Основные виды жидких диэлектриков

Электроматериаловедение — Жидкие диэлектрики

Страница 23 из 59

ГЛАВА XI. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ § 47. Классификация и назначение жидких диэлектриков В качестве жидких электроизоляционных материалов в электротехнических устройствах применяют электроизоляционные минеральные масла и синтетические жидкие диэлектрики: совол и кремний — органические жидкости. Наибольшее применение имеют минеральные нефтяные масла. По характеру использования в качестве жидких диэлектриков нефтяные масла могут быть разделены на три группы: масла для силовых трансформаторов и высоковольтных выключателей; кабельные масла, используемые для пропитки бумажной изоляции высоковольтных кабелей; конденсаторные масла, применяемые для пропитки бумажной изоляции конденсаторов. Для этой же цели в бумажно-масляных конденсаторах используют искусственную жидкость — совол. Характерной особенностью всех жидкостей является то, что их молекулы обладают большей подвижностью по сравнению с молекулами твердого тела. Чем выше температура жидкостей, тем подвижность их молекул больше. Это свойство жидкостей определяется их вязкостью. Большая подвижность молекул жидкостей обеспечивает им возможность заполнять различные пустоты и твердой изоляции. Минеральные масла хорошо пропитывают такие пористые электроизоляционные материалы, как картоны, бумаги, дерево и др. Будучи хорошими диэлектриками, минеральные масла, проникнув в поры такой изоляции, улучшают их электрические характеристики. Так, например, у пропитанной минеральным маслом бумаги резко возрастает по сравнению с непропитанной электрическая прочность Епр. Минеральные масла при температурах около 70—80° С обладают небольшой вязкостью, поэтому частицы масла приобретают большую подвижность. Это позволяет использовать нефтяные масла в трансформаторах для охлаждения обмоток. Масло в трансформаторах нагревается у обмоток и, притекая к холодным частям бака трансформатора, отдает им полученное тепло. Масло, имеющее большую вязкость, не обеспечит необходимого охлаждения трансформатора. На рис. 103 приведена кривая вязкости нефтяного трансформаторного масла в зависимости от температуры. В высоковольтных трансформаторах нефтяное масло является не только теплопроводящей средой, но и главным электроизоляционным материалом. Оно заполняет пространство между обмотками трансформатора и тем самым усиливает изоляцию трансформатора. Выполняя эту роль, масло должно обладать в первую очередь большой электрической прочностью и малой величиной тангенса угла диэлектрических потерь.

Рис. 103. Вязкость трансформаторного масла в зависимости oттемпературы В высоковольтных выключателях применяется то же самое масло, что и в трансформаторах. Здесь масло выполняет не только функцию жидкого диэлектрика, изолирующего части выключателя от стенок бака, но и среды, гасящей электрическую дугу, возникающую между контактами выключателя при отключении им высоковольтных сетей. Процесс гашения электрической дуги состоит в следующем: при высокой температуре электрической дуги масло разлагается с выделением газов (водорода, ацетилена, этилена и др.). Газы вытесняют масло из части объема около контактов выключателя и образуют здесь газонов пространство. Давление в этом газовом пространстве повышается, к результате чего горение дуги прекращается. В электрических кабелях минеральное масло применяется в чистом виде без каких-либо растворенных в нем веществ или в виде пропиточного состава для пропитки бумажной изоляции. В последнем случае в минеральное масло вводят канифоль, которая растворяется в масле. В результате этого вязкость масла повышается и оно не перетекает в бумажной изоляции внутри ка беля.

