Влажностные свойства диэлектриков

К влажностным свойствам изоляции относятся: гигроскопичность, влагопроницаемость, тропикостойкость.

Гигроскопичность – способность изоляционных материалов впитывать влагу из окружающей среды.

Атмосферный воздух всегда содержит определенное количество водяных паров. Абсолютная влажность оценивается массой водяного пара (m), содержащегося в единице объема воздуха.

Каждой температуре соответствует определенная абсолютная влажность при насыщении – m_нас. Большего количества влаги воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растет и давление водяных паров.

Чаще пользуются понятием относительная влажность воздуха, которая определяется следующим отношением:

, % (41)

При температуре 20 ^оС и нормальном атмосферном давлении 0,1 МПа значение m_нас составляет 17,3 г/м³. За нормальную влажность воздуха принимают φ, равную 65%.

С увеличением температуры увеличивается m_нас и уменьшается относительная влажность воздуха и наоборот. К особо сырым относятся помещения с φ = 100% (стены, потолок с конденсатом влаги).

При соприкосновении твердой изоляции с атмосферой, содержащей влагу, происходит два явления: адсорбция и абсорбция.

Адсорбция – это смачивание поверхности материала; абсорбция – это проникновение влаги внутрь материала по причине его пористой или неплотной структуры.

Причиной абсорбции являются силы, которые действуют между молекулами воды и частицами материала на его поверхности. Если эти силы притягивающие, то поверхности являются гидрофильными; если отталкивающие, то поверхности гидрофобные, т.е. не смачиваются водой.

Способность диэлектрика смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания (рис. 40).

а) б)

Рис.39. Угол смачивания: а – для гидрофильных поверхностей ϴ<90^o; б – для гидрофобных поверхностей ϴ>90^o

Полярные диэлектрики имеют гидрофильные поверхности (притягивают воду). Гидрофильные поверхности можно превратить в гидрофобные, если покрыть их лаками. Адсорбированная влагауменьшает поверхностное сопротивление материала, т.е. приводит к увеличению токов утечки не через диэлектрик, а по его поверхности.

Проникновение влаги даже во внутримолекулярные поры объясняется тем, что размер межмолекулярных пор составляет менее 1 нм, а молекулы воды имеют диаметр d=0,27 нм.

Если диэлектрик поместить в определенную среду с некоторой относительной влажностью и температурой, то через некоторое время он достигнет равновесной влажности – Ψ_р(рис.40).

Рис.40. Изменение влажности диэлектрика Ψ при увлажнении (кривая 1) и сушке (кривая 2) при постоянных значениях влажности и температуре окружающего воздуха

Абсорбция влаги приводит к уменьшению сопротивления изоляции, электрической прочности и увеличению угла диэлектрических потерь. Наиболее гигроскопичны материалы, имеющие пористую структуру.

О степени увлажнения можно судить по увеличению массы образца. Условным показателем степени увлажнения диэлектрика является влагопоглощаемость – W, определяемая по формуле:

, % (42)

где m₁ – начальная масса материала; m₂ – масса материала в конце увлажнения.

Однако количество поглощенной влаги не отражает степени изменения электрических свойств. Если поглощенная влага способна образовывать нити или пленки по толщине материала между электродами, то даже при небольшом повышении влажности существенно ухудшаться электрические свойства. Если влага распределиться по объему диэлектрика в виде несоединенных между включений, то ее влияние на электрические свойства материала будет значительно меньше.

Для уменьшения абсорбции используется пропитка материалов или покрытие их изоляционными лаками, но это лишь замедляет процесс увлажнения. Единственный способ защиты от проникновения влаги – это герметизация электрооборудования.

Влагопроницаемость – способность материала пропускать через себя пары воды.

Эта характеристика важна для материалов, применяемых в качестве шлангов для кабелей, компаундных заливок, защитных лаковых покрытий.

Количество влаги, проходящей через диэлектрик (m) определяется по формуле:

(43)