Электротехнические материалы

Лекция 11  

ТВЕРДЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ  

11.1. Общие характеристики диэлектриков.

11.2. Виды диэлектриков. Применение твердых диэлектриков.

11.3. Свойства наиболее применяемых диэлектриков.

     11.3.1. Полимерные материалы. 
     11.3.2. Бумага и картон.
     11.3.3. Материалы для изоляторов.
     11.3.4. Слюдяные материалы.

11.1. Общие характеристики твердых  диэлектриков.

в начало лекции

Твердые диэлектрики - это чрезвычайно широкий класс веществ,  содержащий вещества с радикально различающимися электрическими,  теплофизическими, механическими свойствами. Например, диэлектрическая проницаемость меняется от значения, незначительно превышающего 1, до более чем 50000, в зависимости от типа диэлектриков: неполярный, полярный, сегнетоэлектрик. В главе 1 приводились определения различных типов диэлектриков. Вкратце коснемся этих определений применительно к твердым диэлектрикам.

Неполярный диэлектрик - вещество, содержащее молекулы с преимущественно ковалентной связью.

Полярный диэлектрик - вещество,  содержащее дипольные молекулы или группы, или имеющее ионы в составе структуры.

Сегнетоэлектрик - вещество, имеющее в составе области со спонтанной поляризацией.

Механизмы поляризации у них резко различаются:

- чисто электронная поляризация у неполярных диэлектриков типа полиэтилена, полистирола, при этом e-мала, не более 3, диэлектрические потери тоже малы;

- ионная поляризация у ионных кристаллов типа NaCl или дипольная у полярных диэлектриков типа льда, при этом e может находиться в пределах от 3-4 до 100, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на частотах вращения диполей и других резонансных частотах;

- доменная поляризация у сегнетоэлектриков - при этом e максимальна и может достигать 10000-50000, диэлектрические потери могут быть весьма значительны, в особенности на резонансных частотах и в области повышенных частот.

Особенности механизмов проводимости в твердых диэлектриках - концентрация носителей очень мала, подвижность ионов в гомогенных материалах очень мала, подвижность электронов в чистых материалах велика, в технически чистых - мала. Механизмы электропроводности различны в разных веществах. Ионная проводимость реализуется у полидисперсных диэлектриков (картон, бумага, гетинакс, дерево) и ионных кристаллов. В первом случае ионы передвигаются по границам раздела, образованным слипшимися дисперсными частицами. Появление носителей заряда сильно связано с влажностью этих материалов и определяется, как рассматривалось в лекциях 2 и 9 диссоциацией примесей и полярных групп основного вещества на поверхности раздела. В случае ионных кристаллов, в проводимости участвуют ионы основного вещества, примесей, дефекты структуры. Электронная проводимость реализуется у титанатов бария, стронция и т.д., электронная, дырочная и ионная проводимость у полимеров.

Добавим некоторые термины, специфичные для твердых диэлектриков:

химическая стойкость- способность выдерживать контакты с разными средами (кислота - кислотостойкость, щелочь - щелочестойкость, озон - озоностойкость, масло - маслостойкость, вода - водостойкость);

трекингостойкость- способность противостоять действию дуги;

дендритостойкость - способность противостоять образованию дендритов.

11.2. Виды диэлектриков. Применение твердых диэлектриков в энергетике.

в начало лекции

          Все диэлектрические материалы можно разделить на группы, используя разные принципы. Например, разделить на неорганические и органические материалы.

Неорганические диэлектрики: стекла, слюда, керамика, неорганические пленки (окислы, нитриды, фториды), металлофосфаты, электроизоляционный бетон. Особенности неорганических диэлектриков - негорючи, как правило, свето-, озоно, - термостойки, имеют сложную технологию изготовления. Старение на переменном напряжении практически отсутствует, склонны к старению на постоянном напряжении.

Органические диэлектрики: полимеры, воски, лаки, резины, бумаги, лакоткани. Особенности органических диэлектриков - горючи (в основном), малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям, имеют (в основном) простую технологию изготовления, как правило, более дешевы по сравнению с неорганическими диэлектриками. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов.

Применение в энергетике:

 - линейная и подстанционная изоляция - это фарфор, стекло и кремнийорганическая резина в подвесных изоляторах ВЛ, фарфор в опорных и проходных изоляторах, стеклопластики в качестве несущих элементов, полиэтилен, бумага в высоковольтных вводах, бумага, полимеры в силовых кабелях;

- изоляция электрических приборов - бумага, гетинакс, стеклотекстолит, полимеры, слюдяные материалы;

- машин, аппаратов - бумага, картон, лаки, компаунды, полимеры;

- конденсаторы разных видов- полимерные пленки, бумага, оксиды, нитриды.

          С практической точки зрения в каждом случае выбора материала электрической изоляции следует анализировать условия работы и выбирать материал изоляции в соответствии с комплексом требований. Для ориентировки целесообразно разделить основные диэлектрические материалы на группы по условиям применения.

1. Нагревостойкая электрическая изоляция. Это в первую очередь изделия из слюдяных материалов, некоторые из которых способны работать до температуры 700 °С. Стекла и материалы на их основе (стеклоткани, стеклослюдиниты). Органосиликатные и металлофосфатные покрытия. Керамические материалы, в частности нитрид бора. Композиции из кремнийорганики с термостойким связующим. Из полимеров высокой нагревостойкостью обладают полиимид, фторопласт.

2. Влагостойкая электрическая изоляция. Эти материалы должны быть гидрофобны (несмачивание водой) и негигроскопичны. Ярким представителем этого класса является фторопласт. В принципе возможна гидрофобизация путем создания защитных покрытий на других негидрофобных диэлектриках.

3. Радиационно стойкая изоляция. Это, в первую очередь, неорганические пленки, керамика, стеклотекстолит, слюдинитовые материалы, некоторые виды полимеров (полиимиды, полиэтилен).

4. Тропикостойкая изоляция. Материал должен быть гидрофобным, чтобы работать в условиях высокой влажности и температуры. Кроме того, он должен быть стойким против плесневых грибков. Лучшие материалы: фторопласт, некоторые другие полимеры, худшие - бумага, картон.          

Новосибирская фирма выполняет заказ по поставке в одну из тропических стран прибора для обнаружения взрывчатых веществ. В высоковольтном блоке прибора используется изолятор из фторопласта.  При изготовлении работник произвольно заменил дорогой фторопласт более дешевым поливинилхлоридом, обладающим соответствующими электрофизическими характеристиками, но не обладающим необходимой гидрофобностью. В результате при испытаниях произошли ложные срабатывания и фирма потерпела убытки.

5. Морозостойкая изоляция. Это требование характерно, в основном для резин, т.к. при понижении температуры все резины теряют эластичность. Наиболее морозостойка кремнийорганическая резина с фенильными группами (до -90°С).

6. Изоляция для работы в вакууме (космос, вакуумные приборы). Для этих условий необходимо использовать вакуумно-плотные материалы. Пригодны некоторые, специально приготовленные керамические материалы, малопригодны полимеры.

11.3. Свойства наиболее применяемых диэлектриков.

в начало лекции

11.3.1. Полимерные материалы.

Полимеры, как правило, являются хорошими диэлектриками. Они обладают низкими диэлектрическими потерями, высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью и, как правило, невысокой ценой. Кроме того, на основе полимеров с дисперсными добавками различной электропроводности, теплопроводности, магнитной проницаемости, диэлектрической проницаемости, твердости и т.п. можно получать разнообразные композиционные материалы с широким спектром свойств. По технологическим признакам полимерные материалы  делятся на 2 класса -  термопласты и реактопласты.

Термопласты - размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. При этом гранулы исходного полимера помещают в камеру термопласт - автомата, нагревают до температуры размягчения, прессуют и охлаждают. Так делают мелкие диэлектрические детали. Для крупногабаритных изделий, типа кабелей, полутвердый расплав выдавливают через фильеру вместе с внутренним электродом кабеля. 

Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен H-(CH₂)_nH.  Полиэтилен производят путем полимеризации газа этилена при повышенных давлениях и температурах. В основном используются две технологии. Исторически первой была технология получения полиэтилена при высоком давлении до 250 МПа и температуре до 300 °С с помощью инициирующих агентов-окислителей. При этом получается т.н. полиэтилен высокого давления  ПЭВД, для которого используется и другое название - полиэтилен низкой плотности (ПЭНП). В настоящее время более распространена технология получения полиэтилена с помощью катализаторов при невысоком давлении до 1 МПа, невысокой температуре до 80 °С. При этом получается т.н. полиэтилен низкого давления ПЭНД, для которого используется и другое название - полиэтилен высокого плотности (ПЭВП). Главное отличие полученных продуктов с физико-химической точки зрения - повышенная водостойкость ПЭНД по сравнению с ПЭВД. Другие характеристики практически одинаковы: удельное сопротивление 10¹⁴-10¹⁵ Ом×м, удельное поверхностное сопротивление 10¹⁵ Ом, диэлектрическая проницаемость 2.2-2.4, тангенс угла диэлектрических потерь 10^-4, электрическая прочность 45-55 кВ/мм, теплопроводность 0.3-0.4 Вт/(м×К), теплоемкость 2 кДж/(кг×К), плотность 920-960 кг/м³. Класс нагревостойкости Y. Полиэтилен широко используют в качестве силовой электрической изоляции в кабелях, в особенности т.н. "сшитый" полиэтилен. (В зарубежной литературе - cross-linked polyethylene). Его получают либо облучением высокоэнергетичными частицами (электронами, фотонами, тяжелыми частицами), либо вулканизацией. При этом образуется пространственная сетка, подобно тому, как это реализуется в резине. Модифицированный материал может эксплуатироваться при температуре до 200 °С, кроме того, он становится более стойким по отношению к агрессивным средам и растворителям, механически более прочным, его удельное сопротивление повышается примерно на два порядка.

Из других термопластичных полимеров, используемых в энергетике в виде электроизоляционных пленок отметим полипропилен, поливинилхлорид, лавсан.

Рядом уникальных свойств обладает фторопласт (политетрафторэтилен). Он химически инертен, не растворяется в растворителях, вплоть до температуры 260 °С, абсолютно не смачивается водой, не гигроскопичен. Недостатки - не стоек под действием радиации, обладает хладотекучестью.

Реактопласты - при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинаются разрушаться. Изделия из них обычно делают различными способами. Одна из распространенных дешевых технологий заключается в следующем. Сначала готовят пресс-порошки полимера. Затем пресс порошок засыпают в пресс-форму и прессуют при определенном давлении и температуре. При этом возникает сцепление между деформированными частицами, и после охлаждения материал готов к использованию. Возможно проведение полимеризации из исходных компонентов в заранее подготовленных формах. Так делают изделия из эпоксидных полимеров, кремнийорганической резины.

Достаточно дешевы и технологичны реактопласты на основе фенолформальдегидных полимеров (бакелит) и аминоформальдегидных полимеров. Их электрофизические характеристики невысоки.

Эпоксидные полимеры обладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками, некоторые марки эпоксидных материалов имеют диэлектрическую проницаемость до 16. Высокая полярность приводит к слабой водостойкости. Главное преимущество эпоксидных компаундов - простота технологии приготовления. Компаунды холодного отвержения получают смешиванием эпоксидной смолы, отвердителя и пластификатора. В период времени до начала твердения (от минут до часов) жидкую композицию можно заливать в требуемую форму. Часто компаунд используют для ремонта диэлектрических деталей в качестве клея.

Из других полимеров-реактопластов отметим диэлектрический материал с высокой механической прочностью - капролон, с большим диапазоном рабочих температур (-100°С до +250°С) - полиимиды и композиты на их основе.

11.3.2. Бумага и картон.

Важным преимуществом этих материалов является то, что они производятся из возобновляемого сырья, а именно из древесной массы. Технология приготовления состоит из варки щепы и опилок в щелочном растворе с добавками. Целлюлозные волокна разделяются, полученная пульпа загущается удалением некоторого количества воды, из нее удаляются металлические примеси. Затем следует прокатка между вальцами, при повышенных давлении и температуре. Чем выше плотность бумаги, тем выше как механическая, так и электрическая прочность бумаги. Самые тонкие и прочные бумаги используются для изготовления конденсаторов. Достаточно отметить, что плотность конденсаторных бумаг достигает 1.6 т/м³, т.е. более, чем в 1.5 раза превышает плотность воды. При этом электрическая прочность бумаги толщиной 10 мкм, пропитанной трансформаторным маслом, составляет до 10 МВ/см.

Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических  дистанцирующих прокладок, шайб, распорок, в качестве изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п. Картон, как правило, используется после пропитки трансформаторным маслом. Электрическая прочность пропитанного картона достигает 40-50 кВ/мм. Поскольку она выше прочности трансформаторного масла, для увеличения электрической прочности трансформаторов зачастую устраивают в среде масла специальные барьеры из картона. Маслобарьерная изоляция обычно имеет прочность Е=300-400 кВ/см. Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и, резко уменьшается электрическая прочность (в 4 и более раз)

11.3.3. Материалы для изоляторов.

В последнее время бурно развивается производство изоляторов для ВЛ на основе кремнийорганической резины. Этот материал относится к каучукам, основное свойство которых -  эластичность. Это позволяет изготовлять из каучуков не только изоляторы, но и гибкие кабели. В энергетике используются разные типы каучуков: натуральные каучуки, бутадиеновые, бутадиен-стирольные, этиленпропиленовые и кремнийорганические.

Основу кремнийорганических резин составляют полиорганосилоксаны:

         Где R - одинаковые, либо разные органические радикалы. В зависимости от типа этих радикалов меняются свойства кремнийорганической резины. Иногда в основной цепи чередуются не только кремний и кислород, но и бор (боросилоксановые каучуки), углерод (силкарбоновые каучуки), азот (силоксазановые каучуки).  Получают кремнийорганическую резину из исходного каучука с помощью вулканизации, т.е. сшивки в пространственные комплексы исходных молекул. При этом химическая связь возникает либо по концевым H и OH группам, либо по радикалам. Реакция протекает за счет радиационного облучения, либо за счет химических агентов при повышенной температуре. Как правило, с завода-изготовителя поступает готовая к вулканизации масса. 

Свойства чистых кремнийорганических резин неудовлетворительны, в первую очередь ввиду низкой прочности и недостаточной свето-озоностойкости. В настоящее время изоляторы делают из композиционных материалов на основе кремнийорганических каучуков. В качестве усиливающих активных наполнителей используют нанопорошки двуокиси кремния (аэросил, белая сажа) и двуокиси титана. Из электрофизических и теплофизических свойств композиционного материала отметим:

диэлектрическая проницаемость                 e = 2.9-3.6;

удельное объемное сопротивление             10¹²-10¹³ Ом×м;

удельное поверхностное сопротивление     10¹²-10¹⁴  Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь         5×10^-4-2×10^-3;

электрическая прочность                             18-24 кВ/мм,

теплоемкость                                                1.2-1.5 кДж/(кГ×К);

плотность                                                     1100-1600 кГ/м³;

прочность на разрыв                                   4-6 МПа.

Резюмируя свойства кремнийорганических резин, отметим, что они имеют удовлетворительные электрофизические свойства, высокую теплоемкость, сравнительно невысокую механическую прочность. Из других свойств выделим, то, что они стойки к действию озона, света и масла, морозостойки (- 50¸-90)°С и нагревостойки  (180¸250)°С, влагонепроницаемы, но газопроницаемы, масло-бензонестойки.

Электротехнический фарфор является искусственным минералом, образованным из глинистых минералов, полевого шпата и кварца в результате термообработки по керамической технологии. К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность, дешевизна исходных компонентов. Это определило широкое применение фарфора для производства изоляторов. Основные характеристики:

диэлектрическая проницаемость                 7;

удельное объемное сопротивление             10¹¹ Ом×м;

удельное поверхностное сопротивление     10⁹-10¹²  Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь         2×10^-2;

электрическая прочность                             25-30 кВ/мм,

теплопроводность                                        1.0-1.2 Вт/(м×К);

теплоемкость                                                1.2-1.5 кДж/(кг×К);

плотность                                                     2300-2500 кг/м³;

прочность на разрыв                                   90 МПа.

