Всё для материаловедения / серебряков 2009

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

А.С. СЕРЕБРЯКОВ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

2-е издание, переработанное и дополненное

Утверждено редакционно-издательским советом РОAТ

в качестве учебного пособия

Р О А Т

М о с к в а – 2 0 0 9

УДК 620.2:621.3(075) ББК 31.24

С325

Серебряков А.С. Материаловедение. Электроизоляционные материалы: 2-е изд., перераб. и доп. Уч. пос. — М.: МИИТ,2009. — 159 с.

В учебном пособии рассмотрены основные физические явления, происходящие в диэлектриках при воздействии на них электрического поля, а также важнейшие физические свойства электроизоляционных материалов.

1-е издание вышло в 2003 г.

Предназначено для студентов электротехнических специальностей.

Р е ц е н з е н т ы : д-р техн. наук, академик МТА В.И. Пантелеев (Вятский государственный университет); д-р техн. наук, проф. И.М. Туманов

(Нижегородский государственный технический университет)

© Московский государственный университет путей сообщения, 2009

	ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение .............................................................................		5
1. Общие сведения о строении вещества ........................		7
	1.1. Строение атомов и молекул.................................	7
	1.2. Зонная теория твердых тел. Классификация
	веществ по электрическим свойствам.................	9
2.	Поляризация диэлектриков ........................................	11
	2.1. Диэлектрики в электрическом поле....................	11
	2.2. Поляризация диэлектрика и относительная
	диэлектрическая проницаемость ........................	12
	2.3. Основные виды поляризации диэлектриков ......	19
	2.4. Диэлектрическая проницаемость газообраз-
	ных, жидких и твердых диэлектриков.................	25
3.	Электропроводность диэлектриков ............................	29
	3.1. Основные понятия...............................................	29
	3.2. Электропроводность газов...................................	35
	3.3. Электропроводность жидкостей .........................	37
	3.4. Электропроводность твердых тел........................	39
	3.5. Процесс саморазряда изоляции ..........................	42
	3.6. Нормы изоляции..................................................	44
	3.7. Методы измерения сопротивления изоляции ....	46
	3.8. Сушка изоляции ..................................................	47
4.	Диэлектрические потери .............................................	48
	4.1. Основные понятия...............................................	48
	4.2. Виды диэлектрических потерь в электроизо-
	ляционных материалах ........................................	55
	4.3. Диэлектрические потери в газообразных, жид-
	ких и твердых диэлектриках ................................	60
5.	Пробой диэлектриков..................................................	65
	5.1. Общая характеристика явления пробоя..............	65
	5.2. Пробой газов ........................................................	67
	5.3. Пробой газов в неоднородном поле ....................	74
	5.4. Пробой жидких и твердых диэлектриков ...........	77

3

6.	Двухслойная изоляция.................................................	83
	6.1. Общие замечания.................................................	83
	6.2. Заряд двухслойной изоляции ..............................	84
	6.3. Схема замещения с параллельными ветвями .....	93
	6.4. Контроль изоляции по возвратному напряжению	100
	6.5. Контроль изоляции по кривой напряжения
	саморазряда ..........................................................	103
7.	Старение изоляции ......................................................	106
	7.1. Основные понятия о старении изоляции ...........	106
	7.2. Электрическое старение изоляции .....................	114
	7.3. Тепловое старение изоляции ...............................	108
	7.4. Механическое старение изоляции ......................	111
8.	Изоляция электротехнических установок ..................	114
	8.1. Общие сведения ...................................................	114
	8.2. Материалы для изоляторов..................................	116
	8.3. Линейные изоляторы...........................................	119
	8.4. Аппаратные изоляторы........................................	122
	8.5. Изоляция конденсаторов.....................................	125
	8.6. Изоляция силовых кабелей .................................	129
	8.7. Изоляция силовых трансформаторов .................	136
	8.8. Изоляция масляных, вакуумных и воздушных
	выключателей.......................................................	139
	8.9. Изоляция вращающихся электрических машин	140
	8.10. Оксидная изоляция..............................................	147
	8.11. Расчет электроизоляционных конструкций
	из минимума среднегодовых расчетных затрат.
	Координация изоляции .......................................	148
Заключение .........................................................................		152
Литература..........................................................................		153
Словарь иностранных слов, встречающихся в пособии...		156

4

ВВЕДЕНИЕ

Повышение уровня жизни людей связано с их технической вооруженностью и в первую очередь с энерговооруженностью. В технически развитых странах каждый человек становится сильнее самого себя в десятки раз за счет использования различных видов энергии. Сред-

ние энергозатраты на каждого жителя Земли в год составляют свыше 10 тыс. кВт·ч или свыше 30 кВт·ч в сутки. Отсюда становится понятным, почему в развитых странах важнейшей базовой отраслью промышленности является производство энергии.

