Свойства и применение твердых диэлектриков

Размещено на http://allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Понятие «диэлектрик»

1.1 Общие характеристики твердых диэлектриков

1.2 Поляризация диэлектриков

1.3 Электропроводность твердых диэлектриков

1.4 Потери в диэлектриках

1.5 Электрическая прочность диэлектриков

Глава 2. Виды диэлектриков

2.1 Разновидности диэлектриков

2.2 Свойства наиболее применяемых диэлектриков

2.3 Полимерные материалы

2.4 Бумага и картон

2.5 Материалы для изоляторов

2.6 Слюдяные материалы

Глава 3. Применение твердых диэлектриков

3.1 Применение твердых диэлектриков в энергетике

3.2 Применение тв-х диэлектриков в РЭА

Заключение



Введение

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем более приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеиванием электрической энергии и выделением, теплоты. Очевидно, что диэлектрическими являются материалы с ковалентной, поляризационной или ионной связью между атомами, причем последние только в твердом состоянии. При помещении диэлектрика в электрическое поле в нем развиваются два основных процесса: поляризация и сквозная электропроводность. Развитие основных процессов может, в свою очередь, привести к ряду дополнительных процессов: к потере энергии электрического поля в диэлектрике и пробою диэлектрика. Электропроводность диэлектриков определяется в основном перемещением ионов. На концентрацию ионов оказывают влияние: состав материала, температура, облучение материала частицами высоких энергий. Концентрация подвижных носителей заряда в полярных материалах, как правило, выше, чем в неполярных. Это связано с тем, что ионы примесей электрически взаимодействуют с дипольными моментами полярных молекул, поэтому очистка полярных материалов от примесей затруднена. При повышении температуры энергия системы повышается на величину kT и вероятность выхода иона из потенциальной ямы возрастает. Поэтому электропроводность диэлектриков при повышении температуры растет. Диэлектрики - это самая многочисленная группа материалов. Они бывают природными и синтетическими, органическими и неорганическими, газообразными, жидкими, твердыми, аморфными и кристаллическими.



1. Понятие «диэлектрики»

Активными называются диэлектрики, свойствами которых можно управлять с помощью внешних энергетических воздействий и использовать эти воздействия для создания функциональных элементов электроники. Активные диэлектрики позволяют осуществлять генерацию, усиление, модуляцию, детектирование, сканирование электрических и оптических сигналов, несущих информацию, а также её отображение, запоминание или преобразование.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов, т.е. с их помощью отделяют электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройств, приборов и аппаратов от проводящих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях диэлектрическая проницаемость материала не играет особой роли или она должна быть возможно меньшей, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. Если материал используется в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров, то при прочих равных условиях желательно, чтобы этот материал имел большую диэлектрическую проницаемость.

Активными (управляемыми) диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры, материалы для излучателей и затворов в лазерной технике, электреты и др.

В зависимости от влияния напряженности электрического поля на значение относительной диэлектрической проницаемости материала все диэлектрики подразделяют на линейные и нелинейные.

Для линейных диэлектриков с малыми потерями энергии зависимость заряда конденсатора от напряжения (переменной полярности) имеет вид прямой; для нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) в этих условиях зависимость заряда от напряжения принимает форму петли гистерезиса (см. рис. далее).

Неполярными диэлектриками являются газы, жидкости и твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях, обладающие в основном только электронной поляризацией. К ним относятся водород, бензол, парафин, сера, полиэтилен и др.

Полярные (дипольные) диэлектрики -- это органические жидкие, полужидкие и твердые вещества, имеющие одновременно дипольно-релаксационную и электронную поляризации. К ним относятся нитробензол, кремнийорганические соединения, фенолформальдегидные смолы, эпоксидные компаунды, хлорированные углеводороды, капрон и др.

Эквивалентная схема (а) и частотная зависимость составляющих комплексной диэлектрической проницаемости (б) диэлектриков сложного состава с различными механизмами поляризации.



Упрощенная схема моделей атомов водорода

Кривые температурной зависимости диэлектрической проницаемости при электронной eэ, дипольно-релаксационной eдр и ионно-релаксационной eир поляризациях.

Идеализированная схема расположения ионов каменной соли



а--в узлах решетки в отсутствие электрического поля, б -- смещенные из узлов на небольшие расстояния при воздействии поля.

Зависимости заряда конденсатора от напряжения для линейных диэлектриков (а) и для сегнетоэлектриков (б) (по осям абсцисс отложены U и Е=U/h, по осям ординат Q, D=Q/S и e)

Значения диэлектрической проницаемости некоторых неполярных твердых диэлектриков (при Т=20°С).

Материал	n	n2	e	Материал	n	n2	e
Парафин	1.43	2.06	1.9-2.2	Сера	1.92	3.69	3.6-4.0
полистирол	1.55	2.40	2.4-2.6	алмаз	2.40	5.76	5.6-5.8

1.1 Общие характеристики твердых диэлектриков

Твердые диэлектрики - это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами. Например, диэлектрическая проницаемость меняется от значения, незначительно превышающего 1, до более чем 50000, в зависимости от типа диэлектриков: неполярный, полярный, сегнетоэлектрик. В главе 1 приводились определения различных типов диэлектриков. Вкратце коснемся этих определений применительно к твердым диэлектрикам:

Неполярный диэлектрик - вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью.

Полярный диэлектрик - вещество, содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.

Сегнетоэлектрик - вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Механизмы поляризации у них резко различаются:

- чисто электронная поляризация у неполярных диэлектриков типа полиэтилена, полистирола, при этом e-мала, не более 3, диэлектрические потери тоже малы;

- ионная поляризация у ионных кристаллов типа NaCl или дипольная у полярных диэлектриков типа льда, при этом e может находиться в пределах от 3-4 до 100, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на частотах вращения диполей и других резонансных частотах;

- доменная поляризация у сегнетоэлектриков - при этом e максимальна и может достигать 10000-50000, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на резонансных частотах и в области повышенных частот.

Особенности механизмов проводимости в твердых диэлектриках - концентрация носителей очень мала, подвижность ионов в гомогенных материалах очень мала, подвижность электронов в чистых материалах велика, в технически чистых - мала. Механизмы электропроводности различны в разных веществах. Ионная проводимость реализуется у полидисперсных диэлектриков (картон, бумага, гетинакс, дерево) и ионных кристаллов. В первом случае ионы передвигаются по границам раздела, образованным слипшимися дисперсными частицами. Появление носителей заряда сильно связано с влажностью этих материалов и определяется, как рассматривалось в лекциях 2 и 9 диссоциацией примесей и полярных групп основного вещества на поверхности раздела. В случае ионных кристаллов, в проводимости участвуют ионы основного вещества, примесей, дефекты структуры. Электронная проводимость реализуется у титанатов бария, стронция и т.д., электронная, дырочная и ионная проводимость у полимеров.

Добавим некоторые термины, специфичные для твердых диэлектриков:

1)химическая стойкость- способность выдерживать контакты с разными средами (кислота - кислотостойкость, щелочь - щелочестойкость, озон - озоностойкость, масло - маслостойкость, вода - водостойкость);

2) трекингостойкость- способность противостоять действию дуги;

3)дендритостойкость - способность противостоять образованию дендритов.

1.2 Поляризация диэлектриков

Атомы и молекулы диэлектрика содержат равные количества положительных и отрицательных микроскопических зарядов и в целом электрически нейтральны. В зависимости от строения все диэлектрические вещества можно разделить на три большие группы.

К первой группе принадлежат диэлектрики, состоящие из молекул, у которых “центры тяжести” положительных и отрицательных зарядов совпадают (например, бензол и др). Молекулы таких диэлектриков в отсутствие внешнего электрического поля не обладают дипольным моментом



Во внешнем электрическом поле “центы тяжести” положительных и отрицательных (электронных оболочек) зарядов молекулы смещаются в противоположные стороны на некоторое расстояние L, малое по сравнению с размерами молекулы (рис.14.1 б). Каждая молекула при этом становится полярной (дипольной), подобной электрическому диполю и приобретает дипольный электрический момент Такого рода поляризация называется электронной. При помещений диэлектрика в электрическое поле все неполярные молекулы превращаются в дипольные, расположенные цепочками вдоль силовых линий поля (рис.14.2). В результате торцы диэлектрика приобретают разноименные заряды - диэлектрик поляризуется. Степень электронной поляризации зависит от его свойств и от величины напряженности поля .

