Диэлектрики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

«Тульский государственный университет»

Кафедра «Электроэнергетика»

Контрольная - курсовая работа

по дисциплине:

Конструкционные и электротехнические материалы

на тему:

«Диэлектрики»

Мороз Е.В.

Тула 2018 г.



Содержание

Введение

1. Диэлектрики

2. Свойства диэлектриков

3. Классификация диэлектрических материалов

3.1 Твердые органические диэлектрики

3.2 Твердые неорганические диэлектрики

3.3 Жидкие диэлектрики

3.4 Газообразные диэлектрики

Заключение

Библиографический список



Введение

Научно-технический прогресс в электротехнических отраслях и электроэнергетике связан с производством и использованием турбо- и гидрогенераторов, электрического оборудования для линий электропередач, электрических машин, аппаратов, электропроводов, электрических конденсаторов, кабелей и т. д. Переход энергетической техники на новый уровень требует увеличения мощности, быстроходности машин, улучшения рабочих параметров электрических аппаратов, производства быстродействующих управляющих и вычислительных комплексов, электронных узлов контроля и регулирования систем. Разработка, создание и эксплуатация этих систем, машин, аппаратов приборов при переходе на более высокую ступень зависят от возможностей синтеза новых или модифицирования уже известных электротехнических материалов - диэлектрических, магнитных, проводниковых и полупроводниковых. В высоковольтных системах, конструкциях и устройствах особую роль играют диэлектрические материалы.

Диэлектрические материалы - это класс электротехнических материалов, оказывающих большое сопротивление электрическому току и способные поляризоваться в электрическом поле. Диэлектрические материалы, предназначенные для создания электрической изоляции токоведущих частей и проводников, находящихся под разными электрическими потенциалами, называют электроизоляционными материалами.

Электроизоляционные материалы относят к пассивным диэлектрикам. Это, прежде всего, многие виды полимеров, керамики, бумажная и слюдяная изоляция, трансформаторное масло и др. Параметрами активных диэлектриков, таких как сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты можно управлять изменением напряженности электрического поля, температуры, механических напряжений. На их основе создают различные твердые схемы, нелинейные конденсаторы, преобразователи энергии, ячейки памяти ЭВМ и т. д.

В целом ряде электротехнических систем, аппаратов, машин, электрическая изоляция и ее параметры - электрические, тепловые, механические и др. играют решающую роль, и должны учитываться как на стадии проектирования, так и при эксплуатации объектов в различных условиях. Так, например, рост напряжений генераторов, в основном, ограничивается изоляцией обмоток статора, в которых наводится ЭДС и проходит ток. Эта изоляция должна иметь минимальную толщину и быть надежной, долговечной при воздействии электрического поля, механических нагрузок и повышенных температур. Поэтому в высоковольтных машинах применяется прочная изоляция («монолит», «слюдотерм» и др.), изготовляемая на основе слюды - миканиты, слюдиниты, пропитанные теплостойкими, затвердевающими при повышенных температурах компаундами и лаками. Другой пример применения диэлектрических материалов - силовые трансформаторы массовых серий, в которых для электрической изоляции используются как твердые, так и жидкие диэлектрики. В качестве жидкой изоляции применяют трансформаторное масло, которое почти в десять раз прочнее воздуха и хорошо отводит тепло. Главная изоляция трансформаторов усиливается твердым электрокартоном с разного рода прокладками, повышающими механическую прочность системы. Такая маслобарьерная изоляция обеспечивает работу трансформаторов при напряжении 6 - 330 кВ. При проектировании необходимо учитывать не только факторы, обеспечивающие, например, выравнивание полей за счет комбинирования материалов, но и технологию изготовления изоляции - пропитку, сушку и т. д. В конечном счете в твердой изоляции трансформаторов удается обеспечить рабочие напряженности поля 1 - 2 кВ/мм. Сложнее создать изоляцию обмоток трансформаторов на 500, 750, 1150 кВ.

В зависимости от объекта, в котором предполагается использовать диэлектрики, требования к тем или иным параметрам материалов могут быть различными. Например, для получения наименьших размеров обычных конденсаторов при прочих равных условиях нужно иметь возможно большую диэлектрическую проницаемость материала. Для кабельной же изоляции, наряду со специфическими требованиями, обусловленными назначением и типом кабеля, требуются диэлектрики с возможно меньшей диэлектрической проницаемостью, что дает возможность уменьшить диэлектрические потери на переменном напряжении и улучшить ряд других параметров. Как правило, создание кабелей и проводов для сложных условий эксплуатации зависит от возможностей синтеза полимерных материалов с заданным комплексом свойств. диэлектрический жидкость электрическая изоляция

При увеличении температуры окружающей среды электрическое сопротивление диэлектриков уменьшается, а проводимость возрастает, что приводит к пропорциональному нарастанию мощности при заданном значении напряжения. В этих условиях перегрев диэлектриков, особенно в высоковольтном оборудовании, увеличивает вероятность нарушения электрической прочности изоляции, что может привести к ее пробою. Следует учитывать, что электрический пробой изоляции на оборудовании подстанций высокого напряжения или на мощных линиях - это катастрофа.

