Вопрос 1
ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ. КЛАССИФИКАЦИЯ
К ним принадлежат электроизоляционные материалы; они используются для создания электрической изоляции,
Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах
Наконец, к диэлектрическим материалам принадлежат и активные диэлектрики, т. е. диэлектрики с управляемыми свойствами! сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, электреты
Электроизоляционные материалы подразделяются по их агрегатному состоянию на газообразные, жидкие и твердые. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии, во время введения их в изготовляемую изоляцию, являются жидкостями, но затем отверждаются и в готовой, находящейся в эксплуатации, изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).
Большое практическое значение имеет также разделение электроизоляционных материалов в соответствии с их химической природой на органические и неорганические. Под органическими веществами (подробнее см. § 6-4) подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий (и другие металлы), кислород и т. п.
Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью, из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое применение. Однако органические электроизоляционные материалы, за
исключением фторлонов, полиимидов, имеют относительно низкую нагревостойкость.
Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки; технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как правило, неорганические электроизоляционные материалы обладают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органические, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции.
Существуют и материалы со свойствами, промежуточными между свойствами органических и неорганических материалов: это элементо-органические материалы, в молекулы которых, помимо атомов углерода, входят атомы других элементов, обычно не входящих в состав органических веществ и более характерных для неорганических материалов.' Si, Al, P и др. (см. § 6-6).
Поскольку значение длительно допускаемой рабочей температуры электрической изоляции часто играет первостепенную роль на практике, электроизоляционные материалы и их комбинации (электроизоляционные системы электрических машин, аппаратов) часто относят к тем или иным классам нагревостойкости (см. § 5-3).
Необходимо иметь в виду, что электроизоляционные, механические, тепловые, влажностные и другие свойства диэлектриков заметно изменяются в зависимости от технологии получения и обработки материалов, наличия примесей, условий испытания и г. д. Поэтому численные значения параметров материалов, приводимые в гл. 6, во многих случаях следует рассматривать лишь как ориентировочные.
ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Среди газообразных диэлектриков прежде всего должен оыгь упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли, часго входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам, В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между неизолированными проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации (см. § 4-2).
Поскольку электроизоляционные свойства воздуха уже рассмотрены ранее, а общие физико-химические свойства его широко известны из курсов физики и химии, нет надобности более подробно останавливаться на этих вопросах. Рассмотрим кратко некоторые газы, которые могут представить интерес для практики.
При прочих равных условиях (при одинаковых давлении и температуре, форме электродов, расстоянии между ними) различные газы могут иметь заметно различающиеся значения электрической прочности. Азот имеет практически одинаковую с воздухом электрическую прочность; он нередко применяется вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и для других целей, поскольку, будучи близок по электрическим свойствам к воздуху, не содержит кислорода, который оказывает
Электродн>"-сферы диаметром 12,5 мм, расстояние между ними 5 мм. Для сопоставления
ввездочкой отмечено значение пробивного напряжения трансформаторного масла средней
степени очистки между теми же электродами при нормальном атмосферном давлении
окисляющее действие на соприкасающиеся с ним материалы. Однако некоторые газы, имеющие высокую молекулярную массу, и соединения, содержащие галогены (фтор, хлор), для ионизации которых требуется большая энергия, имеют заметно повышенную по сравнению с воздухом электрическую прочность.
Так, гексафторид серы (шестифтористая сера) SFe имеет электрическую прочность примерно в 2,5 раза выше, чем у воздуха; в связи с этим гексафторид серы был назван впервые исследовавшим этот газ советским ученым Б. М. Гохбергом эле-гавом (сокращение от слов «электричество» и «газ»). На рис. 6-1 приведены значения пробивного напряжения между двумя металлическими дисковыми электродами о закругленными краями в воздухе и в элегазе в зависимости от абсолютного давления газа. Как видно из табл. 6-1, элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения; он может быть сжат (при нормальной температуре) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз нетоксичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800 °С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т. п. Особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях (рис. 6-2).
Дихлордифторметан CC12F2 — так называемый хладон-12, имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но его температура кипения всего лишь 242,7 К (—30,5 °С), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Хладон-12 вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов, что надо иметь в виду при конструировании электрических холодильников.
Многие перфторированные углеводороды, т. е. углеводороды, в молекулах которых все атомы водорода заменены атомами фтора, имеющие общий состав Сх¥у при нормальных условиях, являются газами (например, CF4, C2Fe, C3FS, C4F8, QFjo) или жидкостями (например, C7F8, C7FfЈ, C8Fle, Q4F24). Электрическая прочность некоторых из этих газов, а также паров жидкостей существенно (в шесть—десять раз) превосходит электрическую прочность воздуха. Как видно из рис. 6-2, электрическая прочность фторсодержащих газов и паров при нормальных условиях может быть того же порядка, что и электрическая прочность электроизоляционных жидкостей; в то же время рассматриваемые газы по сравнению с жидкими диэлектриками (§ 6-3, 6-4) имеют такие преимущества, как значительно меньшая плотность (что приводит к уменьшению массы заполняемых газом аппаратов), более высокая на-02
гревостойкость и стойкость к старению. Даже небольшая примесь к воздуху элегаза, фреона, перфтороргани-ческих газов или паров заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.
Значительный интерес для электротехники представляет водород. Это очень легкий газ, обладающий весьма благоприятными свойствами для использования его в качестве охлаждающей среды вместо воздуха (как видно из табл. 6-1, водород характеризуется высокой теплопроводностью и удельной теплоемкостью). При использовании водорода охлаждение вращающихся электрических машин существенно улучшается. Кроме того, при замене воздуха водородом заметно снижаются потери мощности на трение ротора машины о газ и на вентиляцию, так как эти потери приблизительно пропорциональны плотности газа. Ввиду отсутствия окисляющего действия кислорода воздуха замедляется старение органической изоляции обмоток машины и устраняется опасность пожара при коротком замыкании внутри машины. Наконец, в атмосфере водорода улучшаются условия работы щеток. Так как водородное охлаждение позволяет повысить мощность машины и ее КПД, и поэтому крупные турбогенераторы и синхронные компенсаторы выполняются с водородным охлаждением (еще более эффективное охлаждение достигается циркуляцией жидкости внутри полых проводников обмоток статора и даже — что, конечно, технически сложнее — ротора). Применение циркуляционного водородного охлаждения требует герметизации машины (подшипники уплотняются при помощи масляных затворов). Чтобы избежать попадания внутрь машины воздуха (водород при содержании его в воздухе от 4 до 74 % по объему образует взрывчатую смесь — гремучий газ), внутри машины поддерживается некоторое избыточное давление, сверх атмосферного; постепенная утечка водорода восполняется подачей газа из баллонов. При прочих равных условиях электрическая прочность водорода примерно на 40 %, а угольного ангидрида СО2 — на 10 % ниже, чем электрическая прочность воздуха. Для заполнения газоразрядных приборов употребляются инертные газы аргон, неон и другие, а также пары ртути и натрия. Инертные газы обладают низкой электрической прочностью. Следует отметить весьма малую теплопроводность криптона и ксенона; это обстоятельство используется в производстве некоторых типов электрических ламп. Особо большое значение в качестве низкотемпературного хладагента, в частности для устройств, использующих явление сверхпроводимости, имеет сжиженный гелий. Гелий представляет собой исключительно интересный газ, обладающий уникальными свойствами. Так, у него самая низкая по сравнению с другими газами (если не считать легкого изотопа того же элемента, см. ниже) температура сжижения (4,216 К при атмосферном давлении). Жидкий гелий имеет очень малую плотность (примерно в восемь раз меньше плотности воды при нормальной температуре; однако еще меньшей плотностью обладает жидкий водород). Квантовомеханическкв явления в жидком гелии делают его поведение во многом сходным с поведением газов, а не жидкостей. Диэлектрическая проницаемость жидкого гелия мала (1,047 при температуре кипения и 1,056 при 1,8 К); эти значения того же порядка, Что и гг газов. Весьма мало различие коэффициентов теплопроводпостей жидкого и газообразного гелия: отношение коэффициентов теплопроводности жидкости и газа составляет лишь 1,3. Мало и поверхностное натяжение жидкого гелия. Теплота испарения его чрезвычайно низка, что существенно для криогенной техники.
Легкий изотоп гелия Не3 с атомной массой 3, находится в природном гелии, в количестве примерно равном одной части на миллион частей обычного гелия Не4, имеющего атомную массу, равную четырем. Не3 также может быть получен искусственным путем в атомных реакторах, в частности, из лития. Легкий гелий сжижается при еще более низкой температуре (3,195 К), чем Не4; он не переходит в сверхтекучее состояние вплоть до температуры 0,001 К, однако растворы Не3 и Не4 при некоторых соотношениях между компонентами обладают сверхтекучестью. Разделить изотопы Не3 и Не4 можно дробной перегонкой, благодаря различию их температур кипения, а также используя явление сверхтекучести Не4. Свойства растворов! Не3 — Не4 используются в некоторых системах особо глубокого охлаждения.
Иногда в качестве криогенного хладагента применяется жидкий неон, температура кипения, которого лишь ненамного превосходит температуру кипения водорода. Для неона, как и для других инертных газов, характерно весьма малое различие между температурой, кипения ТК1т и температурой плавления Гпл. Так, для неона; разность Ttmxl — Тпя составляет всего 3Г5 К, в то время как для азота, например, эта. разность около 14 К, а для кислорода — около 36 К.
Химическая инертность неона — это его преимущество перед взрывоопасным (см. стр. 93) водородом. Однако неон очень дорогой газ: если принять относительную стоимость. I м3 азота за единицу, то стоимость водорода будет около 2, гелия — 80 и неона — 30 000 единиц.
Жидкий азот легко получается при разделении воздуха на азот и кислород; жидкий водород производится промышленностью многих стран (как ракетное топливо) в больших количествах.
Для получения умеренно низких температур широко применяется твердый угольный ангидрид СО2 — «сухой лед» (см. табл. 6-1).