ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Общие положения

Создание электроэнергетических объектов невозможно без примене­ния различных электротехнических материалов, разнообразных по свой­ствам, технологичности, надежности и способам эксплуатации.

Все применяемые в электроэнергетике материалы можно классифици­ровать по ряду признаков. Например, есть конструкционные материалы, основное предназначение которых связано с обеспечением механического крепления и требуемого взаиморасположения в пространстве различных частей оборудования, устройств и аппаратов, и функциональные материалы, обеспечивающие активное влияние материала на выполнение объектом заданных функций (например, полупроводники и др.).

Материалы также могут классифицироваться по агрегатному состоя­нию — твердые, жидкие и газообразные (иногда к этой классификаций добавляют твердеющие). Различают также материалы природного, искус­ственного и синтетического происхождения.

В зависимости от электрических свойств материалы разделяются на электроизоляционные, полупроводниковые и проводниковые. Диэлектри­ками (диэлектрическими материалами) называют электротехнические материалы, предназначенные для использования их диэлектрических свойств, а именно большого электрического сопротивления и способ­ности поляризоваться. Электроизоляционными материалами называются «диэлектрические материалы, предназначенные для электрической изоля­ции». Поскольку большинство электроэнергетических объектов функцио­нирует в условиях генерации, передачи и распределения переменного электрического тока, то неизбежно при этом существуют и магнитные поля (чаще говорят, что работа осуществляется в условиях электромагнитного поля). В этой связи материалы могут быть либо магнитными, либо немагнитными.

Чтобы определить к какому классу отнести материал с точки зрения его электрических свойств, необходимо оценить его удельное объемное электрическое сопротивление р — отношение напряженности электри­ческого поля Е к плотности тока J, проходящего через объем образца материала. Обычно удельное сопротивление рассчитывают по формуле

ρ = RS/l, (14.1)

где R — сопротивление образца материала, Ом; l — длина пути тока в образце (расстояние между электродами), м; S — площадь образца мате­риала, через которую протекает ток проводимости, м².

Проводниковые материалы имеют удельное сопротивление р = 10 ⁸ —

10^-5 Ом ∙ м (~ 10^-2 —10 Ом ∙ мм²/м)*, полупроводниковые — р = 10^-4 — 10⁸ Ом ∙ м, а электроизоляционные материалы — р ≥ 10⁸ Ом ∙ м. Напри­мер, серебро обладает р = 0,016 Ом ∙ мм²/м, а такие электроизоляционные материалы, как полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен — ρ = = 10¹⁴—10¹⁷ Ом-м.

В отличие от проводников и полупроводников у изоляционных матери­алов, имеющих малую электрическую проводимость, рассматривается еще и удельное поверхностное сопротивление ρ_s Ом, которое позволяет оценить электрическое сопротивление при протекании тока по поверх­ности материала. Оно определяется как сопротивление квадрата поверх­ности материала электрическому току, протекающему между двумя противоположными сторонами квадрата. Значение этого сопротивления в большой степени зависит от качества поверхности материала, наличия на ней загрязнений и влаги.

Для оценки электрических качеств электроизоляционных материалов часто требуется знать и некоторые другие свойства: относительную диэ­лектрическую проницаемость (слово «относительная» иногда опуска­ется) ε_r тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и электрическую проч­ность Е_пр.

Диэлектрическая проницаемость позволяет оценивать способность материала образовывать электрическую емкость. Значение е_г показывает, во сколько раз увеличивается емкость при замене вакуума между электро­дами на реальный диэлектрический материал, и является безразмерной величиной. Диэлектрическая проницаемость г_г не бывает меньше 1. В зави­симости от типа материала и внешних условий она изменяется от единиц

* Удельное объемное электрическое сопротивление проводников чаще принято указывать в Ом ∙ мм²/м (1 Ом ∙ мм²/м = 10⁶ Ом ∙ м).

(например, гелий имеет ε_г ≈1, полистирол 1,5, стекло 7) до десятков тысяч (сегнетоэлектрики).

Характеристика, позволяющая определить потери мощности (диэлект­рические потери) в изоляционном материале, работающем в переменном электрическом поле, называется тангенсом угла диэлектрических потерь. Угол диэлектрических потерь — это угол, дополняющий до 90° угол фазового сдвига между током и напряжением в емкостной цепи, так как любой диэлектрик создает электрическую емкость.

Диэлектрические потери (или активная мощность, теряемая в диэлект­рике, Вт) рассчитываются по формуле

Р = 2πfU²Ctgδ, (14.2)

Где f— частота напряжения, Гц; U— напряжение, приложенное к диэлек­трику, В; С — емкость диэлектрика, Ф.

Значит, при заданных значениях частоты, напряжения и емкости актив­ная теряемая мощность, зависит от tgδ изоляционного материала, кото­рый в свою очередь зависит от ряда внешних факторов, например, от тем­пературы материала и частоты электрического поля. Значения tgδ электроизоляционных материалов меньше единицы и зависят от типа ди­электрика. Так, у газообразных диэлектриков tgδ = 10^-6— 10^-4, диэлект­риков с высоким удельным сопротивлением tgδ = (2—6) • 10^-4, остальных tgδ = 0,001—0,1.

Если напряженность электрического поля, в котором находится ди­электрик, превысит некоторое значение, критическое для данного матери­ала, то он потеряет свои электроизоляционные свойства — произойдет пробой материала с образованием в нем канала с очень большой проводи­мостью. Значение напряженности однородного поля, при котором проис­ходит пробой, называется электрической прочностью материала. Эту величину можно получить по формуле:

E_пр.= U_пр./h

где U — напряжение, при котором происходит пробой, В; h — толщина материала, м.

При пробое в неоднородном электрическом поле критическую напря­женность электрического поля обычно называют «пробивной напряжен­ностью» или характеризуют материал значением пробивного напряжения.

Общими для электроизоляционных, полупроводниковых, проводнико­вых и магнитных материалов являются механические, тепловые и некото­рые физико-химические характеристики.

Большинство материалов подвергается при монтаже или эксплуатации механическим нагрузкам. Среди механических нагрузок следует выде­лить разрушающие напряжения: при растяжении σ_p , сжатии σ_с, статиче­ском изгибе σ_и, динамическом изгибе (ударная вязкость) а. У ряда мате­риалов (стекло, керамика и некоторые пластмассы) разрушающее

напряжение при сжатии значительно выше, чем при растяжении, в то время как у металлов эти характеристики одного порядка.

К важным механическим свойствам следует отнести пластичность, твердость, упругость. При достаточно высоких механических напряже­ниях у многих материалов наблюдается необратимое пластическое тече­ние, или остаточная пластическая деформация. Деформация приводит к уменьшению площади поперечного сечения, что может служить причи­ной последующего разрушения материала или конструкции.

Поведение большинства материалов с точки зрения тепловых воздей­ствий может быть оценено их теплоемкостью, тепловым расширением и коэффициентом теплопроводности. Однако условия эксплуатации, тип и агрегатное состояние материала существенно расширяют перечень тепло­вых характеристик. К ним относят также нагрев о стойкость, температуру плавления и размягчения, теплостойкость, температуру вспышки паров жидкостей, холодостойкость и др.

Теплоемкость С (Дж/ °С или Дж/К) — это отношение количества теп­лоты, сообщенной телу, к соответствующему повышению температуры. Удельная теплоемкость с (Дж / (кг ∙ К)) — это отношение теплоемкости к единице массы материала.

Коэффициент теплопроводности X (Вт / (м ∙ К)) характеризует способ­ность материала переносить теплоту от более нагретых частей материала к менее нагретым. Некоторые значения X приведены в табл. 14.1.

Тепловое расширение материалов оценивают температурным коэффи­циентом линейного расширения или размера (ТКЛР), характеризующим относительное изменение геометрических размеров образца материала при изменении температуры на один градус Цельсия или один Кельвин (1/°С или 1/К):

ТКЛР = а_р = Δl/(l- AT), (14.4)

где Δl — абсолютное изменение линейного размера образца материала, м; l — начальное значение линейного размера, изменившегося при измене­нии температуры, м; ΔT — изменение температуры, °С или К.

Изоляционные материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют, как правило, более высокую нагревостойкость.

Нагревостойкость — это способность электроизоляционного матери­ала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без ухуд­шения его свойств. В зависимости от значений допустимых при эксплуа­тации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости (табл. 14.2).

В настоящее время вместо класса нагревостойкости все чаще употреб­ляют понятие температурного индекса, соответствующего температуре (в градусах Цельсия), при которой срок службы материала равен 20 000 ч.

Температура плавления Т_пл и температура размягчения Т определя­ются у материалов соответственно кристаллического и аморфного строе­ния. При этом если температура Т_пя — строго фиксированная величина для каждого кристаллического материала, то Т_р — несколько условная величина, зависящая от способа ее определения.

Теплостойкость позволяет оценить стойкость изоляционных материа­лов к кратковременному нагреву. Она зависит от способа ее определения и характеризуется температурой, при которой образцы начинают претерпе­вать либо опасную деформацию, либо существенно изменяют твердость.

Температура вспышки паров жидкостей — это температура, при которой пары и газы, образующиеся при постоянном нагревании заданного объема жидкости, вспыхивают (но продолжительно не горят) при соприкосновении их с открытым пламенем. Эта характеристика представляет особый интерес при оценке трансформаторного масла и растворителей для лаков.

Электротехнические материалы применяются в различных климатических условиях, например, в условиях длительного воздействия отрицатель­ных температур или в жарком климате (тропиках). Поэтому важными харак­теристиками являются холодостойкость и тропикостойкость материалов.

Холодостойкость позволяет оценить способность материалов проти­востоять действию низких температур. При низких температурах электри­ческие свойства диэлектриков, как правило, улучшаются, но механиче­ские ухудшаются, поэтому холодостойкость определяется на основе изучения механических характеристик.

Тропикостойкостъ определяется для электроизоляционных материа­лов, предназначенных для электрооборудования, работающего в условиях тропического климата. В таких сложных условиях на материал влияют следующие факторы: высокая температура воздуха (до 55 °С), резкое изменение ее в течение суток (на 40 °С и более), высокая (до 95 %) или низкая влажность воздуха, интенсивная солнечная радиация, плесневые грибки, наличие в воздухе пыли и песка, насекомые и т.п.

К физико-химическим характеристикам диэлектриков относят кислот­ное число и вязкость жидких материалов, водо- и влагопоглощение элек­трической изоляции, стойкость материалов к воздействию излучений высоких энергий.

Кислотное число — это количество миллиграммов едкого кали (КОН), необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в 1 г жидкого диэлектрика. Чем выше кислотное число, тем больше свободных кислот в жидком диэлектрике, следовательно, тем выше проводимость диэлектрика, так как кислоты под действием электрического поля легко распадаются на ионы. Кроме того, кислоты могут более активно разру­шать другие материалы, с которыми контактирует жидкий диэлектрик.

Вязкость представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости, оценивающий ее теку­честь. Чем больше вязкость, тем жидкость более густая, т.е. обладает пло­хой текучестью. Чем меньше вязкость, тем легче заполняются полости, глубже проникает жидкость в пропитываемые материалы. Различают динамическую, кинематическую и условную вязкость.

Динамическая вязкость η измеряется в системе СИ в паскалях-секундах (Па • с), а в системе СГС — в пуазах (1 Па ∙ с — 10 П).

Кинематическая вязкость v — это отношение динамической вязкости к плотности жидкости d: v = η /d. Она измеряется в системе СИ в метрах в квадрате на секунду (м²/с), а в системе СГС — в стоксах (1 м²/с = 10 Ст).

Значение условной вязкости жидкостей и единицы ее измерения зави­сят от способа определения (типа вискозиметра), когда фиксируется время истечения заданного объема жидкости через отверстие установлен­ного диаметра. У всех жидкостей с ростом температуры вязкость умень­шается.

Для многих электроизоляционных материалов важными являются такие характеристики, как водо- и влагопоглощение, позволяющие оце­нить по количеству поглощенной за 24 ч воды или влаги (из воздуха) способность диэлектрика противостоять их воздействию. Водо- и влаго­поглощение W, %, определяют по формуле W = (G₁ - G_o) • 100/G₀, где

G_o— исходная масса образца, г; G, — масса того же образца после 24-часовой выдержки, г.

В последнее время все чаще пользуются такой характеристикой, как стойкость материалов к воздействию излучений высокой энергии, или радиационная стойкость. Воздействие излучений может привести к раз­рушению структуры материала или к новым молекулярным образова­ниям, химическим реакциям. В частности, в полимерах все преобразова­ния можно разделить на процессы деструкции (разрушение) и вулканизации (упрочнение). У материалов при этом меняются как меха­нические, химические, так и электрические характеристики.