Таким образом, уже на этом ограниченном числе примеров видно, что правильный выбор диэлектрика, знание его состава, структуры, электрических, тепловых, механических, физико-химических параметров, их взаимосвязи с технологическими факторами, т. е. всего комплекса свойств обусловливают технико-экономические и эксплуатационные показатели и характеристики электротехнических систем и приборов.



1. Диэлектрики

Диэлектрические материалы являются основными видами электротехнических материалов, с которыми придется встретиться на практике будущим электромеханикам. Эти материалы служат в качестве изоляции токоведущих частей энергетического оборудования. Они включают в себя такие разнообразные типы электрической изоляции как: воздух в линиях электропередач и электроаппаратах; нефтяные и искусственные масла в трансформаторах, кабелях и конденсаторах; твердые диэлектрики в изоляторах воздушных линий (ВЛ), конденсаторах, установочных изделиях и корпусах аппаратов и т.п. При этом физические условия, в которых должна находиться и функционировать изоляция, накладывают определенные требования на физико-химические параметры материала, ограничивая возможные вид и тип используемых электротехнических материалов. При рассмотрении даже простейших изделий, предназначенных для работы в электрическом поле, необходимо четко представлять, какие процессы происходят в материале, как влияет тот или иной материал на работу других частей устройства, в том числе за счет перераспределения электрического поля.

Диэлектрики - это вещества, основным электрическим свойством которых является способность поляризоваться в электрическом поле и иметь большое сопротивление прохождению электрического тока.

Поляризация - это процесс упорядочения связанных электрических зарядов внутри диэлектрика под действием приложенного напряжения.

Материалы, у которых интенсивно развивается процесс спонтанной поляризации называются сегнетоэлектрики.

Каждый материал обладает диэлектрической проницаемостью - это основная характеристика электроизоляционных материалов. Диэлектрики всегда подвергаются воздействию высокого напряжения и могут быть разрушены силами электрического поля. Это явление называется пробоем диэлектрика.

Величина напряженности электрического поля, при которой произошел пробой диэлектрика, называется его электрической прочностью. Диэлектрики, используемые в качестве изоляционного материала, могут быть пассивными и активными.



2. Свойства диэлектриков

Для оценки свойств электротехнических материалов необходимо учитывать основные характеристики, к которым относятся электрические, механические, термические и физико-химические.

Из всего многообразия свойств, главными являются электрические. К ним относятся: электропроводность, поляризация, диэлектрические потери, электропрочность и электрическое старение.

Электропроводность характеризуется удельной проводимостью и удельным сопротивлением. Она носит ионный характер, т.е. носителями зарядов являются ионы.

Диэлектрические потери. При взаимодействии электрического поля на любое вещество часть потребляемой им электрической энергии превращается в тепловую и рассеивается. Рассеянную часть поглощенной диэлектриком электрической энергии называют диэлектрическими потерями.

Поляризация диэлектриков - это, процесс, состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в диэлектрике при воздействии на него электрического поля. Степень поляризованности диэлектрика оценивается относительной диэлектрической проницаемостью.

Электрическая прочность - это равная напряжению величина, при которой может быть пробит электроизоляционный материал толщиной в единицу длины. Определяют электрическую прочность проверенным путем. В лаборатории измеряется напряжение, которое пробивает установленной толщины образец электроизоляционного материала.

Электрическое старение. В сильном электрическом поле в связи с электропереносом зарядов в диэлектрике происходят необратимые изменения свойств - электрическое старение и пробой, сопровождающийся разрушением твердых диэлектриков. Пробой наступает при достижении некоторого порогового значения напряженности поля, выше которого электрическая прочность нарушается. При пробое ток через диэлектрик катастрофически возрастает и сквозь диэлектрик проходит мощный электрический разряд (искра или дуга). Различные физические и физико-химические механизмы приводят к развитию в диэлектриках необратимых процессов - старения, пробоя и механического разрушения.

Механические свойства. Это способность диэлектрика выдерживать внешние статические и динамические нагрузки без недопустимых изменений первоначальных размеров и формы. При выборе диэлектрического материала в каждом конкретном случае следует учитывать не только электрические свойства, но и механические свойства.

К основным механическим свойствам относят упругость, прочность, сопротивление раскалыванию, стойкость к надрыву.

Повышение механического напряжения приводит к разрушению образца при напряжении , которое называется пределом прочности.

Прочность материалов характеризуют пределами прочности при растяжении , сжатии и изгибе . Материалы, в которых пластическая деформация не наблюдается и образец разрушается (например, стекло, керамика), называются хрупкими. Хрупкие материалы легко разрушаются под действием вибраций и динамических нагрузок. Материалы, в которых участок пластической деформации очень широк, называются пластичными. Для бумаги и картона - прочность на разрыв; для пластмассы - сопротивление раскалыванию; для бумаги, пленки и лакоткани - стойкость к надрыву. Для многих электроизоляционных материалов важным параметром является гибкость, которая обеспечивает сохранение высоких механических и электрических параметров изоляции при самых разнообразных механических деформациях.