§ 48. Минеральные электроизоляционные масла

Минеральные масла получают методом дробной перегонки нефти. Химический состав их определяется составом нефти. Все нефтяные масла являются смесью различных углеводородов парафинового (метанового), нафтенового и ароматического рядов. Углеводороды парафинового ряда представляют собой соединения углерода и водорода в виде молекул цепочечной структуры: Как видно из этой формулы, цепочки могут быть различной длины в зависимости от количества соединенных между собой атомов углерода. Углеводороды метанового ряда обладают хорошей химической стабильностью, т. е. стойкостью против окисления. Нафтеновые углеводороды представляют собой соединения углерода с водородом в виде замкнутых колец с боковыми цепями. Поэтому они часто называются циклическими углеводородами. Содержание их в масле достигает 70—85%. Ароматические углеводороды тоже являются циклическими соединениями углерода с водородом, имеющими (аналогично нафтенам) небольшие боковые цепочки. Установлено, что удаление этих углеводородов из электроизоляционного масла приводит к его быстрому окислению, однако чрезмерное количество ароматических углеводородов в составе масел понижает температуру вспышки паров масла и вызывает выпадение осадков. В результате этого ухудшаются электрические характеристики масла. Количество ароматических углеводородов в масле регулируется в зависимости от химического состава нефти. Представителем ароматических соединений является бензол, химическая формула которого такова: Как видно из этой формулы, ароматические соединения в отличие от нафтенов имеют так называемую двойную связь между атомами углерода, что обеспечивает их стойкость против окисления. В состав электроизоляционных нефтяных масел входят еще другие компоненты — органические кислоты, смолистые вещества, сернистые соединения. Изготовление масел из нефти — сложный технологический процесс, состоящий из ряда физико-химических операций. Содержащиеся в нефти отдельные ее части кипят при разных температурах и поэтому могут быть из нее удалены раздельно — путем нагрева в вакууме до разных температур. При температурах ниже 100° С из нефти выделяются легкие продукты: бензин, лигроин, керосин. Из оставшейся части, называемой мазутом, при температуре выше 300° С выделяется соляровое масло. Путем последовательной обработки масла кислотой и щелочью из него удаляют химически нестойкие соединения и получают электроизоляционное масло. Полученное масло промывают теплой дистиллированной водой, вводимой в масло в виде тонких струй. После отстоя и удаления посторонних продуктов промытое водой масло сушат и очищают отбеливающей глиной* от химически нестойких веществ. Для этого в масло вводят отбеливающие глины или земли. Затем эго масло фильтруют, пропуская его через слои фильтровального картона, установленные в аппарате фильтр-прессе. Трансформаторное масло выпускается двух марок: масло трансформаторное и масло трансформаторное с антиокислительной присадкой. В состав масла второй марки вводится вещество — антиокислительная присадка для стабилизации физико-химических свойств масла. Все трансформаторные масла обычно делят на следующие группы:

1. — не бывшее в эксплуатации свежее масло, полученное с завода-изготовителя;
2. — чистое сухое масло. В эту группу входят:

а) еще не бывшее в эксплуатации; б) масло, уже бывшее в эксплуатации, но восстановленное химически;

1. — масло, находящееся в эксплуатации;

Таблица 27 Технические условия на свежее трансформаторное масло

* Некоторые глины и земли относятся к поверхностно-активным веществам, частицы которых поглощают из масла различные загрязнения (воду, смолистые вещества и др.).

1. — масло, изъятое из обращения и подлежащее восстановлению (регенерации).

Свежее трансформаторное масло перед заливкой его в аппараты и трансформаторы подвергается испытанию. Главные его характеристики приведены в табл. 27. Как видно из таблицы, электрическая прочность свежего масла не нормируется. Эта характеристика нормируется «Правилами технической эксплуатации» лишь для сухого масла и масла, находящегося в эксплуатации. Величины электрической прочности нормируются по величинам рабочих напряжений маслонаполненных аппаратов согласно табл. 28. Кроме того, для эксплуатационного масла температура вспышки должна быть не ниже 135° С, а кислотное число не выше 0,4 мг КОН/г. Таблица 28 Пробивное напряжение сухого и эксплуатационного масла *

