Тема 3.3 Газообразные диэлектрики

Воздух используется практически в подавляющем большинстве электротехнических машин, аппаратов, трансформаторов и приборов, даже в устройствах, заполненных жидким диэлектриком. Так, маслонаполненный трансформатор имеет выводы (изоляторы), часть которых находится в окружающей воздушной среде, и воздух является частью системы изоляции. Газообразные диэлектрики работают обычно в сочетании с твердыми.
Отрицательной особенностью воздуха как диэлектрика является низкая электрическая прочность. На электрическую прочность газов влияет их химический состав.
В таблице 11 показаны отношения электрической прочности некоторых газов к электрической прочности воздуха и температура кипения этих газов.

Таблица 11 Электрическая прочность и температура кипения газов

Повышенную электрическую прочность имеют так называемые электроотрицательные газы, отличающиеся тем, что их молекулы способны присоединять к себе (захватывать) движущиеся свободные электроны, превращаясь таким образом в малоподвижные отрицательные ионы. Для осуществления ударной ионизации этими ионами требуется большая,

напряженность электрического поля, чем при ионизации электронами. К электроотрицательным относятся в частности, газы, содержащие в своих молекулах атомы фтора, брома и хлора. Хотя условия применения газов весьма различны, требования к ним как к электроизоляционным материал могут быть обобщены следующим образом. Важно, чтобы газы были химически инертными, не взаимодействовали с соприкасающимися с ними твердыми материалами. Желательно, чтобы при ионизации газы не образовывали особо активных химических веществ, способных разрушать твердые материалы, вызывать коррозию материалов. Это требование носит, в известной степени, относительный характер например, при ионизации воздуха образуются озон, окислы азота, а он все же широко используется. В высоковольтных устройствах для повышения электрической прочности газы часто используются при повышенном давлении. В связи с этим важно, чтобы они имели достаточно низкую температуру сжижения, так как она повышается с увеличением давления. Воздух является охлаждающей средой в случаях, когда тепло с поверхности нагретых частей отдается в окружающую среду.

В Высоковольтных герметизированных устройствах (конденсаторы, трансформаторы, кабели) газы применяются обычно под давлением. Исключение составляют некоторые вакуумные устойства.

Воздух под давлением в основном используется в так называемых образцовых (стабильных и не имеющих диэлектрических потерь) конденсаторах на сравнительно невысокие напряжения – до 1 кВ, в редких случаях на напряжение 10-35 кВ. Более широкое применение находит азот под давлением – газ, инертный в химическом отношении и при ионизации не выделяющий агрессивных продуктов. Азот имеет неблагоприятную особенность – в зависимости его электрической прочности от давления при относительно невысоком давлении наступает насыщение – напряжение практически перестает расти с увеличением давления. Давление, вызывающее это насыщение, зависит от однородности электрического поля.

«Пробой газов»

Внешней изоляцией во-многих видах электротехнических кон-
струкций: в трансформаторах, конденсаторах, на линиях электропередачи — служит воздух. Электрическая прочность воздуха в нормальных условиях невелика по сравнению с Е_пр большинства жидких и твердых диэлектриков.

Небольшое количество содержащихся в газе положительных и
отрицательных ионов и электронов, находящихся, как и нейтральные молекулы газа, в беспорядочном тепловом движении, при наложении поля получает некоторую добавочную скорость и начинает перемещаться в направлении поля или в противоположном, в зависимости от знака заряда. При этом заряженная частица газа приобретает дополнительную энергию

W = qU_λ,

где q — заряд,

U_λ,— падение напряжения на длине свободного пробега λ.

Если поле достаточно однородно, то можно положить U_λ = Еλ, где Е — напряженность поля. Отсюда

W = Eqλ.

Добавочная энергия заряженных частиц сообщается молекулам, с которыми они сталкиваются. Если эта энергия достаточно велика, происходит возбуждение атомов и молекул, связанное с переходом, электрона на более удаленную от ядра орбиту, или даже ионизация
молекул, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы. Условием, определяющим возможность ионизации, является

W≥W_и, Eqλ ≥ W_и.

причем W включает в себя и энергию теплового движения, обычно
небольшую при нормальной температуре.

Энергию ионизации W_и обычно характеризуют ионизационным
потенциалом

U_и = W _и /q.

Ионизационный потенциал различных газов лежит в пределах от 4 до 25 В, что соответствует энергии ионизации от 4 до 25 эВ.

При заданных значениях давления газа и температуры ударная ионизация начинается при определенной напряженности поля, поскольку q и λ постоянны для каждого газа. Эта напряженность поля Е называется начальной напряженностью.

В некоторых газах, например в кислороде, углекислом газе, парах воды, отделившийся электрон при, одной из ближайших встреч с другой нейтральной молекулой соединяется с ней, превращая ее в электроотрицательный ион. Присоединение, «прилипание» электрона к нейтральной молекуле приводит в подобных случаях к такой перестройке ее электронной оболочки, что в итоге энергия молекулы, захватившей лишний электрон, оказывается меньше энергии нейтральной молекулы на некоторую величину, которую называют энергией сродства к электрону. Она колеблется у разных газов от 0,75 до 4, 5 эВ. В инертных газах — в аргоне, неоне, гелии, криптоне, ксеноне, а также в азоте — отрицательные ионы не возникают. При разряде в воздухе образуются положительные ионы

О⁺, O⁺₂, N⁺, N₂⁺, NO⁺.

Скорость электрона (км/с), прошедшего без столкновений разность потенциалов U (вольт), определяется выражением

v ≈ 600√U

Подставляя в эту формулу ионизационные потенциалы, видим, что электрон ионизирует газовые молекулы, когда скорость его движения свыше 1000 км/с.

Казалось бы, что, подобно электронам, и положительные ионы, разогнанные полем, сталкиваясь с нейтральными частицами газа, должны вызывать ионизацию газа. В действительности при энергиях до сотни и тысячи электронвольт соударения положительных ионов с частицами газа непосредственно не приводят к ионизации газа. Это различие бомбардировки частиц газа электронами и положительными ионами объясняется тем, что электроны имеют значительно большую подвижность, чем ионы. Кроме того, отщепляемый электрон отталкивается электроном, столкнувшимся с частицей газa, и, наоборот, притягивается положительным ионом. Сказывается также и то, что для электрона длина свободного пробега больше, чем для иона. Если положительный ион, разогнанный полем, испытывает соударение с периферическим электроном нейтральной частицы, то условия для отщепления электрона оказываются неблагоприятными, так как при большом различии массы энергия, отдаваемая электрону при ударе, мала. Ионизация при соударении ионов с частицами газа зависит от химической природы столкнувшихся частиц, ибо соударения являются элементарным актом химической реакции. В явлениях разряда в газе, находящемся между металлическими электродами, положительные ионы
высвобождают электроны из металла, бомбардируя поверхность катода.

В ряде случаев электрон, разогнанный полем, может не ионизировать молекулу, а привести ее, как указывалось выше, в возбужденное состояние. В следующий момент эта возбужденная молекула отдает свою избыточную энергию в форме излучения — испускает фотон. Фотон поглощается какой-либо другой молекулой, которая при этом может ионизироваться. Такая внутренняя фотонная ионизация газа благодаря большой скорости распространения излучения приводит к особенно быстрому развитию в разрядном промежутке каналов с повышенной проводимостью газа.

