|
|
ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ
К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение. Нагревостойкость. Способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. В зависимости от значений допустимых в эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например, по заметному росту tgδ или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры, при которой появились эти изменения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто определяют по началу механических деформаций растяжения или изгиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве. Однако и для них возможно определение нагревостойкости по электрическим характеристикам. В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способу нагревостойкость синтетических веществ органического происхождения (пластмасс) характеризуют таким значением температуры, при котором изгибающее напряжение, равное 5 МПа, вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Как видим, метод Мартенса является условным методом определения кратковременной нагревостойкости по изменению механических свойств материала. Для различных диэлектриков по этому методу получаются следующие численные значения нагревостойкости:
Полистирол …………………… 70—85°С Гетинакс ……………………… 150—180°С
Существуют другие способы оценки температуры размягчения электроизоляционных материалов, например способ кольца и шара. Испытуемый материал (битум или другие подобные ему пластичные легкоплавкие вещества) заливают в металлическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра; отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается, что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо. Легко видеть, что этот способ определения температуры размягчения условный, так как форма и размеры образца, характер и значение механической нагрузки, скорость возрастания температуры к предельные деформации выбираются произвольно, Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения — еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается. Эти характеристики представляют особый интерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков. Наивысшая допустимая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.
Рис. 5.8. Зависимость продолжительности старения τ пленок до появления трещин при изгибе от температуры масляно-битумного лака (кривая 3), кремнийорганического лака (кривая 2) и полиамидного лака (кривая 1)
Необратимое ухудшение качества изоляции лишь при длительном воздействии повышенной температуры в следствие медленно протекающих химических процессов называется тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и т.п. Для проверки стойкости электроизоляционных материалов к тепловому старению образцы этих материалов длительно выдерживают при сравнительно невысокой температуре, не вызывающей немедленного разрушения материала, а затем их свойства сравнивают со свойствами исходного материала. При прочих равных условиях скорость теплового старения органических и элементоорганических полимеров значительно возрастает с повышением температуры, подчиняясь общим закономерностям температурного изменения скорости химических реакций (теория Аррениуса—Эйринга). Продолжительность старения
где
Таким образом, зависимость τ (в логарифмическом масштабе) от величины, обратной температуре старения, должна выражаться прямой линией (рис. 5.8). В большинстве случаев наклон этих прямых такое, что уменьшение вдвое продолжительности старения τ соответствует повышению температуры старения в среднем на Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение образца ускоряется под действием ультрафиолетовых лучей, электрического поля, механических нагрузок и т. п. Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно важна. В электрических машинах и аппаратах повышение нагревостойкости, которая обычно определяется нагревостойкостью электрической изоляции, позволяет получить более высокую мощность при неизменных габаритах или же при сохранении мощности достичь уменьшения габаритных размеров и стоимости изделия. Повышение рабочей температуры особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрооборудования и других передвижных устройств, где, в первую очередь, необходимо уменьшить массу и габаритные размеры. С вопросами о допустимой температуре тесно связаны меры пожарной безопасности и взрывобезопасности (масляные хозяйства электрических подстанций, электрооборудование для нефтяной и угольной промышленности и др.). Наконец, в электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в осветительных устройствах, электронных и ионных приборах значительной мощности высокая рабочая температура электрической изоляции определяется особенностями работы всего устройства. ГОСТ 8865—70 предусматривает в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение нескольких лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях:
При указанных температурах обеспечиваются технико-экономически целесообразные сроки службы электрооборудования. В особых случаях (электрооборудование с весьма коротким сроком службы) возможно некоторое повышение рабочих температур соответствующих электроизоляционных материалов по сравнению с приведенными. К классу К классу К классу В класс К классу Материалы класса К классу нагревостойкости Вопрос об отнесении того или иного электроизоляционного материала или комбинации электроизоляционных материалов к определенному классу нагрезэ- стойкости требует длительных к трудоемких испытаний образцов материалов на тепловое старение в условиях, наиболее приближающихся к тем условиям, в которых эти материалы будут находиться в эксплуатации. Для некоторых электроизоляционных материалов, в особенности хрупких. (стекла, керамические материалы), весьма важна стойкость по отношению к резким сменам температуры (термоударам), в результате которых в материале могут образовываться трещины. В качестве примера определения нагревостойкости материала по электрическим свойствам могут быть использованы зависимости В результате испытаний устанавливается стойкость материала к тепловым воздействиям, причем она в различных случаях может быть неодинаковой: например, материал, выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже более низкой температуры и т. п. Как указывалось, испытания на действие повышенной температуры иногда проводятся при одновременном воздействии повышенной влажности воздуха (тропические условия) или электрического поля.
