Загальні характеристики й застосування газоподібних діелектриків.

У числі газоподібних діелектриків, насамперед, потрібно згадати повітря, яке мимо нашої волі входить до складу всіх електротехнічних пристроїв і виявляє свій вплив на їхню роботу.

Наприклад, у роботі ліній електропередач повітря є основним діелектриком і утворює єдину ізоляцію між оголеними проводами. Деякі елементи конструкції ЛЕП, наприклад відстань між струмонесучими проводами, можна визначити тільки знаючи діелектричні властивості газу.

Перевагами газів перед іншими видами електроізоляційних матеріалів є високий питомий електричний опір, малий тангенс кута діелектричних втрат. Найбільше ж коштовною властивістю газів є їхня здатність відновлювати електричну міцність після розряду.

Основні характеристики газів, як діелектриків, це діелектрична проникність, електропровідність, електрична міцність. Крім того, найчастіше важливі теплофізичні характеристики, у першу чергу теплопровідність.

Значення діелектричної проникності газів близько до 1. Електропровідність газів звичайно не гірше 10^-13 См/м, причому, як було показано в другій лекції, основним фактором зухвалим провідність у не дуже сильних полях, є іонізуюче випромінювання. Вольт-амперна характеристика має три характерні зони - омічна поведінка, насичення, експонентний ріст. Діелектричні втрати незначні і їх варто враховувати тільки в третій області.

Електрична міцність у газів, порівняно з міцністю рідин і твердих діелектриків, невелика й сильно залежить як від зовнішніх умов, так і від природи газу. Звичайно пробивні характеристики різних газів зіставляють при нормальних умовах (н.у.). Ці умови - тиск 1 атм, температура 20 °С, електроди, що створюють однорідне поле, площею 1 див2, міжелектродний зазор 1 см. Повітря при н.у. має електричну міцність 3 кВ/мм.

Основні атмосферні гази, наприклад азот, мають близькі до повітря значення електричної міцності. Азот нерідко застосовується замість повітря в газових конденсаторах, оскільки він не містить кисню, хімічно більш інертний, не окиснить дотичні з ним матеріали.

Коефіцієнт до, що показує відношення електричної міцності газу до електричної міцності повітря становить для деяких газів, використовуваних у техніку: водень - до = 0.5, гелій - до = 0.2, елегаз до = 2.9, фреон-12 - до = 2.4, перфторовані вуглеводні гази до = (4-10),.

Теплопровідність газів також невелика в порівнянні з теплопровідністю твердих тіл і рідин, найбільше її значення l= 0.2 Вт/(м×К) - у водню. Для найбільш популярних газів l= 0.03 Вт/(м×К)--повітря, l= 0.012 Вт/(м×К) - елегаз. Для порівняння - в алюмінію l= 200 Вт/(м×К).

Існують спеціальні види синтетичних газових діелектриків, застосовуваних для ізоляції внутрішнього простору високовольтних вимикачів, газової ізоляції кабелів.

В електротехнічних пристроях знайшли широке застосування синтетичні газові діелектрики на основі фтору.

Основні газові діелектрики – це т.зв. елегаз («електричний» газ) і фреон.

Елегаз (гексафторид сірки) має хімічну формулу SF6. Основна область застосування – газонаповнені високовольтні вимикачі.

Своя назва він одержав від скорочення “електричний газ”. Унікальні властивості елегазу були відкриті в Росії, його застосування також почалося в Росії. В 30х роках відомий учений Б.М. Гохберг досліджував електричні властивості ряду газів і звернув увагу на деякі властивості шестифтористої сірки SF6. Електрична міцність при атмосферному тиску й зазорі 1 див становить Е = 8,9 кВ/мм. Характерним є дуже великий коефіцієнт теплового розширення й висока щільність. Це важливо для енергетичних установок, у яких проводиться охолодження яких-небудь частин пристрою, тому що при великому коефіцієнті теплового розширення легко утворюється конвективний потік, що несе тепло. З теплофізичних властивостей: температура плавлення = -50 °С при 2 атм, температура кипіння (сублімації) = -63°С. Низькі значення останніх параметрів означають можливість застосування елегазу при низьких температурах.

З інших корисних властивостей відзначимо наступні: хімічна інертність, нетоксичність, негорючість, термостійкість ( до 800°С), вибухобезпечніть, слабке розкладання в розрядах, низька температура скраплення. Під час відсутності домішок елегаз зовсім нешкідливий для людини. Однак продукти розкладання елегазу в результаті дії розрядів (наприклад, у розряднику або вимикачі) токсичні й хімічно активні.

Комплекс властивостей елегазу забезпечив досить широке використання елегазовій ізоляції. У пристроях елегаз звичайно використовується під тиском у кілька атмосфер для більшої компактності енергоустановок, тому що, як ви знаєте, електрична міцність збільшується з ростом тиску. На основі елегазової ізоляції створені й експлуатуються ряд електропристроїв, з них кабелі, конденсатори, вимикачі, компактні ЗРП (закриті розподільні пристрої). Найбільш широке застосування елегаз знайшов за рубежем, особливо в Японії. Наприклад, використання елегазу дозволяє в десятки раз зменшити розміри розподільних пристроїв, що дуже актуально при високій вартості землі для розміщення енергогосподарства. Це вигідно навіть незважаючи на високу вартість елегазу - більш 10$ за 1 кілограм.

У таблиці 3.1. наведені відносини електричної міцності деяких газів Е_пр.г до електричної міцності повітря Е_пр.п, яке прийнято за одиницю, а також дані точки кипіння газів при нормальному тиску.

Табл.3.1. Характеристики повітряутворюючих газів

Фреон має приблизно ту ж, що й елегаз електричну міцність, але при нормальній температурі його можна стиснути лише до 6 атм. Фреон викликає корозію деяких твердих діелектриків.