Рідкі діелектрики

Електропровідність рідких діелектриків зумовлена пере-міщенням іонів в результаті дисоціації молекул рідини і домішок, а також переміщенням заряджених частинок домішок – моліонів. Електропровідність рідких діелектриків в значній мірі залежить від їх чистоти. В якості забруднень можна розглядати воду або інші по сторонні рідини, а також різноманітні тверді частинки. Очистка рідких діелектриків від домішок суттєво підвищує їх питомий опір, однак повністю видалити домішки із рідкого діелектрика практич-но неможливо. Електропровідність будь-якої рідини суттєво зале-жить від температури. З підвищенням температури зростає рухли-вість іонів та степінь теплової дисоціації. Ці два фактори суттєво збільшують електропровідність.

Діелектричні втрати в рідких діелектриках залежать від того чи рідина полярна чи неполярна. В неполярних рідинах, що не містять домішок, діелектричні втрати визначаються втратами на електропровідність. Збільшення температури викликає збільшення діелектричних втрат, а частота не впливає на них.

У неполярних рідин діелектрична проникність визначається тільки електронною поляризацією. Діелектрична проникність непо-лярної рідини суттєво залежить від температури. З ростом темпе-ратури вона зменшується, наближаючись до одиниці. Це явище пояснюється зменшенням числа молекул в одиниці об’єму. Як показує досвід, діелектрична проникність неполярних рідин (кон-денсаторна та трансформаторна олива) не залежить від частоти.

У неполярних рідин, наприклад соволу, діелектрична про-никність визначається одночасно електронною та дипольною поля-ризаціями. Діелектрична проникність полярних рідин, що викори-стовуються в якості технічних діелектриків складає від 3 до 40.

В полярних рідинах поряд із втратами на електропровід-ність основне місце займають втрати, що зв’язані з дипольно-релаксаційною поляризацією. Вони мають чітко виражений темпе-ратурний і частотний максимум, залежать від в’язкості рідини, так як поворот диполів у в’язкій рідині викликає втрати енергії на тертя молекул. Полярні рідини не рекомендується використовувати при високих частотах, так як вони мають підвищені діелектричні втрати.

Електрична міцність рідких діелектриків в основному виз-начається наявністю посторонніх домішок (води, газів, твердих частинок), а також полярністю рідини, температурою та іншими факторами. Електрична міцність забруднених рідин набагато мен-ша, ніж чистих.

Рідкі діелектрики за своїм призначенням поділяються на-ступним чином:

1) По хімічній природі:

а) нафтові ізоляційні оливи; б) синтетичні рідини (хлоровані вуглеводи, кремній і фторорганічні рідини, складні ефіри різних типів);

2) По специфіці застосування: а) для трансформаторів і вимикачів; б) конденсаторів; в) кабелів; г) систем циркуляції охолодження та ізоляції випрямлювальних установок, турбогене-раторів.

3) По верхній межі допустимої робочої температури: а) до 95⁰С (всі нафтові оливи); б) до 135⁰С (синтетичні вуглеводи, хлорпохідні вуглеводів, деякі ефіри кремнієвої кислоти, фосфорної та органічних кислот); в) до 200⁰С (деякі типи фторвуглеводів); г) до 250⁰С (поліфенілефірні і спеціальні поліорганосилоксани).

4) По ступені горючості: а) горючі; б) негорючі.

Вимоги до рідких діелектриків:

1. Висока електрична міцність.

2. Високий електричний опір.

3. Величина діелектричної проникності вибирається в залежності від особливості всієї системи ізоляції.

4. Діелектричні втрати – найменші.

5. Висока стабільність в умовах експлуатації і зберігання.

6. мінімальна в’язкість в діапазоні робочої температури.

7. Сумісність з твердою ізоляцією і конструкцією матеріалів.

8. Економічність застосування.

9. Для спеціальних випадків застосування – негорючих.

З електрофізичної точки зору найбільш важливими харак-теритиками рідин є діелектрична проникність, електропровідність і електрична міцність. Діелектрична проникність є якісною харак-теристикою рідин і характеризується дипольним моментом і поляризацією молекул. Як приклад – у неполярного діелектрика гексана дипольний момент відсутній, поляризація має чисто елект-ронний характер і, внаслідок цього, діелектрична проникність мала e £ 2. Трансформаторна олива, будучи сумішшю речовин, має у своєму складі невелику кількість полярних молекул, що володіють дипольним моментом. Тому e зростає до ≈ 2,2-2,4. Касторова олія має більше полярних молекул, отже більше e ≈ 4,5. Етиловий спирт, гліцерин, вода є представниками полярних речовин, діелектрична проникність складає 24, 40, 81 відповідно. Для неполярних рідин e < 3 діелектричну проникність можна розра-хувати, знаючи концентрацію і поляризацію молекул. Для цього застосовується формула Клаузіуса-Моссотті:

(2.1.)