Таблица 5.1 - Значения коэффициентов теплопроводности некоторых диэлектриков
Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации изоляции, скажем, изоляции оборудования открытых подстанций, полевой аппаратуры связи, важна холодостойкость, т. е. способность изоляции выдерживать воздействие низких температур (например, от Теплопроводность. Теплопроводность — один из видов переноса теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, приводящий к выравниванию температуры. Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что теплота, выделяющаяся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляцией проводниках в магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляция, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводность влияет на электрическую прочность при тепловом пробое (см. § 4-5) и на стойкость материала к импульсным тепловым воздействиям. Теплопроводность материалов характеризуют коэффициентом теплопроводности γт (табл. 5-1), входящим в уравнение Фурье:
где
Значения электроизоляционных материалов за исключением оксида бериллия меньше, чем большинства металлов. Наименьшими значениями γт обладают пористые электроизоляционные материалы с воздушными включениями. При пропитке, а также при уплотнении материалов давлением ут увеличивается. Как правило, кристаллические диэлектрики имеют более высокие значения
Таблица 5-2 Температурные коэффициенты линейного расширения некоторых диэлектриков
Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (
Материалы, обладающие малыми значениями В качестве примера в табл. 5.2 приведены средние ТК l некоторых электроизоляционных материалов при температуре 20—100°С. Как видно из табл. 5.2, органические диэлектрики имеют резко повышенные ТК l по сравнению с неорганическими диэлектриками. Поэтому детали, изготовленные из неорганических материалов, имеют улучшенную стабильность размеров при колебаниях температуры.
5-4. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ И ВОЗДЕЙСТВИЕ НА МАТЕРИАЛЫ ИЗЛУЧЕНИЙ ВЫСОКОЙ ЭНЕРГИИ
Химические свойства. Знание химических свойств диэлектриков важно для оценки надежности их в эксплуатации и для разработки технологии. При длительной работе диэлектрики должны не разрушаться с выделением побочных продуктов и не вызывать коррозии соприкасающихся с ними металлов; не взаимодействовать с различными веществами (например, газами, водой, кислотами, щелочами, растворами солей и т. п.). Стойкость к воздействию всех этих веществ у различных диэлектриков весьма разнообразна. Материалы в производстве деталей могут обрабатываться различными химикотехнологическими способами: склеиваться, растворяться в растворителях с образованием лаков и т. д. Растворимость твердых материалов может быть оценена количеством материала, переходящим в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко оценивают растворимость по тому наибольшему количеству вещества, которое может быть растворено в данном растворе (т. е. по концентрации насыщенного раствора). Легче, всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природ.' и содержащие в молекулах похожие группировки атомов; полярные вещества легче растворяются в полярных жидкостях, неполярные — в неполярных. Так, неполярные или слабополярные углеводороды (каучук, церезин) легко растворяются в жидких углеводородах, например в бензине; полярные смолы, содержащие гидроксильные группировки (фенолформальдегидные и другие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации (см. §6.4), высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой — весьма трудно. При повышении температуры растворимость обычно увеличивается.
Рис. 5.9. Предел прочности при растяжении (кривая 1) и ударная вязкость (кривая 2) фенольной смолы как функция числа быстрых нейтронов
В последующих главах при рассмотрении характеристик материалов будут отмечаться наиболее опасные внешние факторы, оказывающие разрушающее химическое воздействие на тот или иной материал. Воздействие излучений высокой энергии. В современной технике возможны такие условия использования электроаппаратуры, при которых она оказывается под кратковременным или длительным воздействием корпускулярных либо волновых радиоактивных излучений высокой энергии. При этом важно знать степень стойкости материалов к воздействию излучений, сохранения ими своих электрических и механических свойств, т. е. радиационную стойкость. Поэтому к известным физическим, электрическим и химическим характеристикам материала должно добавляться и требование его радиационной стойкости. С другой стороны, излучения высокой энергии могут быть использованы в технологических процессах создания новых материалов и получения у них ценных свойств (например, повышения нагревостойкости, механической прочности) или применены для синтеза необходимых материалов. Могут быть разработаны новые классы материалов с такими свойствами, которые нельзя было получить ранее. Наконец, в некоторых случаях от материалов требуется выполнение функций поглотителей-экранов для излучений наряду с использованием их основных электрических и механических свойств. К корпускулярным излучениям относятся быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, -частицы и К волновым излучениям принадлежат -лучи, жесткое и мягкое рентгеновское излучение. Интенсивность излучения измеряют в ваттах на квадратный метр, а для нейтронов часто указывают плотность потока энергии быстрых или медленных нейтронов сквозь поверхность площадью Энергия излучения, попадая на поверхность материала, убывает по мере проникновения в глубину по закону