Сравнивая данные по фарфору и кремнийорганическим резинам, можно выделить, что недостатками фарфора являются хрупкость, высокая плотность, низкая теплопроводность, высокие диэлектрические потери.

          Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. В частности у него более стабильная сырьевая база, проще технология, допускающая большую автоматизацию, возможность визуального контроля неисправных изоляторов.

Дело в том, что при пробое изолятора в гирлянде, его диэлектрическая "юбка" разрушается и падает на землю в случае выполнения юбки из стекла, тогда как при пробое фарфорового изолятора юбка остается целой. Поэтому неисправные стеклянные изоляторы видны невооруженным глазом, тогда как диагностика вышедших из строя фарфоровых изоляторов возможна только с помощью специальных приборов, например приборов ночного видения "Филин".

          По химическому составу стекло является набором окислов кремния, бора, алюминия, натрия, кальция и т.п. По термодинамическому состоянию оно представляет собой сильно загустевшую жидкость вследствие переохлаждения. Обычное, щелочное стекло непригодно для изготовления изоляторов ввиду растрескивания, помутнения и т.п. в условиях эксплуатации. Для этой цели разработано специальное малощелочное стекло. Его характеристики:

диэлектрическая проницаемость                 7;

удельное объемное сопротивление             10¹² Ом×м;

удельное поверхностное сопротивление     10¹⁴  Ом;

тангенс угла диэлектрических потерь         2.4×10^-2;

электрическая прочность                             48 кВ/мм,

теплопроводность                                        0.92 Вт/(м×К);

теплоемкость                                                1  кДж/(кг×К);

плотность                                                     2500 кг/м³;

прочность на разрыв                                   90 МПа.

К недостаткам стекла, точнее способа его производства, относится большая энергоемкость получения материала, т.к. стекло длительно варят при высоких температурах.

11.3.4. Слюдяные материалы.

Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с достаточно высокими электроизоляционными характеристиками. Слюда является природным минералом сложного состава. В электротехнике используют два вида слюд: мусковит КАl₂(АlSi₃О₁₀)(ОН)₂ и флогопит КMg₃(АlSi₃О₁₀(ОН)₂. Высокие электроизоляционные характеристики слюды обязаны ее необычному строению, а именно - слоистости. Слюдяные пластинки можно расщеплять на плоские пластинки вплоть до субмикронных размеров. Разрушающие напряжения при отрыве одного слоя от другого слоя составляют примерно 0.1 МПа, тогда как при растяжении вдоль слоя - 200-300 МПа. Из других свойств слюды отметим невысокий tgd, менее чем 10^-2; высокое удельное сопротивление, более 10¹² Ом×м; достаточно высокую электрическую прочность, более 100 кВ/мм;  термостойкость, температура плавления более 1200°С.

Слюда используется в качестве электрической изоляции, как в виде щипаных тонких пластинок, в.т.ч. склееных между собой (миканиты), так и в виде слюдяных бумаг, в.т.ч. пропитанных различными связующими (слюдиниты или слюдопласты). Слюдяная бумага производится по технологии, близкой к технологии обычной бумаги. Слюду размельчают, готовят пульпу, на бумагоделательных машинах раскатывают листы бумаги.

Миканиты обладают лучшими механическими характеристиками и влагостойкостью, но они более дороги и менее технологичны. Применение - пазовая и витковая изоляция электрических машин.

 Слюдиниты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе мусковита. Иногда их комбинируют с подложкой из стеклоткани (стеклослюдинит), или полимерной пленки (пленкослюдинит). Бумаги, пропитанные лаком, или другим связующим, обладают лучшими механическими и электрофизическими характеристиками, чем непропитанные бумаги, но их термостойкость обычно ниже, т.к. она определяется свойствами пропитывающего связующего.

Слюдопласты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе флогопита и пропитанные связующими. Как и слюдиниты, они также комбинируются с другими материалами. По сравнению со слюдинитами они обладают несколько худшими электрофизическими характеристиками, но обладают меньшей стоимостью. Применение слюдинитов и слюдопластов - изоляция электрических машин, нагревостойкая изоляция электрических приборов      В заключение раздела хотелось бы привести сравнительные данные по электрической прочности в нормальных условиях некоторых распространенных газообразных, жидких и твердых диэлектриков.

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.