Text
                    СПРАВОЧНИК
ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ
МАТЕРИАЛАМ
В ТРЕХ ТОМАХ
ПОД РЕДАКЦИЕЙ
Ю. В. КОРИЦКОГО, В. В. ПАСЫНКОВА, Б. М. ТАРЕЕВА
Третье, переработанное издание
ТОМ 1
Согласовано с Государственной службой
стандартных справочных данных
Scan Pirat
[g
МОСКВА ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ 1986

ББК 31.23 С 74 УДК 621.315.61 (035.5) Рецензент: доктор техн, наук, проф. С. А. Яманов Справочник по электротехническим материа- С 74 лам: В 3 т. Т. 1/Под ред. 10. В. Корицкого и др.— 3-е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1986.— 368 с.: ил. Приведены свойства электроизоляционных материалов. Рассмот- рены: газообразные и жидкие диэлектрики, полимеры, смолы, лаки и компаунды, пропитанные и иепропитаниые волокнистые материалы, слоистые пластмассы. В третье издание включены новые материалы, которые используются в последнее время. Второе издание вышло в 1974 г. Том второй выйдет в 1986 г. Для инженерно-технических работников предприятий электротех- нической, электронной и радиотехнической промышленности. „ 2302020000-451 С----------------- 70-85 051(01)-86 ББК 31.23 © Издательство «Энергия», 1974, © Энергоатомиздат, 1986.
ПРЕДИСЛОВИЕ В связи с потребностью широких кругов читателей в справочной литературе по сорта- менту, свойствам и областям применения элект- роизоляционных и других электротехнических материалов Секция электрической изоляции (ра- нее — Всесоюзное бюро электрической изоля- ции) Научно-технического общества энергети- ки и электротехнической промышленности име- ни акад. Г. М. Кржижановского уже давно проявила инициативу в организации издания такого рода литературы. Еще в годы Великой Отечественной войны были подготовлены и вы- пущены в свет два справочных издания срав- нительно небольшого объема: Б. М. Тареев. «Справочник по электроизоляционным мате- риалам» и Ю. В. Корнцкий и Б. М. Тареев «Заменители электроизоляционных материа- лов» (Госэнергоиздат, 1944). В 1948 г. Госэнергоиздатом был выпущен в свет составленный в соответствии с решени- ем Всесоюзного бюро электрической изоляции и посвященный научной и инженерно-техничес- кой общественности Советского Союза «Спра- вочник по электрической изоляции» под редак- цией Ю. В. Корицкого и Б. М. Тареева. Осо- бенностью этого справочника, составленного коллективом 23 авторов, явилось то, что, по- мимо собственно электроизоляционных матери- алов, в нем описывались также н системы электрической изоляции в кабелях, конденса- торах, электрических машинах, трансформато- рах и радиоаппаратуре. «Справочник по электрической изоляции» был переведен и издан на румынском (в Бу- харесте) и китайском (в Пекние) языках. Большое значение других видов электро- технических материалов, помимо электроизоля- ционных, определило целесообразность издания справочной литературы по различным электро- техническим материалам. Такой «Справочник по электротехническим материалам» под редак- цией К. А. Андрианова, Н. П. Богородицкого, Ю. В. Корицкого н Б. М. Тареева был издан Госэнергоиздатом в трех книгах (т. I, ч. I — «Электроизоляционные материалы. Свойства материалов», 1958; т. I, ч. II — «Электроизо- ляционные материалы. Методы испытания и применения материалов», 1959; т. II — «Маг- нитные, проводниковые, полупроводниковые и другие материалы», 1960); в его создании участвовал коллектив из 62 авторов. Справоч- ник был переведен иа китайский язык и издан также в трех книгах в Пекине. Второе, переработанное издание «Справоч- ника по электротехническим материалам» под редакцией Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова и Б. М. Тареева было выпущено издательством «Энергия» в трех томах (т. I и II— 1974; т. III— 1976); его составлял коллектив из 83 ав- торов. Это издание было переведено на румын- ский язык я издано в Бухаресте. В отличие от первого издания во второе не вошли специаль- ные разделы, посвященные системам изоляции. Таким образом, к моменту подготовки на- стоящего издания Справочник имел уже 40-летиюю историю. Параллельно с этим спра- вочником под руководством вначале П. Е. Гет- мана, а затем В. Б. Березина было организо- вано составление справочника «Электротехни- ческие материалы», рассчитанного на практи- ческих работников материально-технического снабжения и сбыта предприятий, баз и скла- дов, а также плановиков и экономистов (1-е нзд. — Энергия, 1964 ; 2-е изд. — Энергия, 1969; 3-е изд. — Энергоатомиздат, 1983). Настоящий энциклопедический Справочник, издаваемый в трех томах, охватывает все ос- новные классы электротехнических материалов: диэлектрических, магнитных, проводниковых и полупроводниковых. Классификация мате- риалов в связи с потребностями круга чита- телей, иа которых рассчитан справочник, сде- лана в соответствии со свойствами и областя- ми применения материалов. Поэтому иногда один и тот же материал может рассматривать- ся в различных разделах, например никель как магнитный материал рассматривается в разде- ле магнетиков, а как материал для электродов электровакуумных приборов — в разделе про- водников и т. д. В конце каждого тома имеется алфавитный предметный указатель, который наряду с оглавлением тома должен помочь чи- тателю быстро найти интересующие его дан- ные. Первый и второй тома Справочника по- священы электроизоляционным материалам. Третий том включает разделы, в которых оха- рактеризованы магнитные, проводниковые, по- лупроводниковые, а также иные материалы, например сегнетоэлектрики, электреты, люми- нофоры, жидкие электролиты и т. д. В начале первого тома помещается раздел «Общие спра- вочные сведения», содержащий сведения о еди- ницах и размерностях физических величин, важнейших физических постоянных и т. п. В Справочнике могут встретиться несколь- ко различающиеся количественные данные по свойствам материалов с одинаковым названи- ем. Это объясняется тем, что показатели свойств материалов зависят от методов испы- таний, многие из которых пока не унифициро- ваны. Кроме того, ряд материалов, выпускае- мых под одним и тем же названием, может иметь различные свойства в зависимости от технологии получения, наличия примесей нлн добавок и условий последующей переработки. В соответствии с ГОСТ 8.310-78 приведен- ные в справочнике численные данные о свой- ствах материалов относятся к категории ин- формационных. Составители просят направлять замечания и предложения по настоящему изданию Спра- вочника по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., д. 10, Энергоатомиздат. Ю. В. Корицкий, В. В. Пасынков, В. М. Тареев
ВВЕДЕНИЕ Ю. В. Корицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев Электротехническими материалами назы- ваются материалы, характеризуемые опреде- ленными свойствами по отношению к электро- магнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. В практике различным материалам приходится встречаться с воздей- ствием как отдельных сторон электромагнитно- го поля — электрическим и магнитным полями, так и с их совокупностью. По поведению в магнитном поле материа- лы подразделяют на сильно магнитные и слабо магнитные (немагнитные). По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые и ди- электрические. Подавляющее большинство электротехни- ческих материалов являются немагнитными. Однако и среди магнитных материалов следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, так как это опре- деляет частотный диапазон их применения. Проводниковыми называют материалы, ос- новным электрическим свойством которых яв- ляется сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, опре- деляющим высокую удельную электрическую проводимость. Полупроводниковыми называют материа- лы, которые являются по своей удельной про- водимости промежуточными между проводни- ковыми и диэлектрическими материалами и от- личительным свойством которых является ис- ключительно сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида приме- сей или других дефектов, а также в большин- стве случаев от внешних энергетических воз- действий (температуры, освещенности н т. п.). Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в кото- рых возможно существование электростатиче- ского поля. Реальный (технический) диэлектрик тем больше приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость и чем сла- бее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеянием электри- ческой энергии и выделением тепла. Прн практическом применении диэлектри- ков — одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — достаточно четко определились потребности электротехни- ки в использовании пассивных или активных свойств этих материалов. На использовании пассивных свойств ди- электрических материалов основано самое су- щественное их применение в электротехнике — в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, применяемые в технике для уст- ранения утечки электрических зарядов; иными словами, они должны разделять электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройства, приборов н аппаратов от проводя- щих, но не токоведущих частей (от корпуса, от земли). В этих случаях значение диэлектри- ческой проницаемости материала не играет особой роли или оно должно быть возможно меньшим, чтобы не вносить в схемы паразит- ных емкостей. В случае использования электро- изоляционного материала в качестве диэлек- трика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров при прочих равных усло- виях желательно иметь большую диэлектриче- скую проницаемость материала. Активными — управляемыми — диэлектри- ками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектри- ки, пироэлектрики, электролюминофоры, мате- риалы для излучателей н затворов в лазерной технике, жидкие кристаллы, электреты и др. Несколько десятилетий тому назад вопрос выбора электротехнических материалов для тех или иных электрических устройств был сравни- тельно простым. Часто в качестве электротех- нических материалов использовались материа- лы, применявшиеся в других областях промыш- ленности. Так, в электроизоляционной технике широкое применение находили материалы при- родного происхождения: древесина, хлопчато- бумажное волокно, шелк, растительные масла, натуральный каучук, природные смолы, камен- ные породы и др. За последнее время условия, в которых работают материалы в электрических устройст- вах и в аппаратуре радиоэлектроники и авто- матики, стали значительно более суровыми. Повысились рабочие напряжения электрических машин и аппаратов, воздушных и кабельных линий электропередачи. Повысились единичные мощности машин и аппаратов, что наряду с ростом напряжений вызвало существенное уве- личение геометрических размеров этих машин и т. п. Одновременно повысилась и удельная мощность, т. е. мощность, отнесенная к едини- це объема или к единице массы машин и дру- гих устройств, что связано, в частности, с по- вышением рабочих температур; в ряде случаев высокие рабочие температуры требуются в со- ответствии с самим функциональным назначе- нием устройств (электрические печи, электро- вакуумные приборы большой мощности и т.п.). Высокие температуры часто существенно ухуд- шают условия работы электротехнических ма- териалов. В других случаях, в частности во многих аппаратах радиоэлектроники, наоборот, требу- ется получение весьма малых размеров ком- понентов и размещение многих компонентов в весьма ограниченных объемах (мнннатюриза-
Введение 5 ция и микроминиатюризация), что требует пре- одоления также больших трудностей, но иного порядка, в частности использования материа- лов с весьма малым углом потерь, так как уменьшение массы н габаритов изделий в мик- роминиатюрном исполнении связано с миними- зацией мощности устройства в целом. Кроме того, в радиоэлектронике приходится иметь де- ло с высокими и сверхвысокими частотами и с ужесточенными требованиями к точности и ста- бильности настройки частоты колебательных контуров. Наряду с повышенными рабочими темпера- турами в некоторых случаях приходится иметь дело с весьма низкими рабочими температура- ми, иногда приближающимися к абсолютному нулю, а также с резкими сменами температу- ры («термоударами»). Явление сверхпроводи- мости стало технической реальностью н уже широко используется. В ряде случаев электротехническим мате- риалам приходится работать в условиях повы- шенной влажности окружающей среды, воздей- ствия химически активных реагентов, ионизи- рующего излучения, механических усилий (в частности, ударов и вибраций) и пр. Ука- занные факторы, могущие оказывать чрезвы- чайно вредное воздействие на электротехниче- ские материалы, часто действуют одновременно в различных комбинациях (примеры: электро- техническое и радиоэлектронное оборудование морских судов, самолетов, ракет, космических кораблей, атомных реакторов, магнитогидроди- намических генераторов и т. п. нлн оборудова- ние «тропического» исполнения, предназначен- ное для эксплуатации в странах с влажным тропическим климатом). Одновременно с утяжелением условий экс- плуатации существенно повышаются требова- ния к надежности работы электротехнических устройств и радиоэлектронной аппаратуры, в очень большой степени определяемой надежно- стью их электрической изоляции, контактных соединений, полупроводниковых и диэлектриче- ских активных элементов схемы. Для устройств, аппаратуры, приборов уста- новлены параметры, характеризующие надеж- ность и долговечность нх работы: ресурс отка- зов, наработка на отказ, частота отказов, ин- тенсивность отказов, срок службы или время жизни и т. д. Все эти параметры зависят от ви- да и качества используемых материалов. В настоящее время при выборе материалов необходимо учитывать и то, обеспечат ли они возможность организации современного гибко- го автоматизированного производства (ГАП) изделий, а также возможность создания авто- матизированных систем управления технологи- ческими процессами производства (АСУТП) как самих материалов, так и устройств, в ко- торых они будут использованы. Из сказанного вытекает необходимость все- стороннего исследования свойств новых мате- риалов, по которым еще не накопился должный опыт эксплуатации, а также определения при- годности «старых» материалов в новых усло- виях работы. Для того чтобы сознательно разбираться в требованиях, предъявляемых к электротехниче- ским матёриалам, необходимо изучить те фи- зические явления, которые имеют место в ма- териалах при воздействии на них электромаг- нитного поля, и установить параметры, количе- ственно определяющие свойства материалов. Все вышеизложенные обстоятельства в зна- чительной степени усложняют выбор электро- технических материалов, пригодных в каждом конкретном случае применения, и требуют раз- работки новых материалов, без использования которых многие современные электротехниче- ские устройства вообще не могут быть созданы. Как правило, все новые, обладающие высо- кими свойствами электротехнические материа- лы имеют синтетическое происхождение. В част- ности, большое значение приобрели синтетиче- ские высокомолекулярные соединения (органи- ческие и элементоорганические полимеры) и такие неорганические материалы, как стекла, керамические и стеклокерамические материалы, а также выращенные монокристаллы различных веществ. Более того, в последние годы открыты но- вые виды диэлектрических, проводниковых, по- лупроводниковых и магнитных материалов, об- ладающих особыми, ранее неизвестными илн малоизученными свойствами. На основе этих материалов могут быть изготовлены принци- пиально новые электротехнические устройства и радиоэлектронные аппараты. Таковы, в част- ности, многочисленные полупроводниковые приборы; различные твердые схемы; разнооб- разные нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, регулируемыми бесконтактны- ми способами; различные сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические уст- ройства; выпрямители, усилители, стабилиза- торы напряжения, преобразователи энергии, за- поминающие ячейки; электретные и фотоэлект- ретные приборы; устройства электрографии, электролюминесцентные приборы; квантовые генераторы и уснлители-лазеры и др.; жидкие кристаллы; ферритные устройства, в том числе устройства для изменения плоскости поляриза- ции волны в технике сверхвысоких частот; дат- чики Холла; термоэлектрические генераторы с высоким КПД; аппаратура голографии и мно- гие другие аппараты и приборы новой техники. Для изготовления электротехнических ма- териалов в настоящее время используются раз- нообразные, нередко весьма сложные приемы химического синтеза, различные виды обра- ботки, включая искусственное выращивание монокристаллов, нанесение тонких пленок на различные подложки; различные способы особо глубокой очистки (технология зонной плавки, плавка и распыление в высоком вакууме и др.) нли введения добавок; ионио-плазмениая обра- ботка; воздействие на материалы электро- магнитного поля и ионизирующих излучений и т. д. Разработаны прогрессивные технологиче- ские процессы изготовления электроизоляцион- ных конструкций и систем, интегральных пле- ночных и гибридных микросхем и монолитных изделий микроэлектроники. Изучение электрических и иных свойств веществ в связи с их химическим составом и строением позволит получать новые материалы с заранее заданными свойствами. Такой под- ход к разработке новых материалов, характер- ный для современной техники, заменил собой прежнюю практику изыскания новых материа-
6 Введение лов путем несистематических попыток случай- ного нахождения новых рецептур и технологи- ческих процессов. Список литературы В приводимом ниже кратком библиографичес- ком указателе приведены лишь немногие общие ру- ководства по электротехническим материалам, содер- жание которых может быть полезно для читателей, интересующихся тематикой многих разделов настоя- щего Справочника. Ряд литературных источников бо- лее узкой тематической направленности приведен в библиографических указателях, помещаемых в кон- це соответствующих разделов Справочника. Систематически следить за текущей литературой по электротехническим материалам и смежной тема- тике рекомендуется по издаваемому Всесоюзным ин- ститутом научной и технической информации (ВИНИТИ) Реферативному журналу. В выпуске 21Б (Электротехнические материалы, электрические конденсаторы, провода и кабели) серин 21 «Элект- ротехника» Реферативного журнала ВИНИТИ за 30 лет (1955—1984 гг.) помещено более 90 тыс. пуб- ликаций. Информация по электротехническим мате- риалам помещается также в выпусках Реферативных журналов: 15Г — Металлургия цветных металлов (и полупроводников); 15И — Металловедение и тер- мическая обработка; 18Н — Физика твердых тел (Электрические и магнитные свойства); 19М— Сили- катные материалы; 19П — Химия и переработка дре- весины, горючих ископаемых и природных газов; 19С — Химия высокомолекулярных соединений; 19Т, 19У, 19Ф — Технология полимерных соединений; 23Г — Материалы электронной техники; 24Ж — Тех- нология производства радиоаппаратуры. Авакян Ю. В., Казанчяи Г. П. Светостойкость электроизоляционных материалов. М.: Энергия, 1978. 113 с. Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. Изд. 7-е, пере- раб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд., 1985. 304 с. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1977. 672 с. Борисова М. Э., Койков С. Н. Физика диэлект- риков. Л.: Изд-во ЛГУ, 1979, 240 с. Бушманов Б. Н., Хромов Ю. А. Физика твердо- го тела. М.: Высшая школа, 1971. 224 с. Ван Флек Л. Теоретическое и прикладное мате- риаловедение/Пер. с англ. О. А. Алексеева. М.: Атомиздат, 1975. 472 с. Варденбург А. К., Пилипосян П. Ml Электричес- кая напыленная изоляция. М.: Энергоатомиздат, 1984. 136 с. Воисовскнй С. В. Магнетизм. М.: Наука, 1984. 208 с. Воробьев Г. А. Диэлектрические свойства элек- троизоляционных материалов. Томск: Изд-во ТГУ, 1984. 127 с. Гаркуша Ж. М. Основы физики полупроводни- ков. М.: Высшая школа, 1982. 246 с. Горбачев В. В., Спицына Л. Г. Физика полупро- водников и металлов. М., Металлургия, 1982. 435 с. Губкин А. Н, Физика диэлектриков. Т. 1. М.: Высшая школа, 1961. 272 с. Зеегер К. Физика полупроводников/Пер. с англ. Р. Брезиса, А. Матулениса, А. Тетервова; Под ред. Ю. К. Пожелы. М.: Мир, 1977. 616 с. Казарновский Д. М., Тареев Б. М. Испытание электроизоляционных материалов. Изд. 3-е, перераб. и доп. Л.: Энергия, Ленннгр. отд., 1980. 214 с. Калинин Н. Н., Скибииский Г. Л., Новиков П. П. Электрорадиоматерналы/Под ред. Н. Н. Калинина. М.: Высшая школа, 1981. 294 с. Кацнельсон А. А. Введение в физику твердого тела. М.: Изд-во МГУ, 1984. 294 с. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела/Пер. с англ. А. А. Гусева и А. В. Пахиева; Под ред. А. А. Гусева. М.: Наука, 1978. 792 с. Корицкий Ю. В. Электротехнические материа- лы. Изд. 3-е, перераб. М.: Энергия, 1976. 313 с. Корицкий Ю. В. Основы физики диэлектриков. М.: Энергия, 1979. 248 с. Кристн Р., Питти А. Строение вещества: введе- ние в современную фнзнку/Пер. с англ. Ю. М. Ши- рокова. М.: Наука, 1969. 596 с. Лившиц Б. Г., Крапошин В. С., Линецкнй Я. Л. Физические свойства металлов и сплавов. Изд. 2-е, доп. и перераб./Под ред. Б. Г. Лившица. М.: Метал- лургия, 1980. 320 с. Майофис И. М. Химия диэлектриков. М.: Химия, 1981. 248 с. Маслов В. В. Влагостойкость электрической изоляции. М.: Энергия, 1973. 208 с. Материаловедение и проблемы эиергетики/Под ред. Г. Либовица и М. Уиттингэма; Пер. с англ, под ред. Г. Ф. Мучника. М.: Мир, 1982. 576 с. Орешин и П. Т. Физика полупроводников и ди- электриков: М.: Высшая школа, 1977. 448 с. Окадзаки К. Пособие по электротехническим ма- териалам/Пер. с японского М. М. Богачихииа и И. Б. Реута; Под ред. Л. Р. Зайонца. М.: Энергия, 1978. 432 с. Ормонт Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. Изд. 3-е, исправл. и доп./Под ред. В. М. Глазова. М.: Высшая школа, 1982. 528 с. Пасынков В. В. Материалы электронной техни- ки. М.: Высшая школа, 1980. 408 с. Поплавко Ю. М. Физика диэлектриков. Киев: Вища школа, 1980. 398 с. Преображенский А. А. Магнитные материалы и элементы. Изд. 2-е, перераб, М.: Высшая школа, 1976. 336 с. Прецизионные сплавы. Справочник. Изд. 2-е/Под ред. Б. В. Молотилова. М.: Металлургия, 1983. 439 с. Слэтер Дж. Диэлектрики, полупроводники, ме- таллы/Пер. с англ. Е. Г. Ландсберг, А. Г. Миронова, Н. С. Рытовой, Э. М. Эпштейна; Под ред. В. Л. Боич-Бруевнча. М.: Мир, 1969. 648 с. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материа- лов. М.: Энергоиздат, 1982 . 320 с. Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. Изд. 2-е/Пер. с англ. А. С. Пахомова и Б. Д. Сумма; Под ред. С. В. Тяблнкова. М.: Мнр, 1969. 559 с. Фистуль В. И. Введение в физику полупровод- ников. М.: Высшая школа, 1984. 352 с. Шалимова К. В. Физика полупроводников. Изд. 3-е, перераб. М.: Энерюатомиздат, 1985. 392 с. Штофа Ян. Электротехнические материалы в вопросах и ответах/Пер. со словацкого В. И. Васи- на; Под ред. Б. М. Тареева. М.: Энергоатомиздат, 1984. 200 с. Электрорадиоматериалы/В. М. Тареев, И. В. Ко- роткова н др.; Под ред. Б. М. Тареева, М.: Высшая школа, 1978. 336 с. Электротехнические материалы. Справочник/В. Б. Березин, Н. С. Прохоров, Г. А. Рыков, А. М. Хайкин. Изд. 3-е, доп. н перераб. М.: Энергоатомиздат, 1983. 504 с. '
РАЗДЕЛ 1 ОБЩИЕ СПРАВОЧНЫЕ СВЕДЕНИЯ Б. М. Тареев 1.1. ЕДИНИЦЫ И РАЗМЕРНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ В Советском Союзе в соответствии со стандартом ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78) принята Международная система единиц физи- ческих величин (французское наименование — Systeme International, сокращенно — SI или в русском написании — СИ). Эта система обяза- тельна для использования во всех научно-ис- следовательских и опытно-конструкторских ра- ботах, при проектировании объектов строи- тельства, при составлении документации по модернизации техники; она должна также ис- пользоваться в новых изданиях нормативно- технической документации и учебной литера- туры, включая учебные пособия. Однако пока еще разрешается применение единиц, не входя- щих в СИ, в научных исследованиях и публи- кациях теоретического характера в области естествознания; также разрешается использо- вание единиц величин, оцениваемых по услов- ным шкалам: примеры—шкалы твердости мате- риалов по Виккерсу и по Роквеллу. Помимо единиц СИ, допускаются к применению едини- цы: тонна, минута, час, сутки, угловой градус, угловая минута, угловая секунда, литр, астро- номическая единица длины, световой год, пар- сек, диоптрия, гектар, атомная единица массы, град, электрон-вольт, вольт-ампер, вар, а так- же относительные и логарифмические единицы. Временно допускаются к применению единицы: морская миля, карат, текс, узел, оборот в се- кунду, оборот в минуту, бар, непер. Для еди- ниц СИ установлены сокращенные обозначе- ния, как русские, так и международные. ЕДИНИЦЫ СИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ «Основных» единиц СИ имеется семь: еди- ница длины — метр, единица массы — кило- грамм, единица времени — секунда, единица силы электрического тока — ампер, единица термодинамической температуры — кельвин, единица силы света — кандела и единица коли- чества вещества — моль. Кроме того, имеется еще две «дополнительные» единицы СИ: едини- ца плоского угла — радиан и единица телесного угла — стерадиан. В табл. 1.1 приведены сокращенные обо- значения единиц СИ (здесь указаны основные и дополнительные единицы СИ, а также те про- изводные единицы СИ, которые имеют собст- венные наименования). Некоторые сравнительно новые единицы: паскаль — единица давления и механичес- кого напряжения, равная одному ньютону на квадратный метр; 1 Па—1 Н/м2; кельвин — единица термодинамической тем- пературы, ранее называвшаяся «градус Кель- вина» (прежнее обозначение — °К); эта же еди- ница наравне с °C используется для разностей (превышений, перепадов) температуры (преж- нее обозначение единицы разности темпера- тур — град); сименс (бывший «мо») — единица электри- ческой проводимости: 1 См=1/0м. Обозначения различных единиц, имеющих собственные названия, а также более подроб- ные сведения о ряде единиц—см. с. 8—15. Некоторые прежние русские обозначения единиц (набиравшиеся курсивом) существенно отличались от современных: так прежнее обо- значение секунды было сек, обозначение грамм- силы (наряду с гс) — Г, обозначение пуаза — пз (теперь обозначение «пз» применяется для пьезы), обозначение сименса — «сил». Нельзя применять обозначение 0 без уточ- нения (°C, °F) для градуса температуры; ° означает исключительно угловой градус. Таблица 1.1. Единицы СИ, имеющие собственные наименования, и их обозиачеиия Наименование Обозначение русское [ международное метр м m килограмм кг kg секунда с s ампер А А кельвин К К каидела кд cd моль моль mol радиан рад rad стерадиан СР sr герц Гц Hz НЬЮТОН Н N паскаль Па Pa джоуль Дж J ватт Вт W вар вар var ом Ом Q сименс См S фарад Ф F кулон Кл C вебер Вб Wb тесла Тл T геири Ги H гильберт Гб Gb люмен лм Im люкс лк lx беккерель Бк Bq грэй Гр Gy зиверт Зв Sw
8 Общие справочные сведения Разд. 1 КРАТНЫЕ И ДОЛЬНЫЕ ПРИСТАВКИ Обозначения указанных в табл. 1.2 крат- ных и дольных приставок пишутся непосредст- венно перед обозначением единицы, к которой они относятся. Таблица 1.2. Кратные и дольные приставки и их обозиачеиия Наименование приставки Численное значение приставки Обозначение приставки русское междуна- родное Кратные приставки экса ю18 э Е пэта ю« п Р тера ю12 т Т гига ю9 г G мега 10е м М кнло Ю3 к к гекто Ю2 г h дека Ю1 да da Дольные приставки деци 10-1 д d санти 10_2 с с мнлли 10—3 м гл микро 10-’ мк и нано ю—9 н п пнко Ю-12 п р фемто 10-16 ф f атто 10-18 а а СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ РАЗЛИЧНЫМИ ЕДИНИЦАМИ В настоящей сводке после названия каж- дой рассматриваемой физической величины (за- головка подраздела) указана (в скобках) раз- мерность этой величины. Обозначения размер- ностей основных величин: L — длина, Т — вре- мя, М — масса, 0 — температура, / — сила электрического тока, 7 — сила света, N — коли- чество вещества. На первом месте в списке единиц для каждой физической величины указана коге- рентная единица СИ и приведена связь этой единицы с основными единицами СИ. Приведенные соотношения различных еди- ниц с единицами СИ в каждом конкретном случае следует округлять с разумной степенью точности. Если установлены не подлежащие дальнейшему уточнению соотношения различ- ных единиц (например, перевод дюйма в мил- лиметры или- калории в джоули), после указа- ния соотношения приводится пометка «(точно)». ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ОБЩЕФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ Длина (Д). Единица СИ — метр (м). 1 микрометр (мкм; прежнее название — микрон и обозначение мк или ц) = 10”3 мм = = 10-6 м. 1 нанометр (нм; прежнее название—милли- микрон и обозначение ммк или лщ) = 10~6 мм = = 10-9м. 1 ангстрем (А) =0,1 нм = 10”4 мкм = = 10”' мм= Ю”10 м. 1 икс-единица (икс-ед.) — 1,00206-Ю-1’ м. 1 фермн=1 фм=10~15 м. 1 астрономическая единица длины (а. е. д.) = 1,496-1011 м. 1 световой год (св. год) =9,4605-1015 м. 1 парсек (пк) =3,086-1016 м. 1 (английская) миля (Statute mile, mi.) = = 8 фурлонгов = 880 фатомов=1760 ярдов = = 5280 футов=1609, 344 м. 1 фурлонг (furlong, fur.) =660 футов = = 201,168 м. 1 фатом (fathom, fath.)=6 футов= 1,9288 м. 1 ярд (yard, yd)=3 фута = 0,9144 м (точно). 1 фут (foot, множественное число — feet; ft) = 12 дюймов = 304,8 мм = 0,3048 м (точно). 1 дюйм (inch, in.) = 1000 милов = 25,4 мм = = 0,0254 м (точно). 1 мил (mil, иногда обозначается thou.) = =0,001 дюйма=0,0254 мм = 2,54- 10~s м (точно). 1 морская миля — длина угловой минуты меридиана Земли (nautical mile, n. mi.) — =1852 м (точно). 1 кабельтов (cable’s length, русское обозна- чение «кб») =0,1 морской мили =185,2 м (точ- но). Площадь (L2). Единица СИ — квадратный метр (м2). 1 барн (б) = 10”24 см2=10~28 м2. 1 ар (а) = 100 м2. 1 гектар (га) =0,01 км2=104 м2. 1 квадратная миля (square mile, sq. mi. или mi.2) =259 га = 2,59 км2=2,59 106 м2. 1 квадратный ярд (square yard, sq. yd или yd2) =0,836127 м2. 1 квадратный фут (square foot, sq. ft нли ft2) = 144 квадратных дюйма = 929,03 см2 = = 0,0929 м2. 1 квадратный дюйм (square inch, sq. in. или in.2) =6,4516 см2=6,451610-4 м2 (точно). 1 квадратный мил (sq. mil или mil2) = = 6,4516-10”10 м2. 1 круговой дюйм (circular inch, circ. in.) = = площаДь круга с диаметром 1 дюйм = 0,7854 квадратного дюйма = 5,0671 см2=5,0671 • 104 м2. 1 круговой мил (circular mil, circ. mil) — площадь круга с диаметром 1 мил=5,0671Х ХЮ”10 м2. Объем, вместимость (L3). Единица СИ — кубический метр (м3). 1 литр (л) = 1 дм3=10-3 м3 (точно: ранее считалось 1 л =1,000028 дм3= 1,000028-10-3 м3). 1 кубический фут (cubic foot, cu. ft или ft3) = 1728 кубических дюймов = 28,3168 дм3 = = 2,83168-10-2 м3. 1 кубический дюйм (cu, in. или in.3) = = 16,3871 см3= 1,63871 10-5 м3. 1 кварта (quart, qt)=2 пинты = 1,13652 л = = 1,13652 IO-3 м3. 1 пинта (pint, pt) =0,56826 л=5,6826Х ХЮ-4 м3. 1 баррель США для жидкостей (barrel U.S., liquid — bbl) = 158,988 л«0,159 м3. Волновое число; коэффициент ослабления (Е-1). Единица СИ — метр в минус первой степени (м-1).
§ 1.1 Единицы и размерности физических величин 9 1 см~* = 102 м-1. Число частиц (дефектов и т. п.) на единицу поверхности (L-2). Единица СИ — метр в ми- нус второй степени (м~2). 1 см-2= 104 м-2. Число частиц в единице объема (Е-3). Единица СИ — метр в минус третьей степени (м~3). 1 см-3=106 м-3. Плоский угол (Е°). Единица СИ — радиан (рад). 1 рад = 180 7л=57 ’17'44,8"=57,2958 °. 1 полный угол (оборот, окружность) = = 360°=2л рад=6,283185 рад. 1 угловой градус (°) =60' = 3600"= =л/180 рад=0,01745329 рад. 1 угловая минута (') =60"=2,90882Х ХЮ-4 рад. 1 угловая секунда (") =4,848137 10~6 рад. 1 град, иначе гон (g) —0,01 прямого угла или 1/400 полного угла=0,0157 рад. 1 румб=1/32 полного угла = 11,25°= =0,196535 рад. Телесный угол (L0), Единица СИ — стера- диан (ср). 1 полный телесный угол=4л ср = 12,56637 ср. 1 квадратный градус (О2) = (л/180)2ср = =3,0462 10-4 ср. Время (Т). Единица СИ — секунда (с, преж- нее обозначение — сек, международное обо- значение — s). 1 минута (мин, min.) =60 с. 1 час (ч, hr) =60 мин=3600 с. 1 сутки (сут)=24 ч = 1440 мин = 86 400 с. 1 год (средний солнечный) =8765 ч 48 мин 46 с. 1 год (технический) =8760 ч. Частота; угловая скорость (71-1). Единицы СИ: для частоты периодического процесса — герц (Гц), для частоты дискретных событий — секунда в минус первой степени (с-1), для угловой скорости — радиан в секунду (рад/с). 1 Гц=1 с-* = 2л рад/с=6,283185 рад/с. 1 оборот в секунду (об/с) = 1 с"‘ = = 6,283185 рад/с. 1 оборот в минуту (об/мин) = 1 мин-1 = =0,0166667 с-'=л/30 рад/с=0,1047197 рад/с. 1 угловой градус в секунду (17с) = = 1,745329-10-2 рад/с. Скорость (LT-1). Единица СИ — метр в секунду (м/с). 1 с м/с = 0,01 м/с. 1 км/ч = 27,78 см/с = 0,2778 м/с. 1 фут в секунду (ft/s) =30,48 см/с= =0,3048 м/с. 1 фут в минуту (ft/min) =0,508 см/с = =5,08 10”3 м/с. 1 миля в час (mi./hr или m. р. h.— сокра- щение от слов mile per hour) = 1,6093 км/ч = = 0,44704 м/с. 1 узел (knot, kn.) — 1 морская миля в час=1 n. mi./hr= 1,852 км/ч=1852 м/ч = =0,51444 м/с (точно). Ускорение (Е-Т’-2). Единица СИ — метр на секунду в квадрате (м/с2). 1 см/с2 (также гал — название в честь Га- лилея, обозначение «Гал») =0,01 м/с2. 1 фут в секунду в квадрате (ft/s2) = =0,3048 м/с2 (точно). 1 дюйм на секунду в квадрате (in./s2) = = 25,410~3 м/с2 (точно). Объемный расход (Е’-Г-1). Единица СИ— кубический метр в секунду (м3/с). 1 дм3/с=1 л/с=10-э м3/с. 1 м3/ч=2,78-10-4 м3/с. 1 дм3/ч=1 л/ч = 2,7810-7 м3/с. 1 кубический дюйм в секунду (cu. in./s) = = 1,64-10-5 м3/с. Масса (М). Единица СИ — килограмм (кг). 1 грамм (г) = 10-3кг. 1 тонна (т) = 1 Мг=10э кг. 1 карат (к) =0,2 г=2 10 4 кг. 1 кгсс2/м = 9,80665 кг (точно). 1 (английский) фунт — pound avoir du pois, обозначение «1Ь.» (сокращение от латин- ского слова libra) = 16 унций = 256 драхм = = 7000 гранов=453,59237 г = 0,45359237 кг. 1 английская тониа = 2240 1Ь.= 1016,02 кг. 1 унция (ounce, oz.) =28,3495 г=2,83495Х ХЮ-2 кг. 1 атомная единица массы (а. е. м„ а. т. и.) — одна двенадцатая часть массы ато- ма изотопа углерода с массовым числом 12 = = 1,6605655 10-2’ кг. Массовый расход Единица СИ— килограмм в секунду (кг/с). 1 г/с= 10-3 кг/с. 1 кг/мин = 16,607-10“3 кг/с. Линейная плотность, толщина нити (Г.~’Х ХМ). Единица СИ для толщины нитей и других изделий, имеющих неправильную форму попе- речного сечения, и потому измеряемой косвен- ным путем — взвешиванием отрезка определен- ной длины,— килограмм на метр (кг/м). Толщина волокон, полуфабрикатов пря- дильного производства, пряжн и нитей измеря- ется в тексах (см. также разд. 9 и 10): 1 текс=1 г/км=10“3 кг/км=10~6 кг/м. 1 миллитекс (мтекс) = 1 мг/км=10~9 кг/м. 1 килотекс (ктекс) = 1 кг/км =1 г/м = = 10“3 кг/м. Прежнее определение толщины шелка — «тнтр» — масса стандартного мотка шелка длиной 450 м, выраженная в денье (денье — старая французская единица массы, равная 0,05 г), почему часто титр сокращенно выра- жается в денье (подразумевается, что коли- чество денье относится к стандартному мотку). Иными словами, тнтр шелка в денье есть мас- са 9000 м шелка, выраженная в граммах. Иног- да механическая прочность шелка условно вы- ражается в единицах силы, деленных иа титр в денье (гс/денье и т. п.). Тонина нити Тонина —величина, обратная толщине нити. Единица СИ тонины — метр на килограмм (м/кг). Единица «метрического номера» нити — м/г или км/кг; 1 м/г=1 км/кг =103 м/кг. Соотношение толщины Т в тексах и метри- ческого номера нити в км/кг: Т-У=1000. Сила, вес (L-MT~2). Единица СИ — нью- тон (Н). 1 Н=1 кг-м/с2=1 Дж/м=105 дин. 1 дина (дин) = 1 г см/с2= 10-5 Н. 1 стен (сн) = 103Н. 1 грамм-сила (гс; прежние обозначения гс и Г; иногда понд—pond; обозначение «р») = 980,665 дин = 9,80665 мН = 9,80665Х Х10~3 Н (точно). 1 килограмм-сила (кгс; прежние обозначе- ния кгс и кГ) = 103 гс=9,80665 Н (точно). 1 тонна-сила (тс; прежние обозначения тс и Т) = 103 кгс=106 гс=9806,65 Н (точно).
10 Общие справочные сведения Разд. 1 1 фунт-сила (pound-force, lb.-f. или lbf.) = =453,59237 гс=0,45359237 кгс=4,44822 Н. Удельный вес Единица СИ— ньютон на кубический метр (Н/м3). 1 кгс/м3=9,80665 Н/м3 (точно). 1 фунт-сила иа кубический фут (Ibf./ /си. ft) = 157,087 Н/м3. Плотность Единица СИ — кило- грамм иа кубический метр (кг/м3). 1 г/см3 = 1 кг/дм3 = 1 кг/л=1 т/м3= = 1 Мг/м3=103 кг/м3. 1 фунт на кубический фут (lb./cu. ft) = = 16,0185 кг/м3. 1 фунт иа кубический дюйм (lb./cu. in.) = =2,768-10‘ кг/м3. 1 унция на кубический фут (oz./cu. ft) = = 1,011 кг/м3. Давление; механическое напряжение, мо- дуль упругости, разрушающее напряжение (L~'M-T~2). Единица СИ — паскаль (Па). 1 Па=1 Н/м2=1 Дж/м3=1 кг/(м-с2). 1 пьеза (пз) = 1 кПа=103 Па. 1 бар (бар) =0,1 МПа=105 Па. 1 миллибар (мбар) = 10~3 бар = 1 гПа = = 100 Па. 1 бария=1 дин/см2=1 эрг/см3=10~в бар= =0,1 Па. 1 килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м2) = 1 миллиметр водяного столба (мм вод. ст.) = 10~4 кгс/см2=9,80665 Па (точно). 1 килограмм-сила на квадратный санти- метр (кгс/см2), иначе «техническая атмосфе- ра»=104 кгс/м2=10 м вод. ст.=735,6 мм рт. ст.=980,665 мбар=9,80665-104 Па (точно). 1 кгс/мм2 = 9,80665 МПа = 9,80665- 10е Па (точно). 1 миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.; иногда также торр — в честь Торричелли) = = 1,33322 мбар= 133,322 Па. 1 физическая атмосфера (атм)=7б0 мм рт. ст. = 1,01325 бар = 0,101325 МПа = = 1,01325 Ю5 Па. 1 фунт-сила на квадратный дюйм (lbf./sq. in. нлн р. s. i. — сокращение от слов «pound per square inch»=6,894076 кПа= =6,894076-103 Па. 1 фут водяного столба (ft. Н2О) = = 2989,07 Па. 1 дюйм водяного столба (in. Н2О) = = 249,089 Па. 1 дюйм ртутного отолба (in. Hg) = =3386,39 Па. Параметр Пашеиа — произведение рас- стояния между электродами разрядного про- межутка в газе на абсолютное давление газа (М-Т~2). Единица СИ — паскальметр (Па-м). 1 Па-м=1 Н/м=1 кг/с2. 1 мм рт. ст.-мм=0,133322 Па м. 1 мм рт. ст. • см = 1,33322 Па • м. 1 (кгс/см2)-см=980,665 Па (точно). 1 физическая атмосфера — сантиметр = =760 мм рт. ст.-см= 1013,25 Па м. Поверхностное натяжение (М-Т~2). Еди- ница СИ — ньютон иа метр (Н/м). 1 Н/м = 1 Дж/м2=1 кг/с2. 1 дии/см=103 Н/м. Ударная вязкость, ударная прочность (М-Т~2). Единица СИ — джоуль на квадрат- ный метр- (Дж/м2) или ньютон на метр (Н/м). 1 Дж/м2=1 Н/м=1 кг/с2. 1 кгс-см/см2=1 кгс/см=980,665' Дж/м2 (точно). 1 фунт-сила — фут иа квадратный дюйм (lbf./sq. in.) =2,143 кгс-см/см2=2101,56 Дж/м2. Динамическая вязкость (L~1-M-7’~1). Еди- ница СИ— паскаль-секунда (Па-с). 1 Па-с=1 Н-с/м2=1 кг/(м-с) = 10 П. 1 пуаз (П; прежнее обозначение «пз») = = 1 г/(см с) =0,1 Па-с. 1 сантипуаз (сП) = 10-3 Па-с. 1 кгс-с/м2=9,80665 Па-с (точно). 1 пьеза-секунда (пз-с) = 1 кПа-с= = 103 Па-с. 1 фунт-сила — секунда на квадратный фут (lbf-s/sq. ft) =47,88 Па-с. Кинематическая вязкость (Z.2-T-1)- Еди- ница СИ — метр в квадрате иа секунду (м2/с). 1 стокс (Ст) = 1 см2/с=10~4 м2/с. 1 сантистокс (сСт)=0,01 Ст=10-3 м2/с. Кинематическая вязкость вещества равна его динамической вязкости, деленной на плот- ность. Соотношения единиц динамической и кинематической вязкости: 1 Па-с ———— = 1 кг/м3 (единица СИ плотно- 1 м2/с сти); 1 П ———— =1 г/см3 (единица СГС плотно- 1 Ст сти) = 103 кг/м3. Текучесть Текучесть вещества равна обратной .величине его динамической вязкости. Единица СИ текучести — паскаль в минус первой степени-секунда в минус первой степени (Па-'-с-1). 1 Па-1 с-1 = 1 м2/(Н-с) = 1м • с/кг. 1 ре (ре) = 1 П_, = 10 Па-1-с-1. Энергия, работа, количество теплоты, тер- модинамический потенциал (L2-M-T2~). Еди- ница СИ — джоуль (Дж). 1 Дж=1 Н-м=1 Вт-с=1 Кл-В = 107 эрг= =2,78-10~7 кВт-ч= 1 кг-м2/с2. 1 эрг (эрг) = 1 дни • см =10-7 Дж. 1 электрон-вольт (эВ) =0,16021 аДж = = 1,6021 -10-13 Дж. 1 киловатт-час (кВт-ч) =3,6 МДж=3,6Х ХЮ6 Дж. 1 килограмм-сила-метр (кгс-м) =9,80665 Дж (точно). 1 фунт-сила-фут (IbfXft) = 1,35582 Дж. . 1 мегатонна тринитротолуола = 4-1015 Дж. 1 калория (кал) =4,1868 Дж (точно). 1 килокалория (ккал) = 103 кал = = 4,1868 кДж = 4186,6 Дж (точно). 1 тер мия =1 Мкал =4,1868 МДж = =4,1868-106 Дж (точно). 1 британская тепловая единица (British Thermal Unit, В. Т. U.) — количество теплоты, нагревающее 1 фунт воды на 1 градус Фарен- гейта = 1055,06 Дж. 1 квад (quad) = 10” В. Т. U. « 2,9Х ХЮ11 кВт-ч~ 1,06-1018 Дж. 1 лошадиная сила-час (л. с. • ч) =0,736 кВт-ч = 2,65 МДж=2,65-106 Дж. 1 тонна условного топлива (т у. т.) = =7 Гкал = 2,93076-1 О'° Дж. 1 тонна нефтяного эквивалента (т. и. э., t. о. е.) = 10 Гкал=4,1868-1010 Дж. 1 баррель нефтяного эквивалента (Ь. о. е.)=6,6-109 Дж.
§ 1.1 Единицы и размерности физических величин 11 Момент силы (L2-М-Т-2). Единица СИ— ньютон-метр (Н-м). 1 Н-м=1 кг - м2/с2. 1 кгс-м=9,80665 Н-м (точно). 1 дии-см = 10-7 Н-м. 1 lb.Xft= 1,35582 Н-м. Мощность, тепловой поток, поток звуковой анергии (Z,2-A4-T-3). Единица СИ — ватт (Вт). 1 Вт=1 Дж/с=1 Н-м/с=1 А-В=1 В2/Ом = = 107 эрг/с=1 кг-м2/с3. 1 кВт=1 кДж/с =103 Вт. 1 эрг в секунду (эрг/с) = 1 дин-см/с= — 1 г-см2/с=0,1 мкВт—10-7 Вт. 1 килограмм-сила — метр в секунду (кгс-м/с) =9,80665 Вт (точно). 1 калория в секунду (кал/с) = 4,1868 Вт (точно). 1 килокалория в секунду (ккал/с) = =4,1868 кВт=4186,8 Вт (точно). 1 килокалория в час (ккал/ч) = 1,163 Вт. 1 фунт-сила—фут в секунду (Ibf.Xft/s) = = 1,35582 Вт. 1 фунт-сила — фут в минуту (IbfXft/s) = = 0,0226 Вт. 1 британская тепловая единица в секунду (B.T.U./s = 1,05505 кВт= 1055,05 Вт. 1 британская тепловая единица в минуту (B.T.U./min.) = 17,5844 Вт. 1 лошадиная сила (л. с.)=75 кгс-м/с= =0,736 кВт=736 Вт. Коэффициент влагопроиицаемости (7). Единица СИ — килограмм на метр-секунду- паскаль [кг/(м-с-Па)], иначе секунда (с). 1 кг/(м-с-Па) = 1 с. 1 грамм на сантиметр — час-миллиметр ртутного столба—1 г/(см-ч-мм рт. ст.) = = 2,08- 10-7 с. Коэффициент влагорастворимости (L-2X Х72). Единица СИ — килограмм на кубичес- кий метр-паскаль [кг/(м3-Па)], иначе секун- да в квадрате на квадратный метр: 1 кг/(м3-Па) = 1 с2/м2. 1 грамм на кубический сантиметр — мил- лиметр ртутного столба [г/(см3-мм рт. ст.)] = =7,5 с2/м. Коэффициент диффузии (L2-7-1). Едини- ца СИ — квадратный метр на секунду (м2/с). 1 см2/с=10—• м2/с. Коэффициент днффузнн равен отношению коэффициентов влагопроиицаемости и влаго- растворнмостн материала. Соотношения единиц влажностных (диф- фузионных) параметров материала: 1 кг/(м-с-Па) 1 с _ 2 1 кг/(м3-Па) 1 с2/м2 М * 1 1 г/(см-ч-мм рт. ст.) 1 г/(см3-мм рт. ст.) = 1 см2/ч=2,78-10-« м2/с. Барический коэффициент (любой физиче- ской величины) Единица ' СИ — паскаль в минус первой степени (Па-1). 1 Па-1=1 м/Н2=1 м-с2/кг. 1 бар-1 = 10-3 Па-1=10-5 м-с2/кг. 1 см2/кгс= 1,02-10-5 Па-1. 1 (мм рт. ст.)-1 =7,50-10-3 Па-1. Барический коэффициент БК и физической величины и, являющейся функцией давления р, определяется выражением „ 1 du d „ d БК и =-----— » —— In и ® 2,3------1g и и dp dp dp (1-1) (логарифмическая производная и по давле- нию). Соотношения для барического коэффици- енту БК и среднего барического коэффициен- та БК аналогичны соотношениям для темпера- турного коэффициента и среднего температур- ного коэффициента (см. с. 11, 12). ТЕРМИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ Количество теплоты, термодинамический потенциал, тепловой поток — см. выше (с. 10, 11). Коэффициент температуропроводно- сти имеет ту же размерность и измеряется в тех же единицах СИ, что и кинематическая вязкость н коэффициент диффузии (см. с. 10, Н). Температура (0). Единипа СИ — кель- вин (К); прежние название единицы «гра- дус Кельвина» и обозначение «°К». Сопоставление значений термодинамиче- ской температуры Т в кельвинах и темпера- туры t в градусах стоградусной шкалы Цель- сия (°C) и в градусах Фаренгейта (°F): 5 Т, K = t, °C+ 273,15; t, °C = — (t, °F—32). Сопоставление значений разностей (перепа- дов, превышений) температур в кельвинах, гра- дусах стоградусной шкалы и градусах Фарен- гейта: ДТ, К = Д/, °С=-|-Д/, °F. Температурный (термический) коэффициент (любой физической величины) (0-1). Единица СИ — кельвин в минус первой степени (К-1). 1 градус Цельсия в минус первой степени (°С-1) = 1 К-1. 1 градус Фаренгейта в минус первой сте- пени (°F-1) = 1,8 К-1. Температурный коэффициент ТКа физиче- ской величины и, являющейся функцией тем- пературы Т, определяется выражением SS— 1пи« 2,3—— 1g и (1.2) dT dT ' (логарифмическая производная и по темпера- туре) . Если и в свою очередь представляет собой функцию зависящих от температуры перемен- ных х, у, z... вида и = А-хт-уп-гр ... , где А, т, п, р... — постоянные, то ТКи = ш-ТКх + «-ТКу+ р-ТКг ... (1.3) Средний температурный коэффициент (лю- бой физической величины) (в-1). Средний тем- пературный коэффициент физической величи-
12 Общие справочные сведения Разд. 1 ны для интервала температур от Л до Та (прн Г1<Т2) определяется выражением ТКи = 1 “1 «2~ «I Т2-Л (1-4) где Ui и и?—значения и для температур 71 и Тг соответственно. Удельная теплота фазового превращения, удельная теплота химической реакции, удель- ный термодинамический потенциал (L2-T-2). Единица СИ —джоуль на килограмм (Дж/кг). 1 Дж/кг= 1 м2/с2. 1 джоуль на грамм (Дж/г) = 1 кДж/кг= = 103 Дж/кг. 1 эрг на грамм (эрг/г) = 10-7 Дж/г= = 10-4 Дж/кг. 1 калория на грамм (кал/г) или 1 килока- лория на килограмм (ккал/кг) =4,1868 кДж/кг = 4186,8 Дж/кг (точно). Теплоемкость системы, энтропия системы (/.Л.М-Т’-2-©-1). Единица СИ—джоуль на кельвнн (Дж/К). 1 Дж/К=1 м2-кг/(с2-К). 1 эрг на кельвин (эрг/К)=0,1 мкДж/К= = 10“7 Дж/К. 1 калория на кельвнн (кал/К) =4,1868 Дж/ /К (точно). 1 килокалория на кельвин (ккал/К)= =4,1868 кДж/К=4186,8 Дж/К (точно). Удельная теплоемкость, удельная энтропия (L2-T-2-©-*). Единица СИ — джоуль на кило- грамм-кельвин ГДж/(кг-К)1. 1 Дж/(кг-К) = 0,239 кал/(кг-К) = 104 эрг/(г-К) = 1 м2/(с2-К). 1 джоуль на грамм-кельвнн [Дж/(г-К]= = 103 Дж/(кг-К). 1 эрг на грамм-кельввн [эрг/(г-К)1 = = 10~* Дж/(кг-К). 1 калория на грамм-кельвнн [кал/(г-К)1 нли 1 килокалория на килограмм-кельвнн [ккал/(кг-К)] =4,1868 Дж/(г-К) =4,1868 к Дж/(кг-К) (точно). 1 британская тепловая единица на фунт- градус Фаренгейта [В. Т. U./(lb.X°F)] =4186,8 Дж/(кг-К) (точно). Градиент температуры (L-k0). Единица СИ — кельвнн на метр (К/м). 1 кельвнн на сантиметр (К/см) = 100 К/м. 1 градус Цельсия на метр (1 °С/м) = 1 К/м. 1 градус Фаренгейта на сантиметр (°F/cm)= 0,5555 К/см=55,55 К/м. 1 градус Фаренгейта на дюйм (°F/in.) = = 21,872 К/м. 1 градус Фаренгейта на фут (°F/ft) = = 1,8227 К/м. Термическое сопротивление (L-2-Af_1-73X Х0). Единица СИ — кельвнн на ватт (К/Вт); ранее «тепловой ом» (Омт). 1 К/Вт=1 с3-К/(м2-кг). 1 кельвнн на калорию в секунду [К/(кал/ /с)] =0,239 К/Вт. 1 кельвнн на килокалорию в час [К/(ккал/ /ч) ] =0,85983 К/Вт. Удельное термическое сопротивление (L~’X ХМ_1Т3-0). Единица СИ — метр-кельвин иа ватт [(м-К)/Вт]. 1 м-К/Вт=1 Омт-м=1 с3-К/(м-кг). 1 саитиметр-кельвин на ватт (см • К/Вт) = =0,01 м-К/Вт. 1 сантиметр-кельвин на калорию в секун- ду [см-К/(кал/с)] =2,39 • 10~3 м-К/Вт. 1 метр-кельвнн на калорию в секунду [м• К/(кал/с)]=0,239 м-К/Вт. 1 метр-кельвин на килокалорию в час [м-К/(ккал/ч)1 =0,85983 м-К/Вт. Теплопроводность (£-Л4 Т-3 • 0->). Еди- ница СИ — ватт на метр-кельвнн [Вт/(м-К)]. 1 Вт/(м-К) = 1 Om^’-m-^I кг-м/(с3-К). 1 Вт/(см-К) = 1 Дж/(с-см-К) = Ю-5 Вт/ /(м-К). 1 фурье (Фр) = 10~4 Вт/(см-К) = 10-2 Вт/ /(м-К). 1 кал/(с-см-К) = 418,68 Вт/(м-К) (точно). 1 ккал/(м-ч-К) = 1,163 Вт/(м-К). 1 В. Т. U./(in.XsX°F) =7,477-104 Вт/ /(м-К). 1 В. Т. U./(ftXhrX°F) = 1,731 Вт/(м-К). Коэффициент температуропроводности (L2-T-‘). Единица СИ — метр в квадрате на се- кунду (м2/с). 1 см2/с=10~4 м2/с. 1 sq-in./s=6,4516-10~4 м2/с. Поверхностная плотность теплового по- тока (Af-T-3). Единица СИ — ватт на квад- ратный метр (Вт/м2). 1 Вт/м2=1 Дж/(с-м2) = 1 кг/с3. 1 эрг в секунду на квадратный сантиметр [эрг/(см2-с)1 = 1 г/с3= 10_3 кг/с3. 1 ватт на квадратный сантиметр (Вт/см2) = = 104 Вт/м2. 1 кал/(с-см2) =4,1868-104 Вт/м2 (точно). 1 ккал/(с-см2) =4,1868-107 Вт/м2 (точно). 1 ккал/(ч м2) = 1,163 Вт/м2. 1 В. Т. U./(sq. in.Xs) = 1,63535-10е Вт/м2. 1 В. Т. U./(sq. ftXs) = 1,1357-104 Вт/м2. Коэффициент теплообмена, коэффициент теплоотдачи (М-Т-3-©-1). Единица СИ—ватт на квадратный метр-кельвин [Вт/(м2-К)]. 1 Вт/(м2-К) = 1 Дж/(м2-с-К) = 1 кг/(с3-К). 1 эрг/(см2-с-К) = 10~3 Вт/(м2-К). 1 Вт/(см2-К) = 104 Вт/(м2-К). 1 кал/(с-см2-К) =4,1868-104 Вт/(м2-К) (точно). 1 ккал/(ч-м2-К) = 1,163 Вт/(м2-К). 1 В. Т. U./(sq. in.XsX’F) =2,9436- 10е Вт/(м2-К). 1 В. Т. U./(sq. ftXsX’F) =2,044 -IO4 Вт/(м2-К). ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ В настоящем разделе «ед. СГС» обознача- ет единицу соответствующей физической вели- чины симметричной системы сантиметр— грамм—секунда и с — числовое значение вы- раженной в см/с скорости света в вакууме, равное приближенно ЗЮ10 (точнее — см. с. 15). Для электрических величин единицы СГС совпадают с единицами электростатической си- стемы сантиметр — грамм — секунда (СГСЭ), а для магнитных величин — с единицами элек- тромагнитной системы сантиметр — грамм — секунда (СГСМ). Электрический ток (/). Единица СИ — ам- пер (А). 1 А=1 Кл/с=1 В/Ом = 1 Вб/Гн=1 В-См = = 1 Вт/В = 1 Дж/(с-В). 1 ед. СГС=(10/с) А=3,33-10~1° А.
