Электроизоляционные и конденсаторные материалы

ТЕМА 7

ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ И КОНДЕНСАТОРНЫЕ  МАТЕРИАЛЫ

7.1. Показатели свойств диэлектрических материалов

Диэлектрические материалы характеризуются рядом показателей свойств, большинство из которых имеет условный характер. Эти показатели делятся на определенные группы. Различают, например, показатели физических, механических, электрических, тепловых свойств и т.п.

Особо важны показатели электрических свойств. Это удельная электрическая проводимость (или удельное электрическое сопротивление), относительная диэлектрическая проницаемость, коэффициент диэлектрических потерь и электрическая прочность. Степень важности отдельных свойств зависит от применения данного материала. Для электроизоляционных материалов важнейшими являются их удельная электрическая проводимость и электрическая прочность, а для диэлектриков в конденсаторах - относительная диэлектрическая проводимость электроизоляционных материалов, которая очень сильно зависит от температуры. Хорошим электроизоляционным материалом в настоящее время считается материал, удельное электрическое сопротивление которого при комнатной температуре больше 10¹² Ом ^. м.

Понятие "электроизоляционный материал" можно определить также с помощью ширины запрещенной зоны. Но и это определение носит условный характер. В настоящее время электроизоляционными обычно считаются материалы, ширина запрещенной зоны которых больше 3 эВ.

Показатели свойств диэлектрических материалов изложены в темах 2-6 данного учебного пособия.

На рис. 1.1. приведена классификация диэлектрических материалов, а на рис.1.2. схема деления электроизоляционных материалов на подгруппы по признакам.

7.2. Газообразные диэлектрики

Самым важным газообразным электроизоляционным материалом является воздух. Воздух представляет собой смесь газов. Сухой воздух (на высоте уровня моря) содержит 78,23 % азота и 20,81 % кислорода (по объему), а остальное составляют различные газы (Ar, H₂ , CO₂ , Ne, He, Kr, CH₄, Xe, NH₃, I, Rn). В реальных условиях воздух почти всегда содержит определенное количество водяного пара, которое выражают в виде абсолютной или относительной влажности. Водяной пар ухудшает электроизоляционную способность воздуха. Сухой воздух с влажностью до 50 % имеет относительно хорошие электроизоляционные свойства. Роль воздуха в качестве электроизоляционного материала особенно важна в электроэнергетике (воздушные линии электропередачи), в электрических машинах и аппаратах.

В слаботочной электротехнике важным газообразным электроизоляционным материалом является вакуум.

Остальные газы используются только для специальных целей. Из распространенных газов это, прежде всего, водород, который в 16 раз легче воздуха, а коэффициент теплопроводности которого больше, чем у воздуха, в 7 раз. Водород используется как электроизолирующая и охлаждающая среда крупных генераторов. Азот используется при повышенном давлении в кабелях, конденсаторах и трансформаторах. Углекислый газ (СО₂) при повышенном давлении используется в эталонных конденсаторах.

Когда необходима высокая электрическая прочность, применяют сжатые газы, т.е. газы под давлением. Например, электрическая прочность воздуха и азота при расстоянии между электродами 1 см примерно 3 МВ/м, элегаза (SF₆) - 7,5 МВ/м. Для повышения электрической прочности воздуха давление повышают до 2-3 МПа.

Наиболее ценное свойство газов, их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда,  используется для изготовления воздушных и элегазовых выключателей, разрядников.

В последнее время, главным образом в различных электрических аппаратах, используют газы с высокой электрической прочностью, которые называются электроотрицательными. Они обычно используются при повышенном давлении, хотя и при нормальном давлении имеют существенно большую электрическую прочность, чем воздух при том же давлении. Это объясняется способностью их молекул захватывать свободные электроны. Самыми известными из них являются дифтордихлорметан (CCl₂F₂), известный под названием хладон-12, и гексафторид серы (SF₆), известный под названием "элегаз". Элегаз используется в силовых и измерительных трансформаторах, кабелях, конденсаторах высокого напряжения, электростатических генераторах, комплектных распределительных устройствах (КРУ), выключателях и т.п.

7.3. Жидкие электроизляционные материалы

Самыми важными жидкими электроизоляционными материалами в настоящее время являются нефтяные (минеральные) масла, которые в соответствии с их назначением называют трансформаторным, кабельным и конденсаторным маслами.

В большинстве случаев они используются в комбинации с бумагой, по отношению к которой выполняют функцию пропитывающего материала. Изоляция из пропитанной маслом бумаги в настоящее время является важнейшей изоляцией для техники ультравысоких напряжений главным образом потому, что оба компонента в ней имеют форму тонких слоев, а поэтому система отличается высокой электрической прочностью. Важную роль играет и то обстоятельство, что и бумага, и нефтяное масло относятся к самым дешевым электроизоляционным материалам. Нефтяное масло, как правило, выполняет и вспомогательную функцию охлаждающей среды (пример - маслонаполненные трансформаторы).