Термические свойства. Поведение диэлектрика при нагревании характеризуется рядом свойств, которые в совокупности определяют его допустимую рабочую температуру. К важным термическим свойствам относятся теплопроводность, теплоемкость, плавление, тепловое расширение, нагревостойкость, стойкость к термоударам.

Теплопроводность - процесс отвода теплоты от нагретых проводников и магнитопроводов через слой электрической изоляции.

Теплоемкость - это то количество теплоты, которое необходимо для нагрева тела.

Твердые кристаллические диэлектрики при нагреве плавятся, и для них характерным параметром является температура плавления и температура размягчения.

Диэлектрик, как и другие материалы, при нагревании расширяется. Термические расширение оценивают температурным коэффициентом длины и температурным коэффициентом объема.

Нагревостойкость электрической изоляции определяется по изменениям ее электрической прочности, тангенсу угла диэлектрических потерь, потере массы, механической прочности по сравнению с рабочей температурой. Оценкой нагревостойкости материала может служить температура размягчения. Критерием выхода из строя изоляции может служить уменьшение ее электрической прочности в 2 раза по сравнению со значением до испытаний. Материалы, используемые в изоляции электрических машин, трансформаторов и аппаратов по нагревостойкости разделяют на 7 классов.

Холодостойкость электроизоляции определяется путем сравнения механических характеристик при отрицательной и нормальной температурах.

Стойкость к термоударам определяется для хрупких материалов. Это изоляторы из электротехнического фарфора. При определении стойкости к термоударам нагретые изоляторы погружают в ледяную воду, где выдерживают определенное время.

Физико-химические свойства. К ним относятся: химостойкость, влагостойкость, водопоглощение, тропикостойкость.

При определении химостойкости образцы длительное время выдерживают в условиях наиболее близких к эксплуатационным, после чего определяют изменение их внешнего вида, массы, электрических и других параметров (воздействие масла, топлива, щелочи).

Влагостойкость диэлектрика определяется его способностью сорбировать влагу из окружающей среды (влажного воздуха). В процессе выдержки во влажной атмосфере контролируют изменение параметров материала.

Водостойкость и водопоглощение определяются по изменению параметров диэлектрика в процессе его выдержки в дистиллированной воде.

Тропикостойкость диэлектрика определяется по изменению удельного объема сопротивления, механической и электрической прочности под воздействием тропических климатических факторов: холода, жары, влаги, солнечной радиации, атмосферы, загрязненной морской солью, пустынной или степной пылью, песком, пеплом, химическими соединениями, воздействием микроорганизмов и вредителей животного мира.



3. Классификация диэлектрических материалов

Диэлектрические (изоляционные) материалы по агрегатному состоянию классифицируются на твердые, жидкие и газообразные. Области применения и количество типов материалов существенно различаются.

Твердые диэлектрические материалы. Их в природе большинство и можно ограничиться делением на органические и неорганические. Среди органических диэлектриков наибольшее распространение получили полимерные материалы. Они подразделяются по размерам молекул на низкомолекулярные и высокомолекулярные. Последние в свою очередь делятся по форме молекул на термопластичные и термореактивные, а по электрофизическим свойствам на полярные и неполярные.

3.1 Твердые органические диэлектрики

Полимеры - это высокомолекулярные соединения, состоящие из большого числа повторяющихся звеньев, образованных исходными мономерами. Почти все твердые органические диэлектрики являются высокополимерными материалами. Название полимеры происходит от двух греческих слов: «поли» - много и «мерос» - часть. Действительно, молекулы полимеров состоят из большого количества частиц - десятков и сотен тысяч молекул исходных веществ - мономеров. Название «мономер» происходит от греческого слова «моно», что означает один.

Большие молекулы полимеров могут иметь форму вытянутых в длину нитей, т.е. иметь линейное строение, поэтому и называются линейными полимерами. Например: натуральный и синтетический каучуки, полиэтилен, полистирол и др.

Молекулы полимеров могут быть развиты по всем трем направлениям в пространстве, т.е. иметь пространственное (объемное) строение. Они называются пространственные полимеры. Например: синтетические смолы - бакелит, глифталь и др.

Высокополимерные вещества могут быть природными (янтарь, натуральный каучук и др.) и синтетическими (полистирол, поливинилхлорид и др.). Большая часть полимеров является аморфными веществами, и их поэтому называют смолами, некоторые из полимеров (фторопласт-4) имеют кристаллическое строение и не являются смолами.

Ввиду ограниченности свойств природных полимеров современная электротехника использует главным образом синтетические высокополимерные диэлектрики. Они могут быть получены в результате химических реакций полимеризации или поликонденсации.

Полимеризация - это процесс соединения молекул исходного (мономерного) вещества в большие молекулы высокополимерного вещества без изменения его элементарного состава.

