Жидкие диэлектрики

Жидкие диэлектрики представляют собой низкомолекулярные вещества органического происхождения, которые бывают полярными и не полярными. Их электрофизические свойства в значительной степени зависит от строения молекул и наличия примесей. Примеси образуются при окислении и разложении углеводородных фракций, при поглощении воды и попадания частичек волокнистых материалов.

Жидкие диэлектрики характеризуются диэлектрической проницаемостью, электропроводностью, диэлектрическими потерями, электрической прочностью Eпр.

У полярных жидкостей (совол, гексол, энтигликоль) диэлектрическая проницаемость определяется одновременно электронной и дипольной поляризациями.

У неполярных жидкостей диэлектрическая проницаемость определяется в основном только электронной поляризацией, не зависит от частоты и уменьшается с ростом температуры, приближаясь к единице.

Электропроводность жидких диэлектриков обусловлена перемещением ионов, которые возникают в результате диссоциации самой жидкости и примесей, а также перемещением заряженных частиц примеси - молинов. С повышением температуры возрастает подвижность ионов и степень тепловой диссоциации. Эти факторы увеличивают электропроводность.

У полярных жидкостей диэлектрические потери состоят из потерь на электропроводность и потерь, связанных с дипольно-релаксационной поляризацией. Они зависят от температуры, частоты и вязкости жидкости, так как поворот диполей в вязкой среде вызывает потери энергии на трение молекул. На высоких частотах жидкие диэлектрики имеют повышенные диэлектрические потери. Поэтому жидкие полярные диэлектрики не рекомендуют применять на высоких частотах.

Диэлектрические потери у неполярных жидкостей, не содержащих примесей, - это потери, по существу, на электропроводность. Они не зависят от частоты и растут с ростом температуры, что объясняется увеличением сквозного тока. Диэлектрические потери этих жидкостей малы, так как мала их электропроводность. Например, чистое трансформаторное масло при температуре Т = 90 °С и частоте f= 50 Гц имеет tg5 = 0,003.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в основном определяется наличием посторонних примесей, полярностью жидкости, температурой и другими факторами. Присутствующие в жидкости пузырьки газа ионизируются, выделяя энергию, которая приводит к местному перегреву жидкости. Это ведет к образованию газового канала между электродами и в результате к пробою жидкости. Кроме газовых включений значительным фактором, снижающим электрическую прочность жидких диэлектриков, является вода. Капельки воды поляризуются под влиянием электрического поля и образуют между электродами цепочки с повышенной проводимостью, по которым и происходит электрический пробой. Электрическая прочность жидкостей, содержащих примеси, ниже, чем у очищенных.

К жидким диэлектрикам относят нефтяные электроизоляционные масла (трансформаторное, кабельное, конденсаторное), синтетические жидкие диэлектрики (хлорированные углеводороды, кремний органические жидкости, фторорганические жидкости).

Нефтяные электроизоляционные масла. Нефтяные масла получают в процессе ступенчатой перегонки нефти и эти масла обладают рядом свойств, которые обеспечили им широкое применение. Они сравнительно дешевы и могут производиться в больших количествах, при хорошей очистке имеют малый тангенс угла диэлектрических потерь 1g5, обладают достаточно высокой электрической прочностью.

К недостаткам нефтяных масел относят ограниченный интервал рабочих температур, пожаро- и взрывоопасность, склонность к старению. При старении в электрическом поле некоторые сорта масел выделяют газы, что опасно.

Способность масел не выделять газов при старении в электрическом поле (или даже поглощать ранее выделившиеся газы) называют газостойкостью масел.

Для борьбы со старением масел используют следующие средства:

вводят антиокислительные присадки (ингибиторы), которые легко соединяются с кислородом, ограничивают рабочую температуру

(95 °С для трансформаторов с воздушным охлаждением и 85 °С - с водяным);

производят непрерывную фильтрацию масел через адсорбенты;

подвергают состарившееся масло регенерации, т.е. восстановлению его свойств путем очистки и сушки.

Трансформаторное масло - жидкость от почти бесцветного до темно-желтого цвета является неполярным диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью (е = 2,2...2,3). После рафинирования масло дополнительно очищается. Для этого оно обрабатывается щелочью, промывается водой и сушится. Окончательная очистка производится с помощью адсорбентов (силикагеля, инфузорных земель) и фильтр-прессов.

Трансформаторное масло обладает следующими свойствами:

малая вязкость, что весьма важно, так как слишком вязкое масло хуже отводит теплоту потерь от обмоток и сердечника трансформатора и хуже пропитывает пористую изоляцию;

температура застывания -70°С (что особенно важно для аппаратуры, работающей при низкой температуре окружающей среды);

электрическая прочность Епр = 10...25 МВ/м (очень чувствительна к увлажнению, но при сушке восстанавливается);

теплоемкость и теплопроводность масла увеличиваются с ростом температуры (при свободной конвекции масло отводит теплоту от погруженных в него обмоток и сердечника трансформатора в 25...30 раз интенсивнее, чем воздух).