де с, D – коефіцієнт та густина матеріалу відповідно.

Очищення діелектричних рідин може здійснюватися дистиляцією, в тому числі під вакуумом, частковою кристаліза-цією, абсорбцією, іонним обміном. При цьому, як правило, зменшується електропровідність та діелектричні втрати, зростає електрична міцність. Основною домішкою, що підвищує провід-ність рідких діелектриків є вода, а основними домішками, що зменшують електричну міцність є мікрочастинки, мікропухирці і вода. Тому в практиці енергосистем для регенерації трансфор-маторної оливи її фільтрують, осушують за допомогою пропус-кання через ємність, заповнену адсорбентами (цеолітами або силі-кагелем). За рахунок різних способів очищення рідин у дослід-женнях вдавалося одержати електропровідність не вище елект-ропровідності кращих твердих діелектриків, а саме до 10^-19 См/м.

Електрична міцність – також, як і електропровідність, у значній мірі є технологічною характеристикою рідкого діелектрика й електродів, способів готування й експлуатації ізоляційного проміжку. На неї впливають не тільки ті домішки, що визначають електропровідність, але форма і матеріал електродів, тривалість імпульсу, наявність пухирців.

Найрозповсюджений в енергетиці рідкий діелектрик – трансформаторна олива. Це очищена фракція нафти, що одер-жується при перегонці при температурі кипіння від 300°С до 400°С. У залежності від походження нафти мають різні власти-вості. Олива має складну вуглецевоводну будову із середньою вагою молекул 220-340 а.о., і містить наступні основні компоненти: парафіну – 70-80%, ароматичних вуглеводнів – 15-20%, з’єднання сірки та азоту – <2%, антиокисна присадка – 0,5%. Кожний з компонентів оливи відіграє значну роль при експлуатації. Парафіни і циклопарафіни забезпечують низьку електропровідність і високу електричну міцність. Ароматичні вуглеводні зменшують старіння оливи і збільшують стійкість до часткових розрядів. Сірчані, азотні з’єднання є домішками і не грають позитивної ролі, спричиняючи процеси корозії металів у трансформаторній оливі.

Вуглеводні парафінового ряду, крім високої хімічної стій-кості мають високу температуру спалаху і багато інших позитив-них якостей, але застигають уже при кімнатній температурі і тому тут не допускається великого вмісту парафінів. Першою операцією готування трансформаторної оливи з нафти є фракційна перегонка під вакуумом. При перегонці нафта шляхом випару розділяється на ряд фракцій, кожна з який містить близькі по температурі кипіння і подібні по властивостях вуглеводні. Спочатку від нафти відо-кремлюються найбільш легкі вуглеводні: бензин, гас; потім пере-ганяються більш важкі фракції, так званий соляровий дистилят, з якого і готується олива. Перегонка не забезпечує однорідного складу олії, тому що в дистилят попадає цілий ряд суміжних фрак-цій. Крім того, у ньому присутні шкідливі домішки, що погіршують властивості оливи.

Для одержання повноцінного продукту нафта піддається очищенню від нафтових кислот, смол, сірки і ненасичених з’єднань. Ця операція називається рафінуванням. Для повного видалення вологи промита олія піддається сушінню продувкою повітря. Остаточне очищення олії здійснюється обробкою його при температурі 70-80°С адсорбентом.

З основних характеристик трансформаторної оливи від-значимо, що вона горюча, практично не токсична і не порушує озоновий шар. Густина оливи знаходиться в діапазоні (0,84-0,89)×10³ кг/м³. В’язкість є однією з найважливіших властивостей оливи. З міркувань високої електричної міцності олія повинна мати високу в’язкість. Для того, щоб добре виконувати свої додаткові функції в трансформаторах (як охолоджуване середовище) і вими-качах (як середовище, де рухаються елементи привода), олива повинна мати невисоку в’язкість, у протилежному випадку транс-форматори не будуть належним чином охолоджуватись, а вимикачі – розривати електричну дугу у встановлений для них час. Тому вибирають компромісне значення в’язкості для різних олив. Кінематична в’язкість для більшості олив при температурі 20 °С складає 28-30×10^-6 м²/с.

