билеты

1.Жидкие и твердые диэлектрики молекулярного строения неполярные.

Нефтяные электроизоляционные масла, парафин и подобные им по химическому составу и строению диэлектрики обладают в основном только электронной поляризацией. Поэтому они имеют невысокое значение диэлектрической проницаемости (ɛ = 2,0 - 2,5), которая больше, чем 8 газов, так как больше величина n.

Значения n и от частоты напряжения не зависят, поэтому и диэлектрическая проницаемость е неполярных диэлектриков не зависит от частоты во всем диапазоне, включая оптические частоты. При нагревании е монотонно снижается (рис. 2.12), так как уменьшается концентрация п поляризуемых молекул в результате теплового расширения диэлектрика. В области температуры плавления Тпл. (у парафина Тпл. ≈ 50 °С) ɛ скачкообразно снижается.

Величина, характеризующая относительное изменение е при нагревании диэлектрика на один кельвин, называется температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКɛ и измеряется в .

2.Виды воскообразных диэлектриков.

Воскообразные диэлектрики представляют смесь предельных алифатических углеводородов, молекулы которых состоят из нескольких десятков углеродных атомов. Они имеют отчетливо выраженное кристаллическое строение, малую гигроскопичность, низкие температуру плавления и механическую прочность и большую усадку(до 15—20 %) при застывании. Последнее ограничивает их применение для пропитки конденсаторной бумаги, так как после пропитки значительная часть объема пропитываемого изделия оказывается заполненной воздухом, что приводит к снижению напряжения ионизации Uн и пробивного напряжения Uпp. Поэтому воскообразные материалы используют только при изготовлении конденсаторов на постоянное напряжение до 1000 В и переменное — до 300 В. Используют их также в кабельном производстве. Получают воскообразные диэлектрики путем переработки нефти или ее продуктов (озокерита).

Парафин – неполярный диэлектрик (ɛ = 2,1—2,2; р = — Ом*м; tgδ = (3—7); Епр = 20—30 кВ/мм). По химическому строению и электрическим свойствам он подобен нефтяным электроизоляционным маслам и полиэтиленам.

Его молекулы по длине больше, чем молекулы нефтяного масла, но во много раз меньше молекул полиэтилена. Температура плавления 50—62 °С. На воздухе при температуре выше 130 °С легко окисляется, при этом резко (в 100 раз и более) снижается р и повышается к.ч.

Парафин растворяется в бензоле, бензине, нефтяных маслах, сероуглероде, при нагревании — в растительных маслах. В спирте и воде не растворяется; гигроскопичность ничтожно мала.

Церезин получают из озокерита (горный воск), представляющего собой продукт естественного перерождения нефти в условиях доступа воздуха. Молекулы церезина имеют сильно разветвленную цепь углеродных атомов и более мелкокристаллическую структуру, чем парафин. Характерной его особенностью является образование тонких, эластичных, нерастрескивающихся пленок, малая гигроскопичность и малая проницаемость для жидкостей и газов. В сравнении с парафином при застывании дает меньшую усадку, р у него выше, а tgδ ниже; Tпл = 65—80 °С. Несмотря на то что стоимость церезина выше стоимости парафина, его в производстве конденсаторов используют предпочтительнее.

Синтетический парафин и синтетический церезин. Необходимость повышения рабочих температур бумажных конденсаторов привела к разработке пропиточных воскообразных материалов с температурой плавления 100—130°С. Они представляют собой высокомолекулярные углеводороды, получаемые в качестве побочных продуктов при изготовлении синтетического бензина и масел. Электроизоляционные свойства этих материалов близки к свойствам натурального парафина и натурального церезина.

Вазелин — это смесь твердых и жидких предельных углеводородов, которые получают из нефти. При комнатной температуре он имеет мазеобразное состояние. Как по химическому строению, так и по электрическим свойствам вазелин подобен парафину.

3.Электропроводность жидких неполярных диэлектриков

Электропроводность этих диэлектриков (например, нефтяных электроизоляционных масел) определяется в основном только природой и концентрацией ионогенной примеси. Поэтому удельное сопротивление технически чистых жидких неполярных диэлектриков относительно велико (р = — Ом*м). Молекулы ионогенной примеси диссоциируют на ионы и тем сильнее, чем больше их полярность (больше е) и выше температура; удельное сопротивление диэлектрика при этом снижается. Молекулы неполярной примеси диссоциировать не могут, поэтому их присутствие не влияет на удельное сопротивление жидких неполярных диэлектриков.

4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ЖИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКАХ.

В жидких неполярных диэлектриках (например, в нефтяных электроизоляционных маслах) диэлектрические потери обусловлены только удельной электропроводностью и имеют небольшие значения (tgδ ~ 10-4), которые мало зависят от частоты напряжения и температуры, но существенно зависят от природы и концентрации примеси (рис. 4.7). Наличие ионогенной примеси (например, влаги, свободных органических кислот и т. п.) приводит к существенному увеличению удельной электропроводности и, следовательно, диэлектрических потерь.

Из рис. 4.7, б видно, что с увеличением температуры tgδ нефтяного трансформаторного масла чистого, сухого возрастает незначительно; tg5 возрастает, так как увеличивается удельная электропроводность. У масла эксплуатационного с предельно допустимым значением кислотного числа (к.ч. = 0,25 мг КОН/1г; см. гл. 7.1.1) очень высокое содержание ионогенной примеси — органических кислот и воды. С повышением температуры степень диссоциации молекул кислот, воды и другой ионогенной примеси возрастает, следовательно, возрастает ионная проводимость в трансформаторном масле и, как следствие, увеличиваются диэлектрические потери.

Рис. 4.8. Общий вид (а) зависимости tgδ жидких полярных диэлектриков от температуры Т. Образующие tgδ, обусловленные удельной электропроводностью (1) идипольно-релаксационной поляризацией (2). Зависимость tgδ полихлордифенила (б) от темпера-туры Т при частоте 50 Гц (1) и 1 кГц (2)

5.Понятие о восковых диэлектриках:

Воски в отличие от смол и битумов в большинстве случаев имеют отчетливо выраженное кристаллическое строение и обнаруживают при нагревании более резкий переход из твердого состояния в жидкое.

Воскообразные вещества применяются в электрической изоляции в качестве пропиточных и заливочных составов. Общим недостатком их является значительная усадка при застывании. Вследствие большой усадки воскообразных диэлектриков при пропитке ими волокнистых материалов значительная часть объема пропитываемого изделия оказывается заполненной воздухом, что приводит к снижению пробивного напряжения и напряжения ионизации пропитанных изделий. Поэтому воскообразные диэлектрики в производстве конденсаторов в настоящее время применяются только при изготовлении конденсаторов постоянного напряжения до 1000В и переменного напряжения до 300 В. Основное преимущество твердых пропиточных масс на основе воскообразных диэлектриков — упрощение конструкции конденсатора, если он не должен работать в условиях высокой влажности и не требует герметизации.

Ряд воскообразных диэлектриков (парафин, церезин, озокерит) находит применение в качестве пропиточных составов также п в кабельном производстве.

По степени полярности следует различать:

1.Неполярные воскообразные диэлектрики — парафин, церезин, синтетический церезин — представляют собой смеси твердых предельных углеводородов и отличаются низкой е и высоким р.

2.Слабополярные воскообразные диэлектрики — пчелиный воск, карнаубский воск и др.

3.Полярные воскообразные диэлектрики — галовакс и олеовакс — синтетические продукты с повышенными е и tgδ и пониженным р.

6.Виды воска.

6-1. ПЧЕЛИНЫЙ ВОСК

Пчелиный воск — твердое вещество светло-желтого цвета с зернистым изломом. Растворим в бензоле, хлороформе, четыреххлористом углероде, сероуглероде, бензине, скипидаре; нерастворим в воде и холодном спирте; частично растворим в горячем спирте; при сплавлении легко совмещается с маслами, жирными кислотами и другими восками.