§ 1.1 Единицы и размерности физических величин 13 Количество электричества, электрический заряд, поток электрического смещения (Т-1). Единица СИ — кулон (Кл; прежнее обозначе- ние к). 1 Кл=1 А-с=1 В-Ф=1 Вб-с/Гн = = 1 В-с/Ом. 1 ед. СГС=(10/с) Кл = 3,33-10-10 Кл. 1 ампер-час (А-ч)=3600 Кл. Плотность электрического тока (L~2-I). Единица СИ — ампер на квадратный метр (А/м2). 1 А/см2=104 А/м2; 1 А/мм2==106 А/м2. 1 ед. СГС=(10/с) А/см2=105/с А/м2= = 3,33 мкА/м2=3,33-10-6 А/м2. Подвижность носителей заряда (М~'-Е2Х X/)- Единица СИ — метр в квадрате на вольт-секунду [м2/(В-с)] или тесла в минус первой степени; ~1 В/м~ = 1 м2/(В’с) = 1 Тл-1г=1 А-с2/кг; 1 см/с - ~=1 см7(В-с) = 10~4 м7(В-с) = 1 В/см = 10~4 Тл-1 = 10-4А с7кг. Поверхностная плотность электрического заряда, электрическое смещение, поляризован- ность (L~l-T-I). Единица СИ — кулон на ква- дратный метр (Кл/м2). 1 Кл/м2=1 А-с/м2; 1 Кл/см2=104 Кл/м2. 1 ед. СГС=(10/с) Кл/см2= (105/с) Кл/м2= =3,33 мкКл/м2=3,33-Ю~в Кл/м2. Объемная плотность электрического заря- да (L~3-T-l). Единица СИ — кулон на куби- ческий метр (Кл/м3). 1 Кл/м3=1 А-с/м3; 1 Кл/см’=10’ Кл/м3. 1 ед. СГС=(10/с) Кл/см3= (107/с) Кл/м3= =3,33-10-4 Кл/м3. Электрический момент диполя (L-E-/). Единица СИ — кулон-метр (Кл-м). 1 Кл-м=1 А-с-м; 1 Кл-см = 0,01 Кл-м. 1 ед. СГС= (10/с) Кл • см= (0,1/с) Кл-м = =3,33-10-12 Кл-м. 1 дебай (Д) = 10-18 ед. СГС= (10-17/с) Кл-см= (10~19/с) Кл-м=3,333-10-3° Кл-м. Электрическое напряжение, электрический потенциал, электродвижущая сила (L2*A1X ХЕ-3-/-1). Единица СИ — вольт (В). 1 В = 1 А-Ом=1 А/См=1 Кл-Ом/с= = 1 Кл/(с-См) = 1 Вт/А=1 Дж/Кл=1 НХ Хм/Кл= 1 кг-м2/(с3-А). 1 ед. СГС=(10-8/с) В = 300 В. Напряженность электрического поля, элек- трическая прочность (L-M-T-3-У1). Единица СИ — вольт на метр (В/м). 1 В/м = 1 кгм/(с3-А). 1 В/см=100 В/м; 1 В/мм=1 кВ/м = = 103 В/м. 1 кВ/мм=1 В/мкм=1 МВ/м=108 В/м 1 ед. СГС=(10-8/с) В/см=(10-6/с) В/м= =30 кВ/м=3-104 В/м. 1 вольт на мнл (V/mil) = 1 киловольт на дюйм (kV/in) = 39,33 В/мм = 39,33 кВ/м = =3,933-104 В/м. Электрическое сопротивление, удельное по- верхностное сопротивление (L'--M-T~2 • /-2). Единица СИ — ом (Ом; международное обо- значение Q). 1 Ом=1 См->=1 В/А=1 В2/Вт=1 Гц->Х Хф-’=1 с/Ф=1 кг-м2/(с3-А2). 1 ед. СГС=(10-9/с2) Ом=9-Ю11 Ом. Удельное электрическое сопротивление ма- териала, удельное электрическое сопротивле- ние (на единицу длины) изоляции кабеля (L3-M-T~3 • У-2). Единица СИ — ом-метр (Ом-м). 1 Ом-м=ЮО Ом-см=1 кг- м3/(с3-А2). 1 Ом-см = 0,01 Ом-м; 1 МОм-см — = 104 Ом-м. 1 Ом — квадратный миллиметр на метр (0м-мм7м) = 1 мкОм-м= Ю""8 Ом-м. 1 мегаом-кнлометр (МОмкм) = Ю9 Ом-м. 1 ед. СГС= (10-9/с2) Ом-см=9-Ю11 ОмХ Хсм=9-109 Ом-м. Электрическая проводимость (L~2-M“!X ХЕ3-/2). Единица СИ —снменс (См, прежнее обозначение сим). Ранее эта единица называ- лась «обратный ом» или «мо» (mho), и при- менялось международное обозначение у , т. е. перевернутая греческая буква Q (омега). 1 См=1 Ом-’ = 1 А/В = 1 Кл/(В-с) = = 1 Вт/В2= 1 Ф/Гц=1 Ф/с= 1 с3-А2/(м2-кг). 1 ед. СГС= (109/с) См= 1,11 • 10-12 См. Удельная электрическая проводимость (L~3-M~l -Т3 • У2). Единица СИ — снменс на метр (См/м). 1 См/м = 1 Ом-'-м-1 = 1 А/(м-В) = = 1 Ф/(с-м) = 1 с3-А2/(м3 • кг). 1 См/см=1 Ом-1-см-’= 100 См/м. 1 ед. СГС=(109/с2) См/см = (10п/с2) См/ /м= 1,1 ЫО-10 См/м. Удельная электрическая проводимость стандартной электротехнической меди (IACS, сокращение от слов International Annealed Copper Standard) =58 МСм/м = 5,8-107 См/м (точно). Коэффициент термоэлектродвижущей силы (L~2-M-T~3 • У-1©-1). Единица СИ — вольт на кельвин (В/К). 1 В/К=1 В/°С=1 кг/(м2-с3-А-К). 1 вольт на градус Фаренгейта (V/°F) = = 1,8 В/К. Электрическая емкость (£,-2Л1-1 -Г4 • У2). Единица СИ — фарад (Ф); ранее эта единица называлась «фарада». 1 Ф = 1 Кл/В = 1 А-с/В = 1 с/Ом=1 СмХ Хс=1 См/Гц=1 с4-А2/(м2-кг). 1 ед. СГС—«сантиметр емкости» (см — не смешивать с сантиметром — единицей дли- ны!) = (109/с2)Ф = 1,111 пФ=1,111-Ю-12 Ф. Абсолютная диэлектрическая проницаемость (L-3-Al~1-E4 • У2). Единица СИ — фарад на метр (Ф/м). 1 Ф/м = 1 с/(Ом-м) = 1 с4 • А2/(м3 • кг). Вектор Пойнтинга (размерность М-Т~3 и единицы совпадают с размерностью и единица- ми поверхностной плотности теплового потока, (см. с. 12). Единица СИ — ватт на квадратный метр (Вт/м2). 1 Вт/м2=1 Дж/(м2-с) = 1 кг/с3. Активная мощность (размерность Ьг-Мус У.Т~3 и единицы совпадают с размерностью и единицами мощности, см. с. 11). Единица СИ — ватт (Вт). 1 Вг=1 ВА=1 В2/Ом = 1 В2/См=1 кгХ Хм2/с3- Реактивная мощность (размерность совпа- дает с размерностью мощности и активной мощности, см. выше). Единица СИ — вар (вар). 1 вар=1 Вт=1 В-А=1 кг-м2/^.
Общие справочные сведения Разд. 1 Полная мощность (размерность совпадает с размерностью мощности, активной мощности и реактивной мощности, см. выше). Единица СИ — вольт-ампер (В-А). 1 В-А=1 Вт—1 кг-м2/с3. Магнитный поток (L2-M-T~2-l-'). Едини- ца СИ —вебер (Вб). 1 Вб-1 Вс-1 А-Гн-1 м2 • кг/(с’-А). 1 ед. СГС—1 максвелл (Мкс)— 10—• В б. Магнитная индукция (М-Т~2 •/-'). Едини- ца СИ — тесла (Тл). 1 Тл-1 Вб/м2—1 В-с/м2=1 А-Гн/м2— — 1 кг/(с2-А). 1 ед. СГС—1 гаусс (Гс)= 10-4 Тл. Магнитодвижущая сила, разность скаляр- ных магнитных потенциалов (/). Единица СИ— ампер (А; прежнее название единицы магнито- движущей силы «ампер-виток», ав). 1 ед. СГС—1 гильберт (Гб) —(10/4л) А— —0,79577 А (обычно считают округленно 0,8 А). Напряженность магнитного поля (£-’•/). Единица СИ — ампер на метр (А/м). 1 ед. СГС—1 эрстед (Э) — (1000/4л) А/м — =79,577 А/м (обычно считают округленно 80 А/м). Индуктивность (L2'M-T~2-I-2). Единица СИ — генри (Гн). 1 Гн—1 Вб/А-1 Вс/А—1 м2 • кг/(с2 А’). 1 ед. СГС — 1 сантиметр индуктивности (см; не смешивать с сантиметром длины и с сантиметром емкости!) —1 нГн—10-9 Гн. Магиитиый момент диполя, магнитный мо- мент тока (L2-l). Единица СИ-----ампер-квад- ратный метр (А-м2). Магнитное сопротивление (L~2-M-'-T2'X X/2). Единица СИ — ампер на вебер (А/Вб). 1 А/Вб-1 с2 • А/(м2-кг). Магнитная проводимость (L2-M-T~2-J~2). Единица СИ — вебер на ампер (Вб/А). 1 Вб/А-1 м2-кг/(с2-А2). Абсолютная магнитная проницаемость (L-M-T~2-l~2). Единица СИ — генри на метр (Гн/м). 1 Гн/м —1 Вб/(Ам) = 1 В-с/(А-м) = 1 мХ Хкг/(с2-А2). Коэффициент Холла (£3-Г-1./-1). Едини- ца СИ — метр в кубе на кулон (м’/Кл). 1 м’/Кл — 1 6м-м/Тл—1 В-м/(Тл-А) = = 1 м3/(с-А). 1 см3/Кл—10~6 м2/Кл. СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ Сила света (У). Единица СИ — кандела (кд; прежнее название «свеча», св). Световой поток (У). Единица СИ — люмен (лм). 1 лм —1 кд-ср. Освещенность (£~2-У). Единица СИ — люкс (лк). 1 лк—1 лм/м2. 1 фот (фот) —104 лк. Яркость (£-2-У). Единица СИ — кандела на квадратный метр (кд/м2; ранее эта едини- ца называлась «нит»). 1 стильб (сб) = 10‘ кд/м2. 1 апостильб (асб) —(1/л) кд/м2—0,3183 кд/м2. 1 ламберт (лб) = 104 асб—(104/л) кд/м2— —3183 кд/м2. Светимость (£"2-У). Единица СИ — лю- мен на квадратный метр (лм/м2). 1 лм/м2—1 кд-Ср/м2. i радфот—104 лм/м2. РАДИАЦИОННЫЕ ВЕЛИЧИНЫ Активность нуклида (Т-1). Единицы СИ— беккерель (Бк). 1 Бк—1 распад в секунду—1 расп./с— — 1 с-1. 1 кюри (Ки)« 3,7-1010 Бк. 1 резерфорд (Рд) = 10е Бк. Поглощенная доза излучения, керма (L2-T~2). Единица СИ — грэй (Гр). 1 Гр—1 Дж/кг—1 м2/с2. 1 рад (не смешивать с обозначением «рад» для радиана, см. с. 9) = 100 эрг/г=0,01 Дж/ /кг—0,01 Гр. Мощность поглощенной дозы, мощность кермы (УЛТ-3). Единица СИ — грэй в секун- ду (Гр/с). 1 Гр/с—1 Дж/(кг-с) = 1 Вт/кг —1 м2/с3. 1 рад/с—0,01 Дж/(кг-с) —0,01 Вт/кг. Эквивалентная доза излучения (L2-T~2). Единица СИ — зиверт (Зв).. 1 Зв —1 Дж/кг=1 м2/с2. 1 бэр (бэр)—0,01 Зв. Мощность эквивалентной дозы (£2-7~3). Единица СИ — зиверт в секунду (Зв/с). 1 Зв/с—1 м2/с3. 1 бэр/с—0,02 Зв/с. Экспозиционная доза фотонного излучения (М-'.Т-1). Единица СИ—кулон на килограмм (Кл/кг). 1 Кл/кг—1 с-А/кг. 1 рентген (Р) — 2,58-10~4 Кл/кг. Мощность экспозиционной дозы (Af-'./). Единица СИ — кулон на килограмм в секунду [Кл/(кг-с)]. 1 Кл/(кг-с) = 1 А/кг. 1 Р/с-2,58.10-4 Кл/(кг-с). ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ Относительная величина — безразмерное отношение физической величины к одноимен- ной величине, принятой за исходную; таковы, в частности, относительное удлинение, относи- тельная атомная масса, относительная диэлект- рическая проницаемость, относительная маг- нитная проницаемость, добротность и т. п. Еди- ницы относительных величин: безразмерная единица (1); процент (%)—0,01; промилле (%о) —0,001; миллионная доля (млн.-1; в зарубежной литературе «р. р. т.»). Логарифмическая величина — логарифм (десятичный, натуральный или двоичный) от- носительной величины. Для измерения усиления, затухания, уровня звукового давления применяются еди- ницы—бел (Б; чаще используется децибел, дБ) и непер (Нп). 1 Б-lg (A/А) при А=ЮА, где Р\ и А — одноименные энергетические ве- личины (значения мощности, энергии, плотности энергии и т. п.). Число децибелов равно 10 А/А- Если же имеется в виду отношение двух одноименных силовых величин (значений на- пряжения, напряженности поля, силы тока,
§ 1.2. Важнейшие физические постоянные 15 давления я т. и.) F2 я Fi, то 1 B—21g(F2/Fi) при Fs— "/ToFt. При тех же обозначениях Pt, Pj, Ft и Fj, что и выше, 1 Нп—0,5 In (Fj/Pi) при Pi/Px^e; 1 Ни—ln(F2/Ft) при FtlFx—e, где в — основание натуральных логарифмов (е—2,71828). Соотношения единиц Б, дБ и Нп: 1 Б—10 дБ —1.151 Нп; 1 дБ=0,1 Б—0,1151 Нп; 1 Нп=0,8686 Б=8,686 дБ. Прн необходимости указать исходную ве- личину ее значение помещают с пометкой «те» (первые буквы слова reference) в круглых скоб- ках после обозначения логарифмической вели- чины. Например, обозначение уровня звукового давления 40 децибелов по отношению к при- нимаемому за нулевой уровень значению звуко- вого давления 20 мкПа имеет вид: 40 дБ (ге 20 мкПа) или 4 Б (ге 20 мкПа). Фон (фон) — уровень громкости звука, для которого уровень звукового давления равно- громкого с ним звука частотой 1 кГц равен 1 дБ. Бит (бит) — количество информации, по- лучаемое при осуществлении одного из двух равновероятных событий 1.2. ВАЖНЕЙШИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ Гравитационная постоянная Go = 6,672-10—11 Н-м2/кг?. Скорость света в вакууме с0= 1/КвоИо = 2,997925-108 м/с « « 3-108 м/с. Электрическая постоянная 10’ м/Гн '--------= 8,854188-10-1? ф/м. 4лс2 Магнитная постоянная p.0 = 4n-10—7 Гн/м (точно) = = 1,256637-10—« Гн/м. Волновое сопротивление вакуума Zo — ]/~|Xo/So — 376,73 Ом 120л Ом. Коэффициент пропорциональности в фор- муле Эйнштейна W=tnc2, где W — энергия н m — масса: СцЯ> 9-1016 м2/с2 = 9-101в Дж/кг. Постоянная Планка (элементарный кваит действия) h = 6,626176-10—31 Дж/Гц; постоянная Дирака h = Л/2л = 1,054589- 10-34 дж.с. Энергия фотона электромагнитного излу- чения частотой f (угловая частота ш=2л/) равна W = й/ = Йсо. Соотношения длины электромагнитной вол- ны в вакууме X, частоты колебаний f и перио- да колебаний Т: Т — Iff; Kf^k/Т^с» 3-10» м/с = 3-10» м-Гц. Соотношения для некоторых значений f и X: f, Гц X /- Гц X 50 6000 км юн 3 мм 103 300 км 3-10“ 1 мм 108 3 м 10“ 0,3 мм 3-10» 1 м 3-10“ 0,1 м 10’ 3 дм 1013 30 мкм 3-10’ 1 дм 3- Ю*3 10 мкм 101° 3 см 10“ 3 мкм 3-101» 1 см 3-10“ 1 мкм Элементарный электрический заряд е= 1,602189-10-1’ Кл. Масса покоя электрона те = 5,485803-10—4 а. е.м = = 9,109534-10—31 кг. Отношение заряда к массе электрона е/тв= 1,758805-104 Кл/кг. Отношение массы протона к массе элект- рона тр!те = 1836,15. Магнетон Бора = ей/4лтв = 9,274078-10—24 Дж/Тл. Квант магнитного потока Фо = й/2е = 2,06785- 10-“ Вб. Отношение Джозефсона 1/ф0 = 2е/й = 4,835939-1014 Гц/В. Постоянная Авогадро (количество молекул в одном моле вещества) ЫА—\ г/(моль-а. е. м.) = = 6,022045-1023 моль-*. Постоянная Фарадея (заряд, переносимый прн электролизе одним грамм-эквивалентом ве- щества) F = na е = 9,648456-Ю4 Кл/моль. Число Лоренца (коэффициент пропорцио- нальности Lo в уравнении Hly—La-T для иде- альных проводников, где х — коэффициент теп- лопроводности; у — удельная электрическая проводимость; Т — температура, К) jr2fc2 Lo = = 2,443-10-8 В2/Кг- Универсальная газовая постоянная (коэф- фициент R пропорциональности в уравнении Менделеева — Клапейрона для идеальных газов
16 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 pV=MRT/т, где р — давление, V — объем л М— масса газа, т— его относительная моле- кулярная масса и Т — термодинамическая тем- пература, К) /?= 8,31441 Дж/(моль-К) Постоянная Больцмана k=R/NA = 1,380662-10—аз Дж/К; кинетическая энергия молекулы газа при тем- пературе Т, К, равна 1,5 kT. Объем, занимаемый одним молем идеаль- ного газа при нормальных термодинамических условиях (р= 101 325 Па = 760 мм рт. ст. н Т= = 273,15 К=0°С), Vm= 22,4138-10-3 м3/моль. Число Лошмидта (число молекул в 1 м3 идеального газа при нормальных термодинами- ческих условиях) N, = Д( , /V = 2,687-1025 м-з. Плотность сухого воздуха при нормальных термодинамических условиях равна 1,293 кг/м3. При давлении р, Па, и температуре Г, К, плот- ность (в кг/м3) воздуха: D_____________1,293______________р ~~ 1 + 0,00367 (Г— 273,15) 101 325 * Состав сухого воздуха (на уровне моря) по объему и по массе: Компонент % (об.) % (мае.) АЗОТ N2 . 78,23 75,70 Кислород О2 20,81 23,00 Аргон Аг . . . . . 0,90 1,24 Угольный ангидрид СО2 0,03 0,05 Прочие (Н2, Ne, Не, Кг, Хе, NH3, I, Rn) . . . 0,03 0,01 Плотность воды прн нормальных термоди- намнческих условиях составляет 999,84 кг/м3 Наибольшую (при том же давлении р~ — 101 325 Па) плотность, весьма близкую к 1000,0 кг/м3, вода имеет при 277,19 К (+3,98 °C). Температура тройной точки воды 273,16 К (точно; отсюда — определение кельвина), или около +0,01 °C. Давление тройной точки воды около 6,10 Па. Плотность ртути при нормальных термо- динамических условиях 13595,09 кг/м3. Нормальное ускорение свободного падения gn = 9,80665 м/с2. Список литературы 1.1. Бурдун Г. Д. Справочник по Международной системе единиц. Изд. 3-е, доп. М.: Изд-во стандар- тов, 1980. 232 с. 1.2. Глебов Г. Д. Единицы физических величин в электронике. М.: Высшая школа, 1983. 88 с. 1.3. ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78). Единицы физических величии. 1.4. ГССД 1-76. Таблицы стандартных справоч- ных данных. Фундаментальные физические постоян- ные. 1.5. Иванов В. И., Машкович В. П., Центер Э. М. Международная система единиц (СИ) в атомной нау- ке и технике. Справочное руководство. М.: Энергоиз- дат, 1981. 200 с. 1.6. Исаев Б. М., Юдин М. Ф. К внедрению Международной системы единиц в область измерений ионизирующих излучений. — Измерительная техника, 1981, № 12, с. 10—11. 1.7. Камке Д., Кремер К. Физические основы единиц измерення/Пер. с немецкого В. Е. Маркеви- ча и Н. В. Мицкевича; Под ред. А. Н. Матвеева. М.: Мнр, 1980. 208 с. 1.8. РД 50-160-79. Методические указания. Внед- рение и применение СТ СЭВ 1052-78 «Метрология. Единицы физических величин». 1.9. Олейникова Л. Д. Единицы физических ве- личин в энергетике (точность воспроизведения и передачи: Справочное пособие). М.; Энергоатомиз- дат, 1983. 232 с. 1.10. Сена Л. А. Единицы физических величин н их размерности. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Нау- ка, 1977. 336 с. 1.11. Тареев Б. М. К вопросу об оценке измене- ний управляемых параметров материалов и ком- понентов. — Электричество, 1976, № 9, с 54—56. 1.12. Тареев Б. М. Применение Международной системы единиц физических величии (СИ) в физике диэлектриков/В ки.; Материалы радиоэлектроники. Межвузовский • борник научных трудов. М.: МИРЭА, 1979, с. 5—14. 1.13. Чертов А. Г. Единицы физических величин. М.: Высшая школа, 1977. 287 с. 1.14. Стоцкий Л. Р. Физические величины и еди- ницы. Справочник. М.: Просвещение, 1984. 239 с. РАЗДЕЛ 2 ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Б. М. Тареев 2.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ, НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В инженерной практике термины «электро- изоляционный материал» и «диэлектрический материал» часто применяются как равнознач- ные. Однако согласно ГОСТ 19880-74 диэлек- трик определен как «вещество, основным элек- трическим свойством которого является спо- собность поляризоваться в электрическом по- ле»; диэлектрический материал по ГОСТ 21515-76 определен как «материал, предназна- ченный для использования его диэлектриче- ских свойств», а электроизоляционный матери- ал—как «диэлектрический материал, предна- значенный для электрической изоляции». Та- ким образом, объем понятия «диэлектрический материал» шире, чем объем понятия «электро-
§ 2.2. Электропроводность диэлектриков 17 изоляционный материал»: под понятие «ди- электрический материал» подходят, но под по- нятие «электроизоляционный материал» ча- стично нлн полностью не подходят диэлек- трики, применяемые в конденсаторах, когда требуется иметь определенную электрическую емкость устройства, а также приобретающие гее большее значение в современной технике активные диэлектрики (см. т. III Справочни- ка). Активные (управляемые) диэлектрики че только играют «пассивную» роль, т. е. создают электрическую изоляцию; в различных устрой- ствах, в частности в некоторых радиоэлектрон- ных аппаратах, используется изменяемость па- раметров этих материалов под действием раз- личных факторов. К активным диэлектрикам принадлежат сегнетоэлектрики, диэлектриче- ская проницаемость которых существенно из- меняется при нзмененнн напряженности элект- рического поля н при изменении температуры; пьезоэлектрики, генерирующие электрические заряды под действием механических напряже- ний и, наоборот, изменяющие свои размеры под действием электрического поля; электреты, ко- торые могут рассматриваться как электричес- кие аналоги постоянных магнитов, так как онн способны длительно сохранять электрический заряд, н др. В настоящем разделе рассмотрены в ос- новном электроизоляционные материалы; одна- ко многие определения и положения этого раз- дела имеют значение для рассмотрения н дру- гих видов диэлектрических материалов. Очевидно, что никакая, даже наиболее простая электрическая цепь не может быть выполнена без применения как проводниковых, так н электроизоляционных материалов. На- значение электрической изоляции сводится прежде всего к тому, чтобы воспрепятствовать прохождению тока путями, нежелательными для работы данной электрической цепн. Электроизоляционные материалы по агре- гатному состоянию разделяются на твердые, жидкие и газообразные; особую группу состав- ляют твердеющие материалы, которые в том состоянии, в котором они вводятся в электри- ческую изоляцию, являются жидкими или пла- стичными, но в готовой, работающей изоля- ции — твердыми веществами. По химическому составу электроизоляци- онные материалы разделяются на органичес- кие — соединения углерода с водородом, азо- том, кислородом и некоторыми другими эле- ментами — и неорганические. Особая группа материалов — элементоорганические, в молеку- лы которых входят атомы элементов, не харак- терных для обычных органических веществ, — кремния, магния, алюминия, титана и пр. Как правило, неорганические материалы имеют бо- лее высокую нагревостойкость, чем органичес- кие материалы. Различают также природные электроизоля- ционные материалы (природного происхожде- ния, применяемые без химической переработ- ки), искусственные электроизоляцноные мате- риалы (получаемые путем химической перера- ботки природного сырья) и синтетические электроизоляционные материалы (получаемые методом химического синтеза). Для оценки электрических свойств, а так- же гигроскопичности, адгезионных свойств и т. п. диэлектриков важно разделение мате- риалов на полярные, молекулы которых всегда имеют некоторый отличный от нуля «постоян- ный» электрический момент, и неполярные, молекулы которых приобретают «индуцирован- ный» электрический момент только прн воздей- ствии внешнего электрического поля. Важно также разделение диэлектриков на гетеропо- лярные (ионные), молекулы которых сравни- тельно легко диссоциируют (расщепляются) на имеющие противоположные по знаку элект- рические заряды частицы (ионы), и гомеопо- лярные, для которых диссоциация на ноны не характерна. 2.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ По самому своему назначению электроизо- ляционные материалы совершенно не должны пропускать электрический ток под действием приложенного постоянного 1 электрического на- пряжения, т. е. они должны быть непроводнп- ками. Однако «идеальных» непроводников не существует, и все практически применяемые электроизоляционные материалы прн приложе- нии постоянного напряжения все же пропус- кают некоторый, обычно весьма незначитель- ный ток. Ток, проходящий через участок изоляции (или в частном случае через образец электро- изоляционного материала) прн установившем- ся процессе электропроводности, т. е. спустя достаточно большой промежуток времени пос- ле приложения постоянного напряжения, так- же является постоянным и называется сквоз- ным током утечки. Таким образом, проводи- мость любого участка изоляции не равна нулю, а имеет конечное значение, и сопротивление изоляции не бесконечно велико, а конечно; со- ответственно и удельные сопротивления элект- роизоляционных материалов также конечны, хотя и чрезвычайно велнки по сравнению с удельными сопротивлениями проводниковых материалов. Проводимость изоляции биз, См, как и проводимость любого проводящего тела, опре- деляется как отношение сквозного тока утечки через изоляцию /из, А, к приложенному к изо- ляции постоянному напряжению U, В: Сиз==^из/^- (2-1) Величина Ra3, Ом, обратная величине Сиз, — сопротивление изоляции Raa = 1/биз' (2.2) Различают объемную проводимость изоля- ции G, численно определяющую проводимость через толщу изоляции, н поверхностную прово- димость изоляции Gs, характеризующую нали- чие слоя повышенной электропроводности на поверхности раздела твердой изоляции с окру- жающей газообразной (в большинстве случа- ев — воздухом) нлн жидкой средой; этот слой создается вследствие неизбежных загрязнений, увлажнения и т. п. Для газообразных н жид- ких диэлектриков поверхностная проводимость обычно не рассматривается. ' Под действием приложенного переменного на- пряжения всякий диэлектрик пропускает переменный емкостный ток, см. формулу (2.21).
18 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 Рис. 2.1. Объемный и поверхностный токи утечки через участок изоляции (схематически) Рис. 2.2. Участок изоляции с постоянным по- перечным сечением Рис. 2.3. Участок изоляции между электрода- ми в виде двух коаксиальных цилиндров (ци- линдрический конденсатор) Соответственно вводятся понятия объем- ного тока утечки 1 и поверхностного тока утеч- ки 1в (рнс. 2.1), а также объемного сопротив- ления изоляции R и поверхностного сопротивле- ния изоляции Rs. Очевидно, что сопротивления R н Rs включены параллельно друг другу между электродами, через которые подается иапряженне на изоляцию. Таким образом, I = U/R = UG‘, I =U!R^UG.\ R = 1/G; (2.3) /?s= 1/GS; — I + G„3=l/₽+l//?s. Ниже приводятся формулы [(2.4)—(2.6)] для расчета объемных сопротивлений R, Ом, участков изоляции из однородного н изотроп- ного диэлектрика наиболее важных практиче- ски геометрических конфигураций. В этих фор- мулах р [для диэлектриков часто обозначает- ся также ру в отлнчие от удельного поверх- ностного сопротивления ps, см. формулу (2.11) — параметр диэлектрика — его удель- ное объемное сопротивление; единица р — Ом-м («ом-метр»). Для простейшей конфигурации участка изоляции с постоянным поперечным сечением S, м2 (равным площади каждого электрода), И толщиной (расстоянием между электродами) й, м. т. е. диэлектрика плоского конденсатора (рис. 2.1 и 2.2), R=ph/S, (2.4) или p==₽S/ft. (2.4') Для участка изоляции между электродами, Имеющими вид двух коаксиальных цилиндров с осевой длиной /, м, диаметром внутреннего электрода dt (радиус г,) и диаметром внеш- него электрода d2 (радиус г2), т. е. диэлект- рика цилиндрического конденсатора (рис. 2.3)' или изоляции коаксиального кабеля: R=-~ln-~ = ~~ln — ; (2.5) 2л/ dj 2л/ Г1 при d2—dt<di (или г2—Г1<Г|) p = _LA^l=X^_ (2.6) л/ d2 + <4 л/ г2 + ri Формулы (2.4)—(2.6) справедливы, если мы пренебрегаем растеканием линий тока от краев электродов в часть объема изоляции, не охватываемую электродами. Как видно из рис. 2.2 и формулы (2.4), величина р равна сопротивлению куба нз дан- ного материала с ребром, равным единице длины (предполагается, что ток проходит от одной грани куба к противоположной), умно- женному на единицу длины. В литературе встречаются и другие единицы для р электро- технических материалов, кроме ом-метра. Так. для электроизоляционных материалов и полу- проводников нередко выражают р в ом-сантн- метрах (Ом-см). Для проводниковых мате- риалов часто выражают п в формуле (2.4) в метрах, aS — в мм2; отсюда получается еди- ница для р — Ом-мм2/м или равная ей еди- ница СИ мкОм-м. Соотношения указанных единиц — см. с. 13. Значения р практически применяемых твер- дых и жидких электроизоляционных материа- лов (при нормальной температуре, нормаль- ной влажности окружающего воздуха и не слишком высоких значениях напряженности электрического поля в материале) лежат в пре- делах примерно от 10е—10е Ом-м для сравни- тельно низкокачественных, применяемых в ма- ло ответственных случаях материалов (древе- сина, мрамор, асбестоцемент и т. п.) и до 1014—1017 Ом-м для таких материалов, как по- листирол, полиэтилен, политетрафторэтилен и т. п.; для ненонизированных газов р еще выше. Отношение удельных сопротивлений вы- сококачественного твердого диэлектрика и хо- рошего проводника (при нормальной темпера- туре) выражается колоссальным числом — по- рядка 1023—1025. Величина у, обратная величине р, — удель- ная объемная проводимость материала, См/м: 7=1/р. (2.7) Помимо См/м (или Ом-’-м”'), иногда применяют другие единицы для у, являющиеся величинами, обратными вышеприведенным еди- ницам для р: См/см, м/(Ом-мм2) или МСм/м и т. п. (см. с. 13).
§ 2.2. Электропроводность диэлектриков . 19 Электроды поверхностного со- противления между электродами с параллель- ными друг другу кромками Рис. 2.5. К определению поверхностного со- противления между двумя концентрическими электродами Рис. 2.6. К определению поверхностного сопро- тивления между двумя дисковыми электродами Для однородного электрического поля в материале могут быть написаны уравнения за- кона Ома в обобщенной форме: j = YE = £7p, (2.8) где J, А/м2—плотность тока проводимости (для электрической изоляции — плотность тока утеч- ки); Е, В/м — напряженность диэлектрического поля. В формулу (2.8) геометрические разме- ры тела, по которому проходит ток, не входят. Отметим еще два варианта удельного объ- емного сопротивления — удельное (поперечное) сопротивление слоя и удельное сопротивление изоляции кабеля. Поперечное сопротивление слоя Ry — со- противление участка площадью S, м2, слоя ди- электрика постоянной толщины h, м, сквозь который проходит ток (пример — слой эмали, нанесенный на металлическую пластинку): R± = p/i/S = p±S, (2.9) откуда удельное поперечное сопротивление слоя, Ом-м2: Р± = s = f>h- (2-9') Единица для удельного поперечного со- противлении слоя — Ом-м2. Удельное сопротивление изоляции кабеля (или провода) рк, т. е. объемное сопротивле- ние изоляции (между жилой и оболочкой, меж- ду двумя жилами и т.п.), отнесенное к едини- це длины кабеля, входит в формулу /?к=Рк//. (2.10) где Rr. — объемное сопротивление изоляции кабеля на участке длиной I. Отсюда Рк = Rk I- (2.10') Единица (Ом-м) рк та же, что и едини- ца р. Для одножильного кабеля с диаметром токопроводящей жилы dt (радиусом г() и внутренним диаметром металлической оболоч- кн d2 (радиусом г2) при значении удельною объемного сопротивления изоляции р величина рк может быть определена по формуле (2.5) или (2.6). Удельное поверхностное сопротивление рв характеризует свойство электроизоляционного материала создавать в изготовленной из него изоляции поверхностное сопротивление. По- верхностное сопротивление между двумя элек- тродами с параллельными обращенными друг к другу прямыми кромками длиной Ь, нахо- дящимнси на расстоянии а друг от друга (рис. 2.4), равно R$=P$a/b, (2.11) откуда Ps = Ь/а. (2. И') Как видно из формулы (2.11'), размер- ность удельного поверхностного сопротивления совпадает с размерностью сопротивления, т. е. единица ps — Ом. Удельное поверхностное со- противление ps равно сопротивлению квадра- та (любого размера!) на поверхности данного материала, если ток подводится к электродам, образующим две противоположные стороны этого квадрата; поэтому единицу ps иногда неправильно называют «ом на квадрат» (Ом/D). Формулы (2.11) и (2.1 Г) справедливы, если пренебречь влиянием краев электродов (прн a<g.b)\ мы имеем в виду также, что ток объемной утечки через материал между элек- тродами не учитывается (прн измерении или расчете тока утечки), т. е. весь ток утечки считается поверхностным. Если обращенные друг к другу кромки электродов на поверхности диэлектрика — две концентрические окружности (рнс. 2.5), то по- верхностное сопротивление кольцевого зазора между ними равно: Rs = -~ 1п-^-=-~ 1п-^- ,(2-12) * 2л dj 2л ri где di и ri — соответственно диаметр и радиуе внутреннего, a d2 и г2 — внешнего электрода. Формула (2.12) более точная, чем (2.11). Если d2—di<gd|, то = _££_ ,(2>13) л d2 + dj. Л г2 + Г1
20 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд, 2 Формулы (2.12) н (2.13) аналогичны фор- мулам (2.5) и (2.6). Поверхностное сопротивление между дву- мя дисковыми электродами, имеющими диа- метр d (радиус г), расположенными на неог- раниченной поверхности диэлектрика при рас- стоянии между нх осями I (рис. 2.6), равно: При rf-CZ __ 2p,s _£Ps_ I — г s л 21 -j-d л I -|- г (2.15) При замене конфигурации системы элек- тродов, между которыми определяется поверх- ностное сопротивление на данном диэлектрике, на. другую систему, геометрически подобную прежней, значение поверхностного сопротивле- ния Rs между этими электродами не изменит- ся. Для объемного сопротивления этот закон подобия не имеет силы. Физическая природа электропроводности диэлектриков. Электропроводность диэлектри- ков объясняется наличием в иих свободных (т. е. не связанных с определенными молекула- ми и могущих передвигаться иод воздействи- ем электрического поля) заряженных частиц (носителей заряда): нонов, молионов (колло- идных частиц), иногда электронов. Для многих электроизоляционных мате- риалов характерна ионная электропроводность, связанная с переносом нонов, т. е. явлением электролиза. В ряде случаев электролизу при прохождении через диэлектрик сквозного тока утечки подвергается основное вещество ди- электрика; примером может служить обычное стекло, в котором благодаря его прозрачности можно непосредственно наблюдать образова- ние и перенос продуктов электролиза; прн про- пускании постоянного тока через стекло, нагре- тое для повышения проводимости (см. ниже), у катода образуются древовидные отложения (дендриты) входящих в состав молекул стек- ла металлов, прежде всего натрия. Еще чаще (по крайней мере, для органических электро- изоляционных материалов) встречаются такие случаи, когда молекулы основного вещества диэлектрика не обладают способностью подвер- гаться диссоциации, но ионная электропровод- ность возникает благодаря присутствию в ма- териале практически неизбежных загрязне- ний — примесей воды, солей, кислот, щелочей и пр. Даже весьма малые примеси способны заметно влиять на проводимость диэлектрика; поэтому в технике электрической изоляции важное значение имеет чистота исходных про- дуктов и чистота рабочего места. У диэлектри- ков с ионным характером электропроводности соблюдаются законы Фарадея: количество вы- делившегося при электролизе вещества пропор- ционально количеству прошедшего через ма- териал электричества. Молионная электропроводность наблюда- ется в коллоидных системах, которые представ- ляют собой тесную смесь двух фаз, причем одна фаза (дисперсная фаза) в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой (диспер- сионной среде). Из коллоидных систем в элек- троизоляционной технике наиболее часто встре- чаются эмульсии (обе фазы — жидкости) и суспензии (дисперсная фаза — твердое вещест- во, дисперсионная среда — жидкость). Ста- бильность коллоидных систем объясняется на- личием на поверхности частиц дисперсной фазы (молионов) электрических зарядов. При воз- действии на коллоидную систему электрическо- го поля молионы приходят в движение, что вы- ражается как явление электрофореза. При электрофорезе в отличие от электролиза не наблюдается образования новых веществ, а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объема системы. Молионная электропроводность на- блюдается у жидких лаков и компаундов, ув- лажненных масел и т. п. В некоторых случаях в диэлектрических материалах наблюдается электронная электро- проводность, когда носителями заряда являют- ся свободные электроны. Так, рутил Т1О2, ряд титанатов (BaTiO3, CaTiO3, SrTiO3) и др. об- наруживают электронный характер электро- проводности. Электронная электропроводность типична для металлических проводников и электронных полупроводников. Прн повышении температуры удельное со- противление электроизоляционных материалов, как правило, существенно уменьшается (рис. 2.7). Связь между ТК объемного удельного со- противления ТКр н ТК объемного сопротивле- ния TKZ? [на основании формулы (1.3), с. 11]: ТКр=ТКЯ + а: (2.15') где a=TKZ— температурный коэффициент длины («линейного расширения») материала. Очевидно также [ср. формулу (2.11)}, что TKps = TK/?s. (2.16) Во многих случаях зависимость р элект- роизоляционных материалов от термодинами- ческой температуры Т хорошо описывается формулой р = A exp BIT, (2.17) где А и В — постоянные, чему соответствует линейная зависимость логарифма р от обрат- ной величины Т: 1пр=1пА + В/Т (2.17') (рис. 2.8). Иногда применяется формула р = аехр(—Ы), (2.18) где а и Ь — постоянные; t — температура, ’С. В этом случае ТКр = -6. (2.18') Условия работы электрической изоляции становятся более тяжелыми прн возрастании температуры, так как сопротивление изоляции прн этом уменьшается. Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить р диэлектри- ка. Это объясняется тем, что растворимые в
§ 2.3. Поляризация диэлектриков 21 Рис. 2.7. Зависимость удельного объемного со- противления р стеклоэмали от температуры. По Б. М. Тарееву Рис. 2.8. Зависимость удельного объемного со- противления слюды мусковит (перпендикуляр- но плоскостям спайности) от обратной вели- чины абсолютной температуры. По Н. П. Бого- родицкому Рис. 2.9. Зависимость удельного объемного со- противления р бентонитовой пленки от темпе- ратуры при нагревании и охлаждении образца. По Б. М. Тарееву Рис. 2.10. Зависимости сквозного тока утечки через изоляцию электрической машины от тем- пературы при различных значениях приложен- ного напряжения постоянного тока воде примеси диссоциируют на ионы; в неко- торых случаях влияние увлажнения может спо- собствовать диссоциации молекул основного вещества диэлектрика. Таким образом, усло- вия работы электрической изоляции становят- ся более тяжелыми также и при увлажнении. Весьма сильно влияет увлажнение на р волокнистых материалов, в которых влага мо- жет образовывать сплошные пленки вдоль во- локон, пронизывающие изоляцию. Гигроскопичные материалы для защиты от действия влаги после сушки пропитывают и (или) покрывают лаками, компаундами и т. п. При сушке электрической изоляции влага из нее удаляется и сопротивление ее растет. Поэтому при повышении температуры р ув- лажненного материала может даже расти (ес- Рис. 2.11. Зависимость удельного поверхност- ного сопротивления ps электроизоляционных материалов от относительной влажности окру- жающего воздуха: / — парафин,- 3 — янтарь; 3 — шеллак; 4 — глазуро- ванный фарфор Рис. 2.9 Рис. 2.10 ли влияние удаления влаги перевешивает влияние повышения температуры), н только после удаления значительной части влаги на- чинается снижение р. При быстром снятии об- ратного хода кривой, пока высушенный мате- риал не успел опять впитать влагу, при повы- шенных температурах получаются значитель- но более высокие значения р, чем при низких температурах (рис. 2.9). Сопротивление изоляции может умень- шаться с повышением приложенного к ней на- пряжения (рис. 2.10). Поэтому сопротивление изоляции (электрической машины, конденса- тора, кабеля и т. д.) по возможности должно измеряться при напряжении не ниже рабочего, чтобы не получить завышенного значения. За- висимость /?из от напряжения объясняется рядом причин: образованием в изоляции объ- емиых электрических зарядов; плохим контак- том между электродами и изоляцией; измене- нием под действием электрического поля фор- мы и размеров включений влаги; ионизацией газовых включений и др. При приложении к диэлектрику постоян- ного напряжения ток обычно спадает с тече- нием времени, приближаясь к некоторому ус- тановившемуся значению сквозного тока утечки. Изменение тока утечки со временем связано с образованием в диэлектрике объем- ных зарядов, с процессами электролиза («электрической очисткой», т. е. удалением из материала ионных примесей) и другими при- чинами (см. о «токе абсорбции» § 2.3). Характер изменения ps диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины и времени воздействия напряжения) сходен с характером изменения р, рассмотрен- ным выше; ps гигроскопичных диэлектриков весьма чувствительно к увлажнению (рис. 2.11). Для повышения ps диэлектриков приме- няют (в зависимости от вида диэлектрика) различные приемы; полировку поверхности ма- териала, промывку поверхности кипящей ди- стиллированной водой, прогрев материала прн достаточно высокой температуре, покрытие поверхности лаками, глазурями и т. п. 2.3. ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ Важнейшим свойством диэлектриков яв- ляется способность их к поляризации под дей- ствием приложенного электрического напряже- ния. Процесс поляризации представляет собой
22 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 изменение расположения в пространстве имею- щих электрические заряды частиц диэлектрика, причем диэлектрик приобретает индуцирован- ный (наведенный) электрический момент и в конденсаторе, образованном диэлектриком с электродами, образуется электрический заряд Q, Кл, равный Q = C<7, (2.19) где С — электрическая емкость конденсатора (участка изоляции с электродами), Ф, и U— приложенное к конденсатору напряжение, В. Энергия электрического поля, Дж, запа- сенная в участке изоляции с емкостью С, Ф, к которому приложено напряжение U, В: й7=-^ = — 2 2 (2.20) Под действием переменного синусоидаль- ного напряжения с действующим значением U, В, н частотой f, Гц (угловая частота <о, рад/с), через участок изоляции с емкостью С, Ф, про- ходит синусоидальный емкостный ток с дей- ствующим значением 1с, А: Ic=Ua>C = U-2nfC. (2.21) При параллельном соединении нескольких (п) конденсаторов нх общая (результирую- щая) емкость Ср равна сумме емкостей С< всех отдельных конденсаторов /=п сР = 2с(. (2-22) i=i Если же несколько конденсаторов соеди- нено друг с другом последовательно, то ре- зультирующая емкость С„ определяется фор- мулой т. е. в этом случае складываются уже не ем- кости, а обратные емкостям величины отдель- ных конденсаторов. При параллельном соединении конденсато- ров величина Ср больше, чем емкость любого из отдельных конденсаторов, а при последова- тельном соединении Cs меньше, чем емкость каждого из отдельных конденсаторов. Диэлектрическая проницаемость и ее прак- тическое значение. Электрическая емкость кон- денсатора (или, более обще, любого участка изоляции с электродами) зависит как от гео- метрических размеров и конфигурации конден- сатора, так и от вида материала, образующего диэлектрик этого конденсатора. Параметр е,, характеризующий способность материала обра- зовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью *. Значение ег вакуума равно единице, а всякого диэлектрического материала — больше единицы. Пусть Со — емкость вакуумного кон- денсатора произвольной формы и размеров; если, не изменяя формы, размеров и взаимно- го расположения электродов конденсатора, за- полнить пространство между электродами ма- 1 В дальнейшем, краткости ради, слово <отно- сительная» часто опускается. териалом с относительной диэлектрической проницаемостью в,, емкость конденсатора уве- личится в е, раз и будет составлять С = егС0. (2.24) Таким образом, емкость конденсатора дан- ных размеров и формы пропорциональна е., диэлектрика. Ниже приводятся формулы [(2.25) — (2.27)] для расчета емкости С, Ф, конденса- торов практически наиболее важных конфигу- раций. Мы обозначаем ео электрическую постоянную (с. 15), равную 8,854-10~12Ф/м. Произведение еоег=8а называется абсолютной диэлектрической проницаемостью1 диэлектрика; эта величина выражается в Ф/м. Для плоского конденсатора (см. рис. 2.1 н 2.2): С = eoer Sih = 8,854-10-“ er S/h, (2.25) где S, как и ранее, в м2, a h— в метрах. Для цилиндрического конденсатора (см. рис. 2.3): 2я1 2л/ С — еогГ = воВг — ' = Inc^/dj lnr2/r! = 2,42-10-“ er / = 2,42-10-“-----r-— (2.26) Ig^/'-i или при d2—di<^di db “b di tn -4- r- C fa еоег л/-----— = eoer л/-----------= d2 — “1 r2 — rl = 2,78-10—11 er / --2 + dl = d2~ di = 2,78-10-“ er /—2-^--1- ; (2.27) r2— rl Величина / в формулах (2.26) и (2.27) вы- ражена в метрах. Формулы (2.25) — (2.27) спра- ведливы при тех же допущениях, которые от- мечены для формул (2.4) — (2.6). Для изоляции кабелей, систем параллель- ных проводов и т. п. часто вводится понятие удельной (погонной) емкости, т. е. емкости, от- несенной к единице длины кабеля К = СЦ, (2.28) где С — емкость изоляции участка кабеля дли- ной I. Практически удобно определять К в в мкФ/км или, что то же самое, в иФ/м. Так, для одножильного кабеля удельная емкость, нФ/м, между жилой диаметром di (радиусом 1 По ныне действующему ГОСТ, в соответствии с публикацией Международной электротехнической комиссии, абсолютная диэлектрическая проницае- мость обозначается буквой или е (без индекса), а относительная диэлектрическая проницаемость символом е Г (г — первая буква слова relative). Так как по ранее действовавшему ГОСТ обозначение е (без индекса) применялось для относительной ди- электрической проницаемости и обозначение е в этом смысле еще н сейчас встречается в литературе, в Справочнике не используется для диэлектрических проницаемостей обозначение е, за исключением тех случаев, когда недоразумения из-за использования этого сокращенного обозначения исключаются, на- пример в записи ТК е [как следует из формулы (1.3) с. 11. ТК абсолютной и относительной диэлек- трических проницаемостей одинаковы].
§ 2.3. Поляризация диэлектриков 23 И) и металлической оболочкой или экраном внутренним диаметром d{ (радиусом п) ег К = 0,02416-----------= 0,02416 lg dzldt 1g гг!г1 (2.29) или при d2—d\<g.di d2 4- di т9 -4- тi /<«0,0278 8г ч T — =0,0278 er. “2 — ^1 r2—rl (2.30) Для двух параллельных круглых проводов диаметром d (радиусом г) каждый при рассто- янии между их осями h при условии d^Lh и без учета влияния земли К, нФ/м, определяет- ся формулой Л = 0,01208 Sf lg 2h/d = 0,01208 Вт lgh/r (2-31) Та же формула (2.31) определяет удельную емкость между круглым проводом диаметром d (радиусом г) н параллельной ему плоско- стью (например, поверхностью земли), если расстояние между осью провода н плоскостью равно Л/2, причем d<Ch. Для конденсатора или участка изоляции произведение CR ие зависит от геометричес- ких размеров и формы конденсатора н опреде- ляется лишь параметрами (ег н р) диэлектри- ка. Оно равно С/? = 80егр; (2.32) точек А и С, соответствующих /=0 й /= = С/?Из). Чем больше CRK3, тем выше качест- во изоляции конденсатора. На практике обычно выражают С н микро- фарадах, а Низ — в мегаомах, и произведение CRa3 получается в секундах, так как 1мкФ-1МОм= 10~6 Ф-10е Ом=1 Ф-1 Ом=1с. Существование зависимости /?яз от и де- лает уравнение (2.33) приближенным. Относительная диэлектрическая проницае- мость 8г не только определяет способность ма- териала образовывать емкость; она входит в ряд основных уравнений, характеризующих физические процессы, протекающие в диэлект- рике. Так, в соответствии с законом Кулона си- ла взаимодействия F, Н, двух точечных элект- рических зарядов (ji и г/г, Кл, расположенных в неограниченной среде с относительной ди- электрической проницаемостью ег на расстоя- нии друг от друга h, равна р =______.. е0ег-4лй2 (если знаки зарядов qi и q2 различны, имеет место взаимное притяжение зарядов, а если за- ряды <71 и <у2 одноименные — взаимное оттал- кивание). Выражение для напряженности электрического поля, Е, В/м (т. е. отталкиваю- щего усилия, действующего на единичный по- ложительный заряд), создаваемой точечным зарядом q на расстоянии h от него, (2.34) 808г-4л/г! (2.35) в частности, это соотношение видно при сопо- ставлении формул (2.25) с (2.4), (2.26) с (2.5) и (2.27) с (2.6). В формулу (2.32) входит величина объем- ного сопротивления изоляции R. Однако в ря- де случаев (например, для изоляции конденса- тора с тонким диэлектриком и широкими за- краинами) ток поверхностной утечки мал по сравнению с током объемной утечки, так что в эту формулу вместо R может быть подставле- но общее сопротивление участка изоляции /?яз. Произведение CR представляет собой со- противление изоляции, отнесенное к единице емкости. Это произведение характеризует н процесс саморазряда конденсатора: конденса- тор, имеющий емкость С н сопротивление изо- ляции R, находившийся под постоянным на- пряжением /70 и оставленный разомкнутым после отключения источника напряжения, по- степенно разряжается. Уравнение криной паде- ния напряжения и на электродах конденсато- ра н функции времени I, считая с момента от- ключения источника напряжения (рис. 2.12), для схемы замещения рис. 2.13 имеет внд: “ = ехр (— \ Таким образом, имеющее размерность вре- мени произведение CR есть постоянная вре- мени саморазряда конденсатора, т. е. нремя, в течение которого напряжение иа конденсаторе уменьшается в е=2,718... раза, равное в соот- ветствующем масштабе подкасательной к кри- вой u(t) в любой ее точке (иа рис. 2.12 пока- зано построение подкасательных ОВ и BD для (2.33) выводится из (2.34) подстановкой <7i=<7 и <72=4-1 Кл. Как уже отмечалось, поляризация прояв- ляется как образование в объеме диэлектрика V отличного от нуля индуцированного элект- рического момента, равного геометрической сумме Sp моментов, Кл-м, всех поляризован- ных молекул диэлектрика, находящихся в объ- еме V. Поляриэованность Р, Кл/м2,— величи- на, численно характеризующая интенсивность поляризации диэлектрика и равная пределу отношения электрического момента некоторого объема диэлектрика к этому объему, когда по- следний стремится к нулю. В наиболее про- Рис. 2.12. Зависимость напряжения на конден- саторе при его саморазряде от времени Рис. 2.13. Схема замещения для рассмотрения саморазряда конденсатора (к рис. 2.12)
24 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 стом случае однородного поля (плоского кон- денсатора) с объемом диэлектрика между электродами V=Sh (см. рис. 2.1 и 2.2) Р равна: , (2.36) V Sh a Sp равна произведению поверхностной плот- ности а связанных электрических зарядов на поверхностях раздела диэлектрика и электро- дов (в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируют друг друга) на объем диэлектрика Sp = oSh, т. е. поляризованиость Р равна поверхностной плотности а связанных зарядов в диэлектрике. Для большинства диэлектриков, а именно для так называемых линейных диэлектриков, поляризованиость Р прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е в дан- ной точке диэлектрика и равна Р = е0Хг£. (2.37) Безразмерный параметр диэлектрика X' называется (относительной) диэлектрической восприимчивостью, а произведение So/a — абсолютной диэлектрической восприимчиво- стью. У нелинейных диэлектриков (к которым, в частности, относятся сегнетоэлектрики — см. т. III Справочника) пропорциональности меж- ду Р и Е не наблюдается. Электрическое смещение D, К л/м2, опреде- ляется выражением D = в0Е -L- Р — ейвт Е. (2.38) Связь между относительной диэлектричес- кой проницаемостью и диэлектрической воспри- имчивостью электроизоляционного материала вг = Хг4-1. (2.39) Накопленная в заряженном конденсаторе энергия электрического поля, отнесенная к еди- нице объема диэлектрика (плотность энергии), w, Дж/м3, в месте, где значение напряженно- сти электрического поля составляет Е, В/м, равна 80ег £2 DE w —------------=--------. 2 2 (2.39') Значение диэлектрической проницаемости важно и для расчета напряженности электри- ческого поля в многослойных диэлектриках. Простейший случай плоского двухслойного конденсатора представлен на рис. 2.14. Обо- значим: hi и /г2 — толщины слоев; еп и ег2 — относительные диэлектрические проницаемо- сти материалов слоев; £] и £2 — напряженно- сти поля в слоях; Ui и U2—напряжения на слоях; U — полное напряжение между обклад- ками У и Z конденсатора. В этом случае нап- ряженности электрического поля, В/м, в слоях: „ U Ei — е^2 ; «18,2 4" ^2еп и Е2 = ег1---------------- (2.40) ^1ег2 4“ h2&ri Ui = и напряжения. В, на слоях: 6,2 hjU hiBr2 4- h2Brl ____Brih2U hi&r2 4" h2e,ri (2.41) (/2 = График падения потенциала в функции расстояния от электрода У представлен на рис. 2.14 ломаной PQR, а график значений Е — ломаной KLMNT; тангенсы углов Pt и |32 про- порциональны значениям Ех и £2 соответствен- но. Если бы в пространстве между обкладка- ми конденсатора У и Z находился только одни диэлектрик (с совершенно произвольной ег), то мы имели бы случай простейшего плоского конденсатора с однородным полем; в этом случае падение потенциала определилось бы пунктирной прямой PR, а напряженность по- ля— пунктирной горизонтальной прямой ST, а напряженность поля во всем объеме диэлект- рика между электродами была бы одинаковой и равной E—U/h, причем Р1<Ро<Рг и £]< <£о<£2. В общем случае многослойного (п слоев) плоского конденсатора U Et =-------; Ui^Ethi, (2.42) где U — полное напряжение на конденсаторе, a Ui, Е,, hi и BTi — соответственно напряжение, напряженность электрического поля, толщина и относительная диэлектрическая проницае- мость для каждого слоя. Таким образом, слои диэлектриков с боль- шей ег стремятся «разгрузиться» и «перело- жить» часть электрического напряжения на слои с меньшей вг. В особенно невыгодном по- ложении оказываются воздушные прослойки Рис. 2.14. Картина электрического поля в двух- слойном плоском конденсаторе (случай eri>8rz)
§ 2.3. П оляризация диэлектриков 25 Рис. 2.15. Преломление силовой линии электри- ческого поля на границе раздела сред с ди- электрическими проницаемостями eri и егг (случай еГ1>егг) Рис. 2.16. Создание неоднородности поля при введении в диэлектрическую среду цилиндриче- ских (или шаровых) включений (случай 8ri < Ста) внутри изоляции (или между изоляцией и электродами при неплотном прилегании по- следних). Благодаря малой ег и малой элект- рической прочности газов в таких прослойках легко возникают частичные разряды (см. ниже). Для цилиндрического конденсатора (см. рис. 2.3) для точки в диэлектрике между элект- родами, находящейся на расстоянии х от оси конденсатора (Г[<х<г2), напряженность Ех равна; (Г[<х<г2), напряженность Е- U Е. Го Го xln—X 1g — (2.43) Таким образом, в цилиндрическом конден- саторе (даже с однородным диэлектриком) поле неоднородно: наибольшая напряженность имеет место в точках диэлектрика, непосредст- венно примыкающих к внутреннему электроду (х=Г1): 0,4343(7 —----------, (2.44) Е_________У— стах — In — Г1 lg — а наименьшая — в точках, примыкающих к внешнему электроду (х=г2). Однако и в этом случае значение ег диэлектрика в формулы (2.43) и (2.44) не входит. Если же диэлектрик цилиндрического кон- денсатора многослойный (п слоев), то напря- женность в 1-м слое на расстоянии х от осн кон- денсатора (гцсхсг2>) зависит от значений ег> материалов слоев и равна: U Ех (2-45) X «rt (V, как и ранее, — полное напряжение на кон- денсаторе; rti и r2i — внутренний и внешний радиусы 1-го слоя). Как видно из сопоставления формул (2.40) и (2.45), в отличие от случая многослойного плоского конденсатора порядок расположения материалов в слоях цилиндрического конден- сатора влияет на значения Е в отдельных сло- ях. Для того чтобы получить наиболее выгод- ное распределение напряженностей (т. е. по- лучение наиболее низких £г), нужно помещать во внутренние слои многослойного цилиндри- ческого конденсатора диэлектрики с большими ег (градирование изоляции). Это — частный случай общего правила: в неравномерном поле для уменьшения электрической нагрузки элект- роизоляционных материалов следует в места с наибольшим электрическим смещением поме- щать материалы с наибольшей ег. Формулы (2.40)—(2.42) и (2.45) и сооб- ражения о градировании изоляции справедли- вы для работы многослойной изоляции под пе- ременным напряжением (и притом для случая малого tg б, см. ниже). Для расчета устано- вившегося поля в многослойной изоляции, ра- ботающей под постоянным напряжением, в че- тыре упомянутые формулы следует вместо зна- чений 8Г подставлять значения удельной объ- емной проводимости у материалов соответст- вующих слоев. В случае перехода электрического поля из одного диэлектрика в другой (рнс. 2.15) соот- ношение углов <Х1 и а2 между направлениями векторов напряженности поля нормально к по- верхности раздела (под переменным напряже- нием) определяется формулой tgO] _ 6Г1 tg«2 ег2 (2.46) В частном случае направления векторов напряженности поля по нормали к поверхности раздела (сюда относятся случаи как плоского, так н цилиндрического многослойных конден- саторов) а; = а2=0 независимо от значений 8ri н ег2. Отметим еще случай, когда в находящуюся в однородном электрическом поле среду с от- носительной диэлектрической проницаемостью 8ri вводятся включения другого материала с относительной диэлектрической проницаемо- стью ег2. Это — модель таких неоднородных (композиционных) электроизоляционных ма- териалов, как пластмассы, компаунды и пр. с наполнителями, пропитанная волокнистая изо- ляция и т. п. В этом случае поле становится неравномерным; при m = er2/8ri>l на границах раздела создаются напряженности поля, в k раз (k — коэффициент неоднородности поля) превышающие напряженность равномерного по- ля, существовавшую до введения включений. Особенно большие значения Е получаются, ес- ли включения имеют выступы с малым радиу- сом закругления («эффект острия»). Если включения имеют форму цилиндров, то наибольшие значения k получаются в точ- ках А и В при расположении оси цилиндра перпендикулярно силовым линиям равномер- ного поля, существовавшего до введения вклю- чений (рис. 2.16). При этом _____2m_____ m — У(т— 1) + 1 (2.47) где у — объемная концентрация включений. На рис. 2.17 представлены графики значений k в функции у при различных т; при больших у формула (2.47) становится неточной. Если у
26 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 весьма мало, то формула (2.47) преобразуется в формулу 2m k m 1 (2.47') наибольшее возможное значение k из форму- лы (2.47') прн ш, стремящемся к бесконечно- сти, равно femax=2, т. е. цилиндрическое вклю- чение с весьма высокой ег способно создать уд- воение напряженности электрического поля. Еще большую степень неоднородности по- ля создают шаровые включения; прн весьма малом у формула для шаровых включений, аналогичная формуле (2.47) для цилиндричес- ких включений, имеет вид: 3m я =------, m + 2 (2.47") т. е. при т->оо шаровое включение способно создать утроение напряженности. Значения диэлектрической проницаемости в? и магнитной проницаемости рг (см. т. III Справочника) определяют условия распростра- нения электромагнитной волны в веществе. Фа- зовая скорость распространения электромаг- нитной волны в веществе, м/с, равна согласно теории Максвелла v = c/Verpr , (2.48) где с — скорость света в вакууме. Показатель преломления света п — ~ = P<grp,r . (2.48') Уравнения (2.48) и (2.48') действительны лнщь для электронного механизма поляриза- ции и отсутствия диэлектрических потерь (см. ниже). Вводя значение магнитной постоянной (см. с. 15) ро = 4л-10—’ Гн/м я» 1,257-10—8 Гн/м и учитывая, что ео Цо= 1/с2, можно переписать уравнение (2.48) в виде: (2.48") V 8оег Ио Иг Произведение ЦоЦг называется абсолютной магнитной проницаемостью аналогично термя- Рнс. 2.17. Зависимости коэффициента неравно- мерности поля k от объемной концентрации цилиндрических включений при различных зна- чениях отношений т = ег2/еп по формуле (2.47). ну «абсолютная диэлектрическая проницае- мость» для произведения еоег. Таким образом, при входе нз вакуума в диэлектрик с параметрами е, и р, электро- магнитная волна снижает свою скорость в п=У^вг цг раз. Соответственно уменьшает- ся н длина волны X=v/f по сравнению с дли- ной волны в вакууме Kn—cjf (здесь f — часто- та, Гц). Волновое сопротивление диэлектрика Z, Ом, т. е. отношение амплитуд взаимно перпен- дикулярных векторов напряженностей элект- рического н магнитного полей волны Z—E/H, равно: Z = l/' • (2.49) V BqBt Для большинства диэлектриков можно по- лагать Цг — 1, почему формулы (2.48)—(2.49) упрощаются и принимают вид: о — с/V вг ; п — V вг ; Z—V^ роеоег. (2.50) Для вакуума не только цг=1, но и ег=1, так что о0 = с; «0= 1; zo = = Vр0/е0 « 376,73 Ом « 120л Ом. Диэлектрические проницаемости различных веществ существенно различаются. Значение Вт газов близко к единице (так, для воздуха при нормальных термодинамических условиях дав- ления и температуры ег= 1,00058) и при ори- ентировочных расчетах принимается равным единице. Для большинства практически приме- няемых жидких и твердых электроизоляцион- ных материалов вг порядка нескольких единиц, реже — нескольких десятков и весьма редко более 100. Некоторые сегнетоэлектрики (см. т. III Справочника) в определенных условиях могут иметь весьма нысокне значения вг — по- рядка тысяч и даже десятков тысяч. Физическая сущность поляризации диэлект- риков. В то время как ток проводимости (утеч- ки) существует все время, пока к диэлектри- ку приложено извне постоянное напряжение, емкостный ток возникает лишь при изменении значения приложенного напряжения. Как уже отмечалось, в участке диэлектрика с емкостью С, находящемся под воздействием (специаль- ного) синусоидального напряжения U, В, ем- костный ток также синусоидальный и его дей- ствующее значение определяется формулой (2.21). Существует большое число различных фи- зических механизмов поляризации. Отметим из них лишь некоторые, наиболее типичные. Электронная поляризация — смещение ор- бит электронов относительно атомных ядер. Электронная поляризация устанавливается при наложении внешнего электрического поля за чрезвычайно короткое время (порядка 10-ls с). Она наблюдается у всех диэлектриков (незави- симо от возможного наличия в них и других видов поляризации). Ионная поляризация (у диэлектриков ион- ного строения) — смещение относительно друг друга ионов, образующих молекулу. Эта поля- ризация протекает за промежутки времени, большие, чем электронная, но все же весьма малые (порядка 10“13 с),
• § 2.3. Поляризация диэлектриков 27 Таблица 2.1. Значения показателей преломления света п и относительной диэлектрической проницаемости ег различных диэлектриков Диэлектрик Агрегатное состоя- ние п пг 5- Неполярные диэлектрики Гелий Не Газообразное 1,000035 1,000070 1,000072 Водород Н2 1,00014 1,00028 1,00027 Кислород Ог 1,00027 1,00054 1,00055 Азот N2 1,00030 1,00060 1,00060 Этилен С2Н4 1,00065 1,00130 1,00138 Тетраформ СС14 Жидкое 1,46 2,13 2,24 Бензол СвН, 1,50 2,25 2,28 Толуол С7Н8 1,50 2,25 2,24 Парафин Твердое 1,44 2,10 2,2 Полистирол 1,55 2,40 2,6 Сера 1,92 3,69 2,8 Алмаз 2,40 5,76 5,7 Полярные газы и жидкости и ионные кристаллы Аммиак NH3 Газообразное 1,00018 1,00037 1,00072 Хлороформ CHCI3 1,446 2,09 5,1 Монохлорбеизол СвН6С1 Жидкое 1,523 2,33 10,1 Вода Н2О 1,333 1,78 81 Хлористый натрий NaCl Твердое 1,54 2,37 6,0 Кальцит СаСОз 1,66 2,78 6,1 Глет РЬО 2,60 6,76 26 Рутил ТЮ2 2,7 7,3 НО* • Полнкристаллический рутил; параллельно главной кристаллографической оси ег = 173. Дипольная поляризация — поворот («ори- ентация») дипольных молекул в полярных ди- электриках. Она принадлежит к числу «мед- ленных» видов поляризация; время установле- ния ее значительно больше, чем время установ- ления ионной поляризации. Обычно время поляризации оценивается по времени релаксации, т. е. постоянной времени т процесса уменьшения индуцированного элект- рического момента Sp некоторого объема ди- электрика, протекающего по экспоненциально- му закону; 2р = 2роехР (—^)> (2.51) где Spo — электрический момент в момент вре- мени t=Q, соответствующий снятию напряже- ния с диэлектрика. Медленные виды поляриза- ции иногда называются релаксационными; они связаны с необратимыми затратами электри- ческой энергии в диэлектрике (см. § 2.4). У неполярных диэлектриков однородной структуры может иметь место лишь электрон- ная поляризация. Эти диэлектрики имеют срав- нительно малую 8г (например, для жидких и твердых углеводородов в, в пределах от 1,9 до 2,8). Для этих диэлектриков должна соблю- даться связь ег=п2 согласно формуле (2.50). Прн наличии ионной поляризации ег<п2. В полярных диэлектриках, когда возможна «ориентационная» поляризация, также наблю- дается превышение ег над п2. Примеры даны в табл. 2.1 (для веществ при нормальных усло- виях давлении и температуры, при низкой час- тоте). Диэлектрическая проницаемость полярного вещества тем больше, чем больше постоянный электрический (дипольный) момент молекулы (см. выше) н чем меньше размеры молекулы. Так, весьма большое значение в, воды объяс- няется большим постоянным моментом молеку- лы и малой молекулярной массой. Все спирты имеют практически одинаковый постоянный дипольный момент молекулы, равный прибли- зительно 5-10~30 Кл-м, создаваемый наличием гидроксильной группы — ОН; но при увеличе- нии молекулярной массы, т. е. при увеличении углеводородного остатка спирта, ег уменьша- ется. Так, для метилового спирта СНзОН зна- чение ег=34; для этилового спирта С2Н5ОН 8г = 26 и для пропилового спирта С3Н7ОН вг= = 22. Зависимость е, от частоты f приложенного напряжения. Так как время установления элек- тронной поляризации весьма мало (см. выше), то даже при наиболее высоких частотах, при- меняемых в современной электротехнике и ра- диоэлектронике, поляризация неполярных ди- электриков успевает полностью установиться за время, которое пренебрежимо мало по сравне- нию с полупериодом переменного напряжения.
Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 Рис. 2.18. Зависимости диэлектрической про- ницаемости ег от частоты для твердых непо- лярных диэлектриков: а — политетрафторэтилен (фторопласт-4); б — поли- стирол; в — полидихлорстирол. По 5. М. Тарееву и П. И. Завалишину. Рис. 2.20. Зависимости диэлектрической про- ницаемости ег от температуры для неполярных диэлектриков: / — парафин; 2 — полистирол Поэтому е- неполярных диэлектриков от f не зависит (рис. 2.18). У полярных диэлектриков при повышении частоты ет сначала также остается неизмен- ным, но начиная с некоторой критической час- тоты fKt когда поляризация уже не успевает полностью установиться за один полупериод, 8г снижается (рис. 2.19, а). Зависимость ег от температуры Т. У не- полярных диэлектриков ег слабо зависит от Т, уменьшаясь при повышении Т вследствие теп- лового расширения вещества, т. е. уменьшения количества поляризующихся молекул в едини- це объема вещества. Пример — рис. 2.20 (рез- кое изменение е, на графике для парафина со- ответствует температуре плавления этого кри- сталлического материала, связанного со скач- кообразным изменением плотности вещества). У диэлектриков ионного строения ег при росте Т обычно возрастает (рис. 2.21). Однако у некоторых ионных кристаллов (TiOj, СаТЮз и др.) ег при росте температуры уменьшается. У полярных диэлектриков в области низ- ких Т, когда вещество обладает большой вяз- костью или даже находится в кристаллическом состоянии, ориентация дипольных молекул не- возможна или, во всяком случае, затруднена. При повышении Т возможность ориентации диполей облегчается, вследствие чего ет суще- ственно возрастает. Однако при еще более вы- соких Т вследствие усиления хаотических теп- ловых колебаний молекул степень упорядочен- ности ориентации молекул снижается, поэтому Вт, пройдя через максимум, уменьшается (рис. 2.22). Связь между ТК емкости (ТКС) конден- сатора и ТК диэлектрической проницаемости (ТК е) его диэлектрика (при упрощающем предположении, что электроды имеют тот же ТК/, равный а, что и диэлектрик; это справед- ливо, в частности, в том случае, когда электро- ды образованы тонкими проводящими слоями, нанесенными на поверхность твердого диэлек- трика) определяется формулой ТКС=ТКе + а. (2.52) Иногда (например, при конструировании радиоаппаратуры, работающей в услових ме- няющейся температуры) требуется обеспечить практическую независимость емкости конденса- тора от температуры, т. е. создать термоком- пенсированный конденсатор. Для разрешения этой задачи имеются два пути. Во-первых, возможно применить систему двух (или более) параллельно или последова- тельно соединенных друг с другом конденсато- ров, ТК С которых имеют различные знаки (один — положительный, а другой — отрица- тельный). Для случая параллельного соедине- ния (p-схема) двух конденсаторов, имеющих емкости С] и С2 и ТК емкости соответственно ТК Ci и ТК С2, результирующая емкость на- ходится из формулы (2.22), а ТК результиру- ющей емкости равен ТК Ср — + (2.53) Ci + Сг условие температурной компенсации: ТКСР—0, откуда Рис. 2.19. Зависимости ег и tg б полярного диэлектрика (поливииилацетата) от частоты и температуры: а — зависимости ег от частоты f при различных температурах (значения температуры указаны прн кривых); б — зависимости tg 6 от f при различных температурах (значения температуры указаны при кривых); в — зависимости tg 0 от температуры при различных / (значения / указаны при кривых)
§ 2.3. Поляризация диэлектриков 29 Рнс. 2.21. Зависимости относительной диэлек- трической проницаемости вт стекол от темпе- ратуры. Частота 10 ГГц. По М. Д. Машкович: / — бесщелочиое стекло С48-3; 2 — оконное • стекло Рис. 2.22. Зависимость диэлектрической про- ницаемости нитробензола от температуры. Частота 50 Гц Рис. 2.23. Характер зависимостей диэлектриче- ской проницаемости (а) и ее температурного коэффициента (б) смеси двух компонентов А и В от их объемного содержания в смеси: 1 — параллельное соединение компонентов; 2 — после- довательное соединение компонентов; 3 — неупорядо- ченная смесь C1-TKC1-f-C2-TKC2 = 0. (2.53') При последовательном соединении (s-схе- ма) двух конденсаторов результирующая ем- кость находится из формулы (2.23), а ТК ре- зультирующей емкости равен Сг-ТКСг + СуТКСх условие температурной компенсации Ci-TKCz + CrTKQ = 0. (2.54) (2.54') Следствием из формул (2.53') и (2.54') яв- ляется положение о том, что для любой пары единичных конденсаторов с произвольными значениями емкости С и С2 и температурных коэффициентов емкости ТК Ci и ТК С2 алгеб- раическая сумма температурных коэффициен- тов емкости систем, образованных параллель- ным и последовательным соединением этих конденсаторов, ТК Ср и ТК Cs равняется ал- гебраической сумме температурных коэффици- ентов емкости единичных конденсаторов: ТК Ср + ТК Cs = ТК Ci + ТК С2. (2.55) Во-вторых, задачу температурной компен- сации емкости можно разрешить и с примене- нием лишь одного конденсатора, но с диэлек- триком, представляющим собой смесь двух ма- териалов, имеющих различные знаки ТК е [см. формулу (2.51)]. Помимо частоты и температуры другие факторы также могут оказывать влияние на диэлектрическую проницаемость. Так, е, гигро- скопичных диэлектриков обычно возрастает при увеличении влажности. Диэлектрическая проницаемость смесей. На практике часто приходится встречаться с зада- чей определения «эффективной» диэлектриче- ской проницаемости еЛ композиционного ди- электрика, представляющего собой смесь двух (или большего числа) компонентов. Для модели плоского конденсатора, диэлек- трик которого состоит из двух сплошных ди- электриков, имеющих различные вг, обозначая относительные диэлектрические проницаемости компонентов eri и ег2 и их объемные концент- рации г/, и у2 (очевидно, что у\ + уг = 1), имеем: а) для параллельного соединения е* = еп + У2 6Г2; (2-56) б) для последовательного соединения (двухслойный диэлектрик) •__ eri ег2 ' У1&Г2 + У2ег1 (2.56') Формулы (2.56) и (2.56') могут использо- ваться в ряде практических случаев. В. Т. Рен- не установил, что для конденсаторной бумаги достаточно хорошо подходит модель последова- тельно соединенных слоев клетчатки н воздуха или (для случая пропитанной бумаги) клетчат- ки, пропиточной массы и остатков воздуха. Во многих практических случаях (пласти- ческие массы, керамика н т. п.) мы имеем де- ло с неупорядоченной («статистической») смесью компонентов. В этом случае вг нахо- дится между значениями, определяемыми фор- мулами (2.56) и (2.56'), что схематически пред- ставлено на рис. 2.23, а. Отметим одну из при- ближенных формул для расчета вг статистиче- ской смеси — формулу Лихтенекера или «лога- рифмический закон смешения»: iSe*r = y1lgBrl +У21ё&г2, (2.57) где, как и выше, eri и ег2— диэлектрические проницаемости компонентов, а г/> и г/г—их объемные содержания в смеси. Для упрощения расчетов по формуле (2.57) может быть использована номограмма рис. 2.24. На трех ее шкалах отложены eri/er2 (для случая eri>er2), гд и вг/вг2. Соответству- ющие условию (2.57) точки на этих шкалах лежат на одной прямой, так что по двум из- вестным значениям легко находится третье. В виде примера на номограмме показано на- хождение вг для пластической массы, состоя- щей из 20 % (об.) (г/] = 0,2) наполнителя — по- рошка рутила (8,1=110, см. табл. 2.1) и 80 % (об.) (г/2=0,8) связующего — полистирола (еГ2 = 2,6; см. табл. 2.1). Пунктирная прямая, соединяющая точки e,i/8r2 = 110/2,6=42,3 и у, = 0,2, пересекает третью шкалу в точке е* ег_, = 2; таким образом, вг =2-2,6 = 5,2. Для «вспененных» пластмасс (пеноплас- тов), т. е. твердых материалов, содержащих
30 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 большое количество мелких пор, заполненных газом, полагая в формуле (2.57) eri равной от- носительной диэлектрической проницаемости ег» сплошного (не содержащего пор) материа- ла, приравнивая к величине у\ отношение сред- ней плотности вспененного материала Da к плотности сплошного материала ии и прини- мая для газа егг=1 и плотность £>2=0, имеем: lg er == 1g вщ, (2-58) ‘-'м т. е. график зависимости логарифма относи- тельной диэлектрической проницаемости вспе- ненного материала от его средней плотности должен представляться прямой линией. На рис. 2.25 представлен такой график для поли- стирола, построенный для параметров сплош- ного полистирола: ег=2,6 и плотность 1050 кг/м3. Формула (2.57) пригодна для расчета ие только диэлектрической проницаемости, но и ряда других параметров — магнитной прони- цаемости, коэффициента теплопроводности и т. п. — смесей (во всех случаях имеется в виду, что компоненты образуют тесную физи- ческую смесь, но не реагируют друг с другом химически). Если приходится иметь дело не с объемны- ми концентрациями yi и уз компонентов в сме- Рис. 2.25. Зависи- мость относительной диэлектрической про- ницаемости е, пено- полистирола от его средней плотности си, а с их массовыми концентрациями Xi и ха (очевидно, xi+x2=l), используются элементар- ные формулы арифметического правила сме- щения D* D* = Х1~БГ ’ У2= Х2"оГ; D* = уЛ + y2D2, (2.59) где Di, Di и D* — плотности 1-го и 2-го компо- нентов и смеси соответственно. ТК диэлектрической проницаемости стати- стической смеси в соответствии с формулами (2.57) и (1.2) равен ТКе* = У1ТКе1 + г/2ТКе2. (2.60) Статистическая смесь пригодна для изго- товления термокомпенсироваииого конденсато- ра при условии: J/iTKe1 + y2TKe2 = 0. (2.61) Для более общего случая смешанного ди- электрика, состоящего из п компонентов, име- ем формулы: а) для параллельного соединения компо- нентов п ^=^У1^ (2-62) 1=1 б) для последовательного соединения ком- понентов п егг: (2,63) в) для неупорядоченной смесн компонентов !ge’ = 2 yifezn (2.64) 1=1 и ТКе* = 2^ТКе«- <2'65) <=1 2.4. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ Диэлектрические потери — электрическая мощность, поглощаемая в диэлектрике (участ- ке изоляции) под действием приложенного к нему напряжения. Эта мощность рассеивается, превращаясь в теплоту. Помимо полных диэлектрических потерь Р во всем участке изоляции часто рассматрива- ют также удельные диэлектрические потери р (или плотность мощности потерь), т. е. пре- дел отношения потерь к объему изоляции, ког- да последний стремится к нулю. В частном слу- чае однородного электрического поля (плоский конденсатор, см. с. 18) с однородным же ди- электриком удельные диэлектрические потери равны частному от деления полных диэлектри- ческих потерь на объем диэлектрика между электродами. В случае же неоднородного поля удельные потери в разных точках диэлектрика различны, так как различны напряженности электрического поля в разных точках; кроме того, если диэлектрик неоднороден, прн расчете удельных потерь необходимо учитывать и раз-
§ 2.4 Диэлектрические потери 31 личие в параметрах диэлектрика в разных час- тях объема изоляции. Если участок изоляции с сопротивлением 7?из, Ъм (см. § 2.2), находится под постоянным напряжением U, В, значение диэлектрических потерь, Вт, равно: Р = £72/Яиз = <Л = /2ЯИЗ, (2.66) где I — сквозной ток утечки через изоляцию, А. Удельные диэлектрические потери, р, Вт/м3, в этом случае определяются по формуле р=£2/р=£2у, (2.67) где р — удельное объемное сопротивление ди- электрика, Ом-м, а у — его удельная объемная проводимость, См/м. Однако чаще всего рассматриваются ди- электрические потери не под постоянным, а под переменным напряжением. Значение по- терь, Р, Вт, на участке изоляции с емкостью С, Ф, при действующем значении приложенно- го к этому участку синусоидального напряже- ния U, В, и частоте /, Гц (угловая частота w=2nf, рад/с), равно (на основании диаграм- мы рис. 2.26 при /р = £7<оС): P = £72wCtg6, (2.68) где 6 — угол диэлектрических потерь, дополня- ющий до 90° угол сдвига фаз <р между током 1 в изоляции и напряжением. Тангенс этого уг- ла равен отношению активного /а и реактивно- го /р компонентов тока I: tg6 = Za//p. (2.69) Угол диэлектрических потерь (обычно ука- зывается не сам угол, а его тангенс) — важ- нейший параметр как материала (диэлектри- ка), так и электроизоляционной конструкции (участка изоляции). Добротность изоляции Q— величина, обратная тангенсу угла потерь: l/tg6 = ctgfi = tgq> = Zp/Za- (2.69') Значения tg б для лучших электроизоля- ционных материалов, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, состав- ляют тысячные и даже десятитысячные доли единицы; для материалов более низкого каче- ства, применяемых в менее ответственных слу- чаях, tg б может быть много больше. Формула (2.68) справедлива для любых размеров и любой формы электродов и ди- электрика. Если же требуется изучить распре- деление диэлектрических потерь в разных мес- тах изоляции, то для расчета удельных диэлек- трических потерь р, Вт/м3, в точке, где напря- женность электрического поля равна Е, В/м, могут быть использованы формулы р = E2we0ez tg6 (2.70) Рис. 2.26. Векторная ди- аграмма токов в диэлек- трике с потерями (для схемы рис. 2.27) или р = 5,56-10-u&fer tg6, (2.71) пригодные для любой картины электрического поля, а также для неоднородного диэлектрика, который в разных местах обладает различными параметрами. Произведение ег tg б называется коэффи- циентом диэлектрических потерь материала. Величина уа, См/см, ?а = 5,56.10—и/ег tg6 (2.72) представляет собой удельную (объемную) ак- тивную проводимость при переменном напря- жении материала; она входит в формулу р=Е^а. (2.73) Обычно (при одном и том же значении Е) потери под переменным напряжением больше, чем потери под постоянным напряжением; это положение отражается неравенством, связыва- ющим удельное объемное сопротивление ди- электрика при постоянном напряжении р, Ом-м, с параметрами ег и tg6, измеренными иа переменном напряжении при частоте f, Гц: /рег tg 6 > 1,8-10“. (2.74) В некоторых случаях (газообразные ди- электрики при малых Е; неполярные жидкости, например, тщательно очищенное трансформа- торное масло; неполярные твердые полимеры) потери при постоянном и переменном напря- жении той же частоты практически одинаковы, так что неравенство (2.74) обращается в ра- венство, и тогда tg 6 при частоте f может быть вычислен по формуле 1,8.10“ у tg б =----Ч-------= 1,8-10“ —. (2.75) /вг р fa Для диэлектрика прн синусоидальном на- пряжении возможно также рассматривать от- носительную диэлектрическую проницаемость как комплексную величину: 3 = е' + /е’, (2.76) действительная часть которой ег представля- ет собой обычную диэлектрическую проницае- мость, а мнимая ег — коэффициент потерь er = er; е" = er tg 6 = er tg б. Схемы замещения диэлектрика с потеря- ми. При изучении поведения диэлектрика с по- терями при переменном напряжении часто ока- зывается целесообразным заменить рассматри- ваемый диэлектрик емкостью без потерь и ак- тивным сопротивлением, соединенными между собой параллельно или последовательно. В первом случае (рис. 2.27) tg б = - „ 1-- ; Р = £72<вСр tg 6. (2.77) Во втором случае (рис. 2.28) tg б tg6 = coCsPs; Р ~ иЪС3 • (2.78) 1 + tg* о
32 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 Рис. 2.27. Простейшая параллельная схема за- мещения диэлектрика с потерями Рис. 2.28. Простейшая последовательная схема замещения диэлектрика с потерями и реактивную Связи между Ср и Cs и между Rp и R, при переходе от параллельной модели диэлектрика к последовательной и обратно р С5 = Ср(1+^6); = (2.79) При малом tg 6 можно считать C=CS = CS. Если tg6 велик, расчетное значение емкости С (а следовательно, и ег, если последняя вычис- ляется из значения емкости и геометрических размеров диэлектрика) зависит от выбора мо- дели диэлектрика и, таким образом, становится неопределенной. Значение tg б от избранной схемы замещения не зависит. Физическая сущность диэлектрических по- терь. Если диэлектрик длительно включен под постоянное напряжение, то потери мощности в нем объясняются прохождением сквозного тока утечки через сопротивление изоляции [см. формулы (2.66) и (2.67)] и аналогичны по- терям по закону Джоуля—Ленца в провод- никах. Зависимость от времени t тока i, идущего через диэлектрик после включения под посто- янное напряжение U, обычно имеет вид, пока- занный на рис. 2.29; ток i можно представить как сумму двух составляющих: 1 = £<ю + 1'абС > где значение i«,, к которому стремится i при есть не что иное, как сквозной ток утеч- ки (см. § 2.2), a iasc—ток абсорбции. Если исключить из рассмотрения начальный участок ОР графика 1(f)—рис. 2.29, то затухающий во времени ток абсорбции может быть пред- ставлен формулой / t \ ( t\ ‘абс = Пзехр ( — — I = ia6c0 exp I — у I. (2.80) Здесь s — имеющая размерность проводимости величина, вообще говоря, не равная проводи- мости для сквозного тока G [см. формулу (2.1)]; т — постоянная времени затухания тока абсорбции; 1абсо = Пз— значение 1абс для Z = 0. Появление тока абсорбции в разных ди- электриках вызывается различными причинами: процессами дипольной поляризации (в поляр- ных диэлектриках), миграционной поляризации, других видов релаксационной поляризации и т. п. При работе диэлектрика под синусоидаль- ным напряжением угловой частоты со, если справедлива формула (2.80), ток абсорбции яв- ляется также синусоидальным, имеющим две составляющие: активную со2т2 абс = US ш2т? + 1 (2.81) Построим теперь векторную диаграмму, изображенную на рис. 2.26, более подробно (рис. 2.30). Как видно, через диэлектрик идут три синусоидальных тока: а) емкостный ток, опережающий напряже- ние на 90°; он равен 7емк = г/а>Сг, (2.83) где Сг — «геометрическая» емкость [см. форму- лы (2.90)—-(2.90")]; б) ток абсорбции Лбе с активным и реак- тивным компонентами согласно формулам (2.81) и (2.82); угол ф определяется из соот- ношения tg ф = сот; (2.84) в) сквозной ток проводимости, равный со- гласно формулам (2.1) и (2.2) ICKv = UG=VIR. Таким образом, наличие тока абсорбции приводит к увеличению измеренных на посто- янном напряжении параметров участка изоля- ции — как активной проводимости (сверх зна- чения G), так и емкости (сверх значения Сг). Составляющие тока I, которые мы обозна- чили на диаграмме рис. 2.26 через /а (актив- ная составляющая) и /р (реактивная состав- ляющая), равны / С02Т2 \ /а = /абс + /скв = М2Т2+Т + G)' {2 — /абс /емк = Ш2Т2 1 ’ (2.86) Рис. 2.29. Зависимость тока через диэлектрик от времени с момента включения под постоян- ное напряжение Рис. 2.30. Векторная диаграмма токов в ди- электрике с потерями (более подробная, чем на рис. 2.26)
§ 24. Диэлектрические потери ЗВ а тангенс угла диэлектрических потерь ________"Ч,<° + Ч + ° . (2,ВТ) /, »1я + С,((А*+1)) Зависимость tg 6 от частоты. Уравнение (2.87) соответствует графику tg3(co), изобра- женному иа рис. 2.31. Значение tg6-*°° при ш->0 [при ш=0 потери конечны и определяют- ся формулой (2.66)]; при со-»-оо имеем tg б-*0. Максимальное значение tg6m«x соответствует частоте шк; если для упрощения считать поте- ри проводимости весьма малыми по сравне- нию с потерями от тока абсорбции [т. е. если принять в формуле (2.87) G = 0], (2.88) к V т? Сгт И tg6tnax«----------р --г—- . (2.89) 2C#'+i- Частотная зависимость емкости С = Сг +----; (2.90) ш2т2 + 1 наибольшее значение емкости — при со=О (по- стоянное напряжение) C0 = Cr + sr (2.90') и наименьшее — при <о->оо Сте = Сг, (2.90") т. е. геометрическая емкость соответствует ем- кости, измеренной при весьма высокой частоте, когда релаксационная поляризация практиче- ски уже не имеет места. По измеренным значениям Со и С«, для конденсатора с однородным диэлектриком мо- гут быть рассчитаны значения статической ди- электрической проницаемости еГСт при постоян- ном напряжении и оптической диэлектрической проницаемости вгопт для весьма высоких час- тот, приближающихся к частотам световых ко- лебаний. Особую физическую ясность приобретает дипольный максимум в зависимости tg б от ча- стоты (и от температуры, см. ниже) для по- лярных диэлектриков однородного химического состава. В этом случае максимум зависимости tg б (<о) соответствует области частот, в кото- рой (при той же температуре) имеет место особо резкое уменьшение ег при росте частоты (область диэлектрической дисперсии). Это вид- но из сравнения рис. 2.19, а и б. В этом случае также может быть построена круговая диа- грамма Коул—Коула, т. е. геометрическое ме- сто точек ег, ег [формула (2.76)] для различ- ных частот (при неизменной температуре), представляющее собой полуокружность с ра- диусом (вгст—вгопт) /2, центр которой лежит на оси в, в точке [0, (вгопт+в,ст)/2] и которая пересекает ось в, в точках (0, вгопт) и (0, в,ст), как это показано на рис. 2.32. Зависимость tg б от температуры. Как об- щее правило, tg б электроизоляционный* мате- 2—232 Рис. 2.31. Теоретическая зависимость tg б от частоты приложенного к диэлектрику напря- жения Рис. 2.32. Круговая диаграмма Коул — Коула (схематически) Рис. 2.33. Зависимости tg б от температуры для муллита 3Al2O3-2SiO2 и кордиерита 2MgO-2Al2O3-5SiO2. Частота 1 МГц. По Н. П. Богородицкому риалов увеличивается при повышении темпера- туры Т (по крайней мере в достаточно широ- ком интервале Т); таким образом, как с точки зрения увеличения tg 6, так и с точки зрения уменьшения р (стр. 20) условия работы элек- трической изоляции будут более тяжелыми при более высоких температурах. Примеры зависимости tg б (Г) даны на рис. 2.33. Для полярных диэлектриков наблюдается характерный дипольный максимум в зависимо- сти tg б (Т). При повышении частоты этот максимум сдвигается в область более высоких температур (рис. 2.19, в) аналогично тому, как при повышении температуры дипольный мак- симум в зависимости tg6(f) сдвигается в об- ласть более высоких частот (рис. 2.19,6). В полярных диэлектриках имеются также и потери от сквозной проводимости; поэтому после перехода через дипольный максимум на-
34 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 Рис. 2.34. Зависимость tg 6 от температуры для канифоли. Частота 50 Гц. По Н. П. Богоро- дицкому Рис. 2.35. Зависимость tg 6 от температуры для бумаги, пропитанной маслоканифольным компаундом. Частота 50 Гц. По Н. П. Богоро- дицкому Рис. 2.36. Зависимость tg 6 от влагосодержа- ния для бумаги. Частота 1 МГц. По Д. М. Ка- зарновскому блюдается рост tg 6 при дальнейшем росте температуры благодаря повышению у (рис. 2.34). В композиционных диэлектриках, а также в химически индивидуальных диэлектриках при наличии нескольких физических механиз- мов релаксационных потерь наблюдаются усложненные зависимости tg 6 (Г) и tg6(/). Пример: в кривой tg 6 (Г) для пропитанной бумаги имеются два дипольных максимума — при —55 °C, определяемый потерями в клет- чатке, и при +35 °C, определяемый потерями в пропиточной массе (рис. 2.35). Зависимость tg 6 от влажности. У гигро- скопичных электроизоляционных материалов tg 6 существенно увеличивается при возраста- нии влажности (пример — рис. 2.36). Зависимость tg 6 от напряжения. Большое практическое значение имеет зависимость tg б электрической изоляции от приложенного к изоляции напряжения U. Иногда tg 6 от U практически не зависит, так что (при той же частоте) диэлектрические потери при повышении U возрастают пропор- ционально IP (или Я2). Однако иногда зави- симость tg б (U) имеет характер рис. 2.37, а именно: в некотором интервале U значение tg6 неизменно, а при увеличении напряжения сверх значения иИоа кривая начинает резко возрастать. Изображенная на рис. 2.37 кривая иногда называется кривой ионизации, а точка А — точкой ионизации, так как она соответст- вует началу ионизации включений воздуха или других газов в изоляции (например, в недоста- точно плотной и не подвергнутой тщательной вакуумной сушке перед пропиткой или прес- совкой волокнистой или пластмассовой изоля- ции) или в зазорах между твердой изоляцией и неплотно прилегающими к ее поверхностям электродами. С ионизацией связано образова- ние короны или других частичных разрядов. Следует учесть, что электрическая прочность (напряженность начала образования частич- ных разрядов) газов в большинстве случаев значительно ниже, чем электрическая прочность твердых электроизоляционных материалов (см. § 2.5), а е, газов также ниже, чем ег твердых диэлектриков (§ 2.3), что и объясняет небла- гоприятное распределение напряженностей между твердыми материалами и газовыми включениями (см. стр. 24, 25). Снижение tg б после перехода через мак- симум при дальнейшем подъеме U (рис. 2.37) объясняется уменьшением падения напряжения на сильно ионизированных объемах изоляции. Возникновение частичных разрядов внутри изоляции или вблизи ее связано: а) с поглощением энергии (что и объясня- ет резкий рост tg 6), которое вызывает нежела- тельный разогрев изоляции; б) с химическими процессами, которые (в случае воздушных включений) заключаются в основном в переходе части кислорода О2 в озон О3, а также в образовании оксидов азо- та. Эти вещества, в особенности в присутствии даже малых количеств влаги, действуют на многие органические электроизоляционные ма- териалы как сильные окислители, вызывая их постепенное разрушение; в) с электронной эрозией соприкасающихся с газовыми включениями участков твердых ма- териалов, что также влечет за собой их посте- пенное разрушение. Как правило, рабочее напряжение изоляции должно быть ниже напряжения ионизации, со- ответствующего точке А на рис. 2.37. Следует считать более высококачественной такую изо- ляцию, у которой напряжение ионизации бо- лее высокое, а подъем кривой ионизации после точки А более пологий. Согласно ГОСТ 2007.4-83 «Электрообору- дование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов» характе- ристики частичных разрядов определяются их интенсивностью, количественно выражающейся следующими показателями: кажущийся заряд единичного частичного разряда, частота следо- вания частичных разрядов (среднее количество за 1 с), средний ток частичных разрядов Рис. 2.37. Кривая ионизации электрической изоляции
, 5 2.В Пробой диэлектриков 36 (Кл/(с-А)]. Для кажущегося заряда частичного разряда дано следующее пояснение: «абсолют- ное значение такого заряда, при мгновенном введении которого между электродами испы- туемого объекта напряжение между его элек- тродами кратковременно изменится иа такое же значение, на какое изменилось бы при час- тичном разряде». 2.5. ПРОБОЙ ДИЭЛЕКТРИКОВ Электрическая изоляция не может выдер- живать приложение к ней неограниченно вы- сокого напряжения. Если мы будем повышать приложенное напряжение, то рано или поздно произойдет пробой изоляции; при этом ток утечки через изоляцию чрезвычайно возрастает, а сопротивление изоляции соответственно сни- жается, так что практически получается ко- роткое замыкание между электродами, с помо- щью которых подведено к изоляции напряже- ние. Схематически зависимость тока через изо- ляцию от напряжения I(U) (вольт-амперная характеристика изоляции) может быть пред- ставлена графиком рис. 2.38. Точка П графика, для которой dI!dU = °o, соответствует пробою. Наибольшее значение напряжения Uap, кото- рое было приложено к изоляции в момент про- боя, называется пробивным напряжением. Дальнейшие явления, имеющие место в изоляции после пробоя, определяются как ха- рактером электроизоляционного материала, так и мощностью источника электрической энер- гии. В месте пробоя возникает искра или да- же электрическая дуга, которая может вы- звать оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения как диэлектрика, так и электродов. После снятия напряжения в про- битом твердом диэлектрике может быть обна- ружен след в виде пробитого (откуда и тер- мин «пробой»), проплавленного или прожжен- ного отверстия. При повторном приложении напряжения к ранее подвергавшейся пробою твердой изоляции пробой по месту прежнего пробоя, как правило, происходит при сравни- тельно низком напряжении (однако в отдель- ных случаях возможно «самовосстановление» пробитой твердой изоляции благодаря оплавле- нию изоляции, обгоранию электрода и т. п.). Таким образом, пробой твердой изоляции в электрической машине, аппарате, кабеле и т. п. означает аварию, выводящую данное устройст- во из строя и требующую ремонта или замены устройства. Если же пробой произошел в жид- ком или. газообразном диэлектрике, то в силу большой подвижности частиц после снятия напряжения пробитый участок диэлектрика полностью восстанавливает первоначальное значение пробивного напряжения (конечно, 2* Рис. 2.38. Зависимость тока от напряжения при пробое диэлектрика Рис. 2.39. Типичная зависимость пробивного напряжения Uap и электрической прочности Епр от толщины для керамики. Частота 50 Гц. По В. В. Пасынкову Рис. 2.40. Пробой и перекрытие твердого ди- электрика (схематически) если мощность и длительность электрической дуги не были настолько значительны, чтобы вызвать существенные необратимые изменения диэлектрика). Пробивное напряжение 1/яр электрической изоляции зависит от ее толщины, т. е. расстоя- ния между электродами h; чем толще слой электроизоляционного материала, тем выше UПр этого слоя. Слои одной и тон же толщины различных материалов имеют различные зна- чения Uap, что дает основание для введения показателей свойств диэлектрического материа- ла, определяющих его способность противо- стоять пробою — электрической прочности £пр. Электрическая прочность диэлектрика — напряженность электрического поля, при до- стижении которой в какой-либо точке диэлек- трика происходит пробой. Для простейшего случая однородного электрического поля в ди- электрике: Ewp = Utcp/h. (2.91) Единица СИ £Вр — вольт на метр (В/м). Дру- гие единицы £пр — см. с. 13. В большинстве случаев цри возрастании h значение Еп₽ уменьшается, т. е. Unp возраста- ет с увеличением толщины не линейно, а мед- леннее (рис. 2.39). Однако при переходе к осо- бо тонким слоям (примеры — лаковые пленки; напыленные пленки диэлектрика) начинают сказываться неизбежные неоднородности ма- териала и ЕПр опять начинает снижаться. У неоднородных тонких материалов (бу- мага, лакоткаиь и т. п.) Епр уменьшается с уве- личением площади электродов, что объясняет- ся увеличением вероятности попадания под электроды слабых мест диэлектрика. Для надежной работы любого электротех- нического устройства рабочее напряжение его изоляции (7Раб должно быть существенно мень- ше пробивного напряжения Uap. Отношение Unp/UPn6 называют коэффициентом запаса элек- трической прочности изоляции. Электрическая прочность высококачествен- ных твердых электроизоляционных материалов, как правило, выше, чем жидких и, тем более, газообразных диэлектриков (при иормалыюм
36 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 давлении). Поэтому если расстояние между ближайшими друг к другу точками электродов по поверхности твердой изоляции (рис. 2.40) лишь ненамного превосходит кратчайшее рас- стояние между электродами сквозь изоляцию, то при повышении приложенного к изоляции напряжения в первую очередь может произой- ти не пробой изоляции (стрелка а), а поверх- ностный пробой (перекрытие) изоляции, т. е. разряд’ в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного (например, воздуха) или жидкого диэлектрика (стрелка б). Физическая природа пробоя. По физичес- кой сущности развития пробоя различают не- сколько видов, основные из них: чисто электри- ческий, электротепловой, электромеханический, электрохимический и ионизационный пробой. Чисто- электрический («собственный») пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы в диэлектри- ке. Этот вид пробоя развивается практически мгновенно. Если пробой ие произошел тотчас после приложения напряжения, изоляция в случае чисто электрического механизма про- боя ' теоретически должна выдерживать то же значение напряжения длительно (если только не иметь в виду пробой кратковременными — продолжительностью порядка 0,1—1 мкс — импульсами напряжения). Отношение импульсного пробивного на- пряжения Пир.имп к пробивному напряжению при длительном приложении напряжения (7Пр,дл называется коэффициентом импульса V ^пр,имп ,п АиМп — ,, {4.УХ) с^пр.Дл данной электрической изоляции. Коэффициент импульса зависит от материала диэлектрика и ОТ фОрМЫ И размеров ИЗОЛЯЦИИ; ДЛЯ ГаЗОВ Кима Рис. 2.41. Зависимость пробивного напряже- ния Uap при электротепловом пробое от вре- мени приложения напряжения Рис. 2.42. Зависимость электрической прочно- сти Епр фарфора от температуры Т при пере- менном напряжении с частотой 50 Гц: / —область. чисто электрического пробоя; /У —об- ласть элекгротеплового пробоя при прочих равных условиях бывает больше в случае неоднородного электрического поля в изоляции. Электротепловой (сокращенно — тепловой) пробой связан с нагревом изоляции в электри- ческом поле диэлектрическими потерями (см. § 2.4). Этот вид пробоя развивается следую- щим образом: когда на диэлектрик подается напряжение, в нем выделяется теплота потерь и температура его повышается, вследствие чего потери еще более увеличиваются; процесс идет, таким образом, все усиливаясь, и, в конце концов, диэлектрик может сильно измениться (может произойти расплавление, обугливание и т. п. в зависимости от природы материала) и его собственная электрическая прочность снизится настолько, что произойдет пробой. При этом для возникновения пробоя достаточ- но, чтобы разогрелось какое-нибудь место ди- электрика, в котором теплоотдача хуже или удельные потери повышены, а средняя темпе- ратура всего объема диэлектрика может оста- ваться мало отличающейся от начальной, имев- шей место до приложения к диэлектрику на- пряжения. Если удельная активная проводимость [по формуле (2.7) в случае постоянного напряже- ния или же по формуле (2.72) в случае пере- менного напряжения] мала и ТК ее невелик, а условия отвода тепла в окружающую среду достаточно хороши, установится равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду и диэлек- трик будет длительно работать под напряже- нием, не пробиваясь. В этом случае пробой может произойти лишь при дальнейшем повы- шении напряжения. Если же отвод тепла в ок- ружающую среду затруднен, то даже незначи- тельное напряжение, приложенное к диэлектри- ку, через достаточно большое время должно вызвать пробой. Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения при электро- тепловом механизме пробоя показана на рис. 2.41. Если мы приложим к диэлектрику напря- жение (71 на промежуток времени меньший, чем (1, и затем напряжение снимем, то диэлек- трик еще не успеет разогреться и не будет пробит. Диэлектрик способен неограниченно долго выдерживать напряжение, меньшее £7оо, к которому асимптотически стремится Uas> прн увеличении t. При электротепловом пробое Uap зависит как от частоты приложенного напряжения, уменьшаясь при ее возрастании, так и от тем- пературы окружающей среды (начальной ра- бочей температуры диэлектрика), уменьшаясь при ее возрастании. Для одного и того же диэлектрика переход из области чисто электрического пробоя (с электрической прочностью, не зависящей или лишь мало зависящей от температуры и частоты) в область электротеплового пробоя (с отчетливо выраженной зависимостью как от температуры, так и от частоты) может произой- ти при возрастании начальной температуры (рис. 2.42), при переходе от постоянного на- пряжения к переменному и при дальнейшем повышении частоты, при ухудшении тем или иным образом условий охлаждения. Электромеханический пробой подготовляет-
Термические свойства электроизоляционных материалов ся механическим разрушением материала (об- разованием макроскопических трещин) силами электрического поля (давлением электродов). Электрохимический пробой — вид медлен- но развивающегося пробоя, связанного с хими- ческим изменением материала в электрическом поле (пример — прорастание металлических древовидных побегов — «дендритов» в резуль- тате электролиза, см. с. 20). Ионизационный пробой объясняется дейст- вием на диэлектрик химически агрессивных ве- ществ, образующихся в газовых порах ди- электрика при частичных разрядах, а также эрозией диэлектрика иа границе пор ионами газа. 2.6. ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Нагревостойкость, теплостойкость и термо- стойкость. Весьма важна способность электри- ческой изоляции выдерживать повышенную температуру без существенного ухудшения свойств, так как от этого зависит наивысшая допустимая рабочая температура изоляции. В электрических машинах и аппаратах повышение температуры, которое обычно ли- митируется именно материалами электрической изоляции, дает возможность для заданной мощ. ности достигнуть уменьшения габаритных раз- меров, массы и стоимости изделия. Повышение рабочей температуры особенно важно для тя- говых и крановых электродвигателей, само- летного электрооборудования и других пере- движных устройств, где вопросы уменьшения массы и габаритных размеров выступают на первый план. Для электрических печей и на- гревательных приборов, электросварочной ап- паратуры, источников света и многих электрон- ных и ионных приборов и т. п. высокая рабо- чая температура изоляции необходима. У аморфных материалов (стекла, смолы и пр.) резко выраженной температуры плавле- ния Тпл нет, и у них температура размягчения Гразм определяется при помощи различных ус- ловных приемов (см. разд. 29). Приближение к температуре размягчения в эксплуатационных условиях может вызвать сильное снижение механической прочности и постепенную дефор- мацию изделий, что ограничивает теплостой- кость электроизоляционных материалов. У ря- да материалов при нагреве могут наблюдаться химическое разложение, обугливание, интен- сивное окисление до явного горения включи- тельно. В ряде случаев, даже при сохранении механической прочности и целостности изоля- ции, диэлектрические свойства ее ухудшаются настолько, что делают работу изоляции при повышенной температуре уже невозможной. Такие изменения качества изоляции могут про- являться даже при кратковременном повыше- нии температуры. Рис. 2.43. Возникновение температурных на- пряжений в поверхностном слое стекла при термоударах: а — случай быстрого нагрева; б — случай быстрого охлаждения Помимо ухудшающих качество электриче- ской изоляции изменений, которые проявляют- ся уже в случае кратковременного повышения температуры, при длительном воздействии по- вышенной температуры (но меньшей, чем. дей- ствующая вредно в течение короткого времени) могут наблюдаться нежелательные изменения за счет медленно протекающих химических про- цессов: это так называемое термическое (теп- ловое) старение изоляции. У трансформаторно- го масла старение проявляется в образовании продуктов окисления (см. разд. 4), у лаковых пленок — в повышении жесткости и хрупкости, образовании трещин и отставании от подложки (разд. 6) и т. п. Помимо температуры, сущест- венное влияние на скорость старения могут оказать: повышение давления воздуха или кон- центрации кислорода, присутствие озона, яв- ляющегося еще более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих ста- рение. Старение ускоряется освещением образ- ца ультрафиолетовыми лучами, воздействием электрического поля и т. п. Для ряда материалов, в особенности хруп- ких (стекла, керамика и т. д.), важна стойкость по отношению к резким сменам температуры (термоударам). При внезапном иагреве или охлаждении снаружи предмета из хрупкого материала, например стекла, вследствие нерав- номерного распределения температур в наруж- ном слое материала прежде всего возникают температурные напряжения, которые могут явиться причиной растрескивания. При быст- ром иагреве поверхностный слой стекла стре- мится расшириться, в то время как внутрен- ние слои еще ие успели прогреться и в мыслен- но выделяемых сечениях хх (рис. 2.43, а) соз- даются напряжения сжатия. Если же тепловой импульс имеет характер внезапного охлажде- ния поверхности стекла, то вследствие тепло- вого сокращения поверхностного слоя созда- ется тенденция к отрыву друг от друга сосед- них участков поверхностного слоя (рис. 2.43,6). Так как у стекол прочность при растяжении много меньше, чем прочность при сжатии, вне- запное внешнее охлаждение более опасно для стекла, чем быстрый нагрев. Таблица 2.2 Обозначение класса нагревостойкости Y А Е В F Н С Рабочая температура, °C 90 105 120 130 155 180 Выше 180
38 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 Сравнительная стойкость к термоударам различных типов стекол определяется пара- метром К=-^1/’-А- = -£Е_уг7, (2.93) аЕ У De аЕ где <Тр — прочность при растяжении; а — ТК длины; Е — модуль упругости; X — коэффици- ент теплопроводности; D — плотность; с — удельная теплоемкость к у — коэффициент тем- пературопроводности [формула (2.98)] мате- риала. Для стекол особо большое влияние на К. оказывает а; стойкие к термоударам стекла об- ладают малым а. Допустимый для эксплуатации материала или изделия температурный режим может оп- ределяться различными факторами. В результа- те испытаний (см. разд. 29) устанавливается стойкость материала к тепловым воздействи- ям, причем стойкость эта в разных случаях может быть неодинаковой: например, матери- ал, легко выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может ока- заться неустойчивым по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже более низкой температуры, или же материал, могущий длительно выдерживать нагрев до высокой неизменной температуры, растрески- вается при быстром охлаждении и т. п. Со- гласно ГОСТ 21515-76 «Материалы диэлектри- ческие. Термины и определения» способность диэлектрика выдерживать воздействие высо- кой температуры в течение времени, сравнимо- го со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств называ- ется нагревостойкостью. Материалы, применяемые для изоляции электрических устройств (при длительном воз- действии нагрева), часто разделяют на классы нагревостойкости, причем для каждого класса устанавливается определенная максимальная рабочая температура. Стандартом ГОСТ 8865-78 «Материалы электроизоляционные для электрических ма- шин, трансформаторов и аппаратов. Классифи- кация по нагревостойкости» и рекомендацией СЭВ PC 96467 в соответствии с Публикацией МЭК 85 (1957 г.) были предусмотрены классы нагревостойкости, указанные в табл. 2.2. Так, к классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы, хлопка и на- турального шелка, иепропитаниые и непогру- женные в жидкий электроизоляционный мате- риал; те же волокнистые материалы, в рабо- чем состоянии пропитанные. или погруженные в жидкий электроизоляционный материал, от- носятся уже к классу А. К классам В, F и Н относятся неорганические материалы — слюда, стекловолокно и асбест в сочетании с органи- ческими (или для класса Н — с кремиийорга- ническими) связующими или пропитываю- щими составами в зависимости от иагревостой- кости этих составов. К классу С принадлежат неорганические электроизоляционные материа- лы — слюда, электротехническая керамика, бес- щелочиое стекло, кварц, применяемые без свя- зующих или же в сочетании с составами особо высокой нагревостойкости — неорганическими или элементооргаиическими. Температура, указанная в табл. 2.2, уста- новлена как максимальная для электроизоля- ционных материалов при их использовании в электрических машинах, трансформаторах и аппаратах общего применения, длительно (в те- чение ряда лет) работающих в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуата- ционных условиях. Отнесение электроизоляционных материа- лов или их сочетаний (систем изоляции) к оп- ределенному классу нагревостойкости произ- водится на основе опыта эксплуатации или определенных испытаний, показывающих при- годность этих материалов для работы при температуре, соответствующей данному классу. В 1984 г. выпущено 2-е издание Публика- ции МЭК-85. В этом документе сохранены все прежние классы нагревостойкости от Y до Н (табл. 2.2), причем допускается обозначение классов не буквами, а числами, соответствую- щими допустимой рабочей температуре в гра- дусах Цельсия (т. е. 90; 105; 120; 130; 155 и 180 соответственно); класс С отменен, ио для повышенных рабочих температур введены клас- сы 200; 220 и 250 (рабочие температуры 200, 220 и 250 °C соответственно); для еще более высоких рабочих температур допускается ана- логично вышесказанному введение классов 275, 300 и т. д. (через каждые 25°C). В последнее время оценка классом нагре- востойкости преимущественно применяется не для отдельных электроизоляционных материа- лов, а для систем изоляции электрических ма- шин и т. п.; нагревостойкость материалов оце- нивается в соответствии с рекомендацией Меж- дународной электротехнической комиссии «тем- пературным индексом» и «профилем нагрево- стойкости» (см. разд. 29). К числу важнейших тепловых параметров многих электроизоляционных материалов, со- стоящих целиком или частично из полимеров, кроме нагревостойкости и температурных ин- дексов, определяющих рабочую температуру, относятся также теплостойкость и термостой- кость. Значения теплостойкости и термостойкости зависят от способа их определения. В поли- мерной химии теплостойкость часто определя- ют температурой стеклования и температурой размягчения, которую в электроизоляционной технике обычно измеряют по степени деформа- ции образца при нагревании под той или иной механической нагрузкой. Под термостойкостью понимают темпера- туру, при которой начинается химическое из- менение материала, в частности полимера, за счет термоокислительиой или термической де- струкции, связанной с выделением летучих про- дуктов. Как правило, для большинства полимеров, применяемых в электроизоляционной технике, между значениями теплостойкости и термо- стойкости существует большая разница. Под- робнее о теплостойкости и термостойкости см. в разд. 29. Холодостойкость. Во многих случаях, на- пример для самолетного электро- и радиообо- рудования, линий электропередачи и связи, открытых подстанций и т. п., важна холодо- стойкость изоляции, т. е. способность ее рабо- тать без ухудшения эксплуатационной надеж- ности при низких температурах, например
§ 2.6. Термические свойства электроизоляционных материалов 39 —(60-г-70)°С или даже еще более низких (крио- генных). При низких температурах, как пра- вило, электрические свойства электроизоляци- онных материалов улучшаются; однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает за- труднения для работы изоляции. Проверка стойкости электроизоляционных материалов и изделий из них к действию низких температур нередко проводится при одновременном воздей- ствии вибраций. Теплопроводность, Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепло потерь в окруженных изоляцией проводниках н магнитопроводах электрических машин, ап- паратов, кабелей и т. п. должно переходить в окружающую среду через слой изоляции (за исключением некоторых новых конструкций электрических машин, в которых отвод тепла от проводников осуществляется пропусканием охлаждающего вещества через канал внутри самого проводника). Термическое сопротивление электрической изоляции влияет на нагрев проводников и маг- иитопроводов. Особо большое значение имеет теплопроводность сравнительно толстой изо- ляции в устройствах высокого напряжения. Теплопроводность влияет иа электрическую прочность при электротепловом пробое (см. § 2.5) и на стойкость материала к термоударам [формула (2.93)]. Формальное определение полной и удель- ной теплопроводности и полного и удельного термического сопротивления аналогично оп- ределению полной и удельной электрической проводимости и полного и удельного объемно- го электрического сопротивления. Уравнение установившегося процесса передачи тепла че- рез тело с полным термическим сопротивле- нием при разности температур на горячей и холодной поверхностях АГ: Р=А7//?Т, (2.94) (где Р — мощность теплового потока, т. е. ко- личество тепла, проходящего через тело за единицу времени) аналогично закону Ома для электрической цепи, причем Р играет роль то- ка, а Д71 ~ разности потенциалов. При выра- жении Р в ваттах и ДГ — в кельвинах или в градусах Цельсия, единицей для /?т является K/Вт или °С/Вт. Расчет термического сопротивления тел производится по формулам, аналогичным фор- мулам для расчета электрического сопротив- ления: например, для движения тепла через участок тела между двумя параллельными друг другу плоскостями — горячей и холодной, которые в свою очередь перпендикулярны теп- ловому потоку, при обозначениях согласно рис. 2.2 /?т = ртй/5 (2.95) аналогично формуле (2.4); для цилиндриче- ского слоя (см. рис. 2.3) (2-9в> аналогично формуле (2.5) и т. п. Здесь рт — удельное термическое сопротивление материа- ла, которое выражается в м-К/Вт. Обратная рт Таблица 2.3. Теплопроводность некоторых материалов Вещество Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м-к) Воздух (в малых зазорах) 0,05 Битум 0,07 Целлюлозная бумага 0,10 Лакоткань 0,13 Гетинакс 0,35 Плавленый кварц SiO2 1,25 Фарфор 1,6 Стеатит 2,2 Двуокись титана TiO2 6,5 Кристаллический кварц 12 Графит С 18 Окись алюминия А12О3 30 Окись магния MgO 36 Германий Ge 58 Железо Fe 68 Кремний Si 109 Окись бериллия ВеО 218 Алюминий А1 226 Медь Си 390 величина X, аналогичная у [формула (2.11)], называется коэффициентом теплопроводности материала: Х=1/рт; (2.97) X выражается в Вт/(мК) или Вт/(м°С). Большие значения рт имеют пористые ма- териалы (с газовыми включениями). При про- питке и увлажнении материалов, а также при их уплотнении внешним давлением Рт умень- шается. Ориентировочные значения коэффициента теплопроводности X ряда электроизоляционных (и, для сопоставления, проводниковых и полу- проводниковых) материалов приведены в табл 2.3. Величина »—S'' <2-98’ где с — удельная теплоемкость [формула (2.100)] и D — плотность материала, называ- ется коэффициентом температуропроводности; знание этого параметра важно при расчете не- установившихся тепловых процессов в различ- ных устройствах. Теплоемкость. При сообщении телу, имею- щему теплоемкость Ст, количества теплоты Q его температура поднимается на Д7=(?/Ст. (2.99) В СИ теплоемкость тела выражается в Дж/К. Для тела из однородного материала, имеющего массу Л4, теплоемкость равна: Ст = с7И, (2.100) где с параметр материала — его удельная теп- лоемкость, Дж/(кг-К). В некоторых случаях удельную теплоем- кость относят не к единице массы, а к единице
40 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 объема вещества. В этом случае единицей теплоемкости будет Дж/(м3-К). Для газов различают две удельные тепло- емкости — удельную теплоемкость при неизмен- ном давлении ср и удельную теплоемкость при неизменном объеме с„. Очевидно, что ср>с„, так как при расширении нагревающийся газ совершает механическую работу. Для твердых й жидких тел; различие между ср и с„ прак- тически отсутствует. Ориентировочные значения удельной теп- лоемкости с некоторых материалов при нор- мальной температуре: электротехнический фар- фор — 900, органические полимеры 1200— 2200, нефтяные электроизоляционные масла 1800—2500, германий — 350, кремний — 700, медь — 385, алюминий — 920 Дж/(кг-К). Весь- ма высокую удельную теплоемкость — около 4200 Дж/ (кг К) — имеет вода. 2.7. РАЗЛИЧНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Растворимость и растворяемость. Эти об- щие физико-химические свойства материалов важны для подбора подходящих растворите- лей лаков и пр., а также для прогнозирования стойкости твердых материалов к действию раз- личных жидкостей, с которыми этим материа- лам приходится соприкасаться как в процессе изготовления электрической изоляции (напри- мер, при пропитке изоляции лаками), так и в эксплуатации (пример — изоляция маслонапол- ненных трансформаторов). Растворимость твердых материалов обычно оценивается количеством материала, переходящего в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасаю- щейся с растворителем. Кроме того, нередко определяют наибольшее количество материала, которое может быть растворено в единице объема данного растворителя (т. е. концентра- цию насыщенного раствора). Как правило, легче всего растворяются ве- щества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах сходные группировки атомов; полярные вещества легче растворяются в полярных жидкостях, неполяр- ные— в иеполяриых. Так, неполярные или сла- бо полярные углеводороды (например, пара- фин, каучук) растворяются в жидких углево- дородах; полярные смолы, содержащие гид- роксильные группы (фенолоформальдегидные и другие смолы), растворяются в спирте и иных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимери- зации (молекулярной массы); высокомолеку- лярные вещества с линейной структурой моле- кул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой — трудно. При повышении температуры растворимость увели- чивается. Химостойкость. Стойкость к разъеданию (коррозии) различными соприкасающимися ве- ществами (газами, водой, кислотами, щелоч- ными и солевыми растворами и т. п.) электро- изоляционных материалов весьма разнообраз- но. При определении химостойкости образцы материалов иа длительное время помещают в условия, по возможности более близкие к экс- плуатационным (или еще более суровые) с точ- ки зрения выбора концентрации химически активной среды, температуры (при повышении температуры интенсивность коррозии сильно увеличивается) и т. д., после чего определяют изменение внешнего вида образцов, их массы и других параметров. Для масел и т. п. измеряют кислотное число, характеризующее содержание в мате- риале свободных кислот. Эта величина опреде- ляет технологические особенности материала, а также способность материала вызывать кор- розию соприкасающихся с иим тел, например металлов. В трансформаторном масле высокое кислотное число является важным признаком плохой очистки при изготовлении или далеко зашедшего процесса старения масла (см. разд. 4). Кислотное число есть количество граммов едкого кали, требующееся для того, чтобы нейтрализовать все свободные кислоты, содержащиеся в 1 кг испытуемого материала (пример обозначения: 0,4 мг КОН иа 1 г или, что то же самое, 0,4 г КОН на 1 кг). Гигроскопичность. Многие электроизоля- ционные материалы в той или иной степени гигроскопичны, т. е. способны сорбировать вла- гу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать сквозь себя влагу. Образец электроизоляционного материала, помещенный в определенные условия влажно- сти и температуры окружающей среды, через неограниченно большое время достигает неко- торого «равновесного» состояния влажности. Сравнительно сухой образец материала, поме- щенный во влажный воздух с относительной влажностью <р, будет постепенно поглощать влагу из воздуха, и влажность материала ф (т. е. содержание влаги иа единицу массы ма- териала) с течением времени I будет повы- шаться, асимптотически приближаясь к значе- нию равновесной влажности фр, соответствую- щей данному значению <р (рис. 2.44, кривая а). Наоборот, если в воздух с той же относитель- ной влажностью <р будет помещен образец того же материала с высокой начальной влаж- ностью, то влажность образца будет умень- шаться, асимптотически приближаясь к равно- весной влажности фр; в этом случае происхо- дит сушка материала (кривая б). Для различных материалов значения рав- новесной влажности при одном и том же зна- чении относительной влажности воздуха весь- ма различны (рис. 2.45). При повышении температуры равновесная влажность, соответствующая тому же значе- нию <р, понижается (рис. 2.46). Таким образом, сушке благоприятствует не только пониженная влажность окружающей среды и смена возду- ха (вентиляция), но и повышение температуры. Под влагопоглощаемостью подразумева- ется равновесная влажность данного материа- ла при нормальной температуре в воздухе, от- носительная влажность <р которого близка к 100 %. Иногда электрической изоляции приходил- ся работать в условиях соприкосновения не только с воздухом, содержащим пары воды, но и с водой (изоляторы открытых установок, подвергающиеся действию атмосферных осад- ков; изоляция электрических машин и аппаратов на кораблях, в погружных насосах и т.п.).
