Электротехнические материалы

Лекция 10  

 Газообразные  и жидкие  диэлектрики

 10.1. Газообразные диэлектрики.

      10.1.1. Основные характеристики.

      10.1.2. Электроотрицательные газы, применение в энергетике.

10.2. Жидкие диэлектрики. Применение в энергетике.

     10.2.1. Общие свойства.

     10.2.2. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.

В лекциях 10 и 11 будут рассмотрены вопросы, касающиеся основных свойств и применения диэлектриков. При этом больше будет уделено внимания общим сведениям и информации о новых перспективных материалах, получение конкретных сведения о свойствах конкретных материалов предполагаются из справочников по электротехническим материалам. 

10.1. Газообразные диэлектрики.

10.1.1. Основные характеристики.

в начало лекции

Основные характеристики газов, как диэлектриков, это диэлектрическая проницаемость, электропроводность, электрическая прочность. Кроме того, зачастую важны теплофизические характеристики, в первую очередь теплопроводность.

Диэлектрическую проницаемость газов очень просто рассчитать по формуле e = 1+n(a+m²¤3kT)/e₀, где n- число молекул с поляризуемостью a и дипольным моментом m в единице объема. Обычно значение e близко к 1, отличие от единицы можно обнаружить в 3-4 знаке после запятой. Причина этого - малое число молекул в газовой фазе n.

Электропроводность газов обычно не хуже 10^-13 См/м, причем, как было показано во второй лекции, основным фактором вызывающим проводимость в не очень сильных полях, является ионизирующее излучение. Вольт-амперная характеристика имеет три характерные зоны - омическое поведение, насыщение, экспоненциальный рост. Диэлектрические потери незначительны и их стоит учитывать только в третьей области.

Электрическая прочность у газов, сравнительно с прочностью жидкостей и твердых диэлектриков, невелика и сильно зависит как от внешних условий, так и от природы газа. Обычно пробивные характеристики разных газов сопоставляют при нормальных условиях (н.у.). Эти условия - давление 1 атм, температура 20 °С, электроды, создающие однородное поле, площадью 1 см², межэлектродный зазор 1 см. Воздух при н.у. имеет электрическую прочность 30 кВ/см. Коэффициент к, показывающий отношение электрической прочности газа к электрической прочности воздуха составляет для некоторых газов, используемых в технике: водород - к = 0.5, гелий - к = 0.2, элегаз к = 2.9, фреон-12 - к = 2.4, перфторированные углеводородные газы к  = (4-10),.

Теплопроводность газов l также невелика по сравнению с теплопроводностью твердых тел и жидкостей, наибольшее ее значение l= 0.2 Вт/(м×К) - у водорода. Для наиболее популярных газов l= 0.03 Вт/(м×К)--воздух, l= 0.012 Вт/(м×К) - элегаз. Для сравнения - у алюминия l= 200 Вт/(м×К).

Максимальные температуры эксплуатации газов определяются либо разложением молекул газа (характерно для сложных молекул), либо увеличением электропроводности до перехода из диэлектрического до резистивного состояния за счет ионизации и диссоциации молекул газа под действием тепловой энергии. Характерные температуры для второго варианта - порядка и более тысячи градусов.  

10.1.2. Электроотрицательные газы, применение газообразных диэлектриков.

в начало лекции

Наибольшее применение из газов в энергетике имеет воздух. Это связано с дешевизной, общедоступностью воздуха, простотой создания, обслуживания и ремонта воздушных электроизоляционных систем, возможностью визуального контроля. Объекты, в которых применяется воздух в качестве электрической изоляции - линии электропередач, открытые распределительные устройства, воздушные выключатели и т.п.

Электроотрицательными называются газы, молекулы которых обладают сродством к электрону, это означает, что при захвате электрона и превращении молекулы в отрицательный ион выделяется энергия. Этот процесс приводит к явлению  прилипания электронов, и уменьшению, тем самым, эффективного коэффициента ударной ионизации на значение коэффициента прилипания h a_эфф = a-h. Поэтому электроотрицательные газы имеют повышенную электрическую прочность. Из электроотрицательных газов с высокой электрической прочностью наибольшее применение нашел элегаз SF_6.. Свое название он получил от сокращения “электрический газ”. Уникальные свойства элегаза были открыты в России, его применение также началось в России. В 30^х годах известный ученый Б.М. Гохберг исследовал электрические свойства ряда газов и обратил внимание на некоторые свойства шестифтористой серы SF₆. Электрическая прочность при атмосферном давлении и зазоре 1 см составляет Е = 89 кВ/см. Молекулярная масса составляет 146, характерным является очень большой коэффициент теплового расширения и высокая плотность. Это важно для энергетических установок, в которых проводится охлаждение каких-либо частей устройства, т.к. при большом коэффициенте теплового расширения легко образуется конвективный поток, уносящий тепло. Из теплофизических свойств: температура плавления = -50 °С при 2 атм, температура кипения (возгонки) = -63°С. Низкие значения последних параметров означают возможность применения элегаза при низких температурах.

Из других полезных свойств отметим следующие: химическая инертность, нетоксичность, негорючесть, термостойкость (до 800°С), взрывобезопасность, слабое разложение в разрядах, низкая температура сжижения. В отсутствие примесей элегаз совершенно безвреден для человека. Однако продукты разложения элегаза в результате действия разрядов (например в разряднике или выключателе) токсичны и химически активны.

Комплекс свойств элегаза обеспечил достаточно широкое использование элегазовой изоляции. В устройствах элегаз обычно используется под давлением в несколько атмосфер для большей компактности энергоустановок, т.к., как вы знаете, электрическая прочность увеличивается с ростом давления. На основе элегазовой изоляции созданы и эксплуатируются ряд электроустройств, из них кабели, конденсаторы, выключатели, компактные ЗРУ (закрытые распределительные устройства). Наиболее широкое применение элегаз нашел за рубежом, в особенности в Японии. Например, использование элегаза позволяет в десятки раз уменьшить размеры распредустройств, что очень актуально при высокой стоимости земли для размещения энергохозяйства. Это выгодно даже несмотря на высокую стоимость элегаза - более 10$ за 1 килограмм.

10. 2. Жидкие диэлектрики.

10.2.1. Общие свойства.

в начало лекции

С электрофизической точки зрения наиболее важными характеристиками жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость является истинной характеристикой жидкостей и характеризуется дипольным моментом и поляризуемостью молекул. В качестве примера - у неполярного диэлектрика гексана дипольный момент отсутствует, поляризация имеет чисто электронный характер и, вследствие этого,  диэлектрическая проницаемость мала e £ 2. Трансформаторное масло, являясь смесью веществ, имеет в своем составе небольшое количество полярных молекул, обладающих дипольным моментом. Поэтому e возрастает до  ~ 2,2-2,4. Касторовое масло имеет больше полярных молекул, следовательно больше e ~4,5. Этиловый спирт, глицерин, вода являются представителями полярных веществ, диэлектрическая проницаемость составляет 24, 40, 81 соответственно.

Для неполярных жидкостей e < 3 диэлектрическая проницаемость можно рассчитать, зная концентрацию и поляризуемость молекул. Для этого применяется формула Клаузиуса-Моссотти (e-1) ¤(e+2) = na¤3e₀ .

Электропроводность жидкостей определяется ионизацией молекул, наличием в жидкости примесей особого сорта: ионофоров и ионогенов, возникновением электрогидродинамических течений, как уже рассматривалось во второй лекции. Кроме того, в жидкостях возникают т.н. двойные электрические слои.

Двойной электрический слой - образование в жидкости, на границе с другими телами (электроды, диэлектрики, несмешивающиеся жидкости), заряженных слоев с повышенной электропроводностью, причем поверхность раздела и объем жидкости приобретают заряды разного знака.

Образование двойных слоев актуально для технических жидких диэлектриков, например для транспорта по трубам горючих диэлектрических сред типа нефти, конденсата и т.д. Устранение двойных слоев может быть осуществлено только при тщательной очистке диэлектрических жидкостей от ионизирующихся примесей.

Очистка диэлектрических жидкостей может осуществляться дистилляцией, в.т.ч. под вакуумом, частичной кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом. При этом, как правило, уменьшается электропроводность, диэлектрические потери, возрастает электрическая прочность.

Основной примесью, дающей проводимость жидких диэлектриков  является вода, а основными примесями, уменьшающими электрическую прочность являются микрочастицы, микропузырьки и вода. Поэтому в практике энергосистем для регенерации трансформаторного масла его фильтруют, обезгаживают вакуумированием, осушают с помощью пропускания через объем, заполненный адсорбентами (цеолитами, либо силикагелем).

Цеолиты - твердые вещества естественного или искусственного происхождения, обладающие большой удельной поверхностью за счет пор молекулярных размеров и возможностью адсорбции примесей в этих порах.  Силикагель - пористый адсорбент для поглощения влаги и полярных примесей. Он обладает меньшей избирательностью по отношению к разным примесям и меньшей удельной поверхностью по сравнению с цеолитами.

Электропроводность жидкостей наиболее радикально (до 6 порядков величины по сравнению с данными из справочников) возрастает после применения нового способа очистки- электродиализа.

Электродиализ - способ удаления ионов из промежутка за счет пропускания постоянного тока при использовании ионообменных мембран, проводимость которых осуществляется только одним видом ионов: в катионообменной носители заряда - катионы, ее располагают у катода, в анионообменной носители заряда - анионы, ее располагают у анода.

          За счет различных способов очистки жидкостей в исследованиях удавалось получить электропроводность не выше электропроводности лучших твердых диэлектриков, а именно до 10^-19 См/м.

Электрическая  прочность - также, как и электропроводность, в значительной степени является технологической характеристикой жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее влияют не только те примеси, которые определяют электропроводность, но и форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков. Есть несколько наиболее общих и очевидных приемов увеличения электрической прочности: дегазация жидкости, пропускание через адсорбент, пропускание через фильтр с субмикронными размерами пор. Некоторые из этих способов используются в энергосистемах для осушки и регенерации масла.

          Двадцать-тридцать лет назад велись споры, является ли электрическая прочность “истинной” характеристикой жидкости. Этот вопрос достаточно принципиален. Дело в том, что если измеренная электрическая прочность является истинной характеристикой, то практически бессмысленны попытки ее увеличения. Если электрическую прочность считать технологической характеристикой, следствием протекания определенных предпробивных процессов, то резонно, что  воздействием на эти процессы можно управлять электрической прочностью. Как указывалось в лекции 9, электрический пробой является следствием цепочки событий, которые весьма чувствительны как к примесям, так и к свойствам границы раздела “электрод-жидкость”. Поэтому пробоем можно управлять.

Для примера рассмотрим эксперименты по пробою на постоянном напряжении замечательной диэлектрической жидкости - перфтортриэтиламина (С₂F₅)₃N. Первые измерения свежезалитой жидкости без специальной очистки жидкости и электродов дали значения электрической прочности Е_пр= 60-70 кВ/см, причем с ростом числа пробоев электрическая прочность слабо возрастает до 70-80 кВ/см. Если жидкость подвергнуть операциям дегазирования, обезвоживания и фильтрации, то можно получить 200-300 кВ/cм. После дополнительного проведения тренировочной серии в 20-30 маломощных разрядов электрическая прочность достигала 550-600 кВ/см. 

10.2.2. Используемые и перспективные жидкие диэлектрики.

в начало лекции

Наиболее распространенный в энергетике жидкий диэлектрик - это трансформаторное масло.

Трансформаторное масло, - очищенная фракция нефти, получаемая при перегонке, кипящая при температуре от 300 °С до 400 °С. В зависимости от происхождения нефти обладают различными свойствами и эти отличительные свойства исходного сырья отражаются на свойствах масла. Оно имеет сложный углеводородный состав со средним весом молекул 220-340 а.е., и содержит следующие основные компоненты.

Каждый из компонентов масла играет определенную роль при эксплуатации. Парафины и циклопарафины обеспечивают низкую электропроводность и высокую электрическую прочность. Ароматические углеводороды уменьшают старение масла и увеличивают стойкость к частичным разрядам в объеме масла. Асфальто-смолистые, сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты являются примесями и не играют положительной роли. Асфальто-смолистые соединения ответственны за возникновение осадка в масле и за его цвет. Сернистые, азотистые соединения и нафтеновые кислоты ответственны за процессы коррозии металлов в трансформаторном масле.

Углеводороды парафинового ряда, кроме высокой химической устойчивости обладают высокой температурой вспышки и рядом других положительных качеств, но теряют текучесть (застывают) уже при комнатной температуре и поэтому не допускается большого содержания парафинов. Более того, нефти с их большим содержанием (грозненская, сураханская) для приготовления масел не применяются.

      Нафтеновые углеводороды менее устойчивы, чем парафины и легко окисляются. Типичной нафтеновой нефтью является доссорская нефть, из которой готовится лучшее трансформаторное масло.

      Ароматические углеводороды разделяются на углеводороды симметричного строения (бензол, нафталин, антрацен) и ароматики с длинными боковыми цепями(толуол). Первые являются одним из наиболее трудно окисляемых веществ. Эти ароматики являются ценной составной частью масла, так как защищают его от окисления. Вторые весьма легко соединяются с кислородом, причем их способность к самоокислению растет с увеличением числа и длины боковых цепей.

      Первой операцией приготовления трансформаторного масла из нефти является фракционная перегонка под вакуумом.  При перегонке нефть путем испарения разделяется на ряд фракций, каждая из которых содержит близкие по температуре кипения и сходные по свойствам  углеводороды. Cначала от нефти отделяются наиболее  легкие  углеводороды: бензин, лигроин, керосин; затем перегоняются более  тяжелые фракции , так называемый соляровый дистиллят,  из которого и готовится масло. Перегонка не обеспечивает однородного состава масла, так как в дистиллят попадает целый ряд смежных фракций. Кроме того, в нем имеются вредные примеси, ухудшающие свойства масла и сокращающие срок службы. Для получения полноценного продукта погон нефти подвергается очистке от нефтяных кислот, смол, серы и ненасыщенных соединений. Эта операция называется рафинированием. Дистиллят в течение определенного времени обрабатывается крепкой серной кислотой, которая окисляет все непредельные соединения и смолы и превращает их в нерастворимый кислый гудрон, который выпадает в осадок. Кислый гудрон, находясь в контакте с маслом, разрушает основные углеводороды. Поэтому для уменьшения причиняемого им вреда обработка кислотой производится при возможно более низкой температуре и гудрон удаляется из масла как можно скорее. Общее количество кислоты достигает  12-14%  от  веса дистиллята. Для нейтрализации избытка серной кислоты, оставшейся в масле, и для удаления нафтеновых кислот масло обрабатывается водным раствором щелочи (едкого натра); образовавшиеся при этом соли, мыла и эмульсии отделяются отстаиванием. Оставшееся в масле незначительное количество солей и мыл ведет к его окислению, поэтому после отстоя масло должно быть тщательно промыто водой. Для полного удаления влаги промытое масло подвергается сушке продувкой воздуха. Окончательная очистка масла производится обработкой его при температуре 70-80°С  отбеливающей землей (адсорбент). Отбеливающие земли или глины удаляют последние остатки смол и  кислот и масло получает свой приятный соломенный цвет.

Основные физико-химические свойства масла.

Из основных характеристик масла отметим, что оно горючее, биоразлагаемое, практически не токсичное, не нарушающее озоновый слой. Плотность масла обычно находится в диапазоне (0.84-0.89)×10³ кг/м³. Вязкость является одним из важнейших свойств масла. С позиций высокой электрической прочности желательно иметь масло более высокой вязкости. Для того, чтобы хорошо выполнять свои дополнительные функции в трансформаторах (как охлаждающая среда) и выключателях (как среда, где движутся элементы привода), масло должно обладать невысокой вязкостью, в противном случае трансформаторы не будут надлежащим образом охлаждаться, а выключатели- разрывать электрическую дугу в установленное для них время.

Поэтому выбирают компромиссное значение вязкости для различных масел. Кинематическая вязкость для большинства масел при температуре 20 °С составляет 28-30×10^-6 м²/с. Температурой застывания называется температура, при которой масло загустевает настолько, что при наклонении пробирки с охлажденным маслом под углом 45° его уровень останется неизменным в течение 1 мин. В масляных выключателях температура застывания имеет решающее значение. Свежее масло не должно застывать при температуре -45°С; в южных районах страны разрешается применять масло с температурой застывания -35°С. Для эксплуатационных масел допускается ряд отступлений от нормированной температуры застывания в зависимости от  того, находится ли масло в трансформаторе или выключателе, работает в закрытом помещении или же на открытом воздухе. Для специальных арктических сортов масла температура застывания уменьшается до -(60-65) °С, однако при этом понижается и температура вспышки до 90-100°С.

