ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся на-гревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое рас­ширение.

Нагревостойкость. Способность диэлектрика выдерживать воз­действие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. В зависимости от значений допустимых в эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например, по заметному росту tg б или снижению удельного электри­ческого сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответству­ющими значениями температуры, при которой появились эти изме­нения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто опре­деляют по началу механических деформаций растяжения или из­гиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве. Од­нако и для них возможно определение нагревостойкости по электри­ческим характеристикам.

В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому спо­собу нагревостойкость синтетических веществ органического происхождения (пласт­масс) характеризуют таким значением температуры, при котором изгибающее напря­жение, равное 5 МПа, вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Как видим, метод Мартенса является условным методом определения кратковременной нагревостойкости по изменению механических свойств материала. Существуют другие способы оценки температуры размягчения электроизоля­ционных материалов, например способ кольца и шара. Испытуемый материал (битум или другие подобные ему пластичные легкоплавкие вещества) заливают в метал­лическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра; отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается, что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо. Легко видеть, что этот способ определения температуры размягчения условный, так как форма и размеры образца, характер и значение механической нагрузки, скорость возрастания темпе­ратуры и предельные деформации выбираются произвольно.

Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до ко­торой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пла­мени. Температура воспламенения — еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Эги характеристики представляют особый интерес при оценке качества транс­форматорного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электро­изоляционных лаков.

Наивысшая допустимая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, завися­щего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.

Необратимое ухудшение качества изо­ляции лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие мед­ленно протекающих химических процес­сов называется тепловым старением изо­ляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлю­лозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования тре­щин и т. п. Дл япроверки стойкости элек­троизоляционных материалов к тепловому старению образцы этих материалов дли­тельно выдерживают при сравнительно не высокой температуре, не вызывающей немедленного разрушения мате­риала, а затем их свойства сравнивают со свойствами исходного ма­териала. При прочих равных условиях скорость теплового старения органических и элементоорганических полимеров значительно воз­растает с повышением температуры, подчиняясь общим закономер­ностям температурного изменения скорости химических реакций (теория Аррениуса—Эйринга). Продолжительность старения т (считая, например, от момента начала снижения механической прочности до момента получения заданной доли ее начального значе­ния) связана с температурой старения

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кисло­рода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоря­ющих или замедляющих старение. Тепловое старение образца ускоряется под действием ультрафиолетовых лучей, электрического поля, механических нагрузок и т. п.81

Нозможиость повышения рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно важна. В электрических машинах и аппаратах повышение нагревостойкости, которая обычно определяется нагрево-стойкостью эяежтрической изоляции, позволяет получить более высокую мощность при неизменных габаритах или же при сохра­нения мощвоста достичь уменьшения габаритных размеров и стои-

мости изделия. Повышение рабочей температуры особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрообору­дования я других передвижных устройств, где, в первую очередь, необходимо уменьшить массу и габаритные размеры. С вопросами о допустимо! температуре тесно связаны меры пожарной безопас­ности и взрывобезопаеностн (масляные хозяйства электрических под­станций, электрооборудование для нефтяной и угольной промышлен­ности н др.). Наконец, в электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в осветительных устрой­ствах, электронных и ионных приборах значительной мощности высокая рабочая температура электрической изоляции определяется особенностями работы всего устройства.

ГОСТ 8865—70 предусматривает в соответствии с рекомендаци­ями Международной электротехнической комиссии разделение элект­роизоляционных материалов для электрических машин, трансфор­маторов и аппаратов на классы нагревостойкостн, для которых фик­сируются наибольшие допустимые рабочее температуры при исполь­зования этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение нескольких лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях:

Класс нагревостойкости -..... Y А Е

Наибольшая допустимая -рабочая тем­пература, °С.......... 90 105 120 130 155 180 >180

При указанных температурах обеспечиваются технико-экономи-чески целесообразные сроки службы электрооборудования. В осо­бых случаях (электрооборудование с весьма коротким сроком служ­бы) возможно некоторое повышение рабочих температур соответ­ствующих электроизоляционных материалов по сравнению с при­веденными.

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлю­лозы и шелка (тгряжа, -питан, ленты, бумаги, картоны, древесина), если отги не пропитаны я яе погружены в жидкий электроизоляцион­ный материал.

К классу А относятся те же самые органические волокнистые ма­териалы, будучи пропитанными лаками, либо компаундами, или же погруженными в жидкий электроизоляционный материал, т. е. за­щищенными от HenocpeflCTBeHfloro соприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов (провод с хлопчатобумажной изоляцией в пропитанной лаком обмотке элект-трической машины или же в погруженной в электроизоляционное масло обмотке маслонаполненного трансформатора; лакоткани на хлопчатобумажной или шелковой основе и масляных ил«битумномаслявьнс лаках; лакобумаги на тех же лаках). К классу А отно­сятся также полиамидные пленки, литые полиамидные смолы, изо­ляция эмаль-проводов на масляно-смоляных и поливинилацетале-вых лаках и т. п.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим на­полнителем и термореактнвдым связующим типа феыодформальде-гидных и подобных им смол, (гешнакс, текстолит, пресс-порошки с наполнением древесной,мукой), полиэтилеитерефталатные пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретанотые смолы, и компаунда, изоляция эмалированных проводов на полиуретановых и эпоксидных лаках и т. д. Таким образом, к. классам ыагревостойк-ости Y, А и Е относятся главным образом чисто органические электроизоляцион­ные материалы.

В класс В входят материалы,, для которых характерно большое содержание неорганических компонентов, например щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы в сочетании с органиче­скими связующими и пропитывающими, материалами; таковы боль­шинство миканито» (в том числе с бумажной, или тканевой органиче­ской подложкой}, стеклолакотканн, стеклотекстодить* аа фенол-формальдегидных термореэктявных толах, эпоксядвые комяаувды с неорганическими наполнителями, а т. п.

К классу F принадлежат миканиты, изделия на основе стекло­волокна без подложки или е неорганической подложкой, с примене­нием органических связующих и пропитывающих материалов по­вышенной нагревостойкости: эпоксидных, термореактивных поли­эфирных, кремнвйврганических.

Материалы класса Н получаются при использовании кремний-органических смол особо высокой нагревоетоякости.

К классу нагревостойкости С относятся часто неорганические материалы, не содержащие склеивающих или пропитывающих органических составов (слюда, стекло и стекловалкншшггые ма­териалы, кварц, асбест, микалекс, нестропитанный асбоцемент, нагревостоикие (на неорганических связующих) миканиты и т. п.). Из всех органических электроизоляционных материалов, к классу нагревостойкости С относятся только ввлитетраф'горэтилек (фгоро-пласт-4). и материалы на основе полиимидов (пленки, волокна, изо­ляция эмалированных проводов и т. а.).

Вопрос об отнесении того или иного электроизоляционного материала глп комбинации электроизоляционных материалов к определенному классу нагрево*-егойкости требует длительных и трудоемких испытаний образцов материалов на тепловое старение в условиях, наиболее приближающихся к тем условиям, в которых эти материалы будут находиться в эксплуатации.

Для некоторые элеитрейзоаядисшмыж материалов^ в особенности хрупких. (стекла, керамические материалы), весьма важна стойкость па отношению к реэкня сменам температуры (тврмоударам),. а результате которых» материале могут обра­зовываться трещина*.

В качестве примера оареддоышя нагревостойкости материала по электрическим. свойствам могут быть жжшаованы зависимости, tg & or темлерахуры, приведенные на рис. 3-8. Допустимый лая материала иди изделия температурный режим может определяться различными факторами. Например» из рис. 1-8 вадао, чтатемяература»

Воздействие излучений высокой энергии. В современной технике возможны такие условия использования электроаппаратуры, при которых она оказывается под кратковременным или длительным воздействием корпускулярных либо волно­вых радиоактивных излучений высокой энергии. При этом важно знать степень стойкости материалов к воздействию излучений, сохранения ими своих электри­ческих и механических свойств, т. е. радиационную стойкость. Поэтому к изве­стным физическим, электрическим и химическим характеристикам материала должно добавляться и требование его радиационной стойкости.

С другой стороны, излучения высокой энергии могут быть использованы в тех­нологических процессах создания новых материалов и получения у них ценных свойств (например, повышения нагревостойкости, механической прочности) или применены для синтеза необходимых материалов. Могут быть разработаны новые классы материалов с такими свойствами, которые нельзя было получить ранее.

Наконец, в некоторых случаях от материалов требуется выполнение функций поглотителей-экранов для излучений наряду с использованием их основных элек­трических и механических свойств.

К корпускулярным излучениям относятся быстрые и медленные нейтроны, осколки ядер, а-чаетицы и р-лучи (электроны различных скоростей).

К волновым излучениям принадлежат у-лучн, жесткое н мягкое рентгеновское излучение.

Интенсивность излучения измеряют в ваттах на квадратный метр, а для ней­тронов часто указывают плотность потока энергии быстрых или медленных нейтронов сквозь поверхность площадью 1 м8. Иногда для характеристики процесса облучения используют произведение плотности потока энергии нейтронов, скорости и времени облучения.

Таким образом, поглощение излучения в материале, как видно из выражения (5-9), зависит от природы материала и качества самого излучения. Рассеяние энергии излучения происходит в основном из-за ионизации (внутренний фотоэффект), воз­буждения атомов, комптоновского эффекта, а при очень больших энергиях — из-за ядерных преобразований. Часть энергии расходуется на выбивание атомов или ионов в междоузлия, причем в решетке появляются вакансии и дефектные центры (см. рис. В-6).

Ионизация вещества может быть ступенчатой, с образованием вторичных и даже третичных атомов отдачи. Подобные процессы происходят и при облучении вещества варяженными частицами. Под действием нейтронов значительно нарушается струк­тура вещества и в больших объемах, так как нейтроны не испытывают торможения 86

электрическими полями электронных оболочек и ядер атомов, а следовательно, обладают большей длиной пробега. Нарушение структуры вещества заряженными частицам» происходит в основном в поверхностном слое. Облучение материалов осколками деления ядер вызывает рассмотренные выше процессы, сопровожда­ющиеся образованием большого числа атомов отдачи, а иногда и ядерными превра­щениями.

Воздействие излучения может привести к молекулярным преобразованиям и химическим реакциям. Ионизационные процессы вызывают мгновенный поток электронов, разрыв и перемещение химических связей и образование свободных радикалов. Электроны скапливаются в местах дефектов. Инициируются различные химические реакции. В частности, в органических полимерах происходит выделение газа, образование и ликвидация двойных связей, полимеризация,, образование поперечных связей, вулканизация. Характер и степень изменения свойств полимера за время испытания определяются преобладающим процессом. При образовании поперечных связей могут наблюдаться различные изменения физических свойств. В результате длительного или очень интенсивного облучения может произойти разрушение любого полимера, подвергаемого облучению.

Материалы, стойкие к облучению, должны обладать двумя свойствами: 1) спо­собностью поглощать энергию без чрезмерной ионизации; 2) способностью в большей степени образовывать двойные связи, чем обнаруживать разрыв цепей.

Под действием облучения у полимеров возможен переход из одного структур­ного состояния в другое.

Влияние облучения на неорганические диэлектрики, кварц, слюду, глинозем, оксид циркония, оксид бериллия и слюдяные материалы со стекловидным связу­ющим — менее сильное. У них образуются центры окрашивания; удельное элек­трическое сопротивление и электрическая прочность их могут снизиться.

Наибольшее влияние облучение оказывает на поверхностные свойства мате­риалов. После отжига облученных неорганических диэлектриков возможно восста­новление первоначальных свойств. Рассмотрение процессов, вызываемых воздей­ствием излучения на материалы, показывает, что у последних может произойти изменение практически всех свойств: электрических, физико-химических и меха­нических. Как видно из рис. 5-9, при Ы = 101(Ч-1020 м~8 механичес­кие свойства смолы очень резко ухудшаются Политетрафторэтилен при сильном облучении становится очень хрупким и рассыпается, поляизобутилен из резиноподпб-ного вещесгва превращается в вяз-

кую жидкость, и молекулярная масса его снижается более чем в 15 раз, предел прочности при растяжении облученного полиэтилена, наоборот, повы­шается по сравнению с сгр необлученного материала (см. рис. 5-5), а нагрево-стойкость его увеличивается от 100 до 200 °С. Это объясняется тем, что молекулярные цепи облученного полиэтилена в четыре — пять раз длиннее обычных; при этом электрические свойства его не ухудшаются: так, tg б остается меньше 5-10~4. Под влиянием облучения меняется удельное объемное сопротивление многих диэлектри­ков. Степень изменения удельного объемного сопротивления полимеров при облуче­нии существенно зависит от температуры диэлектрика. Например, после сильного облучения жесткими рентгеновскими лучами отношение Рнеоб^Робл образцов при температуре 20 °С составляло 1 • 104, а при температуре 90 °С уменьшилось до десяти.

Электрическая прочность диэлектриков под влиянием облучения может и уве­личиваться, и уменьшаться в зависимости от процессов, протекающих в материале.

Работы по изучению устойчивости диэлектриков к корпускулярным и волновым излучениям высокой энергии должны развиваться и углубляться, так как поведение уже исследовавшихся и еще малоизученных в этих условиях материалов недоста­точно ясно, требует уточнения и проверки.

Защитные свойства различных материалов удобно характеризовать понятием слоя десятикратного ослабления, т. е. толщиной слоя вещества, после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется в десять раз. Эта характеристика значительно облегчает расчеты элементов защиты. Например, для ослабления в 100 раз необходимо взять толщину защитного вещества, равную двум слоям десяти­кратного ослабления. Очевидно, п слоев десятикратного ослабления снизит интен­сивность излучения в 10" раз.

Вопрос 17

Поиск по сайту: