ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

ГЛАВА ПЯТАЯ

5-1. ВЛАЖНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Абсолютную влажность воздуха оценивают массой т водяного пара, содержащейся в единице объема воздуха (в одном кубическом метре). Каждой температуре соответствует определенное значение абсолютной влажности при насыщении Большего количества воды воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т. е, растет и давление водяных паров.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

. (5-1)

Абсолютной влажности воздуха (при нормальном атмосферном давлении) соответствуют различные значения относительной влажности (рис. 5.3). Верхняя кривая соответствует воздуху, полностью насыщенному водяным паром. При температуре и нормальном атмосферном давлении значение составляет .

За нормальную влажность воздуха (для различных испытаний, для определения свойств гигроскопических материалов в стандартных условиях увлажнения и т. п.) в СССР принимают относительную влажность воздуха ,В воздухе с нормальной влажностью при содержание водяных паров . Вода является сильно полярным диэлектриком с низким удельным сопротивлением, около , а поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах ( ) и высоких значениях , близких к . Подобные условия наблюдаются в странах с влажным тропическим климатом, причем в период дождей они могут сохраняться в течение длительного периода времени, что неблагоприятно сказывается на работе электрических машин и аппаратов. В первую очередь, воздействие повышенной влажности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении диэлектриков (см. §2.5). Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей, выполненных из полярных твердых диэлектриков, от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Рис. 5.1. Абсолютная влажность воздуха при нормальном атмосферном давлении и различных значениях относительной влажности в функции температуры

Способность диэлектриков смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела. Чем меньше θ, тем сильнее смачивание; для смачиваемых поверхностей (рис. 5-2, а), для несмачиваемых (рис. 5.2, б).

При наличии в диэлектрике объемной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь материала.

Влажность материалов. Образец электроизоляционного материала, помещенный в среду с определенной влажностью и температурой, через неограниченно большое время достигает состояния с равновесной влажностью. Если сравнительно сухой образец материала поместить во влажный воздух (с относительной влажностью ), то будет наблюдаться постепенное поглощение материалом влаги из воздуха, причем влажность материала , т. е. содержание влаги в. единице массы материала, в течение времени будет повышаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности , соответствующей данному значению (рис. 5.3, кривая 1). Наоборот, если в воздухе той же относительной влажности будет помещен образец того же материала с начальной влажностью, большей , то влажность образца будет уменьшаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности , в этом случае происходит сушка материала (кривая 2). Для различных материалов значения равновесной влажности при одном и том же значении относительной влажности воздуха могут быть весьма различны. Определение влажности электроизоляционных материалов для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Кроме того, определение влажности гигроскопичных материалов, приемка и сдача которых происходит по массе, важно для их строгого учета. Для текстильных материалов устанавливается так называемая кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальных условиях; так, для кабельной бумаги кондиционная влажность принимается равной . На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает его строение, наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения.

Рис. 5.2. Капли жидкости на смачиваемой поверхности диэлектрика (а)

и на несмачиваемой поверхности (б)

Рис. 5.3. Изменение влажности ψ образца материала при увлажнении (кривая 1)

и сушке (кривая 2) для постоянных значений относительной влажности

окружающего воздуха и температуры

Приводим ориентировочные размеры пор (в нанометрах), встречающихся в различных электроизоляционных материалах:

Микропоры в керамике …………………………………..

Капилляры в волокнах целлюлозы ..............

Поры в стенках волокна ………………………………….

Межмолекулярные поры различных материалов ………..

Внутримолекулярные поры ………………………………..

Для сравнения укажем, что эффектный диаметр молекулы воды равен примерно 0,27 нм, поэтому маленькие по размерам молекулы воды могут проникать даже во внутримолекулярные поры целлюлозных электроизоляционных материалов.

Определяемая по увеличению массы увлажняемого образна гигроскопичность хотя и дает некоторое представление способности материала поглощать влагу, ко не полностью отражает степень изменение электрических свойств этот материала при увлажнении. В том случае, если поглощенная влага способна образовать нити или пленки по толщине изоляции, которые могут пронизывать весь промежуток между электродами (или значительную область этого промежутка), уже весьма малые количества поглощенной влаги приводят к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, не соединяющихся между собой малых включении, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно.

Нaиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, содержащих растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой удельной проводимостью. Для подобных материалов получается интересная зависимость влажного образца от температуры, показанная на рис. 5.4. При нагревании влажного образца вначале падает за счет увеличения степени диссоциации примесей в водном растворе (до точки А), затем идет удаление влаги — сушка (участок АБ) и только при более высоких температурах наблюдается снижение р по законам, приведенным в гл. 2.

Рис. 5.4. Зависимость от температуры удельного объемного сопротивления

влажного образца материала, содержащего электролитические примеси

При переменном напряжении наиболее чувствительным параметром пористых диэлектриков является , заметно возрастающий с увлажнением материала. Менее чувствительна величина однако и она, как правило, увеличивается с поглощением влаги ввиду большого значения диэлектрической проницаемости воды по сравнению с другими диэлектриками (для воды ). Поэтому в ряде случаев о гигроскопичности материала судят по увеличению электрической емкости образца под действием влажности.

Влагопроницаемость. Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т. е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей). Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью. Только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроницаемость практически равна нулю.

Количество влаги , проходящее за время сквозь участок поверхности слоя изоляционного материала толщиной под действием разности давлений водяных паров и с двух сторон слоя, равно

. (5.2)

Это уравнение аналогично уравнению, описывающему прохождение сквозь тело электрического тока: разность давлений р₁— р₂ аналогична разности потенциалов, m/τ — току, а h/ΠS — сопротивлению тела: коэффициент Π, аналогичный удельной объемной проводимости, есть влагопроницаемость данного материала. В системе СИ он измеряется в секундах:

Для различныхматериалов влагопроницаемость изменяется к в широких пределах:

Π, с

Церезин ………………………

Полистирол …………………..

Триацетат целлюлозы ……….

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков лишь замедляет увлажнение материала, не влияя на удельное объемное сопротивление после длительного воздействия влажности. Это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.

При длительном использовании электроаппаратуры, особенно в тропических условиях, на органических диэлектриках развивается плесень. Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Плесень развивается чаще всего в канифоли, масляных лаках, целлюлозных материалах, в том числе и в пропитанных (гетинакс, текстолит). Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики; керамика, стекло, слюда, кремнийорганические материалы и некоторые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт-4, полиэтилен, полистирол.

В тропиках приходится считаться с опасностью повреждения электрической изоляции, кабельных оболочек насекомыми (термитами) и животными. В некоторых случаях весьма опасны для электроизоляционных и других материалов даже транспортировка и хранение на складах.

Испытывая на тропикостойкость, электроизоляционные материалы и различные электротехнические изделия длительно выдерживают при температуре 40—50°С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков (точные условия этих испытаний установлены Международной электротехнической комиссией), после чего определяется степень ухудшения электрических и других свойств исследуемых образцов и отмечается интенсивность роста плесени на них.

С целью улучшения плесенестойкости органической электрической изоляции в ее состав вводят добавки фунгицидов, т. е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгициды. Имеется большое число рецептур фунгицидов, пригодных для введения в те или иные электроизоляционные материалы. К числу сильно действующих фунгицидов принадлежат, в частности, некоторые органические соединения, содержащие азот, хлор, ртуть.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: