РІДКІ ДІЕЛЕКТРИКИ.

1. Класифікація рідких діелектриків і вимоги, що пред'являються до них.

2. Електропровідність рідких діелектриків.

3. Пробій рідких діелектриків.

4. Застосування рідких діелектриків.

 

1. Застосування електроізоляційних рідин дозволяє забезпечити надійну і тривалу роботу електроізоляції елементів конструкції, що знаходяться під напругою, і відводити від них теплоту, що виділяється при їх роботі.

Класифікація рідких діелектриків.

1. За хімічною природою:

n нафтові електроізоляційні масла;

n синтетичні рідини.

2. За специфікою застосування для:

n трансформаторів і вимикачів;

n конденсаторів:

n кабелів;

n систем циркуляційного охолоджування;

n виробів випрямних установок і турбогенераторів.

3. За верхнею межею допустимої робочої температури:

n до 95 °С (всі нафтові масла);

n до 130 °С;

n до 200 °С;

n до 250 °С.

4. За ступенем горючості: горючі і негорючі.

5. За ступенем чистоти рідини:

n діелектрики забруднені;

n діелектрики технічно чисті;

n діелектрики особливо ретельно очищені.

 

До рідких діелектриків пред'являють такі вимоги:

1. Висока електрична міцність.

2. Високий електричний опір.

3. Величина діелектричної проникності вибирається залежно від особливостей всієї системи ізоляції.

4. Тангенс кута діелектричних втрат мінімальний.

5. Висока стабільність в умовах експлуатації і зберігання.

6. В'язкість мінімальна в робочому діапазоні температур.

7. Сумісність з твердою ізоляцією і конструкційними матеріалами.

8. Економічність застосування.

 

2. Електропровідність рідких діелектриків залежить від ступеня їх чистоти.

Електропровідність рідких діелектриків, що не мають ніяких домішок - іонна, вона визначається перенесенням електричним полем іонів, утворених внаслідок часткової дисоціації молекул самої рідини. Залишкова питома провідність гранично чистого неполярного нафтового масла має порядок 10 См/м.

У неполярних рідких діелектриках дисоціація молекул на іони незначна, тому число носіїв заряду в одиниці об'єму невелике і провідність мала. Джерелом іонів у неполярній рідині можуть бути домішки - волога, різні полярні рідини, частинки твердих речовин, молекули яких дисоціюють на іони. У таких випадках провідність рідини називають домішковою. Якщо в рідині міститься навіть невелика кількість домішок, то провідність сильно збільшується. Молекули полярної рідини дисоціюють на іони у більшій мірі, тому провідність велика. Коли у полярній рідині міститься навіть невелика кількість полярної домішки, то її молекули практично усі дисоціюють, зростає і кількість дисоційованих молекул рідини і провідність сильно збільшується.

При збільшенні температури питомий опір убуває, а провідність збільшується, це пов'язано зі збільшенням рухливості електронів.

При проходженні постійного струму через забруднені діелектрики спостерігається спад струму з часом, що супроводиться явищем електричного очищення.

 

3. У рідких діелектриках механізм пробою дуже сильно залежить від чистоти рідини.

Пробій забруднених рідин відбувається в результаті утворення містків з забруднень. Причиною пробою може бути емульсійна вода і газові включення.

У гранично чистих рідких діелектриках спостерігається електрична форма пробою. Процес електричного пробою починається з інжекції електронів у рідкий діелектрик з катода і утворення електронної лавини. В ході розпоширення лавини виникають стимероподібні утворення, які в результаті процесів фотоіонізації переміщаються від анода до катода із швидкістю 10⁵ м/с. Пробій завершується, коли плазмовий канал замикає електроди. Густина рідини істотно більше за густину газу; отже, довжина вільного пробігу електронів, що проводять іонізацію, тут менше. Тому енергію, достатню для іонізації, електрон набуває при напруженості в 100 разів більше, ніж у газах. Пробій завершується, коли плазмений канал замикає електроди. Електрична міцність при електричній формі пробою досягає граничних для рідких діелектриків величин – 10^-7В/м

У рідині, що містить гази, пробій починається з іонізації газових включень. У результаті іонізації температура стінок газових включень зростає, що приводить до закипання мікрооб¢ємів рідини, що примикають до газових включень. Об¢єм газу збільшується, включення зливаються, утворюючи між електродами містки, по яких проходить розряд у газі.

Механізм пробою зволожених рідин залежить від вмісту і стану води в них. Вода, що міститься в рідинному діелектрику у вільному вигляді, може бути в емульсійному стані, коли утворюються сферичні крапельки води. В електричному полі водяні включення втягуються в простір між електродами і деформуються. При цьому утворюються еліпсоїди обертання, які поляризуються і притягуються один до одного і, зливаючись, замикають електроди містками з малим електричним опором, по якому проходить розряд.

У забруднених твердими частинками рідини частки забруднень – волоконце, сажа, продукти руйнування твердої ізоляції в електричному полі – поляризуються, втягуються в міжелектродний простір і утворюють між електродами суцільні кола з пониженим електричним опором. По цих колах і проходить розряд.

Форма і тривалість імпульсу напруги, форми електродів і відстані між ними впливають на пробій рідких діелектриків.

 

4. Рідкі діелектрики представляють собою електроізоляційні рідини, які використовують в електричних апаратах високої напруги, а також у блоках електронної апаратури. Використання електроізоляційних рідин дозволяє забезпечити надійну і довгу роботу електричної ізоляції елементів конструкцій, яка знаходиться під напругою, і відводити від них теплоту, яка виділяється при роботі.

Нафтові масла одержують шляхом фракційної вакуумної перегонки нафти. Виділені фракції представляють собою складну суміш вуглеводородів парафінного, нафтенового і ароматичного рядів з невеликою домішкою інших компонентів, які містять сірку, кисень, азот. Області застосування: маслонаповнені трансформатори, масляні вимикачі, високовольтні силові кабелі, паперово-масляні конденсатори, високовольтні ізолятори.

Свіже трансформаторне масло (конденсаторне) має звичайно соломено-жовтий колір, причому, чим глибше очистка, тим світліше масло. Масла, які були в експлуатації, через накопичення продуктів окислення мають темний колір.

Нафтові електроізоляційні масла є горючими рідинами і вони представляють велику пожежну небезпеку у масляних господарствах енергосистем. Тому правила пожежної безпеки при роботі з маслонаповненим обладнанням повинні ретельно додержуватися.Пожежна безпека оцінюється за температурою спалаху парів трансформаторного масла у суміші з повітрям, яка не повинна бути нижче 135-140^оС. У тих випадках, коли трансформаторне масло використовується у масляних вимикачах високої напруги, важливим параметром є температура застигання. Масло в цих електричних апаратах служить для охолодження каналів дуги і швидкого її гасіння у момент розриву контактів.

Характеристикою трансформаторних масел є кінематична в¢язкість при температурі 20 і 50^оС, так як зі збільшенням в¢язкості понад допустимих меж погано відводиться теплота від обмоток і магнітопроводів трансформатора, що може привести до скорочення строку служби електричної ізоляції.

Важливою характеристикою масла є його електрична міцність, яка чутлива до зволоження. Правила технічної безпеки електростанцій передбачають визначені норми електричної міцності для чистого і сухого трансформаторного масла, яке приготували для заливки в апарат, який знаходиться в експлуатації

При роботі маслонаповнених трансформаторів чи інших електричних апаратів, які містять масла, спостерігається поступове погіршення робочих параметрів: tgd, колір, кислотність, в¢язкість, температура замерзання й ін. Ці процеси характеризуються поняттям “старіння”, яке супроводжується зміною хімічних і електрофізичних показників. Найбільш інтенсивні процеси старіння масла протікають при підвищенні температури масла до максимально допустимої (звичайна робоча температура масла не перевищує 95^оС) при одночасному впливу електричного поля. Старіння прискорюється також за рахунок одночасного впливу світла, випромінювання високих енергій і присутності деяких матеріалів і з¢єднань, які є каталізаторами старіння. У процесі старіння масла утворюються нерозчинні осідання у вигляді «мула» або «шлаку», що значно погіршує теплоотвід від нагрітих деталей, руйнують ізоляцію обмоток і викликають корозію металів. Електричне поле прискорює процес старіння масла і змінює характер продуктів окислення масел. При старінні деяких сортів масел в електричному полі може спостерігатися також газовиділення.

Масла, які побували в експлуатації, підлягають регенерації (виділення домішок, очищення). Основні характеристики регенерованого масла повинні відповідати нормам на свіжі масла.

Крім трансформаторного масла, в електротехнічній промисловості використовують інші види масел. До них відносять конденсаторні, кабельні і масла для масляних вимикачів і контакторних пристроїв регулювання напруги під навантаженням.

Синтетичні рідкі діелектрики (СРД) застосовують, коли необхідно забезпечити тривалу роботу високовольтних електричних апаратів при підвищених теплових навантаженнях і напруженості електричного поля, в пожеже- і вибухонебезпечному середовищі (заливки герметичних кожухів, в яких розташовуються блоки електронної апаратури). Найбільше застосування отримали СРД на основі хлорованих вуглеців, що мають термічну стійкість, електричну стабільність, негорючість, велике значення діелектричної проникності і відносно невисоку вартість, але токсичні і в даний час майже не застосовуються (совтол, гексол).

Рідкі діелектрики на основі кремнійорганічних з'єднань є нетоксичними і екологічно безпечними. Ці рідини є полімерами з низьким ступенем полімеризації, в молекулах яких міститься силоксанна група, що повторюється

- Si - О - Si -

 

атоми кремнію якої пов'язані з органічними радикалами. Залежно від будови радикала (метил-, етил-, феніл-) розрізняють поліметилсилоксанові, поліетилсилоксанові, поліфенілсилоксанові. Їх діелектричні характеристики tgd =(2-3) 10^-4, e = 2,4-2,5, r =10¹¹-10¹² Ом м, Uпр ³ 45 кВ.

Поліорганосилоксанові рідини застосовують в імпульсних трансформаторах, спеціальних конденсаторах, блоках радіо- і електронній апаратурі й ін.

Рідкі діелектрики на основі фтороорганічних з'єднань відрізняються не горючістю, високою хімічною, окислювальною і термічною стабільністю, високими електрофізичними і теплопередаючими властивостями. За хімічним складом є вуглеці, аміни й інші з'єднання, в яких атоми водню частково або повністю заміщені атомами фтору або хлору. Якщо атоми водню повністю заміщені на атоми фтору, їх називають перфторованими. Деякі фторвуглеводні і фторхлорвуглеводні знайшли використання як хладогени і отримали назву хладонів (раніше їх називали фреонами). При високих температурах хладони розкладаються з виділенням токсичних продуктів.

Фторвуглеводні рідини застосовуються в невеликих трансформаторах, блоках електронного устаткування й інших електричних апаратах, коли робочі температури великі для інших видів рідких діелектриків. Деякі перфторовані рідинні діелектрики можуть використовуватися для створення випарювального охолодженнях у силових трансформаторах.