Электроматериаловедение — Жидкие диэлектрики

Лабораторная работа № 2

Жидкие диэлектрики

Выполнил ст. группы: ЭПб-151

Емельянов Сергей Владимирович

Малахова Татьяна Федоровна

Цель работы : Ознакомление с жидкими диэлектриками и их применение.

Жидкие диэлектрики

Диэлектрик— вещество (материал), относительно плохо проводящее электрический ток. Жидкие диэлектрики — молекулярные жидкости, удельное электрическое сопротивление которых превышает 10 10 Ом см.Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры.

Общая характеристикажидких диэлектриков.

Жидкими диэлектриками являются насыщенные ароматические, хлорированные и фторированные углеводороды, ненасыщенные парафиновые и вазелиновые масла, кремнийорганические соединения (полиорганосилоксаны), сжиженные газы, дистиллированная вода, расплавы некоторых халькогенидов и др. Для жидких диэлектриков характерна ковалентная связь электронов в молекулах, а между молекулами действуют ван-дер-ваальсовые силы.

Проводимость жидкостей определяется ионизацией молекул и наличием в жидкости примесей. Основными примесями, уменьшающими электрическую прочность, являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Очистка диэлектрических жидкостей (дистилляцией, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом) приводит к уменьшению электропроводности и диэлектрических потерь и возрастанию электрической прочности. Электрическая прочность в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков.

Наиболее распространенными жидкими диэлектриками, применяемыми в качестве электроизоляционных материалов, являются:

нефтяные масла — трансформаторное, конденсаторное и кабельное;

синтетические жидкие диэлектрики — полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические;

растительные технические масла (касторовое, льняное, конопляное и тунговое) в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

Свойства наиболее применяемых жидких диэлектриков

Растительные масла

К растительным маслам относятся касторовое, тунговое, льняное, конопляное. Растительные масла — слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую нагревостойкость и используется как пластификатор и для пропитки бумажных конденсаторов. Тунговое, льняное и конопляное масла относятся к «высыхающим» маслам. Высыхание обусловлено не испарением жидкости, а химическим процессом, в основе которого лежит окислительная полимеризация. Используются в качестве пленкообразующих в лаках (в том числе электроизоляционных), эмалях и красках.

Касторовое масло получается из семян клещевины; иногда используется для пропитки бумажных конденсаторов. Плотность касторового масла 0,95-0,97 Мг/м3, температура застывания от минус 10 до минус 180 °С; диэлектрическая постоянная Ɛ равна 4,0 – 4,5 при температуре 200 °С; Епр=15-20 Мв/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте.

Льняное масло золотисто – желтого цвета получается из семян льна. Его плотность 0,93-0,94 Мг/м3, температура застывания – около -200 °С.

Тунговое (древесное) масло получают из семян тунгового дерева, которое разводится на Дальнем Востоке и на Кавказе. Тунговое масло не является пищевым и даже токсично. Плотность тунгового масла — 94 Мг/м 3 , температура застывания — от 0 до минус 50 °С. По сравнению с льняным маслом тунговое высыхает быстрее. Оно даже в толстом слое высыхает более равномерно и дает водонепроницаемую пленку, чем льняное.

Электронная библиотека

Общетехнические дисциплины / Материаловедение технология конструкционных материалов / 9.5 Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики в сравнении с газообразными обладают ря­дом преимуществ: у них более чем в три раза выше электри­ческая прочность, в три раза больше теплоемкость, в 30 раз выше те­плопроводность. Электрические свойства жидких диэлектриков в значительной мере зависят от степени их очистки. Даже небольшое содержание ионогенной примеси заметно ухудшает их электрические характеристики. Особенно существенно на электрическую прочность Епр

жидких диэлектриков влияет нерас­творенная полярная примесь, например вода.

Основное назначение жидких диэлектриков заключается в повы­шении электрической прочности твердой пористой изоляции, отводе тепла от обмоток трансформатора, гашении электрической дуга в масляных выключателях. В конденсаторах жидкие диэлектрики, про­питывая твердую изоляцию, повышают ее Епр

и диэлектрическую проницаемость (
ε
) и, тем самым, – емкость конденсатора.

Наиболее распространенными жидкими ди­электриками являются:

· нефтяные масла – трансформаторное, кон­денсаторное и кабельное;

· синтетические жидкости – полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические.