Основными недостатками трансформаторного масла являются старение, воспламеняемость и горючесть, гигроскопичность (категорически запрещается хранить его в открытой таре).

Применяют трансформаторное масло в качестве изолирующей и охлаждающей среды в силовых и импульсных трансформаторах, реакторах высоковольтных выключателях, таких как дугогасящая среда.

Кабельное масло отличается от трансформаторного повышенной вязкостью, а от конденсаторного - пониженными электрическими свойствами. Оно используется как составная часть в масляно-канифольных компаундах для пропитки изоляции силовых кабелей.

Конденсаторное масло получается из трансформаторного после дополнительной обработки его в вакууме для удаления из него растворенного воздуха, что снижает диэлектрические потери. Его используют для пропитки изоляции в бумажных и пленочных конденсаторах, что позволяет уменьшить габаритные размеры, массу и стоимость конденсаторов.

Синтетические жидкие диэлектрики. Применение синтетических жидких диэлектриков предпочтительно в тех случаях, когда они по свойствам превосходят электроизоляционные масла. Например, если требуется применение неполярных жидких диэлектриков или жидких диэлектриков с более высокой пожаро- и взрывоопасностью, чем у электроизоляционных масел.

Хлорированные углеводороды получают заменой некоторых или даже всех атомов водорода атомами хлора у различных углеводородов. Наиболее часто применяют полярные продукты хлорирования дифенила. Хлорированные дифенилы, а также газы, которые образуются при воздействии на эти жидкости электрической дуги, токсичны. Поэтому в ряде стран применение хлорированных дифенилов для пропитки конденсаторов запрещено законом. Наиболее известными представителями этой группы являются совол и севтол-10. Атомы в молекулах этих материалов расположены несимметрично, поэтому совол и севтол-10 являются полярными.

Совол и севтол-10 мало подвержены старению, не образуют с воздухом взрывчатых смесей, негигроскопичны, токсичны, дорогостоящи.

Совол (пентахлордифенил) представляет собой бесцветную вязкую жидкость, полученную хлорированием дифенила (С^Нщ), в результате чего у последнего пять атомов водорода замещаются хлором. Совол является негорючим веществом, не окисляется, что составляет его главное преимущество перед нефтяными маслами. Однако его применение ограничивается следующими недостатками:

плотность D = 1500...1560, температура вспышки Tвсп= 205...230°С, температура застывания Тз = +5°С, электрическая прочность при температуре Т = 20°С Епр = 14...18 МВ/м, значительная вязкость в области рабочих температур, что не позволяет использовать его в чистом виде; он примерно в 10 раз дороже трансформаторного масла.

Применяется взамен конденсаторного масла для пропитки низковольтных бумажных конденсаторов с повышенной емкостью.

Севтол-10 - негорючая, с повышенной температурой застывания жидкость, которую получают, разбавляя совол трихлорбензолом.

Применяют вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформаторов.

Кремнийорганические жидкости - это продукт синтеза кремнистых и углеродистых соединений, свойства которых определяются типом органических радикалов. В соответствии с этим различают полидиметилсилоксановые, полидиэтилсилоксановые и полиметилфенилсилоксановые жидкости.

Эти жидкости характеризуются высокой нагревостойкостью, низкой температурой застывания Г, малым температурным коэффициентом вязкости, химической инертностью, малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tg5) и низкой гигроскопичностью.

Полиметилсилоксановые жидкости получаются гидролизом диметилхлорсиланов с триметилхлорсиланами. Они не растворяются в спиртах и ацетоне, обладают высокой инертностью и не влияют на свойства металлов и резин при контакте с ними. Применяют для пропитки бумажных конденсаторов и гидрофобизации изоляционных лент.

Полидиэтилсилоксановые жидкости представляют собой смеси полиэтилсилоксанов. Бесцветны. Применяются для пропитки и заливки конденсаторов, работающих в интервале температур от -60 до+100°С.

Полиметилфенилсилоксановые жидкости отличаются более высокой нагревостойкостью и стойкостью к радиационному излучению.

Основные свойства некоторых электроизоляционных жидкостей приведены в табл. 5.7.

Фторорганические жидкости представляют собой производные углеводородов, у которых атомы водорода замещены фтором. Их пары не образуют с воздухом взрывоопасных смесей. Они обладают малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tg5), ничтожно малой гигроскопичностью, высокой нагревостойкостью (некоторые жидкости могут длительно работать при температуре 200 °С и выше), высокой теплопроводностью, полной негорючестью, высокой дугостойкостью.

Фторорганические жидкости применяют для пропитки и заливки конденсаторов и трансформаторов, для испытания элементов радиоэлектроники при низких и высоких температурах.

Кроме указанных жидких диэлектриков в радиоэлектронике применяют сильно полярные синтетические электроизоляционные жидкости. Например, этиленгликоль (НО - СН2 - СН2 - ОН), который используют в качестве контрольной жидкости при контроле герметичности микросхем.