Поликонденсация - это процесс соединения молекул исходных (мономерных) веществ в большие молекулы высокополимерного вещества с выделением побочных веществ: воды, кислот, газов и др. Поликонденсация протекает в несколько этапов.

Термореактивными называют такие материалы, которые в своей конечной стадии производства (в готовом виде) не способны размягчаться при нагревании. К ним относятся: бакелитовые смолы и пластмассы на их основе (гетинакс, текстолит), глифтали и др.

Термопластичными называют такие материалы, которые не могут быть переведены в неплавкое состояние. Они при нагревании размягчаются и постепенно превращаются в густые жидкости. Этим свойством термопластичных материалов пользуются при изготовлении из них гибких изделий: пленок, нитей, а также для производства деталей методом литья под давлением. К таким диэлектрикам относятся полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид и др.

Полистирол - твердый прозрачный материал. Он обладает высокими электроизоляционными свойствами и стоек к воде, кислотам и щелочам. Его изготавливают в виде листов, гранул, порошка.

Полистирол - термопластичный диэлектрик, размягчающийся при 110-120°. При 300°С полистирол деполимеризуется, т.е. снова переходит с исходное вещество - стирол. Допустимая рабочая температура 70°С.

Полистирол растворяется в неполярных растворителях: бензоле, толуоле, ксилоле, частично растворяется в ацетоне.

Из полистирола изготовляют каркасы катушек, изоляционные панели, основания и изоляторы для электроизмерительных приборов. На основе полистирола делают электроизоляционные лаки.

Из размягченного полистирола получают гибкие стирольные пленки толщиной 10-300 мм, которые применяют для изоляции жил высокочастотных кабелей, а также в производстве конденсаторов.

Полиэтилены - твердые непрозрачные материалы белого или светло-серого цвета, несколько жирные на ощупь. Электроизоляционные свойства и стойкость к воде у полиэтиленов находятся на таком же высоком уровне, как и у полистиролов. При комнатной температуре полиэтилены не растворяются ни в одном из растворителей. Следует отметить, что все полиэтиленовые изделия нестойки к солнечному свету. Для повышения светостойкости в них вводят сажу и другие красители.

Поливинилхлорид (полихлорвинил) - представляет собой порошок белого цвета, из которого получают горячим прессованием или горячим выдавливанием механически прочные изделия (платы, листы, стержни, трубы и др.), стойкие к минеральные маслам, многим растворителям, щелочам и кислотам. Виниловые изделия легко окрашиваются в различные цвета, отличаются химической стойкостью, обладают высокой механической прочностью, особенно к ударным нагрузкам имеют хорошие электроизоляционные свойства.

Данный материал поддается всем видам механической обработки, легко сваривается и склеивается.

Полиформальдегид - твердый термопластичный диэлектрик, представляет собой порошок белого цвета, из которого получают изделия с повышенными механическими характеристиками: высокая твердость, стойкость к истиранию и малый коэффициент трения.

Органическое стекло - высокополимерный, термопластичный прозрачный материал, легко окрашиваемый во многие цвета.

Капрон (поликапроамид) - твердый синтетический материал белого или желтого цвета, получаемый в результате полимеризации.

Капроновое волокно применяется в качестве изоляции обмоточных и некоторых типов монтажных проводов, а также в качестве основы электроизоляционных лакированных тканей. Из капрона изготавливают дюбеля, скобки, сальники, вкладыши подшипников, шестерни, ролики транспортеров, крыльчатки вентиляторов и др.

Глифталевые смолы относятся к группе полиэфирных смол (гликоль, глицерин).

Для обеспечения достаточной гибкости к смоле добавляют касторовое масло. Отличительной способностью является высокая клеящая способность, стойкость к поверхностным разрядам и повышенная нагревостойкость. Клеящие глифталевые лаки нашли большое применение для клейки слюды в производстве твердой и гибкой слюдяной изоляции (миканиты, микаленты).

Природные электроизоляционные смолы. Из природных смол, наибольшее применение в электротехнике получили канифоль, шеллак и битумы.

Канифоль представляет собой хрупкое стеклообразное вещество в виде кусков неправильной формы. Канифоль получают из сока хвойных деревьев. В состав канифоли входят смоляные кислоты: абиетиновая, колофеновая, эфирные масла и др. Канифоль относится к термопластичным материалам, размягчающимся при нагревании, и хорошо растворяется во многих растворителях: скипидаре, бензине, этиловом спирте, ацетоне, минеральном масле и др. В электротехнике канифоль применяется в качестве загустителя минеральных масел, идущих для пропитки бумажной изоляции кабелей, а также в качестве составной части масляно-канифольных заливочных электроизоляционных материалов. Канифоль находит большое применение в качестве флюса при пайке медных проводов.

Одной из важнейших задач электроматериаловедения является разработка электроизоляционных материалов с повышенной нагревостойкостью. Применение таких материалов в изоляции электрических машин и аппаратов позволяет повысить их температуру нагрева и делает возможным увеличение мощности машин и аппаратов, не изменяя их веса и габаритов. Большинство органических диэлектриков может работать при температурах, не превышающих 90-105°(классы нагревостойкости Y и А) и только некоторые из них, например лавсан - до 120°С и глифталевые смолы - до 130°С.