§ 2.6 Термические свойства электроизоляционных материалов и Рис. 2.44. Изменения влажности ф образца гигроскопичного материала при увлажнении (кривая а) и при сушке (кривая б) Рис. 2.45. Зависимость равновесной влажности фр от относительной влажности ср окружаю- щего воздуха для различных материалов (при 20 °C): / — дерево; 2 — кабельная бумага; 3 — фенолофор- мальдегидная пластмасса; 4 — пористая керамика Рис. 2.46. Кривые зависимости равновесной влажности грр древесины от относительной влажности ср окружающего воздуха для раз- личных значений температуры В таких случаях представляет интерес опреде- ление водопоглощаемости (см. разд. 29). Анизотропные материалы впитывают вла- гу в различных направлениях с различной ско- ростью. Так, дерево скорее впитывает влагу в направлении вдоль волокон, т. е. с торцевого спила ствола, слоистые пластики — вдоль сло- ев и т. д. На гигроскопичность материала существен- ное влияние оказывает его строение. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного сплошного строения. Гигроскопичность материалов, практически ли- шенных пор (например, стекол), может быть только поверхностной: поглощаемая из окру- жающей среды влага накапливается в виде тонкой пленки на поверхности материала, но не проникает вглубь. Влагопоглощаемость и водопоглощаемость не полностью отражают степень возможных изменений электрических свойств материала при увлажнении. В том случае, если поглощен- ная влага способна образовывать внутри изо- ляции нити или пленки, которые могут прони- зывать весь промежуток между электродами (или значительную область этого промежутка), уже весьма малые количества поглощаемой влаги приводят к чрезвычайно резкому ухуд- шению электрических свойств изоляции. Если же влага распределяется по объему материа- ла в виде отдельных, не соединенных между собой малых включений, то влияние влаги на электрические свойства материала менее су- щественно. Аналогично Для несмачиваемых ма- териалов уменьшение удельного поверхностно- го сопротивления при выдержке во влажной среде незначительно, так как влага, даже в случае выпадения в виде росы, образует от- дельные капли, а не сплошную водяную пленку. Влагопроницаемость. Кроме гигроскопич- ности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость, т. е. способность мате- риалов пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (оболочки кабелей, ком- паундные заливки, лаковые покрытия изоля- ции электрических машии и т.п.). Для того чтобы уяснить себе возмож- ность проникновения влаги через мельчайшие поры, надо иметь в виду, что молекула воды обладает весьма малыми размерами — ее диа- метр равен примерно 2,5-IO-10 м. Коэффициент влагопроницаемости П мате- риалов входит в основное уравнение влагопро- ницаемости: количество воды М, кг, проходя- щее при стационарном режиме за время t, с, сквозь участок площадью S, м2, слоя рас- сматриваемого материала толщиной h, м, ес- ли с двух сторон пленки существуют парци- альные давления водяного пара в воздухе Pi и соответственно р2, Па: М = П (Р1~ Р2-- t. (2.101) h Это уравнение формально аналогично за- кону Ома для прохождения через тело элект- рического тока (причем разность давлений Pi — р2 аналогична разности потенциалов, от- ношение M/t — току, a h/IlS — электрическому сопротивлению тела) или же уравнению теп- лопроводности (2.94). Единица СИ для коэф- фициента влагопроницаемости кг/(мс-Па) или с (секунда). Важным влажностным параметром элект- роизоляционных материалов является также коэффициент влагорастворимости а. Это — ко- эффициент пропорциональности закона Геири: С=ар, (2.102) где С — равновесная влажность, отнесенная к единице объема материала, кг/м3; р, как и ра- нее, — упругость водяных паров в воздухе, с которым соприкасается материал. Так как С=фР, (2.103) где, как и выше, ф— массовая влажность, а D — плотность материала, закон Генри может быть записан в виде фП = ар. (2.Ю4) Единица СИ для а — кг/(м3-Па) или с:/м2.
42 Общие свойства электроизоляционных материалов Разд. 2 Таблица 2.4. Влажностные параметры полимеров Материал П, с К. м2/с а, с2/м2 Политрифтор- хлорэтилен 1,5-10-18 6-10-13 2,5-10—4 Политетра- фторэтилен 3,8- 10-1в 3,8-10—12 1-10—4 Полиэтилеи- терефталат 2,8-10—14 7-10-12 4-Ю—з Поливинилхло- 2,8-10—18 2,8'10-п 110-» рид Полиметилме- такрилат 8-10-1* 8-10—10 1-Ю—з Триацетат цел- люлозы 2,2-10—12 1,6-10-« 1,4-10—3 Коэффициент диффузии К материала — отношение величин П и а: К = П/а. (2.105) Единица СИ для К — м2/с. В табл. 2.4 приведена сводка ориентиро- вочных значений П, К и а для некоторых ор- ганических полимеров. Из уравнений, аналогичных уравнению (2.101), определяется также водопроницае- мость (для просачивания сквозь материал жид- кой воды), воздухопроницаемость и т. д. Способность твердого тела смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризу- ется краевым углом смачивания 0 капли жид- кости, нанесенной на поверхность тела (рис. 2,47). Чем меньше 0, тем сильнее выражена смачиваемость материала; для смачиваемых поверхностей 0<9О° (рис. 2.47, а), для несма- чиваемых 0>9О° (рис. 2.47,6). Для уменьшения гигроскопичности и вла- гопроницаемости пористых электроизоляцион- ных материалов широко применяется их про- питка и покрытие соответствующими малогнг- роскопичными и маловлагопроницаемыми элек- троизоляционными материалами (лаками, компаундами и т.п.); с той же целью изделия из фарфора и некоторых других керамических электроизоляционных материалов покрывают глазурями (см. разд. 23). Вязкость. Важным показателем качества жидких, а также аморфных вязких материа- лов (смолы, компаунды, стекла при темпера- туре, приближающейся к температуре плавле- ния или размягчения) является вязкость. Вяз- кость имеет большое значение в технологии Рис. 2.47. Краевые углы смачивания поверхно- сти твердых тел водой (схематически): а — смачиваемая поверхность; б — несмачиваемая поверхность электрической изоляции (процессы пропитки, опрессовки и т.п.); вязкость также непосред- ственно связана с электрическими свойствами электроизоляционных материалов. Различают два основных вида вязкости— динамическую (иначе, абсолютную, или коэф- фициент внутреннего трения), и кинематичес- кую. Кроме того, в электроизоляционной тех- нике часто приходится иметь дело с условной вязкостью. Условная вязкость масел, лаков и т. п. связывается с имеющими более строгий физический смысл динамической вязкостью и кинематической вязкостью эмпирическими фор- мулами. Динамическая вязкость г, — сила сопротив- ления двух слоев жидкости площадью, рав- ной единице, находящихся на расстоянии друг от друга, равном единице, и перемещающихся друг от друга со скоростью, равной единице. Кинематическая вязкость v — отношение ди- намической вязкости г] к плотности D вещест- ва (при той же температуре): v = T]/D. (2.106) Единица СИ динамической вязкости — паскаль-секунда (Па-с), а кинематической вязкости — метр в квадрате на секунду (м2/с). Более подробно о единицах вязкости — см. с. 10. Отметим, как одно из наглядных опреде- лений динамической вязкости закон Стокса, согласно которому скорость о движения шара радиусом г в вязкой среде под действием по- стоянной силы F равна о = Е/6лгт|, (2.107) где т) — динамическая вязкость среды. Закон Стокса действителен для малой скорости v движения шара в неограниченном объеме жид- кости. Как правило (если только при нагреве не имеют место полимеризация или другие по- добные процессы), вязкость при повышении температуры сильно уменьшается. Так, для иа- триево-силикатного стекла г) при 500 °C равна примерно 1012, а при 1200 °C — всего 102 Па-с. Значение г) воды при 0 °C около 0,0018, а при 20°С — 0,0010 Па-с (следовательно, v воды при этих температурах близка соответственно к 1,8-10—° и 1,0-10-8 м2/с, так как плотность D воды около 103 кг/м3). Общее название приборов для измерения вязкости — вискозиметры (см. разд. 29). В разд. 29 даны также определения и описаны способы измерения различных механических свойств твердых электроизоляционных мате- риалов (прочность при растяжении и сжатии; относительное удлинение при разрыве; удар- ная вязкость; твердость). Список литературы Авакян Ю. В., Казанчяи Г. П. Светостойкость электроизоляционных материалов. М.: Энергия, 1978. ИЗ с. Бернштейн Л. М. Изоляция электрических ма- шин общего назначения. М.: Энергоиздат, 1981. 376 с. Бернштейн Л. М. Изоляция электрических ма- шин. М.: ВИНИТИ, 1983. 108 с. Борисова М. Э., Койков С. Н. Физика диэлект- риков. Л.: ЛГУ, 1979. 240 с. Варденбург А. К., Пнлнпосян П. М. Электричес- кая напыленная изоляция. М.: Энергоатомиздат, 1984. 136 с.
§ 3.2 Диэлектрическая проницаемость 43 Гроднев И. И., Ларин Ю. Т„ Теумии И. И. Оп- тические кабели. Конструкции, характеристики, про- изводство и применение. М.: Энергоатомиздат. 1985. -176 с. Варшавский Д. С. Силовые кондеисаторы/Под ред. Б. М. Тареева. М.: ВИНИТИ, 1980. 128 с. Воробьев Г. А. Физика диэлектриков (область сильных полей). Томск: ТГУ, 1971. 200 с. Герметизация полимерными материалами в ра- диоэлектронике/Б. М. Тареев, Л. В. Яманова, В. А. Волков. Н. Н. Ивлиев. М.: Энергия, 1974. 304 с. Губкин А. Н. Физика диэлектриков. Т. 1. М.: Высшая школа, 1981. 272 с. Дмитревский В. С. Конструирование и расчет электрической изоляции. М.: Энергоатомиздат, 1981. 392 с. Иоссель Ю. Я., Кочанов Э. См Струнский М. Г. Расчет электрической емкости. Л.: Эиергоиздат, 1981. 288 с. Казарновский Д. М., Тареев Б. М. Испытание электроизоляционных материалов н изделий. Изд. 3-е. Л.: Эиергоиздат, 1980. 214 с. Каи М. М., Николаевич А. Ф., Славяиннова Е. Л. Проектирование и технология герметизирую- щей изоляции элементов электротехнической и элект- ронной аппаратуры. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд., 1983. 128 с. Корицкий Ю. В. Основы физики диэлектриков. М.: Энергия, 1979. 248 с. Ларина Э. Т. Силовые кабели н высоковольтные кабельные линии. М.: Энергоатомиздат, 1984. 368 с. Маслов В. В. Влагостойкость электрической изо- ляции. М.: Энергия. 1973. 208 с. . * ГОСТ 2155-76 (переиздание с изменением 1980 г.). Материалы диэлектрические. Термины и определе- ния. ГОСТ 4.73-81. Материалы электроизоляционные. Номенклатура показателей. Паркшеяи X. Р., Хайкии А. М. Экономика при- менения полимерных материалов в электротехнике. М.: Энергия, 1972. 136 с. Пешков И. Б. Эмалированные провода/Под ред. Б. М. Тареева. М.: ВИНИТИ, 1981. 112 с. Пешков И. Б. Обмоточные провода. М.: Эиерго- атомиздат, 1983. 351 с. • Поплавко Ю. М. Физика диэлектриков. Киев: Вища школа, 1980. 398 с. Производство кабелей и проводов/Под ред. Н. И. Белоруссова и И. Б. Пешкова. М.: Энергоиз- дат, 1981. 632 с. Справочник по электрическим коденсаторам/ Под ред. В. В. Ермуратского. Кишинев: Штиннца, 1982. 311 с. Тареев Б. М. Физика диэлектрических материа- лов. М.: Эиергоиздат, 1982. 320 с. Электрические изоляторы/Н. С. Костюков, Н. В. Минаков, В. А. Князев н др. М.: Энергоатомиздат, 1985 . 296 с. Электрические свойства полимеров/Б. И. Сажнн, А. М. Лобанов, О. С. Романовская, М. П. Эйдель- нант, С. Н. Койков; Под ред. Б. И. Сажина. Л.: Химия, Ленингр. отд., 1977. 192 с. Электроизоляционные материалы высокой нагре- востойкости/Э. 3. Аснович, К. И. Забырина. В. А. Колганова, Б. М. Тареев. М.: Энергия, 1979. 240 с. РАЗДЕЛ 3 ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ М. И. Сысоев 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Газообразные диэлектрики при атмосфер- ном давлении обладают небольшой электриче- ской прочностью по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками. Например, электри- ческая прочность воздуха и азота при рас- стоянии между электродами 1 см и более при- мерно 3 МВ/м, элегаза (SF6) — 7,5 МВ/м, т. е. на порядок меньше, чем у твердых диэлектри- ков. Тем не менее газообразные диэлектрики широко применяются в электротехнике благо- даря другим своим ценным свойствам, а так- же в силу того, что в ряде случаев их присут- ствие неизбежно. Например, воздух окружает большинство электротехнических установок, а в линиях электропередачи высокого напряже- ния является основной изолирующей средой. В тех случаях, когда высокая электричес- кая прочность является одним из определяю- щих критериев для выбора диэлектрика, она может быть достигнута применением сжатого газа, например воздуха при давлении 2—3 МПа или высокопрочного газа SF6 при давлении 0,4 МПа. Наиболее ценным свойством газов, широ- ко используемым при изготовлении высоко- вольтных аппаратов, является их способность восстанавливать электрическую прочность пос- ле разряда, в том числе при определенных ус- ловиях после дугового разряда. Это свойство наряду с другими используется для изготовле- ния воздушных и элегазовых выключателей, разрядников и ряда других аппаратов. Другими характерными свойствами газов являются: малая плотность, низкое значение диэлектрической проницаемости, высокое зна- чение удельного сопротивления, очень малый угол диэлектрических потерь, отсутствие старения, т. е. ухудшения свойств с течением времени. Из очень большого количества газов, кото- рые разработаны или существуют в природе, только небольшое количество нашло примене- ние в электротехнике. Это связано с тем, что при применении к ним предъявляются следую- щие требования, ограничивающие их выбор: химическая инертность по отношению к твер- дым и жидким материалам, нетоксичность как самого газа в исходном состоянии, так и про- дуктов его разложения при электрическом раз- ряде, низкая температура сжижения, позво- ляющая использовать их при повышенных дав- лениях, невысокая стоимость, негорючесть. В табл. 3.1 приведены наиболее важные свой- ства некоторых газов. 3.2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ Под действием внешнего электрического поля происходят упругие деформации элект- ронных оболочек атомов газа и смещение их относительно своих ядер. В случае ионного строения молекул газа происходит также сме- щение ионов относительно друг друга. В ре- зультате возникают так называемые электрон-
.44 Газообразные диэлектрики Разд; 3 Таблица 3.1. Основные свойства газов Газ Химический состав Плотность при 0°Си 0,1 МПа. кг/м8 Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м«°С) Молекулярная масса Температура плавления, °C Температура кнпення, °C Отношение элект- рической проч- ности к прочнос- ти азота Удельная теплоемкость, кДж/(кг°С) Воспламеняе- мость Воздух см. с. 16 1,2929 0,0257 28,952 —213,0 — 194,0 0,94 1,01 Нет Водород н2 0,08988 0,175 2,0156 —259,14 —252,8 0,51 1 14,5 Есть Азот n2 1,2506 0,0269 28,016 —209,86 —195,8 1,06 Нет Гексафторид се- ры (элегаз) SF„ 6,700 0,0146 146,06 — —63,8 2,9 0,652 » Дихлордифтор- метан (хладон-12) CC12F2 6,33* — 120,93 —158 —29,79 2,46 — » Перфторпропан C3F s — — 188,02 — 160 —36,7 2,2 — » Октафторцикло- бутан C4F8 9,62* — 200,04 —41,4 —5,85 2,6 — Хлорпентафторэтан С2С1И5 8,37* — 154,48 — 106 —38,7 2,54 — Днхлортетрафтор- этан C2C12F4 7,83* — 170,94 —94 —3,77 2,8 — » Гексафторэтан c2f6 9,01* — 138,02 — 100,6 —78,2 2,02 — Тетрафторметан cf4 7,62* — 88,01 — 184 — 127,96 1,06 — » —. 27,85* — 624 —— — 9,4 — Гелий He 0,1785 0,1423 4,0026 —. —268,78 0,24 5,27 Метан CH4 0,7168 0,0325 16,04 — 172,3 — 161,33 — 2,22 Есть • Плотность насыщенных паров при температуре кипения. ная и ионная поляризации. Кроме того, если газ состоит из полярных молекул, наблюдает- ся дипольная поляризация. Степень поляризуе- мости атомов и молекул газа находит отраже- ние в значении диэлектрической проницаемо- сти газа. Относительна я диэлектрическа я проницае- мость газов ег вычисляется по формуле п / ц2 \ 8Г=1+ ---- «э + ^т- , (3.1) е0 \ 3kT ) 1“де п — число молекул в 1 м3 газа; е0=8,85Х ХЮ12 Ф/м — электрическая постоянная; аэ — электронная поляризуемость молекулы, Ф-м2; ц — электрический момент дипольной молеку- лы, Кл-м; k — постоянная Больцмана, Дж/К; Т — термодинамическая температура, К- В свя- зи с малой плотностью газообразных диэлек- триков по сравнению с плотностью жидких и твердых диэлектриков их диэлектрическая про- ницаемость значительно меньше проницаемости последних и близка к 1. Большинство газообразных диэлектриков, применяемых в электротехнике, неполярно, и их ег может быть определена по формуле пая Ег = 1 +-----(3.2) во где обозначения те же, что и в (3.1). Таблица 3.2. Относительная диэлектрическая проницаемость газов при 20°С и 101 325 Па (760 мм рт. ст.) Газ Химичес- кий состав Радиус молекулы, 10—10 м Ег ПрН низких частотах ег прн длине волны 30 мм Показа- тель пре- ломления света п п* Полярность газа Гелий . Не 1,12 1,000072 1,00035 1,000070 Неполярный Водород н2 1,35 1,00027 1,00036 1,00014 1,00028 » Кислород о2 1,82 1,00055 1,00053 1,00027 1,00054 > Аргон Аг 1,83 1,00056 —- 1,00028 1,00055 > Азот n2 1,91 1,00058 1,00059 1,00030 1,00060 > Углекислый газ со2 2,30 1,00096 1,00099 1,00050 1,00100 » Метан сн4 — 1,00095 — 1,00044 1,00088 » Аммиак nh8 — 1,0066 — 1,000375 1,00075 Полярный Элегаз SF„ 3,07 1,00191 — 1,000783 1,00157 Неполярный Воздух — 1,00059 1,00058 — » Хладон-12 CC12F2 — 1,0016* — — —- » Тетрафторметан cf4 — 1,0006** — — > Окта фторциклобута н c4f8 — 1,0034* — — — » • При О °C. *• При 24,6 °C и 0,05 МПа.
§ 3.3. Электропроводность и диэлектрические потери 45 Таблица 3.3. Относительная диэлектрическая проницаемость газов при различных давлениях Газ 0,1 МПа 2 МПа 4 МПа 10 МПа Воздух 1,00058 1,0108 1,0218 1,0549 Азот 1,00058 1,0109 — 1,055 Углекислый 1,00098 1,020 1,050 — газ Элегаз 1,0021 1,0622 — ’— Из (3.2) следует, что изменение е, при изменении температуры Т и давления р для неполярных газов связано с изменением числа молекул или атомов газа в единице объема и, следовательно, может быть определено с по- мощью основного газового закона п= p/kT. (3.3) Относительная диэлектрическая проницае- мость неполярных газов очень близка к квад- рату показателя преломления света и увели- чивается с увеличением радиуса молекулы (табл. 3.2). В связи с тем, что ег водяных паров име- ет высокое значение, е, газов с примесью во- дяных паров может заметно отличаться от ег при отсутствии последних. Определение ег воз- духа при различной его влажности может быть выполнено по формуле Р Г 8г=! + ~Г рн ФРн Р ' 135 -----— 0,0039 Г (3.4) где р — давление воздуха, Па; ри — упругость насыщенных водяных паров при данной тем- пературе, Па, определяемая по формуле 3816,44 lg№ = 23’19-TZ^TT: (3-5> <р — относительная влажность воздуха, %; Т— термодинамическая температура, К- В табл. 3.3 приведены в качестве иллюст- рации значения относительной диэлектрической проницаемости воздуха, углекислого газа и азота при 20 °C и различных давлениях. 3.3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ Под воздействием ультрафиолетовых и космических лучей, радиоактивного излучения Земли н ряда других внешних факторов про- исходит ионизация нейтральных молекул газа с образованием электронов, положительных и отрицательных ионов. Газ приобретает хотя и очень малую, но определенную электрическую проводимость. Когда электрическое поле зна- чительно, возникает ударная ионизация элек- тронами, приобретающими под действием поля кинетическую энергию, достаточную для иони- зации нейтральной молекулы при их соударе- нии. Одновременно с ионизацией газа проис- ходит и рекомбинация положительных и отри- цательных ионов с образованием нейтральных молекул. В случае образования электропроводности под действием внешних факторов прн малой напряженности электрического поля плотность тока очень мала н баланс процессов образова- ния ионов н их рекомбинации сохраняется при прохождении тока. При этом плотность тока, созданная движением положительных и отри- цательных ионов, будет равна J = (qn+ k+ + qn— k~) E — yE = yU/h, (3 .’6) где n+ н n~ — соответственно концентрации положительных и отрицательных нонов; q—за- ряд иона; k+ и k~ — подвижности положи- тельных и отрицательных ионов; у — удельная проводимость; h — расстояние между электро- дами; U — напряжение на промежутке. Таким образом, в рассматриваемом режи- ме соблюдается закон Ома. В вольт-амперной характеристике этот участок отображается ее линейной частью О А на рис. 3.1. Прн дальней- шем росте напряжения упомянутый баланс процессов образования ионов и их рекомбина- ции нарушается за счет уноса ионов током. Ток начинает расти медленнее, чем напряже- ние, и вольт-амперная характеристика начина- ет загибаться (участок АВ иа рнс. 3.1). Про- цесс обеднения концентрации нонов продол- жается с ростом напряжения и прн опреде- ленном его значении наступает насыщение тока, что соответствует горизонтальной части ВС кривой на рис. 3.1. Все ионы, создаваемые под воздействием внешних ионизаторов,. уно- сятся к электродам, н плотность тока опреде- ляется числом ионов, создаваемых за секун- ду, и зарядом иоиа: J = Nqh, (3.7) где N — числа положительных и отрицатель- ных ионов, создаваемых в секунду в единице объема; q — заряд иона; h—длина проме- жутка между электродами. При оценке значений тока насыщения в наиболее распространенном газовом диэлект- рике — воздухе следует иметь в виду, что # в зависимости от условий и времени может ши- роко меняться: от 10е до 108 м~3-с-1, то же самое относится и к значению п, которое мо- жет меняться от 109 до 1010 м"3. Подвижность положительных нонов равна 1,3-10~4 и отри- цательных 1,8-10~4 м/(с-В). Подставляя средние значения п и N в (3.6) и (3.7), полу- чаем, что удельная проводимость равна 2,4Х ХЮ-13 См/м, а плотность тока насыщения для промежутка 1 см равна 10-14 А/мг. Прн дальнейшем увеличении напряжения плотность тока начинает вновь возрастать. Рнс. 3.1. Вольт-амперная характеристика га- зового промежутка
46 Газообразные диэлектрики Разд. 3 Этот рост ускоряется с увеличением напря- жения (участок СЕ иа кривой рис. 3.1), воз- никает ударная ионизация в объеме газа, о которой говорилось ранее. Прн этом проводи- мость газа резко возрастает. Отметим, что в сжатых газах плотность предпробивиых токов может достигать 10~7 А/м! и более за счег ударной ионизации в газе вблизи микронеод- нородиостей на поверхности электродов. Од- нако удельная проводимость будет того же порядка, что н в открытом воздухе, т. е. 10-13 См/м. Диэлектрические потери в газах при на- пряженности поля ниже значения, соответст- вующего появлению ударной ионизации, во всех случаях практически определяются толь- ко их электрической проводимостью, так как ориентация дипольных молекул, если таковые имеются, не сопровождается сколько-нибудь заметными потерями энергии вследствие малой вязкости газов. Так как газы отличаются ни- чтожной проводимостью, то и угол диэлектри- ческих потерь будет очень мал. Принимая приведенное выше значение удельной прово- димости газа 10~13 См/м, вг=1 и частоту f= =50 Гц, получаем по формуле (2.75) 1,8-ЮВ * 10 * * ег 1,8- 1010-10—13 „ „ . = ----’-------------= 3,6- 10—$. 1-50 С диэлектрическими потерями в газах приходится считаться в линиях электропере- дачи высокого напряжения, где вследствие ударной ионизации вблизи проводов возника- ет ток короны. Потери энергии, связанные с прохождением этого тока между проводами и землей, могут иметь значение, соизмеримое с потерями в активных сопротивлениях прово- дов при прохождении рабочего тока. 3.4. РАЗВИТИЕ РАЗРЯДОВ В ГАЗАХ В процессе ударной ионизации, иниции- руемой внешними начальными электронами, возникшие электроны участвуют в дальнейшем процессе такой ионизации, создавая еще но- вые электроны. Образуется электронная лави- на, плотность зарядов в которой быстро рас- тет и достигает своего максимума в головке лавины у анода. С увеличением напряжения несамостоя- тельный разряд, которому на кривой рис. 3.1 соответствует участок вольт-амперной характе- ристики до точки Е, переходит в самостоя- тельный, при котором разряд может сущест- вовать и при отсутствии внешних ионизаторов. Увеличение концентрации ионов н электронов происходит при этом за счет новых элементар- ных процессов, связанных с самим разрядом: электронные лавины создают электроны благо- даря ударам положительных ионов о катод в одних видах разряда и фотоионизации на ка- тоде или в газе — в других. В зависимости от давления газа, сопро- тивления внешней цепи, степени неоднородно- сти электрического поля и ряда других факто- ров возможны различные формы разряда. При низких давлениях и большом сопро- тивлении внешней цепи возникает тлеющий разряд, характеризующийся чередованием све- тящихся и темных участков разрядного про- межутка, малой плотностью тока и большим катодным падением потенциала. При давлениях газа, близких к атмосфер- ному, сравнительно большом расстоянии, но маломощном источнике тока возникает искро- вой разряд. При этом виде разряда вблизи анода в головку лавины, в которой после ухо- да на анод электронов создается положитель- ный избыточный заряд, вливаются дочерние лавины, создаваемые фотоэлектронами, обра- зованными фотоионизацией в объеме газа. Создается разрядный канал в виде плазмы с избыточным положительным зарядом в его головке. Этот канал продвигается в направле- нии катода благодаря вливанию все новых и новых дочерних лавин в головку канала. Этот процесс носит название образования стримера. Когда стример замыкает весь промежуток, происходит образование главного канала иск- ры. По внешнему виду искровой разряд ха- рактеризуется узким ярко светящимся зигза- гообразным каналом. Когда один из электродов или оба имеют радиус кривизны, малый по сравнению с рас- стоянием между ними, а давление газа при- мерно атмосферное, может возникать корон- ный разряд со светящейся областью вблизи электрода с малым радиусом кривизны. При больших напряжениях, иногда весьма значи- тельных, возникает искровой разряд, который называют также полным разрядом, просто раз- рядом или пробоем. При достаточной мощно- сти источника тока искровой разряд может перейти в дуговой. При приложении к газовому промежутку импульсного напряжения его пробивное зна- чение зависит от длительности приложения этого напряжения (рис. 3.2). Эту зависимость Рис. 3.2. Вольт-секундные характеристики га- зовых промежутков: / однородное поле; 2 •— сильионеоднородиое поле Рис. 3.3. Составляющие предразрядного вре- мени
Электрическая прочность газовых промежутков 47 называют вольт-секундной характеристикой промежутка. Предзарядное время fp, т. е. вре- мя, протекшее от момента появления напря- жения до момента разряда (пробоя), состоит из трех составляющих (рис. 3.3): 1) времени достижения напряжения значения 17«, рав- ного напряжению самостоятельного разряда при его длительном воздействии; 2) времени /с появления эффективного начального элект- рона, т. е. электрона, способного привести к разряду; 3) времени формирования разряда /ф. Обе последние составляющие времени под- вержены статистическому разбросу. Среднее время тем меньше, чем выше приложенное на- пряжение. По международным нормам и ГОСТ 1516.2-76 регламентируются две основные фор- мы испытательных импульсов: 1) грозовой им- пульс с длительностью фронта 1,2 и длитель- ностью импульса 50 мкс; 2) коммутационный импульс с временем подъема импульса 250 я длительностью импульса 2500 мкс. Грозовой импульс условно обозначается символом 1,2/50, а коммутационный — 250/2500. Отношение значения пробивного напряже- ния при импульсном напряжении к пробивно- му напряжению при напряжении 50 Гц назы- вается коэффициентом импульса. Для проме- жутков с однородным и слабонеоднородным полями предразрядное время очень мало, а коэффициент импульса для стандартных им- пульсов равен единице (см. рис. 3.2). Для про- межутков с сильнонеоднородным полем коэф- фициент импульса зависит от полярности им- гульса, степени неоднородности, длины про- межутка и для грозового импульса может су- щественно превышать единицу. О коэффициен- те импульса в случае сжатых газов — см. § 3.7. Предразрядное время даже для длинных газовых промежутков с сильно неоднородным полем составляет несколько десятков микросе- кунд, т. е. очень мало по сравнению с дли- тельностью полупериода напряжения 50 Гц, поэтому пробой прн этом напряжении проис- ходит на амплитуде напряжения. Все приве- денные в этом разделе численные значения пробивных напряжений и напряженностей да- ны в амплитудных значениях. 3.5. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ. ЗАКОН ПОДОБИЯ РАЗРЯДОВ Электрическая прочность газа зависит от его природы, строения его молекулы. Эта за- висимость сложная. При прочих равных усло- виях прочность тем выше, чем больше потен- циал ионизации. В табл. 3.4 приведены значе- ния потенциалов ионизации различных газов. Скорость и соответственно энергия электро- нов, приобретаемые ими при движении в элек- Рис. 3.4. Зависимость пробивных напряжений различных газов от произведения давления на расстояние между плоскопараллельными элек- тродами трическом поле, определяются в основном ха- рактером столкновений электронов с молеку- лами данного газа. Если электроны в газе при своих столкновениях с молекулами или атома- ми испытывают относительно большое число неупругих столкновений, что характерно для сложных молекул газа, то для достижения ими энергии, необходимой для ионизации, тре- буется большая напряженность электрическо- го поля и прочность такого газа будет выше. Поэтому часто газу с малым ионизационным потенциалом соответствует большая электри- ческая прочность и наоборот. Так, одноатом- ные благородные газы Ne, Не, в которых ука- занные потери малы, хотя и обладают высо- ким ионизационным потенциалом, но имеют низкую электрическую прочность. При неизменной температуре пробивное напряжение газа в однородном поле 17пр яв- ляется функцией произведения давления р на расстояние между электродами h (закон Пашена) UBp = f(ph). (3.8) Установленный экспериментально закон Пашена затем был обобщен и для неоднород- ных полей и получил название закона подобия разрядов, который формулируется следующим образом: при неизменной температуре пробив- ное напряжение 1/пр является функцией произ- ведения давления газа р на одни из геометри- ческих размеров промежутка (например, ради- ус внутреннего цилиндра г коаксиальных ци- линдров) и отношений к этому размеру всех остальных определяющих геометрических раз- меров (например, радиуса наружного цилинд- ра R) Unp = f(pr, R/r). (3.8') В однородном поле кривые зависимости пробивного напряжения от произведения дав- Таблица 3.4. Потенциалы ионизации газов Газ н, N, о, С1, со, н,о Хе КГ Аг Ne Не . Потенциал иониза- ции, В 15,4 15,6 12,1 11,5 13,8 12,6 12,1 14 15,8 21,6. 24,6
48 Газообразные диэлектрики Разд. 3 Таблица 3.5. Минимальные пробивные напряжения для азота и водорода Газ Катод p h, Па «см "пр- B N2 Pt 100 275 n2 Na 80 200 Н2 Pt 166 295 Н2 Na 133 175 Ионизационные процессы прн коронном разряде имеют место только в зоне повышен- ной напряженности поля. При дальнейшем повышении напряжения коронный разряд при повышенных давлениях обычно переходит в стримерную, а в длинных промежутках лидер- ную стадии разряда, которые и завершают про- цесс прохождения разрядным каналом всего промежутка между электродами. Определение пробивного напряжения, которое может быть существенно больше напряжения появления ко- ронного разряда, в этих случаях выполняется Таблица 3.6. Значения постоянных коэффициентов в формуле (3.6) Постоянные коэффициенты Воздух О, N, H, Ar He Ne SF« e0, МВ/м 2,45 2,60 2,35 1,26 0,57 0,57 0,201 8,93 fc0, MB/m1/2 0,064 0,0635 0,0955 0,0437 0,226 0,0153 0,0157 0 ления на расстояние между электродами (кри- вые Пашена) имеют U-образную форму (рис. 3.4). Минимальные значения пробивного на- пряжения зависят от материала катода. Чис- ленные значения этих напряжений и соответ- ствующих нм произведений ph для азота и во- дорода даны в табл. 3.5. Наиболее низкие значения минимальных пробивных напряжений наблюдаются в случае инертных газов и особен- но их смеси с аргоном или парами ртути. Газы применяются в качестве изолирую- щих сред при значениях ph, которые намного больше значений, соответствующих минимуму в кривых Пашена, т. е. обычно расчеты ведут- ся при использовании правой ветви этих кри- вых. При ph около 1000 Па-см и более в опре- деленных пределах по давлению, различному для различных газов (см. § 3.7), можно поль- зоваться расчетной формулой Unp = До— h+ »о 1/ — . (3.9) Ро Г Ро где ро — давление при нормальных атмосфер- ных условиях (ро— 101,3 кПа, температура 7’о=293 К). Значения постоянных а0 и &0 Для различных газов приведены в табл. 3.6. При отклонении температуры от нормаль- ной Го=293 К пробивное напряжение можно определить по формуле Unp = а0М + Ьо УНГ, (3.10) где 6=(р/р0)(70/Т). (3.11) Из (3.9) следует, что электрическая прочность газа £пр определяется выражением F — ^пР — „ Р I h 1 f Р Ьдр — — “г I/ , л Ро V М (3.12) Следовательно, электрическая прочность Гвэа при неизменном давлении увеличивается с уменьшением расстояния между электродами. по имеющимся многочисленным эксперимен- тальным кривым (см. § 3.11). Однако напря- жение появления коронного разряда, которое обычно называется начальным, может быть рассчитано по полуэмпирической формуле a„tih с 1 Uh--7— 1+ Ш.38 h (3-13) «н L (of) J где h — расстояние между электродами; г— радиус кривизны электрода с большей кривиз- ной; kB — коэффициент неоднородности поля (отношение максимальной напряженности к средней): для коаксиальных цилиндров (7?/г)-1 н Ш R/r (3.14) для концентрических сфер kH — R/r; (3.15 с — коэффициент, зависящий от рода газа и геометрии электродов; для воздуха в случае коаксиальных цилиндров с=0,113 м°-38, для концентрических сфер с=0,155 м0’38; а0 берет- ся из табл. 3.6. > Формула (3.13) в общем случае справед- лива для отрицательной полярности напряже- ния. В сильнонеоднородных полях при положи- тельной полярности наблюдаются несколько большие значения. Характер изменения зависимости разряд- ного напряжения от степени неоднородности поля хорошо иллюстрируется кривыми рис. 3.5, где представлены зависимости начального и пробивного напряжения от расстояния меж- ду электродами для системы шар — плоскость. Из рисунка видно, что с ростом степени неод- нородности поля, которая возникает благода- ря увеличению расстояния между электродами при неизменном диаметре шара, повышение разрядного напряжения замедляется. При не- котором отношении диаметра шара к расстоя- нию между ним и плоскостью пробою предше- ствует коронный разряд, а пробивное напряже- ние становится примерно равным сооТВЁтству-
§ 3.6 Газы с высокой электрической прочностью 49 Рис. 3.5, Зависимость на- чального и пробивного на- пряжений (50 Гц) воздуш- ного промежутка от рас- стояния между электродами шар—плоскость: ——-— — пробивные напряже- ния: --------напряжения по- явления короны; /, 2, 3 и 4 — соответственно диаметры ша- ров 75; 50; 25 и 12,5 см; 5 — острие-—плоскость ющему напряжению для стержень — плоскость и сит от диаметра шара. системы электродов практически не зави- 3.6. ГАЗЫ С ВЫСОКОЙ электрической ПРОЧНОСТЬЮ Сравнительно высокой электрической проч- ностью обладают электроотрицательные га- зы. Обычно их электрическая прочность тем выше, чем выше их молекулярная масса. Одна- ко с увеличением молекулярной массы в боль- шинстве случаев повышается также температу- ра кипения, что ведет к тому, что эти газы переходят в жидкость даже при комнатной температуре. Следует также отметить недоста- точную химическую стойкость высокомолеку- лярных газов, а также токсичность их продук- Т а б л и ц а 3.7. Электрическая прочность и температура кипеиия высокомолекулярных электроотрицательных газов тов разложения, например хлора, если послед- ний имеется в соединении. В табл. 3.7 приве- дены температуры кипения некоторых газов и электрические прочности по отношению к прочности воздуха. Обращает на себя внима- ние очень высокая электрическая прочность высокомолекулярного соединения CI4F24, кото- рая достигает десятикратного значения по от- ношению к прочности воздуха. На рис. 3.6 представлена зависимость электрической прочности, деленной на давле- ние, от произведения давления на междуэлект- родное расстояние в однородном поле для эле- газа и хладона. Здесь же для сравнения дана аналогичная зависимость для воздуха. Как ви- дим, электрическая прочность элегаза и хла- дона по отношению к воздуху хотя и снижает- ся с уменьшением ph, но все же остается до- статочно высокой. Высокая электрическая прочность электро- отрицательных высокомолекулярных газов свя- зана, с одной стороны, с тем, что усложнение структуры молекулы приводит к появлению Газ Химический состав Молекулярная масса Температура кипения. °C 1 Отношение элект- | рнческой проч- ности газа к ; прочности возду- ха Гексафторид SF„ 146 —63,8 2,9 серы (элегаз) Дифтордихлор- CF2C12 129 —30 2,4 метан (хладон- 12) Гексафторцик- C4F„ 162 —5 3,9 лобутан Гексафторбу- C3F,CN 195 1 5,8 тиронитрил Декафторци- C5F io 250 22 4,3 клопеитан Октафторцнк- c5F8 212 25 5,5 лопентан Перфторбутил- c8f leO 416 101 6,3 тетрагидрофу- ран 624 — 10,0 Рис. 3.6. Зависимость £Лр/р от произведения ph в однородном поле: 1 — CFsCU; 2 — SFe; 3 — воздух
50 Газообразные диэлектрики Разд. 3 большего числа степеней свободы, а с другой стороны, с тем, что эти газы способны к обра- зованию отрицательных ионов за счет прили- пания электронов к нейтральным молекулам, что снижает интенсивность ударной ионизации. Электроны при своем столкновении со сложной молекулой тратят большую долю своей энер- гии на возбуждение колебательных или вра- щательных уровней. Если при упругих столк- новениях электрон теряет около 10~4 своей энергии, то при неупругих ударах даже с про- стыми по структуре молекулами 0,1—0,4 сво- ей энергии. Образование отрицательных ионов проис- ходит в результате протекания следующих ре- акций: 1) радиационный захват An Вт + е~ An Вт + ftv> т. е. для элегаза SF6 + е~ -+• SF6~ + hv; 2) диссоциативный захват AnBm+e"-*AnB^ + *B. где k = 1, 2, 3, ..., m— 1, т. е. для элегаза SF6 + е~-*SF^“ F или SF6+ e“->SF7 + 2F; или Ад Вт + -* Ап Вт—й—1 + (k — 1) В 4- В-, т. е. для элегаза SFe + е— -> SF4 + F + F—; 3) захват со стабилизацией в соударении с третьим телом A»Bm + e~-*(AnB^)*+AnBm- -*AnB^+(AnBm)*’ т. е. для элегаза SF6 + е -> (SF^)* + + SF6 SI7 + (SF„)’, где молекулы, отмеченные звездочкой, нахо- дятся в возбужденном состоянии. Для развития разряда в газе основное зна- чение имеет ионизация молекул. В молекуляр- ных тяжелых газах, в частности в элегазе, воз- можны разные процессы ионизации. Наиболь- шее значение имеют следующие реакции: 1) ионизация электронным ударом АПВт + *~^АХ+ *“+*“ ИЛИ An Вт+ 6 -* Ап В«-. + В~ + е~> 2) диссоциативная ионизация Ад Вт + е~ Ап Вт— h + £В + е— е—, где k—l, 2, 3.m—1. Из высокопрочных газов наиболее широ- кое распространение к настоящему времени нашел газ SFe (элегаз), основные свойства ко- торого будут приведены ниже. Из других вы- сокопрочных газов следует отметить перфтори- рованные углеводороды, т. е. углеводороды, в которых все атомы водорода заменены атома- ми фтора. Эти газы отличаются повышенной иагревостойкостью, негорючи, малотоксичны, химически стойки, слабо взаимодействуют с твердыми материалами. Однако, как отмеча- лось в начале этого параграфа, их температу- ра кипения достаточна высока, что препятству- ет их использованию в сжатом состоянии даже при умеренных температурах, не говоря уже об отрицательных, которые всегда имеют место для открытых установок. В то же время имен- но применение газов под давлением позволяет им как электроизоляционным средам конкури- ровать с традиционными жидкими н твердыми диэлектриками. Об электрической прочности сжатых газов—см. § 3.7. Кроме того, содержа- щийся в этих соединениях углерод при разло- жении газа в условиях электрического разря- да может выпасть в виде свободного углеро- да, оседая на поверхности твердых электроизо- ляционных элементов конструкции, что делает их проводящими. Как уже отмечалось выше, по комплексу свойств, необходимому для применения газа в сильноточной электротехнике, наиболее ценным является элегаз. Молекула элегаза содержит шесть атомов фтора, расположенных в верши- нах правильного октаэдра, и атом серы, нахо- дящийся в центре молекулы. Симметричное строение молекулы, ковалентная связь между атомами, оптимальное соотношение между ра- диусами фтора и серы обеспечивают высокую стабильность и химическую инертность этого соединения, исключают гидролиз элегаза водой или щелочными растворами. Элегаз получается в результате прямой реакции между расплавленной серой и газооб- разным фтором, который образуется прн элект- ролизе раствора фтористого калня во фтори- стоводородной кислоте. Прн образовании эле- газа наряду с ним образуется достаточно боль- шое количество низших фторидов, поэтому тре- буется специальная очистка, в процессе кото- рой происходит также очистка от других при- месей; влаги, воздуха, азота, кислорода. В чис- том техническом SF6 содержится до 0,3 % указанных примесей. Чистый элегаз является химически и фи- зиологически инертным. В сосудах из кварца он не разлагается до 500 °C, однако реагиру- ет с щелочными металлами при температу- рах выше 150 °C. Он не горит, не имеет ни за- паха, ни цвета. Под действием искрового и ко- ронного электрического разряда элегаз разла- гается на низшие легко гидролизующие фтори- ды серы SFz, SF4. При той высокой температуре, которая возникает в процессе горения дуги, в результате разложения газа образуются атомы фтора и серы. Но при снижении температуры дуги в процессе ее охлаждения атомы серы и фтора воссоединяются, образуя исходный про- дукт— элегаз. Однако восстановительные реак- ции идут в полной мере только в чистом элега- зе. Наличие примесей, особенно водяных паров, приводит к образованию таких высококуфози- онных продуктов, как HF, а также SOF2, SO2 н ряда других соединений. Поэтому в тех ап- паратах, в которых в процессе работы возни- кает дуга, применяют поглотители, например активированный глинозем и цеолиты. Стой- кость конструктивных материалов к про- дуктам разложения элегаза возрастает в сле- дующем порядке: пластики, обладающие боль-
Электрическая прочность сжатых газов Рнс. 3.7. Зависимость давления насыщенных паров элегаза от температуры шой абсорбцией галоидов, сера и серосодержа- щие соединения, селен, кремнистая сталь, сталь, латунь, медь, нержавеющая сталь, алюминий, серебро, платина, никель. В табл. 3.8 приведены значения теплоемко- сти элегаза при разных температурах и давле- нии, а на рнс. 3.7 дана зависимость давления насыщенных паров от температуры. Зависимость удельной теплопроводности элегаза, Вт/(м-К), от температуры определяет- ся формулой X = 6,446-IO"5 Т0'942. (3.16) Динамическая вязкость элегаза при раз- ных температурах имеет следующие значения прн р=0,1 МПа: t, °C . . . 2,11 31,16 40,64 51,38 66,15 1J, МПа-с . 0,0145 0,0157 0,0165 0,0170 0,0179 3.7. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ СЖАТЫХ ГАЗОВ Пробивные напряжения большинства газов прн атмосферном давлении и ниже подчиняют- ся закону Пашена, т. е. эти напряжения явля- ются функцией произведения давления (плот- ности) газа на расстояние между электрода- ми. С увеличением давления наблюдаются от- клонения от этого закона. Давление, прн ко- тором наблюдается это отклонение, зависит от рода газа, а также качества обработки поверх- ности электродов н чистоты газа в отношении твердых, особенно проводящих, микрочастиц, находящихся на поверхности электрода илн в газе. В электроотрицательных высокомолекуляр- ных газах прн электродах, приготовленных по обычной лабораторной технологии, этн откло- нения могут наблюдаться уже при атмосфер- ном давлении (рис. 3.8), тогда как в воздухе (рис. 3.9) и особенно в водороде это давление существенно выше. Отметим, что прн особо тщательных условиях подготовки электродов н чистоты всей камеры, в которой проводятся испытания, закон Пашена для элегаза соблю- дается даже прн давлении 1,3 МПа. Отклонения от закона Пашена являются функцией произведения давления газа р на вы- соту выступа (неровности) Л на поверхности электрода. Для элегаза отклонения начинают- ся прн ph, равном 4 кПа-мм, а в воздухе — прн значении ph на порядок больше. Данные, приведенные на рнс. 3.10, позво- ляют сделать количественную оценку сниже- ния пробивного напряжения или появления коронного разряда (начального напряжения) в случае элегаза в зависимости от радиуса н высоты выступа на поверхности электродов. Прямая 1 соответствует вычисленной электри- ческой прочности, отнесенной к давлению, в ус- ловиях отсутствия выступов на поверхности электродов. Кривым 2—6 соответствуют сле- дующие коэффициенты неоднородности поля f, радиусы кривизны выступа г н высоты вы- ступа h: Кривая , . . , 2 3 4 5 6 f........... 3,0 4,1 5,8 9,2 13,2 г, мкм ... 500 345 250 167 125 h, мкм ... . 500 725 1000 1500 2000 При повышенных давлениях газа наблю- дается эффект кондиционирования промежут- ка искровой обработкой или длительным при- ложением напряжения, прн которых пробивные напряжения заметно повышаются. В первом случае это повышение растет с увеличением числа разрядов, предшествующих данному, а во втором — с увеличением длительности при- ложения напряжения, которое повышается сту- пенями с определенной выдержкой на каждой ступени. Повышение пробивного напряжения искро- вой обработкой, по-внднмому, связано с раз- рушением выступов искрой, а также сгорани- ем микрочастиц илн нх удалением из областей с повышенной напряженностью. Прн кондици- онировании длительным приложением напря- жения разрушение микровыступов связано с нх бомбардировкой ионами, образованными в про- Таблнца 3.8. Теплоемкость элегаза, кДж/(кг-°С), при разных температурах и давлениях газа X. t. °C р, МПа\. 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0,1 0,654 0,695 0,725 0,754 0,775 0,796 0,812 0,830 0,838 0,855 0,5 0,670 0,708 0,733 0,762 0,783 0,800 0,812 0,830 0,846 0,855 1,0 0,691 0,729 0,750 0,771 0,792 0,808 0,825 0,834 0,846 0,855 2,0 — — — — 0,821 — — — — 0,876
52 Газообразные дизлектрики Разд. 3 Рис. 3.8. Зависимость пробивного напряжения элегаза от произведения давления на расстоя- ние между электродами. Однородное поле, 50 Гц Рис. 3.9. Зависимость среднего значения элек- трической прочности воздуха от давления для площади электродов 100 см2. Однородное поле: / — по закону подобия разрядов; 2 — напряжение 50 Гц, воздух и камера очищены и высушены с по- мощью длительной продувки через фильтр, электро- ды полированы; 3 и 5 — соответственно напряжения грозового импульса 1,5/40 мкс и 50 Гц, воздух очи- щен с помощью фильтра, электроды шлифованы; 4 и 6 — соответственно напряжения грозового импуль- са и 50 Гц, воздух ие очищался, электроды шлифо- ваны цессе коронного разряда с мнкровыступов. Кро- ме того, в ходе этого процесса благодаря за- рядке микрочастиц, что ведет к нх интенсивно- му движению в электрическом поле, происхо- дит удаление их из областей сильного поля в области с ослабленным полем. Последнее яв- ление используется прн предварительных ис- пытаниях промышленного оборудования прн пониженном напряжении. Для кондиционированных газовых проме- жутков пробивные напряжения несколько по- вышаются в зависимости от рода материала электродов в следующей последовательности: никель, алюминий, цинк, серебро, латунь, угле- родистая сталь, железо, медь, нержавеющая сталь. Для некондиционированных электродов зависимость пробивного напряжения от рода их материала практически отсутствует. Вероятность появления больших выступов на поверхности электродов, а также проводя- щих посторонних микрочастиц на этой поверх- ности или вблизи нее зависит от площади электродов, поэтому наблюдается зависимость пробивных напряжений от площади поверхно- сти электродов. В целях снижения эффекта от мнкровы- ступов на поверхности электродов и проводя- щих микрочастиц иногда применяют покрытие электродов изоляционными пленками, что дает повышение пробивного напряжения на 20— 30 %. Прн разработке электротехнического оборудования с изоляцией сжатыми газами ко- нечно нельзя ориентироваться на многочислен- ные данные, полученные прн тщательной подго- товке электродов и испытательной камеры в ла- бораторных условиях. В связи с тем, что разряд в газах повышен- ного давления возникает благодаря ударной ионизации в поле, усиленном мнкровыступом нлн микрочастицей, лежащей на поверхности электрода нлн вблизи нее, объем пространства, в котором он формируется, очень мал и поэто- му усиленное поле является функцией только напряженности, которая существовала бы в этом месте при отсутствии этого мнкровысту- па нли микрочастицы. Эту напряженность на- зывают начальной напряженностью коронного разряда вблизи микронеоднородностн и пробив- ной напряженностью прн пробое всего проме- жутка. Обычно размеры и форма мнкронеодно- родностей таковы, что в сжатых газах в слу- чае однородных и слабонеоднородных полей разрядный канал, сформировавшийся вблизи мнкровыступа нли микрочастицы, может сразу Рис. 3.10. Зависимость Епр/р от рг в элегазе при различной форме выступа на поверхности электрода: — - — пробивные напряжения; —«-"^ — началь- ные
Электрическая прочность сжатых газов 53 Ряс. 3.11. Зависимость средних значений элек- трической прочности элегаза от давления при различной площади поверхности электродов: 2 н 4 — 50 Гц, площади поверхности электродов соответственно 10 и 1000 см2; 1 и 3 —напряжение грозового импульса 1,2/50 мкс, площади поверхности электродов соответственно 10 и 1000 см2 Рнс. 3.12. Зависимость отношения пробивного напряжения смесн азота с элегазом t/пр.см к £/Пр азота от объемной доли элегаза Рнс. 3.13. Зависимость пробивного напряжения н напряжения появления короны в различных газах от давления газа для электродов ост- рие — плоскость. Острие заряжено положи- тельно. Расстояние между электродами 1 см: ——— — пробивные напряжения; — — — — началь- ные распространяться без повышения напряжения через весь промежуток, несмотря на то что по- ле в остальной части промежутка существенно меньше, чем поле вблизи мнкровыступа или микрочастицы. Поэтому пробивная напряжен- ность не зависит от длины промежутка и рас- пределения поля по нему. Все определяется напряженностью в месте расположения мнкро- выступа или микрочастицы, т. е. на поверхно- сти электрода нлн вблизи нее. На этом и осно- вана методика расчета пробивных напряжений оборудования с изоляцией сжатым газом. Зная из экспериментальных данных электри- ческую прочность н вычислив распределение поля по расчетному промежутку, определяют пробивное напряжение данной изоляционной конструкции. Данные, представленные на рнс. 3.11 для элегаза, а на рис. 3.9 для воздуха, дают воз- можность определить пробивные напряжения изоляционных промежутков по указанной методике прн напряжении промышлен- ной частоты 50 Гц и грозовом им- пульсе для промышленного электрооборудова- ния с изоляцией сжатыми газами. Для опреде- ления выдерживаемого напряжения с той нлн иной вероятностью пробоя необходимо знать среднеквадратичное отклонение а. При давле- нии элегаза, равном 0,3—0,4 МПа, можно ори- ентироваться на значения а, равные: при на- пряжении промышленной частоты — 0,03, а при напряжении грозового импульса — 0,05. Добавление к азоту, воздуху или другому газу с невысокой электрической прочностью даже небольшого количества элегаза позволяет получить смесь с существенно большей проч- ностью по сравнению с прочностью исходного газа. В качестве примера на рис. 3.12 показано повышение прочности азота прн добавлении к нему элегаза. В электроотрицательных газах в случае электродов с снльнонеоднородным электричес- ким полем прн положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны в за- висимости пробивного напряжения от давле- ния наблюдается максимум, а в случае возду- ха при малых расстояниях и два. Давление, соответствующее максимуму пробивного напря- жения (критическое давление), зависит от ро- да газа. В элегазе оно существенно меньше, чем в воздухе (рис. 3.13), При давлениях вы- ше критического напряжение снижается до на- пряжения, соответствующего начальному на- пряжению (напряжению начала коронного разряда). Отношение значений пробивных на- пряжений элегаза и воздуха в области давле- ний, где пробою предшествует коронный разряд, существенно больше, чем в случае однородных и слабонеоднородных полей. В этой же обла- сти, начиная с некоторого давления, наблюда- ется коэффициент импульса меньше единицы, т.е. пробивное напряжение при грозовом им- пульсе меньше пробивного напряжения при на- пряжении промышленной частоты (рис. 3.14). В воздухе при небольших его давлениях в снльнонеоднородном поле рост пробивного на- пряжения с увеличением давления довольно значительный. Однако потом наблюдается Рис. 3.14. Зависимость пробивных напряжений в воздухе от давления для электродов острие— плоскость. Расстояние между электродами 6 см: ------ — максимальные значения пробивных напря- жений прн 50 Гц:---------минимальные:---------- 50 %*ные напряжения грозового импульса 1,2/50 мкс
54 Газообразные дизлектрики Разд. 3 Рнс. 3.15. Зависимость пробивного напряжения от давления воздуха для электродов острие — плоскость при 50 Гц: ------ — максимальные значения;-----------мини- мальные; /, 2, 3, 4 н 5 — соответственно расстояния между электродами 24, 12, 6, 3 и 1 см сильный разброс пробивных напряжений, а за- тем они снижаются до коронного (рнс. 3.15). Пробивные напряжения в электродных уст- ройствах с сильнонеоднородиым электрическим полем существенно меньше, чем в устройствах с однородным илн слабонеоднородиым полем, даже прн давлениях, в которых наблюдается повышенное пробивное напряжение за счет стабилизации разряда в результате короннро- вания и выравнивания тем самым поля. По- этому обычно стремятся создавать конструкции, в которых отсутствуют сильнонеоднородные поля. 3.8. РАЗРЯД В ГАЗЕ ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА Разряд вдоль поверхности днэлектрнка, расположенного в газовой среде, является ти- пичным разрядом в газе, находящемся в элект- рическом поле, искаженном диэлектриком. Ис- кажение — усиление поля в отдельных местах происходит вследствие разницы в диэлектри- ческих проницаемостях диэлектрика и газа, а также повышенной проводимости диэлектрика, вызванной наличием влаги на поверхности ди- диэлектрнка и в нем самом. Это уси- ление поля приводит к снижению разрядных напряжений (начала разряда н поверхностно- го пробоя — перекрытия). Снижение напряже- ния перекрытия особенно сильно проявляется, когда диэлектрик находится в среде сжатого газа. В этом случае напряжение перекрытия может быть в 2—3 раза меньше, чем пробив- ное напряжение соответствующего чистого га- зового промежутка (промежутка в отсутствие диэлектрика), тогда как при атмосферном дав- лении воздуха соответствующее снижение обычно равно примерно 30 % и менее. Характер завнсимостн напряжения пере- крытия от параметров днэлектрнка, расстояния между электродами, давления газа, влажности соответствует трем основным характерным рас- положениям днэлектрнка в электрическом по- ле (рис. 3.16): а) однородное поле между плоскими электродами нли слабонеоднородное поле, об- разованное коаксиальными цилиндрами, в ко- торых поверхность раздела Днэлектрнка н га- за расположена вдоль силовых линий (рнс. 3.16, а-) б) сильнонеоднородное поле с нормальной составляющей напряженности поля больше тангенциальной (рис. 3.16,6); в) сильнонеоднородное поле с тангенци- альной составляющей напряженности поля больше нормальной (рнс. 3.16, в). При расположении диэлектрика в электри- ческом поле по рис. 3.16, а силовые лниин по- ля расположены вдоль поверхности диэлект- рика и, следовательно, диэлектрик, казалось бы, не должен влиять на распределение элект- рического поля. Однако наличие газовых про- слоек между диэлектриком и электродами при- водит к резкому перераспределению поля с уси- лением поля в газовых прослойках по причинам, указанным выше. Вследствие этого возни- кают частичные разряды в газовых прослойках, их дальнейшее развитие приводит к перекры- тию при заметно пониженном напряжении. Для того чтобы получить напряжение пе- рекрытия, близкое к пробивному напряжению соответствующего газового промежутка, необ- ходимо обеспечить хорошее прилегание поверх- ности днэлектрнка к электродам и сушку ди- электрика под вакуумом, а в диэлектрике с большой поверхностной гигроскопичностью, (сте- кле), эта сушка должна выполняться, кроме того, с прогревом прн 350 °C. В обычных ком- натных условиях снижение напряжения пере- крытия по сравнению с напряжением пробоя соответствующего воздушного промежутка ил- люстрируются данными рис. 3.17. Данные это- го же рисунка хорошо иллюстрируют вредное влияние плохого контакта. Напряжение перекрытия зависит также от рода воздействующего напряжения. Наиболее низкие значения напряжений наблюдаются прн напряжении промышленной частоты н длитель- ном воздействии постоянного напряжения (рис. 3.18). При импульсных напряжениях, особенно при диэлектриках с малой диэлектрической Рнс. 3.16. Характерные расположения диэлектрика в электрическом поле: а — равномерное поле; б н в — неравномерные поля; 1 — электроды; 2 — твердый диэлектрик
§ 3.8 Разряд в газе вдоль поверхности твердого диэлектрика 55 Рис. 3.17. Зависимость напряжения перекрытия в воздухе от расстояния для различных мате- риалов в сравнении с пробивным напряжением соответствующего воздушного промежутка. Однородное поле, 50 Гц: / — пробой воздушного промежутка: 2—парафин; 3 — фарфор; 4 — фарфор, стекло при плохом контакте Рис. 3.18. Зависимость 1/пр и напряжения пе- рекрытия в воздухе от расстояния между электродами прн разных видах напряжения. Однородное поле. Диэлектрик — стекло: 1 — пробой воздушного промежутка при 50 Гц; 2 — перекрытие при импульсном напряжении; 3—пере- крытие при постоянном напряжении; 4 — перекрытие при 50 Гц Рис. 3.19. Напряжения перекрытия и 1/пр в зависимости от давления элегаза. Однородное поле, 50 Гц. Расстояние между электродами 20 мм: 1 — пробивное напряжение газового промежутка; 2 н 3 — напряжения перекрытия и появления короны соответственно при фторопласте, газовый зазор 0,45 мм у электрода; 4 и 5 —то же, что и 2 и 3, но прн эпоксидном компаунде, а газовый зазор 0,97 мм в середине диэлектрика проницаемостью, напряжения перекрытия при* блнжаются к пробивному напряжению соот- ветствующего газового промежутка. Эффект выравнивания электрического по- ля благодаря коронированню в газовых про- слойках, наблюдаемый прн атмосферном дав- лении газа, с повышением давления уменьша- ется (рис. 3.19) соответственно н рост повы- шения напряжения перекрытия прн этом силь- но снижается. При давлениях, при которых пе- рекрытие происходит без предварительного ко- роннрования, на значение напряжения перекры- тия особенно сильно влияет численное значение диэлектрической проницаемости диэлектрика. Напряжение перекрытия прн диэлектрике из фторопласта, у которого ег=2, существенно выше, чем при диэлектрике из эпоксидного компаунда, у которого ег=4 (рнс. 3.19). Ес- ли газовые полости, находящиеся у края ди- электрика, снижают напряжение перекрытия, то полости закрытые и полости, находящиеся в средней части контактной поверхности, явля- ются источниками частичных разрядов, разру- шающих материал диэлектрика. В промышленных конструкциях электро- оборудования с изоляцией сжатыми газами для снижения эффекта газовых полостей в обла- сти контактной поверхности (краевого эффек- та) применяют внутренние и наружные экра- ны у электродов или изоляторы конусной фор- мы. Внутренние н наружные экраны (рис. 3.20, а н б) снижают напряженности поля в газовых полостях в месте прилегания изоля- тора (диэлектрика) к электродам. Предпочти- тельна внутренняя экранировка, выполненная в процессе отливки изолятора. В этом случае при хорошей заливке отсутствуют газовые по- лости между поверхностями диэлектрика н эк- рана. В случае применения конусных изо- ляторов (рис. 3.20, в) силовые ли- нии поля проходят через диэлектрик только на коротком отрезке, поэтому поле в газовых полостях возрастает незначительно по сравнению с полем в газе вблизи диэлектрика в остальной его части. Если указанными меро- приятиями удается влияние краевого эффекта свести к нулю, то расчет напряжения перекры- тия можно вести исходя из разрядных напря- женностей на поверхности диэлектрика, чис- Рис. 3.20. Примеры выполнения экранов н формы изоляторов с повышенным напряжением перекрытия в конструкциях с коаксиальными электродами: / токопровод; 2 —оболочка; 3 — внутренний экран; 4 — дисковый изолятор; 5 — стержневой изолятор: 6 — наружный экран; 7 — конусный изолятор
56 Газообразные диэлектрики Разд. 3 Рис. 3.21. Напряжение перекрытия в зависи- мости от температуры при различной абсолют- ной влажности элегаза. Однородное поле, 50 Гц. Расстояние между электродами 10 мм. Цифры у кривых обозначают давление паров воды при /=0°С. Давление элегаза 0,24 МПа. Диэлектрик — эпоксидный компаунд: — — — — напряжение перекрытия в сухом состоянии; * — точка росы Рис. 3.22. Импульсные напряжения перекры- тия в элегазе при 0,39 МПа в зависимости от температуры при различной абсолютной влаж- ности. Однородное поле. Грозовой импульс 1,2/50 мкс. Расстояние между электродами 10 мм. Цифры у кривых обозначают давление паров воды при /=0°С: — —-----напряжение перекрытия в сухом состоянии; * — точка росы ленно равных значениям, приведенным на рис. 3.11 для чисто газовых промежутков. Количественную оценку влияния влажно- сти на напряжение перекрытия можно выпол- нить, используя данные, представленные на рис. 3.21—3.23. Из этих данных следует, что снижение напряжения перекрытия при нали- чии влаги в газе зависит не только от относи- тельной, но и от абсолютной влажности газа. При абсолютной влажности, соответствующей давлению паров 0,96 кПа, напряжение пере- крытия ненамного отличается от напряжения перекрытия в сухом состоянии даже прн ус- ловиях, соответствующих влажности 100 %, т. е. в точке росы (рис. 3.21), тогда как прн влажности, соответствующей давлению паров 1,87 кПа, это напряжение составляет 27 °/о на- пряжения перекрытия в сухом состоянии. Сильное влияние влажности на напряжение пе- рекрытия наблюдается не только при напря- жении промышленной частоты, но н при им- пульсных напряжениях (рис. 3.22). Влияние влажности на напряжение перекрытия растет с увеличением давления,. Снижение напряже- ния перекрытия с повышением давления особен- но значительно при повышенной влажности, что характеризуется соотношением напряжений, соответствующих кривым 3 и 2 рис. 3.23. При расположении диэлектрика в электри- ческом поле по рис. 3.16, б относительно не- большое расстояние между верхним и нижним электродами в вертикальном направлении, а также наличие диэлектрика между ними с ди- электрической проницаемостью, которая за- метно больше проницаемости газа, приводит к резкому усилению поля в газе вблизи края верхнего электрода. Это же явление имеет место вблизи головки стримера и скользящего разряда, возникающих после того, как корон- ная стадия развития разряда с повышением напряжения переходит в следующие фазы раз- ряда. Поэтому напряжения начала разряда (короны) и перекрытия в этом типе располо- жения диэлектрика в электрическом поле яв- ляются наиболее низкими. Влияние влаги в рассматриваемом случае значительно меньше, чем в однородном поле, так как поле и так является снльнонеоднород- ным. Распределение поля в нем определяется в основном объемными зарядами коронного раз- ряда и последующих фаз развития разряда. Для ориентировочных расчетов напряже- ния появления скользящих разрядов прн про- мышленной частоте, кВ, можно воспользовать- ся эмпирической формулой 1 92 1/СВ = -^4Г -10-4. <3-17) где С — удельная поверхностная емкость (на Рис. 3.23. Напряжения перекрытия в зависимо- сти от давления элегаза. Однородное поле, 50 Гц. Расстояние между электродами 20 мм. Материал диэлектрика — эпоксидный компаунд: / — в сухом состоянии; 2— давление водяных паров 1.2 кПа. /«2.5-г5°С, точка росы 9.5 °C; 3 — давление водяных паров 2,07 кПа, / = 5-г9,5’С, точка росы 18 °C
§ 3.9 Электрическая прочность при высокой частоте 57 единицу поверхности электрода), Ф/см2. Эга формула дает хорошее совпадение с опытом при С>0,25-10-12 Ф/см2. Характер зависимости напряжения пере- крытия от длины промежутка, удельной по- верхностной емкости, скорости изменения на- пряжения определяется формулой 5/ “ j ~ V ~k& ’ (3' 18) r VdUldt где I — расстояние между электродами по по- поверхности диэлектрика; С — удельная по- верхностная емкость; k — опытный коэффи- циент; dU/dt — скорость изменения напряже- ния. Из формулы (3.18) следует, что напряже- ние перекрытия увеличивается весьма медлен- но с ростом расстояния между электродами. Поэтому в тех видах электрооборудования, где встречается такой тип электродного устройст- ва, для повышения напряжения перекрытия применяют выравнивание распределения напря- жения по поверхности днэлектрнка с помощью проводящих нлн полупроводящих обкладок. Для электродного устройства с преоблада- ющей нормальной составляющей поля характер влияния давления зависит от формы электро- да с повышенной напряженностью поля (элект- род А на рнс. 3.24). Когда электрод А пред- ставляет собой очень тонкий цилиндр с остры- ми краями, с ростом давления напряжение пе- рекрытия может не только не увеличиваться, но и снижаться (кривая 1, рнс. 3.24). Наоборот, когда этот электрод имеет закругленные края, напряжение перекрытия растет с увеличением давления (кривая 2, рнс. 3.24). Однако и в этом случае напряжение перекрытия очень сла- бо растет с увеличением расстояния между электродами. В случае преобладающей тангенциальной составляющей электрического поля по сравне- нию с нормальной (рис. 3.16, в) влияние ди- электрика на напряжения перекрытия сущест- венно меньше по сравнению с вышерассмотрен- ными случаями. Характерные зависимости на- пряжения перекрытия от расстояния между электродами для различных электроизоляци- онных материалов представлены на рис. 3.25. Загрязнение сухой пылью поверхности ди- электрика не приводит к заметному снижению напряжения перекрытия. Однако если происхо- дит увлажнение слоя пыли (грязи) при дож- де, росе или иным способом, это приводит к существенному снижению напряжения пере- крытия. Образующаяся неоднородная пленка из водорастворимых составляющих загрязня- ющего вещества имеет малое удельное сопро- тивление, токи утечки по поверхности диэлект- рика возрастают и на отдельных участках по- верхности вследствие неоднородности пленки происходит подсушка. На подсушенном участ- ке увеличивается напряжение и происходит об- разование частичной дуги. При дальнейшем повышении напряжения дуга растягивается на весь промежуток. Аналогичные явления наблю- даются и при смачивании чистой поверхности дождем. Рассматриваемый процесс инерцион- ный, поэтому напряжение перекрытия при им- пульсных напряжениях выше. Характер наблю- даемых зависимостей напряжения перекрытия Рис. 3.24. Зависимость напряжения перекрытия вдоль фарфоровой трубки от давления воздуха при 50 Гц; / — электрод А сделан нз фольги; 2 — электрод А— цилиндрическая обойма с закругленными краями Рис. 3.25. Зависимость напряжения перекрытия по поверхности различных материалов от рас- стояния между электродами при 50 Гц: / — пробой воздушного промежутка; 2 — перекрытие парафина н дерева; 3 — перекрытие бумажно-баке- литового цилиндра; 4 — перекрытие фарфора н стекла от удельного сопротивления р, толщины плен- ки А, диаметра изолятора D и длины пути утечки L определяется формулой UneP~*(p/W-4 L, (3.19) где k — экспериментально определяемый коэф- фициент. 3.9. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ПРИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЕ В зависимости пробивного напряжения от частоты наблюдаются две критические часто- ты: fKpt и /кР2 (рнс. 3.26). При этих частотах начинается уменьшение пробивного напряже- ния с увеличением частоты. Наличие критичес- ких частот связано с особенностями образова- ния объемного заряда в газовом промежутке при высоких частотах. При напряжении про- мышленной частоты 50 Гц и выше вплоть до определенного значения амплитудные значения пробивных напряжений газовых промежутков практически равны пробивным напряжениям при постоянном напряжении (горизонтальный
58 Газообразные диэлектрики Разд. 3 Рис. 3.26. Характер зависимое™ пробивного напряжения газов от частоты Рис. 3.27. Пробивные напряжения воздушного промежутка в зависимости от его длины при различных частотах. Однородное поле, атмос- ферное давление Рис. 3.28, Пробивные напряжения воздушно- го промежутка в зависимости от его длины в диапазоне сверхвысоких частот. Однородное поле, атмосферное давление участок 1 на рис. 3.26). Ионы, образовавшиеся благодаря ударной ионизации в один из полу- периодов напряжения, в течение этого же по- лупернода успевают дойти до электродов н в следующий полупериод процесс начинается прн отсутствии объемных зарядов. С увеличением частоты часть нонов уже не успевает пройти весь промежуток н их количество с каждым полупернодом возрастает, что ведет к усиле- нию поля и, следовательно, к снижению про- бивного напряжения при частоте fKpi. При дальнейшем увеличении частоты механизм раз- ряда еще более усложняется. Прн определен- ной частоте не только ноны, но и электроны не успевают пересечь весь газовый промежу- ток, создается возможность кумулятивной ио- низации электронами при их колебательном движении в промежутке, что ведет к дальней- шему снижению пробивного напряжения при частоте fKp2- Прн первой критической частоте н более высокой происходит накопление положитель- ных ионов, так как подвижность электронов существенно выше нонов, а количество отрица- тельных нонов меньше, чем положительных. Наряду с процессом накопления объемного за- ряда происходит и процесс его диффузии. При уменьшении пробивного напряжения увеличи- вается время, необходимое для накопления за- ряда, что способствует его диффузии. При оп- ределенной частоте наступает равновесие меж- ду этими процессами. Поэтому с увеличением частоты выше критической снижение пробив- ного напряжения происходит до определенной частоты, начиная с которой пробивное напря- жение не зависит от нее вплоть до наступле- ния второй критической частоты, соответству- ющей кумулятивной ионизации электронами. На рнс. 3.26 этой частоте соответствует гори- зонтальный участок 2. Снижение пробивного напряжения прн частотах выше второй крити- ческой также происходит до определенной час- тоты, выше которой происходит рост пробив- ного напряжения с повышением частоты. В этом диапазоне частот длительность полупе- риода напряжения настолько мала, что некото- рые электроны за это время не успевают осу- ществить ни одного акта ноннзацни. Для повы- шения вероятности ионизации необходимо по- высить напряжение и тем самым увеличить скорость электронов, чтобы они успевали прой- Рнс. 3.29. Пробивные напряжения воздушного промежутка в завнснмостн от его длины при 200 МГц н различных давлениях воздуха. Од- нородное поле. Цифры у кривых указывают давление воздуха
§ 3.10. Электрическая прочность в сильнонеоднородном поле 59 Рнс. 3.30. Пробивные напряжения промежутка стержень — плоскость в воздухе в зависимости от длины промежутка при разных частотах (а) и в зависимости от частоты (б) ти расстояние, необходимое для ударной иони- зации. Из рис. 3.27 н 3.28 следует, что в однород- ном электрическом поле значения первой и вто- рой критических частот (точки излома кривых на рисунках) уменьшаются с увеличением дли- ны разрядного промежутка. Длина разрядного промежутка, начиная с которой происходит уменьшение пробивного напряжения, называ- ется критической. Снижение пробивного напряжения при сверхвысоких частотах наблюдается в широком диапазоне давлений (рнс. 3.29). При этом при уменьшении давления газа критическая длина промежутка остается примерно постоянной. В снльнонеоднородных полях, где пробою предшествует коронный разряд, а затем воз- никновение стримерного канала с образовани- ем интенсивных объемных зарядов, критичес- кие частоты существенно меньше, а пробивное напряжение снижается значительнее по срав- нению с соответствующим напряжением про- мышленной частоты 50 Гц (рис. 3.30). 3.10. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ В СИЛЬНОНЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ Обычно при разработке электроизоляцион- ных конструкций, находящихся в среде окру- жающего их атмосферного воздуха, ориентиру- ются на пробивные напряжения так называе- мых типовых электродных устройств: стер- жень — плоскость или стержень — стержень. Это относится как к конструкциям, предназна- ченным для эксплуатации вне помещения, так и внутри него. Считается, что в обоих случаях возможно оседание на поверхность металли- ческих электродов достаточно крупных частиц, которые сильно искажают электрическое поле и оно становится достаточно неоднородным, а пробивные напряжения становятся близкими к соответствующим напряжениям электродных устройств стержень — стержень нлн стер- жень — плоскость. Кроме того, создание отно- сительно однородных электрических полей свя- зано с применением технологически сложных н громоздких экранов, обеспечивающих вырав- нивание поля. И только при очень высоких напряжениях, когда в условиях помещений со- ответствующие расстояния трудно обеспечить, прибегают к применению экранов. Но и в этом случае допустимые напряженности поля н про- бивные напряжения существенно ниже соот- ветствующих идеальному случаю. Некоторые рекомендации по выбору допустимых напря- женностей в подобных случаях будут даны ниже. Пробивные напряжения воздушных стерж- невых промежутков прн нормальных атмосфер- ных условиях, т. е. при температуре воздуха 20 °C, давлении 101,3 кПа и абсолютной влаж- ности 11 г/м3, для разных видов напряжения н длин промежутков даны на рис. 3.31—3.33. Зависимость пробивных напряжений воздуш- ных промежутков от давления, температуры и влажности является в общем случае слож- ной, и соответствующие поправки на атмос- ферные условия определяются по ГОСТ 1516.2-76. Однако для промежутков длиной менее 1 м можно воспользоваться формулой _ р-293 1 UnP~ U° Po(273 + Z) ’ где Uo — пробивное напряжение промежутка при нормальных атмосферных условиях; р и р0—атмосферное давление в условиях опы- та и нормальное атмосферное давление; t — температура воздуха, °C; ky — поправочный коэффициент, определяемый по рис. 3.34. Для более длинных промежутков указанные поправ- ки несколько меньше, чем для промежутков длиной 1 м и менее. Из рис. 3.33 видно, что для очень длинных промежутков рост пробивного напряжения с увеличением длины промежутка очень слабый при напряжении промышленной частоты и по- ложительной полярности коммутационного им- пульса. В связи с указанным обстоятельством при разработке электроизоляционных конструкций объектов, предназначенных для установки внутри помещения, стараются применять лег- кие металлические экраны для выравнивания распределения поля. К такому же мероприятию прибегают при желании резко повысить на- чальные напряжения разрабатываемого обору- дования в случае коротких промежутков. В длинных промежутках напряжения опреде- ляют на основании расчета электрического по- ля для определенной допустимой напряженно- сти поля, полученной путем экспериментальных исследований. Этн допустимые напряженности существенно ниже расчетных напряженностей в идеальном случае, т. е. прн очень гладкой поверхности и очень чистом воздухе. Допусти- мые напряженности зависят от рода напряже-
60 Газообразные диэлектрики Разд. 3 длинных воздушных промежутков: / — пробивное напряжение 50 Гц, промежуток стер- жень-плоскость; 2 — напряжение перекрытия при коммутационном импульсе положительной полярности с фронтом 100—250 мкс, фарфоровая опорная изоля- ция; 3 — пробивное напряжение при коммутационном импульсе положительной полярности с фронтом 100— 300 мкс, промежуток стержень—плоскость воздушных промежутков при грозовом импуль- се и электродных устройствах стержень — стержень и стержень — плоскость: 1 — отрицательный стержень—плоскость: 2 — отрица- тельный стержень—положительный заземленный стержень; 3 — положительный стержень — отрица- тельный заземленный стержень; 4 — положительный стержень—плоскость тродах стержень — плоскость: грозовой (1,2/50 мкс) и коммутационный. (250/2500 мкс) импульсы отрицательной полярности; 2 — грозовой импульс (1,2/50 мкс) положительной полярности; 3 — коммутационный импульс (250/2500 мкс) положительной полярности Рис. 3.34. Поправочный коэффициент на влажность в зависнмостн от абсолютной влажно- сти для стержневых промежутков длиной менее 1 м: 1 — 50 Гц; 2 — грозовой импульс положительной полярности, постоянное напряжение положительной полярно- сти для промежутков стержень — стержень и стержень—плоскость; 3—грозовой импульс отрицательной поляр- ности и постоянное напряжение отрицательной полярности для промежутка стержень—плоскость. Рис. 3.35. Зависимость допустимой напряженности электрического поля от радиуса экрана: / — коммутационный импульс (250/2500 мкс); 2 — 50 Гц; 3 — постоянное напряжение ния н радиуса экрана (рис. 3.35). Наиболее низкие допустимые напряженности соответст- вуют постоянному напряжению, в чем отража- ется известный факт втягивания и оседания на поверхности электродов пыли. При больших ра- диусах электродов допустимые напряженно- ностн поля равны: а) в случае коммутацион- ного импульса — 22 кВ/см; б) пря переменном напряжении промышленной частоты- 15 кВ/см (амплитудное значение); в) при по- стоянном напряжении — 13 кВ/см. 3.11. электрическая прочность ВАКУУМНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ В левой ветвн кривой Пашена в противо- положность тому, что имеет место в правой ветви с уменьшением произведения давления на расстояние ph, пробивное напряжение уве- личивается. При дальнейшем снижении ph наконец на- ступает такой момент, когда пробивное напря-
§ 3.11 Электрическая прочность вакуумных промежутков 61 жение практически перестает зависеть от дав- ления газа. Для расстояния между электрода- ми 10 см ph, при котором происходит переход от пробоя разреженного газа к вакуумному равно 2,5—5,0 Па-см. Электрическая проч- ность вакуумного промежутка ограничивается особым механизмом разряда. Он определяется в первую очередь процессами на электродах. Об этом свидетельствует сильная зависимость пробивного напряжения от материала электро- дов и состояния их поверхности. В зависимости от условий могут домини- ровать различные механизмы пробоя в вакууме. При нетренированных или малотренированных пробоями электродах пробой может вызываться пылью или частицами вещества электродов, оторванными от основной структуры электро- статическими силами. В результате ударов этих частиц или пыли, приобретавших большую ско- рость при полете в электрическом поле, о про- тивоположный электрод возможно их испаре- ние, приводящее к пробою. Возможен также разряд между электродом и подлетающей час- тицей, вызванный многократным усилением электрического поля в зазоре между частицей и электродом, когда этот зазор составляет до- ли радиуса частицы. При очень коротких им- пульсах напряжения вероятны пробои, вызван- ные разогревом микровыступов на катоде то- ком холодной эмиссии. Возможны и другие процессы, а также их комбинация. Для получения приемлемой электрической прочности вакуумного промежутка необходима тщательная очистка всех элементов разрядной камеры, достижение хорошей ровной поверх- ности электродов, предварительная тренировка, например тлеющим разрядом и пробоями. Вли- яние на электрическую прочность вакуумного промежутка большого числа подчас трудно контролируемых факторов приводит к тому, что данные различных авторов могут заметно отличаться друг от друга. С этим же явлением связан большой разброс пробивных напряже- ний, полученных в одном и том же экспери- менте. Пробивное напряжение вакуумного промежутка, кВ, прн электродах из различных материалов в пересчете на зазор 1 мм. Постоянное напряжение. Однородное поле Вольфрам..................... 96—102 Молибден......................... 92* Инвар........................ 192* Нержавеющая сталь............ 109—179 Медь, раскисленная фосфором (коммерческая медь) ..... 29,5—98 Алюминий..................... 29—88 Медь, переплавленная в вакууме 54—73 * По данным Херда. В остальных случаях — по данным нескольких авторов (5]. Высокая электрическая прочность вакуу- ма наблюдается при электродах, изготовлен- ных из сплава титана с добавкой 7 % А1 и 4 % Мо. Она больше, чем при электродах из не- ржавеющей стали. Электрическая прочность вакуумного про- межутка сильно зависит от его длины и пло- щади электродов. Прн хорошей подготовке Таблица 3.9. Влияние площади плоских электродов иа пробивное напряжение, кВ Материал катода I Проме- ! жуток, мм Давление, Па Площадь электродов, см® 7 10 50 300 700 Оксиди- 6 0,7-10—4 215 195 185 175 рованный 6 0,7-10-1 280 265 250 240 240 алюминий 10 0,7-10-1 450 480 415 375 360 Нержа- 10 0,7-10—4 235 — 200 170 180 веющая сталь 10 0,7-10-1 290 290 250 200 185 электродов могут быть получены напряжен- ности 100 МВ/м для промежутка 1 мм при площади электродов примерно 20 см2 и 13 МВ/м при длине 6 см и площади примерно 600 см2. Влияние площади электродов на пробив- ное напряжение для тренированных плоских электродов видно из табл. 3.9. Данные, приведенные на рис. 3.36 и 3.37, иллюстрируют зависимость пробивного и раз- рядного напряжений от длины вакуумного про- межутка. Под разрядным напряжением здесь понимается напряжение, при котором ток между электродами достигает примерно 10-’ А. В тех случаях, когда пробой возникает в результате ударов микрочастиц, зависимость пробивного напряжения от межэлектродиого расстояния h достаточно хорошо выражается формулой Uav = kh°'625 . (3.21) При межэлектродных расстояниях менее 1 мм зависимость пробивного напряжения в грубом приближении является линейной функ- цией расстояния. В связи с относительно малыми предраз- Рис. 3.36. Зависимость пробивного напряжения вакуумного промежутка от его длины: 1 — электроды из стали, анод—сфера диаметром 25,4 мм, катод — диск диаметром 51 мм, тренировка тлеющим разрядом в водороде; 2 — электроды из ти- тана, полированные диски диаметром 200 мм, трени- ровка слабым током в вакууме; 3 — электроды из меди, полированные диски диаметром 100 мм, трени- ровка пробоями; 4— тс же, что и 3, но без трени- ровки
62 Газообразные диэлектрики Разд. 3 Рис, 3.37. Зависимость разрядного напряже- ния между титановыми электродами от длины вакуумного промежутка. Постоянное напряже- ние, площадь электродов примерно 600 см2: 1 — вакуумная камера с гладким сильфоном после тренировки; 2 — то же, что и 1, но без тренировки; 3 — вакуумная камера с ребристым сильфоном без тренировки иым механизмам пробоя в вакууме, амплитуд- ное значение пробивного напряжения при на- пряжении промышленной частоты только слег- ка выше или равно пробивному напряжению при постоянном напряжевии. Существенное повышение прочности ваку- умной изоляции при относительно больших длинах промежутков, порядка нескольких мил- лиметров и более, достигается покрытием ка- тода тонкими электроизоляционными пленка- ми. Максимальное увеличение длительно вы- держиваемого напряжения, примерно иа 70 %, наблюдается при покрытии алюминиевого ка- тода эпоксидной пленкой толщиной 25 мкм. При этом резко (на несколько порядков) уменьшается значение предпробойных токов. Однако такая пленка под воздействием разря- дов быстро разрушается, что ограничивает возможности тренировки. В этом отношении существенно более благоприятные результаты дает оксидирование электродов, в частности алюминиевых, и наполнение при этом камеры благородными газами до давлений примерно 10-2—10-1 Па. Сказанное иллюстрируется данными, приведенными в табл. 3.10. Напряжение перекрытия вдоль диэлектри- ка, расположенного в вакуумном промежутке. Таблица 3.10. Пробивное напряжение, кВ, промежутка длиной 50 мм при аиоде из нержавеющей стали и различных материалов катода Материал катода Остаточное давление, Па 0,7-10”4 0,7-10—2 Полированный титан 530 650 Оксидированный ти- тан 540 750 Полированный цирко- ний 520 650 Оксидированный цир- коний 540 830 Оксидированный алю- миний 540 840 всегда меньше, чем пробивное напряжение со- ответствующего вакуумного промежутка, даже если твердый диэлектрик расположен так, что ои не искажает электрическое поле, т. е. в случае, когда силовые линии расположены вдоль поверхности диэлектрика, а само элект- рическое поле, образованное электродами, од- нородное. Как и в случае газообразных и жид- ких диэлектриков, для получения высокого на- пряжения необходимы, во-первых, хороший контакт в месте сочленения твердого диэлект- рика и металлического электрода, во-вторых, применение внутренних металлических экра- нов или наружных экранов, существенно ос- лабляющих электрическое поле в месте сочле- нения. Выполнение этих мероприятий дает су- щественно больший эффект, если оии осуще- ствляются у катодного конца. Не менее важ- ным средством является также тренировка напряжением или пробоями с малой энерги- ей. Они позволяют в некоторых случаях под- нять выдерживаемое или пробивное напря- жение в несколько раз. Определенную роль играет также род диэлектрика и состояние его поверхности. Хорошие результаты дает также изготовление изолятора специальной формы, при которой он образует коническую форму с широким основанием у катода, а сама по- верхность имеет ступеньки. На рис. 3.38 приведена зависимость на- пряжения перекрытия от длины изоляторов, изготовленных из различных материалов. Здесь же иллюстрируется эффект экранировки (кривые 1 и 2), а также длительности при- ложения напряжения (кривые 4, 5 и 6). Уменьшение пробивной напряженности с уве- личением длины изолятора, по-видимому,'свя- зано с искажением распределения напряжения вдоль изолятора. Поэтому изоляторы на боль- шое напряжение изготовляются из нескольких секций, распределение напряжения между ко- торыми задается принудительно. Рис. 3.38. Зависимость напряжения перекрытия от длины цилиндрических изоляторов, распо- ложенных между плоскими электродами: 1 и 2 — изоляторы из окиси алюминия диаметром 12 мм с экраном и без экрана соответственно при постоянном напряжении; 3 — из фарфора диаметром 18 мм при 50 Гц; 4, 5 и 6 — из фторопласта диамет- ром 15 мм при импульсных напряжениях длительно- стью 0,2 и 2,6 мкс и постоянном напряжении соот- ветственно; 7 — из стекла диаметром 20 мм при по- стоянном напряжении
§ 3.12 Применение газов в качестве электрической изоляции 63 3.12. ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОВ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ Генерирование, преобразование, передача и распределение электроэнергии пока произво- дятся с помощью электроустановок, которые находятся в среде окружающего их атмосфер- ного воздуха, поэтому воздух пока самый рас- пространенный из газообразных диэлектрикоз. Однако проблема повышения напряжения в настоящее время остается актуальной. В этих условиях низкая электрическая прочность воз- духа является серьезным препятствием к даль- нейшему развитию высоковольтной электро- техники. Поэтому уже давно существует тенденция к замене воздушной изоляции атмосферного давления более прочной газовой изоляцией путем размещения всех элементов электрообо- рудования или ее части в металлических обо- лочках, заполненных сжатыми газами, в осо- бенности высокопрочными. При применении газов с повышенной электрической прочностью, например элегаза, для создания необходимой прочности требуется более низкое давление примерно 0,4 МПа, а при применении азота, не обладающего этим свойством, — более вы- сокое давление, примерно 2 МПа. Однако сле- дует иметь в виду, что выбор газа для тех или иных целей определяется не только его электрической прочностью, но и совокупностью целого ряда других свойств, в том числе его охлаждающей и дугогасящей способностью, стоимостью и т. п. Как уже отмечалось в § 3.1, способность некоторых газов полностью восстанавливать свою электрическую прочность после дугового разряда широко используется в воздушных и элегазовых выключателях. Элегаз обладает не только более высокой электрической проч- ностью, но н существенно более высокой дуго- гасящей способностью, чем воздух. Таким об- разом, в элегазовых выключателях удачно со- четаются два основных свойства газа, необхо- димые для создания простых и экономичных выключателей. Наряду с широким использо- ванием элегазовых выключателей за рубежом, а также в Советском Союзе нарастающими темпами идет внедрение элегазовых распреде- лительных устройств, в которые наряду с вы- ключателем входят разъединители, коротко- замыкатели, трансформаторы тока и напряже- ния. В этих аппаратах используется вся гамма ценных свойств элегаза, о которой подробно сказано в § 3.6. В последнее время как за рубежом, так и в Советском Союзе наметилась тенденция прак- тического использования элегаза в высоко- вольтных кабелях, созданы опытные образцы. За рубежом находятся в эксплуатации кабели длиной несколько сотен метров. В этом виде электрооборудования вместе с другими цепны- ми свойствами элегаза используется его более высокая, чем азота, теплопередающая способ- ность. В кабеле преобладает теплопередача путем конвекции, а ее эффективность сущест- венно зависит от плотности среды и ее удель- ной теплоемкости. Роль конвективного типа теплопередачи увеличивается с увеличением ширины газовой прослойки, поэтому коэффициент кратности обмена — отношение коэффициентов теплопе- редачи одной среды к другой — может суще- ственно меняться в зависимости от ширины и геометрии прослойки, через которую происхо- дит теплообмен. В трансформаторах с его уз- кими каналами между катушками и слоями обмоток коэффициент кратности теплообмена элегаза по отношению к воздуху небольшой— примерно 1,2, в то время как в широких ци- линдрических прослойках, свойственных кабе- лям, он может достигать 1,5 и более. Лучшей теплопередающей средой, чем эле- газ, является газ C3F8. Однако его темпера- тура кипения равна —38 °C и область его при- менения в наружных установках в Советском Союзе весьма ограничена. Кроме того, он су- щественно дороже элегаза, а его необходимое количество в кабелях очень велико. В связи с тем, что стоимость элегаза в кабелях составляет существенную долю в его полной стоимости, имеется тенденция запол- нения кабеля не чистым элегазом, а его смесью с азотом, который намного дешевле элегаза. В § 3.7 отмечалось, что уже небольшие до- бавки элегаза к азоту заметно повышают его электрическую прочность. Однако надо иметь в виду, что такая добавка отнюдь ие ведет к заметному увеличению охлаждающей способ- ности азота. Преимуществами элегазового кабеля по сравнению с бумажно-масляным являются: ма- лые электрическая емкость и диэлектрические потери, хорошее охлаждение. Указанные свой- ства позволяют передавать по таким линиям очень большие мощности. Конструктивно эле- газовый кабель представляет собой металличе- скую оболочку, в которой при помощи элект- роизоляционных распорок укреплена проводя- щая жила. В последнее время были разрабо- таны гибкие элегазовые кабели с гофрирован- ной оболочкой, что существенно повышает их конкурентоспособность. В силовых трансформаторах интенсивность охлаждения играет определяющую роль даже при небольшой их мощности. Как отмечалось выше, применение в трансформаторах элегаза не приводит к существенному повышению ин- тенсивности охлаждения по сравнению с воз- душным и тем более по сравнению с масляным. Поэтому элегазовые трансформаторы пока не нашли широкого применения. Они использу- ются в ряде случаев вместо воздушных, когда предъявляются особые требования пожаро- безопасности. Такие трансформаторы эксплуа- тируются в небольшом количестве в Японии. Одним из возможных направлений интен- сификации охлаждения в трансформаторах яв- ляется применение принудительной циркуляции элегаза. В таком типе охлаждения его интен- сивность существенным образом зависит от численного значения массовой скорости, т. е. произведения плотности газа на скорость его циркуляции. Благодаря большой плотности элегаза необходимое значение этой величины достигается при относительно небольших ско- ростях. Так как мощность, расходуемая на создание необходимой скорости циркуляции газа, пропорциональна квадрату ее значения, то преимущество элегаза с его большой плот- ностью по сравнению, например, с азотом весьма существенно. Вместе с тем следует
64 Жидкие диэлектрики Разд, 4 иметь в виду, что применение принудительной циркуляции усложняет конструкцию транс- форматора и снижает надежность его работы. Отдельные образцы таких трансформаторов были созданы в США. Независимость диэлектрической проницае- мости азота, элегаза и других газов от час- тоты напряжения в очень широких пределах ее изменения, а также неизменность диэлект- рической проницаемости при постоянной плот- ности газа при изменении температуры исполь- зуются в эталонных (измерительных) конден- саторах. Фактор малых диэлектрических по- терь газов при высоких частотах используется при создании высокочастотных конденсаторов. Водород, имеющий весьма высокий коэф- фициент теплопроводности, несмотря на мень- шую электрическую прочность по сравнению с воздухом, используется в качестве электроизо- ляционной и охлаждающей среды в крупных турбогенераторах. Применение водорода в этом случае приводит к снижению вентиляционных потерь и потерь на трение о газ примерно в 10 раз по сравнению с потерями при приме- нении воздуха и, следовательно, заметно по- вышает КПД генератора. Одновременно при этом происходит снижение вентиляционных шумов и, что особенно важно, удлиняется срок службы твердой изоляции генератора вследствие отсутствия процессов окисления и образования азотистых соединений. Инертные газы: аргон, неон, гелий и др.— ипользуются в основном в технике слабых токов. Аргон, обладающий малой теплопро- водностью, а также инертностью к твердым материалам применяется в газотронах и ти- ратронах, а также в газонаполненных фото- элементах. Неон используется в газонаполнен- ных разрядниках для защиты приборов в це- пи слабого тока, например телеграфа от слу- чайных перенапряжений, вызванных грозовыми разрядами. Газоразрядные приборы также ис- пользуются во многих импульсных электриче- ских схемах. В высоковольтной технике инертные газы, например гелий, иногда могут использоваться как добавка к высокопрочным сжатым газам для повышения нх дугогасительной способно- сти. Широко известно использование инертных газов в газосветных трубках. Список литературы 1. Капцов Н. А. Электроника. М.: Гостехнздат, 1956. 459 с. 2. Мик Дж. и Крэге Дж. Электрический пробой в газах/Пер. с англ.; Под ред. В. С. Комелькова. М.: Изд-во иностр, лит., 1960. 605 с. 3. Техника высоких напряженнй/Под общей ред. Д. В. Разевига. М.: Энергия, 1976 488 с. 4. Полте. А. И. Конструкции и расчет элегазо- вых аппаратов высокого напряжения. Л.: Энергия, 1979. 238 с. 5. Сливков И. Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат, 1972. 304 с. 6. Александров Г. Н„ Иванов В. Л. Изоляция электрических аппаратов высокого напряжения. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 207 с. РАЗДЕЛ 4 ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ Д. С. Варшавский, Г. Д. Головань 4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Жидкие диэлектрики можно классифици- ровать по различным признакам. I. По химической природе: а) нефтяные масла; б) синтетические жидкости (хлориро- ванные и фторированные углеводороды, крем- ний- или фторорганические жидкости, различ- ного рода производные на ароматической ос- нове, сложные эфиры различных типов, поли- изобутилены). II. По специфике применения для: а) трансформаторов, б) выключателей и кон- такторных устройств регулирования напряже- ния под нагрузкой; в) конденсаторов; г) ка- белей; д) систем циркуляционного охлажде- ния и изоляции установок высокого напряже- ния. III. По верхнему пределу допустимой ра- бочей температуры: а) до 70 °C (нефтяные масла в конденсаторах); б) до 95 °C (нефтя- ные масла в трансформаторах, хлорированные углеводороды в конденсаторах); в) до 135 °C (некоторые синтетические и хлорированные углеводороды, некоторые эфиры кремниевой, фосфорной, органической кислот, полиоргано- силоксаны); г) до 200 °C [некоторые типы фторуглеродов, хлор (фтор)органосилоксаны]; д) до 250 °C (полифеиилэфнры и специальные полиорганосилоксаны). Классификация по верхнему пределу допустимой температуры зависит также , от особенностей эксплуатации жидкого диэлектрика и требуемого срока службы. IV. По степени горючести: а) горючие; б) негорючие. Конкретные требования к жидкому ди- электрику определяются конструкцией и ус- ловиями применения оборудования, в котором ои применяется, степенью экологической опас- ности. Общие требования можно сформулиро- вать следующим образом: 1) высокая элект- рическая прочность, 2) высокое р, 3) низкий tg б, 4) высокая стабильность в условиях экс- плуатации, хранения и технологической обра- ботки, 5) высокая стойкость к воздействию электрического и теплового полей, 6) высокая стойкость против окисления, 7) определенное значение ег с учетом особенностей электро- изоляционной конструкции, 3) совместимость с
§ 4.2. Основные свойства электроизоляционных жидкостей 65 применяемыми материалами, 9) пожаробез- опасность, 10) экономичность, 11) экологиче- ская безопасность, 12) низкая вязкость в диа- пазоне рабочих температур. Современная техника изготовления сило- гых конденсаторов привела к изменению тре- бований к пропитывающему веществу: оно обязательно изготавливается на основе аро- матических соединений и должно иметь низ- кую вязкость, хорошую смачиваемость поли- пропиленовой пленки, незначительные ее раст- ворение и набухание в пропитывающем веществе, наперед заданное значение взаим- ной растворимости пропитывающего вещества и полипропиленовой пленки, удовлетворитель- ' ную стабильность при низких температурах, в том числе низкую температуру застывания; высокую газостойкость; нетоксичность, эколо- гическую безопасность и хорошее биоразложе- нне. Жидкие диэлектрики, например, в транс- форматорах выполняют дополнительную функ- цию, являясь охлаждающим агентом и обес- печивая отвод теплоты, выделяющейся внутри электрооборудования, что требует высокой теплоемкости и низкой вязкости при наимень- ших рабочих температурах. Часто отказы электрооборудования сопро- вождаются искрением, дугообразованием, ко- торые могут воспламенить жидкость, газооб- разные продукты ее испарения или разложе- ния. Важно, чтобы диэлектрическая жидкость, ее пары или газообразные продукты разложе- ния не воспламенялись при отказе электрообо- рудования; о ее сопротивлении воспламенению судят по степени ее негорючести. Ни один жидкий диэлектрик не соответст- вует всем этим требованиям одновременно. Приходится ориентироваться на важнейшие для данного конкретного случая применения требования, компенсируя отдельные недостат- ки ограничениями в условиях эксплуатации либо внося соответствующие изменения в кон- струкцию электрооборудования. Например, обеспечение экологической без- опасности привело сначала к снижению степе- ни хлорирования и соответственному увеличе- нию пожароопасности, а затем к почти повсе- местному запрещению производства и приме- нения полихлорированных дифенилов (ПХД). Практически все существующие их заменители горючи. Этот недостаток удалось в значитель- ной степени компенсировать пересмотром кон- струкции корпуса электрооборудования в сто- рону снижения вероятности опасного его по- вреждения в аварийной ситуации. Однако до сего времени в эксплуатации все еще находится большое количество элект- рооборудования, содержащего экологически опасные ПХД. Эксплуатация такого электро- оборудования требует строгого соблюдения специальных инструкций. Принимаются меры к постепенной замене ПХД в трансформаторах экологически безопасными жидкостями. Содер- жащие ПХД остатки и вышедшее из строя оборудование уничтожаются. Требование высокой ег для конденсатор- ных жидких диэлектриков удается компенси- ровать за счет повышения их стойкости к воз- действию электрического поля и соответствую- щего увеличения рабочей напряженности элек- трического поля. 3 -232 4.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ Набор стандартизованных методов испы- тания жидких диэлектриков непрерывно изме- няется и.о мере накопления опыта эксплуата- ции и появления новых жидких диэлектриков. В табл. 4.1 приведен перечень основных пара- метров жидких диэлектриков и стандартов иа методы и?; определения. Электрическая прочность £пр технических жидких диэлектриков зависит от наличия за- грязнителей, обнаруживая тенденцию к сни- жению по мере увеличения полярности жидко- сти и соответствующего возрастания ее диссо- циирующей способности. На пробой жидких диэлектриков влияет форма электродов: с уве- личением степени неоднородности электричес- кого поля, при прочих равных условиях, про- бивное напряжение жидкого диэлектрика име- ет тенденцию к снижению. Поэтому разрядные промежутки для определения пробивного на- пряжения жидких диэлектриков стандартизо- ваны по форме электродов и расстоянию меж- ду ними. Развитие пробоя технических жид- ких диэлектриков, всегда содержащих раство- ренные и нерастворенные примеси, подчиняется теории экстремальных значений (теории слабо- го звена). С ростом объема и площади жид- кого диэлектрика, находящегося в электриче- ском поле, его пробивное напряжение снижа- ется. Для оценки рассеяния его величии ис- пользуют распределение Вейбулла. В тонких зазорах Епр жидких диэлектриков существен- но возрастает. При частотах до 103 Гц Епр чистых жид- костей не должна зависеть от частоты, однако в технических жидких диэлектриках Дпр при низкой частоте оказывается выше, чем при по- стоянном напряжении. Эта разница достигает 30 %. В области частот 103-—10’ Гц Еар жид- ких диэлектриков, как правило, снижается с увеличением частоты и во всяком случае оно значительно ниже, чем при частоте 50 Гц. При перемешивании жидкого диэлектрика его Епр, как правило, ниже, чем в статическом состоянии. Однако при направленном потоке жидкости между электродами ее Еир выше, чем в тех же условиях при отсутствии движения. Часто наблюдают изменение ЕРр по мере увеличения числа пробоев в одном и том же объеме жидкости. Рост Епр наблюдают при удалении из жидкости в процессе пробоя за- грязняющих примесей, например влаги, а ее снижение — при дополнительном загрязнении жидкости продуктами разложения в месте про- боя, например сажей. В таком случае для обес- печения удовлетворительной воспроизводимос- ти необходимо после каждого пробоя менять пробу испытуемой жидкости, ограничивать в процессе пробоя ток и время его протекания. Диэлектрические потери в жидких диэлек- триках обусловлены токами проводимости и явлениями поляризации. Носителями зарядов в технических жидких диэлектриках могут быть ионы, образующиеся вследствие диссоциации молекул данной жидкости или молекул приме- сей, а также более крупные коллоидные части- цы, которые могут упорядоченно двигаться в электрическом поле.
66 Жидкие диэлектрики Разд. 4 Таблица 4.1. Стандартные методы испытания жидких диэлектриков Параметры Отечественные стандарты Международные стандарты и зарубежные национал ьные Процедура отбора проб ГОСТ 2255-71 ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81) ГОСТ 2517-80 (СТ СЭВ 1248-78) Ст. ИСО 3170 Публикация МЭК 475 ANSI/ASTM D1809 и D923 Диэлектрическая проница- ГОСТ 6581-75 Публикация МЭК 247 емость (СТ СЭВ 3166-81) ANSI/ASTM D924, JIS С2320 Электрическая прочность ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81) Публикация МЭК 156 ANSI/ASTM D877, D1816, D3300 JIS С2320 и 2330 VDE 0370/4 BSS 923 и 148 Удельное объемное сопро- ГОСТ 6581-75 Публикации МЭК 93 и 247 тивлеиие (СТ СЭВ 3166-81) ANSI/ASTM D1169, D1189, D924 JIS С2330 tg6 ГОСТ 6581-75 (СТ СЭВ 3166-81) Публикация МЭК 247 и 250 ANSI/ASTM D924 JIS С2330 Плотность ГОСТ 3900-47 ГОСТ 18995.1-73 Ст. ИСО R-649; ИСО 3675 Публикации МЭК 296 и 588-2 ANSI/ASTM D1481, D1810 JISZ8804 Показатель преломления Отсутствует Публикация МЭК 588-2 ANSI/ASTM D1807, D1218, D1810 JIS К 0062 Молекулярная масса > ANSI/ASTM D2224 Г азостойкость, воздействие электрического поля ГОСТ 13003-67 Публикация МЭК 628 ANSI/ASTM D2298, D2300 Кинематическая вязкость ГОСТ 33-82 (СТ СЭВ 1494-79) Ст. ИСО 2909; ИСО 3104; ИСО 3448 Публикации МЭК 296А и 588-2 ANSI/ASTM D445 JIS Z8803 Горючесть Отсутствует Рекомендации Технического комите- та 10В (Япония) МЭК, 1977 Температура вспышки в за- ГОСТ 6356-75 Ст. ИСО 2719 крытом тигле (СТ СЭВ 1495-79) Публикация МЭК 296А ANSI/ASTM D93 JIS К2274 Температура вспышки в от- крытом тигле Отсутствует Ст. ИСО 2719 ANSI/ASTM D92 JIS ZK2269 Температура воспламенения > Публикация МЭК 465 ANSI/ASTM D92 Ст. ИСО 2592 Температура самовоспламе- нения > ANSI/ASTM D2155 JIS ZK2269 Ст. ИСО 3016; ИСО 2592 Температура застывания ГОСТ 20287-74 Публикация МЭК 296А и 588-2 Ст. ИСО 3016 ANSI/ASTM D17, D97 Удельная теплоемкость Отсутствует ANSI/ASTM D2766 Коэффициент теплопровод- » ANSJ/ASTM D92, D2717 иости Температурный коэффици- ент объемного расширения » Публикация МЭК 588-2 ASTM D1903 Испаряемость Отсутствует ANSI/ASTM D972 Давление насыщенных паров ГОСТ 15283-70 — Пределы кипения (фракци- ГОСТ 2177-82 ANSI/ASTM D20 оиный состав) Поверхностное натяжение Отсутствует ANSI/ASTM D971, D1902 Кислотное число ГОСТ 5985-79 ГОСТ 11362-76 Ст. ИСО 6618 Публикация МЭК 296 ANSI/ASTM D664, D974, D1045, D1534 ANSI С59.107 JIS С2330
§ 4.2 Основные свойства электроизоляционных жидкостей 67 Продолжение табл. 4.1 Параметры Отечественные стандарты Международные стандарты и зарубежные национальные Содержание неорганических хлоридов Содержание ароматических углеводородов (для неф- тяных масел) Содержание водораствори- мых кислот и щелочей (для нефтяных масел) Зольность (для нефтяных масел) Содержание гидролизуемых хлоридов Содержание серы Способность вызывать кор- розию Содержание влаги Содержание газа (воздуха) Содержание механических примесей Термическая и окислитель- ная стабильность Нагревостойкость хлоругле- водородов Совместимость с твердыми материалами Цвет Содержание присадок: ионол антиокислительная эпоксидная раскислительная Отсутствует ГОСТ 6307-75 ГОСТ 1461-75 Публикация МЭК 588-2 ANSI/ASTM D878, D1821 Публикация МЭК 590 ANSI/ASTM D611 Отсутствует Отсутствует ГОСТ 1771-48 ГОСТ 19121-73 ГОСТ 2917-76 ГОСТ 7822-75 ГОСТ 14870-77 Отсутствует ГОСТ 6370-83 (СТ СЭВ 2876-81) ГОСТ 10577-78 ГОСТ 981-75 ГОСТ 11257-65 ГОСТ 12497-78 Отсутствует ГОСТ 2667-82 ГОСТ 20284-74 Отсутствует Публикация МЭК 588-2 ANSI/ASTM D1820 Публикация МЭК 296А ANSI/ASTM D129, D989, D1275 Ст. ИСО 2160 ANSI/ASTM D1275 ANSI/ASTM D1315, D1533 Публикация МЭК 567 ANSI/ASTM D831, D1827, D2945, D3612 Анализаторы содержания микрочас- тиц Ст. ИСО 4263 Публикации МЭК 74 и 474 ANSI/ASTM D924, D943, D1313, D1904, D1934, D1936-a, D2112, D2440 ANSI/ASTM D1936 Публикации МЭК 588-5 ANSI/ASTM D1500, D1524, D2129 ANSI/ASTM D1701, D1473, D2668 Публикация МЭК 588-7 П р И м е ч а и и е. Обозначения стандартов: ГОСТ — СССР, ANSI/ASTM — США, BSS — Великобритании, JIS Япония, VDE — ФРГ, ИСО — Международный, МЭК —Международной электротехнической комиссии. В маловязкнх жидких диэлектриках при частоте 50 Гц и положительной температуре потери в основном обусловлены токами прово- димости. Электрическая проводимость жидкого ди- электрика увеличивается с ростом температуры. Согласно закону Вальдена произведение удельной проводимости жидкого диэлектрика на его вязкость является величиной постоянной и не зависит от температуры. Закон Вальдена оправдывается лучше для чистых жидкостей и хуже при наличии в них примесей. Для непо- лярных жидкостей отступление от закона Валь- дена более заметно, чем для полярных. Проводимость жидкого диэлектрика в со- ответствии с ее природой уменьшается с уве- личением времени воздействия постоянного на- пряжения. Наличие загрязняющих примесей оказывает влияние на эту зависимость. По ха- рактеру изменения проводимости жидкого ди- электрика от времени воздействия напряжения можно примерно оценить природу загрязняю- щих примесей. В частности, при быстром (в те- чение нескольких минут) снижении проводимо- 8* сти наблюдаются коллоидные примеси, при мед- ленном — ионные. Стабильность жидких диэлектриков явля- ется одним из показателей для прогнозирова- ния и оценки их работоспособности в эксплуа- тации, возможности хранения перед техниче- ской обработкой, устойчивости при технологи- ческой обработке и заливке в электротехниче- ское оборудование. Стабильность определяют по степени изменения свойств в эксплуатации, при хранении, технологической обработке или в условиях испытания, их моделирующих. Оценка стабильности в эксплуатации жид- кого диэлектрика для оборудования, рассчи- танного на многолетний срок службы, дорога и производится в опытной эксплуатации реаль- ного оборудования, конструкция которого, в том числе и жидкий диэлектрик, в основном выбрана. В настоящее время имеется большое и все увеличивающееся количество жидких ди- электриков, надежный выбор которых необхо- димо осуществлять на стадии разработки элек- троизоляционной конструкции. В этом случае проводят ускоренные испытания на стабиль-
68 Жидкие диэлектрики Разд. 4 иость в специальных устройствах либо маке- тах электроизоляционных конструкций, для ко- торых предназначен испытуемый жидкий ди- электрик, с воспроизведением основных влия- ющих факторов, в первую очередь электричес- кого и теплового полей. На основе испытания на стабильность оп- ределяют параметры физико-математических одно- или многофакторных моделей, описы- вающих поведение жидкого диэлектрика в диа- пазоне измеиеиия интересующих влияющих факторов. С помощью такой модели можно прогнозировать поведение жидкого диэлектри- ка в рабочих условиях. При технологической обработке жидкий диэлектрик может подвергаться более жестко- му воздействию различных факторов по срав- нению с эксплуатацией. Например, конденса- торные жидкие диэлектрики в процессе техно- логической обработки могут быть подвергнуты более интенсивному термоокислительному воз- действию, чем за весь срок службы в герме- тичном конденсаторе. Важна также и стабильность при хране- нии жидкого диэлектрика, особенно предназна- ченного для герметичного оборудования. Неко- торые жидкости, высокостабильные в таком оборудовании, разлагаются под влиянием све- та (некоторые хлоруглеводороды) или облада- ют низкой гидролитической устойчивостью и разлагаются под влиянием поглощенной из воз- духа влаги (большинство жидких диэлектри- ков на основе сложных эфиров). Стабильность современных синтетических жидких диэлектриков, работающих в высоко- нагружениых конструкциях, зависит от содер- жания в жидкости растворенных и нераство- реииых металлов. При увеличении их концен- трации стабильность резко снижается, В тех- нически чистом диэлектрике содержится до двадцати различных металлов, резкое увеличе- ние концентрации которых может также сви- детельствовать о появлении опасных процес- сов разрушения жидкого диэлектрика По устойчивости против воздействия окис- ления, электрического и теплового поля опре- деляют интенсивность старения жидкого ди- электрика в эксплуатации. Термоокислительная устойчивость жидких диэлектриков, работаю- щих в герметичных конденсаторах, важна для их стойкости в процессе технологической очистки и сушки, а также в эксплуатации, ес- ли под влиянием процессов теплового и элек- трического старения других компонентов элек- троизоляционной конструкции возможно выде- ление влаги и кислых продуктов, это например, характерно для разложения целлюлозосо- держащих материалов. Газостойкость (способность выделять или поглощать газ) позволяет оценивать устойчи- вость жидких диэлектриков к воздействию электрического поля в специальных реакторах коронного, искрового или тлеющего разряда. Наиболее распространенные типы реакторов представлены на рис. 4.1. Газопоглощение про- питывающего вещества в электрическом поле — необходимое условие для стойкости к воздейст- вию частичных разрядов в пропитанных элек- троизоляционных системах. Известны случаи обнаружения корреляции между газостойко- стью и устойчивостью конденсаторов к воздей- ствию перенапряжений. Результаты оценки газостойкости тесно связаны с конструкцией реактора (рис. 4.1). Непосредственная корреляция данных, полу- ченных на установках, различающихся конст- рукцией и методикой, по существу невозможна. Воздействие частичных разрядов на жид- кие диэлектрики и соприкасающиеся с ними твердые компоненты электроизоляционной кон- струкции сопровождается выделением продук- тов их разложения, ухудшающих электроизо- ляционные параметры: tg б, сопротивление изо- ляции, характеристики частичных разрядов (о характеристиках частичных разрядов — см. разд. 2). Обычно выделяются также кислые продукты, разрушающие твердую изоляцию и даже металлические части и электроды, что Рис. 4.1. Наиболее распространенные реакторы для испытания жидких диэлектриков на газо- стойкость: При коронном разряде: а — по ГОСТ 13003-67 с наружным электродом из водного раствора хлористого ка- лия; б —с малым объемом газового пространства и наружным металлическим электродом; в — с наружным металлическим электродом; при темном разряде: г —с внутренним электродом из водного раствора хлористого кальция и внешним металлическим электродом; 1 — электрод (подвод) высокого напряжения; 2 —камера; <3—электрод из водного раствора хлористого кальция; 4 — заземленный электрод
§ 4.2 Основные свойства электроизоляционных жидкостей 69 сопровождается дополнительным газовыделе- нием. При малой толщине электродов, напри- мер металлизированных, кислые продукты и частичные разряды могут полностью их разру- шить. В области положительных температур при воздействии частичных разрядов на три- хлордифенил увеличивается его газостойкость вследствие снижения вязкости, возрастают кис- лотное число и количество выделившегося кар- бонизированного продукта, С ростом газостой- кости увеличивается скорость затухания час- тичных разрядов после их возникновения, а с ростом кислотного числа и содержания карбо- низированного продукта возрастает tg 6 и снижается сопротивление изоляции. Результи- рующее поведение изоляции зависит от того, какое из этих влияний преобладает. В частно- сти, при температуре ниже 70 °C интенсивность выделения продуктов, ухудшающих качество изоляции, значительно ниже, чем при темпера- туре выше 80 °C, в то время как скорость уве- личения газостойкости с температурой с рос- том температуры изменяется сравнительно ма- ло. В этих условиях результирующая скорость старения и срок службы подобных жидких ди- электриков с температурой изменяются соот- ветственно по U-образному и горбовидному за- конам. В подобных жидких диэлектриках срок службы с температурой сначала возрастает, достигает максимума при 70—80 °C и только затем падает в соответствии с законом Арре- ниуса. Совместимость с применяемыми материа- лами имеет в ряде случаев решающее значение для выбора жидкого диэлектрика. Твердые материалы не должны выделять в жидкость ве- ществ, ухудшающие ее электроизоляционные свойства или вызывающих ускоренное старе- ние; с другой стороны, сами материалы ие должны разрушаться и ухудшать свои свойст- ва в среде жидкости, как новой, так и соста- рившейся. Например, хлоруглеродные жидкие диэлектрики быстро разрушают металлизиро- ванные обкладки, разрушают при приложении постоянного напряжения фольговые алюми- ниевые обкладки, а поэтому не используются в металлизированных конденсаторах и фольго- вых конденсаторах постоянного тока. Многие материалы набухают в жидком ди- электрике и теряют свои рабочие свойства. Особенно большое значение приобрела совме- стимость синтетических жидких диэлектриков с синтетическими пленками, в частности набу- хание пленок может привести к неполной про- питке и ухудшению стойкости к воздействию электрического поля и снижению срока службы. Горючесть жидких диэлектриков и взры- воопасность их паров с воздухом определяют опасность возникновения пожара. Под показа- телем горючести и взрывоопасности жидкого диэлектрика понимают его способность в усло- виях хранения и применения воспламеняться (или не воспламеняться), распространять (или не распространять) пламя, образовывать (или не образовывать) при горении газы, являющие- ся в смеси с воздухом взрывоопасными. Пока- затель горючести является условным, завися- щим от метода его оценки. Общепринятые методы оценки этой харак- теристики пока отсутствуют. Обычно имити- руют источники и условия воспламенения, ха- рактерные для конкретного электрического обо- рудования, используют методы определения температур вспышки, воспламенения, самовос- пламенения и скорости горения (распростране- ния пламени). Температурой вспышки считают ту мини- мальную температуру, при которой смесь па- ров нагретого в стандартных условиях жидко- го диэлектрика с воздухом вспыхивает при внесении в нее пламени. Хлорированные и фто- рированные углеводороды дают вспышку при высоких температурах, но негорючи. Поэтому в ряде случаев определение температуры вспышки для них не производят. Температурой воспламенения считают ми- нимальную температуру воспламенения жид- кого диэлектрика в стандартных условиях при внесении в него пламени. Температурой самовоспламенения считают температуру самовозгорания жидкого диэлек- трика при постепенном его нагреве. Скорость горения жидкости для конденса- торов определяют поджиганием с одного кон- ца стандартной ленты, например, из стеклотка- ни, пропитанной испытуемым жидким диэлек- триком, и измерением времени распространения пламени иа определенную длину ленты, напри- мер 30 см. Скорость горения трансформаторных жид- костей количественно измеряют испытанием горением в больших резервуарах. Испытание проводят столько времени, сколько нужно пос- ле загорания жидкости, чтобы дать пламени полностью вырасти по высоте, скорости тепло- выделения и скорости сгорания массы. Дым и газы, образующиеся при горении и содержащие твердые и жидкие частицы, уве- личивают пожароопасность. Вдыхание дыма и газов вызывает гораздо больше смертей и травм в закрытых помещениях, чем прямой контакт с пламенем. Концентрация кислорода в атмосфере может уменьшиться при сгорании жидкого диэлектрика в закрытых объемах с ограниченным доступом воздуха. Минималь- ной концентрацией кислорода в воздухе, необ- ходимой для выживания, считают 10 °/0. Часто при возгораниях концентрация кислорода ста- новится ниже 10 %. Жидкие диэлектрики с низ- кой скоростью горения обеспечивают более низкую скорость истощения кислорода. Содержание влаги влияет на поведение жидкости. Растворимость воды или гигроско- пичность жидкости зависит от ее химической природы, относительной влажности воздуха и температуры (рис. 4.2, а и б). У углеводород- ных жидкостей она весьма мала, у полярных жидкостей выше. Растворенная вода диссоци- ирует на ионы тем сильнее, чем выше ег рас- творителя — жидкого диэлектрика, и способ- ствует соответственному увеличению проводи- мости и tg 6. При наличии полярных и особенно гигроскопичных примесей возможно образо- вание заряженных микропримесей, способст- вующих еще большему возрастанию проводи- мости и потерь, снижению электрической проч- ности. При повышении температуры до некоторо- го предела растворимость влаги в жидких ди- электриках повышается. В зависимости от содержания влаги в жид- ком диэлектрике вода может находиться в растворенном, эмульсионном и свободном со-
70 Жидкие дизлектрики Разд. 4 Рис. 4.2. Растворимость воды в различных ви- дах жидких диэлектриков: а — в зависимости от температуры [/ — масло ТКп: 2 — масло Т-1500; 3 — масло Пт; 4 —масло «Шелл Диала Дх> (Shell Diala Dx, BSJ 148—1978, Англия); 5 — масло «Детройт Эдисон Компани» (Detroit Edi- son Company, США); 6 — масло «Эссо-Юнивольт-84» (Esso-Univolt-84, Франция); 7 — масло № 2 (J1S C-2320-1978R, Япония); 8 — совтол-10; 9 — кремнийор- ганическая жидкость «Родорсил ойл» (Rhodorsil oil 604V50. Франция)]; б —в зависимости от относи- тельной влажности воздуха при различных темпера- турах (---------в трансформаторных маслах ТКп; ------ в гексоле) стоянии. В последнем случае капли влаги то- нут в жидкости, плотность которой меньше плотности воды, или могут собираться и пла- вать на поверхности, если плотность жидкости выше. Вода в жидком диэлектрике может пе- реходить из одного состояния в другое. Пере- ход влаги из растворенного состояния в сво- бодное снижает электрическую прочность, уве- личивает tg 6 и проводимость. Наличие влаги в масле ухудшает характеристики частичных разрядов, способствует более активному окис- лению масла, усиливает корродирующее воз- действие продуктов его окисления, сокращает срок службы. При пропитке гигроскопичных материалов происходит большей частью необ- ратимое поглощение влаги из жидкого диэлек- трика, что сопровождается соответственно не- обратимым ухудшением его рабочих парамет- ров. Поэтому перед использованием масло под- вергают глубокой очистке с использованием вакуумных обсадных колони или вакуумного распыления на конечных стадиях сушки и конт- ролем остаточного влагосодержания. В услов- но открытых, т. е, невакуумио-плотиых герме- тичных системах, например в трансформато- рах, масло подсушивается периодически или не- прерывно с помощью специальных устройств. Газосодержание жидкого диэлектрика пу- тем дегазации под вакуумом обеспечивают иа достаточно низком уровне. С ростом газосодер- жания жидкого диэлектрика ухудшаются ха- рактеристики частичных разрядов, снижается срок службы изделия. Газ в жидкий диэлек- трик может попадать при соприкосновении с воздушной или другой атмосферой или обра- зовываться в результате электрохимического или термоокислительиого разложения. Для ха- рактеристики растворимости данного газа в жидкости служит коэффициент адсорбции, ко- торый равен объему газа (при нормальных ус- ловиях) в единице объема масла. Раствори- мость газа в жидких диэлектриках зависит от их вязкости, температуры и парциального дав- ления газа. На скорость насыщения жидкости газом или, наоборот, дегазации влияет пло- щадь поверхности соприкосновения газа с жид- костью. Содержание твердых механических приме- сей и растворенных металлов оказывает боль- шое влияние на стабильность жидкого диэлек- трика в эксплуатации. Металлы попадают в жидкий диэлектрик при его изготовлении, транспортировке, хранении или в производстве электрооборудования. В свободном и в растворенном состоянии многие металлы оказывают большое влияние на термоокислительное старение, что требует защиты свободных металлических частей и точного определения содержания металлов, на- пример, с помощью беспламенной атомной аб- сорбционной спектроскопии. В товарных жидких диэлектриках, в част- ности, перед заливкой в электрооборудование содержатся микрочастицы (до 105—10е част./ /см3), 94 % которых обычно представляют со- бой волокна целлюлозы и углеродные частицы, а остальные — металлы: железо, алюминий и т. д., а также песчинки. Напряженность электрического поля меж- ду соседними, расположенными вдоль поля проводящими включениями, разделенными тон- ким слоем жидкого диэлектрика, возрастает обратно пропорционально расстоянию между ними и при достаточно малых расстояниях до- стигает огромных значений, приводя к локаль- ному разрушению диэлектрика и выделению большей частью опасных продуктов его разло- жения. Подобные включения существенно сни- жают электрическую прочность и срок служ-
§ 4.2 Основные свойства электроизоляционных жидкостей 71 бы, причем в большей степени частицы разме- ром 2—10 мкм. В качестве примера можно от- метить такое явление, как увеличение срока службы силовых конденсаторов до 50 раз при полной очистке пропитывающего вещества от микрочастиц. В высококачественных технических жид- ких диэлектриках содержание микрочастиц всех размеров перед заливкой в электрообо- рудование доведено до 102 частиц/см3. По дан- ным японской фирмы «Хитачи» (Hitachi Ltd) при дальнейшем его снижении на порядок £пр при переменном напряжении увеличивается в 2 раза и в 1,5 раза при импульсах. Аналогич- ная картина наблюдается при переменном на- пряжении для бумажной маслобарьерной изо- ляции, а при импульсах влияние содержания микрочастиц снижается с толщиной барьера. Вязкость является одним из показателей, важных для оценки теплоотводящей способно- сти и поведения жидкого диэлектрика в элек- трическом поле. В маловязких жидкостях лег- че производится конвективный теплообмен и быстрее рассасываются продукты разложения жидкости частичными разрядами. В вязких жидкостях при охлаждении возможно появле- ние газовых полостей и растрескивание, сни- жающие стойкость к воздействию электриче- ского поля. Низкотемпературные свойства жидких ди- электриков оценивают иа основании сопостав- ления значений ряда параметров, например температуры застывания, е, и tg б жидкости при низких температурах, низкотемпературной стабильности, в том числе изменения £пр и характеристик частичных разрядов при низких температурах, критической температуры пла- вучести льда и др. Температурой застывания считают темпе- ратуру, при которой жидкость, охлаждаемая в испытательном приборе в стандартных услови- ях, остается неподвижной в течение ие менее 30 с. Причины потери подвижности жидкого диэлектрика могут быть различными и опреде- ляются особенностями его химической природы. В нефтяных маслах она может вызываться кри- сталлизацией твердых парафинов, в синтетиче- ских многокомпонентных жидкостях — выпаде- нием компонентов в осадок. В жидких диэлек- триках, представляющих собой индивидуаль- ные химические соединения, она может быть связана со значительным повышением вязкости жидкости или переходом ее в твердое состоя- ние. Для жидких диэлектриков плотностью ни- же 1000 кг/м3, предназначенных для работы в иевакуумно-плотных конструкциях, имеет зна- чение показатель — критическая температура плавучести льда, т. е. та минимальная темпе- ратура, ниже которой кристаллы льда воды будут плавать в среде жидкого диэлектрика, снижая его Дпр. Это произойдет, когда плот- ность жидкого диэлектрика при данной отри- цательной температуре будет больше, чем плот- ность льда. На рис. 4.3 приведены данные, ру- ководствуясь которыми можно подобрать жид- кий диэлектрик с такой плотностью, при которой будет исключена возможность плава- ния льда в диапазоне рабочих температур, или оценить допустимую с этой точки зрения тем- пературу применения данной жидкости. Температура кипения, упругость паров и Рис. 4.3. Зависимость плотности воды, льда и различных видов жидких диэлектриков от тем- пературы: трансформаторные масла: / — масло ТКп; 2— масло Т-750; 3 — масло Т-1500; 4 — масло ПТ; кремнийор- ганические жидкости: 5 — ПЭС-3; 6 — ПМС-10; Z — ФМ-1322; 3 — ХС-2-1 испаряемость в совокупности позволяют оце- нивать летучесть жидких диэлектриков, что важно при расчете технологических режимов термовакуумной обработки и пропитки при вы- боре режимов работы систем циркуляционного и испарительного охлаждения. За температуру кипения жидких диэлек- триков принимают температуру термодинами- ческого равновесного состояния между жид- кой и газообразной фазами при данном дав- лении (например, при 0,1 МПа). Часто опре- деляют ие температуру кипения, а пределы выкипания сложных по составу жидкостей. Для ориентировочной оценки упругости паров данного жидкого диэлектрика при различных температурах могут быть использованы дан- ные о температурах кипения при различных давлениях — менее 0,1 МПа. Плотность жидких диэлектриков снижает- ся с температурой и характеризует класс хи- мических соединений, к которому относится данная жидкость. Температурная зависимость плотности характерна для каждого типа жид- костей. Оиа определяется по уравнению DT^Dw-a{t-20), (4.1) где Пи •— плотность жидкого диэлектрика, кг/м3, при 20 °C; t — температура, °C, при ко- торой вычисляется плотность; а — температур- ный коэффициент плотности, °C-1. Показатель преломления света п применя- ется для идентификации и анализа жидких ди- электриков; ои изменяется как прн переходе от соединений одного типа к другому, так и в пределах отдельных гомологических рядов. При повышении температуры п уменьшает- ся. Температурный коэффициент изменения п специфичен для каждого типа жидкого диэлек- трика и определяется экспериментально, обыч- но при 20 °C. Показатель преломления света является аддитивной функцией концентрации (выраженной в объемных процентах) отдель- ных компонентов смеси.
72 Жидкие диэлектрики Разд. 4 Молекулярная масса характеризует осо- бенности химической структуры данного вида жидкого диэлектрика. Для жидкостей иа ос- нове хлордифеиила повышение молекулярной массы свидетельствует об увеличении степени хлорирования. Для других полимерных жид- костей переход к более высокомолекулярным соединениям указывает иа преобладание поли- меров с большим числом мономерных единиц. Для смесей отдельных соединений, гомоло- гов и т. д. молекулярная масса аддитивно оп- ределяется молекулярными массами отдельных компонентов. Технические жидкие диэлектрики обычно представляют собой не индивидуальные соеди- нения или их простые смеси, а сложные кон- гломераты большого числа различных изомер- ных и полимерных соединений, для которых рассчитать молекулярную массу не представ- ляется возможным и ее определяют экспери- ментально. Удельная теплоемкость и коэффициент теп- лопроводности — важные параметры жидких диэлектриков для тепловых расчетов и опреде- ления вместимости охлаждающей системы. Чем выше теплоемкость и теплопроводность, тем лучше охлаждающая способность жидкого ди- электрика. Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м-°С), линейно зависит от температуры t в соответствии с выражением Z = a + W, (4.2) где а и b — постоянные. Для трихлордифени- ла, например, а = 0,0974; 6 = 0,00018, а для конденсаторного масла а—0,114, Ь = —0,00022. Экологическая безопасность является од- ним из решающих факторов при выборе синте- тических жидких диэлектриков. Под показате- лем экологической безопасности жидкого ди- электрика понимают его способность не ока- зывать опасного биологического воздействия на организм человека и живую природу вообще и их наследственные признаки, не накапливать- ся в окружающей среде и в организме живот- ных, подвергаться так называемому биоразло- жению (биодеградации), под которой пони- мают разложение до безопасного химического состава при воздействии окружающих клима- тических факторов, ферментов, энзимов и мик- роорганизмов. Степень воздействия зависит от химической природы жидкостей и условий кон- тактирования с ними. Соприкасающийся с жидкими диэлектриками персонал должен со- блюдать предусмотренные санитарно-гигиени- ческими правилами для данной жидкости и электрооборудования, ее содержащего, нормы и правила по технике безопасности. Обязатель- но предварительное определение так называе- мой ПДК (предельно допустимой концентра- ции) данного вещества в воздухе, воде и ок- ружающей природе. ПДК вредных веществ в воздухе, воде и т. д. — это такие концентрации, которые при ежедневной работе длительностью не более 8 ч в течение всего рабочего стажа не вызывают у работающих заболеваний или не- нормальных отклонений в состоянии здоровья. Общеобязательным санитарным требованием является обеспечение таких условий примене- ния, при которых не превышаются ПДК дан- ного вещества, за счет соответствующей орга- низации технологического процесса и эксплуа- тации, принятия действенных мер по охране труда. Близким к ПДК является показатель БУВ, характеризующий ориентировочный безо- пасный уровень воздействия. Следует отметить, что при одних и тех же значениях ПДК у различных жидкостей БУВ, т. е. переносимость их живыми организмами, может быть разная, как и различными могут быть степень и характер переносимости одного и того же жидкого диэлектрика разными людьми. Одним из показателей для сравнительной оценки степени вредного воздействия данного соединения на живой организм служит услов- ный критерий LD^' численно равный дозе ве- щества в миллиграммах иа 1 кг живого веса, вызывающий смерть половины подопытных жи- вотных в стандартных условиях испытания. Показатель экологической безопасности — биоразложение (биодеградация) выражается во времени естественного разложения данного вещества в окружающей среде в стандартных условиях испытания. Важным показателем яв- ляется также токсичность. Экономичность жидких диэлектриков опре- деляется их ценой, удельной массой и расхо- дом для обеспечения требуемых рабочих пара- метров. Цена диэлектрика определяется многими факторами: стоимостью исходного сырья, из- держками производства при изготовлении, объ- емом выпуска, конъюнктурой и др., а поэтому колеблется в очень больших пределах. По имеющимся литературным данным цены на раз- личные синтетические жидкие диэлектрики по отношению к цене на трансформаторное масло, принятой за единицу, составляют: для конден- саторных и трансформаторных полихлордифе- нилов 4—10; для полиметил (полиэтил) силокса- нов 25—80; для полифенилсилоксанов '150'— 370; фтороргаиических жидкостей с температу- рой кипения свыше 150 °C 750—1150; для кон- денсаторных сложных эфиров и диарилалка- иов 4—10. 4.3. НЕФТЯНЫЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАСЛА Общие сведения. Нефтяные масла приме- няют в трансформаторах, кабелях, высоковольт- ных вводах, конденсаторах, выключателях и контакторных устройствах для регулирования напряжения под нагрузкой. Из-за горючести, неоднородности свойств, определяемых неоднородностью состава, недо- статочно высокой, с учетом современных тре- бований высоковольтного оборудования, стой- костью в электрическом поле, истощения тра- диционных источников нефтей, пригодных для изготовления электроизоляционных масел, на- метилась тенденция замены нефтяных масел в некоторых областях применения синтетически- ми углеводородами. Трансформаторы, кабели и конденсаторы с высокоочищенными (переочищенными) масла- ми выходят из строя чаще, чем с маслами, ме- нее очищенными (оптимально), содержащими большой процент естественных антиокислите- лей и компонентов, устойчивых в электрическом поле. Масла с повышенным содержанием аро- матических углеводородов имеют повышенные окислительную и электрическую стойкости,
§ 4.3 Нефтяные электроизоляционные масла 78 меиьшую склонность к выделению газов при воздействии иа них электрических разрядов и обладает большей способностью к их погло- щению. Нефтяные масла представляют собой слож- ную смесь углеводородов парафинового, наф- тенового, ароматического и нафтеново-арома- тических рядов с небольшой (до 1 %) приме- сью других компонентов, содержащих атомы серы, кислорода и азота, а также в ряде слу- чаев присадками, улучшающими их термоокис- лительную и электрическую стойкости, темпе- ратурно-вязкостные характеристики. Нефтяные масла содержат 75—80 %, реже 50—60 % наф- теновых углеводородов с пяти- или шести-, мо- но- и полициклической структурой с числом атомов углерода 6, 10, 14 (одно- и трехкольча- тые углеводороды); при этом в боковые цепи входит 20—25 атомов и более углеводородов, что ближе соответствует нафтеново-парафино- вым углеводородам. До 10—40 % состава неф- тяных масел — моно- и полициклические аро- матические углеводороды. Часть из них содер- жит в молекуле также и нафтеновые кольца, и поэтому их относят к иафтеиово-ароматическим углеводородам. Ароматические и иафтеново- ароматические кольца имеют парафиновые бо- ковые разветвления и неразветвленные цепи, количество и строение которых влияют иа свойства нефтяных масел, например стойкость к окислению, газостойкость, вязкостно-темпера- турные характеристики и др. Ароматические углеводороды являются не- обходимой составной частью электроизоляци- онных нефтяных масел. Их количественный и структурный состав во многом определяет фи- зико-химические и электрические характерис- тики масел. Полное удаление ароматических углеводородов из масла в процессе очистки приводит к снижению стойкости масла против окисления (особенно при повышенной темпера- туре), каталитического воздействия металлов, света и повышению склонности к газовыделе- нию при воздействии электрических разрядов. Излишнее количество ароматических углеводо- родов, особенно полициклических, ухудшает tg б масел. Для каждого типа масел добива- ются оптимального соотношения нафтеновых и ароматических углеводородов. Нефтяные масла получают очисткой дис- тиллятных или остаточных фракций нефти от компонентов, ухудшающих физико-химические и электрические свойства (непредельные угле- водороды, полярные соединения, некоторые се- ро- и азотсодержащие соединения, смолы, твер- дые углеводороды и др.). Распространенные способы очистки масел: а) кислотио-щелочной (используется концен- трированная серная кислота в количестве 5— 15 % по массе и водный раствор едкого натра); б) селективный (применяют растворители, на- пример, фенол, фурфурол, избирательно рас- творяющие нежелательные компоненты и при- меси); в) адсорбционный (с применением ад- сорбентов для поглощения нежелательных ком- понентов); г) гидрирование (процесс, заклю- чающийся в изменении химической структуры углеводороров масла, азотистых соединений). Заключительной стадией очистки масел при ис- пользовании способов «а», «б», «г» является доочистка адсорбентом (путем контактирова- ния или перколяции). В связи с этим различа- ют масла кислотио-щелочной, адсорбционной, селективной и гидроочистки. Физико-химические свойства. Плотность масел обычно варьирует в довольно узких пре- делах, а температурный коэффициент плотно- сти составляет в среднем 0,00066 °C-1. Чем выше содержание в масле ароматических угле- водородов, тем выше его плотность, а также показатель преломления. Теплопроводность X, Вт/(м-°С), и удель- ная теплоемкость с, Дж/(кг-°С), нефтяных ма- сел зависят от температуры и связаны с плот- ностью: 117,2-103 = -----т-------(1 — 0,00054/); (4.3) 015 с = 4,19(0,345 + 0,000886/) (2,10 — 0,001О16), (4.4) где 015 — плотность масла при 15 °C, кг/м3; / — температура, °C. Характер зависимости вязкости от темпе- ратуры (табл. 4.2) определяется химической структурой масла. Удаление из масла высоко- застывающих парафиновых углеводородов при- водит к снижению их вязкости при низких тем- пературах. Масла для холодного климата с низкой температурой застывания и хорошими показа- телями текучести получают из нафтеновых или малопарафинистых нефтей. Запасы некоторых из них уже исчерпаны. Приходится использо- вать масла из парафинистых нефтей с высо- кой температурой застывания, понижаемой вве- дением депрессаторов. Депрессаторы имеют крупные молекулы и обычно являются ароматическими полимерами, например парафлоу, содержащий нафталино- вые кольца с парафиновыми боковыми цепями. Они предотвращают образование кристаллов в масле при охлаждении. При низких отрицательных температурах воздуха (—20-4-25 42 и ниже), особенно в райо- нах Крайнего Севера, работоспособность мас- ляных выключателей и контактных устройств для регулирования напряжения под нагрузкой существенно зависит от вязкости масла, кото- рая влияет на скорость движения подвижных контактов, на продолжительность их отключе- ния. Во избежание обеспечения надежности ра- боты в холодное время года путем применения электрического подогрева в СССР и за рубе- жом разработаны и применяются легкие неф- тяные масла с пониженными температурой за- стывания и вязкостью в области отрицатель- ных температур, при высокой противоокисли- тельной и электрофизической стабильности. Цвет товарного трансформаторного (кон- денсаторного) масла, обычно соломенно-жел- тый, характеризует глубину его очистки: чем глубже очистка, тем светлее масло. При недо- статочно полном удалении из масла природ- ных смолистых соединений и накоплении про- дуктов окисления масло имеет более темный цвет: чем их больше, чем темнее масло. Поверхностное натяжение хорошо очищен- ных масел при 20 °C обычно 40—45 кН/M; не- достаточно очищенные масла имеют более низ- кие его значения, а в окисленных маслах — это признак наличия полярных продуктов окисле- ния.
74 Жидкие диэлектрики Разд. 4 Таблица 4.2. Вязкостно-температурные показатели некоторых товарных трансформаторных масел различного происхождения по Р. А. Липштейиу, М. И. Шахиовичу и Г. Д. Голованю Происхождение масла Кинематическая вязкость, Ю—6 м2/с, при температуре, °C Плотность при 20 °C. кг/м3 Показа- тель пре- ломления света при 20 °C Структурно- групповой анализ масел, % -40 —30 —20 +20 4-50 ! +70 | +90 СА 1 сн СП Марка ТКп, ТУ 38- 101-890-81, из аиаста- сиевской нефти (ки- слотно - щелочной очистки) 3020 810 255 17,6 6,1 3,7 2,6 891,5 1,4935 20,8 30,8 39,4 Марка ТКп, ТУ 38- 101-890-81, из смеси бакинских нефтей (кислотно-щелоч- ной очистки) 4250 1010 300 26,6 8,3 5,0 3,7 883,2 1,4869 11,3 42,7 46,0 Марка ТСп, ГОСТ 10121-76, из парафи- нистых сернистых нефтей (фенольной очистки) 3300 970 340 25,7 8,4 4,0 3,4 861 1,4750 5,1 34,6 60,3 Марка ТСп, ГОСТ 10121-76, из парафи- нистых сернистых нефтей (гидроочи- щенное) 19,0 6,4 863,4 1,4724 8,6 34,4 57,0 Марка Т-1500, ГОСТ 982-80, из бакинс- ких нефтей (кислот- но-щелочной очист- ки с контактной до- очисткой) 850 19,3 6,6 875 1,4830 12,5 39,8 47,7 Марка ГК, ТУ 38-401- 358-84, из западно- сибирских парафи- нистых нефтей 1000 24,3 7,2 865,3 1,4728 15,6 44,4 40,0 Примечание. Сд. Cj.j, Cpj — числа углеродных атомов соответственно в ароматической, нафтеновой и парафиновых структурах, все выражается в расчете на 100 углеродистых атомов образца масла. Растворимость воды в маслах зависит от их углеводородного состава и наличия поляр- ных примесей. С ростом содержания аромати- ческих углеводородов и полярных примесей (спиртов, кислот, мыл и др.) гигроскопичность масел увеличивается. Окисленные масла более гигроскопичны. Растворимость в масле различных газов зависит от химической природы последних (табл. 4.3). Растворимость в масле водорода, азота, воздуха с повышением температуры (от 20 до 80 °C) возрастает, растворимость кисло- рода слегка, а растворимость углекислого газа резко снижается. Под влиянием электрического поля растворимость газа в масле уменьшается вследствие явления электрострикции. При ко- лебаниях (вибрации) определенной частоты мо- жет происходить локальное изменение раство- римости газа в масле. С ростом давления рас- творимость газа в масле увеличивается. Электрофизические свойства. Значение е, масел, равное 2,2—2,3 при 20 °C, с ростом тем- пературы до 90 °C снижается в среднем иа 3-4 %. При частоте 50 Гц tg 5 в маслах практиче- ски определяется проводимостью и зависит от степени их очистки. С увеличением температу- ры lg tg 6 линейно возрастает. При низких на- пряженностях электрического поля может иа- Т а б л и ц а 4.3. Растворимость некоторых газов в трансформаторном (конденсаторном) масле при 4-25 °C и 0,1 МПа (по М. И. Шахновичу) Газ Раствори- мость, % (об.) Газ а* о - а л—» О QO cu s-2- Элегаз 43 Водород 7 Перфторпро- 39 Метай 30 пан Воздух Азот 9,4 8,6 Этан Этилен 280 280 Кислород 16 Ацетилен 400 Аргон 15 Пропилен 1200 Углекислый газ Окись углеро- да 120 9 Пропан Бутан 1900 2000 блюдаться увеличение tg 6 масла при сниже- нии напряженности электрического поля, тем большее, чем больше содержание ионных при- месей в масле. На tg б и проводимость масла практически не влияет влага, находящаяся в состоянии ис- тинного раствора. При изменении растворимо-
§ 4.3 Нефтяные электроизоляционные масла 75 сти влаги в масле (например, при охлаждении) часть влаги может выделиться в виде мелко- дисперсных капелек, вызывая резкое увеличе- ние tg 6 и снижение р. Специально обезвожен- ные органические кислоты, перекиси, спирты, фенолы (при условии их полного растворения в масле) ие оказывают заметного влияния на tg 5 масла. В эксплуатации повышение потерь масла связано с накоплением нерастворенных и кол- лоидных частиц (шлам, мыла, продукты раз- рушения твердой изоляции, волокна и др.). При промышленной частоте основными ис- точниками повышенных потерь в свежих мас- лах (помимо мелко дисперсных капелек вла- ги) являются коллоидные нейтральные и кис- лые асфальтосмолистые вещества и следы мыл. Наиболее эффективное удаление любых кол- лоидных частиц из масла осуществляется ад- сорбционной очисткой, что наряду со снижени- ем tg 6 повышает стабильность масел и их стойкость против старения. Наличие в свежих маслах присадки ионол не оказывает влияния на повышение tg 6 масла. Для технически чистых масел пробивное напряжение в стандартном разряднике состав- ляет 50—60 кВ при 50 Гц и примерно 120 кВ при воздействии импульсного напряжения (волна 1,5/40 мкс). Полярные вещества, влага и газы, находя- щиеся в состоянии истинного раствора, не влия- ют на Enn масла. Их выделение в свободном виде снижает Епр масла, особенно при одно- временном наличии в масле твердых микро- примесей. Поэтому в маслах для работы при высоких напряжениях и напряженностях элек- трического поля нормируют содержание мик- ропримесей, особенно с наиболее опасными размерами частиц — от 2 до 10 мкм, присутст- вующих к тому же в наибольших количествах. Рис. 4.4. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от температуры при постоянном и переменном напряжениях, элек- троды — диски 25 мм с закругленными края- ми, расстояние 2,5 мм. По 3. М. Белецкому, Е. Л. Тополянскому, В. И. Рыженко: при постоянном напряжении.* / — масло ТКп, содер- жащее 0,0020 % (мае.) воды; 2 —масло Т-1500, содер- жащее 0,0040 % (мае.) воды; при переменном напря- жении: з — масло ТКп; 4— масло Т-1500 Микрочастицы в маслах резко снижают также и срок службы электрооборудования. В состоянии поставки технически чистые масла содержат в 1 см3 до десятков и сотен тысяч микрочастиц с размером до 100 мкм. Содержание микрочастиц в масле измеря- ют при получении от поставщика и перед за- ливкой в электрооборудование, поскольку в процессе обращения с маслом и его технологи- ческой обработки содержание микрочастиц воз- растает от соприкосновения со стенками ме- таллической тары и трубопроводов. Для уда- ления микрочастиц используют молекулярные сита с калиброванными отверстиями. Снижение температуры масла в пределах +20 до —5 °C при переменном и постоянном напряжении приводит к уменьшению ЕПр мас- ла, а дальнейшее снижение ее от —5 до —45 °C вызывает рост Епр (рис. 4.4). Это объясняется различным агрегатным состоянием воды в мас- ле, образованием кристаллов льда и ростом вяз- кости масла. При перемешивании масла в ис- пытательной ячейке с помощью мешалки Еар его ниже, чем в статических условиях. Старение масла. В процессе эксплуатации масла происходят глубокие превращения, ха- рактеризуемые понятием «старение» и сопро- вождаемые изменением химических и электро- физических показателей. Старение масел в экс- плуатации происходит под воздействием элек- трического и тепловых полей, кислорода пли окислителей. Оно ускоряется за счет одновре- менного воздействия этих факторов, света, из- лучений высоких энергий, некоторых материа- лов и соединений, являющихся активными ка- тализаторами реакций старения углеводородов масла. Активными катализаторами окисления масла являются: медь и ее сплавы, соли орга- нических кислот и металлов переменной валент- ности (меди, железа, кобальта и др.), раство- римые в масле. Характер превалирующих процессов ста- рения зависит от условий эксплуатации: в не- герметичиых системах старение масла проис- ходит в основном под воздействием кислорода воздуха, вызывающего окисление углеводоро- дов и других компонентов масла, в герметич- ных системах — под воздействием электриче- ского и тепловых полей, в некоторых специ- альных системах — под воздействием излуче- ний высоких энергий и др. Характер влияния на старение различных воздействующих факторов не является адди- тивным. Степень влияния одного фактора за- висит от уровня воздействия других факторов. Химические реакции старения углеводоро- дов в жидкой фазе протекают по цепному ме- ханизму, который осуществляется при помощи свободных радикалов: углеводородного и пе- рекисного. Вещества, являющиеся донорами свободных радикалов, ускоряют, а соединения, связывающие свободные радикалы, тормозят старение. Химический состав масел подбирают таким, чтобы в нем ие содержалось естествен- ных катализаторов старения и сохранились со- единения, замедляющие старение, — естествен- ные ингибиторы. Устойчивость против старе- ния и стабильность масел находятся в зависи- мости от способа и глубины их очистки, что на примере термоокислительной стабильности в электрическом поле иллюстрируется данными табл. 4.4.
76 Жидкие диэлектрики Разд. 4 Таблица 4.4. Влияние обработки адсорбентом на термоокислительную стабильность в электрическом поле трансформаторного масла (по М. И. Шахновичу Образец масла t у,д масла при 70 °C до старения Показатель после 720 ч окисления при 95 °C при £.=2,5 МВ/м tgfi при 70 °C Кислотное число, мг КОН на 1 г Из смеси бакин- ских парафинистых нефтей кнелотно- щелочиой очист- ки 0,0130 0,082 0,45 То же после об- работки 5 % гумбрина 0,0035 0,06 0,30 То же после обра- ботки 10 % гум- брина 0,0025 0,046 0,25 Т а б л и ц а 4.5. Окисление масел в среде ионизированного кислорода (по Р. А. Липштейну и М. И. Шахновичу) Показатель Значения параметров масел после окисления при 100 °C в среде ионизиро- ванного кислоро- да при напряжен- ности в масле 1,56 МВ/м (без меди, 30 ч) без иони- зации при напряжен- ности в масле 4,90 МВ/м (с медью, 42 ч) из бакинских нефтей нз эмбенских нефтей для этих же масел параметры ие превы- шают значений Количество по- глощенного кис- лорода, см3 на 100 г масла 520 760 48,5 Кислотное число, мг КОН на 1 г 5,26 4,29 0,25 Содержание во- дорастворимых кислот, мг КОН на 1 г 0,86 1,00 0,05 Содержание . во- ды, % (мае.) 0,16 0,17 0,01 Увеличение вяз- кости, % 10,0 12,0 0 Осадок,,% (мае.) 0,39 0,36 0,07 Широко применяется синтетическая инги- бирующая присадка 2,6-дитретичный бутил-4- метил-фенол, [фирменные названия: ДВРС и ДБПК (днбутилпаракрезол), ионол, топанол-0, керобит и др.] и добавляемая к маслам в кон- центрации от 0,1 до 0,5 %. В присутствии ионо- ла старение масла протекает в 2—3 раза мед- леннее, чем без него. Известны присадки — дезактиваторы и пассиваторы металлов, кото- рые подавляют каталитическое действие ме- таллов и замедляют старение масла, например антраниловая кислота, дисалицилиденэтилен- диамин, дисалицилиденпропилендиамин (оп- тимальная концентрация этих соединений в масле до 0,05 %), которые эффективно дейст- вуют как в чистом виде, так и особенно в со- четании с ингибиторами окисления масла. Электрическое поле ускоряет процесс ста- рения и изменяет характер продуктов окисле- ния масла, в частности наблюдаются более ин- тенсивное образование воды, коагуляция осад- ка и его накопление в зоне максимальной на- пряженности поля, а также повышение tg 6 масла. Частичные разряды в масле приводят к образованию газов — низкомолекулярных угле- водородов, дальнейшее разложение которых заканчивается образованием водорода и высо- коуглеродистых остатков. В среде ионизированного кислорода масло поглощает кислород и иитеисивио окисляется (табл. 4.5). Для срока службы масел, работающих без замены при высоких напряженностях электри- ческого поля, определяющим является их по- ведение в условиях воздействия частичных разрядов. При этом характер превращений в масле и их конечные результаты зависят от окружающей масло среды. На первых стадиях этих превращений в условиях присутствия рас- творенных или свободных воздуха (кислоро- да) н активных окислителей происходит их по- глощение, при достаточной интенсивности ко- торого возможно появление разрежения, кото- рое может даже ускорить дальнейшее разви- тие частичных разрядов. В вакууме или при наличии азота под воздействием частичных разрядов все масла выделяют газ с интенсив- ностью, зависящей от химического состава, структуры и соотношения компонентов масла. Оценку газостойкости масел проводят в тихом или коронном разряде в атмосфере воз- духа или водорода. В первом случае по ре- зультатам испытания (по характерным облас- тям кривой газостойкости) судят о термоокис- лительной устойчивости в электрическом поле (область 1 кривой газостойкости), поведении в условиях вакуума или азота (область 2) и, на- конец, в условиях водорода (область 3, рис. 4.5). Количество поглощенного (выделенного) газа зависит от энергии воздействующих элек- трических разрядов и состава масла (рис. 4.6). В масле должно содержаться определен- ное количество ароматических углеводородов, которые химически связывают активный водо- род в момент его выделения из углеводородных молекул. С увеличением содержания аромати- ческих углеводородов увеличивается tg 6 масел при их старении. Содержание ароматических углеводородов в маслах ограничивают опреде- ленным оптимумом, обеспечивающим наиболь- шее увеличение срока службы (рис. 4.7). Этот оптимум зависит от структуры ароматических углеводородов. Газовыделеиие в электрическом поле уси- ливается в результате реакций кислых продук-
§ 4.3 Нефтяные электроизоляционные масла 77 Рис. 4.5. Кривые газостойкости в реакторе тем- ного разряда, в атмосфере воздуха, газостой- кого конденсаторного масла при 2,6 МВ/м, 100 Гц и 80 °C тов разложения масла в процессе его старения с металлом обкладок, токоведущих и других деталей, находящихся под напряжением. С та- ким газовыделеннем борются, подбирая состав масла, кислотность которого меньше возраста- ет в процессе старения, защитой металла час- тей, находящихся под напряжением. Старение масел, сопровождающееся обра- зованием воды, перекиси, шлама, кислоты, ускоряет старение твердых электроизоляцион- ных материалов, в первую очередь содержащих целлюлозу. При этом увеличивается их tg б и ускоряется разложение, продукты которого способствуют усилению старения масла, при одновременном воздействии электрического по- ля, когда действие этих факторов суммирует- ся (табл. 4.6). Рис. 4.6. Зависимости газостойкости трансфор- маторных масел различного происхождения от содержания углерода в ароматических кольцах усредненной молекулы. По Г. Д. Голованю и Е. Н. Штерн: / — масло ТКп; 2—масло Т-750; 3—масло Т-1500; 4 — масло ПТ; 5 —масло ТАп; 6 — масло ТСп; 7 — масло «Эссо-1Онивольт-84», Франция; 8—масло «Дет- ройт Эдисон Компани», США; 9— масло «Шелл Диа- ла Дх», Англия; 10 — масло Трамор (Тгатог, Авст- рия); // — масло Гора-100 (Ghora-tOO. Ирак); 12— масло BTS ЧСН-65-6845 (ЧССР); 13 — масло TGZ-17580, TRF-G (ГДР); /4 —масло Миер (Misr, АРЕ) С увеличением энергии электрических раз- рядов глубина разложения масла возрастает, уменьшается интенсивность газопоглощения, увеличивается интенсивность газовыделения и образования углеродистых остатков. При до- статочно большой энергии электрического раз- ряда масло становится газовыделяющим (иск- ра, пробой, электрическая дуга). Его разложе- ние происходит с образованием горючих газов, иизкокипящих жидких углеводородов, углеро- дистых частиц. По составу газа, выделяющегося из масла в работающем аппарате, судят о характере развивающегося повреждения. Если среди ком- понентов газа обнаружена окись углерода, предполагают вовлечение в процесс разложе- ния твердых, например целлюлозосодержащих, материалов. Установлено, что под действием электриче- ского поля происходит интенсификация тепло- отдачи в маслах. Совместимость масла с твердыми материа- лами. Сталь, олово, оловянно-свинцовый сплав, никель, хром, кадмий мало изменяются сами и слабо влияют на масло при его термоокисли- тельиом старении. Медь и медные сплавы ин- тенсивно корродируют, являются активными катализаторами окисления и значительно по- вышают tg б масла. Интенсивность коррозии повышается с температурой окисления и свя- зана с химическим составом масла. При этом возможно появление иа поверхности металлов пленок, повышающих переходное сопротивле- ние контактов. При отсутствии контакта масла с воздухом или активными окислителями при температу- рах до 95 °C (окисление масла при этом не происходит) без воздействия электрического поля металлы практически ие влияют на изме- нение показателей масла. Рис. 4.7. Влияние на свойства нефтяного кон- денсаторного масла содержания ароматиче- ческих соединений (углерода в ароматических структурах), %: / — газостойкость (интенсивность газовыделения или газопоглощения) в реакторе тихого разряда в исход- ной атмосфере воздуха (третья характерная область кривой газостойкости); 2 — tg 6 при 70 °C в конце ис- пытания; 3 — срок службы (т) в относительных еди- ницах при ресурсных испытаниях в бумажных кон- денсаторах иа переменном напряжении
