Электротехническое материаловедение. Диэлектрики

61

сти Uпр от времени приложения напряжения называется кривой жизни электрической изоляции (рис. 37).

Рис. 37. Кривая жизни изоляции

Электрический пробой наблюдается у большинства диэлектриков при кратковременном (импульсном) воздействии напряжения.

Тепловой пробой

Тепловой пробой возникает в том случае, когда количество тепловой энергии, выделяющейся в диэлектрике за счет диэлектрических потерь, превышает то количество энергии, которое может рассеиваться в данных условиях: при этом нарушается тепловое равновесие и процесс приобретает лавинообразный характер.

Явление теплового пробоя сводится к разогреву материала в электрическом поле до температур, соответствующих расплавлению, обугливанию и пр. Электрическая прочность при тепловом пробое является характеристикой не только материала, но и изделия из него, тогда как электрическая прочность при электрическом пробое служит характеристикой самого материала. Пробивное напряжение, обусловленное нагревом диэлектрика, связано с частотой напряжения, условиями охлаждения, температурой окружающей среды и др. Кроме того, ®электротепловое пробивное напряжение¨ зависит от нагревостойкости материала: органические диэлектрики (например, полистирол) имеют более низкие значения электротепловых пробивных напряжений, чем неорга-

62

нические (кварц, керамика), при прочих равных условиях, вследствие их малой нагревостойкости.

Типичными признаками теплового пробоя является экспоненциальное уменьшение пробивного напряжения с ростом температуры окружающей среды, а также снижение электрической прочности с увеличением времени выдержки диэлектрика в электрическом поле. Для возникновения теплового пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь одно место диэлектрика, где теплоотдача хуже или повышены удельные диэлектрические потери. При этом средняя температура всего объёма диэлектрика мало отличается от температуры, имевшей место до приложения к диэлектрику напряжения. Для того, чтобы температура диэлектрика не превышала некоторого критического значения, выше которого неизбежно наступает тепловое разрушение диэлектрика, необходимо правильно установить допустимое напряжение. При переменном напряжении диэлектрические потери рассчитываются по формуле (25).

Выделяющаяся в диэлектрике теплота отводится через электроды и рассеивается с их поверхности. Отводимая мощность рассчитывается по формуле

РТ т S(t to ) ,

(36)

где γ т – коэффициент теплопроводности, Вт/(м2 К); S –площадь теплоотвода; t и tо – соответственно температуры образца и окружающей среды.

Условие теплового равновесия определяется равенством мощности диэлектрических потерь и рассеиваемой мощности с поверхности диэлектрика: Pа=PТ.

Для наглядности дальнейших рассуждений воспользуемся графическим построением, показанным на рис. 38, где в выбранной системе координат изображены экспоненты тепловыделения Pа = f(Т) при различных значениях приложенного напряжения и прямая теплопередачи PT = f(Т).

63

Рис. 38. Пояснение к расчету пробивного напряжения при тепловом пробое

При значении приложенного напряжения U1 прямая теплопередачи является секущей кривой тепловыделения, а следовательно, диэлектрик нагреется до температуры Т1 , при которой наступит состояние устойчивого теплового равновесия, так как мощность тепловыделения равна мощности, отводимой от образца. Если по каким-то причинам (например, при увеличении напряжения) температура хотя бы немного превысит значение Т1, то образец самопроизвольно через некоторое время возвратиться в состояние устойчивого теплового равновесия, т.к. зависимость отводимой мощности лежит выше зависимости мощности диэлектрических потерь. Следовательно, напряжение U1 не будет опасным для диэлектрика в данных условиях, если нагрев до температуры Т1 не приведет к механическому или химическому разрушению структуры материала. При увеличении напряжения до значения U прямая теплопередачи окажется касательной к кривой тепловыделения, и, следовательно, будет только неустойчивое тепловое равновесие при температуре Т. При значении приложенного напряжения U2 теплового равновесия не возникнет, поэтому температура будет нарастать безгранично до теплового разрушения диэлектрика. Таким образом, напряжение U1, при котором имеет место неустойчивый граничный режим, может быть принято за напряжение теплового пробоя Uпр.

64

Согласно условию теплового равновесия:

U 2 C tg т S(t to )

(37)

допустимое значение напряжения рассчитывается по формуле

	Uпр	m S (t to )	(38)
		C tg

При тепловом пробое Uпр зависит от частоты приложенного напряжения, температуры окружающей среды (начальной рабочей температуры диэлектрика), площади электрода и от его свойств: теплопроводности, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. С увеличением частоты приложенного напряжения и температуры пробивное напряжение уменьшается. Тепловой пробой развивается в течение 10–3–10–2 с, т.е. во много раз медленнее электрического пробоя.

В реальных условиях явление теплового пробоя протекает сложнее, чем было рассмотрено. По толщине диэлектрика имеется перепад температуры: средний слой оказывается нагретым выше, чем прилегающие к электродам, сопротивление его резко падает, что ведет к искажению электрического поля и повышенным градиентам напряжения в поверхностных слоях. Имеет значение также и теплопроводность материала электродов. Все это способствует пробою образцов при более низких напряжениях, чем получаемые из приближенного расчета.

Разновидностью теплового пробоя можно считать ионизационный пробой. Он характерен для твердых пористых диэлектриков и обусловлен ионизацией газа в порах. За счет ионизационных потерь разогревается поверхность закрытых пор, возникают локальные перепады температуры в диэлектрике и связанные с ними термомеханические напряжения. Такие процессы особенно опасны в хрупких материалах, поскольку термомеханические напряжения могут превзойти предел прочности материала и вызвать растрескивание диэлектрика.

65

Электрохимический пробой

Электрохимический пробой электротехнических материалов имеет существенное значение при повышенных температурах и высокой влажности воздуха. Этот вид пробоя наблюдается при постоянном и переменном напряжении низкой частоты, когда в материале развиваются процессы, обусловливающие необратимое уменьшение сопротивления изоляции (электрохимическое старение). Кроме того, электрохимический пробой может иметь место при высоких частотах, если в закрытых порах материала происходит ионизация газа, сопровождающаяся тепловым эффектом.

Электрохимический пробой наступает при напряжённости, используемой при кратковременном испытании электрической прочности изоляции или при коммутационных перенапряжениях. Механизмы электрохимического пробоя свойственны как органическим, так и неорганическим диэлектрикам.

Электрохимический пробой требует для своего развития длительного времени, так как он связан с явлением электропроводности, приводящим к медленному выделению в материале в малых количествах химически активных веществ или полупроводниковых соединений. Основной причиной электрического старения полимеров являются частичные разряды, особенно интенсивные при переменном напряжении. Старение неорганических диэлектриков происходит интенсивнее при постоянном напряжении. Признаком старения является уменьшение сопротивления изоляции.

Вернуться к содержанию

2.8.Неэлектрические свойства диэлектриков

Кнеэлектрическим свойствам диэлектриков относятся тепловые, влажностные, химические и механические свойства.

2.8.2.Тепловые свойства диэлектриков

Тепловые свойства характеризуют способности диэлектриков к температурным воздействиям в процессе эксплуатации.

К тепловым свойствам относятся: нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение, холодостойкость.

66

Нагревостойкость – способность изоляционного материала выдерживать воздействие повышенной температуры без явного ухудшения изоляционных свойств в течение всего срока службы электрооборудования.

В зависимости от допустимых в эксплуатации рабочих температур (tр) диэлектрики различают по классам нагревостойкости (табл. 4).

Таблица 4

Классы нагревостойкости изоляции

Класс нагрево-	Y	A	E	B	F	H	C
стойкости
Рабочая темпера-	90	105	120	130	150	180	>180
тура (tр), 0С

Класс Y – изоляция из волокнистых материалов на основе целлюлозы (древесина, бумага, картон, фибра, хлопчатобумажное волокно), натуральный шелк, полиамиды, поливинилхлорид, натуральный каучук.

Класс А – волокнистые материалы, пропитанные масляными, масляно-смоляными и другими лаками, либо погруженные в трансформаторное масло или синтетический жидкий диэлектрик.

Класс Е – слоистые пластики (гетинакс, текстолит, полиэтилентерефталатные пленки (ПЭТФ), эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды.

Таким образом, к классам нагревостойкости Y, А и Е относятся, в основном, чисто органические изоляционные материалы.

Класс В – неорганические материалы: слюда, стекловолокно, асбест в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами (миканиты, стеклолакоткани, стеклотекстолиты и т.п.); политрифторхлорэтилен и др.

Класс F – материалы на основе слюды, стеклово-локна и асбеста с более нагревостойкими связующими и пропитывающими составами: эпоксидными, полиэфирными, кремнийорганическими.

67

Класс Н – неорганические материалы с использованием кремнийорганических связующих особо высокой нагревостойкости.

Класс С – неорганические материалы (слюда, электротехническая керамика, кварц) без связующих или с неорганическими связующими, а также некоторые органические материалы: политетрафторэтилен (тефлон), полиимиды.

Превышение предельной рабочей температуры изоляции в процессе эксплуатации приводит к интенсивному тепловому старению изоляции и снижению срока службы электрооборудования.

Связь между сроком службы изоляционного материала (τсл) и рабочей температурой (tр) выражается формулой:

сл	о е	b t р
		(39)

где τсл – срок службы изоляционного материала, определяющий срок службы электрооборудования, в котором он используется; τо

– срок службы изоляционного материала при 0оС; b – коэффициент, зависящий от свойств материала; е – основание натурального логарифма.

Срок службы уменьшается в два раза при повышении температуры на постоянное значение t=0,695/b (Δt= 7 – 10 оС).