В настоящее время примерно одна десятая часть добытой энергии используется в виде электроэнергии, которая имеет ряд важных преимуществ перед механической, тепловой и другими видами энергии. Эти преимущества следующие. Электроэнергия сравнительно просто преобразуется в другие виды энергии, она может со скоростью света передаваться на большие расстояния, ее производство, передача, распределение и преобразование основано на мощной научно-технической базе. Как показывают прогнозы, в перспективе на десятки лет вперед доля электроэнергии в структуре всей энергетики будет повышаться.

Сейчас наша страна производит одну шестую мировой электроэнергии при численности населения около одной двадцатой от населения земли. При таких масштабах производства электроэнергии очень важной становится проблема энергосбережения. Действительно, гигантский объем электроэнергии, выработанный на электростанциях, необходимо уберечь от потерь при транспортировке и преобразовании в другие виды энергии. Решить эту проблему помогают системы электрической изоляции, которые обеспечивают нормальную работу электроустановок, безопасность людей, а также предотвращают утечки и потери электроэнергии.

В масштабах всей страны потери составляют 130 млрд кВт·ч или около 8–9% общей выработки электро-

5

энергии. Только для покрытия этих потерь потребовалась бы работа всех электростанций Белоруссии, Казахстана и Азербайджана вместе взятых. Отсюда и важная роль изоляционных материалов, Уменьшение потерь электроэнергии, повышение надежности электрооборудования и сетей электроснабжения существенно зависят от качества и надежности систем электрической изоляции в машинах и устройствах для производства, распределения и преобразования электрической энергии.

В нашей стране ежегодно производится сложное электрооборудование на десятки миллиардов рублей. Например, современный электровоз включает в себя более 250 тыс. электротехнических изделий и компонентов, в том числе более 130 км проводов и кабелей. Стоимость этих электротехнических изделий составляет 60% стоимости электровоза.

При работе электрооборудования на его изоляцию воздействуют самые разнообразные факторы: высокая или низкая температура, высокое напряжение, вибрация, радиация, воздействие химических веществ и т. д. Воздействие всех этих факторов не должно приводить к преждевременному выходу изоляции из строя, так как это может привести к крупным авариям. Таким образом, надежность, эффективность и экономичность работы электрооборудования во многом зависят от качества его изоляции.

Кроме электроэнергетики электрическая изоляция широко используется в разнообразных устройствах радиотехники, микроэлектроники и ЭВМ. В интегральных микросхемах широко используются слоистые структуры металл- диэлектрик-полупроводник. Индустрия современной информатики также является большим потребителем электроизоляционных материалов. Технические требования к этим материалам в электронной технике совершенно другие, чем в электроэнергетике.

Чтобы успешно проектировать и эксплуатировать электротехнические установки, грамотно анализировать причины повреждений изоляции, нужно хорошо знать процессы, происходящие в изоляции и методы измерения ее основных параметров.

6

Нужно знать причины возникновения дефектов в изоляции и механизмы ее старения. Это необходимо для объективного контроля состояния изоляции, оценки степени ее старения и прогнозирования оставшегося ресурса ее работы. Такая проблема становится особенно актуальной для оборудования, выработавшего свой срок или срок службы которого приближается к расчетному.

Рассмотрению этих вопросов и посвящено настоящее пособие.

1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ОСТРОЕНИИ ВЕЩЕСТВА

1.1. СТРОЕНИЕ АТОМОВ И МОЛЕКУЛ

Мельчайшей частицей любого вещества является молекула, которая в свою очередь состоит из атомов. Основными элементарными частицами, из которых стро-

ятся все известные нам атомы, являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны имеют положительный заряд, электроны — отрицательный. Заряды протона и электрона равны по величине и составляют 16·10–20 К. Это элементарный, т.е. наименьший электрический заряд. Нейтроны, как говорит само название, являются нейтральными частицами, не имеющими заряда.

Согласно упрощенной модели Нильса Бора атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны, компенсируя положительный заряд ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Электроны располагаются вокруг ядра несколькими слоями – оболочками на очень большом по сравнению со своими размерами расстоянии. Строение ядер атомов и периодичность заполнения оболочек электронами можно находить с помощью таблицы Д.И. Менделеева.

7

Атом имеет размеры порядка ангстрема (один ангстрем равен 10-10м). Молекулы различных веществ содержат различное число атомов. Например, гелий и аргон — одноатомные газы, водород и кислород – двухатомные, озон – трехатомный. В зависимости от строения внешних электронных оболочек атомов в молекулах могут образовываться различные виды связей.

Молекулы, в которых центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, являются нейтральными. Если же в отдельных молекулах (рис. 1.1) центры противоположных по знаку зарядов и не совпадают и находятся на некотором рас-

Рис. 1.1. Схема строения полярной молекулы

стоянии l друг от друга, то такие молекулы называются полярными или дипольными. Полярная молекула характеризуется величиной дипольного момента , который определяется произведением заряда q и расстояния l между центрами положительного и отрицательного зарядов: = q·l. Электрический момент полярной молекулы является векторной величиной. За направление вектора принимают направление от отрицательного заряда к положительному. При отсутствии внешнего электрического поля суммарный дипольный момент равен нулю, так как диполи расположены хаотично. При приложении внешнего электрического поля диполи и из электрические моменты ориентируются по направлению поля.

Нейтральный атом, получив некоторое количество энергии из вне может лишиться части электронов, и превратиться в положительный ион и свободные электроны. Такой процесс носит название ионизации. Атом может и присоединять дополнительные электроны, превращаясь в отрицательный ион. Ионами могут быть и группы атомов, потерявших или присоединивших электроны.

8

1.2. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ. КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СВОЙСТВАМ

Все вещества в зависимости от их электрических свойств делятся на диэлектрики, проводники или полупроводники. Различие между ними наиболее наглядно

можно показать с помощью энергетических диаграмм зонной теории твердых тел.

Спектральный анализ отдельных атомов показывает, что для атома каждого вещества характерны вполне определенные спектральные линии Это говорит о наличии определенных

энергетических состояний (уровней) для разных атомов.

Часть этих уровней заполнена электронами в нормальном, невозбужденном состоянии атома. На других уровнях электроны могут находиться только после того, как атом подвергается внешнему энергетическому воздействию и становится возбужденным. Стремясь снова вернуться к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии и электроны возвращаются на свои прежние уровни, при которых энергия атома минимальна. Сказанное иллюстрируется энергетической диаграммой атома, показанной на рис. 1.2.

Когда из отдельных атомов образуются молекулы, а из молекул образуется вещество, все имеющиеся у данного типа атома электронные уровни (как заполненные электронами, так и незаполненные) несколько смещаются вследствие действия соседних атомов друг на друга. Таким образом, из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуются целые полосы – зоны энергетических уровней (рис. 1.2). Нормальные энергетические уровни 1 образуют заполненную электронами зону 2. Уровни возбужденного состояния атома 3 образуют свободную зону 4. Между заполненной зоной и свободной зоной располагается запрещенная зона 5.

На рис. 1.3 показаны энергетические диаграммы диэлектрика (а), полупроводника (б) и проводника (в). Обозначения те же, что и на рис. 1.2.

Диэлектриками являются такие материалы, у которых запрещенная зона (а следовательно и необходимая для ее пре-

9

Рис. 1.2. Схема расположения энергетических уровней уединенного атома (слева) и твердого кристаллического тела — диэлектрика (справа)

Рис. 1.3. Энергетические диаграммы твердых тел:

а — диэлектрика; б — полупроводника и проводника (в) с точки зрения зонной теории твердого тела

одоления энергия) настолько велика, что в обычных условиях электроны не могут переходить в свободную зону и электронной электропроводности не наблюдается. Таким образом, диэлектрики не проводят электрический ток, они являются изоляторами. Однако такими свойствами диэлектрик обладает до определенного предела. При воздействии очень высоких температур или сильных электрических полей связанные электроны могут переходить в свободную зону. В этом случае диэлектрик теряет свои изоляционные свойства, он перестает быть изолятором и становится проводником.

10