78 Жидкие диэлектрики Разд. 4 Таблица 4.6. Окисление масла в электрическом поле в присутствии целлюлозных материалов (по Р. А. Липштейиу и М. И. Шахиовичу) Показатель Значения показателей масла после 44 ч окисления при ПО °C с медыо без электрического поля при напряженности 4.9 МВ/м .Масло Масло-р -рбумага Масло-р -ркартои Масло Масло-Р -рбумага Масло-р -ркартон Количество поглощенного кисло- 28,5 33,2 54,3 48,5 54,0 64,0 рода, см3 иа 100 г Кислотное число, мг КОН на 1 г 0,10 0,11 0,13 0,13 0,13 0,16 Содержание воды, г 0,008 0,008 0,008 0,045 0,012 0,012 То же, в 4 г бумаги — 0,024 — — 0,028 — То же в 21 г картона —— 1 0,075 — — 0,100 То же суммарное 0,008 0,032 0,083 0,045 . 0,040 0,112 Примечания: 1. Во всех опытах образцы стандартной кабельной бумаги марки КМ-120 и картона трансформаторного имели одинаковую поверхность, толщина картона в 4 раза больше, чем бумаги. 2. Перед опытами образцы бумаги и картона сушились при давлении 133 Па, температуре 105 °C в тече- ние 6 ч. В пропитанных маслом системах, рассчи- танных иа длительный срок службы без заме- ны масла, все медные токоведущие части лу- дят, цинкуют или никелируют. В пропитанных маслом системах, работаю- щих на постоянном напряжении, при окисле- нии масла или выделении из твердой изоляции кислых продуктов или окислителей наблюдает- ся интенсивная коррозия алюминия, соли ко- торого являются активными катализаторами коррозии алюминия. Для борьбы с этим явле- нием в масло вводят специальные ингибиторы, например антрахинон. При температурах, не превышающих 95 °C, пленки лаков на глифта- левой основе, прошедшие нормальную для них термообработку, повышают кислотность масла, а бакелитовый лак и эпоксидная грунтовка, в частности ЭП-0010 и ЭП-0020 по ГОСТ 10277,-76, иа основе эпоксидной смолы Э-40 практически не действуют на трансформатор- ное масло, ио в ряде случаев недопустимо ухудшают конденсаторное масло. Целлюлозные бумаги и картоны, слоистые пластики иа фе- нолформальдегидных и эпоксидных смолах, хлопчатобумажные материалы, буковая, клено- вая и березовая древесина, древесные слоистые пластики, пластмассы иа основе феиолофор- мальдегидных смол (на основе иоволачиых смол после дополнительной обработки) не влия- ют заметным образом иа трансформаторное масло и в зависимости от степени чистоты мате- риала и технологии изготовления могут также ие влиять на конденсаторное масло. Фторо- пласт не влияет на масло различных марок. Лакоткань ЛХМ повышает кислотность масла. Наиболее устойчивы в среде масла резины иа основе фтор- и кремнийорганических каучу- ков. Стойкость других резин зависит от нх хи- мического состава. Устойчивы в среде масла клеи на основе эфиров целлюлозы. В каждом конкретном случае подбор ма- териалов осуществляют иа основе испытания на совместимость, условия которого устанав- ливают с учетом рабочих требований, напри- мер: выдержка при ограниченном доступе воз- духа в течение 48 ч при 95 °C масла с испы- туемым материалом и без такового, с контро- лем параметров масла до и после испытания. Эксплуатация масел. Для продления срока службы электроизоляционных масел, помимо применения присадок, замедляющих старение Таблица 4.7. Эффективность контактной регенерации трансформаторных масел различными природными и синтетическими адсорбентами (по И. В. Браю, М. И. Шахновичу, Ф. Д. Овчаренко и Г. Д. Голованю) Адсорбент Концентрация адсорбента, % (мае.) га £ , g 3 £ U- s s Ф 2 н г о. .5 2 о ф 5*5 sx ® s 8 «О * sr с tg 6 масла после регене- рации при 50 Гц и 70 °C Кислотное число окисленного масла 0,16 мг КОН на 1 г Зикеевская земля 7 0,05 Крымский кил 7 0,06 — Уфимский адсорбент 7 0,05 — Инзерская темная земля 7 0,07 — Камчатский вулкани- ческий пепел 5 0,08 — Вольская мука 7 0,05 — Владимирский туф 5 0,10 — Силикагель СКС 3 0,01 — Кислотное число окисленного масла 0,30 мг КОН на 1 г и tg 6=0,180 при 70 °C Черкасский монтмо- риллонит, активиро- 10 0,15 0,017 ванный 5 %-иой серной кислотой То же, активирован- ный 15 %-иой сер- ной кислотой 10 0,025 0,02 Силикагель марки кскг 10 0,125 0,022 Зикеевская земля марки Д 10 0,075 0,005
§ 4.3. Нефтяные электроизоляционные масла 79 Таблица 4 8. Основные физико-химические и электрофизические показатели свежих товарных трансформаторных масел Марка ТКп, ТУ 38-101-890-81 Марка ТАп, ТУ 38-101-281- -80 Марка ТСп, ГОСТ 10121-76 ГОСТ 982-80 Марка ГК, ТУ 38-401-338-84 Марка Т-750 Марка Т-1500 Показатель Кислотно- щелочная очистка: Адсорб- Очистка: де- парафиииза- Кислотно- Кислотно- Гидрокрекинг карбамидная ция при глу- Щелочная и каталитичес- депарафини- ниониая боком охлаж- щелочная очистка или кая депарафи- зация и кис- лотно- щелоч- ная очистка очистка дении, селек- тивная фено- лом очистка адсорбцион- ная очистка низация ' Код ОКП 02 5376 0102 02 5376 0103 02 5376 0106 02 5376 0104 02 5376 0105 02 5376 0108 Плотность при 20 °C, кг/м3, не более Кинематическая вязкость, 10 ~"6 м2/с. не более: 895 895 895 895 895 при 50 °C 9,0 9,0 9,0 8,0 8,0 9,0 при 20 °C —— 30,0 28,0 — —— — при —30 °C 1500 1500 1300 1600 1100 1200 Температура застывания, ®С, ие выше —45 —50 —45 -55 —45 —45 Кислотное число, мг КОН на 1 г, не более Температура вспышки в за- крытом сосуде, °C, не ни- же 0,02 0.02 0,02 0,01 0,01 0,01 135 135 150 135 135 135 Общая стабильность против окисления по методу ГОСТ 981-75, кислотное число окисленного масла, мг КОН на 1 г, не более 0,10 0,05 0,10 0,20* 0,20* 0,10*** Количество осадка после окисления, % (мае.), не бо- лее 0,01 0,008 Отсутствие Отсутст- вие* Отсутствие* Отсутствие* Стабильность по статическо- му методу ГОСТ 11257-65: кислотное число окислен- ного масла, мг КОН на 1 г, не более 0,40 0,30 Содержание водораствори- мых кислот в окисленном масле, мг КОН на 1 г, не более 0,10 0,03 Содержание осадка, % (мае.), ие более Стабильность против окисле- ния по методу МЭК, пуб- ликация 474-1974: индукци- онный период окисления, ч, не менее tg б при 50 Гц и 90 °C не более ч 0,05 — 0,015 — — — 150 0,022 0,005 0,017 0,005 0,005 0,005 Зольность, %, ие более 0,005 0,005 0,005 — Натровая проба, оптическая плотность, ие более 0,40 — 0,40 0,40 0,40 0,40 Концентрация присадки ио- нол, % (мае.) 0,20 0,30 0,20 0,30 0,40 0,25 Цвет на колориметре ЦНТ, единицы ЦНТ, не более — — 1,0 1.0 1,0 0,5 Содержание механических примесей Стабильность по методу ВЭИ в условиях воздейст- вия электрического поля напряженностью 2,5 МВ/м при 95 °C в присутствии меди после окисления в те- чение 720 ч: Отсутствие Отсутствие Отсутствие Отсутствие Отсутствие Отсутствие кислотное число, мг КОН на 1 г, не более 0,20 0,20 0,25 0,10 0,10 0,005** осадок иа обмотках, % (мае.) 0,04 0,05 0.06 0,02 0,02 0,0025** tg б при 50 Гц и 70 °C не более 0,215 0,237 0,250 0,056 0,050 0,0040** р при 0,5 МВ/м и 90 СС, Ом-м 5.10‘» 5-Ю10 5-101° 10“ 5.104 IO'’ ег при 50 Гц и 20 °C 2,3 2,3 2.17 2,25 2,20 2,20 Пробивное напряжение в стандартном разряднике, кВ, не менее 70 70 70 75 75 80 Поверхностное натяжение прн 20 °C, кН/м 34,4 35,8 35,4 41,6 42,2 48.3 Газостойкость по методу ГОСТ 13003-67 (поглощение водорода), мл 0,80 0,70 0,30 0,80 0,74 0,78
80 Жидкие диэлектрики Разд. 4 Продолжение табл. 4.8 Лсказатель Марка ТКп, ТУ 38-101-890-81 Марка ТАп, ТУ 38-101- -281-80 Марка ТСп, РОСТ 10121-76 ГОСТ 982-80 Марка ГК, ТУ 38-401-358-84 Марка Т-750 Марка Т-1500 Кислотно- щелочная очистка; карбамидная депарафини- зация и кис- лотно-щелоч- ная очистка Адсорб- ционная очистка Очистка: депарафини- зация при глубоком охлаждении, селективная фенолом Кислотно- щелочиая очистка Кислотио- Щелочиая очистка или адсорбцион- ная очистка Гидрокрекинг и каталити- ческая депа- рафинизация Структурно-групповой ана- лиз: количество атомов уг- лерода, %: в ароматических струк- турах С а в нафтеновых структурах СН в парафиновых структу- рах С и Молекулярная масса Показатель преломления при 20 °C 18,4 40,3 41,2 245 1,4950 24,0 41,0 35,0 260 1,4970 6,7 34,3 59,0 225 1,4760 17,2 41,3 41,5 240 1,4920 12,5 39,8 47,7 250 1,4830 15,4 44,8 39,8 210 1,4730 * Окисление по методу ГОСТ 981-75 при 130 ”С, время 30 ч и скорость расхода 50 см3/мин. ** Окисление по методу ВЭИ в условиях воздействия электрического поля напряженностью 2,5 МВ/м при 95 СС в присутствии меди, после 1000 ч. *** Окисление по методу ГОСТ 981-75 при 145 °C, время 30 ч и скорость расхода кислорода 50 см3/мин. Примечание. Сырьем для всех масел, кроме масел по ГОСТ 10121-76, являются малосернистые неф- ти, для последних — сернистые нефти. масла, используют различные методы, обеспе- чивающие защиту масла от непосредственного контакта с воздухом и его влагой (герметиза- ция оборудования). В производстве кабелей используют только герметичные, а в силовом конденсаторостроении вакуумио-плотные кон- струкции. Герметизацию используют и в транс- форматоростроении. При эксплуатации кабе- лей и конденсаторов замены и регенерации масла не производят. Старение ухудшает рабочие параметры масла: tg 6, цвет, кислотность, вязкость, тем- пературу замерзания и др. Температура застывания мало изменяется под влиянием окисления и дуговых разрядов, но существенно увеличивается при воздействии частичных разрядов за счет полимеризации компонентов масла и увеличения его вязкости. Обычно используемые присадки для пониже- ния температуры застывания масел не приме- няются в процессе эксплуатации масел как ан- тпокислительные присадки. Поэтому при на- личии депрессаторов удается устранить опас- ное снижение температуры застывания масел. Подготовка свежих и регенерация масел, бывших в эксплуатации. Для удаления из мас- ла диспергированной в нем влаги и крупных твердых примесей применяют различные цен- трифуги (серий НС, С, НСМ, ПСМ), имеющие производительность от 2000 до 10 000 л/ч и обеспечивающие необходимое качество масел, предназначенных для применения в трансфор- маторах и других электрических аппаратах на- пряжением 35 кВ и ниже. Для удаления растворенных влаги, газов и легких примесей типа волокон и т. п. нз масел, используемых для пропитки и заливки элек- трических аппаратов напряжением более 35 кВ, применяют различные вакуумдегазациониые установки производительностью от 500 до 45 000 л/ч. Эффективным, но малопроизводи- тельным (800—1000 л/ч) способом осушки ма- сел является обработка высушенными до оста- точной влажности 0,5 % (мае.) искусственны- ми цеолитами марок NaA и СаХ (молекуляр- ные сита), обеспечивающие содержание воды в масле 0,0015—0,0010 % (мае.). Для очистки от механических загрязнений масла фильтруют через пористые перегородки. Эффективность очистки зависит от размеров пор фильтрующих материалов. Известны способы фильтрации между слоями фильтровального материала (фильтры щелевого типа), магнитные фильт- ры (для улавливания из масла частиц черных металлов), электростатические фильтры. Для регенерации масел с кислотным чис- лом ниже 0,40 мг КОН на 1 г используют ме- тод контактирования масла с различными при- родными и синтетическими адсорбентами при 50—60 °C (табл. 4.7). С целью повышения про- тивоокислительной стабильности регенериро- ванных масел необходимо вводить присадку ДВРС нли ионол в количестве 0,3—0,4 % (мае.). Основные показатели регенерирован- ных ингибированных масел должны соответст- вовать нормам на свежие масла. Масла, зали- тые в оборудование, допускается эксплуатиро- вать до тех пор, пока их показатели не превы- сят значений, указанных в соответствующей технической документации. В зависимости от особенностей состава нефти и технологии получения масла физико- химические и электрофизические показатели товарных трансформаторных масел могут быть различными (табл. 4.8). Кабельные масла различают по температу- ре вспышки и вязкости: марок С-220 и КМ-25— высоковязкие; МН-4 — маловязкое, содержа-
§ 4.4 Диэлектрики ия основе хлорированных углеводородов 81 Таблица 4.9. Основные физико-хнмнческие показатели свежнх товарных кабельных масел Показатель Марка масел С-220, ГОСТ 8463-76, код 02 5377 0200 МН-4 ТУ 38-101-654- 76, код 02 5377 0102 КМ-25, ТУ 38-101-449-79, код 02 5377 0300 Высший сорт | I сорт Плотность при 20 °C, кг/м3 837 <900 >900 >900 Показатель преломления света при 23 °C Кинематическая вязкость, 10~6 м2/с: 1,4870 <1,500 >1,500 >1,500 при +100 °C 11 — 23 23 при +50 °C 50 10,0 — — при 4-20 °C 800 40,0 — — при 0°С 5000 110,0 — —— при —20 °C — 575 — при —30 °C — 2200 — — Температура вспышки в закрытом сосуде, °C 180 135 225 220 Температура застывания, °C tg б при 50 Гц и 100 °C —30 —45 —10 —10 0,002 0,003 0,005 0,005 То же после старения масла при 120 °C в течение 300 ч не более 0,009 0,020* — — То же после старения масла в присутствии меди при 120 °C в течение 300 ч 0,012 0,350** — ег при 50 Гц и 20 °C 2,25 2,2 2,15 2,15 р при 0,5 МВ/м и 100 °C 10»? 10»» 2- 10Ю 10»° Электрическая прочность при 50 Гц и 20 °C, МВ/м 21 18 15 15 Кислотное число, мг КОН на 1 г 0,02 0,04 0,06 0,07 Содержание золы, % (мае.), не более 0,001 0,005 0,007 0,008 Температура растворении масла в анилине, °C, в пределах Стабильность против окисления по методу ГОСТ 981-75: 72—75 количество осадков после окисления, %, не более — 0,02 — — кислотное, число окисленного масла, мг КОН на 1 г —— 0,10 — * Температура старения 115 °C в течение 96 ч. ♦* Температура старения 100 °C в течение 300 ч. щее 0,2 % присадки ионол. Масло КМ-25 ис- пользуют в сочетании с канифолью или синте- тическим полимером — октолом. Для 'пропитки бумажной изоляции кабелей на напряжение 1—35 кВ применяют компаунды, включающие масло КМ-25 и канифоль или октол в качестве добавки, повышающей вязкость и газостойкость пропитывающей массы. В маслонаполненных кабелях низкого и среднего давления применя- ют масло МН-4. Для маслонаполненных кабе- лей высокого давления применяют масло С-220. Все кабельные масла отличаются весьма низ- кими значениями tg б (табл. 4.9). Основные показатели качества масла для масляных выключателей и контакторных устройств регулирования напряжения под на- грузкой, имеющие марку МВ (код ОКП 02 5376 0109), должны удовлетворять следующим основным требованиям ТУ 38-101-857-80: Плотность, кг/м3, не более .... 860 Вязкость, 10~6 м2/с, при —50 °C не более................................... 150 Температура вспышки в закрытом со- суде, °C, не ниже..................... 96 Температура застывания, °C, не выше —70 tg6 при 50 Гц и 90 “С, не более . . 0,005 Конденсаторные масла (код 02 5376 0200). отличаются от большинства сортов трансфор- маторных масел более глубокой очисткой и меньшими значениями tg б (табл. 4.10). 4.4. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ ХЛОРИРОВАННЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ В течение последних 50 лет наибольшее применение имели синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов. Это обу- словлено их высокой термоокислительной и электрической стабильностью, особенно при пе- ременном напряжении, негорючестью, повышен- ным значением ег, относительно невысокой стоимостью при наличии вполне удовлетвори-
82 Жидкие диэлектрики Разд. 4 Таблица 4.10. Основные физико-химические показатели товарных конденсаторных масел по ГОСТ 5775-68 высшей категории качества (код ОКП 02 5376 0200) Показатель Масло серно-кис- лотной очистки из малосер- нистых нефтей Масло феноль- ной очистки из сернистых нефтей с 0,2 % присадки ДВРС Плотность, кг/м3 866 901 Кинематическая вяз- кость, 10-6 м2/с: при 20 °C 45 30 при 50 °C 12 9 Содержание золы, % Отсутст- 0,005 (мае.) вует Температура вспыш- 160 162 ки, °C Температура засты- —45 —48 вания, °C Кислотное число, мг 0,01 0,016 КОН на 1 г, не бо- лее Содержание серы, %, 1,55 не более ег при 20 °C 2,2 2,26 tg б при 100 °C 2-10—* 15-10—* тельиых большинства эксплуатационных свойств. Однако, как указано выше, из-за ток- сичности хлорированных углеводородов их при- менение сначала ограничивалось, а сейчас поч- ти повсеместно запрещено, хотя в эксплуатации еще имеются значительные количества. Хлорированные углеводороды получают в результате реакций взаимодействия соответст- вующих углеводородов (например, дифенила, бензола) с хлором, с замещением части атомов водорода в молекуле углеводорода атомами хлора. В зависимости от условий реакции мо- гут быть получены моио-, ди-, три-, тетра- и т. д. хлорзамешенные мономерные и поли- мерные углеводороды. Обычно получается смесь соединений с разными степенями замеще- ния (всего 148 изомеров), но с преимущест- венным содержанием с заданной средней сте- пенью замещения. Фракционированием продук- тов хлорирования удаляют летучие и смоли- стые соединения, адсорбционной очисткой и фильтрацией извлекают нежелательные приме- си. Используют смеси различных хлоруглеводо- родов, отличающихся по своим химическим и электрофизическим свойствам, в основном три- хлордифенил (ТХД) и смеси ТХД с трихлор- бензолом. По мере увеличения количества атомов хлора в молекуле полихлордифенила (ПХД) повышается молекулярная масса, растет плот- ность, вязкость, температура застывания, тем- пература кипения, снижается упругость паров. Температурный коэффициент объемного расширения ПХД находится в пределах 0,00067—0,00073 °C-'. Удельные теплоемкости различных ПХД близки и находятся, например, для ТХД в диапазоне 10—130 °C от 1,14 до 1,24 кДж/(кг-°С); теплопроводность при тех же температурах — в пределах 0,0958— 0,0987 Вт/(м-°С). Допустимая рабочая температура ПХД на- ходится в пределах 95—ПО °C в зависимости от условий работы и требуемого срока службы. При воздействии электрической дуги ПХД раз- лагается с выделением углерода и хлористого водорода. Для связывания хлористого водо- Таблнца 4.11. Основные показатели товарных хлорированных жидких диэлектриков Показатель Трихлордифенил, ОСТ 6-01-43-79 Совтол-10, ОСТ 6-01-17-74 Гексол. ТУ-01-981-75 высший сорт первый сорт высший сорт первый сорт Плотность при 20 °C, кг/м3 1360—1390 1360—1390 1510—1530 1540 1640 Кинематическая вязкость при 20 °C, 10 6 м2/с 40—70 40—70 650 650 3,5—4,0 Температура застывания, °C —19 —18 —6 —6 —60 Удельная теплоемкость при 1,21 1.21 1,59 1,59 0,964 20 °C, кДж/(кг-°С) Коэффициент теплопроводно- 0,0963 0,0963 — — 0,15 сти при 20°C, Вт/(м-°С) tg б при 50 Гц, 90 °C не более 0,015 0,02 0,03 0,06 0,03 (при 70 °C) р при 90°C, Ом-м, не менее ег при 50 Гц не менее: 3-109 З-Ю9 Ю1? 1012 1,3-101» при 20 °C 5,9 5,7 — — 2,7—2,9 (при 70 °C) при 90 °C 5,0 4,8 4,3 4,3 — Электрическая прочность, при 20 20 22 20 18 20 °C, МВ/м, не менее 3,5 (при 65 °C) (при 65 °C) (при 35 °C) Массовая доля высокохлори- 3,5 — — — рованных гомологов (пента- и выше), % не более Код ОКП 24 5145 0120 24 5145 0000 24 5143 0120 24 5143 0130 24 5149 0200
Диэлектрики на основе хлорированных углеводородов 83 Таблица 4.12. Совместимость твердых электроизоляционных и конструкционных материалов с трансформаторными хлорированными жидкостями Вид материала Применяется без ограниче- ний Требуется предварительное испытание Непригодны для приме- нения Металлы* Все виды Стекло, керамика Все виды — — Целлюлозные ма- териалы Кабельная, телефонная бумага, хлопчатобумаж- ная ткань, электротех- нический картон без на- полнителей н несклеен- ный Электротехнический кар- тон с наполнителями или склеенный Древесина Слоистые пластики иа основе цел- люлозных мате- риалов и феио- лоформальде- гндных или эпо- ксидных смол Буковая Крезоло-, феноло- и ме- ламиноформальдегидные смолы; эпоксидные смо- лы, специально подоб- ранные; некоторые поли- уретановые смолы Хвойные породы Термопластичные пластмассы —— Полиамидные, непласти- фицированиые триэфиры целлюлозы Поливинилхлорид- ные, полиметакрилат- ные Уплотняющие ма- Кремнийорганическая Пробка (специально об- Пробка необработан- териалы резина (термостатиро- ванная), асбест, кожа (специально обработан- ная), политетрафторэти- лен работанная), специаль- ная резина на основе нитрильного каучука; линейные сополимеры гексафторпропилена и виннлнденфторида ная, резина иа осно- ве натурального и синтетического кау- чука; поливинилхло- рид Клеи Раствор целлюлозы в изоциановом эфире по- ливинилового спирта, ка- зени Поливинилхлорид- ный, поливинилаце- гатный, полноргаио- силоксановые КТ-15 н КТ-47 Эмали На основе изоцианового эфира терефталевой кис- лоты, эпоксидных смол (хорошо полимеризован- ных), специально подо- бранных На масляной основе, поливинилацетат- ные, нитроэмали Пропитывающие лаки На основе полиэфирно- полиизоцнаиатиых поли- меров На масляной или мас- ляно-глифталевой ос- нове Прочие материа- лы Флюсы для пайки на ос- нове буры; молочная кислота * Во всех случаях металлические поверхности должны быть очищены от окалины, следов масла и смазок. рода, выделяемого ПХД прн его разложении электрическими разрядами и вымываемого из некоторых электроизоляционных материалов, например полипропиленовой пленки, в ПХД вводят специальные, главным образом эпоксид- ные, присадки, которые должны иметь высокую степень чистоты во избежание вредного воз- действия иа tg б как самого ПХД, так и про- питанной им изоляции. Классификация и показатели качества хло- рированных жидких диэлектриков даны в табл. 4.11. В силу полярности электроизоляционные свойства ПХД весьма чувствительны к различ- ного рода загрязнениям. Они легко вымывают н растворяют загрязнения из соприкасающихся с ними материалов. Для работы с ПХД подби- рают хорошо совместимые с ними материалы, номенклатура которых значительно уже, чем с нефтяным маслом, а требования по чистоте бо- лее жесткие (табл. 4.12). Для пропитки силовых конденсаторов при- меняют ТХД, который наряду со многими преимуществами обладает также и недостат- ками, препятствующими его конкуренции с дру- гими пропитывающими жидкостями. К ним от- носится повышенная вязкость, особенно при низких температурах. С увеличением вязкости при низких температурах резко снижается ег ПХД и замедляется поглощение и удаление
84 Жидкие диэлектрики Разд. 4 газообразных продуктов разложения жидкости из зоны действия частичных разрядов. Несмотря на значительные преимущества, ПХД ие смогли полностью вытеснить нефтяное масло н другие виды пропитывающих веществ в силовых конденсаторах с широким диапазо- ном рабочих отрицательных температур, на по- стоянном напряжении, при использовании ме- таллизированных обкладок. В СССР для пропитки и заполнения сило- вых трансформаторов в основном применяют совтол-10, представляющий собой смесь 90 % пентахлордифенила и 10 % трихлорбензола, и гексол. Совтол-10 по своим вязкостно-темпера- турным свойствам значительно уступает гексо- лу, что несколько ограничивает область его применения в трансформаторах. Гексол пред- ставляет собой смесь 20 % пентахлордифеннла и 80 % гексахлорбутадиена. Для пропитанных хлордифенилом конден- саторов с повышенным градиентом желательно, а в бумажно-пленочных и пленочных конденса- торах обязательно применение эпоксидных ста- билизаторов пропитывающего вещества. В про- тивном случае возникающие при низких темпе- ратурах и даже слабых перенапряжениях час- тичные разряды приводят к выделению НС1 и выходу конденсаторов из строя. При контак- тировании с полипропиленовой пленкой хлор- дифенилы вымывают примеси, из которых наи- более опасны хлористые соединения (остатки катализатора), существенно ухудшающие элек- трические характеристики конденсатора. Эпок- сидный стабилизатор связывает НС1, предохра- няя конденсатор от разрушения. Попытки пропитки подобных конденсато- ров нестабилизированным трихлордифенилом привели к резкому увеличению аварийности конденсаторов в эксплуатации. Эпоксидные стабилизаторы существенно повышают срок службы пропитанных ПХД бумажно-пленочных силовых конденсаторов за счет связывания не только продуктов разложения ПХД электри- ческим полем, но и ионных примесей, экстраги- руемых из пленки и бумаги. Контроль содер- жания эпоксидных стабилизаторов включен в международные нормы. Главной трудностью стабилизации эпоксидными соединениями явля- ются невозможность обеспечения достаточно низких потерь и опасность резкого их увеличе- ния у конденсаторов, содержащих бумагу и другие целлюлозные материалы, особенно если оии являются адсорбентными, т. е. содержат мелкодисперсный адсорбент для улавливания ионных загрязнений. Для пропитки адсорбент- ных бумаг приходится использовать нестаби- лизированный ТХД либо специальные эпоксид- ные присадки. Применяемая в СССР присадка диглицидо- вый эфир бисфенола не приводит к увеличению потерь в конденсаторах с адсорбентной бума- гой. Она не удерживается адсорбентом кон- денсаторной бумаги и не ухудшает существенно ее потери после пропитки. Уменьшить чуствительность к загрязнениям и повысить стабильность трансформаторных жидких диэлектриков можно при замене сов- тола на гексол, который не горюч, не взрыво- опасен, химически стабилен, имеет хорошие электрофизические и вязкостно-температурные свойства. Гексол не застывает при температуре до —60 °C и меньше подвержен влиянию за- грязнений, чем совтол. Он совместим с мате- риалами, приведенными в табл. 4.12. Все жидкости на основе ПХД относятся к категории токсичных и биологически вредных соединений, и при их использовании следует соблюдать установленные правила техники без- опасности и промышленной санитарии. Экологическая опасность ПХД возрастает с увеличением степени хлорирования, поэтому пентахлордифенил в конденсаторостроении был заменен ТХД, содержание высокохлорирован- ных фракций в котором стало нормироваться на уровне не выше 0,5—3,5 %. Снижение степени хлорирования приводит к понижению вязкости ПХД. При внедрении полипропиленовой пленки потребовались сни- жение температуры пропитки и соответственно дальнейшее снижение вязкости ПХД, применя- емых для пропитки силовых конденсаторов. Это обстоятельство потребовало дополнитель- ного снижения степени хлорирования ПХД, что благоприятно сказалось на их экологических свойствах. Предельно допустимая концентрация ТХД в воздухе рабочей зоны 1 мг/м3 относится к классу высокоопасных веществ по ГОСТ 12.1.007-76. Утилизация трансформаторов и конденса- торов с полихлордифенильными жидкостями, отработавших свой срок, производится по спе- циальной нормативно-технической докумен- тации. Для пропитки трансформаторов и конден- саторов применяют также другие виды хлори- рованных углеводородов или их смеси: различ- ные виды сложных эфиров (см. § 4.7), пропи- тывающее вещество Южилек (Франция) на основе полихлорфенилтолилметанов. Южилек мало отличается от хлордифенилов по своей стабильности и совместимости с обычно приме- няемыми материалами, ио имеет несколько меньшую огнестойкость. В распределительных трансформаторах взамен ПХД за рубежом находят применение Южилек-141 (чистый дихлортолилдихлорфенил- метан) и на основе его смесей с трихлорбензо- лом различные модификации, например Южи- лек Т. Жидкости Южилек малотоксичны, био- разлагаемы при достаточной химической ста- бильности. 4.5. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ ПОЛИОРГАНОСИЛОКСАНОВЫХ (КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ) СОЕДИНЕНИЙ (ПОСЖ) Жидкие диэлектрики на основе полиорга- носилоксановых соединений имеют постоянно расширяющуюся область применения, особенно в зарубежной практике, связанную с запреще- нием и ограничением производства ПХД и их заменой в различных электротехнических изде- лиях на нетоксичные и экологически безопас- ные кремнийорганические жидкости. В отечественной практике полиорганоси- локсановые жидкости используют в импульс- ных трансформаторах, специальных конденса- торах, блоках радио- и электронной аппарату- ры, волноводах, преобразовательных устройст- вах, магнетронах и в некоторых других случа-
$ 4.5 Дизлектрики на основе полиореаносилоксановых соединений 85 ях, а за рубежом, кроме того, в силовых рас- пределительных и тяговых трансформаторах, на крупных морских судах. Имеющийся более чем 10—15 летний опыт применения жидких полиорганосилоксановых диэлектриков подтвердил их высокое качество, термоокислительную стабильность и эксплуа- тационную надежность. ПОСЖ горят, но при горении выделяют плотные пары, содержащие мельчайшие час- тицы кремния, углекислый газ, водяные пары, формальдегид и пр., которые способствуют по- гасанию пламени. В распределительных трансформаторах, предназначенных для работы в пожароопасных условиях, расширяется применение диметилси- локсановой жидкости вместо ПХД, так как по- лучены данные о огнестойкости пропитанных екГ'трансформаторов. Температуру вспышки этой жидкости для трансформаторов нормиру- ют не ниже 300 °C. По мере старения ПОСЖ температура их вспышки понижается. Для по- вышения температуры вспышки в ПОСЖ вво- дят соединения железа, меди, церия н неко- торых других металлов, которые являются ста- билизаторами разрушения ПОСЖ. Наиболее активны из них соединения церия, которые позволяют существенно повысить температуру вспышки ПОСЖ- Введение небольшого коли- чества ацетилацетоната церия повышает тем- пературу вспышки и снижает количество вы- делившегося газа в результате термического разложения ПОСЖ. ПОСЖ пока еще нельзя рассматривать как полноценные заменители ПХД вследствие до- роговизны и неразложения в окружающей сре- де, хотя они и не токсичны. Расширяется применение ПОСЖ в бумаж- но-пленочных и чистопленочиых силовых кон- денсаторах низкой частоты вместо ПХД. В этом случае ПОСЖ не обеспечивают таких же высоких характеристик частичных разрядов по сравнению с пропиткой ПХД. Для устране- ния этого недостатка в конденсаторные ПОСЖ вводят от 0,5 до 20 % (мае.) специальных стабилизаторов или дополнительно вводят ПОСЖ, содержащие ароматические структуры (полиметилфенилсилоксан). Пропитанные ПОСЖ пленочные конденса- торы выпускают на рабочие частоты от 10 до 50 кГц. ПОСЖ применяют при сравнительно малой доле их стоимости в общей стоимости пленоч- ных силовых конденсаторов, когда преимущест- ва ПОСЖ являются решающими. Например, пропитанные ПОСЖ пленочные поликарбонат- ные силовые конденсаторы вследствие повы- шенной рабочей температуры (130—140 °C) имеют лучшие удельные характеристики по сравнению с другими типами. Применяемые ПОСЖ в зависимости от строения радикала (метил-, этил-, фенил-, га- логен-), непосредственно связанного с атомом кремния, относятся к следующим основным группам: а) полиметилсилоксановые жидкости (ПМСЖ); б) полиэтиленсилоксановые жидкости (ПЭСЖ): в) полиметилфенилсилоксановые жидкости (ПМФСЖ)., г) полихлор (фтор) органосилоксановые жид- кости ПХ(Ф)ОСЖ. Товарные ПОСЖ представляют собой сме- си продуктов одного из названных видов, но различной молекулярной массы. Обычно, чем больше молекулярная масса, тем менее летуча жидкость, тем выше ее температура застыва- ния, больше вязкость. ПМСЖ среди ПОСЖ от- личается более пологой кривой зависимости вязкости от температуры. ПЭСЖ и ПМФСЖ при равных с ПМСЖ значениях вязкости при 20 °C имеют более высокую вязкость при отри- цательных температурах. ПХ(Ф)ОСЖ харак- теризуются наиболее высокой вязкостью при отрицательных температурах. Молекулярная масса ПМСЖ средней вяз- кости лежит в пределах 3000—30 000. При рав- новеликих значениях вязкости молекулярная масса ПМФС и ПХ(Ф)ОСЖ, как правило, вы- ше, чем ПМСЖ. Плотность для большинства ПОСЖ лежит в пределах 940—980 кг/м3 и только для поли- меров, содержащих фенильные или галоидные радикалы, плотность превышает 1000, но не бо- лее 1200—1400 кг/м3 (если желательно сохра- нить свойства жидкости). Температура кипения и летучесть ПОСЖ зависят от их вязкости (молекулярной массы). Только очень низкомолекулярные жидкости ки- пят при атмосферном давлении. Жидкости с вязкостью при 20 °C, превышающей 10Х Х10-6 м2/с, кипят при давлении 131,5—394.5 Па при температурах свыше 250—300 °C. Лету- честь различных видов ПОСЖ практически одинакова и значительно меньше, чем нефтя- ных масел. Для ПОСЖ с вязкостью (16—30) X Х10-® м2/с при 50 °C, не содержащих низко- молекулярных полимеров, характерна весьма низкая упругость паров — порядка 1,31— 131 мкПа при 20 °C. Температура вспышки и воспламенения ПОСЖ связана с их летучестью. Она колеб- лется от 145—150 °C (для ПМСЖ и ПЭСЖ) до 290°C (для ПМФСЖ). При температурах, более высоких, чем температура вспышки, ПОСЖ самовоспламеняются без контакта с от- крытым пламенем. Температура застывания большинства средневязких ПОСЖ ниже —60 °C. Поверхностное натяжение ПМСЖ отлича- ется аномально низкими значениями — от 16 кН/м при вязкости 0,65-10~6 м2/с до 21 кН/м при вязкости 50-10—в м2/с и выше. Температурный коэффициент объемного расширения для различных ПОСЖ колеблется в пределах от 0,00065 до 0,00091 °C-'. Продук- ты термической деструкции ПМФСЖ и ПМСЖ химически подобны первоначальным полимерам и не обладают коррозионным действием, одна- ко снижают вязкость жидкости. При термиче- ской деструкции ПХ(Ф)ОСЖ образуют кис- лые продукты, которые могут в дальнейшем увеличивать скорость разложения полимеров. Термостабильность смеси ПОСЖ с другими жидкими диэлектриками определяется стабиль- ностью менее стабильного компонента. Основные продукты окисления ПМСЖ: па- раформальдегид, муравьиная кислота, вода, окись углерода, углекислый газ, водород, сши- тый полимер, ПМСЖ, до 205 °C имеют низкую скорость окисления и стабильнее нефтяных ма-
86 Жидкие диэлектрики Разд. 4 сел. ПМФСЖ по сравнению с ПМСЖ имеют большую окислительную способность, возрас- тающую с увеличением отношения фенильных радикалов к метильным, которые легче окис- ляются. По окислительной стабильности ПОСЖ, содержащие хлор и фтор, близки к ПМФСЖ. Для повышения окислительной стабильно- сти ПОСЖ используют растворяющиеся в них аитиоХислительные присадки, например: произ- водные ферроцена, содержащие железо, металл- органические соединения, включающие церий или другие редкоземельные элементы, бензант- рацен и др. Ииертиы относительно друг друга ПОСЖ и ароматический полиамид, тетрафторэтилен, по- листирол, метакрилат, пластмассы на основе фенольных смол, целлюлозные материалы. Совместимы с ПОСЖ хлоропреновые, изобу- тиленизопреновые, нитрилбутадиеиовые и фтор- каучуковые резины. Непригодны полиэтилен, поливинилхлорид, кремнийорганические ре- зины. Большинство металлов при температуре до 220 °C не влияют на окислительную стабиль- ность ПМСЖ и ПМФСЖ. Селей, теллур, сви- нец и сплавы на его основе ускоряют образова- ние геля. Медь, фосфористая бронза, алюми- ний в некоторых условиях действуют как ин- гибиторы гелеобразования. ПМСЖ растворимы в легких углеводород- ных жидкостях, галоидированных углеводоро- дах, высших спиртах, эфирах, кетонах; частич- но растворимы в зависимости от вязкости в ацетоне, бутаноле, легких нефтяных маслах; не смешиваются с тяжелыми нефтяными мас- лами, петролатумом, тяжелыми галоидирован- ными углеводородами, легкими спиртами (эта- нол, метанол), эфирами (этилцеллюлозы), жир- ными кислотами. Фенилированиые производные более растворимы, чем метилированные. ПЭСЖ растворимы в ароматических и хлорированных углеводородах и нефтяных маслах. Большинст- во производных органосилоксанов, содержащих галоидные радикалы, нерастворимы в органи- ческих растворителях. Значения е, ПМСЖ и ПЭСЖ практически не изменяются в широком диапазоне частот — до 108 Гц. Изменение частоты мало сказыва- ется на характере температурной зависимости tg 6 ПОСЖ. Значения е, ПОСЖ мало изменя- ются при повышении вязкости и понижаются с ростом температуры. Характерная для ПМСЖ пологая кривая изменения вязкости с темпера- турой определяет малую зависимость tg 6 ПМСЖ различной вязкости от температура. Замещение метильных радикалов опти- мальным числом фенильных радикалов замет- но повышает ег жидкости. То же наблюдается прн введении хлора в фенильный радикал ПМФСЖ- У ПОСЖ, не содержащих влаги и посто- ронних примесей, Еар в равномерном электри- ческом поле не ниже, чем у нефтяных масел или хлоруглеводородов. В неравномерном электрическом поле им- пульсная £Пр в промежутке острие — сфера диаметром около 3 мм у ПОСЖ выше, чем у нефтяного масла, причем наблюдается некото- рое ухудшение импульсной Еар с ростом содер- жания фенильных радикалов. В больших про- межутках, например при электродах диамет- ром около 25 мм, наоборот [за исключением Таблица 4.13. Номенклатура и показатели Показатель ПМСЖ пме-ю ПМС-20 ПМС-50 ПМС-60 Плотность при 20 °C, кг/м3 942 956 974 974 Температура кипения при 150—400 250 250 300 300 Па, °C Температура вспышки, °C, не ниже 172 200 220 280 Температура застывания, °C, не вы- —65 —60 —60 —60 ше Кинематическая вязкость, 10-в м2/с: при 100 °C 3,2 7,4 17,2 при 20 °C 10 20 50 60 при —50 °C 120 (при —60 сС) 172 500 700 Пробивное напряжение в стандарт- 35 35 45 45 ном разряднике, кВ, не менее tg б при 100 Гц и 20 °C 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 tg б при 100 Гц и 100 °C 0,0008 — 0,001 0,001 р при 0,2 МВ/м и 20 °C, Ом • м 2-Ю12 2-Ю12 2-Ю12 2-10“ ег при 50 Ги и 20 °C 2,6—2,7 2,6—2,7 2,6—2,7 2,6—2,7 Содержание воды, % (мае.), не бо- 0,004 0,004 0,004 0,004 лее Удельная теплоемкость при 20 °C, 1725 1717 Дж/ (кг •°C) Коэффициент теплопроводности при 0,138 0,140 0,153 0,154 20 °C, Вт/(м-°С) Молекулярная масса 950—1500 1000—1700 2000—3000 Показатель преломления при 20 °C 1,401 1,403 1,405 1,405 Код ОКП 22 2921 0103 22 2921 0105 22 2921 0112 22 2921 0109 Примечания: I. ПМСЖ выпускают по ГОСТ 13032-77; ПЭСЖ марок 132-12д и ПЭС-3 — соответствен 2. В скобках приведены прежние обозначения марок полиорганоснлоксанов.
§ 4.5 Диэлектрики на основе полиорганосилоксановых соединений 87 ПМФСЖ с высоким содержанием фенильных радикалов, равным 28 % (мол.)], £ПР при им- пульсах у нефтяного масла выше. Изменение относительной влажности от 2 до 30 % мало влияет на переменное пробивное напряжение ПОСЖ, затем с ростом относитель- ной влажности оно быстро падает, а при 60— 65 % остается постоянным. При пробое ПОСЖ на переменном напряжении появляются мости- ки, степень образования которых увеличивается с ростом вязкости ПОСЖ. Полагают, что оии состоят из полу проводящего карбида кремния. С ростом вязкости ПОСЖ его переменное про- бивное напряжение снижается. Обнаружено влияние материалов электродов на Епр ПОСЖ. Разложение ПОСЖ электрической дугой сопровождается газовыделением в основном водорода и твердых продуктов: углерода, дву- окиси и карбида кремния, резко снижающих £пР ПОСЖ. Разложение ПМСЖ и ПЭСЖ ча- стичными разрядами сопровождается газовы- делением, в основном водорода, ПМСЖ нега- зостойкие, а ПМФСЖ газостойкие. Напряжение возникновения частичных раз- рядов н их погасания в промежутке игла — плоскость у ПМФСЖ существенно выше, чем у ПМСЖ. При температуре выше 100 °C оно сни- жается и становится ниже, чем у ПМСЖ. Исследование обеих жидкостей после теп- лового старения в чистом виде и в бумажных и пленочных конденсаторах не обнаружило за- метного ухудшения их свойств; установлено практически полное отсутствие растворения примесей из бумаги и пленки, а также атак- тической фазы полипропилена. Относительная радиационная стойкость ПОСЖ повторяет их распределеине по окисли- тельной стабильности вследствие сходства ме- ханизмов радиационного распада и окислитель- ного старения. Среди продуктов радиационного распада ПМСЖ и ПМФСЖ содержится водо- род, углеводородные газы, некоторое количест- во жидких углеводородов, кремнеметилен, кремнеэтилен, днснлан и сшитый полимер. Биологическое воздействие ПОСЖ на че- ловеческий организм либо отсутствует, либо слабое. ПМСЖ практически нетоксичны, ПМФСЖ могут оказывать большее воздейст- вие, чем ПМСЖ. При разложении ПХ(Ф)ОСЖ могут образовываться токсичные продукты. В СССР производится широкая номенкла- тура ПОСЖ (табл. 4.13), применяемых в ка- честве жидких диэлектриков. У конденсаторов, пропитанных диметилпо- лиорганосилоксановой жидкостью, температур- ные зависимости напряжения возникновения и погасания частичных разрядов носят слабо выраженный горбовидный характер. Прн этом напряжение погасания частичных разрядов ока- зывается в 2—3 раза ниже, чем напряжение возникновения. При пропитке ПМФСЖ напря- жения возникновения и погасания частичных разрядов различаются лишь на 25%. Онн ли- нейно снижаются с температурой в пределах от —20 до + 80 °C. При температуре от 20 до 110 °C tg 6 поли- пропиленовых конденсаторов, пропитанных ПМФСЖ, составляет примерно 0,1 %, а ПМСЖ - 0,075-0,08 %. Качества ПОСЖ, выпускаемых в СССР ПЭСЖ ПМФСЖ ПХ (Ф) осж 132-712Д (ПЭС-Д) пэс-з ФМ-5 (33-79 (ФМ-1322) 161-123 (ФС-5) ХС-2-1 161-45 (ФС-56) 960 960 944 1003 1080 1029 1145 165 150-185 250 190 200—250 — 315 150 125 200 200 200 240 320 —60 —70 —НО —70 —100 —94 —90 3,3 4,6 5,9 5 8 110 70—140 15 16 24,5 18 45 550 — 380 150 250 600 —‘ 3270 (при —20 °C) 45 45 — 35 — — — 0,0002 0,0003 0,002 0,0016 0,02 0,0001 0,007 0,03 — — — — 0,006 3-1012 1011 10“ 10“ 5-Ю10 — 4-10« 2,5 2,4 2,8 2,7 5,4 — 5,8 — — — — — — — 1738 1733 1788 1763 1691 1696 1482 0,171 0,138 0,135 0,143 0,115 0,141 0,127 415—470 1900 1500—2600 1500—2550 5800 1,438 — 1,451 — 1,4302 1,3913 22 2913 0101 22 2912 0103 22 2933 0105 — — 22 2941 0100 — но по ГОСТ 10916-74 в ГОСТ 13004-77; ПМФСЖ — по ТУ 6-02.973-79; ПХ(Ф)ОСЖ — по ТУ 6-02-1030-75.
88 Жидкие дизлектрики Разд. 4 4.6. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ ФТОРОРГАНИЧЕСКИХ (ФОСЖ) И ХЛОРФТОРОРГАНИЧЕСКИХ (ХФОСЖ) СОЕДИНЕНИЙ Хлорфторуглеводородные и фторуглеводо- родные жидкости (ФУЖ) образуют семейства отличающихся строением молекул, содер- жанием атомов хлора и фтора, но имеют меж- ду собой определенные сходства свойств. С хи- мической точки зрения они являются производ- ными углеводородов, аминов, эфиров и др., в которых атомы водорода частично или пол- ностью замещены атомами хлора и фтора. При полном замещении водорода фтором жидкости называют перфторированными углеводородами. Способы синтеза ХФОСЖ и ФОСЖ в большинстве случаев отличаются сложностью, для осуществления многих из них требуются дорогие исходные продукты н реактивы. Эти обстоятельства определяют их высокую стои- мость и ограниченные масштабы применения. Некоторые хлорфторуглеводороды, которые по своим термодинамическим свойствам на- шли применение в качестве хладоагентов, по- лучили название хладонов (раньше их называ- ли фреонами). Ряд хладонов нашли применение в качестве жидких диэлектриков. Это обуслов- лено их негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, хорошими электрофизическими и теплопереда- ющими свойствами. Хладоны применяют для заполнения небольших трансформаторов, бло- ков электронного оборудования и других элек- тротехнических изделий во всех случаях, ког- да другие виды жидких диэлектриков не вы- держивают высоких рабочих температур. По- казатели некоторых хладонов по ТУ и литера- турным данным приведены в табл. 4.14. Под воздействием электрической дуги фторуглеводородные жидкости разлага- ются с выделением низкомолекулярных фтор- углеводородов, углекислого газа, окиси углеро- да, фторангидридов. Последние могут вызывать коррозию металлов или разрушение твердых электроизоляционных материалов. Продукты, образующиеся при пробое ФУЖ, мало влияют на снижение их электрической прочности, в свя- зи с чем такого рода жидкости могут приме- няться для заполнения коммутирующей аппа- ратуры. Некоторые типы перфторированных жидко- стей, имеющих невысокие температуры кипения (104—140°C), являются перспективными для применения в силовых трансформаторах с ис- парительным охлаждением илн для получения комбинированной электроизоляционной и теп- лоотводящей среды с использованием элегаза. Например, в США и в Японии длительное вре- мя эксплуатируются такие трансформаторы Таблица 4.14. Основные физико-химические и электрофизические показатели жидких хладонов Показатель Хладон-112, Хладон-113, Хладон-114, ТУ 6-02-831-79 ГОСТ 23844-79 ТУ 6-02-470-80 Требования ТУ и ГОСТ Содержание основного компонента, % 97,0 99,96 99,7 (мае.), не более Содержание органических примесей, % 3,0 0,03 0,2 (мае.), не более Содержание нелетучего остатка, % (мае.), 0,003 0,001 0,001 не более Кислотность Отсутствие Соответствие п. 4.Б ГОСТ Отсутствие Содержание свободного хлора » Отсутствие — Содержание воды, % (мае.), не более — 0,003 0,002 Содержание воздуха, % (объем.), не более — — 0,10 Код ОКП 2412 4901 0004 2412 4902 0001 2412 4901 0005 Фактические значения по литературным данным Плотность, кг/м3 1634 при 30 °C 1576 при 20 °C 1456 при 25 °C Температура кипения, °C 90—100 47,6 3,6 Температура плавления,°C —23,8 —35 —94 Теплопроводность, Вт/(м-°С) 0,075 0,07 0,07 Вязкость, сПз 1,21 при 25 °C 0,68 при 25 °C 0,356 при 30 °C Поверхностное натяжение, кН/м 23 при 30 °C 19,6 при 20 °C — Uпр при 60 Гц и 25 °C, кВ; жидкости 32 31 49 пара при 0,10 МПа — 28 25 tg 6 при 100 Гц и 25 °C 0,0002 0,0001 0,00001 р при 25 °C, Ом-м 1013 1014 1014—1015 при 0сС ег при 100 Гц и 25 °C 2,52 2,41 2,26 Примечание. Значения tg 6, р—по данным Brock С М.. Coyner Е. С. «Proc. 6-th Electrical lnsii!a!ion Cont., 1965. с. 241—250: все остальные фактические значения—по данным В. Ф. Томановской, Б. Е. Колотовой «Фреоны, свойства и применение». М., 1970, с. 68—98.
§ 4.8 Диэлектрики на основе синтетических углеводородов 89 напряжением' 65—77 кВ, мощностью 25— 40 МВ-А. ХФОСЖ и ФОСЖ малогигроскопичны. Од- нако при продолжительной выдержке в атмос- фере повышенной влажности их электрическая прочность снижается. Для хладонов характерна хорошая совмес- тимость с большинством материалов, применя- емых в электротехнических изделиях. В хладонах значительно набухают иитрил- кремнийорганические и кремнийорганические резины, натуральный каучук, буна и бутилкау- чук. Непригодными являются лаки на масля- ной основе. Хладоны отличаются уникальными тепло- передающими свойствами, что обусловлено вы- сокими значениями теплоты их парообразова- ния. Хладоны являются негорючими жидкостя- ми, а смесь паров хладонов с воздухом взры- вобезопасна. Хладоны признаны нетоксичными соедине- ниями, однако в помещении, заполненном пара- ми хладона, при достаточной их концентрации наступает смерть теплокровных животных от удушья, вызванного, по-видимому, недостатком кислорода. 4,7. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ. КАСТОРОВОЕ МАСЛО Жидкие сложные эфиры представляет со- бой широкую группу продуктов химической промышленности с весьма разнообразными свойствами, необходимыми для электрической изоляции конденсаторов. Их применение воз- росло после повышения гидролитической устой- чивости с помощью эпоксидных соединений. В СССР, как и за рубежом, проводятся работы по применению разных сложных эфи- ров в производстве конденсаторов. До сих пор для производства конденсаторов применяют сложный эфир природного происхождения — касторовое масло. Касторовое масло — триглицерид рицино- левой кислоты до сего времени является не- заменимым пропитывающим веществом для импульсных конденсаторов. Несмотря на труд- ность очистки, неоднородность свойств и не- возможность достижения достаточно малых значений tg 6, его так же используют и в пле- ночных конденсаторах переменного тока низко- го напряжения. Касторовое масло получают из семян клещевины. В качестве жидкого диэлектрика использу- ют высокоочищенные бразильское, индийское и отечественное (ГОСТ 18102-72) медицинские касторовые масла и техническое касторовое масло по ГОСТ 6757-73. В отечественной про- мышленности используют касторовое масло всех сортов, но в основном техническое по ГОСТ 6757-73, получаемое методом экстракции. Важным показателем качества касторового масла является кислотное число, которое пе- ред заливкой в конденсаторы не должно пре- вышать 0,3 мг КОН на 1 г. Наличие в касторовом масле растворенных кислот способствует быстрому его старению и разрушению. Причинами их появления в масле могут быть некоторые адсорбенты (бентонит, асканит), используемые при технологической очистке, которые, например бентонит, к тому же избирательно адсорбируют естественные ан- тиокислители касторового масла, что также не- желательно. При выборе технологического режима под- готовки касторового масла перед пропиткой им конденсаторной изоляции следует иметь в ви- ду, что при давлении ниже 80 Па и 120 °C оно разрушается, что оно легко окисляется кисло- родом воздуха, в связи с чем необходимо ис- ключать возможность контакта масла с воз- духом. Очистку касторового масла в конденса- торном производстве производят адсорбентами: отбеливающими землями, силикагелем, активи- рованным углем. Касторовое масло увеличивает срок служ- бы пропитанных им конденсаторов за счет вы- сокой способности к газопоглощению в усло- виях воздействия частичных разрядов, сопро- вождающихся уплотнением молекул. Продукты уплотнения масла тонкой пленкой покрывают обкладки и резко увеличивают срок службы. Параметры касторового масла по ГОСТ 18102-72: плотность 948—968 кг/м3, кинемати- ческая вязкость: (130—134) • 10-в м2/с при 50 °C, (20—25)-Ю-6 м2/с при 90 °C; температу- ра застывания —15ч—17 °C, ег = 4 = 4,5 при 20 °C, tg 6 = 0,01 = 0,03 при 20 °C. Жидкие диэлектрики — смеси сложных эфиров — нашли широкое применение за ру- бежом в производстве бумажных конденсато- ров вместо хлордифенилов, чему способствова- ло большое значение ег В СССР сложные эфи- ры под маркой ДОФ выпускают в больших количествах для других целей. Для использо- вания в производстве конденсаторов они тре- буют известной технологической доработки для достижения стабильности электрических пока- зателей. Сейчас у нас применяют импортные сложные эфиры, в частности марки Миксо- флекс-1000 (Mixoflex-ЮОО) французской фирмы «Проделек» (Prodelec), имеющие температуру застывания —41 °C, ег при 20 °C 5,3 и tg 6 0,05. 4.8. ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ СИНТЕТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ Жидкие диэлектрики на основе синтетиче- ских углеводородов получают: а) путем поли- меризации непредельных углеводородов (целе- вой продукт — полибутены, полиизобутилены, полипропилены); б) путем алкилирования аро- матических углеводородов (целевой продукт — алкилбензолы и др.) и в некоторых случаях последующей их гидрогенизацией. Для этих ди- электриков характерны низкий tg 6 и высокая стойкость в электрическом поле. Высокой стабильностью и хорошими элек- трофизическими параметрами отличаются со- единения на основе продуктов гидрогенизации алкилбензолов, трифенилов. Материалы этого типа нашли применение за рубежом и в СССР. Положительные результаты для бумажных, бумажно-пленочных и пленочных конденсато- ров получены в СССР с этиловыми производ- ными дифенила. Они химически стабильны, не- токсичны, обладают повышенной электрической прочностью и стабильностью в электрическом поле, малой вязкостью, низкой температурой застывания, высокой газостойкостью, стабиль- ностью электрических параметров в диапазоне
90 Жидкие дизлектрики Разд. 4 температур от —60 до + 125 °C. Благодаря ма- лой вязкости этиловые производные дифенила легко проникают в зазоры между обкладками и твердым диэлектриком, лучше пропитывают бумажный диэлектрик, позволяют увеличить рабочий градиент и срок службы, улучшить удельные параметры силовых конденсаторов. Сравнительные ресурсные испытания напря- женностью 40 МВ/м (действующее значение) при температуре окружающей среды 70 °C по- казали, что срок службы бумажных силовых конденсаторов, пропитанных этиловыми произ- водными дифенила, в 20 раз выше, чем при пропитке октолом (см. ниже). При сравнитель- ных ресурсных испытаниях при 33 МВ/м пле- ночных полиэтилентерефталатных конденсато- ров через 3000 ч отказало 17 % пропитанных конденсаторным маслом и ни одного, пропи- танного этиловым производным дифенила. Полибутены — экологически безопасные, практически нетоксичные, биоразлагаемые, про- зрачные, светлые жидкости с широким диапа- зоном плотности и вязкости, обладающие ма- лым tg б, высокой стабильностью в электриче- ском поле, рабочей температурой 130 °C, хоро- шо смешиваются с нефтяными маслами. В СССР разработаны конденсаторные по- либутены: октол (ГОСТ 12869-77) и полибутен СК (табл. 4.15). Полиизобутнлены используют в чистом виде и в смеси с нефтяными масла- ми: до 0,2—20 % трихлорбензола (для повы- шения в,, снижения вязкости и температуры застывания), до 0,01—10 °/о цнклогексиламина для связывания продуктов разложения поли- бутиленов в эксплуатации, до 0,05—15 % бути- лированного окситолуола для улучшения стой- кости против окисления. Полибутен СК по- лучают из отхода при производстве синтетиче- ского каучука на основе дивинила. Октол по- лучают полимеризацией фракции крекинг-газа, образующегося в виде отхода при переработке нефти и содержащего изобутилен н нормаль- ный бутилен. Полибутен СК и октол являются более дешевыми продуктами, чем чистый полиизобу- тилен. Их термоокислительная стабильность достаточно высока: после прогрева в течение 250 ч при 125 °C в закрытом сосуде их кис- лотное число и удельное объемное сопротивле- ние ухудшились менее чем на 10 %, а после испытания в течение 400 ч в кислороде в при- сутствии электролитической меди tg б возрос примерно до 0,02, кислотность и цвет сущест- венно ие изменились, осадка и заметных изме- нений на поверхности меди не обнаружено. При испытании в данных условиях даже ста- билизированные нефтяные масла сильно тем- неют, их электроизоляционные свойства ката- строфически ухудшаются, а находящиеся в них медные кольца тускнеют. У пропитанных полибутеном фольговых бу- мажных конденсаторов переменного тока срок службы в 1,8—2,3 раза выше по сравнению с такими же конденсаторами, пропитанными кон- денсаторным нефтяным маслом повышенной га- зостойкости. Применение октола в смеси с ва- зелином для металлизированных цинком бу- мажных конденсаторов позволило увеличить срок службы в 20—40 раз по сравнению с раз- личными конденсаторными и трансформаторны- ми маслами. Некоторые сорта полибутенов имеют по- ниженную температуру вспышки из-за содер- жания легколетучих компонентов. В октоле содержится до 2 % компонентов, выкипающих при остаточном давлении 26 Па и 130 °C. Не- которые товарные полибутены имеют повышен- ное результирующее газовыделение при испы- тании в исходной атмосфере воздуха. Очист- ка от легколетучих примесей приводит к суще- ственному улучшению газостойкости и получе- нию высокогазостойкой жидкости во всех ха- рактерных областях кривой газостойкости при испытании в исходной атмосфере воздуха. С ростом температуры газостойкость полибу- теиа СК снижается, а октола — увеличивает- ся соответственно с их различиями в вязкос- ти. Пропитанные полибутеном силовые конден- саторы характеризуются резко увеличенным сроком службы в эксплуатации по сравиеиию с пропиткой нефтяным конденсаторным мас- лом. Взаимодействие продуктов разложения пропитывающих веществ с металлическими об- кладками оказывает большое влияние на газо- стойкость и соответственно на срок службы силовых конденсаторов. Высокая термоокисли- тельная стабильность полнбутена, незначитель- Таблица 4.15. Основные физико-химические показатели конденсаторных полибутенов Марка полибутена Средняя мо- лекулярная масса Плот- ность. кг/мя Кинематичес- кая вязкость, 10—6 м2/с Температура, °C ег при 20 °C tg б прн 20 °C засты- вания ВСПЫШ- КИ Октол, ГОСТ 12869-77 Опытно-промышленные партии (СССР): 400—800 860—875 300 (30 °C) — 12 165 2,3 1,3-10—3 полибутеи СК 300—400 836 22,05 (20 °C) —40 138 2,2 10—* полибутен 300—500 — 100—2000 (38 °C) — — 2,1 10—4 Полнизобутилен КФ ВНИИНП* 340 838 6,4 (100 °C) —42 168 2,1 10—5 Куйбышевский филиал ВНИИнефтепереработкн.