Температурою застигання називається температура, при якій олива застигає настільки, що при нахиленні пробірки з охолодженою олією під кутом 45° його рівень залишиться незмін-ним протягом 1 хв. У масляних вимикачах температура застигання має вирішальне значення. Свіжа олива не повинна застигати при температурі “-45°С”; у південних районах країни дозволяється застосовувати оливу з температурою застигання “-35°С”. З інших теплофізичних характеристик відзначимо порівняно невелику теплопровідність l від 0,09 до 0,14 Вт/(м×К^-1), що зменшується в залежності від температури. Теплоємність, навпаки, збільшується з ростом температури від 1,5 кДж/(кг×К^-1) до 2,5 кДж/(кг×К^-1).

Рис.2.1. Залежність електричної міцності трансформаторної оливи від вмісту води в ній та залежність електричної міцності трансформаторної оливи від температури: 1 – суха олива, 2 – олива, що містить сліди води.

Коефіцієнт теплового розширення оливи визначає вимоги до розмірів розширювального бака трансформатора і складає приблизно 6,5×10^-4 1/К. Питомий опір оливи нормується при температурі 90°С і напруженості поля 0,5 МВ/м, і він не повинен перевищувати 5×10¹⁰ Ом×м для будь-яких сортів олив. Відзначимо, що питомий опір, як і в’язкість, сильно падають з ростом температури (більш ніж на порядок при зменшенні температури на 50°С). Діелектрична проникність оливи невелика і коливається в межах 2,1-2,4. Тангенс кута діелектричних втрат визначається наявністю домішок в оливі. У чистій оливі він не перевищує 2×10^-2 при температурі 90°С и робочій частоті 50 Гц. В окисленій забрудненій і зволоженій олії tg d зростає і може досягати більш ніж 0,2. Електрична міцність оливи визначається в стандартному розряднику з напівсферичними електродами діаметром 25,4 мм і міжелектродною відстанню 2,5 мм. Пробивна напруга повинна складати не менше 70 кВ, при цьому в розряднику електрична міцність оливи буде не меншою, ніж 280 кВ/см.

Якісне трансформаторне масло має світло-жовтий колір. Сильне потемніння у процесі експлуатації показує на псування масла внаслідок забруднення або окислення. Воно повинно зберігати прозорість при охолодженні до +5^оС. Прозорість пере-віряють в скляній прямокутній посудині, на одну із стінок якої наклеюють смужку паперу з нанесеними на неї чорною тушшю трьома лініями товщиною 0,1; 0,5 і 1,0 мм. Якщо через шар масла в 100 мм чітко видно всі лінії, то масло якісне; якщо лінію товщиною 0,5 мм видно не чітко, а лінію товщиною 1 мм – чітко, то бажана очистка; при меншій прозорості масла необхідна негайна очистка.

В маслі не повинно бути води. Якщо при опусканні в пробірку з маслом розпеченого дроту роздається тріск, то це означає, що в маслі є волога і його необхідно очищати і сушити.

Для визначення розчинених у воді кислот і лугів використо-вують реакцію водяної витяжки, яка проводиться за допомогою індикаторів, здатних різко змінити свій колір при наявності незначної кількості кислоти або лугу (наприклад, водяний розчин метилоранжу).

Пробивна напруга експлуатаційного масла, яка характе-ризує його електричну міцність і визначається за допомогою стандартних апаратів (наприклад, АИИ-70, АКИ-50, АИИМ-72 і ін.), повинна бути не меншою від 25 кВ для апаратів з напругою до 15 кВ і не нижче 30 кВ для апаратів з напругою до 35 кВ включно.

Для видалення води масло нагрівають різними методами: струмом короткого замикання, втратами у власному баку, стру-мами нульової послідовності. В деяких випадках для очищення масла досить, щоб воно відстоялося у відповідній ємності у приміщенні з відносно сухим і чистим повітрям. Але найбільше поширене сушіння масла за допомогою центрифугування при температурі 40¸50 ^оС. При цьому масло очищується не тільки від води, а й від важких механічних домішок.

Від легких механічних домішок, а також від води масло очищають за допомогою фільтрпресів. У фільтрпресі масло при температурі 40¸50^ОС під тиском 3¸5 атм. проганяється через фільтрувальний папір, який втягує вологу і затримує механічні домішки – волокна, шлам, сажу, тощо. При очищенні фільтруваль-ний папір замінюють через 1¸4 годин. Його можна промивати, сушити і знову використовувати.

Фільтпрес звичайно використовують після центрифуги, добиваючись майже граничної очистки масла від домішок. Центри-фугуванням і фільтруванням очищують масло, але не відновлюють його втрачені властивості. Для видалення з масла продуктів окислення і для відновлення його попередньої якості проводять регенерацію.

Регенерацію масел проводять за допомогою адсорбентів – речовин, здатних поверхнею своїх частинок поглинати продукти старіння масла і вологу (явище адсорбції). В ролі адсорбентів вико-ристовуються природні відбілювальні глини, амфорне або акти-воване вугілля, окиси алюмінію, селикагелі (роздрібнена кремне-кислота) і цеоліт.

Регенерацію проводять контактним або перколяційним способом. В першому випадку адсорбент в розмеленому і прожареному вигляді додають у підігріте до 80¸90^ОС масло, перемішують, відстоюють, після чого масло відправляють на фільт-рування. В другому випадку масло пропускають через адсорбент, а потім фільтрують.

Останнім часом регенерацію масла проводять без посеред-ньо в трансформаторі під час його експлуатації. Для цього транс-форматори обладнують спеціальними термосифонними фільтрами, поглинальними патронами і повітроосушувачами, заповненими звичайно селикагелем. Під час експлуатації масло, проходячи через селикагель, відновлює свої властивості.

Існує велика різниця між терміном служби трансформатора і терміном служби оливи. Трансформатор може працювати без ремонту 10-15 років, а олива вже через рік вимагає очищення, а через 4-5 років – регенерації. Мірами, що дозволяють продовжити термін експлуатації оливи, є: 1) захист олії від зіткнення повітрям шляхом установки розширників з фільтрами, що поглинають кисень і воду; 2) зниження перегріву в умовах експлуатації; 3) регулярні очищення від води і шламу; 4) підвищення стабільності олії шляхом введення антиокислювачів.

Антиокисна присадка спеціально вводиться в оливу для запобігання її окислювання під дією локальних високих температур і реакцій із провідниковими і діелектричними матеріалами.

Конденсаторні оливи – об’єднана група різних діелектрик-ків, що застосовується для просочення паперово-масляної і паперо-во-плівкової ізоляції конденсаторів. Найбільш розповсюджену кон-денсаторну оливу отримують із трансформаторної оливи шляхом більш глибшого очищення. Відрізняється від звичайних олив біль-шою прозорістю, меншим значенням tg d (більш, ніж у десять ра-зів). Касторова олива – олива рослинного походження. Основна область використання – просочення паперових конденсаторів для роботи в імпульсних умовах. Густина касторової олії 950-970 кг/м³, температура застигання від -10°С до -18°С. Його діелектрична проникність при 20°С складає 4,0-4,5; tg d при 20°С дорівнює 0,01-0,03, а при 100°С tg d = 0,2-0,8; Е _пр при 20°С дорівнює 15-20 МВ/м.

Касторова олива не розчиняється в бензині, але розчиня-ється в етиловому спирті. На відміну від нафтових олій касторове не викликає набрякання звичайної гуми. Цей діелектрик відно-ситься до слабополярних рідких діелектриків, його питомий опір при нормальних умовах складає 10⁸-10¹⁰ Ом×м. Кабельні оливи призначені для просочення паперової ізоляції силових кабелів. Основою їх також є нафтові оливи. Від трансформаторної оливи відрізняються підвищеною в’язкістю, збільшеною температурою спалаху і зменшених діелектричних втрат.

2.2. Електроізоляційні полімери

Серед діелектриків особливе значення займають високо-молекулярні органічні матеріали. Для того, щоб розібратися у властивостях і можливостях цих матеріалів, необхідно попередньо ознайомитись із загальними закономірностями, що стосуються їх будови і властивостей, а також встановити деякі терміни і поняття, що неодноразово будуть використовуватись в подальшому викладі.

Органічними речовинами називають з’єднання вуглецю з іншими елементами. Найбільше число органічних електроізоля-ційних матеріалів належить до високомолекулярних з’єднань, тобто до речовин з великими молекулами, що містять іноді тисячі атомів. До високомолекулярних речовин належать деякі, що зустрі-чаються в природі речовини: целюлоза, шовк, білки, каучук. Отримані штучним шляхом високомолекулярні матеріали можуть бути розділені на два класи. По-перше, сюди відносяться штучні матеріали, що виготовляються шляхом хімічної обробки природних високомолекулярних речовин: так, наприклад, при переробці целюлози отримуються ефіри целюлози. Але найбільше значення як для електроізоляційної техніки так і інших галузей техніки має другий клас синтетичні високомолекулярні матеріали, що виготов-ляються із низькомолекулярних речовин. Багато з цих матеріалів характеризуються цінними технічними властивостями до того ж деякі з них можуть бути отримані із легкодоступної сировини (природний газ, нафта, корисні копалини), Тому вивченню розроб-ці і застосуванню таких матеріалів для різноманітних цілей при-діляється дуже велика увага.

Практично всі важливі високомолекулярні з’єднання по своїй хімічній природі є полімерами, тобто речовинами, молекули яких являють собою сукупність великого числа, що мають однакові будови груп атомів і отримуються в результаті об’єднання один з одним молекул порівняно простих пза своїм складом речовин, так званих мономерів.

Реакція утворення полімеру із мономеру називається полі-меризацією. При полімеризації зростає молекулярна маса, темпе-ратура плавлення, підвищується в’язкість, зменшується розчин-ність. В процесі полімеризації речовина може переходити із газо-подібного і рідкого стагу в стан досить густої рідини і далі в стан твердого тіла.

Приведемо простий приклад: стирол – рідкий ненасичений вуглеводень, що має елементарний склад С ₈ Н ₈. Завдяки наявності подвійного зв’язку між двома сусідніми атомами вуглеводню має властивість легко полімеризуватись. Утворений в результаті полі-меризації із стиролу (мономеру) полімер полістирол – є вже твердою речовиною. Тут важливим показником полімеризації є степінь полімеризації – n, тобто число молекул мономеру, що об’єднались в одну молекулу полімеру. Для полістиролу степінь n може досягати 6000. Температура плавлення стиролу рівна “-33⁰С”, а температура пом’якшення полістиролу “70-80⁰С”.

Процес полімеризації протікає при різних умовах з різною швидкістю. Наприклад: стирол не втрачає своїх властивостей на холоді довгий час, однак підвищення температури, добавлення каталізаторів дозволяють різко прискорити перехід від рідкого стиролу в твердий полістирол. Таким чином швидкість полі-меризації можна регулювати, змінюючи умови в яких протікає процес полімеризації.

Полімери діляться на дві групи: лінійні і поверхневі. Молекули перших мають вид ланцюжків або ниток. Молекули поверхневих полімерів розміщені в просторі в різних напрямах більш рівномірно. Легко зрозуміти закономірність утворення лінійних або повепхневих полімерів. Якщо молекули мономеру мають тільки по дві реактивні точки, тобто по дві валентності, здатні розчеплюватись і з’єднуватись з іншими молекулами, то в результаті полімеризації отримається лінійний полімер – ланка, що не має ніяких розгалужень.

Між властивостями лінійних і поверхневих полімерів є дуже замітні відмінності. Як правило, лінійні полімери відносно гнучкі та еластичні і багато з них при повільному підвищенні температури пом’якшуються, а потім розплавлюються. Поверхневі полімери володіють більшою жорсткістю; їх розм’якшування проходить лише при досить високих температурах, а багато з них ще до досягнення температури пом’якшення хімічно руйнуються. Лінійні полімери здатні розчи-нятись в розчинниках, поверхневі – важкорозчинні або практично нерозчинні.

На практиці за тепловими властивостями полімери ділять на термопластичні та термореактивні. Термопластичні матеріали при низьких температурах тверді, але при нагріві пом’якшуються і легко деформуються. Характерною особливістю термопластичних матеріалів є те, що нагрів до температури, що відповідає їх пластичному стану, не викликає необоротних змін їх властивостей. Після охолодження ці матеріали зберігають здатність розчинятись і при новому під’йомі температури пом’якшуватись.

У протилежність матеріалам цієї групи термореактивні матеріали (реактопласти) при нагріві зазнають необоротну зміну властивостей, тобто вони запікаються, набуваючи при цьому значну механічну міцність і твердість. Термореактивні матеріали – нерозчинні.

Отже, термопластичні матеріали – це лінійні полімери, що зберігають лінійну будову молекул і при нагріві (полістирол). Термореактивними є матеріали, які при нагріві набувають будову, що властива поверхневим полімерам.

Якщо електрична ізоляція в процесі експлуатації повинна витримувати дію підвищених температур, не пом’якшуючись, не деформуючись і зберігати високу механічну міцність, або вона повинна бути стійкою до розчинників, що дотикаються до неї (ізоляція обмоток маслонаповненого трансформатора), то для такої ізоляції більш придатні термореактивні матеріали.