Растительные технические масла – касторовое, льняное, конопля­ное и тунговое – в настоящее время в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

Трансформаторное масло (нефтяное минеральное масло, пред­ставляющее смесь различных углеводородов) используется для за­ливки силовых трансформаторов. Здесь трансформаторное масло выполняет две роли:

1) повышает электрическую прочность изоляции, заполняя поры (волокнистой изоляции) и промежутки между проводами, обмотка­ми, трансформаторным баком;

2) улучшает теплоотвод, так как при работе трансформатора вы­деляется тепло.

При заливке масляных выключателей высокого напряжения трансформаторное масло способствует более быстрому охлаждению и гашению электрической дуги, образующейся при разрыве контак­тов. Применяется оно также, для заливки маслонаполненных вводов, реостатов и других электрических аппаратов. Электрическая проч­ность трансформаторного масла 20…50 МВ/м.

Для пропитки бумажных конденсаторов, особенно силовых, слу­жит конденсаторное масло, увеличивающее диэлектрическую прони­цаемость бумажного диэлектрика и его электрическую прочность, что позволяет уменьшать габариты, массу и стоимость конденсатора.

Конденсаторное масло может быть нефтяное или вазелиновое и обла­дает повышенной чистотой. Последнее имеет более высокую тем­пературу застывания (-5°С). Электрическая прочность конденсатор­ных масел не менее 20 МВ/м,

Кабельные масла (нефтяные) используются в производстве си­ловых электрических кабелей для пропитки бумажной изоляции с целью повышения ее электрической прочности и теплоотвода.

Недостатком нефтяных масел является их пожароопасность. В тех случаях, когда требуется полная пожаро- и взрывобезопасность, маслонаполненные трансформаторы и конденсаторы применяться не могут. В этих случаях применяются синтетические жидкие ди­электрики, например, хлорированные углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости и др. Наиболее широко применяют по­лярные продукты хлорирования дифенила. Они обладают более высокой диэлектрической проницаемостью, чем нефтяные масла, что позво­ляет уменьшать габариты конденсаторов. Недостатком хлорирован­ных дифенилов является их высокая токсичность.

Кремнийорганические жидкости

обладают малыми потерями, низкой гигроскопично­стью и повышенной нагревостойкостью. Различают полиметил (ПМС), полиэтил- (ПЭС), лифенилсилоксановые (ПФС) и другие кремнийорганические жидкости. Основным их недостатком является высокая стоимость.

Прекрасными электрофизическими характеристиками обладают фторорганические жидкости (включают в себя жидкие нефтеуглероды). Они имеют малый тангенс потерь, ничтожную гигроскопичность, высокую нагревостойкость и способны обеспечить значительно более интенсивный теплоотвод от охлаждаемых обмоток и магнитопроводов, чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости. Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость. Их недостатки – высокая летучесть паров, что требует герметизации аппаратов, в которые фторорганические жидкости заливаются, а также высокая стоимость.

ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают поляр­ными и неполярными. Их электрофизические свойства в значитель­ной степени зависят от строения молекул и наличия примесей. При­меси образуются при окислении и разложении углеводородных фракций, при поглощении воды и попадании частичек волокнистых материалов.

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической прони­цаемостью ε, электропроводностью, диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ), электрической прочностью Е .

У полярных жидкостей (совол, гексол, этиленгликоль) диэлектрическая проницаемость ε определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями. Например, у гексола ε = 3, у этиленгликоля ε = 40.

У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется в основном только электронной поляризацией, не зависит от частоты и уменьшается с ростом температуры, приближаясь к единице.

Это явление объясняется уменьшением числа молекул в единице объема. У неполярных жидкостей ε меньше, чем у полярных. Например, у четыреххлористого углерода ε = 2,163, у толуола ε = 2,294.

Электропроводность жидких диэлектриков обусловлена переме­щением ионов, которые возникают в результате диссоциации самой жидкости и примесей, а также перемещением заряженных частиц примеси — молионов. С повышением температуры возрастает подвижность ионов и степень тепловой диссоциации. Эти факторы увеличивают электропроводность.

При небольших напряженностях электрического поля вступает в силу закон Ома, т.е. электрический ток I

, проходящий в жидкости, меняется пропорционально напряженности поля. В электрических полях с большой напряженностью
Е
(примерно 10…100 МВ/м) элек­трический ток не подчиняется закону Ома из-за увеличения числа ионов под влиянием поля.

Кроме ионной электропроводности у жидких диэлектриков на­блюдается молионная электропроводность, когда носителями заря­дов являются мельчайшие примеси. Такими примесями могут быть вода, различные твердые высокодисперсные частицы, находящие­ся во взвешенном состоянии (волокна, пылинки и др.). Эти части­цы адсорбируют своей поверхностью ионы и при воздействии элек­трического поля перемещаются к соответствующим электродам. У технических жидких диэлектриков, содержащих определенную долю примесей, при комнатной температуре преобладает молионная про­водимость. Молионная проводимость наблюдается, например, у трансформаторного масла, содержащего мельчайшие частицы гли­ны и эмульгированную воду.

