Раздел 10. Изоляционные материалы.
Лекция №27
Синтетические жидкие диэлектрики.
Применение синтетических жидких диэлектриков предпочтительно в тех случаях, когда они по свойствам превосходят электроизоляционные масла. Например, если требуется применение неполярных жидких диэлектриков или жидких диэлектриков с более высокой пожаро- и взрывоопасностью, чем у электроизоляционных масел.
Синтетические жидкие диэлектрики, по тем или иным свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них.
Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора.
Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила, имеющие общий состав С12Н10-nСln. Молекула дифенила С12Н10(или Н5С5 – С5Н5) состоит из двух фенильных остатков. Чаще всего применяются смеси различных изомеров хлорированных дифенилов со средней степенью хлорирования n от3 до6.
Хлорированные дифенилы (ХД) обладают εr повышенной по сравнению с неполярными нефтяными маслами; так, пентахлордифенил С12Н5Сl5 (совол) имеет при 50 Гц и 20°С εr= 5, а при 90°С - εr=4,1.Совол является негорючим веществом, не окисляется, что составляет его главное преимущество перед нефтяными маслами. Однако его применение ограничивается следующими недостатками: плотность D = 1500...1560, температура вспышки Твсп = 205...230 °С, темпетарура застывания Тз = +5°С, электрическая прочность при температуре Т = 20°С, Епр = 14...18 МВ/м, значительная вязкость в области рабочих температур, что не позволяет использовать его в чистом виде; он примерно в 10 раз дороже трансформаторного масла.
Применяется взамен конденсаторного масла для пропитки низковольтных бумажных конденсаторов с повышенной емкостью.
Поэтому замена масел на ХД при пропитке конденсаторов уменьшает обьем конденсатора (при той же электрической емкости) почти в два раза.
Совол и севтол – 10 мало подвержены старению, не образуют с воздухом взрывчатых смесей, негигроскопичны, токсичны, дорогостоящи.
Севтол – 10 – негорючая, с повышенной температурой застывания жидкость, которую получают, разбавляя совол трихлорбензолом.
Применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформаторов.
Преимуществом ХД является также их негорючесть. Однако ХД имеют свои недостатки. Они токсичны, из-за чего применение их для пропитки конденсаторов в некоторых странах запрещено законом.
В связи с сильно выраженной полярностью ХД на их электроизоляционные свойства весьма значительно влияют примеси; наличие примесей существенно сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенной температуре, но практически не влияет на tgδ в области дипольного максимума потерь. Недостатком ХД является заметное снижение их εr и, следовательно, емкости пропитанных ХД конденсаторов при пониженных температурах.
Хлорированные дифенилы обладают сравнительно высокой вязкостью, что в некоторых случаях вызывает необходимость разбавления ХД менее вязкими хлорированными углеводородами.
Кинематическая вязкость совола составляет 75 мм2/с, трихлорфенила (С12Н7Cl3) – 126 мм2/с, совтола (смесь 90% совола и 10% трихлорбензола С6Н3Cl3) имеет при той же температуре вязкость 25 мм2/с, а гексол (смесь 20% совола и 80% гексахлорбутадиена С4Cl6) всего 1,8 мм2/с.
Температура вспышки совола равна +5°С, совтола – минус 7°С, гексола – ниже минусм 60°С.
Кремнийорганические жидкости – это продукт синтеза кремнистых и углеродистых соединений, свойства которых определяютя типом органических радикалов. Они обладают малым tgδ, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабо выраженная зависимость вязкости от температуры. Как и другие кремнийорганические продукты, эти жидкости весьма дорогие. В зависимости от характера радикалов, присоединенных к атомам Si, различают полиметилсилоксановые (ПМС), полифенилсилоксановые (ПФС) и другие кремнийорганические жидкости.
Кремнийорганические жидкости имеют εrот 2,5 до 3,3 и tgδ от 0,0001 до 0,0003 (при 1 кГц и 20°С); наивысшая допустимая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250°С (длительно) и до 350°С (кратковременно).
Кинематическая вязкость жидкости марки ПМС – 10 около 10 мм2/с, а марки ПМС-20 – около 20 мм2 /с (при 20°С).
Фторорганические жидкости имеют малый tgδ, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость.
Некоторые фторорганические жидкости могут длительно работать при температуре 200°С и выше, а некоторые имеют необычно высокую диэлектриков электрическую прочность.
Характерным свойством фторорганических жидкостей являются малая вязкость, низкое поверхностное натяжение (что благоприятствует пропитке пористой изоляции), высокий температурный коэффициент обьемного расширения (значительно больший, чем у других электроизоляционных жидкостей), сравнительно высокая летучесть. Последнее обстоятельство требует герметизации аппаратов, заливаемых фторорганическими жидкостями.
Фторорганические жидкости способны обеспечивать значительно более интенсивный отвод теплоты потерь от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов, чем нефтяное масло или кремнийорганические жидкости.
