6 ФІЗИКО-ХІМІЧНІ ТА МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ДІЕЛЕКТРИКІВ
При виборі ЕТМ для використання необхідно звертати увагу не лише на його електричні властивості в нормальних умовах експлуатації, але й розглядати також їх стабільність при дії вологості, температури навколишнього середовища, радіоактивних опромінень тощо.
Крім того, нормальне використання різних виробів залежить і від механічних властивостей використовуваних в них ЕТМ.
6.1 Вологісні властивості діелектриків
ЕТМ в більшій або меншій мірі гігроскопічні, тобто мають здатність вбирати в себе вологу з навколишнього середовища, і вологопроникні, тобто здатні пропускати крізь себе пари води. Атмосферне повітря завжди містить деяку кількість водяної пари.
Абсолютну вологість повітря оцінюють масою m водяної пари, що міститься в одиниці об’єму повітря (у одному кубічному метрі). Кожній температурі відповідає певне значення абсолютної вологості при насиченні mнас. Більшу кількість води повітря містити не може і вона випадає у вигляді роси. Абсолютна вологість різко зростає зі збільшенням температури, тобто росте і тиск водяної пари. Відносну вологість повітря визначають у відсотках з відношення:
Абсолютній вологості повітря (при нормальному атмосферному тиску) відповідають різні значення відносної вологості j (рис. 6.1). Верхня крива відповідає повітрю, повністю насиченому водяною парою. При температурі 20 °С і нормальному атмосферному тиску 0,1 МПа значення mнас складає 17,3 г/м3.
За нормальну вологість повітря (для різних випробувань, для визначення властивостей гігроскопічних матеріалів в стандартних умовах зволоження) приймають відносну вологість повітря j = 65%. В повітрі з нормальною вологістю при 20 °С вміст водяної пари m = 17,3×0,65 = 11,25 г/м3. Вода є сильно полярним діелектриком з низьким питомим опором, біля 103 – 104 Ом×м, а тому потрапляння її в пори твердих діелектриків веде до різкого зниження їх електричних властивостей. Особливо помітна дія вологості при підвищених температурах (30–40 °С) і високих значеннях j близьких до 98-100%.
Рисунок 6.1 – Абсолютна вологість повітря при нормальному атмосферному тиску і різних значеннях відносної вологості у функції температури t
Подібні умови спостерігаються в країнах з вологим тропічним кліматом, причому в період дощів вони можуть зберігатися протягом тривалого періоду часу, що несприятливо позначається на роботі електричних машин і апаратів. В першу чергу, дія підвищеної вологості повітря відображається на поверхневому опорі діелектриків. Для оберігання поверхні електроізоляційних деталей, виконаних з полярних твердих діелектриків, від дії вологості їх покривають лаками, які не змочуються водою. Здатність діелектриків змочуватися водою (або іншою рідиною) характеризується краєвим кутом змочування q краплі води, нанесеної на плоску поверхню тіла. Чим менше q, тим сильніше змочування; для змочуваних поверхонь q < 90 °С (рис. 6.2, а), для гірше змочуваних q > 90 °С (рис. 6.2, б). За наявності в діелектрику об’ємної відкритої пористості або при нещільній структурі волога потрапляє всередину матеріалу.
Рисунок 6.2 – Крапля рідини на змочуваній поверхні діелектрика (а) і на гірше змочуваній поверхні (б)
Зразок електроізоляційного матеріалу, поміщений в середовище з певною вологістю і температурою, через необмежено великий час досягає стану з рівноважною вологістю. Якщо порівняно сухий зразок матеріалу помістити у вологе повітря з відносною вологістю j, то спостерігатиметься поступове поглинання матеріалом вологи з повітря, причому вологість матеріалу y, тобто вміст вологи в одиниці маси матеріалу, протягом часу t підвищуватиметься, асимптотично наближаючись до рівноважної вологості yр, відповідної даному значенню j (рис. 6.3, крива 1). Навпаки, якщо в повітрі тієї ж відносної вологості j буде поміщений зразок з того ж матеріалу з початковою вологістю, більшою yр, то вологість зразка зменшуватиметься, асимптотично наближаючись до рівноважної вологості yр; в цьому випадку відбувається сушіння матеріалу (крива 2). Для різних матеріалів значення рівноважної вологості при одному і тому ж значенні відносної вологості повітря j можуть бути вельми різні.
Рисунок 6.3 – Зміна вологості y зразка матеріалу при зволоженні (крива 1) і сушінні (крива 2) для постійних значень відносної вологості навколишнього повітря і температури
Визначення вологості електроізоляційних матеріалів важливе для уточнення умов, при яких проводиться випробування електричних властивостей даного матеріалу. Для текстильних матеріалів встановлюється так звана кондиційна вологість, відповідна рівноважній вологості матеріалу при знаходженні його в повітрі в нормальних умовах. Так, для кабельного паперу кондиційна вологість приймається рівною 8%. На гігроскопічність матеріалу істотний вплив чинить його будова, наявність і розмір капілярних проміжків всередині матеріалу, в які проникає волога. Сильно пористі матеріали, зокрема волоконні, більш гігроскопічні, ніж матеріали щільної будови. Наведемо орієнтовні розміри пор (у нанометрах), які зустрічаються в різних електроізоляційних матеріалах: мікропори в кераміці 103–106, капіляри у волокнах целюлози 1000, пори в стінках волокна 10–100, міжмолекулярні пори різних матеріалів 10–50, внутрішньомолекулярні пори менше 10. Для порівняння, ефективний діаметр молекули води дорівнює приблизно 0,27 нм, тому маленькі за розмірами молекули води можуть проникати навіть у внутрішньомолекулярні пори целюлозних електроізоляційних матеріалів. Якщо ж волога розподіляється за об’ємом матеріалу у вигляді окремих, не з’єднаних між собою малих включень, то вплив вологи на електричні властивості матеріалу менш істотний.
Найпомітніше зниження питомого об’ємного опору під впливом вологості спостерігається у пористих матеріалах, що містять розчинні у воді домішки, які створюють електроліти з високою питомою провідністю. Для подібних матеріалів залежність r вологого зразка від температури наведена на рис. 6.4.
Рисунок 6.4 – Залежність від температури питомого об’ємного опору вологого зразка матеріалу, що містить електролітичні домішки
При нагріванні вологого зразка r спочатку падає за рахунок збільшення ступеня дисоціації домішок у водному розчині (до А), потім йде видалення вологи – сушіння (ділянка АБ) і лише при вищих температурах спостерігається зниження r. При змінній напрузі найчутливішим параметром пористих діелектриків є tg d, що помітно зростає зі зволоженням матеріалу. Менш чутлива величина er, проте і вона, як правило, збільшується з поглинанням вологи, зважаючи на велике значення діелектричної проникності води в порівнянні з іншими діелектриками (для води er » 80). Тому у ряді випадків гігроскопічність матеріалу оцінюють за збільшенням електричної ємності зразка під дією вологості.
Окрім гігроскопічності велике практичне значення має вологопроникність електроізоляційних матеріалів, тобто здатність їх пропускати крізь себе пари води. Ця характеристика надзвичайно важлива для оцінювання якості матеріалів, що використовуються для захисних покровів (оболонки кабелів, опресовування конденсаторів, заливки компаундів, лакові покриття деталей). Тільки у скла, добре обпаленої кераміки і металів вологопроникність практично дорівнює нулеві.
Кількість вологи m (кг), що проходить за час η (с) крізь поверхню S (м 2 ) шару ізоляційного матеріалу товщиною h (м) під дією різниці тиску водних парів p1 і p2 (Па) з двох сторін шару матеріалу визначається за формулою:
де П – коефіцієнт вологопроникності і залежить від матеріалу.
Для зменшення гігроскопічності і вологопроникності пористих ізоляційних матеріалів широко застосовується їх просочення. Необхідно мати на увазі, що просочення целюлозних волоконних матеріалів й інших органічних діелектриків лише уповільнює зволоження матеріалу, не впливаючи на питомий об’ємний опір після тривалої дії вологості. Це пояснюється тим, що молекули просочувальних речовин, що мають досить великі розміри в порівнянні з розмірами молекул води, не в змозі створити повну непроникність вологи в пори матеріалу.
