1.8. Теплові властивості ізоляційних матеріалів

Дуже важлива властивість електричної ізоляції витримував-ти підвищену температуру без суттєвого погіршення її електро-фізичних властивостей.

Температура – це поняття, введене для характеристики енергії, якою володіють молекули речовини. З іншого боку, це фізи-чна характеристика, що відповідає рівновазі при приведенні двох тіл у контакт. Як і будь-яка фізична характеристика, вона піддається виміру. Загальноприйнятими, у даний час, є дві температурні шкали – Цельсія і Кельвіна. У Цельсія, нуль відповідає точці плавлення, а 100 ⁰С – точці кипіння води. За шкалою Кельвіна, чи абсолютною шкалою температур, нуль відповідає абсолютному нулю, а нульова температура за шкалою Цельсія відповідає 273 К. Нижче нуля Кельвіна температури в принципі не може бути. Вона відповідає абсолютному спокою. При цій температурі, відповідно до класичної механіки, молекули й атоми абсолютно нерухомі. В наш час науковці намагаються досягти мінімуму температури в надії прояву нових властивостей матерії.

Для матеріалів вводять кілька характерних температурних точок, що вказують на працездатність і поведінку матеріалів при зміні температури.

Теплостійкість – температура, при якій відбувається погір-шення характеристик при короткочасному її досягненні.

Термостійкість – температура, при якій відбуваються хімічні зміни матеріалу.

Морозостійкість – здатність матеріалів працювати при понижених температурах.

Точка плавлення – температура, при якій відбувається перехід із твердого стану в рідкий. Є матеріали, в основному це термопластичні полімери, що мають точку розм’якшення, але до плавлення справа не доходить, тому що починається руйнування полімерних молекул при підвищених температурах. У термореак-тивних полімерів навіть до розм’якшення справа не доходить, матеріал раніш починає розкладатися. У будь-яких процесах плав-лення, досягнення визначеної точки є необхідною, але недостат-ньою умовою плавлення. Для того, щоб розплавити речовину потрібно надати їй енергію, що називається теплотою плавлення. Вона розраховується на один грам (чи на одну молекулу).

Точка кипіння– температура, при якій відбувається перехід з рідкого стану в пароподібний. Киплять практично всі прості речовини. Не киплять складні органічні сполуки. Вони розклада-ються при більш низьких температурах, не доходячи до кипіння. На точку кипіння значно впливає тиск. Так, наприклад, для води можна зрушити точку кипіння від 100⁰С до 373⁰С додатком тиску в 225 атм. Є температури специфічні для електротехнічних мате-ріалів. Наприклад, для сегнетоелектриків вводять точку Кюрі. Виявляється, що сегнетоелектричний стан речовини виникає тільки при знижених температурах. Діелектрична проникність нижче точки Кюрі велика, вона слабко наростає в міру підходу до точки Кюрі. Після досягнення цієї точки діелектрична проникність різко падає. Наприклад, для найбільш розповсюдженого сегнетоелектрика: титанату барію, точка Кюрі  120⁰С, для цирконат-титанату свинцю  270⁰С, для деяких органічних сегнетоелектриків температура Кюрі негативна. Аналогічна температура (теж точка Кюрі) є й у феромагнетиків. Поведінка магнітної проникності подібна поводженню діелектричної проникності в міру підвищення температури і підходу до точки Кюрі. Єдина відмінність – спад магнітної проникності з ростом температури відбувається більш різко після досягнення точки Кюрі. Значення точки Кюрі для деяких матеріалів: залізо – 770⁰С, кобальт – 1330⁰С, кераміка – у широкому діапазоні температур.

Електроізоляційні матеріали поділяють на сім класів ізоля-ції, що наведені в табл.1.1.

Табл.1.1.

Клас нагрівостійкості	Y	A	E	B	F	H	C
Робоча температура, ^0С	90	105	120	130	155	180	180

„Y” – волокнисті матеріали із целюлози бавовни, натура-льного шовку, непросочених і незанурених в рідкий ізоляційний матеріал.

„А” – ізоляція емальпроводів на масляносмоляних лаках, гетинакси, текстоліти, пластмаси з органічним наповнювачем; поліамідні плівки, поліамідні ливарні смоли (у виробах), термореак-ивні компаунди на основі акрилових і метакрилових ефірів (без наповнювачів, у виробах) і бутадієнові каучуки.

„Е” – плівки і волокна із поліетилену, лакотканини із волокон на алкідних смолах, модифікованих оливою; матеріали на основі електрокартону, термореактивні компаунди на основі акрилових і метакрилових ефірів з неорганічними наповнювачами; термореактивні синтетичні смоли і компаунди (епоксидні, поліефірні, поліуретанові з відповідними затверджувачами), полікарбонатні плівки.

„В” – матеріали на основі щипаної слюди, слюдинітів і слюдопластів, в т.ч. з паперовою і тканинною органічною підлож-кою, з в’яжучими натуральними і синтетичними смолами, модифі-кованими рослинними оливами, ізоляція емалевих проводів на лаках, пластмаси з неорганічним наповнювачем і шарові пластики на основі скло волокнистих і азбестових матеріалів і з в’яжучими термореактивними смолами, фенольноформальдегідними, епосид-ними і поліефірними; термореактивні синтетичні компаунди (епок-сидні і поліефірні) з мінеральними наповнювачами і затверджува-чами.

„F” – неорганічні матеріали (слюда, скловолокно, азбест в поєднанні з органічними лаками і рідинами).

„Н”, „С” – неорганічні матеріали (слюда, електрокераміка, без лужне скло, кварц), що застосовуються без в’яжучих мате-ріалів, або в поєднанні із матеріалами високої нагрівостійкості – неорганічними або елементоорганічними.

Теплоємність– це здатність матеріалу накопичувати теплову енергію при його нагріванні. Чисельно питома теплоємність дорівнює енергії, яку потрібно ввести в одиницю маси матеріалу, щоб нагріти його на один градус. Розмірність теплоємності [Дж/(кг·К)]. Ця величина екстенсивна, тобто можна говорити про теплоємність окремої молекули чи атома, потім просумувати кіль-кість молекул до одного граму чи до одного моля й одержати теплоємність одного граму чи одного моля речовини. Значення теплоємності залежить від природи матеріалу.

Значення теплоємності деяких матеріалів подано в табл.1.2.

Табл.1.2.

Матеріал	Вода	Олива	Полімери	Алюміній	Фарфор	Кремній	Германій
Тепло-мність, с	4200	2000	1200-2200	950	900	700	350

Будь-які стрибки тепломності пов'язані зі структурною перебудовою тіл, наприклад з розтягнутим плавленням таких речовин, як парафін.

Вираз для теплової енергії матеріалу:

(1.65)

де с, m– питома теплоємність та маса матеріалу відповідно,Т₁, Т₂– кінцева і початкова температури, К.

Цей вираз можна записати для питомих параметрів:

(1.66)

де Q / V – питома енергія (в одиниці об’єму), D – густина матеріалу.

Практичне значення теплопровідності пояснюється тим, що тепло втрат в електричних машинах, кабеляхі т.д. повинно переходити в навколишнє середовище через шар ізоляції. Тепловий опір електричної ізоляції впливає на нагрів провідників і магнітопроводів. Особливо велике значення має теплопровідність порівняно товстої ізоляції в пристроях високої напруги.

Формальне визначення повної і питомої теплопровідності, повного та питомого теплового опору аналогічно до визначення повної і питомої електропровідності, повного та питомого об’єм-ного електричного опору. Рівняння усталеного процесу передачі тепла через тіло з повним тепловим опором R_Tпри різниці темпе-ратур ΔТмає вигляд:

(1.67)

Тут Р– потужність теплового потоку, тобто кількість тепла, що проходить через матеріал за одиницю часу. Формула (1.67) аналогічна закону Ома для електричного кола, причомуРграє роль струму, а ΔТ– різниці потенціалів.

Розрахунок величини теплового опору матеріалів проводи-ться за формулами, що аналогічні формулам для розрахунку електричного опору: наприклад, для руху тепла через ділянку матеріалу між двома паралельними одна до одної площинами – гарячої і холодної, які в свою чергу перпендикулярні до теплового потоку.

Для плоского шару:

(1.68)

Для циліндричного шару:

(1.69)

Тут ρ_Т– питомий тепловий опір матеріалу (м·К/Вт). Величина, обернена до питомого теплового опору, називається теплопровідністю матеріалу або коефіцієнтом теплопровідності γ_Т.

Величина

(Вт·м²/Дж) (1.70)

називається температуропровідністюі виражається у відповід-них похідних одиницях.

Тут с, D – питома теплоємністьігустина матеріалу.