где
Эффективный коэффициент ослабления для простых веществ
где
Таким образом, поглощение излучения в материале, как видно из выражения (5-9), зависит от природы материала и качества самого излучения. Рассеяние энергии излучения происходит в основном из-за ионизации (внутренний фотоэффект), возбуждения атомов, комптоновского эффекта, а при очень больших энергиях — из-за ядерных преобразований. Часть энергии расходуется на выбивание атомов или ионов в междоузлия, причем в решетке появляются вакансии и дефектные центры (см. рис. В-6). Ионизация вещества может быть ступенчатой, с образованием вторичных и даже третичных атомов отдачи. Подобные процессы происходят и при облучении вещества заряженнымн частицами. Под действием нейтронов значительно нарушается структура вещества и в больших объемах, так как нейтроны не испытывают торможения электрическими полями электронных оболочек и ядер атомов, а следовательно, обладают большей длиной пробега. Нарушение структуры вещества заряженными частицами происходит в основном в поверхностном слое. Облучение материалов осколками деления ядер вызывает рассмотренные выше процессы, сопровождающиеся образованием большого числа атомов отдачи, а иногда и ядерными превращениями. Воздействие излучения может привести к молекулярным и преобразованиям и химическим реакциям. Ионизационные процессы вызывают мгновенный поток электронов, разрыв к перемещение химических связей и образование свободных радикалов. Электроны скапливаются в местах дефектов. Инициируются различные химические реакции. В частности, в органических полимера происходит выделение газа, образование и ликвидация двойных связей, полимеризация, образование поперечных связей, вулканизация. Характер и степень изменения свойств полимера за время испытания определяются преобладающим процессом. При образовании поперечных связей могут наблюдаться различные изменения физических свойств. В результате длительного или очень интенсивного облучения может произойти разрушение любого полимера, подвергаемого облучению. Материалы, стойкие к облучению, должны обладать двумя свойствами: 1) способностью поглощать энергию без чрезмерной ионизации; 2) способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем обнаруживать разрыв цепей. Под действием облучения у полимеров возможен переход из одного структурного состояния в другое. Влияние облучения на неорганические диэлектрики, кварц, слюду, глинозем, оксид циркония, оксид бериллия и слюдяные материалы со стекловидным связующим — менее сильное. У них образуются центры окрашивания; удельное электрическое сопротивление и электрическая прочность их могут снизиться. Наибольшее влияние облучение оказывает ка поверхностные свойства материалов. После отжига облученных неорганических диэлектриков возможно восстановление первоначальных свойств. Рассмотрение процессов, вызываемых воздействием излучения на материалы, показывает, что у последних может произойти изменение практически всех свойств: электрических, физико-химических и механических. Как видно из рис. 5 9, при
Рис. 5.10. Слои десятикратного ослабления для различных материалов в зависимости от энергии квантов излучения
Рис. 5.11. Слой половинного ослабления для воздуха при (
Электрическая прочность диэлектриков под влиянием облучения может и увеличиваться, и уменьшаться в зависимости от процессов, протекающих в материале. Работы по изучению устойчивости диэлектриков к корпускулярным и волновым излучениям высокой энергии должны развиваться и углубляться, так как поведение уже исследовавшийся и еще малоизученных в этих условиях материалов недостаточно ясно, требует уточнения и проверки. Защитные свойства различных материалов удобно характеризовать понятием слоя десятикратного ослабления, т. е. толщиной слоя вещества, после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется в десять раз. Эта характеристика значительно облегчает расчеты элементов защиты. Например, для ослабления в 100 раз необходимо взять толщину защитного вещества, равную двум слоям десятикратного ослабления. Очевидно, На рис. 5.10 приведены кривые зависимости толщины слоя десятикратного ослабления для воды, баритового бетона (состав: На рис. 5.11 приведена зависимость толщины слоя половинного ослабления для воздуха от энергии излучения. Как видно из рис. 5.11, с увеличением энергии излучения толщина слоя сильно возрастает и при энергии
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие физико-химические и механические свойства диэлектриков необходимо учитывать при эксплуатации материалов? 2. Какие из этих свойств являются специфическими для диэлектриков? 3. К чему сводится влияние на диэлектрики излучений высокой энергии? 
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|
(считая, например, от момента начала снижения механической прочности до момента получения заданной доли ее начального значения) связана с температурой старения 
следующей зависимостью:
, (5.5)
и 
— величины, постоянные для данного материала в данных условий теплового старения.
. Аналогичные зависимости наблюдаются для срока жизни (т. е. продолжительности работы до выхода из строя) изоляции электрических машин и других электроизоляционных конструкций.
относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный материал.
относятся те же самые органические волокнистые материалы, будучи пропитанными лаками, либо компаундами, или же погруженными в жидкий электроизоляционный материал, т. е. защищенными от непосредственного соприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов (провод с хлопчатобумажной изоляцией в пропитанной лаком обмотке электрической машины или же в погруженной в электроизоляционное масло обмотке маслонаполненного трансформатора; лакоткани на хлопчатобумажной или шелковой основе и масляных или битумномасляных лаках; лакобумаги на тех же лаках). К классу А относятся также полиамидные пленки, литые полиамидные смолы, изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных и поливинилацеталевых лаках и т. п.
принадлежат пластические массы с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолформальдегидных и подобных им смол (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнением древесной мукой), полиэтилектерефталатные пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды, изоляция эмалированных проводов на полиуретановых и эпоксидных лаках и т. д. Таким образом, к классам нагревостойкости Y, А и Е относятся главным образом чисто органические электроизоляционные материалы.
входят материалы, для которых характерно большое содержание неорганических компонентов, например щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами; таковы большинство миканитов (в том числе с бумажной или тканевой органической подложкой), стеклолакоткани, стеклотекстолита на фенолформальдегидных термореактивных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями и т. п.
принадлежат миканиты, изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой, с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости: эпоксидных, термореактивных полиэфирных, кремнийорганических.
получаются при использовании кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости.
относятся чисто неорганические материалы, не содержащие склеивающих или пропитывающих органических составов (слюда, стекло и стекловолокнистые материалы, кварц, асбест, микалекс, непропитанный асбоцемент, нагревостойкие (на неорганических связующих) миканиты и т. п.). Из всех органических электроизоляционных материалов к классу нагревостойкости С относятся только политетрафторэтилен (фторопласт-4) и материалы на основе полиимидов {пленки, волокна, изоляция эмалированных проводов и т. п.).
от температуры, приведенные на рис. 3.8. Допустимый для материала или изделия температурный режим может определяться различными факторами. Например, из рис. 1.8 видно, что температура, при которой наблюдается быстрый рост диэлектрической проницаемости, зависит и от частоты воздействующего на диэлектрик электрического поля.
Вт/(м·К)
до 
) без недопустимого ухудшения ее свойств. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.
, (5.6)
— мощность теплового потока сквозь площадку 
, нормальную к потоку; 
— градиент температуры.
,чем аморфные. Кроме того, 
), измеряемым в 
:
. (5.7)
по графическим зависимостям 
можно пользоваться методом, аналогичным описанному в §1.6 для определения ТК εr.
-лучи (электроны различных скоростей).
. Иногда для характеристики процесса облучения используют произведение плотности потока энергии нейтронов, скорости и времени облучения.
(5.8)
— энергия в воздухе у поверхности материала; 
— глубина проникновения излучения; 
— эффективный коэффициент ослабления излучения в материале.
(5.9)
— длина волны излучения; 
— номер элемента в таблице Менделеева; 
— плотность; 
— коэффициент пропорциональности.
механические свойства смолы очень резко ухудшаются. Политетрафторэтилен при сильном облучении становится очень хрупким и рассыпается, полиизобутилен из резиноподобного вещества превращается в вязкую жидкость, и молекулярная масса его снижается более чем в 15 раз, предел прочности при растяжении облученного полиэтилена, наоборот, повышается по сравнению с 
необлученного материала (см. рис. 5.5), а нагревостойкость его увеличивается от 100 до 200°С. Это объясняется тем, что молекулярные цепи облученного полиэтилена в четыре — пять раз длиннее обычных; при этом электрические свойства его не ухудшаются: так, 
. Под влиянием облучения меняется удельное объемное сопротивление многих диэлектриков. Степень изменения удельного объемного сопротивления полимеров при облучении существенно зависит от температуры диэлектрика. Например, после сильного облучения жесткими рентгеновскими лучами отношение 
образцов при температуре 
составляло 
, а при температуре 
уменьшилось до десяти.
) и 
в зависимости от энергии излучения
слоев десятикратного ослабления снизит интенсивность излучения в 
раз.
по массе 
и 
цемента), некоторых металлов от энергии квантов излучения. С ростом плотности материалов увеличивается поглощение.
становится больше метра.