при температуре 20 и 50°С, знание которой весьма важно, так как при увеличении вязкости сверх допустимых пределов хуже отводится тепло от обмоток и магнитопровода трансформатора, что может привести к сокращению срока службы электрической изоляции. Стандартом нормировано также так называемое кислотное число. Этот показатель важен для учета старения масла в процессе его эксплуатации.

По своим диэлектрическим характеристикам хорошо очищенное от примесей и влаги трансформаторное масло обладает свойствами неполярного диэлектрика. Важной характеристикой масла является его электрическая прочность, которая чрезвычайно чувствительна к увлажнению. Пробивное напряжение технически чистых масел в стандартном разряднике составляет 50-60 KB при 50 Гц и примерно 120 кВ при воздействии импульсного напряжения. С целью повышения устойчивости масел к процессам старения в масла вводят синтетические ингибиторы. Ингибиторы замедляют процесс старения масла в 2-3 раза. Масла, побывавшие в эксплуатации, подвергаются регенерации. Осушка масел производится искусственными цеолитами, которые известны также под названием “молекулярные сита”. Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и меньшими значениями tgδ (до 2·10^-4). Основные физико-химические показатели товарных конденсаторных масел приведены в ГОСТ 5775-68.

Кабельные масла отличаются от трансформаторных по температуре вспышки и вязкости.

Синтетические жидкие диэлектрики — применяются в тех случаях, когда необходимо обеспечить длительную и надежную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках и напряженности электрического поля, в пожаро- и взрывоопасной среде. Жидкие диэлектрики находят применение и для заливки герметичных кожухов, в которых располагаются блоки электронной аппаратуры.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено, хотя в эксплуатации еще имеется их значительное количество.

Значения тангенса угла диэлектрических потерь для трихлордифенила, совтола-10 и гексола при 90°С лежит в пределах 0,015-0,03. Удельное объемное сопротивление полихлордифенилов при рабочих температурах в пределах 3·10⁹-10¹²Ом·м. Наименее полярные свойства проявляются у гексола, у которого ε при 70°С не превышает 2,7-2,9. Электрическая прочность большинства жидкостей на основе хлористых углеводородов при 20°С не превышает 18- 22 МВ/М.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации, в молекулах которых содержится повторяющаяся силоксанная группировка

‌ ‌

—Si—О—Si—,

‌ ‌

атомы кремния которой связаны с органическими радикалами. По своим диэлектрическим характеристикам полиорганосилоксановые жидкости приближаются к неполярным диэлектрикам. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры и в некоторых других случаях.

Жидкие диэлектрики на основе фтороорганических соединений отличаются негорючестью, высокой химической окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередаю-щими свойствами. Они получили применение для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах. По диэлектрическим свойствам фторированные углеводороды могут быть отнесены к неполярным соединениям.