Назначение, классификация и основные характеристики диэлектриков
Диэлектриками – называют вещества, имеющие весьма малую электропроводность, характеризуемую токами утечки. Их используют для изоляции токоведущих частей в электротехнических устройствах.
Различают:
1) Газообразные диэлектрики.
2) Жидкие (минеральные масла и синтетические жидкости).
3) Твёрдые (органические и минеральные).
По структуре - кристаллические и аморфные.
Общие свойства:
а) все диэлектрики способны поляризоваться;
б) под действием переменного напряжения в них происходит рассеивание электрической энергии и переход её в тепловую;
в) в сильных электрических полях возможен пробой диэлектрика (т.е. потеря электроизоляционных свойств).
1) Электрические характеристики:
а) удельное сопротивление 
(Ом×м)
Для диэлектриков 
=108…1018 Ом×м. Изменение в зависимости от температуры оценивается – температурным коэффициентом удельного сопротивления. Для диэлектриков ТKρ < 0, т.е. с повышением температуры - уменьшается;
б) относительная диэлектрическая проницаемость εr – характеризует способность диэлектрика поляризоваться и образовывать электрическую ёмкость в конденсаторах;
εr = 1 (для вакуума, воздуха). Для различных диэлектриков εr - от единицы до нескольких тысяч.
Различают:
- электронную поляризацию (εr = 1…2);
- дипольную (εr =3…8);
- ионную (εr = 8…20);
- спонтанную (εr = 1500…7500 – характерна для сегнетодиэлектриков).
Таблица
Значения εr для некоторых изоляционных материалов
| Материал | εr |
| Газы Гетинакс Фторопласт Лакоткани Полиэтилен Полистирол Электрокартон Масло трансформаторное Совол Оргстекло Поливинилхлорид Вода дистиллированная Титанат кальция Титанат бария Титанат бария с добавками | 1,000072 – 1,00138 6 – 8 1.9 – 2.1 3 – 4 2,3 – 2,4 2,4 – 2,6 1,8 – 2,5 2,2 3 – 5 |
в) диэлектрические потери – возникают в виде потерь активной мощности в диэлектриках, работающих при переменном напряжении. Они проявляются в нагреве диэлектрика и характеризуются тангенсом угла диэлектрических потерь (tg δ).
Потери активной мощности Pа = U22πƒC×tg δ.
tg δ = 2…6 (×10-4) – для жидких и твёрдых диэлектриков высокого класса и может быть до 0,05. При нагреве диэлектрические потери растут;
г) электрическая прочность (Eпр) – напряжённость электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика:
Епр 
кВ/мм,
где Uпр – пробивное напряжения, h – толщина слоя диэлектрика.
Различают:
а) электрический пробой - под действием внешнего электрического поля за очень короткое время (~ 10-8с);
б) тепловой пробой – происходит из-за диэлектрических потерь, когда количество выделяющейся теплоты больше отводимой.
2) Механические характеристики - определяют путём механических испытаний, при которых устанавливают пределы прочности при растяжении, сжатии, изгибе, а также удельную ударную вязкость.
3) Тепловые характеристики:
а) температура плавления или размягчения диэлектрика;
б) теплостойкость – позволяет оценить стойкость диэлектрика к кратковременному нагреву. Определяется при помощи аппарата Мартенса или по методу кольца и шара;
в) нагревостойкость – способность диэлектрика выдерживать длительное тепловое воздействие, не теряя электроизоляционных свойств.
Согласно стандарту установлены 7 классов нагревостойкости диэлектриков:
Y (до 90 0С) - бумага, картон, х.б. ткани и др.
А (до 1050С) - те же диэлектрики, пропитанные лаком или маслом,
Е (до 1200С) - гетинакс, текстолит,
В (до 1300С) - слюда, миканит, стеклоткани,
F (до 1550С) - кремнийорганические смолы
Н (до 1800С) - те же с более высокими показателями
С (более 1800С) - стекло, фторопласт, асбест
г) холодостойкость;
д) температура вспышки паров – для жидких диэлектриков.