Вторую группу диэлектриков составляют такие вещества, как вода, нитробензол и др. В таких веществах молекулы всегда (ив отсутствие внешнего поля) несимметричны, т.е. являются дипольными. Благодаря тепловому движению дипольные молекулы расположены в диэлектрике беспорядочно (рис.14.3 а). Поэтому диэлектрик в целом оказывается не поляризованным. Под влиянием электрического поля все дипольные молекулы диэлектрика повернутся так, что их оси расположатся приблизительно вдоль силовых линий поля (рис.14.3 б). Такого рода поляризация называется ориентационной или дипольной поляризацией. Полной ориентации препятствует тепловое движение.



К третьей группе относятся кристаллические диэлектрики, имеющие ионное строение (хлористый натрий, хлористый калий и др). У кристаллических диэлектриков с ионной решеткой каждая пара соседних разноименных ионов подобна диполю (рис. 14.4.а) В электрическом поле эти диполи деформируются: удлиняются, если их оси направлены по полю, и укорачиваются, если оси направлены против поля. В результате диэлектрик поляризуется. Введем величину, характеризующую степень поляризации диэлектрика. Если просуммировать все дипольные моменты диэлектрика в единице объема, то получим вектор поляризации

Для определения степени поляризации в точке необходимо ДV устремить к нулю. Вектор направлен вдоль электрического поля , в котором находится диэлектрик. Для не слишком сильных полей можно принять, что величина вектора поляризации пропорциональна величине напряженности поля, т.е. Р~Е



Основные виды поляризации в некоторых газообразных, жидких и твердых диэлектриках

Материал	диэлектрическая проницаемость	полярность	виды поляризации
ГАЗЫ
Воздух	1.00058	неполярный	электронная
Элегаз	1.00191	неполярный	электронная
Аммиак	1.0066	полярный	электронная, дипольная
ЖИДКОСТИ
Кабельное масло МН-4	2.2	Неполярный	электронная
Бензол	2.218	неполярный	электронная
Трихлордифенил	5.9	полярный	электронная, дипольная
ТВЕРДЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Парафин	1.9 - 2.2	неполярный	электронная
Полистирол	2.2 - 2.6	неполярный	электронная
Орг.стекло	4.0	полярный	электронная, дипольно-релаксационная
Фенолоформальдегидная смола	4.5	полярная	электронная, дипольно-релаксационная
Каменная соль	6.0	неполярный	электронная, ионная
Титанат кальция	150	Полярный	электронная, ионная, электронно-релаксационная
Сегнетокерамика ВК-3	20000	полярная	электронная, ионная, спонтанная
Бариевое стекло	10	полярное	электронная, ионная, ионно-релаксационная

1.3 Электропроводность твердых диэлектриков

Для твердых диэлектриков наиболее характерна ионная электропроводность. В кристаллических веществах ионную проводимость можно объяснить, исходя из представлений о внутренних нарушениях структуры или дефектах решетки.

Согласно Я.И.Френкелю под действием тепловых флуктуаций ионы получают иногда энергию, достаточную, чтобы покинуть нормальные положения в решетке и попасть в пространство между нормально закрепленными ионами (межузлия).

При тепловом возбуждении эти межузельные ионы перескакивают из одного межузельного положения в другое, а если к кристаллу приложено поле, то в направлении поля более часто.

Через диэлектрик будет протекать электрический ток. Если при движении по кристаллу ион встречает вакантное место, то он снова закрепляется в узле решетки.

Такой процесс приводит к обмену атомов местами, то есть к диффузии.

1.4 Потери в диэлектриках

Диэлектрические потери - та часть энергии электрического поля, которая рассеивается в диэлектрике в виде тепла. Нагрев диэлектрика в постоянном электрическом поле зависит от значений удельных объемного и поверхностного сопротивлений (или удельной проводимости). Если известно сопротивление диэлектрика в Омах, то потери мощности в нем Р в ваттах можно подсчитать по известному соотношению

P = U2/R ,

где U - напряжение в вольтах. Для сопоставления потерь различных материалов лучше пользоваться удельными потерями, которые для единичного объема диэлектрика в виде куба со стороной 1m будут определяться по формуле

Pуд = E2/ или Pуд = E2 ,

где E - напряженность электрического поля.

Можно выделить следующие основные виды диэлектрических потерь.

