Химические свойства диэлектрических материалов

Раздел 9. Классификация электротехнических материалов (ЭТМ). История применения ЭТМ. Физика диэлектриков.

Лекция №24

Важной характеристикой диэлектрических материалов является их химическая, радиационная и световая стойкость, а для материалов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности и температуры, — стойкость к плесени (тропикостойкость). При работе твердых диэлектриков в соприкосновении с жидкостями необходимо знать их взаимную растворимость и растворяемость. При эксплуатации электроизоляционных материалов в местности, загазованной химически агрессивными веществами, необходимо, чтобы эти материалы обладали достаточной химической стойкостью, не разрушались, а также не вызывали коррозию металлов, с которыми они соприкасаются. Например, трансформаторное масло с повышенным кислотным числом может вызывать коррозию металлических частей трансформатора.

Кислотное число характеризует содержание в масле свободных кислот; оно определяется количеством миллиграммов едкого калия КОН, которое необходимо для нейтрализации всех свободных кислот в одном грамме образца (мгКОН/1г).

Радиационная стойкость— это способность материалов работать, не ухудшая своих основных свойств в условиях интенсивного ионизирующего излучения (нейтронного и гамма-излучения) или после его воздействия. Обычно предельно допустимой дозой нейтронного и гамма-излучения считают такую, получив которую диэлектрический материал снижает хотя бы одну из своих основных электрических или механических характеристик на 25% и более. Часто радиационную стойкость выражают общим числом радиоактивных частиц, попадающих на единицу площади материала и вызывающих заметное ухудшение его основных характеристик, например нейтрон/м2.

Многие диэлектрики имеют высокую радиационную стойкость, выдерживая плотность облучения до 1023 нейтрон/м2, в то время как полупроводники заметно повреждаются при плотности в 108 нейтрон/м2. Из диэлектриков наибольшая радиационная стойкость отмечается у неорганических материалов: кварца, слюды и т.п., наименьшая — у органических полимеров.

Светостойкость— это стойкость электроизоляционных материалов к действию ультрафиолетовых лучей. Под действием светового облучения некоторые материалы (например, резины) утрачивают эластичность, необходимую механическую прочность, в них появляются трещины, лаковые покрытия отстают от подложек.

Тропикостойкостьхарактеризует работоспособность диэлектрических материалов в районах с тропическим климатом (\|/в» 100%, Г и 30—40°С). При длительной работе электроустановок во влажном воздухе (\|/„ = 98—100%) электрические характеристики многих органических материалов существенно ухудшаются. Удельное объемное сопротивление р органической изоляции после нескольких суток пребывания в воде или в воздухе с \ув =100% снижается на порядок и более, 1§5 возрастает в несколько раз, а Епр снижается в 1,5—2 раза и более (рис. 1—3).

Ухудшаются электрические свойства и у пластмасс с неорганическим наполнителем, но с органическимсвязующим — через несколько суток пребывания в воздухе с ув = 95—98%. Ухудшение электрических характеристик у органических диэлектриков во влажном воздухе происходит интенсивнее, чем за такое же время при непосредственном контакте материала с водой. Этот факт объясняется тем, что пары воды более активно проникают в микропоры и микротрещины с последующей конденсацией внутри материала. Вода же в жидком состоянии из-за наличия краевого угла смачивания проникает в микропоры с большим замедлением. Растворимость и коэффициент диффузии воды в полимерных материалах зависят от их природы, температуры и относительной влажности воздуха.

Рис. 3. Зависимость 1ё6 при частоте 50 Гц полиакрилатной пленки от времени т увлажнения при 20°С: / — в воздухе 2 — в воде

В тропическом климате на органических диэлектриках может развиваться плесень, что, в свою очередь, приводит к значительному уменьшению удельного поверхностного сопротивления, росту диэлектрических потерь, снижению электрической прочности, коррозии металлических частей. Наименее стойкие к образованию плесени — материалы на основе целлюлозы, в том числе пропитанной (гетинакс, текстолит). Наиболее стойкие — неорганические диэлектрики (стекла, керамика, слюда), кремнийорганические и некоторые органические материалы (эпоксидные смолы, политетрафторэтилен,

полиэтилен, полистирол). Немаловажной характеристикой является растворимость. Это

свойство необходимо учитывать при подборе растворителей для лаков, пластификаторов для полимеров и т.п., а также для оценки стойкости твердого диэлектрического материала к действию различных жидкостей, с которыми он может соприкасаться при изготовлении изоляции (например, при пропитке лаками) и в процессе эксплуатации (например, твердая изоляция маслонаполненных трансформаторов).

Как правило, твердые материалы лучше растворяются в жидкостях, близких по своей химической природе. Так, полярные вещества лучше растворяются в полярных жидкостях (например, канифоль в спирте, полиметилметакрилат в дихлорэтане); неполярные вещества — в неполярных растворителях (например, парафин и каучук в жидких углеводородах). Линейные полимеры растворяются лучше. С увеличением молекулярной массы растворимость полимера снижается, при нагревании — улучшается.

Химические свойства – это прежде всего растворимость материалов в различных растворителях ( растворимость веществ за единицу времени с единицы поверхности материала). Диэлектрики должны при работе не разлагаться с выделением побочных продуктов, не вызывать коррозию соприкасающихся с ними металлов.

