Механические характеристики материалов.

Большинство электротехнических материалов выполняет несколько функций, в том числе и функции конструкционных материалов. Поэтому часто для электротехнических материалов знать числовые значения прочности на разрыв, сжатие, изгиб. Многие материалы обладают повышенной хрупкостью, т.е. легко разрушаются динамическими нагрузками. Для жидких диэлектриков – масел, лаков важной механической характеристикой является вязкость.

Лекция 4. Влажностные свойства диэлектриков.

4.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

4.2. Общие характеристики влажности воздуха

4.3. Гигроскопичность диэлектриков.

4.4. Влагопроницаемость диэлектриков.

Контрольные вопросы по предыдущей лекции.

4.1.1. Дайте определение электрической прочности диэлектрика.

4.1.2. Старение диэлектриков. Что является основными причинами старения диэлектриков.

4.1.3. Дайте определение нагревостойкости.

4.1.4. Понятие о делении диэлектриков по классам нагревостойкости.

4.1.5. Положительный эффект от повышения нагревостойкости изоляции.

4.2.Общие характеристики влажности воздуха

Электротехническое оборудование всегда работает в контакте с атмосферным воздухом, подвергается действию разнообразных факторов, например перепадам температуры. Атмосферный воздух имеет достаточно сложный химический состав и одним из наиболее существенных компонентов являются водяные пары. Вода является хорошим растворителем, легко проникает в поры и оказывает существенное влияние на состояние и эксплуатационные свойства всех материалов. Например, при повышенной влажности быстрее протекают процессы коррозии конструкционных материалов, окисляются контакты и проводники, снижается электрическая прочность диэлектриков.

Содержание водяного пара в атмосфере оценивают таким показателем как абсолютная влажность воздуха. Этот показатель численно равен массе водяного пара, содержащейся в единице объема воздуха (кг/м³). Каждой температуре соответствует определенное максимальное значение абсолютной влажности m_нас. Большего количества воды воздух содержать не может, вода выпадает в виде росы. Абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры. Относительная влажность воздуха показывает процентное содержание в воздухе водяного пара по отношению к максимально возможному: φ = m/ m_нас 100%.

При нормальной температуре 20°С и нормальном атмосферном давлении значение m_нас равняется 17,3 г/м³. При проведении различных испытаний и измерений устанавливается так называемая нормальная влажность воздуха, соответствующая относительной влажности φ = 65%.

Вода является сильно дипольным диэлектриком с относительно низким удельным сопротивлением порядка 10³-10⁴ Ом*м. Поэтому попадание воды в диэлектрик ведет к резкому ухудшению электрической прочности изоляции. Особенно заметно влияние влаги при повышенных температурах. Поэтому в особый класс исполнения выделяется оборудование, предназначенное для работы в тропических условиях, т.е. в условиях повышенной влажности и повышенных температур.

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени обладают свойствами гигроскопичности, т.е. способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемостью, т.е. способностью пропускать через себя пары воды.

4.3.Гигроскопичность диэлектриков.

В первую очередь воздействие повышенной влажности воздуха отражается на уменьшении поверхностного сопротивления диэлектриков. Это связано с появлением на их поверхности крупных водяных капель и пленок. Способность диэлектриков смачиваться водой характеризуется краевым углом смачивания Θ капли воды, нанесенной на плоскую поверхность – показать на рисунке. Чем меньше Θ – тем сильнее смачивание, для смачиваемых поверхностей Θ < 90°С, для смачиваемых - Θ > 90°С.

При наличии в диэлектрике объемной пористости или при неплотной структуре влага попадает и внутрь материала.

Для защиты поверхности электроизоляционных деталей от действия атмосферной влажности их покрывают специальными лаками, не смачиваемыми водой.

Диэлектрик, помещенный в среду с некоторым другим уровнем влажности, в течение некоторого времени достигает равновесного со средой состояния в результате процессов увлажнения или сушки. Для волокнистых диэлектриков устанавливается кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала, если он находится в воздухе в нормальных условиях. Например, для кабельной бумаги кондиционная влажность устанавливается равной 8%. На гигроскопичность материала важнейшее влияние оказывает строение материала и его химический состав. Сильно пористые материалы, естественно, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения. Для иллюстрации приведем сведения о размерах пор ( в ангстремах, 10^{-10 м) для некоторых материалов:}

Для сравнения укажем, что эффективный диаметр молекулы воды равен примерно 3 ангстрема. Поэтому избежать гигроскопичности материалов, особенно органических, с крупными молекулами, практически невозможно.

Количество поглощенной диэлектриком воды не полностью отражает степень изменения свойств материала при увлажнении. Если поглощенная влага образует удлиненные нити или пленки, которые могут пронизывать межэлектродный промежуток, то даже незначительное количество влаги приводит к резкому снижению электрической прочности изоляции. Если же вода распределяется по объему материала равномерно, то влияние влаги будет менее существенным.

Наиболее заметное падение электрической прочности имеет место для диэлектриков, содержащих растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой удельной проводимостью.

Еще один эффект. При увлажнении диэлектрика в нем значительно увеличиваются диэлектрические потери в переменном электрическом поле, что приводит к дополнительному нагреву изоляции, но может приводить и к дополнительному просушиванию изоляции.

4.3.Влагопроницаемость диэлектриков.

Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет практическое значение их способность пропускать через себя пары воды. Эта характеристика называется влагопроницаемость и она очень важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов: наружные шланги кабелей, лаковые покрытия деталей). Только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроницаемость практически равна нулю.

Количество влаги m, проходящее за время τ сквозь участок площадью S слоя изоляционного диэлектрика толщиной h под действием разности давлений P₁ и P₂ равно

M = Π*(P₁ - P₂)*S* τ/h

Эта формула аналогична уравнению прохождению тока через тело, а коэффициент пропорциональности П в этой формуле аналогичен удельной объемной проводимости. Этот коэффициент является влагопроницаемостью данного материала.

В соответствии с этим определением в системе СИ влагопроницаемость измеряется в [с] (секунды). Для твердых органических диэлектриков влагопроницаемость имеет порядок значений 10^-13 – 10^-16 с.

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых и волокнистых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо понимать, что пропитка не устраняет, а только замедляет процессы накопления влаги основным диэлектриком. Это объясняется относительно крупным размером молекул пропитки.

Тема 2.Различные виды диэлектрических материалов.