Например, изоляция имеет t=8 оС и срок службы 10 лет при tр=105 оС. Если в процессе эксплуатации температура рабочая будет увеличена до 113 оС, то срок службы составит 5 лет; при 121 градусе – 2,5 года.

Холодостойкость – способность изоляции не снижать эксплуатационной надежности при низких температурах (минус 6070 оС) и более низких (криогенных температурах).

Особенно важна холодостойкость для изоляции электрооборудования открытых распределительных устройств (ОРУ) подстанций.

При низких температурах электрические свойства изоляции улучшаются, но материалы гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими, т.е. ухудшаются их механические свойства.

68

Теплопроводность – способность материалов переносить тепло от более нагретых частей к менее нагретым, что приводит к выравниваю температуры.

Тепловые потери в проводниках и магнитопроводах электрических машин и аппаратов, кабелях передаются в окружающую среду через изоляцию.

От теплопроводности электрической изоляции зависит нагрев электрооборудования, а, следовательно, его срок службы.

Характеристикой теплопроводности является коэффициент теплопроводности (γт), Вт/(мК).

Перенос тепла осуществляется свободными электронами, поэтому у металлов коэффициент теплопроводности значительно выше, чем у диэлектриков (табл. 5). Чем выше электропроводность металлов, тем лучше они проводят тепло.

Таблица 5

Значения коэффициента теплопроводности для некоторых материалов

Материал	γт, Вт/(мК)	Материал	γт, Вт/(мК)
Воздух	0,05	Вода	0,58
Бумага	0,10	Никель	65
Лакоткань	0,13	Железо	68
Гетинакс	0,35	Алюминий	226
Текстолит	0,25	Медь	390

Пористые материалы (например, бумага) имеют низкие коэффициенты теплопроводности, при пропитке их теплопроводность значительно увеличивается. Теплопроводность увеличивается при повышении давления газов.

Тепловое расширение – увеличение объема материала при нагреве.

Количественной оценкой данного свойства является температурный коэффициент линейного расширения (ТКl или αl), 1/К, определяемый по формуле:

ТКl l	1		dl	(40)
	l dT

69

Материалы, обладающие малыми значениями ТКl, имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость, и наоборот.

Значения коэффициента ТКl для некоторых диэлектриков приведены в табл. 6.

Таблица 6

Значения температурного коэффициента линейного расширения некоторых диэлектриков

Материал	ТКl, 1/К	Материал	ТКl, 1/К
Полиэтилен	145	Полистирол	68
Поливинилхлорид	160	Слюда	37
Политетрафторэтилен	100	Фарфор	3,5
(тефлон)
Полиметилметакрилат	70	Кварц	0,55
(оргстекло)

Как следует из таблицы, большей стабильностью размеров при нагреве обладают неорганические диэлектрики.

Вернуться к содержанию

2.8.2.Влажностные свойства диэлектриков

Квлажностным свойствам изоляции относятся: гигроскопичность, влагопроницаемость, тропикостойкость.

Гигроскопичность – способность изоляционных материалов впитывать влагу из окружающей среды.

Атмосферный воздух всегда содержит определенное количество водяных паров. Абсолютная влажность оценивается массой водяного пара (m), содержащегося в единице объема воздуха.

Каждой температуре соответствует определенная абсолют-

ная влажность при насыщении – mнас. Большего количества влаги воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растет и давление водяных паров.

Чаще пользуются понятием относительная влажность воздуха, которая определяется следующим отношением:

	m	100, %	(41)

mнас

70

При температуре 20 оС и нормальном атмосферном давлении 0,1 МПа значение mнас составляет 17,3 г/м3. За нормальную влажность воздуха принимают φ, равную 65%.

С увеличением температуры увеличивается mнас и уменьшается относительная влажность воздуха и наоборот. К особо сырым относятся помещения с φ = 100% (стены, потолок с конденсатом влаги).

При соприкосновении твердой изоляции с атмосферой, содержащей влагу, происходит два явления: адсорбция и абсорбция.

Адсорбция – это смачивание поверхности материала; абсорбция – это проникновение влаги внутрь материала по причине его пористой или неплотной структуры.

Причиной абсорбции являются силы, которые действуют между молекулами воды и частицами материала на его поверхности. Если эти силы притягивающие, то поверхности являются гидрофильными; если отталкивающие, то поверхности гидрофобные, т.е. не смачиваются водой.

Способность диэлектрика смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания (рис. 39).

а) б)

Рис. 39. Угол смачивания: а – для гидрофильных поверхностей ϴ<90o; б – для гидрофобных поверхностей ϴ>90o

Полярные диэлектрики имеют гидрофильные поверхности (притягивают воду). Гидрофильные поверхности можно превратить в гидрофобные, если покрыть их лаками. Адсорбированная влага уменьшает поверхностное сопротивление материала, т.е.