На рис. 21 представлена схема, поясняющая, почему рост
электропроводящего канала — стримера — происходит быстрее, чем продвижение электронной лавины.

Рисунок 21 Схематическое изображение распространения стримера
при пробое газа

На этом рисунке лавины условно показаны в виде заштрихованных конусов, а волнистыми линиями изображены пути фотонов. Внутри каждого конуса, представляющего собой развивающуюся лавину, газ ионизируется ударами электронов; вновь отщепленные электроны, разгоняемые полем, ионизируют встречаемые ими частицы газа, и таким образом лавинообразно нарастает число электронов, движущихся к аноду, и число положительных ионов, направляющихся к катоду.

Начала волнистых линий исходят из атомов, которые были возбуждены ударами электронов и вслед за тем испустили фотон. Двигаясь со скоростью 3•10⁸ м/с, фотоны обгоняют лавину и в каком-то месте, соответствующем концу волнистой линии, ионизируют частицу газа. Отщепленный здесь электрон, устремляясь к аноду, порождает новую лавину далеко впереди первой лавины. Таким образом, пока первая лавина вырастает, скажем, на длину малой стрелки АВ, показанной на рис. 21, намечающийся канал повышенной проводимости газа, т. е. стример, распространяется на длину
большой стрелки CD, показанной на том же рисунке.

В следующей стадии отдельные лавины в отрицательном стримере, нагоняя друг друга, сливаются, образуя сплошной канал ионизированного газа.

Одновременно с ростом стримера, направленного от катода
к аноду, начинается образование встречного лавинного потока положительно заряженных частиц, направленного к катоду. Положительный стример представляет собой канал газоразрядной плазмы. Поясним это подробнее. Электронные лавины оставляют на своем пути большое число новообразованных положительных ионов, концентрация которых особенно велика там, где лавины получили свое наибольшее развитие, т. е. около анода. Если концентрация положительных ионов - здесь достигает определенного значения (близкого к 10¹² ионам в 1 см³), то, во-первых, обнаруживается интенсивная фотонная ионизация, во-вторых, электроны, освобождаемые частицами газа, поглотившими фотоны, притягиваются

положительным пространственным зарядом в головную часть полотельного стримера и, в-третьих, вследствие ионизации концентрация положительных ионов на пути стримера увеличивается. Насыщение электронами пространства, заполненного положительными зарядами, превращает эту область в проводящую газоразрядную плазму. Под влиянием ударов положительных ионов на катоде образуется катодное пятно, излучающее электроны. В результате указанных процессов и возникает пробой газа. Обычно пробой газа совершается практически мгновенно: длительность

подготовки пробоя газа при длине промежутка 1 см составляет 10^-7- 10^-8 с. Чем больше напряжение, приложенное к газовому промежутку, тем быстрее может развиться пробой. Если длительность воздействия напряжения очень мала, то пробивное напряжение повышается. Это повышение обычно характеризуют коэффициентом импульса

где U_np — пробивное напряжение при данном импульсе,

U_пр50 — пробивное напряжение при постоянном или переменном напряжении, частотой 50 Гц

Коэффициент импульса в резко неоднородных электрических полях может доходить до 1,5.

Явление пробоя газа зависит от степени однородности электрического поля, в котором осуществляется пробой. Рассмотрим явление пробоя газа в однородном поле. Однородное поле можно получить между
плоскими электродами с закругленными краями, а также между сферами большого диаметра при малом расстоянии между ниш. В таком поле пробой
наступает практически мгновенно при достижении строго определенного напряжения, зависящего от температуры и давления газа. Между электродами возникает искра, которая затем переходит в дугу, если источник напряжения имеет достаточную мощность. Появление искры при известном расстоянии между электродами используют для определения значения приложенного напряжения (измерение высоких напряжений при помощи шаровых разрядников).

Зависимость электрической прочности воздуха (амплитудные значения) от расстояния между электродами показана на рис.22.

Рисунок 22 Зависимость электрической прочности воздуха от расстояния между электродами в однородном поле

При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение электрической прочности. Это явление можно объяснить трудностью формирования разряда при малом расстоянии между электродами. При нормальных условиях, т. е. при давлении 0,1 МПа и температуре 20°С, электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет примерно 3,2 МВ/м; она достигает 70 МВ/м при h = 5 мкм.

Электрическая прочность газа в сильной степени зависит от его плотности (т. е. от давления, если температура постоянна). При малых изменениях температуры и давления газа пробивное напряжение пропорционально плотности газа. Поэтому для расчета пробивных напряжений воздуха применяется формула

где U_np — пробивное напряжение при данных температуре и давлении,

U_np0 — пробивное напряжение при нормальных условиях
(t = 20° С и р = 0,1 МПа),

δ — относительная плотность воздуха, рассчитанная по соотношению:

при нормальных условиях δ = 1

При больших давлениях и соответственно повышенной плотности газа расстояние между молекулами становится меньше; тем самым уменьшается длина свободного пробега электронов, и, для того, чтобы произошел пробой, должна быть увеличена напряженность поля

Рисунок 23 Зависимость электрической прочности газа от давления

При уменьшении давления вначале наблюдается падение электрической прочности, как видно из рис.23; когда же давление доходит до некоторого предела, ниже атмосферного давления, и разряжение достигает высоких степеней, электрическая прочность вновь начинает возрастать. Это возрастание объясняется уменьшение числа молекул газа в единице объема при сильном разряжении и снижением вероятности столкновений электронов с молекулами. При высоком вакууме пробой можно объяснить явлением вырывания электронов из поверхности электрода (холодная эмиссия). В этом случае электрическая прочность доходит до весьма высоких значений и зависит от материала и состояния поверхности электродов. Большую электрическую прочность вакуума используют в технике при конструировании вакуумных конденсаторов для больших напряжений высокой частоты. Газы при больших давлениях применяют в качестве изоляции для высоковольтной аппаратуры, а также в производстве кабелей и конденсаторов высокого напряжения. Химический состав газа заметно влияет на величину электрической прочности.

Закономерности, которым подчиняется пробой газов в неоднородном поле, заметно отличается от описанных выше закономерностей, наблюдаемых при пробое в однородном поле. Неоднородное поле возникает между двумя остриями, острием и плоскостью, между проводами линий электропередачи, между сферическими поверхностями при расстоянии между ними, превышающем радиус сферы, и т. д.

Особенностью пробоя газа в неоднородном поле является возникновение частичного разряда в виде короны в местах, где напряженность поля достигает критических значений, с дальнейшим переходом короны в искровой разряд и дугу при возрастании напряжения.

В случае электродов игла—плоскость и положительной полярности иглы пробой происходит при меньшем напряжении, чем при обратной полярности (рис. 24).