ПОТЕРИ НА ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ - характерны для всех без исключения диэлектриков. Наблюдаются при постоянном и переменном напряжении. В однородных неполярных диэлектриках являются единственным видом потерь.

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ - обусловливаются поляризацией диэлектриков. Вызываются активными составляющими абсорбционных токов замедленных поляризаций.

ПОТЕРИ, ОбУСЛОВЛЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ - вызывается проводящими и газовыми включениями, слоистостью и т.п. Эти потери являются дополнительными релаксационными потерями. Наиболее часто они проявляются в виде потерь, обусловленных миграционной поляризацией, характерной в основном для композиционных и слоистых диэлектриков.

ИОНИЗАЦИОННЫЕ ПОТЕРИ, возникают в диэлектриках, содержащих поры или газовые включения.

РЕЗОНАНСНЫЕ ПОТЕРИ, характерны для частот, совпадающих с собственными частотами колебаний электронов и ионов.

1.5 Электрическая прочность диэлектриков

Минимальное напряжение Uпр, приложенное к диэлектрику, и приводящее к образованию в нем проводящего канала, называется пробивным напряжением.

В зависимости от того, замыкает ли канал оба электрода, пробой может быть полным, неполным или частичным. У твердых диэлектриков возможен также поверхностный пробой, после которого повреждается поверхность материала, образуя на органических диэлектриках науглероженный след-трекинг. Отношение импульсного пробивного напряжения к его статическому значению больше единицы и называется коэффициентом импульса. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения называют кривой жизни электрической изоляции.

Снижение Uпр от времени происходит из-за электрического старения изоляции - необратимых процессов под действием тепла и электрического поля.

Для оценки электрической прочности Епр необходимо, чтобы пробой производился в однородном электрическом поле. В этом случае пробивное напряжение Uпр будет пропорционально Епр. Однородное поле можно создать между двумя электродами, представляющими собой тела вращения определенной формы. Для получения поля, близкого к однородному, можно воспользоваться цилиндрическими электродами, при этом диаметр нижнего электрода D1 должен быть больше диаметра верхнего D электрода не менее чем в 3 раза.

Электрический пробой - разрушение диэлектрика, обусловленное ударной ионизацией электронами или разрывом связей между атомами, ионами или молекулами. Происходит за время 10-5 - 10-8 с.

Епр при электрическом пробое зависит главным образом:

от внутреннего строения диэлектрика;

и практически не зависит:

от температуры;

частоты приложенного напряжения;

геометрических размеров образца, вплоть до толщин 10-4 - 10-5 см.

По сравнению с воздухом, у которого Епр порядка 3 МВ/м, наибольших значений Епр при электрическом пробое у твердых диэлектриков достигает 102 - 103 МВ/м, в то время как у тщательно очищенных жидких диэлектриков составляет примерно 102 МВ/м.

В твердых диэлектриках, наряду с электрическим, тепловым и электрохимическим пробоем возможны также ионизационный, электромеханический и электротермический механизм пробоя.

Ионизационный пробой можно наблюдать в полимерных диэлектриках, содержащих газовые поры, в которых развиваются процессы ионизации, так называемые частичные разряды. В результате электронно-ионной бомбардировки стенок пор и действии оксидов азота и озона полимер изменяет химический состав и механически разрушается.

Электромеханический пробой характерен для хрупких диэлектриков и пористых керамик. Он возникает в результате механического разрушения из-за развития микротрещин под действием разрядов в газовых включениях, которые образуют перегретые области диэлектрика.

Электротермический пробой - механическое разрушение полимера при высоком напряжении в результате того, что полимер находится в высокоэластичном состоянии. Причиной является уменьшение толщины диэлектрика из-за электростатического притяжения электродов под действием высокого напряжения.



2. Виды диэлектриков

2.1 Разновидности диэлектриков

Все диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы.

Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков - негорючи, как правило, свето-, озоно, - термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении.

Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков - горючи (в основном), малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов.

2.2 Свойства наиболее применяемых диэлектриков

Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью и, как правило, невысокой ценой. Кроме того, на основе полимеров с дисперсными добавками различной электропроводности, теплопроводности, магнитной проницаемости, диэлектрической проницаемости, твердости и т.п. можно получать разнообразные композиционные материалы с широким спектром свойств. По технологическим признакам полимерные материалы делятся на 2 класса - термопласты и реактопласты.

2.3 Полимерные материалы

диэлектрический электропроводность поляризация полимерный

Термопласты - размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт - автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля.

Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH2)nH. Полиэтилен производят путем полимеризации газа этилена при повышенных давлениях и температурах. В основном используются две технологии. Исторически первой была технология получения полиэтилена при высоком давлении до 250 МПа и температуре до 300 °С с помощью инициирующих агентов-окислителей. При этом получается т.н. полиэтилен высокого давления ПЭВД, для которого используется и другое название - полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). В настоящее время более распространена технология получения полиэтилена с помощью катализаторов при невысоком давлении до 1 МПа, невысокой температуре до 80 °С. При этом получается т.н. полиэтилен низкого давления ПЭНД, для которого используется и другое название - полиэтилен высокого плотности (ПЭВП). Главное отличие полученных продуктов с физико-химической точки зрения - повышенная водостойкость ПЭНД по сравнению с ПЭВД. Другие характеристики практически одинаковы: удельное сопротивление 1014-1015 Ом?м, удельное поверхностное сопротивление 1015 Ом, диэлектрическая проницаемость 2.2-2.4, тангенс угла диэлектрических потерь 10-4, электрическая прочность 45-55 кВ/мм, теплопроводность 0.3-0.4 Вт/(м?К), теплоемкость 2 кДж/(кг?К), плотность 920-960 кг/м3. Класс нагревостойкости Y. Полиэтилен широко используют в качестве силовой электрической изоляции в кабелях, в особенности т.н. "сшитый" полиэтилен. (В зарубежной литературе - cross-linked polyethylene). Его получают либо облучением высокоэнергетичными частицами (электронами, фотонами, тяжелыми частицами), либо вулканизацией. При этом образуется пространственная сетка, подобно тому, как это реализуется в резине. Модифицированный материал может эксплуатироваться при температуре до 200 °С, кроме того, он становится более стойким по отношению к агрессивным средам и растворителям, механически более прочным, его удельное сопротивление повышается примерно на два порядка.

Из других термопластичных полимеров, используемых в энергетике в виде электроизоляционных пленок отметим полипропилен, поливинилхлорид, лавсан.

Рядом уникальных свойств обладает фторопласт (политетрафторэтилен). Он химически инертен, не растворяется в растворителях, вплоть до температуры 260 °С, абсолютно не смачивается водой, не гигроскопичен. Недостатки - не стоек под действием радиации, обладает хладотекучестью.

Реактопласты - при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Одна из распространенных дешевых технологий заключается в следующем. Сначала готовят пресс-порошки полимера. Затем пресс порошок засыпают в пресс-форму и прессуют при определенном давлении и температуре. При этом возникает сцепление между деформированными частицами, и после охлаждения материал готов к использованию. Возможно проведение полимеризации из исходных компонентов в заранее подготовленных формах. Так делают изделия из эпоксидных полимеров, кремнийорганической резины.

Достаточно дешевы и технологичны реактопласты на основе фенолформальдегидных полимеров (бакелит) и аминоформальдегидных полимеров. Их электрофизические характеристики невысоки.

Эпоксидные полимеры обладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками, некоторые марки эпоксидных материалов имеют диэлектрическую проницаемость до 16. Высокая полярность приводит к слабой водостойкости. Главное преимущество эпоксидных компаундов - простота технологии приготовления. Компаунды холодного отвержения получают смешиванием эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. В период времени до начала твердения (от минут до часов) жидкую композицию можно заливать в требуемую форму. Часто компаунд используют для ремонта диэлектрических деталей в качестве клея.

Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью - капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100°С до +250°С) - полиимиды и композиты на их основе.

2.4 Бумага и картон

Важным преимуществом этих материалов является то, что они производятся из возобновляемого сырья, а именно из древесной массы. Технология приготовления состоит из варки щепы и опилок в щелочном растворе с добавками. Целлюлозные волокна разделяются, полученная пульпа загущается удалением некоторого количества воды, из нее удаляются металлические примеси. Затем следует прокатка между вальцами, при повышенных давлении и температуре. Чем выше плотность бумаги, тем выше как механическая, так и электрическая прочность бумаги. Самые тонкие и прочные бумаги используются для изготовления конденсаторов. Достаточно отметить, что плотность конденсаторных бумаг достигает 1.6 т/м3, т.е. более, чем в 1.5 раза превышает плотность воды. При этом электрическая прочность бумаги толщиной 10 мкм, пропитанной трансформаторным маслом, составляет до 10 МВ/см.

Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает 40-50 кВ/мм. Поскольку она выше прочности трансформаторного масла, для увеличения электрической прочности трансформаторов зачастую устраивают в среде масла специальные барьеры из картона. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность Е=300-400 кВ/см. Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и, резко уменьшается электрическая прочность (в 4 и более раз)

2.5 Материалы для изоляторов

В последнее время бурно развивается производство изоляторов для ВЛ на основе кремнийорганической резины. Этот материал относится к каучукам, основное свойство которых - эластичность. Это позволяет изготовлять из каучуков не только изоляторы, но и гибкие кабели. В энергетике используются разные типы каучуков: натуральные каучуки, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, этиленпропиленовые и кремнийорганические.

Основу кремнийорганических резин составляют полиорганосилоксаны:



R R

| |

НО-Si-O-{-Si-O-}nH

| |

R R

Где R - одинаковые, либо разные органические радикалы. В зависимости от типа этих радикалов меняются свойства кремнийорганической резины. Иногда в основной цепи чередуются не только кремний и кислород, но и бор (боросилоксановые каучуки), углерод (силкарбоновые каучуки), азот (силоксазановые каучуки). Получают кремнийорганическую резину из исходного каучука с помощью вулканизации, т.е. сшивки в пространственные комплексы исходных молекул. При этом химическая связь возникает либо по концевым H и OH группам, либо по радикалам. Реакция протекает за счет радиационного облучения, либо за счет химических агентов при повышенной температуре. Как правило, с завода-изготовителя поступает готовая к вулканизации масса.

Свойства чистых кремнийорганических резин неудовлетворительны, в первую очередь ввиду низкой прочности и недостаточной свето-озоностойкости. В настоящее время изоляторы делают из композиционных материалов на основе кремнийорганических каучуков. В качестве усиливающих активных наполнителей используют нанопорошки двуокиси кремния (аэросил, белая сажа) и двуокиси титана. Из электрофизических и теплофизических свойств композиционного материала отметим:

диэлектрическая проницаемость e = 2.9-3.6;

удельное объемное сопротивление 1012-1013 Ом?м;

удельное поверхностное сопротивление 1012-1014 Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь 5?10-4-2?10-3;

электрическая прочность 18-24 кВ/мм,

теплоемкость 1.2-1.5 кДж/(кГ?К);

плотность 1100-1600 кГ/м3;

прочность на разрыв 4-6 МПа.

Резюмируя свойства кремнийорганических резин, отметим, что они имеют удовлетворительные электрофизические свойства, высокую теплоемкость, сравнительно невысокую механическую прочность. Из других свойств выделим, то, что они стойки к действию озона, света и масла, морозостойки (- 50?-90)°С и нагревостойки (180?250)°С, влагонепроницаемы, но газопроницаемы, масло-бензонестойки.

Электротехнический фарфор является искусственным минералом, образованным из глинистых минералов, полевого шпата и кварца в результате термообработки по керамической технологии. К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность, дешевизна исходных компонентов. Это определило широкое применение фарфора для производства изоляторов. Основные характеристики:

диэлектрическая проницаемость 7;

удельное объемное сопротивление 1011 Ом?м;

удельное поверхностное сопротивление 109-1012 Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь 2?10-2;

электрическая прочность 25-30 кВ/мм,

теплопроводность 1.0-1.2 Вт/(м?К);

теплоемкость 1.2-1.5 кДж/(кг?К);

плотность 2300-2500 кг/м3;

прочность на разрыв 90 МПа.

Сравнивая данные по фарфору и кремнийорганическим резинам, можно выделить, что недостатками фарфора являются хрупкость, высокая плотность, низкая теплопроводность, высокие диэлектрические потери. Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов.

Дело в том, что при пробое изолятора в гирлянде, его диэлектрическая "юбка" разрушается и падает на землю в случае выполнения юбки из стекла, тогда как при пробое фарфорового изолятора юбка остается целой. Поэтому неисправные стеклянные изоляторы видны невооруженным глазом, тогда как диагностика вышедших из строя фарфоровых изоляторов возможна только с помощью специальных приборов, например приборов ночного видения "Филин".

По химическому составу стекло является набором окислов кремния, бора, алюминия, натрия, кальция и т.п. По термодинамическому состоянию оно представляет собой сильно загустевшую жидкость вследствие переохлаждения. Обычное, щелочное стекло непригодно для изготовления изоляторов ввиду растрескивания, помутнения и т.п. в условиях эксплуатации. Для этой цели разработано специальное малощелочное стекло. Его характеристики:

диэлектрическая проницаемость 7;

удельное объемное сопротивление 1012 Ом?м;

удельное поверхностное сопротивление 1014 Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь 2.4?10-2;

электрическая прочность 48 кВ/мм,

теплопроводность 0.92 Вт/(м?К);

теплоемкость 1 кДж/(кг?К);

прочность на разрыв 90 МПа.

К недостаткам стекла, точнее способа его производства, относится большая энергоемкость получения материала, т.к. стекло длительно варят при высоких температурах.



2.6 Слюдяные материалы

Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристиками. Слюда является природным минералом сложного состава. В электротехнике используют два вида слюд: мусковит КАl2(АlSi3О10)(ОН)2 и флогопит КMg3(АlSi3О10(ОН)2. Высокие электроизоляционные характеристики слюды обязаны ее необычному строению, а именно - слоистости. Слюдяные пластинки можно расщеплять на плоские пластинки вплоть до субмикронных размеров. Разрушающие напряжения при отрыве одного слоя от другого слоя составляют примерно 0.1 МПа, тогда как при растяжении вдоль слоя - 200-300 МПа. Из других свойств слюды отметим невысокий tgd, менее чем 10-2; высокое удельное сопротивление, более 1012 Ом?м; достаточно высокую электрическую прочность, более 100 кВ/мм; термостойкость, температура плавления более 1200°С.

Слюда используется в качестве электрической изоляции, как в виде щипаных тонких пластинок, в.т.ч. склеенных между собой (миканиты), так и в виде слюдяных бумаг, в.т.ч. пропитанных различными связующими (слюдиниты или слюдопласты). Слюдяная бумага производится по технологии, близкой к технологии обычной бумаги. Слюду размельчают, готовят пульпу, на бумагоделательных машинах раскатывают листы бумаги.

Миканиты обладают лучшими механическими характеристиками и влагостойкостью, но они более дороги и менее технологичны. Применение - пазовая и витковая изоляция электрических машин.

Слюдиниты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе мусковита. Иногда их комбинируют с подложкой из стеклоткани (стеклослюдинит), или полимерной пленки (пленкослюдинит). Бумаги, пропитанные лаком, или другим связующим, обладают лучшими механическими и электрофизическими характеристиками, чем непропитанные бумаги, но их термостойкость обычно ниже, т.к. она определяется свойствами пропитывающего связующего.

Слюдопласты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе флогопита и пропитанные связующими. Как и слюдиниты, они также комбинируются с другими материалами. По сравнению со слюдинитами они обладают несколько худшими электрофизическими характеристиками, но обладают меньшей стоимостью. Применение слюдинитов и слюдопластов - изоляция электрических машин, нагревостойкая изоляция электрических приборов В заключение раздела хотелось бы привести сравнительные данные по электрической прочности в нормальных условиях некоторых распространенных газообразных, жидких и твердых диэлектриков.



3. Применение твердых диэлектриков

3.1 Применение твердых диэлектриков в энергетике

Применение в энергетике:

- линейная и подстанционная изоляция - это фарфор, стекло и кремнийорганическая резина в подвесных изоляторах ВЛ, фарфор в опорных и проходных изоляторах, стеклопластики в качестве несущих элементов, полиэтилен, бумага в высоковольтных вводах, бумага, полимеры в силовых кабелях;

- изоляция электрических приборов - бумага, гетинакс, стеклотекстолит, полимеры, слюдяные материалы;

- машин, аппаратов - бумага, картон, лаки, компаунды, полимеры;

- конденсаторы разных видов- полимерные пленки, бумага, оксиды, нитриды.