При тривалому використанні електроапаратури, особливо в тропічних умовах, на органічних діелектриках розвивається цвіль. Поява цвілі зменшує питомий поверхневий опір діелектриків, призводить до зростання втрат, пониження механічної міцності ізоляції та викликає корозію дотичних до неї металевих частин. Цвіль розвивається найчастіше в каніфолі, масляних лаках, целюлозних матеріалах, у тому числі і в просочених (гетинакс, текстоліт). Найстійкішими до утворення цвілі є неорганічні діелектрики; кераміка, скло, слюда, кремнійорганічні матеріали і деякі органічні, наприклад, епоксидні смоли, фторопласт-4, поліетилен, полістирол. У тропіках доводиться зважати на небезпеку пошкодження електричної ізоляції, кабельних оболонок комахами (термітами) і тваринами. Випробовуючи на тропікостійкість, електроізоляційні матеріали і різні електротехнічні вироби тривало витримують при температурі 40–50 °С в повітрі, насиченому парами води, і при дії цвілевих грибків (точні умови цих випробувань встановлені Міжнародною електротехнічною комісією). Далі визначається ступінь погіршення електричних й інших властивостей досліджуваних зразків і встановлюється інтенсивність зростання цвілі на них. З метою поліпшення цвілестійкості органічної електричної ізоляції в її склад вводять домішки фунгіцидів, тобто речовин, отруйних для цвілевих грибків і таких, що затримують їх розвиток, або покривають ізоляцію лаками, які містять фунгіциди.
6.2 Основні механічні властивості діелектриків
Електроізоляційні матеріали, з яких виготовлені елементи конструкцій, піддаються впливу механічних навантажень, і тому практичне значення
має механічна міцність цих матеріалів а також їхня здатність не деформуватися від механічних напруг.
Міцність на розрив, стиск і вигин. Ці найпростіші види статичних механічних навантажень – розтягувальних, стискальних і згинальних – вивчаються на підставі елементарних закономірностей, відомих з курсу опору матеріалів.
Значення меж міцності при розтягуванні (sр), стиску (sс) і згині (sз) у системі одиниць СІ виражаються в Паскалях (Н/м2). Для електроізоляційних матеріалів анізотропної будови (шаруватих, волокнистих) значення механічної міцності сильно залежить від напрямку прикладення навантаження. Важливо відзначити, що для ряду діелектриків (скла, керамічних матеріалів, багатьох пластмас та ін.) межа міцності при стиску значно більша, ніж при розриві і згині. Так, наприклад, у кварцевого скла при стискальних напругах можна одержати sс – 200 МПа, а при розтягуванні sр – до 50 МПа.
Механічна міцність ряду діелектриків сильно залежить від площі поперечного перерізу виробів і від температури.
Велике практичне значення мають крихкість, твердість і деякі інші механічні характеристики електроізоляційних матеріалів.
Крихкість. Багато матеріалів тендітні, тобто, маючи порівняно високу міцність стосовно статичних навантажень, у той же час легко руйнуються динамічними (раптово прикладеними) зусиллями.
У ряді випадків перевіряють здатність електроізоляційних матеріалів витримувати без руйнування тривалий вплив вібрацій, тобто повторних коливань певної частоти й амплітуди.
Твердість. Твердість, тобто здатність поверхневого шару матеріалу протистояти деформації від стискального зусилля, переданого за допомогою предмета малих розмірів, має для діелектриків менш істотне значення і визначається різними методами: для неорганічних матеріалів – за мінералогічною шкалою Мооса, для органічних діелектриків – за способом Бринеля або за допомогою маятника Кузнєцова.
В’язкість. Для рідких і напіврідких електроізоляційних матеріалів, олій, лаків, заливальних і просочувальних компаундів важливою механічною характеристикою є в’язкість. Динамічна в’язкість, або коефіцієнт внутрішнього тертя, рідини являє собою величину, що входить у цілий ряд законів гідродинаміки в’язких середовищ, а саме в закон Пуазейля – витікання в’язких рідин через капілярні трубки, у закон Стокса
– руху кульки в в’язкому середовищі під дією невеликої постійної сили. Закон зміни в’язкості від температури відповідає рівнянню експоненти:
де А – постійна, що характеризує дану рідину;
W – енергія активації (дорівнює роботі переходу молекули з одного стійкого стану в інший);
k = 1,38×10 -23 Дж/К – стала Больцмана.
Кінематична в’язкість n дорівнює відношенню динамічної в’язкості рідини до її густини:
У системі СІ кінематична в’язкість виміряється в м2/с, В’язкість усіх речовин, які не піддаються при нагріванні хімічним змінам, cильно зменшується з підвищенням температури.
6.3 Теплові властивості діелектриків
До найважливіших теплових властивостей діелектриків відносять:
- нагрівостійкість.
- холодостійкість.
- теплопровідність.
- теплове розширення діелектриків.
Нагрівостійкість. Це здатність електроізоляційних матеріалів без пошкоджень витримувати дію високої напруги. Нагрівостійкість оцінюється відповідними значеннями температури, при яких ЕТМ може виконувати свої функції впродовж всього терміну служби. ГОСТ 8865-70 передбачає розділення електроізоляціїних матеріалів для електричних машин, трансформаторів на класи нагрівостійкості, для яких визначаються найбільші допустимі робочі температури, при яких за нормальних умов роботи властивості діелектриків не змінюються протягом тривалого часу. В табл. 6.1 наведені класи нагрівостійкості.
Таблиця 6.1 – Класи нагрівостійкості діелектриків
За умови використання діелектрика протягом нетривалого часу вказані температури можна дещо збільшити.
До класу Y відносять не просочені рідким електроізоляційним матеріалом волокнисті матеріали на основі целюлози і тканини (шовк, бавовна, папір, картон).
До класу А відносять просочені ті ж самі волокнисті матеріали.
До класу Е належать пластичні маси з органічним наповнювачем і термореактивні сполуки типу фенолформальдегідних і подібним їм смол (гетинакс, текстоліт та інші), поліетилентерефталатні плівки, епоксидні, поліефірні і поліуретанові смоли і компаунди, ізоляція емальованих проводів на поліуретанових і епоксидних лаках. Таким чином, до класів нагрівостійкості Y, А и Е відносять, головним чином, чисто органічні електроізоляційні матеріали.
До класу В входять матеріали, для яких характерний великий вміст неорганічних компонентів, наприклад щіпана слюда, азбестові і скловолокнисті матеріали з органічними в’яжучими, лакотканини, текстоліти на фенолформальдегідних термореактивних смолах, епоксидні компаунди з неорганічними наповнювачами.
До класу F належать міканіти, вироби на основі скловолокна без підкладки або з неорганічною підкладкою, із застосуванням органічних в’яжучих підвищеної нагрівостійкості (епоксидних, термореактивних поліефірних, кремнійорганічних).
Матеріали класу Н отримують з використанням кремнійорганічних смол особливо високої нагрівостійкості.
До класу С відносять чисто неорганічні матеріали. Це слюда, скло і скловолокнисті матеріали, кварц, азбест, мікалекс, нагрівостійкі міканіти. З усіх органічних електроізоляційних матеріалів до класу нагрівостійкості С належать тільки політетрафторетилен (фторопласт-4) і матеріали на основі поліамідів (плівки, волокна, ізоляція емальованих проводів).
Питання про віднесення того чи іншого електроізоляційного матеріалу або комбінації електроізоляційних матеріалів до певного класу нагрівостійкості вимагає тривалих і трудомістких випробувань зразків матеріалів на теплове старіння в умовах, найбільш схожих до тих умов, у яких ці матеріали будуть знаходитися в експлуатації. Для ряду електроізоляційних матеріалів досить важлива стійкість стосовно різких змін температури, у результаті яких в матеріалі можуть утворюватися тріщини.
У результаті випробувань встановлюється стійкість матеріалу до теплових впливів, причому вона в різних випадках може бути неоднаковою: наприклад, матеріал, що витримує короткочасне нагрівання до деякої температури, може виявитися нестійким стосовно теплового старіння при тривалому впливі навіть більш низької температури.
Якщо погіршення якості ізоляції може виявитися при тривалому впливі підвищеної температури внаслідок повільних хімічних процесів, то це явище називають тепловим старінням ізоляції. Для перевірки стійкості електроізоляційних матеріалів до теплового старіння зразки цих матеріалів довгостроково витримують при порівняно невисокій температурі, що не викликає негайного руйнування матеріалу. Властивості зразків, що старіли певний час, порівнюють із властивостями початкового матеріалу. При інших рівних умовах швидкість теплового старіння органічних і елементоорганічних полімерів значно зростає з підвищенням температури старіння, підкоряючись загальним закономірностям температурної зміни швидкості хімічних реакцій. Тривалість старіння t пов’язана з абсолютною температурою старіння Т залежністю вигляду:
де А и В – величини, постійні для даного матеріалу і даних умов старіння.
Таким чином, залежність t (у логарифмічному масштабі) від величини, оберненої абсолютній температурі старіння, повинна мати вигляд прямої лінії (рис. 6.5).
Рисунок 6.5 – Тривалість старіння η плівок до появи тріщин при вигині у функції температури масляно-бітумного (1) і кремнійорганічного (2) лаків
У більшості випадків нахил цих прямих такий, що зменшує t удвічі і відповідає підвищенню температури старіння в середньому на 10 К. Аналогічні залежності спостерігаються для терміну служби ізоляції електричних машин й інших електроізоляційних конструкцій.
Крім температури на швидкість старіння впливає зміна тиску повітря або його концентрація, присутність озону, а також різних хімічних реагентів, що прискорюють або сповільнюють старіння.
Холодостійкість. Це здатність ізоляції виконувати свої функції без погіршення експлуатаційної надійності при низьких температурах від –60 до –70 °С, оскільки деякі еластичні матеріали при низьких температурах стають криxкими, що викликає відповідні труднощі при роботі з ізоляцією. Тому дослідження електроізоляційних матеріалів на холодостійкість часто проводять одночасно з дією вібрацій.
Теплопровідність. Практичне значення теплопровідності пояснюється тим, що тепло, яке виділяється внаслідок втрат потужності в оточених електричною ізоляцією провідниках і магнітному осерді, а також внаслідок діелектричних втрат в ізоляції, переходить у навколишнє середовище. Теплопровідність впливає на електричну міцність при тепловому пробої і на стійкість матеріалу до теплових імпульсів. Теплопровідність матеріалів характеризують теплопровідністю gт, що входить у рівняння Фур’є:
де DРТ – потужність теплового потоку крізь площадку DS, нормальну до потоку;
dT/dl – градієнт температури.
Значення gт електроізоляційних матеріалів за винятком окису берилію менше, ніж більшості металів. Найменші значеннями gт мають пористі електроізоляційні матеріали з повітряними включеннями. При просоченні, а також при ущільненні матеріалів зовнішнім тиском gт збільшується. Як правило, кристалічні діелектрики мають більш високі значення gт, ніж аморфні. Величина gт мало залежить від температури.
Теплове розширення діелектриків. Його, як і інших матеріалів, оцінюють температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР), який вимірюється у К-1:
Матеріали, для яких характерні малі значеннями ТКЛР, мають, як правило, найбільш високу нагрівостійкість і навпаки.
Органічні діелектрики мають підвищене значення ТКЛР в порівнянні з неорганічними діелектриками. Тому деталі, виготовлені з неорганічних матеріалів, мають підвищену стабільність розмірів при коливаннях температури.
6.4 Контрольні питання
- Вологісні характеристики діелектриків.
- Основні механічні властивості діелектриків.
- Теплові властивості діелектриків.
- Класи нагрівостійкості діелектриків.
- Старіння електроізоляційних матеріалів.
