3.2. Диэлектрические материалы

Все диэлектрические материалы имеют молекулярное или ионное строение. Молекулы, в свою очередь, образованы из атомов, атомы и ионы – из электронов и положительно заряженных ядер. При этом суммарный заряд всех отрицательно и положительно заряженных частиц, образующих диэлектрик (Д) как молекулярного так и ионного строения, равен нулю.

Идеальный Д состоит только из связанных между собой заряженных частиц (свободных зарядов в нем нет). Поэтому электропроводность в идеальном Д отсутствует. Под действием приложенного электрического поля все связанные заряженные частицы Д упорядоченно смешаются из своих равновесных состояний только на ограниченные расстояния, а диполи ориентируются по полю; в результате Д поляризуется. Поляризация – такое явление, когда под воздействием внешнего электрического поля происходит ограниченное смещение связанных заряженных частиц и некоторое упорядочение в расположении дипольных молекул. В результате этого в Д образуется электрический дипольный момент. Упорядоченное смещение заряженных частиц и ориентация диполей, приводит к образованию в материале токов смещения.

В реальных диэлектриках в результате дефектов строения и присутствия ионной примеси, кроме связанных заряженных частиц, имеются еще и свободные заряженные частицы (свободные заряды), которые не связаны с определенными молекулами или атомами и поэтому не имеют постоянных равновесных положений. Под действием приложенного электрического поля они направленно перемещаются в диэлектрике на относительно большие расстояния. Подходя к электродам, свободные частицы разряжаются на них, образуя электрический ток. Поскольку количество этих зарядов в Д очень мало, их электропроводность очень низкая. Способность диэлектриков поляризоваться под действием приложенного электрического поля является их фундаментальным свойством.

В поляризованном диэлектрике связанные разноименно заряженные частицы после смещения остаются в поле взаимодействия друг с другом. Возникающие при этом заряды, это заряды самого диэлектрика, они его часть.

Часть энергии, приложенного электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике за единицу времени называют диэлектрическими потерями. Эта энергия переходит в тепло и Д нагревается. При недопустимо высоких диэлектрических потерях электроизоляционная конструкция может нагреться до температуры теплового разрушения, т. е. наступит электротепловой пробой.

Диэлектрики образуют самую многочисленную группу электротехнических материалов. Они могут быть газообразными, жидкими или твердыми, кристаллическими или аморфно-кристаллическими, органическими или неорганическими, пассивными или активными. Все они не пропускают электрический ток (имеют высокое сопротивление) и поляризуются в электрическом поле.

3.2.1. Жидкие диэлектрики

У жидких диэлектриков выше теплоемкость и электрическая прочность по сравнению с газообразными, значительно выше теплопроводность. Электрические свойства зависят от степени их очистки. Даже небольшое содержание примеси значительно снижает их электрические характеристики. Особенно существенно на электрическую прочность жидких диэлектриков влияет нерастворенная полярная примесь (вода).

Электрическая прочность диэлектрика Е_пр – минимальное значение напряженности приложенного электрического поля, при котором наступает пробой диэлектрика

E_пр = U_пр / h,

где U_пр – напряжение при котором наступает пробой диэлектрика,

h – толщина диэлектрика в месте пробоя.

В международной системе электрическая прочность диэлектрика E_пр имеет размерность В/м.

Электрическая прочность любого диэлектрика зависит от степени его однородности.

Основное назначение жидких Д заключается в повышении электрической прочности твердой пористой изоляции, отводе тепла от обмоток трансформаторов, гашения электрической дуги в масляных выключателях. В конденсаторах жидкие диэлектрики пропитывая твердую изоляцию повышают ее электрическую прочность, пробивное напряжение и емкость конденсатора.

Наиболее распространенными жидкими Д являются нефтяные масла: трансформаторное, конденсаторное, кабельное.

Нефтяные электроизоляционные масла. Их получают путем ступенчатой перегонки нефти с выделением и последующей обработкой первой масляной фракции – солярового масла. В ряде случаев электроизоляционные масла дополнительно обрабатывают адсорбентами, которые активно поглощают остатки воды.

Нефтяные масла это слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу они представляют смесь различных углеводородов с присадками, улучшающими их стойкость к термоокислительному старению, и температурно-вязкостные характеристики.

Нефтяные масла желтого цвета (от почти бесцветного до темного). Чем лучше очистка, тем светлее масло. С ростом содержания ароматических углеводородов и полярной примеси гигроскопичность масел увеличивается. Поэтому масла окисленные всегда более гигроскопичны и имеют пониженные электрические свойства. Химический состав и свойства масел зависят от месторождения нефти.

Нефтяное трансформаторное масло широко применяется в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных вводах и т. п. В трансформаторах оно выполняет две функции. Первая – заполняет поры волокнистой изоляции и промежутки между проводами обмоток. Зазор в токопроводящих частях с баком трансформатора – значительно повышает электрическую прочность изоляции. Вторая – улучшает отвод тепла, выделяющегося за счет потерь мощности в обмотках и в сердечнике трансформатора. В масляных выключателях масло способствует быстрому гашению электрической дуги.

Масло подразделяется на:

свежее – поступившее от завода-изготовителя. Оно может иметь отклонения по влаго- и газосодержанию;

чистое, сухое – это масло «свежее», дополнительно прошедшее обработку (осушение). Оно готово к заливке в электрооборудование;

регенерированное – отработанное, прошедшее очистку различными методами до требований нормативно-технической документации и пригодное для дальнейшего применения;

эксплуатационное – залитое в оборудование и по показателям соответствующее нормам на эксплуатацию;

отработанное – слитое из оборудования по истечении срока службы, или утратившее в эксплуатации качества, установленные нормативно-технической документацией.

Физико-химические свойства нефтяного трансформаторного масла в значительной мере определяются химическим составом и строением образующих его углеводов.

Плотность изменяется в пределах от 850 до 900 кг/м³. Чем больше в масле ароматических углеводородов, тем выше его плотность.

Удельная теплоемкость и удельная теплопроводность существенно влияют на процесс отвода тепла, выделяющегося вследствии потерь в обмотках и сердечнике трансформатора, они зависят от температуры и с ее ростом увеличиваются.

Вязкость масла. Под вязкостью понимают внутреннее трение, проявляющееся при относительном движении соседних слоёв жидкости друг относительно друга и зависящее от молекулярных сил сцепления. С повышением температуры вязкость масла уменьшается, а при низких температурах сильно возрастает.

Содержание воды (влаги) в трансформаторном масле ухудшает его эксплуатационные свойства. При увеличении содержания воды она осаждается на дно сосуда. При содержании 0,05 % нерастворенной воды электрическая прочность масла снижается более чем на 20 %.

Масло может увлажняться как при транспортировке и хранении, так и в процессе эксплуатации. Контакт с воздухом, всегда содержащим влагу, и процессы старения масла – причины попадания в масло влаги. Опасны и последствия при электролизе воды, находящейся в масле. Ионизация образующихся при электролизе воды пузырьков водорода и кислорода служит причиной пробоя масла.

Нефтяные масла – горючая жидкость. Степень огнеопасности зависит от содержания в масле легко испаряющихся горючих веществ и оценивается температурой вспышки. У трансформаторного масла эта температура должна быть в пределах 135 – 150С, не ниже 135С.

Температура застывания масла – очень важная характеристика для масел, используемых в масляных выключателях и контактных устройствах. Эти устройства используются для регулирования напряжения под нагрузкой, эксплуатируемых на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. С понижением температуры вязкость масла возрастает, а следовательно надежность работы электроаппарата резко снижается. В соответствии с требованиями отечественные трансформаторные масла имеют температуру застывания не выше – 45С.

При эксплуатации маслоналивного электрооборудования, под воздействием кислорода воздуха, в масле протекают необратимые химические процессы, приводящие к ухудшению всего комплекса его эксплуатационно-технических характеристик. Происходит старение масла.

Происходящие процессы существенно ускоряются под действием теплового и электрического полей. Они вызывают ионную проводимость масла, образование коллоидных частиц и более высокомолекулярных продуктов – шлама. Эти частицы увеличивают проводимость и диэлектрические потери.

Окислительные процессы старения существенно возрастают с повышением температуры. Увеличение температуры на каждые 10С ускоряет процессы старения, в среднем в 2 – 4,5 раза. При этом снижается и пожаробезопасность. Поэтому наивысшую рабочую температуру масла считают равной 95С.

Старение ухудшает рабочие параметры масла. Поэтому при получении масла, его хранении и перед заливкой в электрооборудование, а так же в процессе эксплуатации следует проводить систематический контроль в соответствии с требованиями технической документации.

Нефтяное конденсаторное маслополучают из трансформаторного путем более глубокой очистки адсорбентами и обезгаживания (удаления газов) в вакууме. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного. Температура его застывания ниже – 45С.

Конденсаторное масло используют для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых. В результате заполнения пор бумаги маслом пропитка увеличивает диэлектрическую проницаемость и электрическую прочность бумаги. При этом возрастает емкость и его рабочее напряжение, или же при тех же параметрах емкости и рабочего напряжения снижаются габариты, масса и стоимость конденсатора.

Для пропитки бумажных конденсаторов используют также вазелиновое масло. Оно по электрическим свойствам близко к нефтяному конденсаторному маслу, но имеет более низкую температуру застывания (около – 50С).

Нефтяное кабельное маслоприменяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей для напряжения до 110 кВ и выше.

Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа) на напряжение от 110 до 500 кВ используют особо очищенное нефтяное масло, температура вспышки которого не ниже (200С), а температура застывания должна быть не выше (– 30С).