ЛЕКЦИЯ №7

Физико-химические и механические свойства диэлектриков

Для диэлектриков наиболее важны следующие свойства:

1. Влажностные.

2. Тепловые.

3. Механические.

Влажностные свойства. Многие электроизоляционные материалы используются в условиях повышенной влажности воздуха, и вода может попадать на них, если электрооборудование не имеет герметичного корпуса, например, такого, как у конденсатора.

Относительной влажностью воздуха называют выражаемое в процентах отношение

φ = 100,  

где m – масса водяного пара в единице объема, г/м3; mнас – масса водяного пара в единице объема при насыщении, г/м3.

За нормальную влажность воздуха в нашей стране принята относительная влажность φ = 65 %. В воздухе с нормальной влажностью при 20 оС содержание водяных паров m = 11,25 г/см3.

Для предохранения поверхности электроизоляционных деталей от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.

Способность диэлектриков смачиваться водой характеризуется углом смачивания θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность тела

(рис. 7.) Чем меньше угол θ, тем сильнее смачивание. Для смачиваемых поверхностей угол θ < 90о, для несмачиваемых – θ > 90о.

Рис. 7. Капля жидкости на смачиваемой поверхности диэлектрика (а)

и на несмачиваемой поверхности (б)

При наличии в диэлектрике объёмной открытой пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь диэлектрика. Если сухой диэлектрик поместить во влажный воздух, то он начинает поглощать влагу из воздуха. Причём влажность материала ψ будет повышаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности ψр, соответствующей данному значению влажности воздуха φ. У бумаги при относительной влажности воздуха φ = 65 % равновесная влажность ψр = 8 %.

Наиболее чувствительным параметром влаги у диэлектриков является тангенс диэлектрических потерь tgδ, он заметно возрастает с увлажнением материала, изменяется и удельное сопротивление ρ.

Влагопроницаемость – это способность материалов пропускать сквозь себя пары воды. Количество влаги m, проходящее за время τ сквозь участок поверхности S слоя изоляционного материала толщиной h под действием разности давлений водяных паров p1 и p2 с двух сторон слоя, находим по следующему выражению:

m = П·(p1 – p2)·S·τ/h,  

где П – влагопроницаемость данного материала. В системе СИ она измеряется в секундах.

Тепловые свойства диэлектриков. К ним относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

Нагревостойкость – это способность диэлектрика выдерживать воздействие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. Срок службы изоляции τ связан с абсолютной температурой Т следующей зависимостью (рис. 8): lnτ = AT-1 + B, где А и В – величины постоянные для данного материала и данных условий старения изоляции.

Рис. 8. Срок службы изоляции в зависимости от температуры

ГОСТ 8865–70 предусматривает в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК) разделение электроизоляционных материалов на классы нагревостойкости (Y, A, E, B, F, H, C).

Холодостойкость – это способность изоляции выдерживать воздействие низких температур (например, от –60 до –70 оС) без недопустимого ухудшения её свойств. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются. Однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жёсткими, что создаёт затруднения для работы изоляции.

Теплопроводность – это один из видов переноса теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, приводящего к выравниванию температуры материала. Теплопроводность материалов характеризуют коэффициентом теплопроводности γт, входящим в уравнение Фурье:

Pт = γт ΔS,  

где ΔРт – мощность теплового потока, проходящего сквозь площадку ΔS, нормальную к потоку; – градиент температуры.

Тепловое расширение диэлектриков оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (), измеряемым в К-1:

=.  

Материалы, обладающие малыми значениями , имеют, как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.

Механические свойства диэлектриков. Многие электротехнические материалы в установках одновременно с электрической несут и механическую нагрузку (например, провода ЛЭП, троллейбусов, трамваев и т. д.). Поэтому для них наряду с электрическими параметрами необходимо знать и механические (предел прочности sв и относительное остаточное удлинение d). Эти параметры очень важны при правильном выборе материала,

т. к. у одного и того же материала в зависимости от технологии изготовления эти параметры могут изменяться в широких пределах. В ряде случаев приходится за счет ухудшения электрических параметров увеличивать механическую прочность.

Прочность – это свойство материала сопротивляться деформации или разрушению. Показатели прочности характеризуются не прилагаемой нагрузкой P, а удельной величиной – условным напряжением σ, определяемым отношением нагрузки к площади начального поперечного сечения образца Fo (σ = P/Fo). Значения пределов прочности в системе СИ выражают в паскалях (1 Па ≈ 10-5 кгс/см2).

У твёрдых диэлектриков обычно определяют пределы прочности при растяжении (σр), сжатии (σс) и изгибе (σи). Для ряда диэлектриков (стёкол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе.

Пластичностью называют свойство материалов необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешней нагрузки. Если к материалу приложена небольшая нагрузка, то возникает только упругая деформация и после снятия нагрузки образец восстанавливает свою первоначальную длину . Если увеличить нагрузку, то после ее снятия, возникает остаточная деформация Δ= –, где – длина образца перед снятием нагрузки. В качестве показателя пластичности обычно приводят относительное остаточное удлинение материала, которое измеряется в процентах:

.

ЛЕКЦИЯ №8

2.2. Проводниковые материалы