* Пробой слоя толщиной 2,5 мм о стандартном пробойника (см. рис. 7G). Большое количество электроизоляционных нефтяных масел используют также в производстве силовых кабелей с бумажной изоляцией. В зависимости от конструкции кабелей масла делятся по вязкости, величине tg б и температуре застывания на следующие три группы: 1 — масла малой вязкости МН-2; 2 — масла средней вязкости С-110 и С-220; 3— масла вязкие П-28. Маловязкое масло МН-2 применяется в маслонаполненных кабелях низкого и среднего давления (до 3 атм). Малая вязкость масла (около 9 сст при 50° С) для таких кабелей необходима, чтобы обеспечить подпитку кабеля маслом через сравнительно небольшие каналы в нем при всех эксплуатационных температурах. Средневязкие масла С-110 и С-220 предназначаются для пропитки и заполнения маслонаполненных высоковольтных кабелей на напряжение 110 кВ и выше при давлении около 14 атм. Эти масла не содержат в своем составе ни ароматических углеводородов, ни асфальто-смолистых веществ. Они представляют собой технически чистую смесь нафтеновых и парафиновых углеводородов, поэтому обладают весьма устойчивыми электрическими характеристиками, особенно величиной tg б. Установлено, что чем больше вязкость таких масел, тем меньше величина tg б, Наиболее вязкое масло применяется для кабелей с бумажной изоляцией до 35 кВ, у которых пропитывающим жидким веществом является масло П-28 с растворенной в нем канифолью. Вязкость этой маслоканифольной пропиточной массы должна иметь резко падающую кривую зависимости ее от температуры. В процессе производства кабеля при его пропитке при температурах 115—130°С необходима малая вязкость массы. В процессе эксплуатации при 65—80° С нужна, наоборот, высокая вязкость, затрудняющая передвижение пропиточной массы в кабеле, если он расположен вертикально или наклонно. Наряду с высокой электрической прочностью для всех кабельных масел весьма важно, чтобы величина tg 6 была малой и с повышением температуры не возрастала бы резко. Масла в кабелях соприкасаются с металлами — медью, свинцом, являющимися катализаторами их окисления, поэтому необходимо, чтобы они обладали высокой химической устойчивостью против окисления в эксплуатационных условиях. Кроме того, в высоковольтных маслонаполненных кабелях недопустимы газовые пузырьки, ослабляющие электрическую прочность изоляции кабеля. При высоких напряженностях электрического поля в кабелях нафтеновые и парафиновые углеводороды могут разлагаться и выделять водород, т. е. образовывать газовые пузырьки. В кабелях с вязкой пропиткой (П-28) такие газовые выделения поглощаются канифолью. В маслонаполненных кабелях с высоким давлением процесс ионизации, в результате которого выделяется водород, отсутствует или значительно ослаблен давлением. Поэтому газовыделение — важный показатель лишь для маслонаполненных кабелей низкого давления. Таблица 29 Физические и электрические характеристики электроизоляционных масел *

Для высоковязкого масла П-28 данные; не приведены, так как оно применяется в кабелях и виде маслоканифольной массы. Для сравнения с величиной вязкости других масел следует указать» что его вязкость при 100е С наиболее высокая и равна 26—30 сст. В табл. 29 приведены основные характеристики двух кабельных масел. Применяемое в бумажно-масляных конденсаторах нефтяное масло служит электроизоляционным материалом, обеспечивающим высокие величины напряженности электрического поля. Поэтому для конденсаторного масла весьма важны электрические характеристики, а именно: малая величина tg 6, высокая электрическая прочность, большое удельное объемное сопротивление. Диэлектрическая проницаемость е жидких диэлектриков для конденсатора желательна большей величины, однако в нефтяных маслах этого достигнуть нельзя, так как эти масла — неполярные диэлектрики. Конденсаторное масло получают в результате более тщательной очистки, чем трансформаторное масло. Очистка состоит из ряда последовательных химических обработок масла с помощью кислот, щелочей, промывки горячей водой и очистки отбеливающими глинами.

§ 49. Влияние примесей и физико-химических факторов на свойства электроизоляционных масел

Рис. 105. Зависимость электрическом прочности трансформаторного масла от содержания в нем воды (при разной температуре) , Свойства масел изменяются в зависимости от примесей, которые могут попасть в них в условиях эксплуатации, а также от температуры и других факторов. Рис. 104. Зависимость электрической прочности трансформаторного масла от содержания в ней воды (при 25° С) Следует указать, что электрическая прочность масла Епр снижается от содержания в нем воды и различных твердых примесей. Вода, попавшая в масло, может в нем раствориться в большом количестве (молекулярная вода). При понижении температуры эта растворенная вода выпадает, создавая мельчайшие капельки (эмульсионная вода), распространенные по всему объему масла. Молекулярная вода оказывает на величину электрической прочности небольшое влияние. Эмульсионная же вода сильно снижает пробивную прочность EПр, что иллюстрируется рис. 104. Если такую зависимость определить у одного и того же увлажненного масла при разных температурах, то величины Еар при более высокой температуре расположатся выше. Это объясняется тем, что при высокой температуре часть воды из эмульсионной перешла в молекулярную. Такая зависимость приведена па рис. 105. Рис. 106. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от расстояния между электродами различной формы Повышение температуры сухого масла снижает его электрическую прочность. Большое влияние на электрическую прочность масла и его пробивное напряжение Unp оказывают форма электродов и расстояние между ними. На рис. 10(5 показана зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от расстояния между электродами в виде шаров и закругленных пластин (кривая /) и пластин с острыми краями (кривая 2). На рисунке видно, что в последнем случае значения С/пр с увеличением расстояния между электродами значительно меньше, чем в первом случае. Это объясняется неоднородностью электрического поля, образуемого электродами с острыми краями.

