Влажностные свойства диэлектриков

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

 

Лекция №23

 

Физико-химические и механические свойства диэлектрических материалов.

Влажностные свойства диэлектриков

Механические свойства диэлектриков

Тепловые свойства диэлектриков

 

Влажностные свойства диэлектриков

Диэлектрические материалы в большей или меньшей степени способны поглощать влагу из окружающей среды, а также пропускать ее через себя, т.е. они в определенной мере гигроскопичны и влагопроницаемы. Количество поглощенной влаги из атмосферного

воздуха зависит не только от природы самого диэлектрика, но также и от концентрации водяных паров в воздухе.

В атмосферном воздухе всегда присутствует то или иное количество водяных паров, содержание которых можно оценить по абсолютной влажности — по массе т водяных паров, находящихся в единице объема воздуха, или по относительной влажности \|/в, измеряемой в процентах (1):

где m — абсолютная влажность воздуха, г/м³; m_н — абсолютная влажность воздуха при насыщении (при тех же значениях температуры и давления, что и m), г/м³.

На практике содержание водяных паров в воздухе, т.е. влажность воздуха, обычно оценивают относительной влажностью \|/_в, так как экспериментально определить ее про-

ще, чем абсолютную влажность. Относительную влажность воздуха \|/_в измеряют с помощью специальных приборов: гигрометров, психрометров и т.п. Абсолютная и относительная влажности зависят от температуры: с увеличением температуры они возрастают (рис.1).

 

 

 

Следовательно, одному и тому же значению относительной влажности

воздуха \|/_в, измеренному при различной температуре, будут соответствовать разные значения абсолютной влажности т, т.е. различное содержание водяных паров в единице объема воздуха. Зная относительную влажность воздуха \|/_в, с помощью формулы (1) и табл.1 можно определить соответствующую ей абсолютную влажность т (при тех же значениях температуры и давления). Например, если относительная влажность воздуха \|/_в = 70%, то абсолютная влажность при 10°С будет равна m = (9,4 • 70)/100 == 6,58 г/м3, при 20°С m = (17,3-70)/100 = 12,11 г/м3, при 30°С m = 20,23 г/м3.

Это положение необходимо учитывать на практике.

 

 

Таблица 1.

 

 

 

Если в воздух с относительной влажностью \|/_в поместить два образца одного и того же материала, один из которых сухой, а другой влажный, то первый образец начнет увлажняться, а второй подсыхать. Влажность обоих образцов в течение времени τ будет асимптотически приближаться к некоторой равновесной влажности \|/_р, соответствующей данной \|/_в (рис.2).

 

 

 

Эта равновесная влажность \|/_р, до которой материал стремится увлажниться или подсохнуть, при данной влажности воздуха \|/_в и температуре у разных материалов различна. У полярных материалов при одной и той же относительной влажности воздуха, например, \|/в = 80% и одной и той же пористости равновесная влажность \|/_р в 7—8 раз больше, чем у неполярных. Материалы анизотропного строения впитывают влагу в разных направлениях с различной скоростью. На степень увлажнения существенно влияют наличие и размер капиллярных пор. У сильнопористых материалов, особенно волокнистых, \|/_р выше, чем у материалов плотного, сплошного строения. С увеличением температуры \|/_р снижается.

Если поглощенная влага внутри материала образует сквозные нити или пленки, то даже небольшое ее количество приводит к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределена в виде отдельных, не соединенных между собой включений, то наличие влаги менее существенно влияет на электрические свойства.

Под гигроскопичностью материала (в узком смысле этого слова) понимают равновесную влажность \|/_р при 20°С в воздухе с \|/_в 100%. Если относительная влажность воздуха \|/_в = 65% (Т=20°С), то это кондиционная влажность материала.

Если материал непосредственно соприкасается с водой, то в этом случае он характеризуется водопоглощаемостью.

Большое практическое значение для оценки качества защитных покрытий (лаковые покрытия изоляции электромашин, шланговая изоляция кабелей, компаундные заливки и т.п.) имеет влагопроницаемость материалов.

 

Влагопроницаемость характеризует способность материала пропускать через себя влагу. Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов влагопроницаемы. Только стекла, обожженная глазурированная керамика и металлы влагонепроницаемы.

Коэффициент влагопроницаемости П материала находится из основного уравнения влагопроницаемости

 

где М — количество влаги, кг, проходящее за время τ, с, сквозь участок поверхности образца материала площадью S, м2, и толщиной h, м, под действием разности давлений Р₁ и Р₂, Па, с двух сторон слоя.

Величина М является разностью весов сосуда с влагопоглотителем до испытания и через время τ (рис. 3). В единицах СИ П измеряется в секундах.

Уравнение формально аналогично закону Ома, при этом разность давлений Р₁ — Р₂ подобна разности потенциалов, отношение М/ τ — силе тока, Н/(ПS) — электрическому сопротивлению тела; коэффициент П аналогичен удельной объемной проводимости.

У различных материалов величина П изменяется в очень широких пределах:

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 θ < 90° (рис), для несмачиваемых θ > 90°.

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости простых 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. 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.

Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики: керамика, стекло, кремнийорганические материалы и некоторые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт – 4, полиэтилен, полистирол.

Испытания на тропикостойкость, электроизоляционные материалы и различные электротехнические изделия длительно выдерживают при температуре 40 - 50°С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневелых 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 (соединения, содержащие азот, хлор, ртуть).