Теплові властивості ізоляційних матеріалів

Дуже важлива властивість електричної ізоляції витримував-ти підвищену температуру без суттєвого погіршення її електро-фізичних властивостей.

Температура – це поняття, введене для характеристики енергії, якою володіють молекули речовини. З іншого боку, це фізи-чна характеристика, що відповідає рівновазі при приведенні двох тіл у контакт. Як і будь-яка фізична характеристика, вона піддається виміру. Загальноприйнятими, у даний час, є дві температурні шкали – Цельсія і Кельвіна. У Цельсія, нуль відповідає точці плавлення, а 100 ⁰С – точці кипіння води. За шкалою Кельвіна, чи абсолютною шкалою температур, нуль відповідає абсолютному нулю, а нульова температура за шкалою Цельсія відповідає 273 К. Нижче нуля Кельвіна температури в принципі не може бути. Вона відповідає абсолютному спокою. При цій температурі, відповідно до класичної механіки, молекули й атоми абсолютно нерухомі. В наш час науковці намагаються досягти мінімуму температури в надії прояву нових властивостей матерії.

Для матеріалів вводять кілька характерних температурних точок, що вказують на працездатність і поведінку матеріалів при зміні температури.

Теплостійкість – температура, при якій відбувається погір-шення характеристик при короткочасному її досягненні.

Термостійкість – температура, при якій відбуваються хімічні зміни матеріалу.

Морозостійкість – здатність матеріалів працювати при понижених температурах.

Точка плавлення –температура, при якій відбувається перехід із твердого стану в рідкий.Є матеріали, в основному це термопластичні полімери, що мають точку розм’якшення, але до плавлення справа не доходить, тому що починається руйнування полімерних молекул при підвищених температурах. У термореак-тивних полімерів навіть до розм’якшення справа не доходить, матеріал раніш починає розкладатися. У будь-яких процесах плав-лення, досягнення визначеної точки є необхідною, але недостат-ньою умовою плавлення. Для того, щоб розплавити речовину потрібно надати їй енергію, що називається теплотою плавлення. Вона розраховується на один грам (чи на одну молекулу).

Точка кипіння – температура, при якій відбувається перехід з рідкого стану в пароподібний. Киплять практично всі прості речовини. Не киплять складні органічні сполуки. Вони розклада-ються при більш низьких температурах, не доходячи до кипіння. На точку кипіння значно впливає тиск. Так, наприклад, для води можна зрушити точку кипіння від 100⁰С до 373⁰С додатком тиску в 225 атм. Є температури специфічні для електротехнічних мате-ріалів. Наприклад, для сегнетоелектриків вводять точку Кюрі. Виявляється, що сегнетоелектричний стан речовини виникає тільки при знижених температурах. Діелектрична проникність нижче точки Кюрі велика, вона слабко наростає в міру підходу до точки Кюрі. Після досягнення цієї точки діелектрична проникність різко падає. Наприклад, для найбільш розповсюдженого сегнетоелектрика: титанату барію, точка Кюрі 120 ⁰С, для цирконат-титанату свинцю 270 ⁰С, для деяких органічних сегнетоелектриків температура Кюрі негативна. Аналогічна температура (теж точка Кюрі) є й у феромагнетиків. Поведінка магнітної проникності подібна поводженню діелектричної проникності в міру підвищення температури і підходу до точки Кюрі. Єдина відмінність – спад магнітної проникності з ростом температури відбувається більш різко після досягнення точки Кюрі. Значення точки Кюрі для деяких матеріалів: залізо – 770 ⁰С, кобальт – 1330 ⁰С, кераміка – у широкому діапазоні температур.

Електроізоляційні матеріали поділяють на сім класів ізоля-ції, що наведені в табл.1.1.

Табл.1.1.

Клас нагрівостійкості	Y	A	E	B	F	H	C
Робоча температура, 0С							>180

„ Y ” – волокнисті матеріали із целюлози бавовни, натура-льного шовку, непросочених і незанурених в рідкий ізоляційний матеріал.

„ А ” – ізоляція емальпроводів на масляносмоляних лаках, гетинакси, текстоліти, пластмаси з органічним наповнювачем; поліамідні плівки, поліамідні ливарні смоли (у виробах), термореак-ивні компаунди на основі акрилових і метакрилових ефірів (без наповнювачів, у виробах) і бутадієнові каучуки.

„ Е ” – плівки і волокна із поліетилену, лакотканини із волокон на алкідних смолах, модифікованих оливою; матеріали на основі електрокартону, термореактивні компаунди на основі акрилових і метакрилових ефірів з неорганічними наповнювачами; термореактивні синтетичні смоли і компаунди (епоксидні, поліефірні, поліуретанові з відповідними затверджувачами), полікарбонатні плівки.

„ В ” – матеріали на основі щипаної слюди, слюдинітів і слюдопластів, в т.ч. з паперовою і тканинною органічною підлож-кою, з в’яжучими натуральними і синтетичними смолами, модифі-кованими рослинними оливами, ізоляція емалевих проводів на лаках, пластмаси з неорганічним наповнювачем і шарові пластики на основі скло волокнистих і азбестових матеріалів і з в’яжучими термореактивними смолами, фенольноформальдегідними, епосид-ними і поліефірними; термореактивні синтетичні компаунди (епок-сидні і поліефірні) з мінеральними наповнювачами і затверджува-чами.

„ F ” – неорганічні матеріали (слюда, скловолокно, азбест в поєднанні з органічними лаками і рідинами).

„ Н ”, „ С ” – неорганічні матеріали (слюда, електрокераміка, без лужне скло, кварц), що застосовуються без в’яжучих мате-ріалів, або в поєднанні із матеріалами високої нагрівостійкості – неорганічними або елементоорганічними.

Теплоємність – це здатність матеріалу накопичувати теплову енергію при його нагріванні. Чисельно питома теплоємність дорівнює енергії, яку потрібно ввести в одиницю маси матеріалу, щоб нагріти його на один градус. Розмірність теплоємності [Дж/(кг·К)]. Ця величина екстенсивна, тобто можна говорити про теплоємність окремої молекули чи атома, потім просумувати кіль-кість молекул до одного граму чи до одного моля й одержати теплоємність одного граму чи одного моля речовини. Значення теплоємності залежить від природи матеріалу.

Значення теплоємності деяких матеріалів подано в табл.1.2.

Табл.1.2.

Матеріал	Вода	Олива	Полімери	Алюміній	Фарфор	Кремній	Германій
Тепло-мність, с			1200-2200

Будь-які стрибки тепломності пов'язані зі структурною перебудовою тіл, наприклад з розтягнутим плавленням таких речовин, як парафін.

Вираз для теплової енергії матеріалу:

(1.65)

де с, m – питома теплоємність та маса матеріалу відповідно, Т ₁, Т ₂ – кінцева і початкова температури, К.

Цей вираз можна записати для питомих параметрів:

(1.66)

де Q / V – питома енергія (в одиниці об’єму), D – густина матеріалу.

Практичне значення теплопровідності пояснюється тим, що тепло втрат в електричних машинах, кабелях і т.д. повинно переходити в навколишнє середовище через шар ізоляції. Тепловий опір електричної ізоляції впливає на нагрів провідників і магнітопроводів. Особливо велике значення має теплопровідність порівняно товстої ізоляції в пристроях високої напруги.

Формальне визначення повної і питомої теплопровідності, повного та питомого теплового опору аналогічно до визначення повної і питомої електропровідності, повного та питомого об’єм-ного електричного опору. Рівняння усталеного процесу передачі тепла через тіло з повним тепловим опором R_T при різниці темпе-ратур Δ Т має вигляд:

(1.67)

Тут Р – потужність теплового потоку, тобто кількість тепла, що проходить через матеріал за одиницю часу. Формула (1.67) аналогічна закону Ома для електричного кола, причому Р грає роль струму, а Δ Т – різниці потенціалів.

Розрахунок величини теплового опору матеріалів проводи-ться за формулами, що аналогічні формулам для розрахунку електричного опору: наприклад, для руху тепла через ділянку матеріалу між двома паралельними одна до одної площинами – гарячої і холодної, які в свою чергу перпендикулярні до теплового потоку.

Для плоского шару:

(1.68)

Для циліндричного шару:

(1.69)

Тут ρ _Т – питомий тепловий опір матеріалу (м·К/Вт). Величина, обернена до питомого теплового опору, називається теплопровідністю матеріалу або коефіцієнтом теплопровідності γ _Т.

Величина

(Вт·м²/Дж) (1.70)

називається температуропровідністю і виражається у відповід-них похідних одиницях.

Тут с, D – питома теплоємність і густина матеріалу.

1.9. Запитання до самоконтролю

1. Що таке діелектрики? В яких межах змінюється їх пито-мий oпip?

2. Механізм провідності діелектриків?

3. Чому в твердих діелектриках розрізняють об'ємний i по-верхневий електричні опори?

4. За якими схемами i в яких одиницях вимірюють питомий об'ємний ρ _V і питомий поверхневий ρ _S електричні опори? За яки-ми формулами їх можна обчислити?

5. Що таке діелектричні втрати і які параметри для них характерні?

6. Схеми заміщення діелектрика з втратами? Умова еквіва-лентності цих схем.

7. Які причини втрат енергії в діелектриках?

8. У чому різниця в термінах: пробивна напруга і елект-рична міцність діелектрика? Одиниці вимірювання електричної міцності.

10. Який механізм пробою рідких діелектриків?

11. Види пробою твердих діелектриків.

12. Назвіть фактори, що впливають на електричну міцність твердих діелектриків?