По химическому составу пчелиный воск представляет собой смесь сложных эфиров предельных одноосновных кислот (пальмитиновая С16Н3902, церотиновая С26Н5202 и мелиссиловая С30Н80О9) и одноатомных спиртов (церпловый С28Н64О и мелиссиловый С30Н62О), тех же кислот и спиртов в свободном состоянии и предельных углеводородов. Он получается из вощины пчелиных

сотов путем вытапливания ее в воде. Дальнейшая очистка заключается в белении воска на солнечном свету или под действием окислителей.

Степень очитки обусловливает качество воска как диэлектрика.

Пчелиный воск применялся для пропитки оплеток п придания блеска оплетке и нитям, составляющим ее; в настоящее время его заменяют церезином и другими воскообразными составами.

Физико-химические и электрические свойства пчелиного воска приведены в табл. 6-1. Зависимость tgδ пчелиного воска от температуры показана на рис. 6-1.

от температуры при 1000Гц 1 — парафин, 2 -церезин, 3-галовакс, 4 — олеовакс, 5 — пчелиный воск.

6-2. КАРНАУБСКИЙ ВОСК

Карнаубский воск добывается в Бразилии из листьев воскоиосных пальм и очищается выплавлением в воде при кипячении. Цвет его от желтого (более чистый) Рис. 6-1. Зависимость tgδ до зеленовато-коричневого (с примесями)воскообразных диэлектриков. Очень тверд и хрупок; легко измельчается,в порошок. Карнаубский воск растворим в кипящем спирте, эфире, толуоле. Он обладает высокой твердостью; даже незначительная его некоторых воскообразных составов, например парафина; одновременно с повышением температуры плавления повышается вязкость парафина и задерживается его кристаллизация, что способствует понижению хрупкости. В электротехнике карнаубский воск применялся ранее как добавка' к воскообразным пропитывающим составам с целью повышения их температуры плавления.

Физико-химические и электрические свойства карнаубского воска приведены в табл. 6-1.

6-3. МОНТАН-ВОСК

Монтан-воск получается из бурых углей методом экстракции растворителями — бензином или бепзолом. Отдельные типы бурых углей содержат до 70% воска. Монтан-воск по составу представляет собой смесь сложных эфиров высокомолекулярных кислот, в основном монтановой (С28Н56О2), и высокомолекулярных спиртов, например церилового (С26Н54О).

Он растворим в бензоле, хлороформе, бензине, толуоле, скипидаре и др.

Сырой монтан-воск содержит около 35% смолистых и асфальтовых примесей и собственного воска 50—60%. От темно-коричневого до коричнево-черного цвета, тверд, хрупок, с матовым блеском. При перегонке сырого воска с перегретым до 230—250 °С водяным паром получается очищенный монтан-воск от светлого до темно-желтого цвета. Монтан-воск ранее применялся как составная часть компаундов для пропитки и заливки деталей радиоаппаратов. В кабельном производстве монтан-воск применялся в качестве составной части полиизобутиленового пластиката. Монтан-воск при 25 °С должен быть твердым и ломким, и поверхность его не должна быть липкой.

Физико-химические и электрические свойства монтан-воска приведены в табл. 6-1.

6-4. ПАРАФИН

Парафин представляет собой смесь предельных твердых углеводородов ряда Это бесцветный, без запаха, с ярко выраженной в изломе кристаллической структурой, слегка жирный на ощупь материал. Парафин растворим в бензоле, нефтяных маслах, бензине, сероуглероде, серном эфире,а при нагревании — в растительных маслах; в спирте и в воде нерастворим.

Гигроскопичность парафина ничтожно мала.

Парафин получается из дистиллятов парафиновых и высокопарафиновых нефтей. Тяжелые дистилляты, содержащие парафин, подвергаются очистке от воды, грязи, смол. Парафин из них выкристаллизовывается при охлаждении и очищается от ненасыщенных соединений обработкой серной кислотой; для устранения желтоватого цвета производят дополнительную очистку адсорбентом (глиной).