Очистка жидких диэлектриков от примесей заметно повышает их удельное сопротивление, однако полностью удалить примеси невозможно.

Преобладание конкретного вида проводимости зависит от энер­гии диссоциации, т. е. энергии, необходимой для разрушения моле­кул и образования ионов. Чем выше энергия диссоциации, тем мень­ше ионная проводимость.

У полярных жидкостей диэлектрические потери состоят из по­терь на электропроводность и потерь, связанных с дипольно-релаксационной поляризацией. Они зависят от температуры, частоты и вязкости жидкости, так как поворот диполей в вязкой среде вызывает потери энергии на трение молекул. На высоких частотах жид­кие диэлектрики имеют повышенные диэлектрические потери. Например, совол при температуре Т- 90°С и частоте f

= 50 Гц имеет tgδ = 0,015. Поэтому жидкие полярные диэлектрики не рекоменду­ют применять на высоких частотах.

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 малы, так как мала их электропроводность. Например, чистое трансформаторное масло при температуре Т= 90°С и частоте f = 50 Гц имеет tgδ = 0,003.

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.

Нефтяные электроизоляционные

масла. Нефтяные масла полу­чают в процессе ступенчатой перегонки нефти и удаления из нефтя­ного дистиллята (Продукт дистилляции; например, при перегонке нефти дистилляты — бензин, керо­син, смазочные масла и др) нестойких соединений (нафтеновых кислот, серы, смолы, кислорода, азота и др.).

Технологическая операция очистки нефтяного дистиллята от посторонних примесей называется рафинированием. От качества ее проведения в определенной степени зависят эксплуатационные свой­ства масла.

Эти масла обладают рядом свойств, которые обеспечили им широкое применение. Они сравнительно дешевы и могут производиться в больших количествах, при хорошей очистке имеют малый тангенс угла диэлектрических потерь tgδ, обладают достаточно высокой электрической прочностью.

К недостаткам нефтяных масел относят ограниченный интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность, склонность к старению.

При работе в малозаполненном электрическом аппарате вследствие окисления соответствующих фракций углеводородов масло постепенно стареет, становясь более темным. В нем образуются частично растворимые и нерастворимые загрязняющие продукты. Нерастворимые тяжелые примеси оседают на погруженные в масло детали в виде «ила», вязкость масла увеличивается, что ухудшает теплоотвод от нагревающихся деталей. Процесс старения уско­ряется при контакте с воздухом, особенно, если воздух содержит озон; воздействии света и электрического поля; соприкосновении с некоторыми металлами (медь, железо, свинец и т.п.) и другими ве­ществами с кристаллическим строением; повышении температуры, контактировании с резинами.

При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы, что опасно, так как пузырьки газов могут стать очагами частичных разрядов. Если при этом температура газообразных продуктов (смеси паров масла и воздуха) превосходит их температуру вспышки, то может произойти взрыв.

Способность масел не выделять газов при старении в электрическом поле (или даже поглощать ранее выделившиеся газы) называют газостойкостью масел.

Для борьбы со старением масел используют следующие средства:

вводят антиокислительные присадки (ингибиторы вещества, замедляющие химические реакции или прекращающие их; применяют для замедления или предотвращения некоторых процессов, например коррозии металлов, окисления топлив (от лат. inhibere — сдерживать, останавливать)), которые лег­ко соединяются с кислородом, защищая углеводородные фракции от окисления, замедляют старение масел и увеличивают его срок службы; ингибиторами являются ионол, пирамидон и др.;

ограничивают рабочую температуру (95°С для трансформаторов с воздушным охлаждением и 85°С — с водяным);

производят непрерывную фильтрацию масел через адсорбенты;

подвергают состарившееся масло регенерации (Превращение отработанных продуктов в исходные для повторного их использования (от лат. regeneratio — восстановление, возрождение, возобновление)), т.е. восстановлению его свойств путем очистки и сушки.

Трансформаторное масло

— жидкость от почти бесцветного до темно-желтого цвета. По химическому составу представляет собой смесь нафтеновых и парафиновых углеводородов и поэтому является неполярным диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью (ε = 2,2…2,3). После рафинирования масло допол­нительно очищается. Для этого оно обрабатывается щелочью, про­мывается водой и сушится. Окончательная очистка производится с помощью адсорбентов (Тела, на поверхности которых происходит поглощение вещества из раствора или газа) (силикагеля, инфузорных земель) и фильтр-прессов.