Полиметилсилоксановые жидкости получаются гидролизом диметилхлорсиланов с триметилхлорсиланами. Они не растворяются в спиртах и ацетоне, обладают высокой инертностью и не влияют на свойства металлов и резин при контакте с ними. Применяют для пропитки бумажных конденсаторов и гидрофобизации изоляционных лент.
Полидиэтилсилоксановые жидкости представляют собой смеси полиэтилсилоксанов. Бесцветны. Применяются для пропитки и заливки конденсаторов, работающих в интервале температур от -60 до + 100°С.
Полиметилфенилсилоксановые жидкости отличаются более высокой нагревостойкостью и стойкостью к радиационному излучению.
Фторорганические жидкости представляют собой производные углеводородов, у которых атомы водорода замещены фтолром. Их пары не образуют с воздухом взрывоопасных смесей. Они обладают малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ), ничтожно малой гигроскопичностью, высокой нагревостойкостью (некоторые жидкости могут длительно работать при температуре 200°С и выше), высокой теплопроводностью, полной негорючестью, высокой дугостойкостью.
Фторорганические жидкости применяют для пропитки и заливки конденсаторов и трансформаторов, для испытания элементов радиоэлектроники при низких и высоких температурах.
Существуют специальные конструкции малогабаритных электротехнических устройств с заливкой фторорганическими жидкостями, в которых для улучшения отвода теплоты используется испарение жидкости с последующей конденсацией ее в охладителе и возвратом в устройство (кипящая изоляция); при этом теплота испарения отнимается от охлаждаемых обмоток, а наличие в пространстве над жидкостью фторорганических паров, в особенности под повышенным давлением, значительно увеличивает электрическую прочность газовой среды в аппарате.
Преимущество фторорганических жидкостей перед нефтяным маслом и, тем более, перед кремнийорганической жидкостью хорошо иллюстрирует рис.
Переход кривой 4 через максимум обьясняется достижением температуры кипения жидкости при повышении нагрузки.
Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются и горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока еще весьма дорогие.
Прочие синтетические жидкости
Кроме указанных жидких диэлектриков в радиоэлектронике применяют сильно полярные синтетические электроизоляционные жидкости.
Представляют интерес и некоторые другие полярные электроизоляционные жидкости. Нитробензол H5C6-NO2, этиленгликоль НО-СН2-СН2-ОН, который используют в качестве контрольной жидкости при контроле герметичности микросхем, и цианоэтилсахароза С38Н46N8О11 имеют высокую диэлектрическую проницаемость εr = 35 – 39.
Помимо синтетических электроизоляционных жидкостей, отличающихся по химическому составу и свойствам от нефтяных масел, существуют и синтетические жидкости углеводородного состава. Эти неполярные жидкости в некоторых случаях обладают более ценными свойствами (лучшие электроизоляционные свойства, стойкость к тепловому старению, газостойкость) по сравнению с нефтяными маслами.
Так, пропитка бумажных конденсаторов полиизобутиленом с низкой (10-20) степенью полимеризации приводит к повышению постоянной времени саморазряда конденсатора примерно на порядок по сравнению с пропиткой нефтяным конденсаторным маслом или вазелином.
Сравнительно дешевый отечественный материал (октол) представляет собой смесь полимеров изобутилена иего изомеров, имеющих общий состав С4Н8 и получаемых из газообразных продуктов крекинга нефти. Октол имеет молекулярную массу от 400 до 1500 иплотность 0.850 – 0,875 Мг/м3; его вязкость при плюс 70°С составляет 1,3 – 3,0 мПа.с.
Значение εr октола 2,0-2,2; tgδ (при 1 кГц) 0,0001; температура застывания минус 12°С.
Диэлектрические потери у неполярных жидкостей, не содержащих примесей, - это потери, по существу, на электропроводность. Они не зависят от частоты и растут с ростом температуры, что объясняется увеличением сквозного тока. Диэлектрические потери этих жидкостей мала, так как мала их электропроводность.
Электрическая прочность жидких диэлектриков в основном определяется наличием посторонних примесей, полярностью жидкости, температурой и другими факторами. Присутствующие в жидкости пузырьки газа ионизируются, выделяя энергию, которая приводит к местному перегреву жидкости. Это ведет к образованию газового канала между электродами и в результате к пробою жидкости. Кроме газовых включений значительным фактором, снижающим электрическую прочность жидких диэлектриков, является вода. Капельки воды поляризуются под влиянием электрического поля и образуют между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой. Электрическая прочность жидкостей, содержащих примеси, ниже, чем у очищенных.
В качестве жидких электроизоляционных материалов в электротехнических устройствах используют нефтяные (минеральные) масла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное). Синтетические жидкие диэлектрики (хлорированные углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости, сложные эфиры различных типов) и растительные масла.