Рисунок 24 Зависимость пробивного напряжения воздуха от расстояния между электродами в неоднородном поле

Это объясняется следующим образом. Ионизация газа при любой полярности на электродах происходит в районе иглы, где существуют наибольшие значения напряженности электрического поля, и, следовательно, около нее образуется «облако» из положительно заряженных ионов — молекул, с орбит которых сорваны электроны. При положительной полярности на игле этот объемный заряд служит продолжением иглы и сокращает протяженность разрядного промежутка. Положительный объемный заряд отталкивается и уходит от положительно заряженной иглы, однако более подвижные электроны, обусловливающие процесс ионизации, все время успевают его восстанавливать, т. е. получается картина «прорастания» положительного объемного заряда, связанного с иглой, в сторону отрицательно заряженной плоскости. Поэтому пробой и наступает при меньшем напряжении, чем в случае противоположной полярности электродов, когда объемный заряд частично нейтрализует и экранирует иглу с отрицательной полярностью от плоскости, заряженной положительно.

При высоких частотах напряжение, соответствующее появлению короны, почти совпадает с пробивным, напряжением, которое мало возрастает с увеличением расстояния между электродами. Этого не наблюдается при промышленной частоте, где зависимость практически линейная.

Разряд в воздухе у поверхности твердого диэлектрика, называемый в технике поверхностным разрядом (перекрытием), возникает обычно при более низких напряжениях, чем в том случае, когда между электродами имеется только воздух. На разрядное напряжение влияют форма электрического поля, обусловленная конфигурацией электродов и диэлектрика, частота поля, состояние поверхности диэлектрика,
давление воздуха.

Относительная влажность воздуха сильно влияет на разрядные напряжения изоляторов при низкой частоте и постоянном напряжении и мало сказывается при радиочастотах. При частоте 50 Гц повышение относительной влажности воздуха с 60 до 80—90%, например, снижает почти вдвое разрядные напряжения керамических изоляторов бочоночного типа.

В настоящее время для высоковольтных конструкций наиболее широкое применение имеет элегаз. Впервые был изучен Б. М. Гохбергом, который и дал ему это название сокращенно от слов «электрический газ». Элегаз обладает рядом положительных свойств. Химически он достаточно инертен, в частности не реагирует с медью и алюминием. Нижний предел его рабочей температуры определятся условиями сжижения (давлением), верхний составляет 130—150° С.

Установлено, что превышение электрической прочности элегаза над прочностью воздуха не постоянно, оно зависит от расстояния между электродами и однородности электрического поля. Эта закономерность представлена на рис. 25, из которого видно, что электрическая прочность элегаза особенно сильно превосходит таковую воздуха, в сильно неоднородных полях при больших расстояниях между электродами.

Рисунок 25 Зависимость пробивного напряжения элегаза при различных расстояниях между электродами от давления. Плоские электроды диаметром 105 мм с закругленными краями. Цифры у кривых обозначают расстояние между электродами в миллиметрах.

При нормальной температуре элегаз может быть сжат до 2 МПа, а уже при давлении 0,3—0,4 МПа электрическая прочность элегаза практически соответствует электрической прочности среднего по качеству трансформаторного масла.

Элегаз с успехом может быть использован в герметизированных распределительных устройствах, конденсаторах, трансформаторах, выключателях и в газонаполненных высоковольтных кабелях. Во многих высоковольтных конструкциях, например в кабелях, приходится применять распорки из твердого материала между жилой и оболочкой —стальной трубой; их наличие обычно снижает разрядные напряжения элегаза на 10—20%. Газонаполненные (элегазовые) кабели просты по своей конструкции, благодаря малой емкости имеют малые зарядные токи. Трансформаторы с элегазовым заполнением взрывобезопасны. Элегаз за счет повышенной плотности обладает хорошей охлаждающей способностью, хотя теплопроводность и удельная теплоемкость не велики по сравнению с воздухом.

Теплопроводность элегаза составляет 0,0136 мкВт/(м • °С) при 70 ⁰С; удельнаятеплоемкость при 20° С равна 0,598 кДж/(кг ∙°С). Высокая охлаждающая способ элегаза имеет большое значение для высоковольтных кабелей, трансформаторов и других устройств. Применение элегаза в высоковольтных выключателях определяется его высокими дугогасящими свойствами; обусловленными особенностями диссоциации при высоких температурах. Уже известно на практике применение элегаза в выключателях на рабочее напряжение 750 кВ. Весьма перспективно

применение элегаза в комплектных распределительных устройства на разные напряжения.

Говоря о применении элегаза следует иметь в виду его сравнительно высокую стоимость. В целях удешевления газовой изоляции часто применяют элегаз в смеси с более дешевым азотом. Такая смесь обычно применяется в устройствах с большим заполняемым газом объемом, а также для работы при низких окружающих температурах. Пробивное напряжение смеси, содержащей до 40 % азота, очень мало отличается от пробивного напряжения чистого элегаза.

В конденсаторостроении применение элегаза ограничивается главным образом высоковольтными (до 500 кВ) образцовыми новыми конденсаторами. На качестве изоляции образцовых конденсаторов положительно сказываются высокая электрическая прочность элегаза под давлением, высокое удельное сопротивление, чрезвычайно малое значение tgδ, большая стабильность диэлектрической проницаемости. Ее малая

величина в данном случае — фактор отрицательный (у всех газов относительная диэлектрическая проницаемость практически равна единице независимо от давления).

В высоковольтной технике разряд в воздухе между двумя шарами часто используется для измерения высоких напряжений. При этом важно, чтобы искровому разряду не предшествовала корона, искажающая электрическое поле в промежутке между шарами. Между двумя шаровыми электродами одинакового диаметра пробой без короны происходит при условии, что расстояние между шарами в 3—4 раза меньше диаметра шара. В этом случае в учетом изменения плотности воздуха и при сохранении чистой поверхности шаров пробивное напряжение между ними оказывается настолько стабильным, что по расстоянию искрового промежутка можно судить о величине пробивного напряжения. На этом принципе основано применение шаровых разрядников для измерений высоких напряжений.

«Пробой жидких диэлектриков»

Жидкие диэлектрики отличаются значительно более высокой электрической прочностью, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить чрезвычайно трудно. Постоянными примесями в жидких диэлектриках являются вода, газы и твердые частички. Наличие

примесей и определяет в основном явление пробоя жидких диэлектриков и вызывает большие затруднения для создания точной теории пробоя этих веществ.

Представления теории электрического пробоя применяют к жидкостям, максимально очищенным от примеси. При высоких значениях напряженности электрического поля может происходить вырывание электронов из металлических электродов и, как и для газов, разрушение молекул самой жидкости за счет ударов заряженными частицами. При этом повышенная электрическая прочность жидкого диэлектрика по сравнению с газообразным обусловлена значительно меньшей длиной свободного пробега
электронов. Пробой жидкостей, содержащих газовые включения, объясняют местным перегревом жидкости (за счет энергии, выделяющейся в относительно легко ионизирующихся пузырьках газа), который приводит к образованию газового канала между электродами. Под влиянием электрического поля капельки воды — сильно полярной жидкости — поляризуются и создают между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой.

Электрическая прочность чистого масла не зависит от температуры в пределах до 80° С, когда начинается кипение легких масляных фракций и образование большого количества пузырьков пара внутри жидкости. Наличие воды снижает электрическую прочность масла при нормальной температуре. Подъем Е_пр при повышении температуры обусловлен переходом воды из состояния эмульсии в состояние молекулярного раствора. Дальнейшее снижение электрической прочности объясняется процессами кипения жидкости. Увеличение электрической прочности при низких температурах связано с увеличением вязкости масла и меньшими значениями диэлектрической проницаемости льда по сравнению
с водой. Твердые загрязнения (сажа, обрывки волокон и т. п.) искажают электрическое поле внутри жидкости и также приводят к снижению электрической прочности диэлектрических жидкостей.

Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Так, например, неочищенное трансформаторное масло имеет Е_пр ≈ 4 МВ/м; после тщательной очистки электрическая прочность масла повышается до 20—25 МВ/м.

«Нефтяные электроизоляционные масла»

Основные области применения нефтяных электроизоляционных масел следующие: маслонаполненные трансформаторы, масляные выключатели, высоковольтные силовые кабели, бумажно – масляные конденсаторы, высоковольтные изоляторы (вводы). В трансформаторах, выключателях и
конденсаторах масло является средой, пропитывающей волокнистую изоляцию заполняющую пространство между отдельными конструктивными элементами, создающими масляные промежутки, разделенные слоями твердого материала (масляно-барьерная изоляция). В кабелях масло играет
в основном роль пропитывающего материала. В зависимости конструкции высоковольтных вводов масло играет роль пропитывающего и заливочного материала (бумажно-масленная изоляция) или только заливочного (вводы с сердечниками и с твердой бумажно-смоляной изоляции). В трансформаторах, масляных выключателях и низковольтных конденсаторах масло обычно заливается в металлические кожухи. В конденсаторах на высокие напряжения наряду с форфоровыми кожухами (покрышками) в последнее время начали применять стеклопластиковые и винипластовые

кожухи.

В трансформаторах по сравнению с другими областями применения особенно- велика охлаждающая роль масла. В маслянных выключателях масло является средой, в которой при разрыве цепи погашается электрическая дуга. Вследствие теплового воздействия дуги происходит интенсивное разложение масла с образованием большого количества газообразных продуктов. Фактически дуга создается в газовом пузыре, окруженном маслом. Температура в середине дуги в масле около 2000° С, вблизи электродов она достигает значений около 3000° С. Такая высокая температура вызывает сильное химическое разложение и обугливание масла (образование копоти), ионизацию и увеличение давления как следствие сильного газообразования. На разложение и ионизацию масла может расходоваться до 90 % всей энергии, выделяемой дугой. В силовых кабелях на напряжения до 35 кВ нефтяные масла применяют для пропитки бумажной изоляции; масла малой вязкости применяются с добавкой канифоли в количестве от 10 до 35% в зависимости от марки кабеля. Кабели на рабочие напряжения 110 кВ и выше делаются маслонаполненными. Вдоль всей длины кабеля или внутри жилы (в одножильном кабеле), или между жилами (в трехжильном кабеле) проходят каналы, заполненные
маловязким маслом, находящимся все время под избыточным давлением. Таким образом, при возникновении опасности образования внутри изоляции пустот, например, вследствие изменений температуры происходит подпитка изоляции из масляного канала. Основной изоляцией маслонаполненных кабелей является бумажная изоляция, пропитанная маслом, заполняющим канал. Без подпитки кабели на напряжения 110 кВ и выше надежно работать не могут, так рабочие напряженности электрического поля в них таковы, что вызывают в пустотах ионизацию, постепенно разрушающую основную изоляцию.

Для масляных трансформаторов (силовых и измерительных), для выключателей и изоляторов применяется одинаковое масло, а для конденсаторов и кабелей (особенно в высоковольтных) применяются масла с улучшенными электрическими параметрами, что достигается обычно более тщательной очисткой их.

По своему происхождению нефтяные электроизоляционные масла разного назначения принципиально не отличаются друг от друга, но удовлетворение специфических требований работы в том или ином изделии заставляет прибегать к разным режимам технологии получения масел, а иногда и отбирать масла определенного месторождения (например, для высоковольтных кабелей).

Нефтяные электроизоляционные масла получают путем фракционной вакуумной перегонки нефти. Свойства нефтей разных месторождений отличаются друг от друга, также как и продукты из перегонки. Это отличие определяется как составом и структурой основных углеводородов нефти, так сопутствующими примесями. Большинство электроизоляционных нефтяных масел получают путем очистки от вредных примесей фракций нефти, выкипающих при температуре 300—400° С. Основными углеводородами нефтяных масел являются: парафиновые, нафтеновые, ароматические.

Парафиновые углеводороды являются насыщенными, отличающимися значительной химической инертностью, хотя способными окисляться кислородом воздуха при повышенной температуре. Они бывают разной структуры. Наиболее простая структура парафиновых углеводородов может быть представлена полена такой формулой:

Н₃С—(СН₂)_n—СН₃.

При достаточно большом значении n (около 30) углеводороды этого типа становятся твердыми (парафин).

Нафтеновые углеводороды (также насыщенные) содержат в структуре молекулы не менее одного кольца, почему их часто называют также циклопарафиновыми. Циклическое строение влияет положительно на химическую стабильность масел.

Ароматические углеводороды отличаются наличием в молекуле бензольных ядер (колец). В электроизоляционных маслах ароматические углеводороды обычно бывают в виде примесей к одной из двух вышеуказанных групп.

Ненасыщенные углеводороды в электроизоляционных маслах обычно отсутствуют.
К вредным примесям, снижающим стабильность масел, в частности стойкость против окисления, относятся разные ненасыщенные углеводороды, сернистые соединения, смолисто- битумные вещества, органические кислоты. Твердые углеводороды (парафин, церезин) вызывают нежелательное повышение температуры застывания масла; поэтому масла парафинистые с большим содержанием твердых углеводородов подвергаются специальной операции депарафинизации. Для удаления вредных примесей дистиллят из малосернистой нефти обычно подвергают кислотно-щелочной очистке, сущность которой заключается в следующем (последовательно): обработка серной кислотой (удаление нестойких примесей), обработка раствором едкого натра (нейтрализация остающейся в масле серной кислоты), промывка водой (удаление продуктов нейтрализации кислоты щелочью - натровых мыл), сушка и очистка центрифугами. Иногда применяют дополнительную контактную очистку масла адсорбентами, т. е. поверхностно-активными минеральными веществами (глина кил, силикагель), обладающими благодаря мелкодисперсной структуре большой удельной поверхностью (до 1000 м² на 1 г). Адсорбенты, смешанные с маслом, при осаждении уносят из него разные примеси, преимущественно соединения, состоящие из дипольных молекул. Этим достигается повышение качества масла, в частности снижение органической кислотности без разрушения основных углеводородов. Снижение кислотности уменьшает проводимость. Получение масел с пониженными диэлектрическими потерями (кабельные, конденсаторные
с tg б при 20° С в пределах 0,0002—0,0005) требует очень хорошей очистки с применением адсорбентов и вакуумной обработки при 60—70° С для сушки и дегазации.

Для применений, требующих глубокой очистки масла, кислотно-щелочной способ непригоден. Серная кислота кроме удаления из масла нежелательных примесей может растворять и уносить из масла такие составные части, которые повышают его стабильность. Для получения электроизоляционных масел из сернистой нефти применяют обычно так называемую селективную очистку, заключающуюся в обработке дистиллята растворителем, способным избирательно (селективно) удалять из масла раствори
примеси, не влияя на основные углеводороды.