Трансформаторное масло обладает следующими свойствами: малая вязкость, что весьма важно, так как слишком вязкое масло хуже отводит теплоту потерь от обмоток и сердечника трансформатора и хуже пропитывает пористую изоляцию; температура застывания -70°С (что особенно важно для аппа­ратуры, работающей при низкой температуре окружающей среды);

электрическая прочность Е

пр — 10…25 МВ/м (очень чувствительна к увлажнению, но при сушке восстанавливается);

теплоемкость и теплопроводность масла увеличиваются с ростом температуры (при свободной конвекции (Перенос теплоты, массы, зарядов движущейся средой, например потоками воздуха, возникающими естественным путем в неоднородной среде (естественная конвекция) или создаваемыми искусственно (вынужденная конвекция) (от лат. convectio — привоз, шнесение)) масло отводит теплоту от погруженных в него обмоток и сердечника трансформатора в 25…30 раз интенсивнее, чем воздух).

Основными недостатками трансформаторного масла являются старение, воспламеняемость и горючесть, гигроскопичность (кате­горически запрещается хранить его в открытой таре).

Применяют трансформаторное масло в качестве изолирующей и охлаждающей среды в силовых и импульсных трансформаторах, реакторах высоковольтных выключателях, таких как дугогасящая среда.

Кабельное масло

отличается от трансформаторного повы­шенной вязкостью, а от конденсаторного — пониженными электри­ческими свойствами. Оно используется как составная часть в масляно-канифольных компаундах для пропитки изоляции силовых кабелей.

Конденсаторное масло

получается из трансформаторного после дополнительной обработки его в вакууме для удаления из него растворенного воздуха, что снижает диэлектрические потери. Его используют для пропитки изоляции в бумажных и пленочных кон­денсаторах, что позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конденсаторов.

Синтетические жидкие диэлектрики. Применение синтетических жидких диэлектриков предпочтительно в тех случаях, когда они по свойствам превосходят электроизоляционные масла. Например, ели требуется применение неполярных жидких диэлектриков или жидких диэлектриков с более высокой пожаро- и взрывоопасностью, чем у электроизоляционных масел.

Хлорированные углеводороды получают заменой некоторых или даже всех атомов водорода атомами хлора у различных углеводородов. Наиболее часто применяют полярные продукты хлорирования дифенила. Хлорированные дифенилы, а также газы, которые образуются при воздействии на эти жидкости электрической дуги, токсичны. Поэтому в ряде стран применение хлорированных дифенилов для пропитки конденсаторов запрещено законом. Наиболее известными представителями этой группы являются совол и севтол-10. Атомы в молекулах этих материалов расположены несимметрично, поэтому совол и севтол-10 являются полярными.

Совол и севтол-10 мало подвержены старению, не образуют с воздухом взрывчатых смесей, негигроскопичны, токсичны, дорогостоящи.

Совол (пентахлордифенил) представляет собой бесцветную вязкую жидкость, полученную хлорированием дифенила (С12Н10), в результате чего у последнего пять атомов водорода замещаются хлором. 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, температура застывания Т3 = + 5°С, электрическая прочность при температуре Т= 20°С
Е
пр = 14… 18 МВ/м, значительная вязкость и 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.

Севтол-10 — негорючая, с повышенной температурой застывания жидкость, которую получают, разбавляя совол трихлорбензолом. Применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформатров.

Кремнийорганические жидкости — это продукт синтеза кремнистых и углеродистых соединений, свойства которых определяются типом органических радикалов. В соответствии с этим различают полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые и полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Эти жидкости характеризуются высокой нагревостойкостью, низкой температурой застывания, малым температурным коэффициентом вязкости, химической инертностью, малыми диэлект­рическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ) и низкой гигроскопичностью.

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.

Основные свойства некоторых электроизоляционных жидкостей приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные свойства электроизоляционных жидкостей

Фторорганические жидкости

представляют собой произ­водные углеводородов, у которых атомы водорода замещены фто­ром. 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.

Кроме указанных жидких диэлектриков в радиоэлектронике при­меняют сильно полярные синтетические электроизоляционные жид­кости. Например, этиленгликоль (НО — СН2 — СН2 — ОН), который используют в качестве контрольной жидкости при контроле герме­тичности микросхем.

Приборы и принадлежности:рефрактометр, набор колб с растворами, стеклянная палочка, фильтровальная бумага.