С практической точки зрения в каждом случае выбора материала электрической изоляции следует анализировать условия работы и выбирать материал изоляции в соответствии с комплексом требований. Для ориентировки целесообразно разделить основные диэлектрические материалы на группы по условиям применения.

1. Нагревостойкая электрическая изоляция. Это в первую очередь изделия из слюдяных материалов, некоторые из которых способны работать до температуры 700 °С. Стекла и материалы на их основе (стеклоткани, стеклослюдиниты). Органосиликатные и металлофосфатные покрытия. Керамические материалы, в частности нитрид бора. Композиции из кремнийорганики с термостойким связующим. Из полимеров высокой нагревостойкостью обладают полиимид, фторопласт.

2. Влагостойкая электрическая изоляция. Эти материалы должны быть гидрофобны (несмачивание водой) и негигроскопичны. Ярким представителем этого класса является фторопласт. В принципе возможна гидрофобизация путем создания защитных покрытий на других негидрофобных диэлектриках.

3. Радиационно стойкая изоляция. Это, в первую очередь, неорганические пленки, керамика, стеклотекстолит, слюдинитовые материалы, некоторые виды полимеров (полиимиды, полиэтилен).

4. Тропикостойкая изоляция. Материал должен быть гидрофобным, чтобы работать в условиях высокой влажности и температуры. Кроме того, он должен быть стойким против плесневых грибков. Лучшие материалы: фторопласт, некоторые другие полимеры, худшие - бумага, картон.

Новосибирская фирма выполняет заказ по поставке в одну из тропических стран прибора для обнаружения взрывчатых веществ. В высоковольтном блоке прибора используется изолятор из фторопласта. При изготовлении работник произвольно заменил дорогой фторопласт более дешевым поливинилхлоридом, обладающим соответствующими электрофизическими характеристиками, но не обладающим необходимой гидрофобностью. В результате при испытаниях произошли ложные срабатывания и фирма потерпела убытки.

5. Морозостойкая изоляция. Это требование характерно, в основном для резин, т.к. при понижении температуры все резины теряют эластичность. Наиболее морозостойка кремнийорганическая резина с фенильными группами (до -90°С).

6. Изоляция для работы в вакууме (космос, вакуумные приборы). Для этих условий необходимо использовать вакуумно-плотные материалы. Пригодны некоторые, специально приготовленные керамические материалы, малопригодны полимеры.

3.2 Применение в РЭА

Известно, что диэлектрические материалы применяются в качестве изоляции от воздействия электрического тока. Но в современной РЭА и в вычислительной технике они все чаще применяются как активные элементы, как ЗУ, как преобразователи механических воздействий в электрический сигнал и наоборот, в качестве термочувствительных датчиков и так далее.

Практически любой из пассивных электро-радио элементов изготовлен с применением диэлектриков:

-Катушки индуктивности

-Каркас диэлектрический

-Провод покрыт эмалевой изоляцией

-Резисторы: внешнее покрытие

-Конденсаторы: основной материал - диэлектрик, покрытие.

Можно привести много примеров еще: печатные платы (слоистый пластик), основания переключателей, разъемов, переходных и контактных площадок, кварцевые резонаторы и др.



Заключение

В ходе курсовой работы я многое узнала о диалектриках, об их свойствах, разновидностях, область их применения. Узнала, что хорошими диэлектриками являются полимеры, такие, как полиэтилен H-(CH2)nH, фторопласт, которые обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью и низкой себестоимостью. Получила также понятия об эпоксидных полимерах, обладающие хорошей механической прочностью.

Органические диэлектрики, такие как, воски, лаки, резины, бумаги в основном являются горючими, имеют простую технологию изготовления, более дешевы. А неорганические диэлектрики, как стекла, слюда, керамика и т.д. - негорючи, термостойки, имеют сложную технологию изготовления.

Бумага и картон также являются твердыми диэлектриками. Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п.

Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом.

Кремнийорганические резины стойки к действию озона, света и масла, морозостойки и нагревостойки. Электротехнический фарфор является искусственным минералом.

К его свойством относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, к различным температурам, высокая механическая прочность и дешевизна исходных компонентов.

Сравнивая данные по фарфору и кремнийорганическим резинам, можно выделить, что недостатками фарфора являются хрупкость, высокая плотность, низкая теплопроводность, высокие диэлектрические потери.

Стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов.

Размещено на Allbest.ru

...