«Синтетические жидкие диэлектрики»

Трансформаторное и другие электроизоляционные масла нефтяного происхождения обладают рядом преимуществ, которые и обеспечили им весьма широкое применение: они сравнительно дешевы и могут производиться заводами нефтеперерабатывающей промышленности в весьма больших количествах; при хорошей очистке их tg δ мал, электрическая прочность достаточно высока. Однако в некоторых случаях качество этих масел оказывается недостаточно высоким. Например, когда требуется полная пожарная безопасность и взрывобезопасность, маслонаполненные трансформаторы и другие аппараты применяться не могут.
Интервал рабочих температур нефтяных масел, ограничиваемый, с одной стороны, температурой застывания или чрезмерного повышения вязкости и, с другой стороны, температурой начала быстрого теплового старения в данных условиях эксплуатации, сравнительно узок. Нефтяные масла склонны и к электрическому старению, т.е. они могут ухудшать свои свойства под действием электрического поля высокой напряженности. Для пропитки конденсаторов с целью получения повышенной емкости в данных габаритных размерах конденсатора желательно иметь полярный жидкий диэлектрик с более высоким, чем у неполярных нефтяных масел, значением ε.

Имеется ряд синтетических жидких диэлектриков, по тем или иным свойствам превосходящих нефтяные электроизоляционные масла. Рассмотрим важнейшие из них.

Хлорированные углеводороды получаются из различных углеводородов
путем замены в их молекулах некоторых (или даже всех) атомов водорода атомами хлора. Наиболее широкое применение имеют полярные продукты хлорирования дифенила [молекула которого С₁₂Н₁₀ (или Н₅С₅—С₅Н₅) состоит из двух фенильных остатков], имеющие общий состав С₁₂Н_10-пС1_п. Чаще всего применяются смеси различных изомеров хлорированных дифенилов со средней степенью хлорирования п от 3 до 6.

Из числа применяемых хлорированных дифенилов отметим совол,
по составу близкий к пентахлордифенилу С₁₂Н₅С1₅.

1— совол после первой перегонки, 2 — после второй перегонки, 3 — после обработки адсорбентом силикагелем, 4 — после обработки адсорбентом — специальной глиной

Рисунок 26 Зависимости tg δ совола разной степени очистки от температуры при частоте 50 Гц

На рис.26 изображены зависимости tg δ совола различной степени очистки от температуры; наличие примесей существенно сказывается на потерях сквозной электропроводности при повышенных температурах, но практически не влияет на tg δ в области дипольного максимума потерь. Значение ε совола при 50 Гц и 20° С близко к 5, а при 90° С — к 4,1. Замена соволом нефтяного масла в производстве силовых бумажных конденсаторов позволяет снизить объем конденсатора при равной реактивной мощности примерно в два раза. Это дает большой экономический выигрыш, хотя совол и дороже масла. Совол более стабилен при работе в электрическом поле, чем масло. Недостатком конденсаторов, пропитанных соволом, является сильное уменьшение емкости при падении температуры ниже 0° С. Coвол - прозрачная бесцветная жидкость с плотностью около 1,5 Мг/м³. Благодаря высокой температуре застывания (+5° С) и значительной вязкости в области рабочих температур совол в чистом виде не может использоваться для заливки трансформаторов. Для этой цели совол должен разбавляться менее вязкими жидкостями, например гексахлорбутадиеном С1₂С = СС1 — СС1 = СС1₂; так, гексол — смесь 20% совола и 80% С₄С1₆ — имеет ε около 3 и температуру застывания ниже минус 60° С.

Благоприятными свойствами обладают и смеси хлорированных дифенилов с другими хлорированными соединениями, применяемые для пропитки конденсаторов. Эти смеси, обозначаемые КЖ-30, КЖ-40 и КЖ-50, имеют соответственно значения ε, равные 6,0; 5,9 и 5,8, и температуры застывания минус 30, минус 45 и минус 50° С. Хлорированные дифенилы негорючи. Однако их недостатком является высокая токсичность как самих жидкостей и их паров, так и - в еще большей степени — газов, которые образуются при воздействии электрической дуги на хлорированные дифенилы. Поэтому, например, в Японии применение хлорированных дифенилов для пропитки конденсаторов запрещено законом.

Кремнийорганические жидкости обладают весьма малым углом диэлектрических потерь, низкой гигроскопичностью и повышенной нагревостойкостью. Для них характерна слабо выраженная зависимость вязкости от температуры. Как и другие кремнийорганические соединения, кремнийорганические жидкости весьма дороги, что ограничивает их применимость. В зависимости от характера радикалов, присоединенных к атомам Si, различают полиметилсилоксановые (ПМС), полиэтилсилоксановые (ПЭС) и полиметилфенилсилоксановые (ПМФС) жидкости. Эти жидкости имеют при 1 кГц и 20° С значение ε от 2,5 до 3,3 и tg δ 0,0001—0,0003; наивысшая допускаемая рабочая температура некоторых из этих жидкостей доходит до 250° С длительно и до 350° С кратковременно.

Фторорганические жидкости имеют весьма малый tg δ, ничтожно малую гигроскопичность и высокую нагревостойкость. Отдельные фторорганические жидкости могут длительно работать при температуре 200° С и выше.

Характерными свойствами фторорганических жидкостей являются малая
вязкость, низкое поверхностное натяжение (что благоприятствует пропитке
пористой изоляции), высокий температурный коэффициент объемного расширения (значительно больший, чем у других электроизоляционных жидкостей), сравнительно высокая летучесть. Последнее обстоятельство требует герметизации аппаратов, заливаемых фторорганическими жидкостями.

Фторорганические жидкости способны обеспечивать значительно более
интенсивный отвод тепла потерь от охлаждаемых ими обмоток и магнитопроводов, чем нефтяные масла или кремнийорганические жидкости. Существуют специальные конструкции малогабаритных электротехнических устройств с заливкой фторорганическими жидкостями, в которых для улучшения отвода тепла используется испарение жидкости с последующей конденсацией ее в охладителе и возвратом в устройство (кипящая изоляция); при этом теплота испарения отнимается от охлаждаемых обмоток, а наличие в пространстве над жидкостью фторорганических паров, в особенности под повышенным давлением, значительно увеличивает электрическую прочность газовой среды в аппарате.

1 - кремнийорганическая жидкость, 2 — нефтяное трансформаторное масло, 3 —фторорганическая жидкость (С₄F₉)₃N (температура кипения 178° С), 4 — фторорганическая жидкость (C₄F₉)₂О (температура кипения 101° С)

Рисунок 27. Превышение температуры обмоток над температурой бака малогабаритного трансформатора в функции нагрузки трансформатора для различных заполняющих жидкостей

На рис. 27 представлены зависимости разности температур обмоток и бака малогабаритного трансформатора от его нагрузки для различных заполняющих бак жидкостей. Видно преимущество с точки зрения теплоотвода фторорганических жидкостей перед нефтяным маслом, и тем более перед кремнийорганической жидкостью. Переход кривой 4 через максимум объясняется достижением температуры кипения жидкости при повышении нагрузки.

Важным преимуществом фторорганических жидкостей по сравнению с кремнийорганическими является полная негорючесть и высокая дугостойкость (кремнийорганические жидкости, как и нефтяные масла, сравнительно легко загораются горят сильно коптящим пламенем). Как и кремнийорганические соединения, фторорганические жидкости пока еще весьма дороги.

Тема 3.5 «Высокомолекулярные органические и элементоорганические диэлектрики»

В электроизоляционной технике применяются как природные полимеры, так и синтетические, получаемые методом химического синтеза. Сейчас преимущественное значение имеют многообразные синтетические полимеры, обладающие весьма ценными и разнообразными свойствами, часто на практике называемые смолами; природные смолы хотя еще и применяются, но уже не имеют такого большого значения, как синтетические.

Синтетические полимеры могут быть получены двумя принципиально различными способами: полимеризации и поликонденсации.

Полимеризация — такая химическая реакция, при которой из низкомолекулярного соединения (мономера) получается высокомолекулярное соединение без изменения элементарного химического состава вещества. При полимеризации происходит сшивка ряда молекул мономера в одну молекулу полимера — высокомолекулярного соединения. Обычной предпосылкой для возможности процесса полимеризации является наличие в молекулах мономера кратных связей (двойных или тройных) между атомами углерода, которые под влиянием тех или иных факторов (повышенные температура и давление, радиационное облучение, катализаторы и инициаторы) разрываются и обеспечивают сшивку с соседними молекулами. Таким путем из газообразных и жидких мономеров могут быть получены твердые полимеры, называемые полимеризационными.

Поликонденсация — это химическая реакция между разнородными низкомолекулярными соединениями, сопровождающаяся обычно выделением побочных продуктов, как, например, воды, водорода, аммиака, хлористого водорода и других, способных в той или иной мере сказываться на свойствах конечного продукта. Поликонденсация — реакция необратимая.

Продукты полимеризации могут быть получены более чистыми, поэтому они, как правило, обладают более высокими электроизоляционными свойствами, чем продукты поликонденсации. Исключение могут составлять сильнополярные продукты полимеризации.

Полимеры могут классифицироваться по их поведению при нагревании. Некоторые материалы при нагревании плавятся, при охлаждении снова затвердевают, но при повторных нагревах опять плавятся — не теряют способности плавиться. При этом обычно они способны растворяться в определенных растворителях. Такие материалы называют термопластичными (термопластами). К ним относятся, как правило, продукты полимеризации с линейными молекулами. Другой вид материалов — термореактивные — реактопласты. Они при нагревании в исходном состоянии плавятся, но при достаточной выдержке при высокой температуре затвердевают, после чего уже не плавятся при повторном нагревании и даже часто не размягчаются. Одновременно теряется способность растворяться в растворителях. Способность переходить в неплавкое состояние при нагревании объясняется наличием в молекулах термореактивного полимера двойных связей или реакционноспособных (функциональных) групп атомов, которые производят поперечную сшивку линейных молекул, создавая сетчатую, пространственную молекулярную структуру, придающую всей молекуле большую жесткость, неподвижность. Иногда для поперечной сшивки добавляют тот или иной побудитель или ускоритель этого процесса.

«Полимеризационные синтетические полимеры»

Полистирол изготовляется сейчас из синтетического стирола, благодаря чему он стал недефицитен и дешев (раньше применялся натуральный стирол из каменноугольной смолы). Различают полистирол блочный, получаемый при полимеризации непосредственно в среде стирола по радикальному механизму, и эмульсионный, получаемый в виде порошка по ионному механизму из водностирольной эмульсии. Полистирол растворяется в бензоле, толуоле, ацетоне, благодаря чему из него могут быть получены лаки. Из блочного полистирола путем механической обработки могут быть изготовлены различные детали приборов и аппаратов. Эмульсионный полистирол перерабатывается в изделия преимущественно методом литья. Полистирол бесцветен и прозрачен, имеет низкую влагопроницаемость, обладает очень хорошими электроизоляционными свойствами (особенно блочный), благодаря чему получил широкое применение в высокочастотной технике для получения установочных высокочастотных деталей сложной конфигурации и для пленочной изоляции высокочастотных кабелей и конденсаторов. Недостатком обычного аморфного полистирола является низкая теплостойкость.

Ударопрочный полистирол представляет собой смесь полистирола с синтетическими каучуками— бутадиеновым или бутадиен-стирольным. Электрические свойства у эмульсионного полистирола ниже, чем у блочного, из-за остатков полярного эмульгатора.
Ударопрочный полистирол имеет весьма широкое применение как конструкционный диэлектрик (аккумуляторные баки, корпуса и детали разных приборов и аппаратов).

Полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен. Широко применяется в электроизоляционной технике (кабельные изделия) полиэтилен, продукт полимеризации газа этилена.

Известны три промышленных способа полимеризации этилена, при которых получаются: полиэтилен низкой плотности — 920—930 кг/м3; полиэтилен высокой плотности (960 - 970 кг/м3); полиэтилен средней плотности (940 -960 кг/м3).
Полиэтилен — не неполярный диэлектрик, практически не гигроскопичен, отличается большой гибкостью. Его электрические параметры стабильны и мало изменяются в широких диапазонах температуры и частот, но имеет невысокую температуру размягчения полиэтилена.

Полиэтилен при обычной температуре обладает значительной химостойкостью и не растворяется в большинстве органических растворителей. Однако при повышенной температуре полиэтилен заметно окисляется на воздухе, что сопровождается повышением tg δ и снижением механической прочности. Действие прямой солнечной радиации ускоряет старение полиэтилена. Небольшая добавка сажи ослабляет вредное действие солнечных лучей без заметного влияния на электрические параметры полиэтилена. Старение полиэтилена замедляют стабилизаторы. Наличие трех разновидностей полиэтилена и возможность их смещения друг с другом, а также с другими полимерами, например с полипропиленом или полиизобутиленом, позволяет получать изоляцию с разными ценными свойствами. Применяется полиэтилен в виде пленок, изделий сложной формы, изоляции проводов и кабелей. В сильных электрических полях происходят структурные изменения, снижающие качество полиэтиленовой изоляции, вследствие чего для силовых кабелей он применяется при сравнительно невысоких напряжениях.

Полиизобутилен в зависимости от степени полимеризации может быть получен в виде вязкой жидкости, в вазелиноподобном состоянии или в виде твердого веществах различной эластичностью.

Электрические свойства полиизобутилена близки к свойствам полиэтилена. Применяется полиизобутилен как добавка к различным заливочным компаундам, а также в смеси с полиэтиленом для изоляции проводов и кабелей. Такая смесь обладает большей эластичностью и морозостойкостью, чем чистый полиэтилен.

Из газа пропилена получают термопластичный, линейный неполярный полимер — полипропилен. Из полипропилена могут быть получены пленки, волокна, ткани, бумаги и фасонные детали методом литья под давлением. Полипропилен практически негигроскопичен.

Область применения полипропилена примерно та же, что и полиэтилена; следует, однако, учитывать значительно более низкие холодостойкость и гибкость по сравнению с полиэтиленом.

Поливинилхлорид — твердый полимер, сравнительно хрупкий, с низкой холодостойкостью (до —10° С), но высокой водо и влагостойкостью, низкой газопроницаемостью.

Нагревостойкость поливинилхлорида может быть несколько повышена добавлением специальных стабилизаторов. Против вредного действия солнечного света, ускоряющего старение, также помогает введение некоторых стабилизирующих материалов (двуокись титана, сажа).

Поливинилхлоридный пластикат применяется для изготовления пленок, липких изоляционных лент, электроизоляционных трубок, широко используемых в различных низковольтных схемах, изоляции телефонных и различных монтажных проводов, для получения внешних оболочек кабелей. При воздействии электрической дуги поливинилхлорид выделяет большое количество газообразных продуктов, что способствует гашению дуги.

Полиметилметакрилат из-за хорошей прозрачности часто называют органическим стеклом. Это полярный термопластичный диэлектрик с малой гигроскопичностью и значительной химостойкостью; применяется как конструкционно-изоляционный материал, в том числе для изготовления корпусов приборов, шкал, линз и пр. Из-за довольно высоких дугогасящих свойств, применяется в выключающей аппаратуре. Листовое органическое стекло хорошо поддается механической обработке, легко сваривается и склеивается.

Фторопласты. Большую группу составляют фтороуглеродистые полимеры, одним из важнейших представителей которых является фторопласт-4.

Фторопласт -4 - диэлектрик неполярный, термопластичный. Благодаря замене всех атомов водорода, имеющихся в структуре полиэтилена, атомами фтора, обеспечивающими большую энергию связи, этот продукт обладает исключительно высокой нагревостойкостью. Его рабочая температура доходит до 250° С и выше (в зависимости от продолжительности службы); он исключительно холодостоек (сохраняет эластичность при температуре до минус 100° С). При температуре, превышающей 400° С, фторопласт-4 довольно быстро разлагается. Фторопласт – 4 очень влагостоек, имеет очень малый tg δ в широком
частотном диапазоне, негорюч, не смачивается водой. Вполне тропикостоек, не растворяется ни в одном органическом растворителе. По химостойкости он превосходит благородные металлы: золото и платину, что позволило широко использовать его при изготовлении химической аппаратуры.
При медленном охлаждении имеет мелкокристаллическую решетку, которая разрушается при температуре около 3270С (температура плавления). Высокие электрические параметры мало зависят от температуры. Фторопласт-4 имеет исключительно низкий коэффициент трения.
Существенным недостатком фторопласт -4 является связанная с его термопластичностью и малой твердостью хладотекучесть: при комнатной температуре под нагрузкой около 3 МПа материал «течет» — в нем происходят пластические деформации. Из него делают пленки (можно получить толщиной менее 10 мкм), применяющиеся для производства конденсаторов и изоляции всевозможных обмоток, а также изделия сложной формы. Применяется фторопласт-4 и для изоляции проводов и кабелей. В последнее время его стали применять в комбинации со стеклотканями для изготовления механически прочных нагревостойких материалов.

Вследствие сложности технологии производства и переработки фторопласта-4 изоляция на его основе является сравнительно дорогой, поэтому был разработан ряд его разновидностей.
Фторопласт-40 имеет большую твердость, чем фторпласт-4 (у него почти отсутствует хладотекучесть). Технология переработки фторопласта-40 значительно лучше, он подвергается обычным методам прессования при повышенной температуре.

Фторопласт-42 растворим в некоторых органических растворителях, благодаря чему из него могут изготавливаться лаки, а также пленки и волокна. Фторопласт-40 и фторпласт-42 обладают значительной химостойкостью, тропикостойки. Фторопласт-40 применяется для покрытия проводов, а фторопласт-42 используется в виде лака для влагозащитных покрытий. Температура разложения фторопласта-40 и фторопласта-42 ниже, чем у фторопласта-4.

Суспензия порошка фторопласта-40 в спирте, так называемый фторопласт-4Д, применяется для изолирования проводов, а также для нанесения электроизоляционных покрытий.

Фторопласт-3 (политрифторхлорэтилен) обладает значительно большими
диэлектрическими потерями, чем фторопласт-4. Нагревостойкость его ниже; нижний предел рабочей температуры доходит до —195° С.

Производство фторопласта-3 и технология его переработки проще и дешевле, чем фторопласта-4. Фторопласт-3 находит применение в кабельном производстве.

«Поликонденсационные синтетические полимеры»

Поликонденсационные полимеры бывают двух типов: продукты пространственной конденсации и продукты линейной конденсации. Первые могут быть термопластичными и термореактивными. Их применяют как связующее для производства пластмасс, в качестве лаковых основ, в производстве слоистых пластиков. Отличаются малой растяжимостью. Вторые — линейные высокомолекулярные соединения имеют высокий предел прочности при растяжении, большое удлинение при разрыве. Способны вытягиваться в тонкие нити; из них можно получать пряжу,ткани, пленки.

Фенолформальдегидные полимеры. Поликонденсационным полимером первого типа является фенол (крезол) формальдегидный, на практике называемый бакелитовой смолой. Путем поликонденсации фенола (С6 Н5 ∙ОН) или крезола (СН3 ∙C6 Н4 ∙СН) с формальдегидом (СН2О) при воздействии тепла в присутствии щелочного катализатора, например аммиака, получается олигомер, называемый резольной смолой, термореактивной, обладающей большой скоростью перехода в неплавкое и нерастворимое состояние при сравнительно невысокой температуре. Скорость отверждения (переход в неплавкое состояние) фенолформальдегидной смолы в зависимости от температуры показана на рис.28.

Рисунок 28 Зависимость скорости отверждения фенолформальдегидной смолы от температуры.

В исходной смоле остаются непрореагировавший свободный фенол (крезол), остатки воды, катализатор. Поэтому в исходном состоянии — в стадии А (резол) смола обладает невысокими электрическими параметрами. Она является в этой стадии смесью сравнительно низкомолекулярных соединений, имеет невысокую температуру плавления (порядка 55—70° С), хорошо растворят
в спирте, ацетоне. При нагревании (или длительном хранении при комнатной температуре) смола переходит в стадию В (резитол), представляющую собой смесь продуктов с разными значениями молекулярных масс, частично полимеризованных.

Резитол не плавится, а только размягчается при нагревании, в спирте не растворяется, в ацетоне только набухает. Дальнейшее нагревание приводит к получению конечной стадии С (резит), в которой продукт состоит из высокомолекулярных соединений, неплавких и нерастворимых,

с пространственной структурой (трехмерный полимер). При отвержении- переходе в стадию С происходит дальнейшая поликонденсация с выделением воды и ряда продуктов.

В стадии С полимер твердый, хрупкий, мало гигроскопичен, имеет более высокие электроизоляционные свойства.
Анилинформальдегидный полимер получается при поликонденсации анилина (C6H5-NH2) с формальдегидом. От фенолформальдегидного полимера отличается отсутствием способности полного отверждения при высокой температуре; даже после длительного воздействия анилинформальдегидный полимер сохраняет способность к размягчению, хотя и не плавится.

Существенным преимуществом анилиновых полимеров являются: слабо выраженная дипольная поляризация и отсутствие добавочной конденсации при отверждении, что обеспечивает им большую чистоту и более высокие электроизоляционные свойства по сравнению с фенолформальдегидными и позволяет применять их на повышенных частотах. Анилинформальдегидный полимер после термообработки менее хрупок, чем фенолформальдегидный.

К числу полимеров пространственной конденсации относятся меламинформальдегидные и карбамидформальдегидные (мочевиноформальдегидные). Первые — продукт конденсации меламина (C3H6N6) с формальдегидом, вторые— продукт конденсации карбамида (мочевины) (NH2)2∙СО с формальдегидом.

Отличительной особенностью является большое выделение газообразных продуктов, в частности азота, при воздействии электрической искры и дуги, в силу чего не образуются проводящие науглероженные мостики. Имеют меньшую нагревостойкость и большую влагопроиницаемость. Обладают невысокими электроизоляционными свойствами. Применяются в производстве пластмасс и лаков.

Сложные полиэфиры. Глифталевые (алкидные) полимеры получают путем пространственной поликонденсации глицерина С3Н5(ОН)3 и фталевого ангидрида (окисленного нафталина).
Для их перевода в неплавкое состояние требуется более высокая температура, чем для фенолформальдегидных олигомеров. Даже при температурах выше 150° С скорость отверждения глифталей остается довольно низкой, поэтому в готовой изоляции они обычно не полностью переведены в неплавкое состояние.

Основное их применение — производство электроизоляционных лаков разных назначении и производство слюдяных изоляционных материалов.Сложным полиэфиром является полиэтилентерефталат (лавсан). Из него могут быть изготовлены высокопрочные пленки, волокна, бумага, пряжа, ткани, а также лаки. Пленки широко применяются для изготовления композиционных материалов в сочетании с волокнистыми подложками и слюдяными бумагами, в конденсаторном производстве и являются основой магнитофонных лент.

Полиэтилентерефталат обладает малой гигроскопичностью.

Сложным полиэфиром угольной кислоты является поликарбонат — термопластичный полимер. При длительном нагревании при 80—130° С поликарбонат кристаллизуется, что придает ему определенную жесткость и повышает теплостойкость. Поликарбонат имеет высокие электрические и механические свойства, химо- и влагостоек. Ценным свойством поликарбоната является высокая стабильность электрических свойств при нагревании до 100—120° С.

Из поликарбоната получают пленки для конденсаторов, для изоляции трансформаторов, различных аппаратных катушек, а также детали сложной формы. Особенно ценно его применение в выключающей аппаратуре благодаря высокой дугостойкости. Поликарбонат высокопрозрачный материал.

Полиамидные полимеры. Представителями этой группы полимеров являются анид и найлон. Полиамиды имеют высокие механические свойства, большую упругость, малый коэффициент трения, большую износостойкость при трении. Полиамиды хорошо перерабатываться в изделия методом литья под давлением с учетом высоких механических свойств, поэтому из них изготавливают различные изоляционно-конструкционные и чисто конструкционные детали: каркасы, втулки и пр., а также шестерни в различных приборах и аппаратах.

Из полиамидных смол изготавливаются очень прочные нити и ткани, применяющиеся в электроизоляционной технике взамен шелковых, а также пленки.

Кремнийорганические полимеры — полиорганосилоксаны. Эти полимеры получают по довольно сложной технологии, основными видами которой являются реакции гидролиза и поликонденсации. Отличительными свойствами полиорганосилоксанов являются: высокая нагревостойкость, стойкость против действия озона и солнечной радиации.

Эпоксидные полимеры. Называются также эпоксисмолами. Эпоксидные полимеры отличаются высокими механическими свойствами, хорошей короностойкостыо. На их основе, в частности, в сочетании с полиэфирами, изготовляют лаки разных назначений, пропиточные и заливочные составы без растворителей; слюдосодержащие материалы, в том числе ленточные, для высоковольтных электрических машин; литую изоляцию для разных высоковольтных приборов и аппаратов, трансформаторов тока и напряжения; клеи различных назначений.

«Природные смолы»

Шеллак получают очисткой гуммилака, который выделяется некоторыми видами насекомых на ветвях тропических деревьев. Свежий шеллак, поступающий в продажу в виде чешуек от светло - желтого до темно-коричневого цвета, плавится при температуре около 100° С. При длительном воздействии высокой температуры температура плавления повышается, шеллак даже может фактически потерять способность плавиться. Одновременно снижается и растворимость шеллака. В свежем виде он хорошо растворяется в спирте. Благодаря хорошей склеивающей способности шеллак применяется в производстве клееной слюдяной изоляции.

Канифоль (гарпиус) получают из смолы (живицы) некоторых хвойных деревьев(сосны). Растворяется в спирте, скипидаре, бензине, нефтяных и растительных маслах и некоторых других растворителях. Применяется в производстве некоторых электроизоляционных лаков и пропитывающих составов, а также как добавка к нефтяному маслу для увеличения вязкости при пропитке бумажной изоляции силовых кабелей.

Копалы — ископаемые смолы, добываемые преимущественно в Африке и Юго-Восточной Азии. Раньше благодаря растворимости в растительных маслах они довольно хорошо применялись в производстве электроизоляционных лаков, сейчас практически вытеснены синтетическими полимерами.

Янтарь также ископаемая смола, обладающая очень высокими электрическими параметрами. Янтарь очень мало гигроскопичен. Хорошо полируется. Его температура плавления выше 300° С. Раньше применялся главным образом для изготовления изоляционных деталей электроизмерительных приборов. В настоящее время янтарь (как диэлектрик) успешно заменяется фторопластом -4 и полистиролом.

Природные смолы.

К природным (естественным) смолам принадлежат продукты жизнедеятельности животных или растительных организмов. Из естественных смол в производстве электроизоляционных лаков и компаундов наиболее широко применяется канифоль, значительно меньше шеллак и копалы. Природные растительные смолы получают упариванием растительных соков, которые вытекают из растений естественным путем или при надрезании стеблей и стволов. Их можно экстрагировать из растительного сырья такими растворителями, как спирт и эфир. К растительным смолам относится, например, сосновая канифоль, а также смола, получаемая из клубней скаммонии (вьюнка смолоносного Convolvulus scammony), и ископаемые окаменелые смолы янтарь и копал. Смолы животного происхождения редки. Одна из них, шеллак, представляет собой выделения лаковых червецов, живущих на растениях семейства мимозовых в Индии. Некоторые растительные смолы используют в медицине; так, смола скаммонии применяется как слабительное. Другие смолы, например, шеллак, входят в состав политур. Имеется множество сортов синтетических смол, используемых для получения пластмасс.

Канифоль (гарпиус)-хрупкая прозрачная в тонком слое смола, получаемая из смолы (живицы) хвойных деревьев, преимущественно сосны, способом отгонки жидких составных частей -- терпентинного масла (скипидара). Состав живицы может колебаться в зависимости от условий местности и сорта живицы. Другой способ добывания канифоли -- экстракционный, заключающийся в том, что куски дерева, пни, ветви обрабатываются растворителями, которые затем подвергаются разгонке. Существуют также смолы деревьев других хвойных пород,

Date: 2016-05-25; view: 1241; Нарушение авторских прав