Влажность материала

Если сравнительно сухой образец поместить во влажный воздух, то будет наблюдаться постепенное поглощение материалом влаги из воздуха. Причем влажность материала j, т.е. содержание влаги в единице массы материала в течение времени t приближается к равновесной влажности j_р , соответствующей данному материалу (кривая 1).

Если в воздухе той же влажности j будет помещен образец того же материала с начальной влажностью большей j_{р ,} то влажность образца уменьшится, приблизится к j_р­.

В этом случае происходит сушка материала (кривая 2).

Влагопроницаемость –способность материла пропускать через себя пары воды. Эта характеристика важна для материалов, применяемых для защитных покровов (шланги кабелей, облицовка конденсаторов, лаки), только для стекол, хорошо обоженной керамики и металлов влагопроницаемость равна нулю.

Количество влаги т, проходящая за время t сквозь участок поверхности площадью S слоя изоляционного материала шириной h под действием разности давлений водяных паров р₁ и р₂ с двух сторон слоя равна: .

Это уравнение аналогично уравнению, описывающему прохождение сквозь тепло электрического тока, разность р₁-р₂ аналогична разности потенциалов, аналогична току, аналогично сопротивлению тока. Коэффициент П аналогичный удельной объемной проводимости – есть влагопроницаемость данного материала (измеряется в С)

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. При длительном испытании электронной аппаратуры в тропических условиях на органических диэлектриках развивается плесень. Плесень развивается в канифоли, масляных лаках, щелочных материалов. Наиболее стойкими к образованию плесени являются: керамика, стекло, слюда, некоторые эпоксидные смолы, второпласт-4, полиэтилен, спирол. Испытывая на тропикостойкость электроизоляционные материалы длительное время выдерживают при температурах 40-50⁰С в воздухе, насыщенном парами воздухе и при воздействии плесневых грибков. После испытаний определяется степень ухудшения электрических и других свойств материала. С целью улучшения плесенистойкости материала в них вводят добавки фунгицидов – это вещества ядовитые плесневых грибков, или покрывают изделие лаком, содержащий фунгициды (их содержат азот, фтор, ртуть).

31
Определение дугостойкости электроизоляционных материалов. Под дугостойкостью понимают способность диэлектрика выдерживать воздействие электрической дуги без недопустимого ухудшения его свойств.

Различают стойкость электроизоляционных материалов к действию эл-й дуги при высоком (свыше 1000 В) переменном напряжении и малых токах и при воздействии дуги, создаваемой постоянным напряжением до 1000 В. Существующие методы испытаний не дают возможности распространить результаты испытаний, проводимых в условиях лабораторий, на рабочие условия применения материалов при наличии грязи, пыли, влаги. Выбор метода испытаний зависит от особенностей испытуемого материала, его назначения и т.д.

Определение стойкости к воздействию электрической дуги напряжения переменного тока.

Два электрода, к которым приложено переменное напряжение, располагают достаточно близко к поверхности образца. Возникающая дуга воздействует на испытуемый материал и вызывает возникновение токопроводящей перемычки между электродами.

Вследствие шунтирования воздушного промежутка перемычкой дуга гаснет. Т.о. момент появления перемычки фиксируется по погасанию дуги. Параметрами дугостойкости является в данном случае ток Iд и время tд, необходимое для образования перемычки. Толщина образцов не менее 3 мм. Напряжение на электродах 12,5 кВ при токе от 10 до 100 мА.

Определение стойкости к действию электрической дуги напряжения постоянного тока.

Эту характеристику принято характеризовать качественно. Воздействуют дугой напряжением 220 В между электродами. Дуга возбуждается между двумя неомедненными угольными электродами. После подачи напряжения электроды раздвигают до 20 мм, снимают напряжение, через 1 мин подают напряжение и проверяют существование проводящей перемычки. Материал относят к одному из 6 классов.
Короностойкостью называется способность диэлектрика выдерживать воздействие коронного разряда без недопустмого ухудшения его свойств. Корона ограничена сравнительно узкой областью, прилегающей к электроду. Под действием короны происходит эрозия материала. Установка имеет вид:

Параметры для сравнительной оценки материалов в условиях короны: Ua - минимальное напряжение, при котором наблюдается корона, Uкор - напряжение, при котором процесс заканчивается пробоем образца через определенное время tкор. Сущность метода - прикладывают напряжение, достаточное для возникновения короны и выдерживают его до пробоя образца.

Определение характеристик трекингостойкости.

Повреждение поверхности вследствие поверхностного пробоя, вызывающее образование проводящих следов, называют трекингом диэлектрика., а способность выдерживать поверхностные пробои без трекинга - трекингостойкостью. Трекинг возникает при наличии загрязнений на поверхности материала. Влага под воздействием тока испаряется неравномерно, где проводящая пленка обрывается, возникает искра, вызывая образование проводящих каналов - треков.

Применяют методы каплепадения, стекающей пленки жидкости, метод пыли и тумана.

Определение параметров воздействия внутренних частичных разрядов.

ЧР возникают в местах с пониженной электроизоляционной стойкостью, например, в газовых включениях. Длительное воздействие ЧР может привести к пробою изоляции. Также является параметром качества материала. Для оценки вводятся характеристики интенсивности единичного ЧР (кажущийся заряд qчр, энергия единичного ЧР) и интенсивность ЧР в течении определенного интервала времени. Каждый ЧР вызывает кратковременное изменение напряжения на электродах. Кажущийся заряд численно равен такому заряду, который будучи мгновенно введенным между выводами объекта, вызовет такое же мгновенное изменение напряжения, как и реальный ЧР. Выражается в кулонах.

Энергия единичного ЧР:

Wчр = qчр Uчр.

Напряжение, при котором возникают начальные ЧР, называется начальным.

При дальнейшем увеличении напряжения в определенный момент интенсивность ЧР резко возрастает из-за изменения структуры диэлектрика (образование дендрита в твердом диэлектрике, пузырьков газа в пропитанной изоляции). Такие ЧР называются критическими и соответственно напряжение - критическим.

Средний ток I чр - сумма абсолютных значений кажущихся зарядов за одну секунду.

Большое распространение получили электрические методы определения ЧР - косвенные и прямые.

Один из косвенных методов определения ЧР - снятие зависимости tgd от приложенного напряжения. Если кривая не растет - нет ЧР, растет до какого-то уровня и не увеличивается - локальные включения, не увеличивающиеся с ростом напряжения, растет - количество включений увеличивается до пробоя.

Прямой метод регистрации ВЧ колебаний в цепи при возникновении ЧР.

Существуют поверхностные ЧР (около острых краев электродов). В литературе часто их называют коронным разрядом.

32
ЭЛЕКТРИ́ЧЕСКАЯ ПРО́ЧНОСТЬ, минимальная напряженность однородного электрического поля Епр, при которой наступает пробой диэлектриков. Электрическая прочность зависит от материала диэлектрика, конфигурации электродов, внешних факторов, качества диэлектрика, типа воздействующего напряжения. Электрической прочностью обладают все газы, в том числе пары металлов, твердые и жидкие диэлектрики.
При напряжениях выше электрической прочности диэлектрик становится проводником (когда напряженность электрического поля Е достигает пробивной Епр, электропроводность скачкообразно возрастает). Переход в проводящее состояние часто приводит к разрушению материала из-за перегрева.
Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит от внешних условий и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н. у.). Эти условия — давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см2, межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н. у. имеет электрическую прочность 3.104В/см.
Жидкие диэлектрики отличаются более высокими значениями электрической прочности, чем газы в нормальных условиях. Предельно чистые жидкости получить очень трудно. Постоянными примесями в жидкости являются вода, газы и мельчайшие частицы твердых веществ, наличие которых сильно влияет на электрическую прочность жидкого диэлектрика. Зависимость от влажности проявляется при малой влажности, менее 0.01% и выражается в резком уменьшении пробивного напряжения с ростом содержания воды. Для чистых жидкостей, как правило, наблюдаются три области зависимостей электрической прочности от температуры: при низких температурах электрическая прочность падает по мере роста температуры, затем очень слабо меняется и вблизи температуры кипения опять заметное падение.

В твердых диэлектриках чисто электрический пробой имеет место, когда исключено влияние электропроводности и диэлектрических потерь, обусловливающих нагрев материала, а также отсутствует ионизация газовых включений. В случае однородного поля и полной однородности структуры материала пробивные напряженности при электрическом пробое могут служить мерой электрической прочности вещества. Такие условия удается наблюдать у монокристаллов многих окислов, щелочно-галоидных соединений и некоторых органических полимеров. При этом Епр достигает значений более 106В/м.

33
В электродинамике вводят понятие вектора электрического смещения

который определяет заряд как в случае вакуума, так и в случае диэлектрика. Другие названия этого термина - электрическая индукция или электростатическая индукция. Размерность индукции Кл/м2. Кроме приведённых выражений полезно будет также вспомнить соотношения для электрического смещения D:
Энергия электрического поля в среде связана с диэлектрической проницаемостью:

Для устройств, содержащих в себе электрические поля важно понимать как изменяется напряженность электрического поля при использовании комбинации двух диэлектриков с разной диэлектрической проницаемостью. Если расположить диэлектрики так, что электрическое поле перпендикулярно поверхности раздела, то значения напряжённости поля в каждом материале обратно пропорциональны диэлектрическим проницаемостям:
Плоско-параллельное поле. Здесь эквипотенциальные поверхности (поверхности уровня) представляют собой параллельные плоскости, а линии индукции, совпадающие с направлением вектора напряженности поля (которая во всех точках поля одинакова), - перпендикулярны этим плоскостям.
u=Ed
Радиально-цилиндрическое поле. Эквипотенциальными в этом поле являются коаксиальные (имеющие общую ось) цилиндрические поверхности, а линии поля располагаются в радиальном направлении. Распределение напряженности электрического поля:
r1 - радиус внутреннего цилиндра, r2 - радиус внешнего цилиндра

Радиально-сферическое поле. В этом поле поверхности уровня - это сферы с общим центром, а линии индукции направлены по радиусам.
Распределение напряженности электрического поля:

34
Старением материала называются необратимые процессы физических и химических превращений материала, происходящие под действием внешних физических, химических и биологических факторов и вызывающие ухудшение электрических и механических показателей материала.
Физические факторы. В первую очередь, это изменение температуры. Дело в том, что при изменении температуры меняются многие характеристики. Впрочем, об этом уже говорилось в той лекции, когда вводили понятия температурных коэффициентов, показывающих изменение физических свойств материалов: Ткl, Ткr, Ткe и т.п.

главных ролей играет температурный коэффициент расширения Ткl. Ясно, что различные материалы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Поэтому они удлиняются по-разному при нагревании, а соответственно и сокращаются по-разному при охлаждении. Поскольку любое изделие состоит из частей, изготовленных из различных материалов, то само механическое сочленение материалов при изменении температуры вызывает появление механических напряжений в обоих материалах.

Другим важным фактором старения, также связанным с изменением температуры, является переход через нулевую температуру. При замерзании воды ее объем увеличивается, поэтому, если вода попала в какую-нибудь трещину в материале, она при превращении в лед начнет расширяться, что вызовет рост этой трещины. При таянии вода заполнит свежеобразованный участок трещины, а при повторном замерзании произойдет дальнейший рост трещины. Такой тип старения характерен для каменных материалов.

Характеристиками светостойкостью и озоностойкостью должны обладать изоляторы, работающие на линиях электропередач.

Химические факторы старения заключаются в действии химических агентов на элементы электроустановок. Например, резины, используемые для герметизации, набухают во многих растворителях, в том числе бензине, трансформаторном масле. При набухании они вылезают из уплотнений, что приводит к разгерметизации. Частным случаем является воздействие влаги. Наиболее значительно влияние влаги на электрическую изоляцию, в особенности на жидкие диэлектрики и гидрофильные твердые диэлектрики (картон, бумага).

Биологические факторы старения - это в первую очередь действие грибков и микроорганизмов. Для большинства видов электротехнических изделий в нашей стране они не актуальны. По-видимому опасны они только для деревянных элементов установок, в первую очередь для деревянных опор линий электропередач. Грибки вызывают гниение дерева, потерю механической прочности, что чревато замыканиями при падении опор.

35
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости — величина, дающая возможность оценить характер изменения диэлектрической проницаемости, а следовательно, и емкости изоляции с изменением температуры.
Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКε – электрическая характеристика, применяемая для оценки скорости изменения ε от температуры радиоматериалов.

Знак ТКε указывает на возрастание или убывание диэлектрической проницаемости. ТКε показывает, с какой скоростью возрастает или убывает диэлектрическая проницаемость, а следовательно, величина емкости, образуемой диэлектриком или полупроводником.

если диэлектрическая проницаемость увеличивается с ростом температуру то ТКе>0,если уменьшается то ТКе<0. ТКе можно определить метод графического дифференцирования прямой ε=f(t).

36
Температурная зависимость. Она обусловлена уменьшением плотности газов при росте температуры в условиях постоянного давления в соответствии с уравнением идеального газа PV = RT или n = P/kT. Для атмосферных условий влияние изменения и давления и температуры можно учесть так: E = E0d, где d -относительная плотность d = 0.386Р/(t + 273) (рис.9.3.).

Зависимость от давления. В условиях лавинного пробоя при pd<100 зависимость E(p) полностью эквивалентна кривой Пашена при d = const, т.е. также имеет минимум. При более высоких давлениях и длинах промежутков зависимость напряженности пробоя от давления имеет вид кривой с насыщением.

Зависимость от влажности. Эта зависимость проявляется только при разряде по поверхности раздела твердого изолятора и газа и выражается в уменьшении пробивного напряжения с ростом влажности, особенно при некотором уровне влажности, когда образуется пленка на поверхности.

37
Из техногенных факторов старения, в первую очередь, выделим воздействие электрического напряжения. Это воздействие многообразно, целый ряд явлений происходит в материале: частичные разряды, дендриты, треки, дуга, водные триинги, нагрев за счет диэлектрических и джоулевых потерь.

Особенности старения неорганических диэлектриков - на переменном напряжении практически отсутствует старение, они склонны к старению на постоянном напряжении. При этом ионы, содержащиеся в диэлектрике, дрейфуют к соответствующим электродам и разряжаются на них. Катионы (например, ионы металлов) дрейфуют к катоду, анионы - к аноду. У катода образуется слой металла, причем в виде металлической веточки, растущей от электрода в теле диэлектрика. У анода структура кристалла начинает разрушаться за счет ухода оттуда ионов металла.

Органические диэлектрики малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении они стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов. Рассмотрим это чуть подробнее. Частичные разряды появляются в порах диэлектрика при достижении на размерах пор пробивного напряжения. Воздействие высокой температуры, плазмы разряда, излучения разряда ведет к разложению материала и к появлению дендрита. Это древовидное образование в теле диэлектрика с частично обугленными краями. Частичные разряды в системе "пора + дендрит" выделяют все больше энергии, что ведет к прогрессирующему росту дендрита и к последующему пробою всего промежутка.

Водный триинг или водный дендрит возникают в полимерных кабелях при одновременном действии переменного напряжения и высокой влажности. Возникает что-то вроде объемной сетки в теле диэлектрика, заполненной водой. Эта структура обладает высокой электропроводностью за счет ионизации различных вымываемых примесей из полимерного материала (стабилизаторы, пластификаторы, недополимеризованные фрагменты и т.п.). Рост водного дендрита, в конце концов, приводит к зарождению из области наиболее удлиненной части обычного электрического разряда.

Синергический эффект вызывает одновременное действие напряжения и загрязнения. Например загрязнение изоляторов ВЛ вблизи алюминиевых заводов алюминиевой пылью, вблизи цементных заводов - цементной пылью приводит к появлению перекрытий, которые в ряде случаев переходят к дуговым разрядам, эрозии изоляторов, более раннему выходу из строя. Грунтовые соль и пыль также вызывают ускоренное старение, т.к. осаждаясь на поверхности изоляторов, вызывают появление электропроводящих путей на поверхности, в особенности при последующем увлажнении.

Ускоренное старение электротехнических изделий происходит в нестандартных условиях эксплуатации: в плазменных установках, электрофизических установках, криогенных устройствах.

38
Температура - это понятие, введенное для характеристики энергии, которой обладают молекулы вещества. С другой стороны, это физическая характеристика, которая соответствует равновесию при приведении двух тел в контакт. Как и всякая физическая характеристика, она поддается измерению. Общепринятыми, в настоящее время, являются две температурные шкалы - Цельсия и Кельвина. Мера одного градуса у них одинакова, она соответствует (исторически) одной сотой от разницы температур кипения воды и ее плавления. У Цельсия, вы знаете, нуль соответствует точке плавления, а 100 °С - точке кипения воды. По шкале Кельвина, или абсолютной шкале температур, нуль соответствует абсолютному нулю, а нулевая температура по шкале Цельсия соответствует 273 К. Значок градуса в этом случае не ставится. Ниже нуля Кельвина температуры в принципе не может быть. Она соответствует абсолютному покою, при этой температуре, согласно классической механике, молекулы и атомы абсолютно неподвижны. В квантовой механике это не совсем так, возможны колебательные движения молекул. Кроме того, некоторые электроны и при этой температуре обладают энергией в силу невозможности занятия энергетических уровней, уже занятых другими электронами. Нулевая температура в принципе недостижима, предпринимается много попыток достичь минимума температуры в надежде проявления новых свойств материи. На этом пути была обнаружена сверхпроводимость некоторых металлов, сверхтекучесть жидкого гелия, т.н. гелия-II. Я знаю о достижении к настоящему времени, по крайней мере, примерно одной тысячной доли градуса.

Для материалов вводят несколько характерных температурных точек, указывающих работоспособность и поведение материалов при изменении температуры.

Нагревостойкость - максимальная температура, при которой не уменьшается срок службы материала.

По этому параметру все материалы разделены на классы нагревостойкости.
Теплостойкость - температура, при которой происходит ухудшение характеристик при кратковременном ее достижении.

Термостойкость - температура, при которой происходят химические изменения материала.

Морозостойкость - способность работать при пониженных температурах (этот параметр важен для резин).

Горючесть - способность к воспламенению, поддержанию огня, самовоспламенению Это различные степени горючести.

Точка плавления - температура, при которой происходит переход из твердого состояния в жидкое.

Точка кипения - температура, при которой происходит переход из жидкого состояния в парообразное.

Есть температуры специфичные для электротехнических материалов. Например для сегнетоэлектриков вводят т.н. точку Кюри. Оказывается, что сегнетоэлектрическое состояние вещества возникает только при пониженных температурах. Существует такая температура для каждого сегнетоэлектрика, выше которой домены не могут существовать и он превращается в параэлектрик. Такая температура называется точкой Кюри. Диэлектрическая проницаемость ниже точки Кюри велика, она слабо нарастает по мере подхода к точке Кюри. После достижения этой точки диэлектрическая проницаемость резко падает. Например, для наиболее распространенного сегнетоэлектрика: титаната бария, точка Кюри 120 °С, для цирконат-титаната свинца 270 °С, для некоторых органических сегнетоэлектриков температура Кюри отрицательна.

Аналогичная температура (и тоже называется точка Кюри) имеется для ферромагнетиков. Поведение магнитной проницаемости подобно поведению диэлектрической проницаемости по мере повышения температуры и подхода к точке Кюри. Единственное отличие - падение магнитной проницаемости с ростом температуры происходит более резко после достижения точки Кюри. Значения точки Кюри для некоторых материалов: железо 770 °С, кобальт 1330°С, эрбий и гольмий (-253°С), керамика - в широком диапазоне температур. Для антиферромагнетиков аналогичная точка называется точкой Нееля
39
Теплостойкость. Способность материалов (изделий) выдерживать резкие колебания температуры без ухудшения свойств называется теплостойкостью. Теплостойкость материалов (изделий) определяется количеством «теплосмен», т. е. быстрых последовательных нагревов и охлаждений. Быстрый нагрев и охлаждение материалов (изделий) вызывает в них напряжения, которые могут привести к разрушению. С повышением пористости чувствительность материалов (изделий) к резким колебаниям температуры понижается.

Температуростойкость. Температуростойкостью называется способность материалов (изделий) сохранять свои свойства при нагревании или охлаждении до определенной температуры. Температуростойкость материалов (изделий) определяется той предельной температурой, при которой допускается применение материала в конструкциях изоляции.

40
Жидкие диэлектрики представляют собой электроизоляционные жидкости, используемые в электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной аппаратуры. Применение электроизоляционных жидкостей позволяет обеспечить надежную и длительную работу электрической изоляции, находящихся под напряжением элементов конструкций и отводить от них тепло, выделяющееся при работе. Электроизоляционные жидкости по химической природе можно классифицировать на нефтяные электроизоляционные масла и синтетические жидкости различных типов. По специфике применения они делятся на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей. Нефтяные электроизоляционные масла являются горючими жидкостями и представляют большую опасность. Пожарная опасность оценивается по температуре вспышки паров жидкого диэлектрика в смеси с воздухом. Эта температура должна быть не ниже 135-140^оС.

Из характеристик трансформаторного масла следует отметить кинематическую вязкость при температуре 20 и 50^оС, знание которой весьма важно, так как при увеличении вязкости сверх допустимых пределов ухудшается теплоотвод от обмоток и магнитопровода трансформатора, а это может привести к сокращению срока службы электрической изоляции. Стандартом нормировано также кислотное число, которое необходимо контролировать для учета старения масла в процессе его эксплуатации.

По своим диэлектрическим характеристикам хорошо очищенное от примесей и влаги трансформаторное масло обладает свойствами неполярного диэлектрика. Пробивное напряжение технически чистых масел в стандартном разряднике составляет 50-60КВ при 50Гц и примерно 120КВ при воздействии импульсного напряжения. С целью повышения устойчивости масел к процессам старения в масла вводят синтетические ингибиторы - ионол, ДВРС и др. в концентрации от 0.1 до 0.5.Ингибиторы замедляют процесс старения масла в 2-3 раза. Масла, побывавшие в эксплуатации, подвергаются регенерации. Осушка масел производится искусственными цеолитами, которые известны также под названием "молекулярные сита".

Конденсаторные масла отличаются от трансформаторных масел более тщательной очисткой и меньшими значениями (до 2^.10^-4), а также отличаются по температуре вспышки и вязкости.

Наибольшее применение получили синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов, что связано с их высокой термической устойчивостью, электрической стабильностью, негорючестью. Однако в связи с токсичностью хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время почти повсеместно запрещено, хотя в эксплуатации еще имеется их значительное количество. Жидкие диэлектрики на основе кремнийорганических соединений (полиорганосилоксанов) являются нетоксичными и экологически безопасными.