Высокой нагревостойкостью обладают электроизоляционные материалы неорганического происхождения, например электрокерамические материалы (фарфор, стеатит), но из них невозможно изготовить гибкие виды изоляции.

В результате многочисленных исследований были разработаны новые кремнийорганические высокополимерные диэлектрики. В основе молекул этих диэлектриков находится силоксановая группа атомов - Si - O - Si. Эти материалы отличаются высокой нагревостойкостью и морозостойкостью. Наша промышленность вырабатывает большое количество кремнийорганических лаков и эмалей, а также пластмасс и резин. По нагревостойкости они относятся к классу Н, т.е. могут длительно работать при температуре до

180 °С.

Полиамиды - новые нагревостойкие органические диэлектрики, которые можно использовать при температурах до 200-220°С и низкие температуры до (-190°С) без разрушений. На основе полиимидов изготавливаются эмальлаки для эмалирования обмоточных проводов диаметром от 0,1 до 1,3мм.

Электроизоляционные лаки. Лаки представляют собой коллоидные растворы различных пленкообразующих веществ в специально подобранных органических растворителях. Пленкообразующими называются вещества, которые в результате испарения растворителя и процессов отвердевания способны образовать твердую пленку. По своему назначению электроизоляционные лаки делятся на: пропиточные, покровные и клеящие.

Воскообразные диэлектрики. Характерными особенностями данных материалов являются их мягкость, незначительная механическая прочность и наличие жирной, плохо смачиваемой водой поверхности, вследствие чего водопоглощение этих материалов практически рано нулю. Из воскообразных диэлектриков в электротехнике находят применение парафины, церезины и галовакс.

Волокнистые электроизоляционные материалы. Волокнистые материалы состоят из волокон: природных, искусственных или синтетических. К природным относятся асбестовые, хлопковые, льняные, натуральный шелк и другие волокна растительного происхождения, например волокна различных деревьев (сосна, ель), идущие на изготовление бумаги. Асбестовые, хлопковые, льняные волокна извлекают механической обработкой асбеста, хлопка и льна. Древесные волокна получают путем химической обработки древесины. Из древесины хвойных пород (сосна, ель) путем ее химической переработки получают техническую целлюлозу или клетчатку, которая является сырьем для изготовления различных электроизоляционных бумаг и картонов. Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, телефонные (для кабелей связи), конденсаторные, пропиточные, намоточные и др.

Текстильные электроизоляционные материалы. Текстильные материалы (пряжа, ткани, ленты и др.) широко применяются в качестве электроизоляционных. Это натуральные волокна растительного и животного происхождения, а также различные синтетические и искусственные волокна. Применение в электротехнике имеют текстильные изделия из стеклянного волокна и асбеста, капроновые волокна, хлопчатобумажные и шелковые ткани.

Электроизоляционные пластмассы. Пластическими массами называются материалы, способные в исходном состоянии приобретать пластичность, т.е. легко воспринимать заданную форму какого-либо изделия и ее сохранять. Пластмассы в подавляющем большинстве являются материалами органического происхождения.

Из пластмассы изготавливают основания электроизмерительных приборов, платы, каркасы катушек, кнопки, корпуса выключателей и розеток и многое другое.

Слоистые электроизоляционные пластмассы. Слоистые пластмассы - это материалы, в которых наполнителем служат листовые материалы: бумага или ткани, создающие слоистую структуру. Связующим веществом в них являются термореактивные фенолоформальдегидные и другие смолы. Из слоистых пластмасс наиболее широкое применение получили гетинакс, текстолит и стеклотекстолит.

Гетинакс - листовой слоистый материал, в котором наполнителем являются листы пропиточной бумаги, собранные в пакеты и спрессованные. Используется для изготовления различного рода плоских электроизоляционных деталей и оснований.

Текстолит отличается от гетинакса тем, что наполнителем в нем является хлопчатобумажная ткань. Он выпускается марок А, Б и Г - на основе бязи и на шифоне.

Электроизоляционные резины. Резины широко применяют в производстве электрических проводов и кабелей, где они выполняют роль электроизоляционных материалов или защитных покровов (шланговые резины). Назначение шланговых резин - защищать изоляцию кабеля от возможных механических и химических воздействий, а также от проникновения в нее влаги. Основным сырьем для изготовления всех резин являются натуральные и синтетические каучуки. Каучук обладает высокой пластичностью (растяжимостью) и принадлежит к группе материалов, называемых эластомерами. Пластичность каучука является свойством, необходимым для производства резин, так как способствует лучшей смешиваемости каучука с вулканизаторами, наполнителями, пластификаторами. На каучук действуют растворители: бензин, бензол, минеральные масла, в которых, он сначала набухает, затем постепенно растворяется. Из физико- химических характеристик наиболее важными являются: сопротивление старению, стойкость к действию различных жидкостей, теплостойкость, морозостойкость и водопоглощение. Эбонит - твердая резина, которая получается, если в натуральный или синтетический каучук ввести большое количество (30-50%) вулканизирующего вещества - серы. Эбонит имеет черную окраску и обладает хорошими механическими и электрическими характеристиками, а также хорошо поддается механической обработке.

3.2 Твердые неорганические диэлектрики

Слюда. Представляет собой природный минерал с характерным слоистым строением, позволяющим расщеплять кристаллы слюды на тонкие листочки толщиной до 0,005 мм. Склеивая листочки слюды клеящими смолами или лаками, получают твердую или гибкую слюдяную изоляцию для обмоток электрических машин. Природная слюда имеет сложный химический состав: кремний, калий, магний, алюминий, кислород и водород. Слюда залегает в земле в виде жил вместе с другими минералами, такими как кварц. При разработке природной слюды и изготовлении из нее электроизоляционных материалов образуется около 90% различных отходов. Среди них мелкий отход - скрап. Из очищенного скрапа изготовляют слюдяную бумагу, из которой получают твердые и гибкие электроизоляционные материалы - слюдиниты.

Электрокерамические материалы. Это твердые камнеподобные вещества, которые можно обработать только абразивами. Все электрокерамические материалы по их назначению можно разделить на три группы: изоляторная керамика, конденсаторная и сегнетоэлектрическая.

Фарфоровые изоляторы. Главной областью применения электротехнического фарфора является производство штыревых, подвесных, опорных, опорно-штыревых, проходных высоковольтных изоляторов.

3.3 Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики применяются в электроизоляционной технике в качестве пропитывающих и заливочных составов при производстве электро- и радиотехнической аппаратуры: в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. По применению они делятся на жидкости для конденсаторов, трансформаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции, находящихся под напряжением элементов конструкции и отводить от них теплоту, выделяющуюся при работе.

Жидкие диэлектрики - минеральные масла, синтетические жидкости, смолы, лаки. Применяются в масляных трансформаторах, выключателях, кабелях и конденсаторах. В трансформаторах масло служит для изоляции токоведущих частей и охлаждения путем конвекции (перенос тепла при циркуляции масла); в масляных выключателях - для гашения электрической дуги при разрыве цепи; в кабелях и конденсаторах - для пропитки бумажной изоляции.

Основными характеристиками диэлектрических жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.

Наиболее распространенными жидкими диэлектриками, применяемыми в качестве электроизоляционных материалов, являются: нефтяные масла -- трансформаторное, конденсаторное и кабельное; синтетические жидкие диэлектрики -- полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические; растительные технические масла (касторовое, льняное, конопляное и тунговое) в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

Нефтяные масла получают фракционной перегонкой нефти. Выделенные фракции представляют собой сложную смесь углеводородов парафинового, нафтенового и ароматического рядов с небольшой примесью других компонентов, содержащих атомы серы, кислорода и азота.

Нефтяные масла -- слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу представляют смесь различных углеводородов парафинового, нафтенового, ароматического и нафтено-ароматического рядов с небольшим (до 1% масс) содержанием присадок, улучшающих их стойкость к термоокислительному старению, а также температурно-вязкостные характеристики. Нефтяное трансформаторное масло получило наиболее широкое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных проводах.

Нефтяное конденсаторное масло получают из трансформаторного путем его более глубокой очистки адсорбентами. Его электрические свойства лучше, чем у трансформаторного масла. Используют для пропитки бумажных конденсаторов, в особенности силовых. При пропитке в результате заполнения пор бумаги маслом увеличиваются диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность бумаги, следовательно, возрастают емкость конденсатора и его рабочее напряжение. Нефтяное кабельное масло применяют для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей с рабочим напряжением до 35 кВ в свинцовой или алюминиевой оболочке, а также для заполнения металлических оболочек маслонаполненных кабелей на напряжение до 110 кВ и выше. Недостатки нефтяных масел -- пожаро- и взрывоопасность, невысокая стойкость к тепловому и электрическому старению, гигроскопичность.

Синтетические жидкие диэлектрики. Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов (совол, совтол), что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью. Применяются для наполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электрических аппаратов в тех случаях, когда рабочие температуры велики для других видов жидких диэлектриков. Некоторые перфторированные жидкие диэлектрики могут использоваться для создания испарительного охлаждения в силовых трансформаторах. Недостатки -- токсичность некоторых видов фторорганических жидкостей, высокая стоимость. Жидкие диэлектрики находят применение и для заливки герметичных кожухов, в которых располагаются блоки электронной аппаратуры. Однако, в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время запрещено, хотя в эксплуатации еще имеется их значительное количество.

Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов). Они являются нетоксичными и экологически безопасными. Эти жидкости представляют собой полимеры с низкой степенью полимеризации. Полиорганосилоксановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радиоэлектронной аппаратуры и др.

Растительные масла. К растительным маслам относятся касторовое, тунговое, льняное, конопляное. Растительные масла -- слабополярные диэлектрики. Касторовое масло имеет высокую нагревостойкость и используется как пластификатор и для пропитки бумажных конденсаторов. Тунговое, льняное и конопляное масла относятся к

«высыхающим» маслам. Высыхание обусловлено не испарением жидкости, а химическим процессом, в основе которого лежит окислительная полимеризация. Используются в качестве пленкообразующих в лаках (в том числе электроизоляционных), эмалях и красках.

3.4 Газообразные диэлектрики

Газообразные диэлектрики делят на две группы: естественные и искусственные. Основными газообразными диэлектриками, применяющимися в электротехнике,

являются: воздух, азот, водород и элегаз (гексафторид серы) и др. По сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками, газы обладают малыми значениями диэлектрической проницаемости и, высоким удельным сопротивлением и пониженной электрической прочностью.

Естественные газообразные диэлектрики. Наибольшее применение из них в силу своей распространенности получил воздух, даже в тех случаях, когда его присутствие в изоляции нежелательно. Воздух представляет собой смесь, которая состоит из азота (78,03%), кислорода (20,93%), углекислого газа (0,03%), инертных газов (Не, Хе, Ar, Ne, Кг ) (0,1 %).

В воздушных линиях электропередачи, сухих трансформаторах, коммутационных аппаратах, распределительных устройствах и т.п. воздух является основной изоляцией. Во многих электрических объектах он играет роль дополнительной изоляции к твердым и жидким диэлектрикам. Азот применяется в качестве изоляции в конденсаторах, высоковольтных кабелях и силовых трансформаторах. Азот - бесцветный газ, не имеющий запаха. Он бесцветен также в жидком и твердом состоянии. Обладает одинаковой с воздухом электрической проницаемостью, но менее активен, чем воздух, который содержит кислород.

В чистом виде азот применяется сравнительно редко (для высоковольтных конденсаторов постоянной емкости, для наполнения баллонов осветительных ламп). В микроэлектронике газообразный азот применяют в качестве защитной среды, а жидкий - для наполнения ловушек в вакуумных системах.

Водород имеет пониженную электрическую прочность по сравнению с азотом и применяется в основном для охлаждения электрических машин. Замена воздуха водородом приводит к значительному улучшению охлаждения, так как удельная теплопроводность водорода значительно выше, чем у воздуха. Кроме того, при применении водорода снижаются потери мощности на трение о газ и вентиляцию. Поэтому водородное охлаждение позволяет повысить как мощность, так и КПД электрической машины.

Водород - бесцветный горючий газ, не имеющий запаха; самый легкий газ 1 литр водорода при нормальных условиях имеет массу 0,09 грамм. Электрическая прочность водорода примерно на 40% ниже воздуха.

Водород -- очень легкий газ с высокой теплопроводностью и удельной теплоемкостью.

Азот по электрическим характеристикам близок к воздуху, однако в отличие от него не содержит кислорода, который оказывает окисляющее воздействие на соприкасающиеся с ним материалы.

Искусственные газообразные диэлектрики.К ним относятся элегаз, хладоген 12 и др. Из них в ремонтной практике определенный интерес представляет элегаз.

Гексафторид серы (также элегаз или шестифтористая сера, ) -- неорганическое вещество, при нормальных условиях тяж?лый газ, в 5 раз тяжелее воздуха (плотность 6,7 против 1,29 у воздуха). Соединение было впервые получено и описано в 1900 году. Название «элегаз» шестифтористая сера получила от сокращения «электрический газ». При рабочих давлениях и обычной температуре элегаз - бесцветный газ, без запаха, не горюч.

Наибольшее распространение элегаз получил в герметизированных установках.

Элегаз не стареет, т. е. не меняет своих свойств с течением времени, при электрическом разряде распадается, но быстро рекомбинирует, восстанавливая первоначальную диэлектрическую прочность.

Преимуществами кабеля, заполненного элегазом, является малая электрическая емкость, то есть пониженные потери, хорошее охлаждение, сравнительно простая конструкция. Такой кабель представляет собой стальную трубу, заполненную элегазом, в которой при помощи электроизоляционных распорок укреплена проводящая жила. Заполнение элегазом трансформаторов делает их взрывобезопасными. Элегаз используется в высоковольтных выключателях, - элегазовых выключателях - так как обладает высокими дугогасящими свойствами.

Он нетоксичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, распространен в конденсаторах, кабелях и пр.

Инертные газы, благородные газы, редкие газы, химические элементы, образующие главную подгруппу 8-й группы периодической системы Менделеева: гелий Не (атомный номер 2), неон Ne (10), аргон Ar (18), криптон Kr (36), ксенон Xe (54) и радон Rn (86).

Промышленное использование инертных газов основано на их низкой химической активности или специфических физических свойствах. Инертные газы нашли широкое применение в области электротехники.

Аргон, ввиду своей неактивности и низкой теплопроводности, используется в смеси с азотом для наполнения электрических ламп. Аргоном и неоном наполняют трубки для световых реклам, при этом они светятся голубым, а неоновые - оранжево-красным. Еще аргон используют в химической лабораторной практике. В промышленности он нашел свое применение для термической обработки легкоокисляемых металлов. Аргон создает защитную атмосферу, в которой можно производить сварку или резку редких и цветных металлов, плавку вольфрама, титана, циркония. Для контроля вентиляционных систем применяют радиоактивный изотоп аргона.

Гелий -- инертный газ, используется в качестве низкотемпературного хладагента, например для получения сверхпроводимости. Жидкий гелий используется при изучении многих явлений, например, сверхпроводимость в твердом состоянии. Тепловое движение атомов и свободных электронов в твердых телах практически отсутствует при температуре жидкого гелия.

Кроме того, жидкий гелий выгоден для охлаждения магнитных сверхпроводников, ускорителей частиц и других устройств. Довольно необычным применением гелия в качестве хладагента, является процесс непрерывного смешения 3He и 4He, для создания и поддержания температур ниже 0,005 K.

Гелий светится ярко-желтым светом, это объясняется тем, что в его сравнительно простом спектре, двойная желтая линия преобладает над всеми другими. Жидкий гелий применяется в качестве хладагента в различных исследованиях, поскольку температура кипения этого газа составляет -268,9°С.

Другие применения гелия - для газовой смазки подшипников, в счетчиках нейтронов (гелий-3), газовых термометрах, рентгеновской спектроскопии, для хранения пищи, в переключателях высокого напряжения. В смеси с другими благородными газами гелий используется в наружной неоновой рекламе (в газоразрядных трубках).

Неон светится огненно красным светом, так как его самые яркие линии находятся в красной области спектра.

Криптон и ксенон обладают еще меньшей теплопроводностью, чем аргон, поэтому наполненные ими электрические лампы долговечнее и экономичнее, чем таковые, наполненные азотом или аргоном.



Заключение

Диэлектрики -- это вещества, которые обладают низкой электропр водностью.

В начале XVIII в., когда Майкл Фарадей установил деление материалов на электрические проводники и электрические непроводники, заговорили об электрическом поле, его изучении и применении. Уже тогда отличали диэлектрики, которые были способны проводить электрический ток. То есть если у типичных проводников -- меди, серебра и алюминия -- довольно высокая электропроводность, то у диэлектриков -- слюды, фарфора, эбонита и кварца -- очень маленькая. Электропроводность материала измеряют с помощью отношения плотности тока к напряженности электрического поля. Позже будут созданы полупроводники, стоящие между диэлектриками и типичными проводниками. В 1803 г. академик В. В. Петров изучал диэлектрики с помощью использования большой гальванической батареи, но положительных результатов это не дало. В нашей стране к изучению данного вопроса вернулись только в 1920 г., в момент электрификации России.

Важнейшая характеристика диэлектрика -- его диэлектрическая проницаемость, непосредственно связанная с диэлектрической восприимчивостью. Среди диэлектриков существует группа материалов, обладающих поляризацией без воздействия внешнего поля, называющихся сегнетоэлектриками.

Практическое применение диэлектриков велико, так как они используются во всех электрических и радиотехнических устройствах.

Конечно, чтобы понять всю тонкость их характеристик, придётся более углубленно изучить все разнообразие материала, его производство и применение.



Библиографический список

1. Горелов, В.П. Материаловедение. Технология конструкционных материлов: учеб. пособие / В.П. Горелов, С.В. Горелов, В.Г. Сальников, Л.И. Сарин, под ред. В.П. Горелова. - 3-е изд. испр. - Новосибирск - Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2010. - 361 с.

2. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: учебник / В.В. Пасынков, В.С. Сорокин. - 5-е изд., стер. - СПб: Лань, 2003. - 368 с.

3. Пейсахов, А.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учебник / А.М. Пейсахов, А.М.Кучер. - СПб: Изд-во Михайлова, 2003. - 407 с.

4. Силенко, В.Н. Электротехнические материалы и их применение на водном транспорте: учебник / В.Н.Силенко. - СПб.: Политехника, 1995. - 335 с.

5. Технология конструкционных электротехнических материалов: учеб. пособие: в 2 кн. / С.В.Горелов [и др.]; под. ред. В.П.Горелова. - 2-е изд., дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2004. Кн.1 - 398 с; Кн. 2 - 245 с.

6. Резисторы в схемах электротеплоснабжения / С.В.Горелов [и др.]; под ред. В.П.Горелова, Н.В.Цугленка. - 2-е изд. перераб. и дополн. - Новосибирск: Новосиб. гос.акад. вод. трансп., 2008. - 424 с.

7. Батаев, А.А. Композиционные материалы: строение, применение: учебник / А.А. Батаев, В.А. Батаев. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002 - 384 с.

8. 8 Манчук, Р.В. Резистивные композиты в энергетике: в 2 кн. / Р.В. Манчук, С.В. Горелов; под ред. В.П. Горелова. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. вод. трансп., 2000. Кн.1: Основы технологии и электропроводности. - 231 с.; Кн.2: Параметры резисторов и области применения. - 141 с.

Размещено на Allbest.ru

...