4)Физико- химические характеристики:
а) вязкость – определяет пропитывающую способность жидких диэлектриков;
б) кислотное число – количество KOH, необходимое для нейтрализации свободных кислот содержащихся в 1 грамме жидкого диэлектрика.
в) водопоглощение;
г) химическая стойкость (к растворителям, кислотам, щелочам);
д) тропическая стойкость (стойкость против высокой температуры, влажности, плесневых грибков, солнечной радиации, тропических насекомых).
Газообразные диэлектрики
Воздух и все газы при малой степени ионизации являются диэлектриками. Электропроводность газов отображают вольт-амперной характеристикой:
| I. - ток пропорционален напряжению, соблюдается закон Ома, свободные заряженные частицы постепенно втягиваются в направленное движение. II. - ток не зависит от напряжения. Все свободные заряженные частицы движутся направленно и скорость их растёт. III- скорость заряженных частиц резко возрастает, происходит явление ударной ионизации, заканчивающееся пробоем газа – точка П (I→∞; U→0) |
Различают:
| а) пробой в однородном поле (например: между параллельными пластинами, где напряжённость поля везде одинакова) – происходит сразу в виде искры, возникающей в любом месте. Искра может перейти в дугу при достаточной мощности источника тока; б) пробой в неоднородном поле (например: между остриём и пластиной) - происходит в несколько стадий: сначала ионизируется газ у острия и возникает коронирующий разряд (голубое свечение). При повышении напряжения, разряд переходит в кистевой и заканчивается искрой. При этом выделяются активные окислители: озон (О3) и окись азота (NO). |
Во избежание возникновения коронирующего разряда в высоковольтных установках, острые кромки электродов скругляют или закрывают металлическими экранами.
Основные газообразные диэлектрики:
1) Воздух Епр ≈ 3 кВ/мм.
2) Элегаз (SF6) Епр ≈ 7-8 кВ/мм
3) Фреон (CСl2F2) Епр ≈ 7-8 кВ/мм.
4) Водород – имеет наивысшую среди газов теплопроводность и используется в электроустановках как охлаждающая среда; Епр ≈ 1,8 кВ/мм.
Жидкие диэлектрики
Применяют в трансформаторах, масляных выключателях, кабелях, конденсаторах (для пропитки пористой изоляции, как охлаждающая среда, и искрогаситель).
Наиболее распространены нефтяные масла, полученные дробной перегонкой нефти, реже применяют синтетические жидкости.
Нефтяные масла
а) трансформаторное – маловязкое, прозрачное, желтоватое. Температура застывания –450С, вспышки паров +1350С, электрическая прочность Eпр > 16 кВ/мм. В процессе эксплуатации масло стареет, при этом ухудшаются его свойства. Продукты старения: нерастворимые (шлам) - налипают на стенки бака ухудшая теплообмен; растворимые (свободные кислоты) – разъедают изоляцию и ухудшают электроизоляционные свойства. Периодически масло меняют. Отработанное масло – подвергают частичной или полной очистке – регенерации. При этом выполняют фильтрование, центрифугирование, химическую обработку (кислотно-щелочную) и сушку под вакуумом;
б) конденсаторное масло – получают дополнительной очисткой и отстаиванием трансформаторного. Eпр > 20 кВ/мм, εr = 2,1…2,3. Применяют для заливки высоковольтных конденсаторов с бумажной изоляцией;
в) кабельные масла:
Ø маловязкие – применяют в маслонаполненных кабелях низкого давления до 3 атм.;
Ø средневязкие (С-110, С-220) – предназначены для высоковольтных кабелей (110 кВ и выше), при давлении ~ 14 атм.- имеют наиболее стабильные параметры.
Ø вязкое масло – сильно загущённое канифолью. Применяют для пропитки бумажной изоляции кабелей напряжением до 35 кВ.
