книги / Химия диэлектриков

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский государственный технический университет»

С. Е. Уханов

ХИМИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2010

ÓÄÊ 621.315.61:54(075.8) Ó89

Рецензенты:

завкафедрой органической химии д-р хим. наук, проф. С. Н. Шуров

(Пермский государственный университет); завкафедрой КТЭИ д-р техн. наук, проф. Н. М. Труфанов (Пермский государственный технический университет)

Уханов, С. Е.

У89 Химия диэлектриков: учеб. пособие / С. Е. Уханов.— Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010.— 195 с.

ISBN 978-5-398-00374-1

Рассмотрены конкретные полимеры и материалы на основе синтетиче- ских полимеров, описаны химические процессы, протекающие при их полу- чении, переработке и эксплуатации. Наряду с традиционными полимерными диэлектриками, значительное внимание уделено новым перспективным классам полимерных изоляционных материалов: полиамидам, лестничным полимерам и кремнийорганическим полимерам.

Предназначено для студентов электротехнических факультетов техни- ческих вузов.

ÓÄÊ 621.315.61:54(075.8)

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие электротехнической промышленности в значительной степени связано с широким внедрением новых электроизоляционных материалов. Прогресс в этой области стал возможен благодаря невиданному ранее использованию в электротехнике высокомолекулярных соединений (полимеров).

Применение полимеров в качестве диэлектриков обусловлено их хорошими электроизоляционными свойствами, в первую оче- редь высоким удельным сопротивлением и электрической прочностью, прекрасными механическими свойствами: прочностью, эластичностью, упругостью, а также стойкостью к высоким и низким температурам и химической стойкостью.

Относительно недавно в электротехнике применялись только природные полимерные материалы: шерстяные, шелковые и хлопча- тобумажные волокна, бумага и картон, натуральный невулканизованный каучук. Однако с развитием энергетики и средств связи, особенно с переходом на высокие напряжения и частоты, потребовались новые диэлектрические материалы — с большей термо- и влагостойкостью, повышенной электрической прочностью, лучшими высоко- частотными характеристиками. Таким комплексом свойств обладают только синтетические полимерные диэлектрики.

Синтетические полимерные материалы позволили применять новые высокоскоростные технологии изготовления проводов и кабелей. Скорость наложения полимерной изоляции на монтажные провода составляет 300–500 метров в минуту, а наложения поливинилхлоридной изоляции на жилы телефонного кабеля — 60 км/час. По старой технологии изолирование проводов бумажной лентой или хлопчатобумажным волокном происходило со скоростью 25–30 м/мин.

Наиболее широко в электротехнике используются полиэтилен и поливинилхлорид. Изоляция из полиэтилена может работать в кабельных изделиях при напряжении до 220 кВ и выдерживает нагрев

3

до 150 °С. Поливинилхлоридная изоляция сохраняет работоспособность в интервале температур от –60 до +105 °С. Высокие прочностные свойства полиэтилена и поливинилхлорида в сочетании с их высокой химической стойкостью позволили заменять ими свинцовые оболочки кабелей.

Большую группу полимерных диэлектриков составляют резины на основе синтетических каучуков. Эти материалы гибки, влагостойки, способны работать в широком интервале температур. Специальные виды каучуков и резин на их основе являются маслобензостойкими, озоностойкими, термостойкими и негорючими.

Широко используются полимеры для производства эмалевой изоляции, что позволяет отказаться от пряжи и значительно снижает габариты, массу и стоимость электротехнических изделий. Новые полиимидные эмаль-лаки могут работать при 220 °С и допускают кратковременный нагрев до 300 °С.

Эпоксидные и полиэфирные смолы являются основой самотвердеющих компаундов. Компаунды по сравнению с эмаль-лака- ми дают еще более прочную электрическую и механическую защиту обмоток трансформаторов, электродвигателей и других изделий, а в радиоэлектронике позволяют отказаться от металлических корпусов устройств и отдельных блоков.

При выборе электроизоляционного материала для конкретного применения приходится обращать внимание не только на его электрические и механические свойства в нормальных условиях, но рассматривать также их стабильность при воздействии влажности окружающего воздуха, высоких и низких температур, знакопеременных механических нагрузок, химически активных газов и жидкостей. И в этом плане диэлектрики на основе современных полимерных материалов способны удовлетворить любые запросы.

За короткое время создано огромное количество синтетических полимерных диэлектриков, подавляющее большинство которых обладает лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению с природными полимерами. Однако это не исключает использование продуктов природного происхождения, их совершенствование и модернизацию.

Какими бы уникальными и феноменальными свойствами ни обладали современные электроизоляционные материалы, все они

4

1. НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

На данный момент диэлектрики, представляющие собой неполимерные низкомолекулярные соединения, составляют небольшую группу электроизоляционных материалов. Тем не менее они полу- чили весьма широкое распространение в электротехнике и, в частности, в кабельном производстве.

Êнизкомолекулярным диэлектрикам, нашедшим практическое применение в электротехнической промышленности, относятся нефтяные электроизоляционные масла, парафин, церезин и диэлектрические материалы на основе хлорированных углеводородов.

Êнизкомолекулярным диэлектрикам могут быть отнесены

èрастительные масла, составляющие основу эмалевых лаков. Хотя в процессе образования эмалевой изоляции на поверхности провода происходит окисление растительных масел с образованием полимерной пленки, сами эти масла в свободном виде являются низкомолекулярными соединениями.

1.1. Электроизоляционные нефтяные масла

Электроизоляционные масла получают фракционной перегонкой нефти. Выделенные нефтяные фракции представляют собой сложную смесь углеводов парафинового, нафтенового и аромати- ческого рядов, а также углеводородов смешанного типа. В небольшом количестве в масляных фракциях могут содержаться непредельные углеводороды, образовавшиеся в результате разложения углеводородов других классов, а также некоторые соединения, содержащие кислород, серу и азот.

Химический состав масел зависит от состава исходной нефти. Основная составная часть изоляционных масел — нафтеновые углеводороды, называемые также циклопарафинами. В маслах, полу- ченных из Бакинских и Эмбенских нефтей, их содержание достигает 80–85 %. Название «нафтеновые углеводороды» было дано этим

6

соединениям В. В. Марковниковым, который впервые выделил их из Бакинской нефти («нефть» по-арабски — «нафта»).

Нафтеновые углеводороды электроизоляционных масел имеют сложное строение; они различаются числом циклов, количеством углерода в цикле, длиной и строением боковой цепи, например:

Принимая во внимание длинные боковые ответвления, углеводороды указанного строения правильнее назвать нафтено-парафи- новыми.

8Н4м ежду макромолекулами, тем выше эластичность смол.ых (нафтеновые нефти), содержат 25–28 % ароматических углеводородов. В трансформаторных маслах содержание ароматических углеводородов составляет 10–12 %.

Ароматические углеводороды, содержащиеся в маслах, также различаются по строению. Они могут иметь различное число циклов, например:

Ароматические кольца могут быть связаны с нафтеновыми циклами и предельными боковыми цепями. Как правило, боковые цепи ароматических углеводородов масел значительно короче, чем нафтеновых углеводородов.

Парафиновые углеводороды (то есть углеводороды метанового ряда) с числом атомов углерода более 15 представляют собой кристаллические вещества. Содержание таких углеводородов в маслах нежелательно, так как они повышают температуру застывания мас-

7

ла. Поэтому для производства масел применяют так называемые непарафинистые нефти, в которых парафиновые углеводороды отсутствуют или содержатся в ничтожных количествах. При небольшом содержании твердых предельных углеводородов в масле (в случае применения парафинистой нефти) их отрицательное влияние можно уменьшить введением некоторых присадок.

В зависимости от назначения изоляционные масла делятся на следующие группы:

1)трансформаторное масло — для трансформаторов и выклю- чателей;

2)конденсаторное масло — для высоковольтных конденсато-

ðîâ;

3)масло для маслонаполненных кабелей напряжением 110–120 êÂ;

4)масло для кабелей особо высокого напряжения — до 500 кВ включительно, заключенных в стальные трубы;

5)масло для изоляции кабелей напряжением до 35 кВ включи- тельно.

Наименее вязки трансформаторное и конденсаторное масла, наиболее вязким является масло для изоляции кабелей напряжением до 35 кВ.

Для получения изоляционных масел нефть подвергают разгонке

èмасляный дистиллят очищают. Масляный дистиллят получают после отгонки легких нефтепродуктов: бензина, керосина и лигроина.

Для получения трансформаторного масла используются тяжелые соляровые дистилляты непарафинистых нефтей. Дистиллят очищают серной кислотой, нейтрализуют щелочью и тщательно промывают водой. Серную кислоту (крепость 92–95 %) вводят в несколько приемов. После введения каждой порции кислоты в масло смесь перемешивают, кислую часть отстаивают и спускают. Далее масло обрабатывают щелочью при 65–85 °С и промывают водой. Промытое и отделенное от воды масло сушат при 75–85 °С, продувая через него горячий воздух.

Трансформаторное масло применяют для заливки высоковольтных трансформаторов в качестве изолирующей и охлаждающей среды. Применение трансформаторного масла улучшает теплоотвод от токонесущих проводов и сердечника трансформатора в 28 раз по

8

сравнению с воздушным охлаждением. Для обеспечения эффективного отвода тепла от нагретых частей трансформатора масло должно быть очень подвижным. Поэтому трансформаторное масло имеет небольшую вязкость. Подвижность масла должна сохранятся и при низких температурах, когда трансформатор выключен (температура застывания масла должна быть не выше минус 45 °С).

Поскольку масло играет роль электрической изоляции, оно должно обладать высокой электрической прочностью и иметь незначительный тангенс угла диэлектрических потерь. Трансформаторное масло применяют также для заполнения масляных выключа- телей, где оно выполняет функции электроизоляционного материала и дугогасящей среды.

Конденсаторное масло также имеет низкую вязкость и низкую температуру застывания. Оно отличается от трансформаторного более глубокой очисткой дистиллята и более полной дегазацией. Это масло получают из дистиллятов низкозастывающих высокока- чественных нефтей или путем дополнительной очистки трансформаторного масла адсорбентами. Для удаления нестойких химиче- ских веществ дистиллят обрабатывают так же, как и при изготовлении трансформаторного масла — кислотой и щелочью; однако эта обработка более продолжительна и промывка более тщательна. Сухое масло дополнительно очищают отбеливающей землей. Масло после перемешивания с землей отстаивают и фильтруют.

Готовое конденсаторное масло имеет тангенс угла диэлектриче- ских потерь на уровне 0,0002–0,0005 при 20 °С и 0,002–0,005 при

100°С. Его электрическая прочность должна быть не ниже 20 кВ/мм.

Âмаслонаполненных кабелях напряжением 110–120 кВ применяется масло МН-4. Это масло по вязкости соответствует трансформаторному. В силу низкой вязкости и высокой текучести масло хорошо проникает в поры и мелкие каналы внутри кабеля. От трансформаторного оно отличается более высокой степенью очистки и строго нормируемым составом. В частности, оно содержит большой процент ароматических углеводородов, которые поглощают водород, выделяемый изоляцией под действием высокой температуры и электрического поля в процессе работы кабеля.

Для изоляции маслонаполненных кабелей в последнее время нашли применение синтетические алкилароматические углеводо-

9

роды, которые получают алкилированием бензола. Из них наибольшее распространение получил додецилбензол:

Алкильный радикал додецилбензола имеет разветвленную цепь. Технический продукт содержит 65 % соединений с боковой цепью С12, 12 % соединений — С11, 18 % — Ñ13.

Додецилбензол имеет тангенс угла диэлектрических потерь 0,0007 и вполне устойчив при температуре 100 °С. Достоинством додецилбензола является также способность поглощать газы, в ча- стности водород, что предотвращает протекание ионизационных процессов в изоляции.

Для кабелей высокого напряжения (до 500 кВ), заключенных в стальные трубы, требуется масло с более высокой вязкостью, чем масло для трансформаторов и кабелей более низкого напряжения. Такие масла, например С-220, получают глубокой адсорбционной очисткой товарных авиационных масел. При адсорбционной очистке сырье, растворенное в сжиженном пропане, пропускают через ряд колонн (перколяторов), наполненных адсорбентом, после чего пропан удаляют испарением. При такой очистке полностью удаляются асфальто-смолистые примеси и ароматические углеводороды. Таким образом, полученные масла представляют собой практиче- ски чистые нафтенопарафиновые углеводороды.

Масла, из которых полностью удалены ароматические углеводороды и некоторые смолистые вещества, являющиеся естественными антиокислителями, легко окисляются под действием кислорода (повышаются кислотное число и число омыления, образуются осадки). Такая тщательная очистка нежелательна для трансформаторных масел, для которых показатель химической стабильности весьма важен.

Для пропитки бумажной изоляции массовых кабелей напряжением до 35 кВ наиболее широко применяется вязкое масло К-25. Поскольку рабочее напряжение кабелей не очень высокое, к маслу не предъявляется жестких требований. Единственное условие — повышенная вязкость — обеспечивается добавкой канифоли.

10