Воздействие излучений высоких энергий – корпускулярной и волновой. Важно знать степень радиационной стойкости. К корпускулярной относятся – быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, - частицы, лучи (электроны различных скоростей). К волновым излучениям – лучи, чистые и мягкие рентгеновские излучения. Интенсивное излучение измеряется в Вт/ м². Для нейтронов – плотность потока энергии быстрых и медленных нейтронов сквозь поверхность м². Энергия излучения падая на поверхность, убывает по мере проникновения в глубину материала. Рассеяние энергии идет из-за ионизации возбуждения атомов ядерных преобразований, выбивания ионов, атомолв в междоузлие. Нарушение структуры вещества идет в поверхностном слое, образуется поток заряженных частиц. Органика – выделение газа, полимеризация, вулканизация, изменение физических свойств.

Материалы, стойкие к облучению должны обладать 2 свойствами: способностью поглощать энергию без ионизации, способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем разрыв цепей. Возможен переход из одного структурного состояния в другое. На неорганические полимеры излучение оказывает меньшее влияние, после отжига неорганические диэлектрики могут восстанавливать первоначальные свойства. Органические полимеры после облучения приобретают следующие свойства: становятся хрупкими, рассыпчатыми; резиноподобные вещества – превращаются в вязкую жидкость; у ПЭ наблюдают наоборот повышение молекулярной массы, улучшения электрических свойств.

Защитные свойства оценивают по толщине слоя, ослабляющего излучение в 10 раз.

Термические свойства характеризуют поведение диэлектрика при нагревании (охлаждении) и в совокупности определяют его допустимую рабочую температуру. Коэффициент теплопроводности l, Вт/(мК), или Вт/(м°C) для газообразных диэлектриков имеет значение 2 - 5, для твердых - 0,02 - 3,00 Вт/(мК) и определяет отвод теплоты из толщи электрической изоляции, нагретой за счет диэлектрических потерь, или нагрев в ходе технологической переработки. Его можно определять по ГОСТ 236302-79. Время нагрева (охлаждения) электроизоляционных конструкций в периоды изготовления или эксплуатации определяется и теплоемкостью диэлектрических материалов С, Дж/(кгК). Значения теплоемкости определяют по ГОСТ 23630.3-79. Для электротехнического фарфора, стеатита, стекол С - 300 ÷ 1000, для органических полимеров 1200 - 2000, для нефтяного электроизоляционного масла 1800 - 2500, для воды 4200 Дж/(кг К). Твердые кристаллические диэлектрики при нагревании плавятся при температуре плавления Т_пл, аморфные становятся жидкими в интервале температур, который характеризуют условной температурой размягченияТ_разм; ее определяют по ГОСТ 11506-73 для битума, компаундов, по ГОСТ 15088-83, ГОСТ 21341-75 для пластмасс.

Температурный коэффициент длины. К^-1, ТКl - для материалов высокой нагревостойкости определяют по ГОСТ 15173-70.

Способность электрической изоляции без повреждения и без недопустимого ухудшения практически важных для нее свойств (например, механической прочности, Е_пр, r, tgd, потери массы при нагреве, количества поглощенной влаги и других характеристик) выдерживать воздействие одного или нескольких старящих ее причин в течение времени, сравнимого со сроком эксплуатации, определяет ее стойкость к влиянию разрушающих факторов. Дуго- и трекингостойкость характеризуют способность диэлектрика соответственно терпеть в течение определенного времени без недопустимого ухудшения свойств поверхности воздействие на нее дуги переменного (ГОСТ 10345.1-78) или постоянного (ГОСТ 10345.2-78) тока, сохранять меньшее допустимого значение тока, протекающего по проводящим каналам - трекам загрязненной электролитом или синтетической пылью поверхности. Нагревостойкость электроизоляционных материалов определяется их способностью выдерживать действие повышенных по сравнению с рабочей температур (ГОСТ 21515-76). Холодостойкость определяется путем сравнения механических характеристик (например, деформаций при растяжении) при отрицательной и нормальной температурах. Стойкость к термоударамопределяется для хрупких материалов и изделий из них способностью сохранять нужные свойства после воздействия требуемого числа циклов термоударов (нагрева и резкого охлаждения). Влагостойкость, водостойкостьи водопоглощение диэлектрика определяются (ГОСТ 10315-75) его способностью сорбировать влагу окружающей среды, соответственно влажного воздуха или в процессе выдержки в дистиллированной воде. Химостойкость характеризует стойкость материала к разрушению (коррозии) при контактировании с водой, кислотами, щелочами, солевыми растворами, топливом, газами и определяется по изменению внешнего вида, массы, электрических и других параметров. Тропикостойкость диэлектрика определяется по изменению r, tgd, Е_пр, механической прочности, а также других параметров под воздействием тропических климатических факторов. Радиационная стойкость определяется по изменению механических свойств, во многом определяющих изменения r, tgd, Е_пр, в процессе радиолиза материала под воздействием ионизирующих излучений. Определение воздействия внутренних ЧР производится по характеристикам возникающего в изоляции единичного ЧР согласно ГОСТ 22756-77 для изоляции силовых конденсаторов, трансформаторов, кабелей, электрических машин