Температурой вспышки называется температура нагреваемого в тигле масла, при котором его пары образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся при поднесении к ней пламени. Вспышка происходит настолько быстро, что масло не успевает прогреться и загореться. Температура вспышки трансформаторного масла не должна быть ниже 135°С. Если нагреть масло выше температуры вспышки, то наступает такой момент, когда при поднесении пламени к маслу оно загорается. Температура, при которой масло загорается и горит не менее 5 сек., называется температурой воспламенения масла.  Температура, при которой происходит возгорание в закрытом тигле, в присутствии воздуха, без поднесения пламени, называется температурой самовоспламенения. Для трансформаторного масла она составляет 350-400 °С.

Из других теплофизических характеристик отметим сравнительно небольшую теплопроводность l от 0.09 до 0.14 Вт/(м×К), уменьшающуюся в зависимости от температуры. Теплоемкость, наоборот, увеличивается с ростом температуры от 1.5 кДж/(кГ×К) до 2.5 кДж/(кГ×К). Коэффициент теплового расширения масла определяет требования к размерам расширительного бака трансформатора и составляет примерно 6.5×10^-4 1/К.

Удельное сопротивление масла нормируется при температуре 90°С и напряженности поля 0.5 МВ/м, и оно не должно превышать 5×10¹⁰ Ом×м для любых сортов масел. Отметим, что удельное сопротивление, как и вязкость, сильно падают с ростом температуры (более чем на порядок при уменьшении температуры на 50 °С). Диэлектрическая проницаемость масла невелика и  колеблется в пределах 2.1-2.4. Тангенс угла диэлектрических потерь определяется наличием примесей в масле. В чистом масле он не должен превышать 2×10^-2 при температуре 90°С и рабочей частоте 50 Гц. В окисленном загрязненном и увлажненном масле tgd возрастает и может достигать более чем 0.2. Электрическая прочность масла определяется в стандартном разряднике с полусферическими электродами диаметром 25.4 мм и межэлектродным расстоянием 2.5 мм. Пробивное напряжение должно составлять не менее 70 кВ, при этом в разряднике электрическая прочность масла будет не менее 280 кВ/см.

          Поглощение и выделение газов маслом. Масло способно поглощать и растворять  весьма  значительные количества воздуха и других газов. По имеющимся данным в 1 см³ масла при комнатной температуре растворяется: азота 0.086 см³; кислорода 0.16 см³; углекислоты 1.2 см³. При этом кислород, не только растворяется, но и химически соединяется с маслом, образуя продукты окисления. Выделение газов из масла очень часто является признаком зарождающегося дефекта в обмотке трансформатора. В настоящее время разработан и используется способ определения дефектов в трансформаторе по наличию растворенных в масле газов, т.н. хроматографический анализ.

Существует большой разрыв между сроком службы трансформатора и сроком службы масла. Трансформатор может работать без ремонта 10-15 лет, а масло уже через год требует очистки, а через 4-5 лет - регенерации. Мерами, позволяющими продлить срок эксплуатации масла, являются:

1) защита масла от соприкосновения с наружным воздухом путем установки расширителей с фильтрами, поглощающими кислород и воду, а также вытеснение из масла воздуха;

2) снижение перегрева масла в условиях эксплуатации;

3) регулярные очистки от воды и шлама;

4) применение для снижения кислотности непрерывной фильтрации масла;

5) повышение стабильности масла путем введения  антиокислителей.

Антиокислительная присадка специально вводится в масло для предотвращения его окисления под действием локальных высоких температур и реакций с проводниковыми и диэлектрическими материалами. Обычно в качестве присадки используют ионол, реже применяются и другие добавки.

О роли этой присадки можно судить по следующему реальному случаю, происшедшему в одной их энергосистем Урала. На станцию поступило импортное трансформаторное масло. Оно имело лучшую прозрачность по сравнению с отечественным маслом, меньший tgd, более высокое пробивное напряжение в стандартном испытательном разряднике. Без дальнейшей проверки им заполнили трансформатор. Однако не прошло и года после начала эксплуатации трансформатора, как он вышел из строя. Произошла авария. После вскрытия обнаружили, что масло сильно потемнело, tgd оказался значительно выше нормы, а электрическая прочность значительно ниже нормы. Проведенный анализ показал, что причиной выхода было ускоренное старение масла, т.к. оно не содержало никакой антиокислительной присадки и, в силу тщательной очистки, не содержало естественных примесей - ингибиторов окислительных процессов.

Очистка, сушка и регенерация масла. Очисткой масла называется такая операция, с помощью которой загрязненное или окисленное масло приводится  в  пригодное для эксплуатации состояние. После хорошей очистки масло должно полностью восстановить свои начальные свойства, т.е. должно быть совершенно прозрачно, не должно содержать кислот, осадков, воды, угля и других загрязнений. Причины изъятия масла из эксплуатации могут быть двух родов. Если масло во время эксплуатации оказалось лишь загрязненным различными постоянными веществами и не претерпело глубоких изменений, то для его восстановления достаточно прибегнуть к одному из описываемых ниже методов механической очистки.

      К механическим методам очистки относятся: 

1) отстой;
 2) центрифугирование;
 3) фильтрование;
 4) промывка. 

           Все эти методы имеют целью удалить из масла главным образом воду, механические загрязнения, нерастворимый шлак и уголь. Другой причиной изъятия масла из эксплуатации служит его старение под действием высокой температуры, кислорода воздуха, мощных частичных разрядов. Такое масло претерпевает столь глубокие изменения, что для восстановления его свойств необходимо применить один из следующих методов химической очистки (регенерации): 

1) сернокислотный метод;
2) щелочноземельный метод;
3) обработку адсорбентами.

      Очистка масла непосредственно в трансформаторах и выключателях может производиться периодически или после аварии при резком снижении пробивного напряжения, появления угля и прочих ненормальных явлениях или в результате данных хроматографического анализа. Как правило, трансформаторы и выключатели в этих случаях выводятся из работы и отключаются от сети.

          Из родственных трансформаторному маслу по свойствам и применению жидких диэлектриков стоит отметить конденсаторные и кабельные масла.

          Конденсаторные  масла. Под этим термином объединена группа различных диэлектриков, применяемая для пропитки бумажно-масляной и бумажно-пленочной изоляции конденсаторов. Наиболее распространенное конденсаторное масло по ГОСТ 5775-68 производят из трансформаторного масла путем более глубокой очистки. Отличается от обычных масел большей прозрачностью, меньшим значением tgd (более, чем в десять раз). Касторовое масло растительного происхождения, оно получается из семян клещевины. Основная область использования - пропитка бумажных конденсаторов для работы в импульсных условиях. Плотность касторового масла 0,95-0,97 т/м³, температура застывания от -10 °С до -18 °С. Его диэлектрическая проницаемость при 20°С составляет 4,0 - 4,5, а при 90°С - e = 3,5 - 4,0; tg d при 20°С равен 0,01 - 0,03, а при 100°С  tg d = 0,2 - 0,8; Е_пр при 20°С равно 15 - 20 МВ/м. Касторовое масло не растворяется в бензине, но растворяется в этиловом спирте. В отличие от нефтяных масел касторовое не вызывает набухания обычной резины. Этот диэлектрик относится к слабополярным жидким диэлектрикам, его удельное сопротивление при нормальных условиях составляет 10⁸ - 10¹⁰ Oм×м.

Кабельные масла предназначены для пропитки бумажной изоляции силовых кабелей. Основой их также является нефтяные масла. От трансформаторного масла отличаются повышенной вязкостью, увеличенной температурой вспышки и уменьшенными диэлектрическими потерями. Из марок масел отметим МН-4 (маловязкое, для заполнения кабелей низкого давления), С-220 (высоковязкое для заполнения кабелей высокого давления), КМ-25 (наиболее вязкое).

          Второй тип жидких диэлектриков - трудногорючие и негорючие жидкости. Жидких диэлектриков с такими свойствами достаточно много. Наибольшее распространение в энергетике и электротехнике получили хлордифенилы. В зарубежной литературе они называются хлорбифенилами. Это вещества, имеющие в своем составе двойное бензольное кольцо, т.н. ди(би)фенильное кольцо и присоединенные к нему один или несколько атомов хлора. В России применяются диэлектрики этой группы в виде смесей, в основном смеси пентахлордифенила с трихлордифенилом. Коммерческие названия некоторых из них - «совол», «совтол», «калория-2».

          Хлордифенилы  являются хорошими диэлектриками. У них повышена диэлектрическая проницаемость e = 5-6 по сравнению с трансформаторным маслом из-за полярности связи электроотрицательного хлора с дифенильным кольцом. Тангенс угла диэлектрических потерь tgd ненамного выше, чем у масла, электрическая прочность также высока. Применение этих диэлектриков было обусловлено как этими свойствами, так и, главным образом, их негорючестью. Поэтому в пожароопасных условиях (шахты, химические производства и т.п.) использовали трансформаторы и другие электрические аппараты, заполненные хлордифенильными диэлектриками.

Однако у всего класса этих веществ имеются два очень существенных недостатка - высокая токсичность и сильное влияние на озоновый слой. Хотя токсичность является очевидным недостатком, но наибольшее негативное влияние на применение хлордифенилов оказал второй его недостаток.

Дело в том, что, как вы знаете, над поверхностью Земли, на высоте более 100 км существует мощный слой озона О₃, который играет чрезвычайно важную роль в защите жизни на Земле от жесткого космического излучения. В последнее время этот слой стал истончаться, появились т.н. «озоновые дыры». Это явление связывают с хозяйственной деятельностью человека, причем основными «врагами» озона считают вещества, содержащие хлор и бром, которые взаимодействуют с озоном и, тем самым, разрушают его. Поэтому мировая общественность забила тревогу, требуя запретить применение таких веществ. Было проведено несколько конференций, обсуждавших эту проблему, и в 1976 году был принят т.н. «Монреальский Протокол». Согласно ему, все вещества, которые могут попасть в ионосферу, были проверены на взаимодействие с озоном и разделены на группы, по степени взаимодействия. Наиболее опасные вещества, в.т.ч. фреоны (хладоагенты в бытовых холодильниках) и хлордифенилы были ограничены в производстве, начиная с 1980 г., а к 2000 году их не должно быть и в эксплуатации. Наша страна подписала протокол, поэтому сейчас их не производят у нас в стране, в силу чего в ряде мест возникли проблемы с трансформаторами, ранее заполненными хлордифенилами. Поскольку они негорючи и использовались в силу этого для ответственных пожароопасных условий, найти им замену нелегко. Наиболее типичная ситуация - в трансформаторе понизился (за счет утечек) уровень жидкого диэлектрика. Просто добавить другое масло невозможно, т.к. хлордифенилы не смешиваются с маслами и неясно поведение такой композиции в условиях эксплуатации.

Возникшая после запрета хлордифенилов проблема поиска подходящего пожаробезопасного жидкого диэлектрика до сих пор не решена. В каждой стране ее пытаются решать по своему. В Великобритании пытаются внедрять диэлектрики на основе эфиров пентаэритрита (фирменное название Мидель 7221, Мидель 7131), в Германии - диэлектрики на основе эфиров фталевой кислоты (Bayelectrol, диоктилфталат). В России и некоторых других странах наиболее перспективными для применения считаются силиконы (силоксаны) или кремнийорганические жидкости. Это громадный класс жидкостей с различными электро- и теплофизическими характеристиками. Хорошо очищенные жидкости обладают e=2.5-3.5, tgd<10^-3 , r>10¹² Ом×м. Обычно у этих соединений повышенная, по сравнению с маслом, температура вспышки. Некоторые жидкости, на основе модифицированных полиметилэтилсилоксанов имеют температуру вспышки около 300°С. К недостаткам силоксанов относится то, что исследованные кремнийорганические жидкости не могут обеспечить пожаробезопасность и, следовательно, не могут полностью заменить хлордифенилы. Кроме того, они в несколько раз дороже трансформаторного масла.

          Очень интересен класс фторорганических жидкостей. В зарубежной литературе они называются перфторуглероды. По сути, это эквивалент обычным органическим жидкостям, только вместо атома водорода везде находится атом фтора. Например есть аналоги органическим соединениям, таким как пентан С₅H₁₂ - перфторпентан С₅F₁₂, гексан С₆H₁₄- перфторгексан С₆F₁₄, триэтил(пропил,бутил)амин - перфтортриэтил(пропил,бутил)амин и т.п. Существует даже перфтортрансформаторное масло. (В отличие от настоящего трансформаторного масла перфтортрансформаторное масло при нормальных условиях является твердым веществом и используется в качестве морозостойкой смазки). Наличие фтора на месте водорода означает, что вещество полностью окислилось, ведь фтор является самым сильным окислителем, более сильным, чем кислород. Поэтому фторуглеродные жидкости инертны по отношению к любым воздействиям, в.т.ч. стабильны под действием электрического поля и температуры. Поскольку они ни с чем не взаимодействуют, они не растворяют масла, резину, воду и т.п. Высокие характеристики фторуглеродных жидкостей важны для применений. Замена атома H на атом F приводит к  новым свойствам и новым возможностям:

       - негорючесть;

       - высокая термическая и химическая стабильность;

       - инертность по отношению к металлам, твердым диэлектрикам и резинам;

       - нетоксичность, отсутствие цвета и запаха;

       - возможность подбора жидкостей с различными точками кипения и

          замерзания;

       - низкая растворимость воды и высокая растворимость газов;

       - отсутствие растворимости любых нефторированных материалов;

       - высокий коэффициент температурного расширения.

Проведенные нами исследования поведения некоторых жидкостей при постоянном и переменном напряжении показывают, что по электрофизическим параметрам: удельное сопротивление, tg d, электрическая прочность, они значительно превосходят аналогичные показатели любых других жидкостей, включая минеральные масла. Они нетоксичны, неокисляемы, имеют низкую вязкость, в.т.ч. в  низкотемпературной  области. Ряд жидкостей имеют точку замерзания -70 °С и ниже. Основное препятствие к более широкому использованию - сравнительно высокая цена. Это препятствие может быть устранено. В настоящее время имеется задел по разработке новой, более дешевой технологии получения перфторуглеродов.

Приведем численные значения некоторых электрофизических параметров. Диэлектрическая проницаемость e = 1.8-2,  tgd < 10^-4, r > (10¹²-10¹⁵) Ом×м, электрическая прочность - до 500 кВ/см. Важной особенностью является достаточно высокая электрическая прочность в газообразном (парообразном) состоянии - до 200-300 кВ/cм, т.к. фторуглеродные молекулы имеют высокое сродство к электрону, т.е. они являются электроотрицательными веществами. Из других свойств отметим не только негорючесть, но и термостабильность до температуры более 400 °С. Хотя теплопроводность фторуглеродов в два-три раза ниже, чем у трансформаторного масла, однако исключительно высокий коэффициент температурного расширения приводит к возникновению мощных конвективных потоков. При этом конвективный теплоотвод оказывается в 3-4 раза выше, чем у трансформаторного масла. Главный недостаток - дороговизна - они дороже трансформаторного масла в несколько десятков раз.   

К настоящему времени в энергетике эти жидкости не нашли широкого применения.  За рубежом применяются для охлаждения мощных выпрямителей и инверторов, преобразующих переменный ток в постоянный ток, для СВЧ устройств. Предполагаемое создание компактных пожаробезопасных испарительных трансформаторов для электротранспорта и компактных ЗРУ возможно только на основе перфторуглеродных жидкостей.  

Список лекций 

1. Введение в предмет.

2. Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.

3. Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.

4. Теплофизические и механические характеристики материалов.

5. Конструкционные материалы.

6. Проводниковые материалы.

7. Слабопроводящие материалы.

8. Электропроводность и потери в диэлектриках.

9. Процессы в диэлектриках по действием сильных электрических полей.

10. Газообразные  и жидкие  диэлектрики.

11. Твердые диэлектрики.

12. Магнитные материалы.

13. Сверхпроводящие материалы.

14. Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов.

15. Испытания материалов.