ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Содержание лекции: | |
14.1. | Общие положения |
14.2. | Проводниковые материалы |
14.3. | Электроизоляционные материалы |
14.4. | Магнитные материалы |
. | Контрольные вопросы |
Литература для самостоятельного изучения |
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 ρs 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) εr тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и электрическую прочность Епр.
Диэлектрическая проницаемость позволяет оценивать способность материала образовывать электрическую емкость. Значение ег показывает, во сколько раз увеличивается емкость при замене вакуума между электродами на реальный диэлектрический материал, и является безразмерной величиной. Диэлектрическая проницаемость гг 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 εг ≈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:
Eпр.= Uпр./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 σp , сжатии σс, статическом изгибе σи, 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 = ар = 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 Тпл и температура размягчения Т определяются у материалов соответственно кристаллического и аморфного строения. При этом если температура Тпя — строго фиксированная величина для каждого кристаллического материала, то Тр — 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 - Go) • 100/G0, где
Go— 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.
Дата добавления: 2016-07-05; просмотров: 2958;