Рис. 107. Зависимость тангенса ума диэлектрических потерь двух различных масел от температуры: 1 — бакинское свежее (очищенное) масло, 2 — эмбенское свежее очищенное масло; 3 — бакинское масло, бывшее б употреблении, 4 — эмбенское масло, бывшее в употреблении Длительность воздействия напряжения также влияет на электрическую прочность. При импульсных напряжениях электрическая прочность масла выше, чем при переменном или постоянном напряжении. При увеличении внешнего давления прочность масла также увеличивается. Величина тангенса угла диэлектрических потерь tg 6 у масел обусловлена их электропроводностью. С повышением температуры электропроводность увеличивается и аналогично этому нарастает tg б. Это хорошо видно на рис. 107, где приведены кривые зависимости tg 6 от температуры для двух различных масел. Кривые показывают, что увеличение tg б масел в случае их окисления происходит в результате повышения проводимости масел (графики 3 и 4 на рис. 107). Все электроизоляционные масла должны обладать высокой стабильностью своих характеристик, которые могут изменяться, когда масло стареет. Старение масла в основном выражается в окислении его кислородом воздуха. Высокая температура в эксплуатационных условиях это окисление ускоряет. Старение масла ускоряется также металлическими катализаторами: медью, латунью, железом и другими металлами. Присутствие воды в масле ускоряет процесс его старения. При старении в масле образуются твердые смолообразные примеси, не растворимые и растворимые в горячем масле. Такие примеси выпадают в виде осадков на обмотках и других частях трансформатора, что затрудняет теплоотвод от нагретых частей. Будучи же растворенными в масле, примеси значительно ухудшают его электрические свойства. В процессе старения масла в нем образуются кислоты, которые могут вызвать разрушение изоляции обмоток. Чтобы замедлить старение масел, в них вводят вещества, задерживающие окисление — ингибиторы *. Однако присадка ингибиторов не может полностью предохранить масло от окисления и старения. Поэтому электроизоляционные масла следует хранить и перевозить в сухой чистой таре, перекачивать их по чистым металлическим трубопроводам (но не по резиновым шлангам, которые, растворяясь, загрязняют масло). В условиях эксплуатации масло необходимо защищать от проникновения в него воздуха и влаги. Крышки маслонаполненных аппаратов должны плотно закрываться и иметь консерваторы, т. е. дополнительные бачки. Иногда в трансформаторах пространство над уровнем масла заполняют инертным газом, например азотом, который химически не действует на масло и защищает масло от окисления.

• Назад
• Вперед

Основные виды жидких диэлектриков

⇐ ПредыдущаяСтр 25 из 28Следующая ⇒

В качестве жидких электроизоляционных материалов в элек­тротехнических устройствах применяют нефтяные масла (конден­саторное, трансформаторное, кабельное) и синтетические жидко­сти (хлорированные углеводороды, кремний- и фторорганические жидкости, сложные эфиры различных типов).

Нефтяные электроизоляционные масла. Основную часть этих масел составляют углеводородные компоненты. Кроме того, в их составе присутствуют и другие компоненты (в количестве до 1%), содержащие атомы серы, кислорода или азота. Нефтяные электро­изоляционные масла получают путем тщательной очистки остаточных фракций нефти. Эти масла обладают рядом положительных свойств, которые и обеспечили им весьма широкое применение:

а) достаточно высокая электрическая прочность;

б) малый тангенс диэлектрических потерь при хорошей очистке масел;

в) дешевизна.

Конденсаторное масло. Основные параметры этого мас­ла приведены в табл. 15.1.

Его применяют для пропитки изоляции в бумажных и пленочных конденсаторах. При пропитке бумажно­го диэлектрика повышаются его диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность и снижается величина диэлектрических потерь, что дает возможность уменьшить габариты, массу и стоимость конденсатора при заданном рабочем напряжении, частоте и емкости.

Трансформаторные и кабельные масла имеют пониженные электрические свойства по сравнению с конденсаторными и исполь­зуются в мощных электротехнических устройствах.

К недостаткам нефтяных масел можно отнести: а) пожаро- и взрывоопасность; б) ограниченный интервал рабочих температур; в) склонность к электрическому старению.

Синтетические жидкие диэлектрики по некоторым свойствам превосходят нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорированные углеводороды получают из различ­ных углеводородов (дифенила, бензола) путем замены в их моле­кулах части атомов водорода атомами хлора. Наиболее известны­ми представителями этой группы являются совол и совтол-10. Атомы в молекулах этих материалов расположены несимметрично, поэтому совол и совтол-10 являются полярными диэлектриками (табл. 15.1).

Совол применяют взамен конденсаторного масла для пропитки и заливки изоляции бумажных конденсатором, что позволяет снизить их объем при равной реактивной мощности примерно в дна раза. Совол является негорючим веществом. Недостатки: высокая температура застывания (+5° С) и значительная вязкость к области рабочих температур, не позволяющие использовать совол в чистом виде для за­ливки трансформаторов.

Кремнийорганические жидкости обладают малыми диэлектрическими потеря­ми, низкой гигроскопичностью, повышенной нагревостойкостью (кратковременно до 250°С), низкой температурой застывания (от -60 до -140°С). Применяют их для пропитки изоляций конденсаторов, предназначенных для ра­боты в области высоких частот, при повышенных температурах, а также для заполнения электроприборов. Фторорганические жидкости можно рассматривать как производные углеводородов, в молекулах которых атомы водо­рода частично или полностью замещены атомами фтора. Фторорганические жидкости применяют для пропитки и залив­ки в конденсаторы и трансформаторы, для испытания элементов радиоэлектроники при низких и высоких температурах. К недостат­кам этих жидкостей необходимо отнести высокую стоимость.

Газообразные диэлектрики

Воз­дух наиболее широко используется как электроизоляционный материал. Он также проникает во все поры твердых материалов и насыщает жид­кости.

Воздух в основе своей представляет собой смесь азота и кис­лорода с примесью других газов. Типовой состав сухого воздуха (в процентах по объему) следующий: азот (N2) — 78,08%; кисло­род (О2) — 20,95%; углекислый газ (СО2) — 0,03%; водород и инертные газы (Аг, Не, Ne, Кr, Хе) — 0,94%. Электрические свой­ства воздуха приведены в табл. 15.2.

Воздух с точки зрения диэлектрических потерь можно рассматри­вать как идеальный диэлектрик. Однако недостатком воздуха, как диэлектрика, является низкая электрическая прочность.

Газообразные вещества имеют малую плотность вследствие больших расстояний между молекулами. Ввиду этого поляризация всех газов незначительна, а диэлектрическая проницаемость всех газjв, в том числе b воздуха, близка к единице (1,000072—1,00138).

Диэлектрические потери в газах вызваны в основном электропроводностью, так как ори­ентация дипольных молекул газов при их по­ляризации не сопровождается диэлектриче­скими потерями. Все газы отличаются весьма малой электропроводностью, и тангенс угла диэлектрических потерь у них ничтожно мал tgδ≈4·10-6.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является воз­никновение частичного разряда в виде короны, сопровождаемого свечением и разрушением молекул газа. При дальнейшем повыше­нии напряжения корона перерастает в кистевой разряд, который затем переходит в искровой разряд. В случае большой мощности разряда образуется дуга (дуговой разряд) с образованием плаз­ мы. Дуговой разряд сопровождается, кроме того, химическими про­цессами образования озона и оксидов азота.

Применение газов в качестве электрической изоляции. В этим случае к газам предъявляют следующие требования: они должны быть химически инертными, при ионизации не образовывать особо активных веществ, способных разрушить твердые материалы или вызвать коррозию материала. В высоковольтных устройствах для повышения электрической прочности газы часто используют при повышенном давлении. Более широко в герметизированных устройствах используют азот, который обладает практически одинаковой с воздухом элек­трической прочностью, но он менее активен, чем воздух, содержа­щий кислород.

Широкое применение в герметизированных электрических ус­тановках получили газы с высокими молекулярной массой и плот­ностью, прежде всего элегаз (шестифтористая сера SF6). Элек­трическая прочность элегаза примерно в 2,5 раза выше, чем возду­ха. Он применяется в образцовых конденсаторах, рассчитанных на напряжения до 500 кВ, в газонаполненных кабелях, в высоковольт­ных выключателях, рассчитанных на рабочее напряжение 750 кВ, где выполняет роль дугогасящего материала, а использование его в трансформаторах для электронных устройств позволяет снизить габариты и вес последних. К одному из недостатков элегаза сле­дует отнести его сравнительно высокую стоимость. В целях удешев­ления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешевым азотом.

В газоразрядных приборах и осветительных лампах в основном применяют инертные газы: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон. Наиболее широко применяют аргон, поскольку он обладает сово­купностью благоприятных свойств: относительно низким потенциа­лом ионизации, химической инертностью, невысокой теплопровод­ностью и более простой по сравнению с другими инертными газа­ми технологией получения и очистки.

⇐ Предыдущая25Следующая ⇒

Рекомендуемые страницы: