ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ. ВЛАЖНОСТНЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей сте­пени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда со­держит некоторое количество водяного пара.

Абсолютную влажность воздуха оценивают массой т водяного пара, содержащейся в единице объема воздуха (в одном кубическом метре). Каждой температуре соответствует определенное значение абсолютной влажности при насыщении тнас. Большего количества воды воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Аб­солютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т. е. растет и давление во­дяных паров.

Абсолютной влажности воздуха (при нормальном атмосферном давлении) соответствуют различные значения относительной влаж­ности ф (рис. 5-1). Верхняя кривая соответствует воздуху, полностью насыщенному водяным паром. При температуре 20 °С и нормаль­ном атмосферном давлении 0,1 МПа значение ганас составляет 17,3 г/м3.

За нормальную влажность воздуха (для различных испытаний, для определения свойств гигроскопических материалов в стандартных условиях увлажнения и т. п.) в СССР принимают относительную влажность воздуха ср = 65 %. В воздухе с нормальной влажностью при 20 °С содержание водяных паров т = 17,3-0,65 = 11,25 г/м3. Вода является сильно полярным диэлектриком с низким удельным сопротивлением, около 103—104 Ом-м, а поэтому попадание ее в поры твердых диэлектриков ведет к резкому снижению их электри­ческих свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах (30—40 °С) и высоких значениях ф, близких к 98— 100 %. Подобные условия наблюдаются в странах с влажным тропическим кли­матом, причем в период дождей они могут сохраняться в течение длитель­ного периода времени, что неблагопри­ятно сказывается на работе электри­ческих машин и аппаратов. В первую очередь, воздействие повышенной влаж­ности воздуха отражается на поверх­ностном сопротивлении диэлектриков Для предохранения поверх­ности электроизоляционных деталей, выполненных из полярных твердых диэлектриков, от действия влажности их покрывают ла­ками, не смачивающимися водой.

При наличии в диэлектрике объемной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь материала.

Влажность материалов. Образец электроизоляционного мате­риала, помещенный в среду с определенной влажностью и темпера­турой, через неограниченно большое время достигает состояния с равновесной влажностью. Если сравнительно сухой образец ма­териала поместить во влажный воздух (с относительной влажно­стью ф), то будет наблюдаться постепенное поглощение материалом влаги из воздуха, причем влажность материала ij>, т. е. содержание влаги в единице массы материала, в течение

времени т будет повышаться, асимптотически приближаясь к равно­весной влажности -фр, соответствующей данному значению ф (рис. 5-3, кривая /). Наоборот, если в воздухе той же относительной влажно­сти ф будет помещен образец того же материала с начальной влажно­стью, большей t])p) то влажность образца будет уменьшаться, асимп­тотически приближаясь к равновесной влажности if>p; в этом случае происходит сушка материала (кривая 2). Для различных материалов значения равновесной влажности при одном и том же значении относительной влажности воздуха ф могут быть весьма различны. Определение влажности электроизоляционных материалов важно для уточнения условий, при которых производится испытание элек­трических свойств данного материала. Кроме того, определение влажности гигроскопичных материалов, приемка и сдача которых происходит по массе, важно для их строгого учета. Для текстильных материалов устанавливается так называемая кондиционная влаж­ность, соответствующая равновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальных условиях; так, для кабель­ной бумаги кондиционная влажность принимается равной 8 %. На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает его строение, наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плот­ного строения.

Для сравнения укажем, что эффективный диаметр молекулы воды равен примерно 0,27 нм, поэтому маленькие по размерам моле­кулы воды могут проникать даже во внутримолекулярные поры цел­люлозных электроизоляционных материалов.

Определяемая по увеличению массы увлажняемого образца гиг­роскопичность хотя и дает некоторое представление о способности материала поглощать влагу, но не полностью отражает степень изменения электрических свойств этого материала при увлажнении. В том случае, если поглощенная влага способна образовать нити идя пленки по толщине изоляции, которые могут пронизывать весь про­межуток между электродами (или значительную область этого про­межутка), уже весьма малые количества поглощенной влаги при­водят к резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, не соединяющихся между собой малых включений, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно.

Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, содержащих растворимые в воде примеси, соз­дающие электролиты с высокой удельной про­водимостью. Для подобных материалов полу­чается интересная зависимость р влажного образца от температуры, показанная на рис. 5-4. При нагревании влажного образца вначале р падает за счет увеличения степени диссоциации примесей в водном растворе (до точки А), затем идет удаление влаги — сушка (участок А Б) и только при более высоких температурах наблюдается сниже­ние р по законам, приведенным в гл. 2.

При переменном напряжении наиболее чувствительным пара­метром пористых диэлектриков является tg 6, заметно возрастающий с увлажнением материала. Менее чувствительна величина г„ однако и она, как правило, увеличивается с поглощением влаги ввиду боль­шого значения диэлектрической проницаемости воды по сравнению с другими диэлектриками (для воды ет та 80). Поэтому в ряде слу­чаев о гигроскопичности материала судят по увеличению электри­ческой емкости образца под действием влажности.

Влагопроницаемость. Кроме гигроскопичности, большое практи­ческое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т. е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества мате­риалов, применяемых для защитных покровов (шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей). Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемоаью. Только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влаго­проницаемость практически равна нулю.

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пори­стых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков лишь замедляет увлажнение материала, не влияя на удельное объемное сопротивле­ние после длительного воздействия влажности. Это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие раз­меры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии соз­дать полную неп|юницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут про­никнуть.

При длительном использовании электроаппаратуры, особенно в тропических условиях, на органических диэлектриках развивается плесень. Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию со­прикасающихся с ней металлических частей. Плесень развивается чаще всего в канифоли, масляных лаках, целлюлозных материалах, в том числе и в пропитанных (гетинакс, текстолит). Наиболее стой­кими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики! керамика, стекло, слюда, кремнийорганические материалы и неко­торые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт-4, полиэтилен, полистирол.

В тропиках приходится считаться с опасностью повреждения электрической изоляции, кабельных оболочек насекомыми (терми­тами) и животными. В некоторых случаях весьма опасны для электро­изоляционных и других материалов даже транспортировка и хра­нение на складах.

Испытывая на тропикостойкость, электроизоляционные мате­риалы и различные электротехнические изделия длительно выдер­живают при температуре 40—50 °С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков (точные усло­вия этих испытаний установлены Международной электротехниче­ской комиссией), после чего определяется степень ухудшения элект­рических и других свойств исследуемых образцов и отмечается ин­тенсивность роста плесени на них.

С целью улучшения плесенестойкости органической электриче­ской изоляции в ее состав вводят добавки фунгицидов, т. е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгициды. Имеется большое число рецептур фунгицидов, пригодных для введения в те или иные электроизоляционные материалы. К числу сильно дейст­вующих фунгицидов принадлежат, в частности, некоторые органи­ческие соединения, содержащие азот, хлор, ртуть.

Вопрос 14

Поиск по сайту: