Газоподібні і рідкі діелектрики

Теорію електричного пробою можна застосувати до рідин, максимально очищеною від домішок. При високих значеннях напруженості електричного поля може відбуватися виривання електронів з металевих електродів і, як і в газах, руйнування молекул самої рідини за рахунок ударів зарядженими частинками. При цьому підвищена електрична міцність рідкого діелектрика в порівнянні з газоподібним обумовлена значно меншою довжиною вільного пробігу електронів. Пробій рідин, що містять газові включення, пояснюють місцевим перегрівом рідини (за рахунок енергії, що виділяється у відносно легко іонізуючих бульбашках газу), який призводить до утворення газового каналу між електродами. Під впливом електричного поля сферичні крапельки води – сильно дипольної рідини – поляризуються, набувають форму еліпсоїдів і, притягаючись між собою різнойменними кінцями, створюють між електродами ланцюжки з підвищеною провідністю, за якими і відбувається електричний пробій.

Електрична міцність підсушеного масла не залежить від температури в межах до 80 ° С, коли починається кипіння легких масляних фракцій і утворення великої кількості бульбашок пари усередині рідини. Наявність води знижує електричну міцність масла при нормальній температурі. Подальше зниження електричної міцності пояснюється процесом кипіння рідини. Збільшення електричної міцності при низьких температурах пов'язано зі збільшенням в'язкості масла і меншими значеннями діелектричної проникності льоду в порівнянні з водою. Сажа і обривки волокон спотворюють електричне поле всередині рідини і також призводять до зниження електричної міцності рідких діелектриків.

Очищення рідких діелектриків, зокрема олій, від домішок помітно підвищує електричну міцність.

 

 

Найбільше застосування з газів в енергетиці має повітря. Це пов'язано з дешевизною, загальнодоступністю повітря, простотою створення, обслуговування і ремонту повітряних електроізоляційних систем, можливістю візуального контролю. Об'єкти, в яких застосовується повітря як електричний ізолятор – лінії електропередач, відкриті розподільні пристрої, повітряні вимикачі і т. п.

Електронегативними називаються гази, молекули яких мають спорідненість до електрона, це означає, що при захопленні електрона і перетворенні молекули в негативний іон виділяється енергія. Цей процес призводить до явища прилипання електронів, і зменшення, тим самим, ефективного коефіцієнта ударної іонізації на значення коефіцієнта прилипання. Тому електронегативні гази мають підвищену електричну міцність.

З електронегативних газів з високою електричною міцністю найбільше застосування знайшов елегаз SF6. Свою назву він отримав від скорочення «електричний газ» \ Унікальні властивості елегазу були відкриті в Росії, його застосування також почалося в Росії. У 30х роках відомий вчений Б. М. Гохберг досліджував електричні властивості ряду газів і звернув увагу на деякі властивості SF6 Електрична міцність при атмосферному тиску і зазорі 1 см становить Е = 89 кВ/см. Характерним є дуже великий коефіцієнт теплового розширення і висока щільність. Це важливо для енергетичних установок, в яких проводиться охолодження будь-яких частин пристрою, тому що при великому коефіцієнті теплового розширення легко утворюється конвективний потік, що відносить тепло. З теплофізичних властивостей: температура плавлення = -50 ° С при 2 атм. температура кипіння (сублімації) = -63 ° С. що означає можливість застосування при низьких температурах.

З інших корисних властивостей відзначимо наступні: хімічна інертність, нетоксичність, негорючість, термостійкість (до 800 ° С), вибухобезпечність, слабке розкладання в розрядах, низька температура зріджування. У відсутність домішок елегаз абсолютно нешкідливий для людини. Проте продукти розкладання елегазу в результаті дії розрядів (наприклад в розряднику або вимикачі) токсичні і хімічно активні.

Комплекс властивостей елегазу забезпечив досить широке використання елегазовою ізоляції. У пристроях елегаз зазвичай використовується під тиском у кілька атмосфер для більшої компактності енергоустановок, т. к. електрична міцність збільшується з ростом тиску. На основі елегазовою ізоляції створені і експлуатуються ряд електропристроїв, з них кабелі, конденсатори, вимикачі. Найбільш широке застосування елегаз знайшов за кордоном, особливо в Японії. Наприклад, використання елегазу дозволяє в десятки разів зменшити розміри розподільників, що дуже актуально при високій вартості землі для розміщення енергогосподарства. Це вигідно навіть незважаючи на високу вартість елегазу – більше 10 $ за 1 кілограм.

Використовувані та перспективні рідкі діелектрики.

Найбільш поширений в енергетиці рідкий діелектрик – це трансформаторне масло.

Трансформаторне масло – очищена фракція нафти, що отримується при перегонці, кипить при температурі від 300 0 С до 400 0 С. В залежності від походження нафти володіють різними властивостями і ці відмінні властивості вихідної сировини відображаються на властивостях масла. Воно має складний вуглеводневий склад із середньою вагою молекул 220-340 а. о.. і містить такі основні компоненти.

1. Парафіни 10-15%

2. Нафтени або ціклопарафіни 60-70%

3. Ароматичні вуглеводні 15-20%

4. Асфальто-смолянисті речовини 1-2%

5. Сірчисті сполуки <1%

6. Азотисті сполуки <0. 8%

7. Нафтенові кислоти <0. 02%

8. Антиокисна присадка (ионол) 0. 2-0. 5%

Кожен з компонентів масла відіграє певну роль при експлуатації. Парафіни і ціктопарафіни забезпечують низьку електропровідність і високу електричну міцність. Ароматичні вуглеводні зменшують старіння масла і збільшують стійкість до часткових розрядів в обсязі масла. Асфальто-смолянисті. сірчисті, азотисті сполуки і нафтенові кислоти є домішками і не грають позитивну роль. Асфальто-смолянисті з'єднання відповідальні за виникнення осаду в маслі і за його колір. Сірчисті, азотисті сполуки і нафтенові кислоти відповідальні за процеси корозії металів в трансформаторному маслі.

Конденсаторні масла. Під цим терміном об'єднана група різних діелектриків, вживана для просочення паперово-масляної і паперово-плівкової ізоляції конденсаторів. Найбільш поширене конденсаторне масло по виробляють з трансформаторного масла шляхом більш глибокого очищення. Відрізняється від звичайних масел більшою прозорістю. Касторове масло рослинного походження, воно виходить з насіння рицини. Основна область використання – просочування паперових конденсаторів для роботи в імпульсних умовах. Це масло не розчиняється в бензині, але розчиняється в етиловому спирті. На відміну від нафтових масел касторове не викликає набухання звичайної гуми. Цей діелектрик відноситься до слабополярних рідких діелектриків, його питомий опір при нормальних умовах становить 1010 Ом/м.

Кабельні мастила призначені для просочення паперової ізоляції силових кабелів. Основою їх також є нафтові олії. Від трансформаторного масла відрізняються підвищеною в'язкістю, збільшеною температурою спалаху і зменшеними діелектричними втратами.

Дуже цікавий клас фторорганічних рідин. У зарубіжній літературі вони називаються перфторвуглеводи. По суті, це еквівалент звичайних органічних рідин, тільки замість атома водню скрізь перебуває атом фтору. Існує навіть перфтортрансформаторне масло. (На відміну від справжнього трансформаторного масла перфтортрансформаторне масло при нормальних умовах є твердою речовиною і використовується як морозостійке мастило). Наявність фтору на місці водню означає, що речовина повністю окислилися, адже фтор є найсильнішим окислювачем, більш сильним, ніж кисень. Тому фторвуглеводні рідини інертні по відношенню до будь-яких впливів, в. т. ч. стабільні під дією електричного поля і температури. Оскільки вони ні з чим не взаємодіють, вони не розчиняють масла, гуму, воду і т. п. Високі характеристики фторвуглеводних рідин важливі для застосувань. Заміна атома Н на атом F призводить до таких властивостей:

- Негорючість;

- Висока термічна і хімічна стабільність:

- Інертність по відношенню до металів, твердих діелектриків і резин:

- Нетоксичність, відсутність кольору і запаху:

- Можливість підбору рідин з різними точками кипіння і замерзання:

- Низька розчинність води і висока розчинність газів;

- Високий коефіцієнт температурного розширення.

Проведені дослідження поведінки деяких рідин при постійній і змінній напрузі показують, що за електрофізичними параметрами: питомий опір, електрична міцність, значно перевершують аналогічні показники будь-яких інших рідин, включаючи мінеральні масла. Вони нетоксичні, мають низьку в'язкість, в. т. ч. в низькотемпературній області. Ряд рідин мають точку замерзання -70 ° С і нижче. Основна перешкода до більш широкого використання – порівняно висока ціна. Ця перешкода може бути усунена. В даний час ведуться розробки нової, більш дешевої технології одержання перфторвуглево- дів.