Выпускают несколько сортов парафина, различающихся по температуре плавления. Чем выше температура плавления парафина, тем более ценным он считается. Для электротехнических целей применяют высокоочищенный парафин с температурой плавления 50—58 °С. Парафин па воздухе при температуре выше 130 °С легко окисляется, снижая при этом р в 1 000 раз и более и резко повышая кислотность, как показано на рис. 6-2. Парафин имеет большую усадку при затвердевании (11—15%).

К недостаткам парафина следует отнести также сравнительно низкую температуру плавления и значительную хрупкость; хрупкость возрастает с течением времени за счет перекристаллизации (образования более крупных кристаллов).

Парафин применяется для пропитки конденсаторов типа телефонных, у которых максимальная рабочая температура не превышает 45 °С. В кабельном производстве парафин применяется в смеси с озокеритом для пропитки хлопчатобумажной оплетки проводов и кабелей с целью предохранения их от гниения. Парафин применяется также для пропитки монтажных проводов с резиновой изоляцией.

Пропитка изделий парафином производится под вакуумом или методом проварки. При вакуумной пропитке нагретый до 100—110 °С парафин засасывается в бак, где находятся подлежащие пропитке изделия, предварительно высушенные под вакуумом. При проварке изделия предварительно не сушат, а проваривают непосредственно в парафине, нагретом до 150—170 °С. Электрическая прочность изделий, пропитанных указанными двумя способами, имеет близкие значения, а сопротивление изоляции несколько выше у изделий, пропитанных под вакуумом.

На нефтяные парафины действует ГОСТ 16960-71. Нефтяные парафины в зависимости от показателей качества и области применения должны выпускаться следующих марок: высокоочищенные 20—52, 52—54, 54—56, 56—58, технический очищенный Т, неочищенный спичечный Нс, неочищенный высокоплавкие для различного применения Нв. Технические требования к парафинам этих марок сведены в табл. 6-2.

6-5. ВАЗЕЛИН

Вазелин — полужидкая масса, представляющая собой смесь жидких и твердых углеводородов, получаемая из нефти.

Вазелин применяется как пропиточная масса в производстве радио-конденсаторов. Основные физико-химические свойства так называемого конденсаторного вазелина, применяемого для пропитки и заливки конденсаторов, приведены в ГОСТ 5774-51.

6-6. ОЗОКЕРИТ

Озокерит — ископаемое вещество темной расцветки со специфическим нефтяным запахом. По химическому составу озокерит представляет собой смесь твердых предельных углеводородов парафинового ряда с некоторым содержанием смолистых веществ.

Все месторождения озокерита тесно связаны с нефтяными месторождениями. Озокерит образуется в районах, где нефтеносные слои выходят на поверхность земли; при этом нефть, подвергаясь сложным физико-химическим изменениям, переходит в озокерит. По добыче и запасам озокерита СССР занимает первое место в мире. Добыча озокерита-сырца из руды производится по способу выварки и способу экстракции. Способ выварки хотя и наиболее старый, но распространен и в настоящее время. По этому способу руда раздробляется и загружается в чугунные котлы с кипящей водой. Вытопка ведется последовательно в нескольких котлах. Из последнего котла озокерит выбирают черпаком и выливают в холодную воду, где он застывает в виде зернистой массы. Массу отжимают от воды и снова перетапливают. При выварке извлекается лишь 50% озокерита. Экстракция озокерита производится бензином или другими растворителями. Экстракции подвергается раздробленная руда в экстракционном аппарате.

Если оставить озокерит на воздухе, то со временем испаряются его летучие составные части и повышается температура плавления.

Цвет озокерита — от светло-зеленого до черного и зависит от содержания смол и асфальтенов. Озокерит с большим содержанием асфальтенов имеет черный цвет.

Озокерит растворим в бензине, толуоле, ксилоле, хлороформе, сероуглероде и легко совмещается с различными животными и растительными маслами, смолами, восками и парафином.

В кабельном производстве озокерит применяется в пропиточных составах СП-1 и СП-2 и в «озокеритовой композиции». На составы СП-1 и СП-2 действует ГОСТ 3546-60. Рецептура состава СП-1 (в масс. %): церезин высокоплавкий синтетический 5,5—7,0; битум нефтяной марки БН-П1 по ГОСТ 1544-52 47—56; парафин (всех марок, кроме спичечного) по ГОСТ 784-53, петролатум по ГОСТ 4096-62 5,5—7.

Состав СП-2 представляет собой озокерит без примесей.

Технические требования к этим составам:

Составы СП-1 и СП-2 применяются для пропитки хлопчатобумажной оплетки проводов и кабелей для предохранения их от гниения, для промазки многопроволочных жил, для герметизации при наложении резиновой изоляции.

Озокеритовая композиция (озокеритовый сплав) представляет собой сплав 45 ± 5 масс.% озокерита (или смеси озокерита с петролатумным церезином по ГОСТ 11054-67 с содержанием озокерита не менее 10 %) с 50 ± 5 масс.% парафина (марок ГД или спичечный по ГОСТ 784-53 или их смеси в любом соотношении).

На озокеритовую композицию действует ГОСТ 780-54 с изменением N° 1 (1965 г.). По температуре плавления различают две марки озокеритового сплава — 64 и 55:

6-7. ЦЕРЕЗИН

Церезин представляет собой смесь твердых алифатических углеводородов с эмпирической формулой от С39Н80 до С53Н108.

Церезин получается в результате переработки и очистки озокерита или парафиновой пробки. Применяются два основных метода получения церезина из озокерита: адсорбционный п сернокислотный. Адсорбционный метод заключается в растворении озокерита в бензине и фильтрации его через костяной уголь. Сернокислотный метод заключается в обработке озокерита крепкой серной кислотой при высокой температуре, дальнейшей очистке инфузорной землей п фильтрации через фильтр-пресс под избыточным давлением около 0,4 МПа. Если требуется очень светлый церезин, его подвергают вторичной фильтрации. Помимо озокерита в качестве сырья может быть применена так называемая парафиновая пробка — осадок из парафинпстой нефти на стенках буровых скважин или насосных трубопроводов и на дне резервуаров. В парафиновой пробке церезин смешан с парафином и маслом.

Церезин как диэлектрик имеет значительно более ценные свойства, чем парафин. Молекулы церезина имеют сильно разветвленную цепь углеродных атомов в отличие от линейных пли слабо разветвленных молекул парафина. Церезин благодаря своей мелкокристаллической структуре образует с маслами стойкие однородные смеси, в то время как парафин, имея крупнокристаллическую структуру, не дает с маслами стойких однородных смесей. Характерной особенностью церезина является также его способность образовывать тонкую пленку, обладающую некоторой эластичностью и не растрескивающуюся.

Церезин дает меньшую усадку при застывании, чем парафин. К преимуществам церезина относится и более высокая температура плавления и большая стойкость против окисления (рис. 6-2). Пленка церезина мало проницаема для жидкостей и газов и весьма мало гигроскопична.

Церезин применяется в кабельном производстве в качестве мягчителя в резиновых смесях. Церезин сообщает резине повышенную светостойкость. Церезин в композиции с брайтстоком, канифолью и полиизобутиленом применяется для пропитки волокнистой изоляции силовых кабелей.

Постаревший после ряда пропиток церезин можно очистить обработкой адсорбентами, например гумбрином, взятым в количестве 10—15% от массы церезина с последующей очисткой путем фильтрации.

Церезин применяется для пропитки негерметизированных радиоконденсаторов, ряда типов металлобумажных конденсаторов и также для пропитки катушек разных высокочастотных изделий.

На церезин действует ГОСТ 2488-73; церезин выпускается четырех марок, различающихся по температуре каплепадения.

Основные физико-химические свойства церезина:

Для разных марок церезина содержание механических примесей до 0,05%; зольность не более 0,02%; кислотное число не более 0,1 и 0,5 мг КОН на 1 г; водорастворимые кислоты и щелочи — отсутствие. Электрические свойства церезина:

Зависимость tgδ и е церезина от температуры приведена на рис. 6-3.

В последнее время находит применение синтетический церезин, представляющий собой воскообразный диэлектрик светло-желтого цвета, кристаллической структуры. Ото — высокоплавкая смесь твердых углеводородов преимущественно нормального строения, получаемых путем синтеза из окиси углерода и водорода.

В зависимости от температуры плавления и области применения имеются четыре марки синтетического церезина: конденсаторный, 100, 93 и 90.На синтетический церезин действует ГОСТ 7658-55.

Основные физико-химические свойства синтетического церезина:

6-8. ГАЛОВАКС

Галовакс представляет собой смесь три- и тетрахлорнафталинов. Это — воскообразное вещество от темко-серого до светло-зеленого цвета с мелко-кристаллической структурой в изломе. Низкоплавкий галовакс имеет пониженные электрические параметры и повышенную зависимость их от температуры.

Галовакс хорошо растворяется в ароматических углеводородах и в бензине; в воде и спирте нерастворим.

Технологический процесс получения галовакса состоит в хлорировании нафталина. Газообразный хлор пропускается через расплавленный нафталин в присутствии катализатора (FeCl3). По мере углубления хлорирования попытается температура плавления галовакса и его плотность. Получаемая черная масса нейтрализуется щелочью и разгоняется под вакуумом. Так как галовакс представляет смесь многочисленных изомеров, возможно получить большое разнообразие свойств, чем и объясняется различие данных о галоваксе, приводимых в литературе. На свойства галовакса в значительной степени влияет и степень очистки. Дополнительная очистка глиной кил улучшает электрические свойства галовакса.

Очистка производится введением глины небольшими порциями в расплавленный и нагретый до 160—170 °С галовакс в количестве 16% массы галовакса.

После введения всей глины смесь прогревают еще в течение 15 мин при непрерывном перемешивании, после чего галовакс фильтруют под вакуумом.

Зависимость tgδ и е галовакса разных степеней очистки от температуры показаны на рис. 6-4.

Основным преимуществом галовакса по сравнению с парафином п церезином являются его высокая температура плавления, повышенная диэлектрическая проницаемость и негорючесть.

Электрическая прочность галовакса невелика. По предложению М. М. Михайлова и В. Т. Ренне для повышения электрической прочности галовакса в него рекомендуется вводить до 5% бензилцеллюлозы.

Недостатком галовакса является его токсичность — пары его действуют раздражающе на слизистые оболочки, а также приводят к кожным заболеваниям. В связи с этим галовакс в последнее время как диэлектрик не применяется.

Физико-химические свойства галовакса:

6-9. ОЛЕОВАКС

Олеовакс (в США — опалвакс) — воскообразный диэлектрик с высокой диэлектрической проницаемостью. Олеовакс представляет собой продукт гидрогенизации касторового масла. Гидрогенизацию производят при повышенной температуре и давлении до 4 МПа в присутствии катализатора (Ni или Со); готовый продукт фильтруют.

Олеовакс нерастворим в обычных органических растворителях; он лишь слабо совмещается с парафином, лучше с церезином, озокеритом, монтан-воском, карнаубским воском и многими натуральными п синтетическими смолами.

Расплавленный олеовакс, смешанный при 85 °С с 2,5-кратным объемом воды, в которую введен соответствующий эмульгатор, после высыхания дает твердую, матовую перламутрового цвета пленку.

Зависимости tgδ и е галовакса и олеовакса от температуры показаны на рис. 6-5 и 6-6.

Благодаря высокой диэлектрической проницаемости олеовакса замена им парафина, применявшегося ранее для пропитки конденсаторов, может дать большое увеличение емкости; однако конденсаторы, пропитанные олеоваксом, имеют резкую зависимость емкости от температуры и частоты. Кроме того, олеовакс имеет большой tgδ.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Омский государственный технический университет

Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»

Реферат