§ 5.1 Общие сведения 91 ное выделение кислых продуктов разложения, особо опасных для взаимодействия с обкладка- ми, сопровождающегося дополнительнйм газо- выделением из пропитывающего вещества, спо- собствует резкому увеличению срока службы конденсаторов с металлизированными обклад- ками, например по сравнению с пропиткой обычными нефтяными маслами это увеличение составляет два порядка. В пропитанных металлизированных и раз- личного типа пленочных и бумажно-пленочных конденсаторах широко используются полибу- тены. В пленочных конденсаторах применяют полибутен с молекулярной массой от 300 до 500, полибутен, стабилизированный циклогек- силамииами, и его смеси с нефтяными масла- ми и синтетическими олефинами. Такие же по- либутены в ряде случаев применяют в силовых конденсаторах на рабочую частоту от 2 до 10 кГц. Полибутены за рубежом стали приме- нять вместо хлордифенилов. В бумажных металлизированных конденса- торах низкого напряжения используют полибу- тены с молекулярной масой от 300 до 800 и даже до 1600, например октол и его смеси с нефтяным маслом. Как исключительно высокогазостойкое син- тетическое углеводородное пропитывающее ве- щество известен додецилбензол, вначале на- шедший применение для пропитки маслонапол- ненных кабелей с полой жилой. При пропитке силовых конденсаторов он обеспечивал даже лучшие характеристики частичных разрядов, чем при пропитке ПХД, но не нашел приме- нения вследствие меньшей в 2 раза ег. Внед- рение бумажно-пленочного и чисто пленочного диэлектрика обеспечило возможность настолько большого увеличения рабочих напряженностей электрического поля, что значение е, в пропи- танном диэлектрике стало менее важным па- раметром. Поэтому додецилбензол стал при- меняться для пропитки силовых конденсаторов высокого напряжения как в чистом виде, так и в смеси с диоктилфталатом и хлорбензолом для увеличения ет. Широко применяются синтетические угле- водородные ароматические масла ряда диари- лалкана, например фенилксилИлэтан (РХЕ за рубежом и ФКЭ в СССР). В СССР эти мате- риалы известны под марками Азнефтехим-3 и ФКЭ (ВНИИНП). Они обладают высокими га- зостойкостью и стабильностью, экологически безопасны, обеспечивают лучшие характеристи- ки частичных разрядов, стойки к перенапряже- ниям, и имеют большой срок службы, но имеют несколько меньшую Еар силовых конденсато- ров по сравнению с пропиткой ТХД, нефтяным маслом и алкилбензолом. Вследствие недостаточно высокой термо- окислительной стойкости фенилксилилэтан ста- билизируют обычными антиокислительными присадками, например ионолом, храня под азотной защитой. За рубежом для пропитки пленочных си- ловых конденсаторов нашел применение изо- пропилдифенил. Эта жидкость экологически безопасна; пропитанные ею конденсаторы об- ладают хорошими свойствами. Синтетические ароматические углеводород- ные жидкости применяют в трансформаторах и конденсаторах, предназначенных для экс- плуатации в пожароопасных условиях, по- скольку ПХД во многих странах запрещены, а применяемые вместо них кремнийорганиче- ские жидкости, в частности диметилсилоксан, дороги и не распадаются в окружающей среде, хотя и не являются токсичными. Новые синте- тические алкилароматические жидкости для этих целей хотя и горючи, но имеют повы- шенную температуру воспламенения (свыше 300°C), низкую температуру замерзания и вы- сокую газопоглощающую способность в элек- трическом поле, достаточно дешевы и не ток- сичны, биоразлагаются в окружающей среде. Список литературы 4.1. Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансфор- маторное масло. Мд Энергоатомиздат, 1983. 351 с. 4.2. Варшавский Д. С. Пути повышения стабиль- ности конденсаторных масел в электрическом поле. М.: Информэлектро, 1967. 52 с. 4.3. Шахнович М. И. Жидкие диэлектрики. — В кн.: Справочник по электротехническим материалам. 2-е изд. Т. 1, разд. 3. М.; Энергия, 1974. 584 с. 4.4. Силовые электрические конденсаторы/Г. С. Кучинский, Н. И. Назаров, Г. Т. Назарова, И. Ф. Переселенцев. М.: Энергия, 1975. 248 с. 4.5. Варшавский Д. С. Электрическая прочность и срок службы силовых конденсаторов переменного тока. М.: Информэлектро, 1975. 81 с. 4.6. Сборник стандартов США по испытанию электроизоляционных материалов/Пер. с англ.; Под ред. Н. В. Александрова. М.: Энергия, 1979. 344 с. 4.7. Варшавский Д. С. Силовые конденсаторы./ Под ред. Б. М. Тареева. М.: ВИНИТИ, 1980. 128 с. 4.8. Шахнович М. И. Синтетические жидкости для электрических аппаратов. М.: Энергия, 1972. 200 с. РАЗДЕЛ 5 ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРЫ К. С. Сидоренко, Э. 3. Аснович, Ю. К. Петрашко, Э. И. Хофбауэр 5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ В этом разделе представлены основные ор- ганические и кремнийоргаиические полимеры, находящие применение в электротехнической промышленности СССР и за рубежом, за ис- ключением эластомеров (см. разд. 17). О не- органических полимерах — см. разд. 10. Полимеры имеют очень большое значение в производстве многих изделий электротехни-
92 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 ческой, электронной, радиотехнической и мно- гих других отраслей! промышленности. Они при- меняются для электрической изоляции непо- средственно, например полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, или служат для изготовле- ния многочисленных электроизоляционных ма- териалов— слоистых пластиков, резин, пласти- ческих масс, композиционных слюдосодержа- щих материалов и пр. Основные определения и классификация. Полимером называется вещество, характери- зующееся многократным повторением одного или нескольких составных звеньев, соединен- ных между собой в количестве, достаточном для проявления комплекса свойств, который остается практически неизменным прн добав- лении или удалении одного или нескольких со- ставных звеньев. Полимеры получают из мо- номеров, которыми являются вещества, каж- дая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных или повторяю- щихся составных звеньев. В отличие от поли- меров олигомерами являются вещества, моле- кулы которых содержат составные звенья, со- единенные повторяющимся образом друг с другом, комплекс свойств которых изменяется прн добавлении или удалении одного или не- скольких составных звеньев (см. ГОСТ 24881- 81 «Пластмассы, полимеры и синтетические смолы. Химические наименование, термины и определения»). В отличие от низкомолекулярных мономе- ров, характеризующихся постоянной молеку- лярной массой М, макромолекулы одного и того же высокомолекулярного соединения (ВМС) могут иметь различные М. Это свойст- во называется полидисперсностью. Полиднс- персность полимеров обусловлена статистиче- скими закономерностями реакций их образова- ния. Когда говорят о М полимера, имеют в ви- ду его среднюю молекулярную массу М. Для того чтобы полностью охарактеризо- вать полимер, необходимо знать его М и рас- пределение по М отдельных макромолекул дан- ного полимера, т. е. молекулярно-массовое рас- пределение (ММР). Существуют различные ме- тоды определения М. К ним относятся свето- рассеяние. вискозиметрия, ультрацентрифуги- рование, седиментация н др. Определенные раз- личными методами М полимеров, как прави- ло, не совпадают. Некоторые методы мало чув- ствительны к молекулам большого размера, тогда как другими методами плохо определя- ются _неболыпие молекулы. К наиболее важ- ным М относятся среднечнсловая молекуляр- ная ма£Са Мп и среднемассовая молекулярная масса Л4Ю. Первая из них более чувствительна к низкомолекулярным фракциям, вторая — к высокомолекулярным. Отношение Мш/М„ за- висит от ширины кривой ММР и часто приме- няется в качестве критерия полндисперсности полимера. Для всех реальных полимеров это отношение всегда больше единицы и возраста- ет с увеличением полидисперсности. Полимеры, макромолекулы которых содер- жат несколько типов элементарных звеньев, называются сополимерами. По химическому строению сополимеры (СПЛ) подразделяются на следующие основные типы (А и В — элемен- тарные звенья): статистические —А—В—А—В—В—А—А— —А—В—А— чередующиеся —А—В—А—В—А—В —А— —В—А—В— блок СПЛ — А—А—А—В—В—В—А—А— —А—В—В—В—В— привитые СПЛ —А—А—А—А—А—А—А— В—-В—В—В— В—В—В—В— и др. Содержание звеньев каждого из мономеров в СПЛ определяется соотношением мономеров и их реакционной способностью. Сополимеры обнаруживают свойства совсем иные, чем свой- ства смесей индивидуальных полимеров (гомо- полимеров). Большое техническое значение СПЛ обусловлено возможностью получения не- ограниченного разнообразия свойств продуктов посредством выбора тех или иных исходных мономеров и их количественных соотношений. По структуре макромолекул (табл. 5.1) полимеры делятся на три основные группы— линейные, разветвленные и сшитые (сетчатые, трехмерные). Макромолекулы линейных полимеров по- строены из мономерных звеньев одного или разных типов, соединенных регулярно или не- регулярно химическими связями в длинные це- пи. Длина таких цепей обычно составляет 102— 104 нм при поперечнике 0,3—0,75 нм. Приме- ром линейных полимеров могут служить нату- ральный каучук, регулярный полиэтилен, си- локсановые (кремнийорганнческие) каучуки н др. Линейные полимеры, в которых атомы главной цепи с различными заместителями (обычно атомами углерода) чередуются беспо- рядочно, называются атактическими. Если же заместители расположены в регулярной после- довательности по отношению к главной цепи, полимеры называются стереорегулярными, в частности изотактическими (расположение заместителей по одну сторону главной цепи) или синдиотактическими (попеременное распо- ложение заместителей относительно главной цепи). У разветвленных макромолекул ветви мо- гут иметь длину того же порядка, что н основ- ная цепь (длннноцепные ветвления), или состо- ять лишь из нескольких повторяющихся звень- ев (короткоцепные ветвления). Разветвленные макромолекулы являются промежуточной фор- мой между линейными и сшитыми. Примерами разветвленных макромолекул являются поли- этилен, полученный при высоком давлении, при- витые СПЛ и др. Сшитые полимеры получаются при образо- вании поперечных связен между макромолеку- лами в процессах полимеризации или поликон- денсации, под действием химических агентов (вулканизация, отверждение) или ионизирую- щих излучений и других воздействий на зара- нее синтезированные линейные или разветвлен- ные полимеры, или олигомеры, или на соответ- ствующие мономеры, если они содержат более двух функциональных групп (см. с. 95) в од- ной молекуле, или на смеси указанных соеди- нений. По мере развития процесса структури- рования в него вовлекается все большее число цепей и на определенном этапе исчезает грань между макромолекулой и макроскопическим телом. Для сшитых полимеров понятия «моле-
§ 5.1 Общие сведения 93 Таблица 5.1. Схемы некоторых макромолекулярных конфигураций полимеров Тип макромолекулы Тип конфигурации или характер стереоизомерии Схема' Линейные макромолеку- лы: с повторяющимся звеном —СНг— —СНХ— с повторяющимся звеном2 —СНХ— —CHY с повторяющимся звенОхМ 1111 —с-с=с—с— I I Циклолинейные макро- молекулы3 Двухтяжевые макромо- лекулы Разветвленные макро- молекулы Сетчатые макромолеку- лы Атактический Изотактический Синдиотактический Диизотактический Дисиндиотактический Чис-изомер транс-изомер Циклолинейный Кардовый Лестничный Спироциклический С короткоцепиыми ветвления- ми С длннноцепными ветвления- ми: Статистический Гребневидный Звездообразный Плоский сетчатый (двухмер- ный аналог лестничных; Пространственно-сетч г тый (сшитый): статистический упорядоченный Вулканизационные сетки и т. д. Трехмерный аналог лестнич- ных или аналог кристалличес- кой решетки 1 Для виниловых полимеров предполагается, что плоскость хребта цепи расположена плоскости чертежа z Пунктиром обозначены заместители в (3-положении. 1 Полимеры тина полистирола, имеющие циклы в заместителях, относятся к линейным. перпендикулярно
94 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 куда» и Л4 утрачивают смысл. Примерами сши- тых полимеров могут служить отвержденные фенолоальдегидные смолы, вулканизаты каучу- ков и др. Для них разработаны специальные способы переработки. По химическому составу полимеры делят- ся на три большие группы: 1) органические полимеры, содержащие в своем составе атомы углерода, водорода илн водорода, замещенного галогенами, и, кроме, того, кислорода, азота и других органогенных элементов; 2) элементоорганические полимеры, содер- жащие в своем составе наряду с органогенны- ми другие, неоргаиогенные элементы (кремний, алюминий, титан и пр.); 3) неорганические полимеры, ие содержа- щие в своем составе одновременно атомов уг- лерода и водорода или водорода, замещенного галогенами. В данном разделе Справочника полимеры систематизированы по этой классификации, причем из элементоорганических полимеров представлены лишь кремнийорганические, по- скольку прочие элементоорганические полимеры не нашли пока самостоятельного применения в электроизоляционной технике. В зависимости от химического состава ос- новной цепи полимеры делятся на гомоцепные и гетероцепные. В гетероцепных полимерах основная цепь построена из разных атомов, например из уг- лерода и кислорода, углерода и азота, кремния и кислорода и т. п. К органическим гетеро- цепным полимерам относятся некоторые при- родные — целлюлоза, лигнин и др.; синтетиче- ские — полиамиды, полиэфиры, полиуретаны, полиорганосилоксаны и многие другие. В гомоцепных полимерах основная цепь построена из одинаковых атомов, например из атомов углерода (в карбоцепных полимерах}. Из природных органических полимеров к кар- боцепным относятся натуральный каучук, гут- таперча и др., из синтетических полимеров — все высокомолекулярные предельные, непре- дельные и ароматические углеводороды и их производные (полиэтилен, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и др.). Получившие общее название смол некото- рые природные вещества, такие как янтарь, шеллак, копалы, канифоль были известны еще с древних времен. Первые синтетические поли- меры и олигомеры (фенолоформальдегидные, карбамидоформ альдегидные, полиэфирные) бы- ли получены в начале XX в. и также были на- званы смолами, так как по своим внешним признакам они похожи на природные смолы. Впоследствии выяснилось, что почти все при- родные смолы являются не полимерами, а сме- сями низкомолекулярных веществ. Однако в практике и технической литературе, включая стандарты, за рядом синтетических олигомер- ных продуктов, например феноло-, крезоло-, карбамиде-, меламиноформальдегидными, глиф- талевыми, эпоксидными и др., имеющими сход- ство с природными смолами, еще сохранилось название «смолы». Методы получения синтетических полиме- ров. Исходными соединениями для синтеза по- лимеров являются низкомолекулярные соедине- ния — мономеры или олигомеры. В последние годы все большее практиче- ское значение приобретают реакционноспособ- ные олигомеры, способные к образованию вы- сокомолекулярных или сшитых полимеров. Примерами могут служить фенолоформальде- гидные, эпоксидные смолы, олнгоэфиракрила- ты, низкомолекулярные каучуки и др. При по- лучении полимеров применяют и другие соеди- нения: инициаторы, катализаторы, растворите- ли н т. п. Строение мономеров и олигомеров н их реакционная способность играют большую роль в процессах синтеза полимеров. Для об- разования полимерной цепи необходимо, чтобы каждая молекула исходного соединения про- реагировала по крайней мере в двух местах, двумя реакционными центрами. Синтез из низкомолекулярных соединений заключается в превращении молекул исходных соединений в макромолекулы полимера, в ре- зультате чего получаются продукты с различ- ной степенью полимеризации или поликонден- сации. Степень полимеризации (поликонденса- ции) п непосредственно связана с М повторя- ющегося составного звена; ^полимера = — «^повторяющегося составного звена' Существуют два основных метода синте- за полимеров из низкомолекулярных соедине- ний: полимеризация и поликонденсация. Все остальные способы синтеза, например поли- присоединение, поликоординация, полирекомби- нация и др., являются разновидностями (иног- да весьма своеобразными) этих двух. Известно, также получение полимеров из высокомолеку- лярных соединений путем полимераналогичных превращений. По своему механизму полимеризация и по- ликонденсация представляют собой два совер- шенно различных процесса. Полимеризация — процесс образования ма- кромолекул по цепному механизму путем по- следовательного присоединения п молекул мо- номера (Ми) к реакционным (активным) цент- рам, находящимся иа концах растущих цепей. Общую схему полимеризации можно за- писать в виде [—Мн—]п + Мн -> [—Мн—]п+1. Элементарный состав образующихся мак- ромолекул (без учета концевых групп), как правило, не отличается от состава мономера. В полимеризацию вступают мономеры, содер- жащие кратные связи С = С, С = О, С=С, Cs.N, N = C = 0 и др. (ацетилен, ванильные, акрильные, аллильные, дивинильные и подоб- ные им ненасыщенные соединения, альдегиды, нитрилы, изоцианаты и др.), нли способные раскрываться циклические группировки (оки- си олефинов, лактоны, лактамы, цнклосилокса- ны и др.). Полимеризацию дифункциональных мономеров (содержащих только одну кратную связь или цикл) называют линейной, полимери- зацию трех- и более фунциональных мономе- ров — трехмерной (образуются соответственно линейные и сшитые полимеры). По числу уча- ствующих в реакции мономеров различают го- мополимернзацию (только один мономер) и со- полимеризацию (два и более мономеров).
§ 5.1. Общие сведения 95 В зависимости от природы активного цент- ра выделяют радикальную полимеризацию (ак- тивный центр — свободный радикал) и ионную полимеризацию (нон, ионная пара или поляри- зованная молекула). Важная разновидность полимеризации — стереоспецифическая полиме- ризация, при которой образуются полимеры с высокой степенью упорядоченности пространст- венного строения. Полимеризация — цепная реакция, при ко- торой развитие кинетической цепи сопровожда- ется ростом материальной цепи макромолеку- лы, включает следующие кинетически связан- ные стадии: 1) инициирование — превращение небольшой доли мономера в активные центры в результате взаимодействия с инициаторами или катализаторами либо под действием иони- зирующего излучения, электрического тока или света; 2) рост цепи — присоединение молекул мономера к активному центру; 3) обрыв це- пи — дезактивация активного центра при взаи- модействии с другим активным центром, дру- гим веществом или вследствие мономолекуляр- ных превращений; 4) передача цепи — переход активного центра на какую-либо другую части- цу, например мономер, полимер, растворитель. В некоторых случаях передача цепи приводит к образованию устойчивых частиц, не присо- единяющих мономер (ингибирование полимери- зации). Первые две стадии осуществляются всегда, тогда как обрыв и передача цепи в ря- де случаев могут отсутствовать (живущие по- лимеры). Обычно полимеры, полученные полимери- зацией, имеют очень высокую М, однако при необходимости ее можно регулировать, вводя в реакционную систему специальные добавки (телогены) или используя специально подоб- ранные растворители. Такая полимеризация называется теломеризацией. Теломеризация позволяет получать многие практически важ- ные продукты олигомерного типа, например жидкие бутадиеновые нли изопреновые каучу- ки и др. Методом попимеризации получают около трех четвертей общего мирового выпуска син- тетических полимеров. В технике применяют несколько способов полимеризации. 1. Блочная полимеризация (полимеризация в массе) ведется в конденсированной фазе в от- сутствие инертного растворителя. Конечный продукт — монолит (блок), имеющий форму ре- акционного сосуда. 2. Полимеризация в растворе ведется ли- бо в жидкости, растворяющей и мономер и об- разующийся полимер («лаковый способ»), либо в среде, растворяющей только мономер. В по- следнем случае образующийся полимер выпа- дает из раствора и может быть отделен филь- трованием. Полимеризация в растворе может быть низко- или высокотемпературной. 3. Эмульсионная полимеризация ведется в жидкой среде, обычно в воде, не растворяющей или плохо растворяющей мономер и не раство- ряющей образующийся полимер. Метод дает возможность получать высокомолекулярные ли- нейные или сшитые полимеры в виде порошка или пленок. 4. Суспензионную (бисерную) полимериза- цию проводят, диспергируя мономер в виде капель размером 10-2—10~‘ мм в нераство- ряющей нлн плохо растворяющей среде (обычно в воде). В отличие от эмульсионной полимеризации в суспензионной используют инициаторы, растворимые в мономере. Поэто- му полимеризацию в каждой капле мо.жно рассматривать как блочную. Полимер получа- ют в виде гранул, удобных для дальнейшей переработки. i 5. Полимеризация в газовой фазе на гете- рогенных катализаторах применяется при про- изводстве высокополимеров из газообразных мономеров, например полиэтилена из этилена. 6. Твердофазная полимеризация кристал- лических или стеклообразных полимеров про- водится под действием ионизирующих излуче- ний, света или механических воздействий. Поликонденсация — ступенчатый процесс образования макромолекул путем взаимодей- ствия друг с другом реакционных центров всех реагентов системы. Общую схему поликонденсации можно за- писать в виде [-Мн-]П1 + [-Ми-]„г -» [-Мн-]„1+п21 где [—Мн—] и [—Мн——олигомеры или макромолекулы, содержащие в своей цепи илн Пг мономерных остатков. Эта схема учитывает также и начало про- цесса с участием мономеров: Мн + Мн Мн2; Мн2 + Мн -> Мн3. В большинстве случаев процесс поликон- денсации сопровождается отщеплением низко- молекулярных соединений (вода, аммиак, га- логенводороды, спирт и др.) в результате взаи- модействия функциональных групп 1 исходных соединений, поэтому для него характерно не- совпадение элементарного состана мономеров и получаемых на их основе полимеров. Наиболее широко в практике поликонден- сационного синтеза применяются мономеры с группами —ОН, —NH2, —СООН. Есть функцио- нальные группы, при взаимодействии которых с некоторыми другими группами не происходит образование «побочного» низкомолекулярного продукта. К таким группам относятся изоциа- натная —NCO, эпоксидная — С — С — Ч/ и винильная —СН=СН2 (обычно мономеры с винильной группой применяются в полнмери- зацнонном синтезе, но она может участвовать и в процессе поликонденсации, например, при взаимодействии с дитиолами, содержащими меркаптогруппы SH, или с соединениями, име- ющими группы SiH). Поликонденсация протекает как в присут- ствии, так и в отсутствие катализатора. Поли- конденсацию дифункциональных мономеров на- зывают линейной, поликонденсации мономеров 1 Функциональная группа — это часть молекулы мономера (нли олигомера, полимера), определяющая его принадлежность к тому или иному классу соеди- нений, имеющая характерную реакционную способ- ность и определяющая поведение мономера в хими- ческих реакциях.
96 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 Таблица 5.2. Основные классы поликонденсациоиных полимеров и некоторые реакции их образования Тип полимера Реакция получения Сложные эфиры полн- Простые полиэфи- ры Полиамиды Полиуретаны Полнмочевины Полиангндриды Полиуглеводоро- ды Ароматические полнсульфоны Полисульфиды Полиацетали Фенолоальде- гидные смолы Карбамндофор- мальдегидные смолы 1. —СОХ + НОС-> —СО—О—С-Н НХ, I I где Х = —ОН, —OR, —Cl \ / - I О он, 1. —ОН + X—С— -> —О—С—, где X = —ОН, —С1 I । 2. —R^O -* — О—R— I I 1. —NH2 + ХОС->— NH—СО— 4-НХ, где X = — ОН, —OR, —Cl 2, R—СО—NH -* — R—CO—NH— 3. —NCO + HOOC — -> — NH—CO— -f-CO2 1. —NCO + HO-> —NH—CO—O— 2. —NH—CO—OCeH5 + —OH - —NH-CO—O- + CeH5OH —NCO + H2N— -* — NH—CO—NH— —COOH + HOOC — -* —CO—O—CO— + H2O I | Na | | 1. —CC1 + C1C-c—c— I I -Nacl I I I I II 2. —CC1 + HC— -* — С—С— + HC1 I III 3. —CH + HO—C——C—C—+H2o I III —R—ONa + Cl—R'—SO2— -> — R—О—R'-SO2— + NaCl Cl—R—C1 + Na2Sm — R— Sm— -f- NaCl О II —CH—CH2—CH—CH2— + R—C-- —CH—CH2—CH—CH2— I I 1 — H2o I | OH OH H O-CH-0 R OH OH OH о 11 h2n—co—nh2 + HC -> H —NH—CO—N—CH2— I CH2OH + H2O n
§ 5.1. Общие сведения 97 Продолжение табл. 5.2 Тип полимера Реакция получения Меламинофор- мальдегидные смолы о нгк-с^^с-ннг II I II + НС + нйо гг Полисилоксаны 1. —Si—ОН + НО—Si->- — Si—О—Si-f-H2O I. Ill 2. Si ONa-f-Cl—Si->—Si—О—Si J-NaCl I III I III 3. —Si—OX + Y—Si--< —Si—O—Si—|-XY, где X = — H, —R, —C—R; Y = — Cl, —OR, —C—R Полинмиды Полибензнмид- азолы, поли- бензоксазолы, полибензтиазо- лы Полиоксадиазо- лы .pc —R ocz где: R = —NH2 , —OH, —SEC X = —OH,—Cl,—OC6HS T = —JSH—,—O—s — —R— CO-NH-NHg + Cl—ОС—R--- -R— CO—NH—NH—ОС—R — с числом функциональных групп не менее трех — трехмерной (образуются соответственно линейные и сшитые полимеры). По числу уча- ствующих в реакции мономеров различают го- мополиконденсацию (участвует минимально возможное число типов мономеров — один нли два) и сополиконденсацию. Важная разновид- ность поликонденсации — полицнклоконденса- ция (полициклнзацня), при которой продукт линейной поликонденсации подвергается внут- римолекулярной циклизации (таким методом получают, например, полиимиды, полибензнми- дазолы и др.). При получении полимеров с высоким М по методу поликонденсации основную роль играют реакции олигомеров (н>1) между собой, так как мономеры исчерпываются уже на сравни- тельно ранних стадиях реакции. Высокомоле- кулярный полимер образуется обычно, при глубине превращения функциональных групп 4-232 (конверсии), близкой к 100 %. Прн поликонденсации М регулируют со- отношением исходных мономеров илн введени- ем монофункциональных соединений (конден- сационная теломернзация). Для поликонденсации характерно наличие обратных и обменных реакций (гидролиз, аци- долиз, аминолиз, эфиролиз, алкоголиз и др.). Если вклад этих реакций велик, поликонденса- цию называют равновесной (обратимой), в противном случае — неравновесной (необрати- мой). Методом поликонденсации получают поли- эфиры (например, полнэтилентерефталат), по- лиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, поли- арилаты, полигетероарилены, феноло- н карба- мидоформальдегидные смолы и др. Некоторые типы полнконденсационных по- лимеров и реакций их получения приведены в табл. 5.2.
98 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 В технике применяются различные методы поликонденсации. Линейную поликонденсацию проводят в расплаве, в растворе, в эмульсии, иа границе раздела фаз, а также в твердой фазе. 1. Поликонденсацию в расплаве осуществ- ляют обычно при 180—280 °C в атмосфере инертного газа. На конечной стадии в реак- торе создают вакуум, что позволяет достичь наиболее полного удаления выделяющихся низкомолекулярных соединений. Поликонденса- ция в расплаве — основной промышленный спо- соб линейной поликонденсации. Он использует- ся, например, при синтезе некоторых полиэфи- ров, полиамидов и других полимеров. 2. Поликонденсация в растворе широко применяется в промышленности для получения полимеров различных классов. Особенно ин- тенсивное развитие этот метод получил в по- следние годы в связи с необходимостью полу- чения высокомолекулярных или высокоплавких полимеров, которые невозможно синтезировать в расплаве. Этот метод применяется, например, при получении поликарбонатов, полнамидоими- дов и др. 3. Эмульсионная поликонденсация проте- кает в двухфазных системах, в которых реак- ционной зоной является одна нз фаз. В этом случае, несмотря на гетерогенность системы, поликонденсация проходит в капле одной из фаз как в растворе. Этим методом получают, например, ароматические полиамиды, полиэфи- ры, поликарбонаты. 4. Межфазная поликонденсация также протекает в гетерогенных двухфазных системах, однако процесс здесь идет не в объеме, а на поверхности: реакционная зона локализована на границе раздела фаз или вблизи нее. Этим методом получают те же полимеры, что и эмульсионной поликонденсацией. 5. Поликонденсация в твердой фазе про- водится путем нагревания тонконзмельченных и смешанных мономеров или олигомеров в те- чение длительного времени при повышенной температуре, но ниже температуры плавления образующегося полимера, а иногда и мономе- ра, обычно при 150—400 °C. Твердофазные про- цессы распространены в химии и технологии неорганических полимеров (керамика, огнеупо- ры). В некоторых случаях твердофазная поли- конденсация протекает в твердых (илн почти твердых) смесях, которым придана форма бу- дущего изделия (реакционное формование). Твердофазной поликонденсацией и, в част- ности, реакционным формованием получают, например, некоторые гетероциклические не- плавкие и нерастворимые (хотя и линейные) высокотермостойкие полимеры, такие как по- лиимиды, полиоксадназолы, полибензимидазо- лы и до. с длительной температурой эксплуа- тации 250 °C и выше. Методы трехмерной поликонденсации опре- деляются тем, что конечный продукт реакции (сшитый полимер) не поддается безотходной переработке. Поэтому сшитый полимер и изде- лия, его содержащие, как правило, изготавли- вают, используя промежуточный олигомер (жидкий или плавкий), а переход в трехмерное состояние (отверждение) сопровождается ме- ханическим воздействием, обычно прессова- нием. Трехмерная поликонденсация часто исполь- зуется при получении многих электроизоляци- онных материалов, например при изготовлении и переработке препрегов на основе фенолофор- мальдегидных или эпоксидных смол, при изго- товлении изоляции типа «монолит» и др. Полимераналогичные превращения — хими- ческие реакции макромолекул с низкомолеку- лярными соединениями, в процессе которых из- меняется природа функциональных групп, свя- занных с основной цепью, но сохраняется дли- на и строение скелета основной цепи. Методом полимераиалогичных превраще- ний можно получить ценные полимеры, которые ие удается синтезировать из низкомолекуляр- ных соединений вследствие неустойчивости со- ответствующих мономеров или по другим при- чинам. Так, поливиниловый спирт можно полу- чить лишь гидролизом его эфиров, в частности поливиннлацетата. Продукты полимераиалогичных превраще- ний (прн конверсии меньше 100 %) представ- ляют собой СПЛ, построенные из непрореаги- ровавших и прореагировавших звеньев. Распре- деление этих звеньев в цепи СПЛ может зна- чительно отличаться от распределения звеньев в продуктах сополимеризации соответствую- ющих мономеров. Следовательно, при одинако- вом среднем составе свойства модифицирован- ных путем полимераиалогичных превращений полимеров и продуктов сополимеризации мо- гут быть существенно различными. Таким об- разом, эти превращения позволяют создавать многочисленные новые высокомолекулярные соединения н в широком диапазоне изменять свойства готовых полимеров. Ряд полимераиалогичных превращений на- шел широкое промышленное применение, на- пример прн получении простых и сложных эфиров целлюлозы, поливинилового спирта, хлорировании полиэтилена и поливинилхлори- да, а также поливинилацеталей для электро- изоляционных эмальлаков (см. разд. 6). Основные свойства полимеров. При оценке свойств и применении полимеров первостепен- ное значение имеет М. Именно высокой М (обычно 103—10е) обусловлены многие интерес- ные и часто уникальные свойства полимеров. Пока М относительно мала, все физические и химические свойства полимеров быстро изме- няются с ее увеличением. Однако по достиже- нии некоторого предела дальнейшее возраста- ние М перестает отражаться на этих свойствах. Такой предел быстрее всего достигается для агрегатных состояний (жидкий олигомер ста- новится воскообразным уже при п порядка 20—30), несколько медленнее — для химиче- ских свойств . (исчезает влияние концевых групп) и еще медленнее — для механических и релаксационных свойств ’. В зависимости от химического состава, строения макромолекул, М и ММР, плотности «сшивки», молекулярной симметрии, надмоле- кулярной структуры и т. д. свойства полимеров изменяются в широких пределах. 1 Многие свойстве полимеров, в частности меха- нические и электрические, имеют релаксационный характер, т. е. зависят от изменений состояния по- лимерных тел со временем, обусловленных установ- лением в них статистического равновесия после внеш- них воздействий.
f 5.1. Общие сведения 99 При комнатной температуре полимеры преимущественно твердые тела, реже — жидко- сти с большой вязкостью. Линейные и умеренно разветвленные поли- меры с достаточно высокой М, как правило, обладают специфическим комплексом физико- химических и механических свойств. Основные из этих свойств: 1) способность образовывать высокопрочные анизотропные ориентированные волокна или пленки; 2) способность давать большие, длительно развивающиеся обратимые деформации, характеризующиеся малыми зна- чениями модуля упругости; 3) растворимость в органических растворителях, проходящая через стадию набухания. Эти свойства целиком обусловлены боль- шой длиной и гибкостью их макромолекул, т. е. способностью макромолекул в широких преде- лах изменять свою форму (конформацию) за счет вращения образующих главную цепь звеньев относительно ординарных химических связей с сохранением валентных углов. При переходе от линейных и малоразветв- ленных полимеров к сильно разветвленным и, наконец, сшитым их специфические свойства постепенно утрачиваются. Макромолекулы по- степенно теряют гибкость и растворимость. Многие линейные и умеренно-разветвлен- ные полимеры способны плавиться при мно- гократном нагревании. Такие полимеры назы- ваются термопластичными (например, полисти- рол, полиэтилен и др.). Их химическая струк- тура закладывается уже при синтезе, а пере- работка сводится к переводу полимера при на- гревании в вязкотекучее состояние и под дав- лением приданию ему желаемой формы из- делия. Многие низкомолекулярные полимеры (главным образом поликонденсационные оли- гомеры, реже — полимеризацнонные) терморе- активны, т. е. способны отверждаться с обра- зованием неплавких и нерастворимых (сши- тых) продуктов. Отверждение термореактивных олигомеров (обычно прн нагревании) идет либо непосредственно, либо в присутствии специ- альных добавок (отвердителей, катализаторов, ускорителей и т. п.). Примерами таких олиго- меров могут служить резольные фенолофор- мальдегидные смолы, эпоксидные смолы, фор- полимеры дналлнлфталата и др. По степени отверждения термореактивные полимеры классифицируют на стадии А, В и С, причем в основу такой классификации положе- но отношение степени завершенности реакции р для данного полимера к степени завершенности реакции в точке гелеобразования 1 рк. Полимер в стадии А — это полимер, для которого р<рк, полимер в стадии В характеризуется тем, что система близка к точке гелеобразования рк, при р^>рк мы имеем дело с полимером в ста- дии С. Полимер в стадии А плавится и растворя- 1 В точке гелеобразования наблюдается образо- вание геля или нерастворимого полимера. (За точку гелеобразования принимается момент, в который реакционная система теряет текучесть.) Гель не растворим во всех растворителях при повышенных температурах, при которых еще не идет деструкция полимера. Гель соответствует образованию бесконеч- ной сетки, в которой макромолекулы соединены друг с другом в одну гигантскую трехмерную макромоле- кулу. 4* ется. Полимер в стадии В еще размягчается при нагревании, но растворяется уже очень пло- хо. Полимер в стадии С имеет сильно сшитую структуру, поэтому он не плавится при нагре- вании вплоть до температуры разложения и не растворяется. Обычно переработке подвергается полимер в стадии В, хотя в ряде случаев перерабатыва- ют н полимер в стадии А. В результате после- дующего отверждения полимер переходйт в стадию С. Жесткая сшитая структура обеспечивает высокую стабильность размеров и других ха- рактеристик таких полимеров в широких ин- тервалах условий эксплуатации. Линейные н разветвленные как аморфные, так и кристаллизующиеся полимеры могут на- ходиться в трех различных физических состоя- ниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем; сшитые — в зависимости от час- тоты «сшивки» — в стеклообразном и высоко- эластическом нли только в стеклообразном. Обычно эти физические состояния выявля- ют по зависимости: деформация — температура (термомеханическим кривым) (рис. 5.1). Все этн три физических состояния соответ- ствуют одной и той же аморфной фазе. Их возникновение связано только с различием скоростей релаксационных процессов и вязкого течения, вследствие чего они не могут сосуще- ствовать в равновесии при одной и той же температуре. К числу важнейших свойств полимеров относятся нх тепловые переходы из одного фи- зического состояния в другое, характеризую- щиеся температурой стеклования Тот и темпе- ратурой текучести Т-, и переход из кристалли- ческого фазового состояния в аморфное, харак- теризующееся температурой плавления Тал (кристаллической фазы) полимера. Температура стеклования — это темпера- тура перехода из высокоэластического в стек- лообразное состояние. Температурой текучести называют температуру перехода из высокоэлас- тнческого (или из стеклообразного для относи- тельно низкомолекулярных полимеров) в вяз- котекучее состояние. Значения всех этих тем- ператур лежат в некотором интервале, обуслов- ленном полидисперсностью полимеров и ста- Рис. 5.1. Типичные термомеханические кривые линейных полимеров, полученные методом Каргина: 1 н 2 — термомехаиические кривые аморфных поли- меров с различной М (М]<.М2); 3 — термомехаиичес- кая кривая кристаллического полимера; I, II и III— температурные области физических состояний (соответственно стеклообразного, высокоэластическо- го и вязкотекучего); пунктирные кривые — зависимо- сти истинной остаточной деформации от температуры
100 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 тистическим характером движения макромо- лекул. Возможность реализации у полимеров тех или иных тепловых переходов зависит от их морфологии, режима нагружения, скорости из- менения температуры. Полностью аморфные полимеры характеризуются только ТСт и Тт, тогда как полностью кристаллические имеют только Тпл. Большинство полимеров подверга- ется кристаллизации только частично, подоб- ные полукристаллические полимеры характери- зуются Гет, Тпл И Тт. Тепловые переходы в полимерах легко об- наружить по изменению таких их свойств, как удельный объем, удельная теплоемкость, tg б. Температуры плавления и стеклования полиме- ров влияют на их механические свойства при той или иной температуре и определяют наря- ду с Тт или температурой разложения полиме- ров температурный интервал их использования. Наиболее важные механические свойства полимеров сильно зависят от М. Так, доста- точно высокая механическая прочность начина- ет проявляться только при М больше 5-103-=- -е-105. Выше этого минимального значения ме- ханические характеристики полимеров резко улучшаются при увеличении М н перестают за- висеть от нее только при весьма больших зна- чениях. Во многих случаях существует некото^- рый интервал М полимера, соответствующий его оптимальным свойствам. Помимо М на Тт и Тст и соответственно на механические и другие свойства полимеров большое влияние оказывают молекулярная симметрия, структурная жесткость и межмо- лекулярные взаимодействия. Помимо термомеханических кривых меха- нические свойства полимеров принято характе- ризовать их деформационно-прочностными ха- рактеристиками. Прн этом исследуют поведение полимера при приложении к нему напряжения и определяют деформацию до момента разру- шения образца. Полученные результаты обыч- но представляют в виде кривой зависимости напряжения от деформации (рис. 5.2). Наиболее важные величины, характеризу- ющие деформационно-прочностное поведение полимера: 1) модуль упругости’—сопротивление де- формации, которое определяется отношением напряжения, рассчитанного на исходное сече- ние образца, к обратимой деформации, отвеча- ющей этому напряжению; 2) прочность прн растяжении — напряже- ние, необходимое для разрушения образца при его растяжении; 3) относительное удлинение (при разры- ве) — деформация в момент разрушения образ- ца при его растяжении; 4) эластическая деформация — эластич- ность, оцениваемая степенью обратимой де- формации полимеров, находящихся в высоко- эластическом состоянии. Механические свойства полимера изменя- ются в широких пределах в зависимости от сте- пени кристалличности, числа поперечных свя- зей, Тст н ТПЛ- 1 Модуль эластичности для полимеров, находя- щихся в высокоэластическом состоянии. Высокой прочностью и низким удлинением характеризуются полимеры с высокой степенью кристалличности, большим числом поперечных связей или высокой Тат. Наоборот, полимеры с низкой степенью кристалличности или сшив- ки и низкими Тст, как правило, имеют высокое удлинение и низкую прочность. Аморфный по- лимер обычно теряет прочность выше Тст, а кристаллический полимер — выше ТПл. Таким образом, механические свойства по- лимеров сильно зависят от температуры. Для твердых (стеклообразных или кристалличе- ских) полимеров важное значение имеет теп- лостойкость, т. е. способность не размягчаться (сохранять форму) при повышении температу- ры. Количественно эта характеристика опреде- ляется температурой, при которой в условиях действия постоянной нагрузки деформация об- разца ие превышает некоторое значение. В условиях эксплуатации теплостойкость зависит от приложенной нагрузки и длитель- ности ее воздействия. Прн этом для стеклооб- разных аморфных полимеров она не может превышать Тст, а для кристаллических Гпл. В ряде отраслей техники существенное значение имеет относительное изменение проч- ности (или какого-либо другого показателя) при повышении температуры, обозначаемое как коэффициент теплостойкости. Особенно широ- ко это понятие применяется в области эласто- меров и химических волокон. Большое практическое значение имеет так- же холодостойкость полимеров, т. е. их спо- собность сохранять эксплуатационные свойства прн низких температурах. Критерий холодо- стойкости для стеклообразных полимеров — от- сутствие хрупкости, для эластомеров, кроме того, — сохранение высокоэластических свойств; температурная граница холодостойкости этих материалов — соответственно температура хрупкости 7\р и Тст- Для практических целей важен также коэффициент холодостойкости ма- териала k=xT/xK, где хт и х2о — значения ка- кого-либо показателя (механического, электри- ческого и др.) при низкой температуре Т и 20 °C. Эффективный способ повышения холо- достойкости полимеров, эксплуатируемых в стеклообразном состоянии, — пластификация. Электрические свойства полимеров, т. е. совокупность свойств, определяющих поведение полимеров в электрическом поле, Еар, р, ps, Относительное удлинение Рис. 5.2. Типичные деформационно-прочностные характеристики основных полимерных мате- риалов: 1 — эластомеры; 2 — гибкие пластмассы; 3 — жесткие пластмассы и волокна; 4 — кристаллические полиме- ры; <7В — предел вынужденной эластичности (напря- жение в момент образования «шейки»); о —проч- ность при растяжении
§ 5-1- Общие сведения 101 гг и tg б, в значительной степени определяются полярностью звеньев макромолекул, наличием остаточных функциональных групп и различ- ными примесями и зависят от температуры, частоты и амплитуды внешнего электрического поля, а в ряде случаев от конструкции электро- дов и размеров образцов. Все это определяет выбор полимера для применения в качестве конденсаторного диэлек- трика или электроизоляционного материала. Кроме того, поскольку диэлектрические свойства полимеров связаны с их строением, их изучение является методом исследования молекулярной структуры и теплового движения в полимерах. Очищенные неполярные полиме- ры, полученные методом полимеризации (поли- этилен, полистирол, политетрафторэтилен и др.), отличаются большим р (1014—101е Ом-м), малым tg 6 (порядка 10~4), малым значением 8г (2,0—2,4). Полярные полимеры (полиамиды, полиэфиры, поливинилхлорид и др.) имеют бо- лее низкие значения р, большие значения tg б и 8г и, как правило, большую зависимость этих характеристик от температуры. С повышением температуры значение Еир большинства полимеров обычно снижается, особенно резко в области Тст для аморфных полимеров и Гпл для кристаллических. При комнатной и более низких температурах по- лярные полимеры имеют более высокую Еар, чем неполярные. С повышением жесткости по- лимера (например, в результате радиационного сшивания полиэтилена) температурная зави- симость £пр становится менее резкой. Значение р определяется наличием в поли- мере носителей заряда (ионов, полярных групп) и их подвижностью. При внесении поли- мера в постоянное поле р увеличивается вслед- ствие поляризационных процессов. После уста- новления стационарной поляризации полимер характеризуется остаточным (т. е. ие завися- щим от времени) значением р, которое опреде- ляется количеством свободных носителей заря- да в единице объема, строением полимера и температурой. Значения р, Ом-м, некоторых стеклообразных полимеров при 20 °C приведе- ны ниже: Полиизопрен ...... Ю11 Эпоксидные смолы (отвер- жденные) ................... Ю14 Политетрафторэтилен . . Ю16 Полиамиды............... ЮВ 9 *—Ю13 Поликарбонаты........... Ю14—1016 Полиимиды............... 1O1S—101в Полифениленоксид .... Ю16 Поливинилхлорид .... Ю9—1014 Полиэтилен.............. Ю16—1018 В подавляющем числе случаев носителями заряда в полимерах являются ионы. Поэтому р существенно снижается при наличии примесей, особенно полярных (например, воды), и в ус- ловиях, облегчающих ионизацию молекул. Зна- чение р экспоненциально падает с ростом тем- пературы. В отличие от р удельное поверхностное со- противление ps определяется наличием носите- лей заряда на поверхности полимера, главным образом адсорбированных проводящих приме- сей (например, воды). Значения ps, Ом, неко- торых полимеров при 20 °C и относительной влажности воздуха 100 % составляют: Политетрафторэтилен . , 1012 Полистирол................. 1011—10*2 Полиэтилен..................... 109 Относительная диэлектрическая проницае- мость слабополярных полимеров обычно со- ставляет 2,8—4,0; для полярных она меняется в широких пределах, от 4,0 до 20, в зависимо- сти от строения полимера; ег неполярных по- лимеров уменьшается с температурой. Относительная диэлектрическая проницае- мость пластмасс и эластомеров при комнатной температуре обычно не превышает 4—7, дости- гая 15—20 лишь для полимеров, содержащих большое количество сильнополярных групп в боковых цепях, например цианэтилцеллюлозы. Влияние строения полимера на ег в основном определяется значением дипольного момента отдельного звена макромолекулы и числом по- лярных групп в единице объема. Диэлектриче- ская проницаемость зависит от присутствия в полимере воды. Так (при 20°C и 1 кГц), ег хлопковой целлюлозы составляет 3,2; 7,1 и 18 при относительной влажности 0; 45 и 65 % со- ответственно. Диэлектрическая проницаемое:ь зависит от степени кристалличности и характе- ра надмолекулярных образований; например, 8г аморфного полистирола составляет 2,49— 2,55, кристаллического — 2,61 (1 кГц, 20 °C). Знание ег имеет важное значение при подборе материалов в кабельной технике и в конденса- торостроении. В первом случае предпочтитель- ны материалы с малой ег (слабополярные по- лимеры), во втором — с повышенными значе- ниями ег. При высоких частотах используются такие слабополярные диэлектрики, как поли- стирол, полиэтилен, политетрафторэтилен, по- липропилен, у которых малы диэлектрические потери. В конденсаторах, предназначенных для использования при низких частотах или при по- стоянном токе, можно применять полярные по- лимеры с повышенными значениями ег в стек- лообразном состоянии. Значения tg 6 (в области релаксации ди- польной поляризации) зависят от химического строения, в частности, молекулярной и надмо- лекулярной структуры полимера, а также от ряда внешних факторов — гидростатического давления, степени ориентационной вытяжки (ведущей к анизотропии значений tg6), при- сутствия низкомолекулярных примесей, в част- ности влаги. Низкомолекулярные примеси и ге- терогенные включения в полимерном образце (пузыри воздуха, пыль, частицы низко- и вы- сокомолекулярных веществ) могут привести к появлению дополнительных максимумов tg 6 и дисперсии tg 6, связанной с дипольной поляри- зацией примесных молекул или межфазной по- ляризацией. Вне максимумов tg 6 уровень ди- электрических потерь не зависит или зависит слабо от f и температуры и повышается при наличии в полимере полярных примесей и вла- ги. Значения tg 6 для неполярных полимеров лежат в пределах от 5-10~5 до 10~3 и слабо зависят от f и температуры. Вблизи и выше Гст возможен рост tg 8 при повышении тем- пературы, что связано с повышением ионной проводимости полимера. Значения tg 6 поляр- ных полимеров определяются их строением и
’02 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 Таблица 5.3. Основные области применения в электрической изоляции некоторых наиболее распространенных полимеров Электроизоляционные материалы Тип полимера Волокна, бумаги, ткаии Пленки Пластмассы Эластомеры (каучук, ре- зина, термо- эластомеры) Композици- онные мате- риалы Клен Лаки н эмали Составы без растворителя (компаунды) термо- пласты реакто- пласты Полиэтилен _|- + + Полипропилен + + + Сополимеры этилена и про- пилена + + Сополимеры диенов — — Полистирол и сополимеры стирола — + + Поливинилхлорид — + + Сополимеры винилхлорида -|- + Поливинилиденхлорид и со- полимеры винилидеихло- рида 4" + + Поливинилфторид — + — Поливинилиденфторид и сополимеры вииилиден- фторида — + + Политри фторхлорэти лен и сополимеры трифтор- хлорэтилена — + + Политетрафторэтилен — + + Хлорированные полиоле- фины —. + + Полиакрилаты + + Полисилоксаны — — Эпоксидные смолы — - — Полиэфиры + Полиамиды 4“ + Полиуретаны Полиимиды, полиамидо- имиды и другие гетеро- циклоцепные полимеры — + — Ненасыщенные полиэфиры — Феноло- и аминоформальде- гидиые смолы —. —. — Производные целлюлозы + + — Полиацетали —— Поликарбонаты — + + +++ 1+1+1 II 1 1+ +++++++ ++ 1+1 III II 1+111++ +1 + +1 +++ ++ +11 ++1 1+ 1+1 II + III++++1+ II III 11+ ++ 111 II 1 III++++++ +1 1+1 1 1 1 ++ ++1 II + ++ ++++I 4—h I+ 1 + 1 III 1+ ++1++++ II 1 II III ++ ||| подвижностью макромолекул и в сильной сте- пени зависят от f и температуры. Повышен- ные значения tg 6 полярных полимеров огра- ничивают их применение при высоких час- тотах. При действии на полимеры нагрева, облу- чения, ультразвука, химических сред происхо- дят необратимые изменения их химического строения и М, ухудшение механических, элек- трических и других свойств. Такие изменения известны под общим термином «старение» по- лимеров. Практически наиболее важный вид старе- ния полимеров — термическое старение. Спо- собность полимеров сохранить неизменным химическое строение при действии повышенных температур называется термостойкостью. Химические процессы, протекающие при высоких температурах, сопровождаются де- струкцией и (или) структурированием полиме- ров, а в присутствии кислорода и воды окисли- тельными и гидролитическими превращениями. Последние сильно ускоряют разрушение поли- мера, что отрицательно сказывается на физи- ческих свойствах изделий, в частности иа их механической прочности. Таким образом, тер- мостойкость определяет тот температурный предел, выше которого уже не может быть ис- пользована теплостойкость полимера, даже ес- ли мы сумеем поднять последнюю до более высокой температуры. Для полной характеристики полимера очень важно знать, какой температурный ин- тервал имеется между его теплостойкостью н термостойкостью. Практическая возможность изготовления изделий методами, требующими перехода полимера в вязкотекучее состояние, зависит от этого интервала: чем он меньше и выше расположен, тем труднее перерабатыва- ется полимер. Теплостойкость линейных полимеров в большинстве случаев ниже, чем их термостой- кость, т. е. Тст и температура размягчения или Тт лежат ниже температуры разложения.
Общие сведения 103 Однако в случае сшитых полимеров, а так- же полимеров с очень жесткими цепями мак- ромолекул картина меняется и теплостойкость часто оказывается выше, чем термостойкость. Термостойкость полимеров определяют ме- тодами термогравиметрии и дифференциально- го термического анализа. Для повышения термостойкости н вообще стойкости к старению в полимеры вводят раз- личные стабилизаторы, в частности антиокси- данты, которые замедляют термоокислительиую деструкцию. Нагревостойкость полимерных материалов, главным образом зависит от их тепло- и тер- мостойкости и некоторых других свойств, оп- ределяющихся их химической структурой и со- ставом, а также от конструкции изоляции и от функций, которые они выполняют в электро- оборудовании. Линейные карбоцепные полиме- ры, за исключением полифениленов и фторсо- держащих, имеют малую нагревостойкость. Их длительная рабочая температура не превышает 120 °C. Гетероцепиые полимеры, в особенности сшитой структуры, имеют длительную рабочую температуру 120—180 °C. Особенно нагрево- стойки полимеры с фениленовыми группами и гетероциклами в цепи (полиимиды, полибен- зимидазолы, полибензоксазолы, полиакрилаты, ароматические полиамиды и т. п.), а также по- лиорганосилоксаны и некоторые другие элемеи- тоорганические полимеры, длительная рабочая температура которых достигает 180—240 °C. При описании свойств полимеров в части длительной рабочей температуры учтен ГОСТ 8865-70 «Материалы электроизоляционные. Классификация по нагревостойкости». Однако необходимо принимать во внимание замечания в этом ГОСТ: а) имеется ряд материалов, по которым от- сутствует достаточный опыт эксплуатационной практики; б) имеются многочисленные разновидно- сти одного и то же материала, обладающие различной нагревостойкостью; в) нагревостойкость материалов зависит от конструкции изоляции и от функций, кото- рые они выполняют в электрооборудовании. Поэтому приведенные в этом разделе све- дения о длительных рабочих температурах яв- ляются ориентировочными. Ориентировочными являются и некоторые другие сведения о свойствах полимеров, так как литературные данные часто противоречивы или недостаточно точны. Например, ие всегда указываются условия определения электричес- кой прочности (иет данных о толщине образ- ца), Гст и Тпл (не оговаривается структура полимера) и т. п. Ниже приведены обобщенные данные, взятые из различных источников. Основные области применения в электри- ческой изоляции некоторых наиболее распро- страненных полимеров приведены в табл, 5.3. 5.2. ОРГАНИЧЕСКИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ КАРБОЦЕПНЫЕ ПОЛИМЕРЫ ПОЛИОЛЕФИНЫ Полиолефины (код ОКП 22 1110)—поли- меры, образующиеся при гомо- или сополиме- ризации олефинов. Гомополиолефины имеют общую формулу R —СН2— L R' В зависимости от природы заместителей R и R' они могут быть разделены на три ос- новные группы. 1. R = R'=H, или R=H, R'— алкил линей- ного строения, или R и R' — алкилы линейного строения, например СН3, С2Н5. К этой группе относятся полиэтилен, полипропилен, полибу- теи, полиизобутилеи. 2. R = H, R'— алкил разветвленного строе- ния. К этой группе относятся, например, поли- 4-метилпентен-1, поли-З-метилбуден-1. 3. R = H, R' — циклогексил или другой цик- лический либо полициклический углеводородный радикал. Из полиолефинов этой группы наибо- лее полно изучен поливинилциклогексан. Особую группу составляют полимеры цик- лоолефинов, в частности циклопентена. Среди СПЛ олефинов наибольшее значе- ние имеют этилеипропиленовые СПЛ, а также кристаллические блоксополимеры, так называ- емые полиалломеры. Кристаллические полиолефины обладают достаточно высокой механической прочностью, высокими электроизоляционными свойствами, устойчивы к действию агрессивных сред (за исключением сильных окислителей, например, азотной кислоты), способны образовывать лег- ко ориентируемые пленки и в ряде случаев во- локна (например, полипропилен), могут пере- рабатываться любыми способами, принятыми в промышленности пластмасс. Недостаток поли- олефинов— плохая адгезия, обусловленная от- сутствием полярных групп, и сравнительно не- высокая жесткость, из-за которой ограничива- ется применение этих полимеров как конструк- ционных материалов. С другой стороны, от- сутствием полярных групп объясняется повы- шенная химическая стойкость полиолефинов. Введение разветвленных алифатических или циклических заместителей заметно повыша- ет температуру плавления и нагревостойкость полиолефинов. В электроизоляционной технике наиболь- шее применение нашли полиэтилен, полипро- пилен и их СПЛ. Полиэтилен (ПЭ) — твердый термопла- стичный полимер белого цвета; макромолеку- лы имеют линейное строение с небольшим ко- личеством боковых ответвлений. В промышлен- ности ПЭ получают тремя основными метода- ми: 1. Полимеризацией этилена (Э) при высо- ком давлении (130—250 МПа) и высокой тем- пературе (190—-300 °C) в течение 30—100 с в присутствии инициаторов (кислорода, органи- ческих перекисей) по радикальному механизму. Полученный по этому методу ПЭ называют ПЭ высокого давления (ВД) или ПЭ низкой плотности (код ОКП 22 1111). 2. Полимеризацией Э при низком давлении (ниже 1 МПа) и температуре ниже 80 °C с при- менением катализаторов Циглера — Натта по ионио-координациоиному механизму. Получен- ный ПЭ называется ПЭ низкого давления (НД)
104 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 Таблица 5.4. Показатели, характеризующие макромолекулярные цепи полиэтилена Показатель ПЭВД ПЭНД ПЭСД Общее число групп СН3 иа 1000 атомов углерода 15—25 3—6 Не более 3 Расположение боковых ответвлений друг от дру- ~50 200—250 200—250 га со средним интервалом, углеродных атомов сн3, С2Н6, сн3, С2Н6 Ответвления в макроцепи1 сн3, С2Н5 С4Н9 Общее число двойных связей на 1000 атомов уг- 0,4—0,6 0,6—0,8 0,6—0,8 лерода Степень кристалличности2, % ~60 70—85 ~90 Размеры кристаллитов, нм 5—20 5—50 5—50 Средиемассовая молекулярная масса 30—400 тыс. 50—800 тыс.3 50—800 тыс.3 Плотность, кг/м3 918—930 954—960 960—968 1 У ПЭВД наряду с короткими ответвлениями имеются и длинные боковые цепи. 2 Кристалличность ПЭ с повышением температуры уменьшается. 8 Выпускаются также марки ПЭНД и ПЭСД с Mw, достигающей нескольких миллионов. или ПЭ высокой плотности (код ОКП 22 1112). 3. Полимеризацией Э при среднем давле- нии (3—4 МПа) и температуре ниже 160 °C с применением в качестве катализаторов окси- дов металлов переменной валентности по ион- ному механизму. Такой ПЭ называется ПЭ среднего давления (СД) или ПЭ высокой плотности (код ОКП 22 1113). Эти три типа ПЭ различаются по степени разветвленности (наиболее разветвлен ПЭВД, наименее — ПЭСД) и по другим показателям (табл. 5.4), а также по режимам переработ- ки в изделия. Конформация цепи ПЭ — плос- кий зигзаг. ПЭ выгодно отличается от других термо- пластов сочетанием высокой прочности с до- статочной эластичностью и способностью рабо- тать в широком интервале температур (от —120 до +100°C). ПЭ — неполярный поли- мер, обладающий высокими электроизоляци- онными свойствами (табл. 5.5, рис. 5.3—5.6). Таблица 5.5. Показатели полиэтилена Показатель ПЭВД ПЭНД ПЭСД Прочность, МПа: при растяжении 10—17 18—45 18—40 при изгибе 17—20 20—40 25—40 при срезе 14—17 20—36 20—37 Предел текучести, МПа 9—16 25—35 28—38 Модуль упругости при изгибе, МПа 120—260 650—750 800—1250 Относительное удлинение, %, в нача- ле течения 15—20 10—12 5—8 Ударная вязкость1 образца с надре- зом, кДж/м2 р, Ом-м Не ломается 2—150 7—150 ~10« ~1016 ~1015 ps, Ом ~1015 ~1013 ~1015 ег при 1 МГц 2,2—2,3 2,2—2,4 2,3—2,4 tg6 при 1 кГц—1 МГц (2—3)-10—1 (2—4)-10—4 (2—4)-10-—* £„₽, МВ/м, при толщине 1 мм Температура, °C: 45—55 45—55 45-55 плавления 103—110 124—132 128—135 хрупкости От —120 до—80 От —150 до —70 От—140 до—70 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) 0,33—0,36 0,42—0,44 0,46—0,52 Удельная теплоемкость при 20— 25°C, кДж/(кг-°С) 1,9—2,5 1,9—2,1 1,7—1,9 ТК/, °C-1 (от 0 до 100 °C) Водопог лощение за 30 сут, %: (2,1—5,5)-10—4 (1-2,5)-10—4 (1 — 1,5)-10—4 при 20 °C 0,02 0,005 <0,01 при 70 °C — 0,04 — Длительная рабочая температура2, °C 90 90 90 1 Показатель сильно зависит от М; чем больше М, тем выше значения показателя. 2 Для стабилизированного и облученного ПЭ рабочая температура 105 °C.
§ 5.2 Органические синтетические карбоцепные полимеры 105 Для ПЭ характерно малое изменение электри- ческих свойств в широком диапазоне темпера- тур и частот. Тангенс угла диэлектрических потерь ПЭ в интервале температур от —45 до 4-115 °C и частот 10—50 кГц находится в пре- делах (2-?4) • 10~4. Электрические свойства ПЭ ухудшаются с увеличением степени его окисления и прн наличи примесей. Свойства ПЭ можно модифицировать смешением его с другими полимерами или сополимерами. Так, при смешении ПЭ с полипропиленом повыша- ется нагревостойкость, при смешении с бутил- каучуком или этиленпропиленовым каучуком — ударная вязкость и стойкость к растрескива- нию. ПЭ обладает низкой газо- и паропроница- емостью и мало проницаем для воды и водя- ных паров. Химическая стойкость ПЭ зависит от М, ММР и особенно от плотности; с ее уве- Рис. 5.3. Зависимость Env ПЭВД от толщины: 1 — при 30 °C; 2 — при 90 °C Рис. 5.4. Зависимость р ПЭВД от температуры Рис. 5.5. Зависимость tg 6 (1) и ег (2) ПЭВД от температуры Рис. 5.6. Зависимость tg 6 ПЭНД и ПЭВД от температуры при 3-10’ Гц: 1 - ПЭНД; 2- ПЭВД личением химостойкость ПЭ возрастает. Наи- более высокой химостойкостью обладают ПЭНД и ПЭСД. ПЭ не реагирует со щелоча- ми, с растворами солей, органическими кисло- тами и даже с концентрированными соляной и плавиковой кислотами. При действии H2SO4 (концентрации 80 % и выше) и температуре выше 50 °C свойства ПЭ изменяются. ПЭ раз- рушается при 20 °C 50 %-ной HNO3, а также жидкими и газообразными хлором и фтором. ПЭ не растворяется, но набухает в органичес- ких растворителях при 20 °C; выше 80 °C раст- воряется во многих растворителях, особенно хорошо в углеводородах и их галогенпроизвод- ных. ПЭ можно хлорировать, сульфохлориро- вать, бромировать, фторировать. Эти реакции используются на практике для модификации свойств ПЭ. Например, с введением в ПЭ до 76 % фтора повышаются нагревостойкость, температура плавления и химостойкость. На воздухе в изделиях из ПЭ, находящих- ся в напряженном состоянии, могут появиться мелкие трещины. Процесс этот проходит в те- чение нескольких лет или даже десятков лет. Но ои значительно ускоряется при контакте со спиртами, мылами, нефтяными маслами, синте- тическими моющими средствами, эмульгирую- щими веществами При воздействии на ПЭ тепла, ультрафио- летовых лучей, кислорода воздуха происходит старение, которое выражается в ухудшении физико-механических и электроизоляционных свойств. Чтобы затормозить этот процесс, по- лимер стабилизируют введением антиоксидан- тов (ароматических аминов, алкилфенолов, фосфитов и др.) и светостабилизаторов (сажа, производные бензофенонов и т. п.). При изготовлении изделий из ПЭ наблю- дается их усадка. Значения термической усад- ки при охлаждении изделий от 115 до 20 °C изменяются в следующих пределах: линей- ная — от 5,1 до 0 %, объемная — от 15,3 до 0 %. Кроме термической, существует усадка из- делий, связанная с наличием внутренних напря- жений. В среднем такая усадка колеблется в пределах от 1 до 3 %. ПЭ практически безвреден и не выделяет в окружающую среду опасных для здоровья че- ловека веществ. Вредное действие могут ока- зывать лишь продукты его разложения. ПЭ перерабатывается при 120—280 °C всеми известными методами, применяемыми при переработке термопластов. Различные электроизоляционные материа- лы иа основе ПЭ — пластмассы, пленки, пено- пласты и др. применяются для изоляции про- водов и кабелей, для изготовления деталей радиотехнической аппаратуры.• За рубежом ПЭ низкой плотности выпускают под названиями: петротен (США), алкатен (Великобритания), хостален (ФРГ), стафлен (Япония), лотреи (Франция), фертен (Италия), а ПЭ высокой плотности — карлона (Великобритания), хей- жекс (Япония), манолен (Франция), мои- лен (Италия). Облученный ПЭ. Облучение ПЭ частица- ми высоких энергий приводит к образованию сложных пространственных молекул с попереч- ными связями между линейными цепями. При температуре НО—115°C полимер не плавится, а становится резиноподобным, сохраняя при
106 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 температуре до 200 °C прочность при растяже- нии и стойкость к продавливанию. Благодаря изменению химической струк- туры у облученного ПЭ повышается стойкость к растворителям и к поверхностному растрес- киванию в напряженном состоянии при контак- те с активными средами (водными растворами мыл, синтетическими моющими средствами, эмульгирующими веществами и др.). При ста- билизации облученного ПЭ повышается срок службы его по сравнению с облученным неста- билизированиым ПЭ. При изоляции проводов облученным ПЭ можно токопроводящие жилы облуживаць, не опасаясь расплавления изоляции вблизи облу- женной проволоки. Вулканизированный ПЭ имеет «сшитую» структуру макромолекул. По сравиеиию с обыч- ным ПЭ ои более стоек к токовым перегрузкам, так как ие размягчается при повышенных тем- пературах. Для вулканизации ПЭ применяют, например, перекисные соединения, обеспечива- ющие «сшивку» макроцепей прн высокой тем- пературе. При применении изоляции из вулка- низированного ПЭ исключаются случаи ее рас- трескивания в напряженном состоянии под вли- янием тепла, воды и химических агентов. По другим свойствам вулканизированный ПЭ ана- логичен линейному. Получение «сшитого» ПЭ методом вулка- низации дешевле и технологически удобнее, чем методом облучения. Хлорированный полиэтилен (ХПЭ). ПЭ мо- жет быть модифицирован хлором. При этом могут быть получены продукты с разнообраз- ными свойствами, зависящими от структуры, состава, М исходного полимера, а также от ме- тода и степени хлорирования. Введение хлора в макромолекулу ПЭ приводит к снижению кристалличности, изменению температур раз- мягчения, стеклования и др. Так, ХПЭ, содер- жащий 16—25 % хлора, — термопласт, харак- теризующийся высоким относительным удли- нением (до 1700 %) и хорошей холодостойко- стью. ХПЭ с 26—48 % хлора — эластомер. При дальнейшем увеличении содержания хлора жесткость, температуры размягчения и стекло- вания ХЭП повышаются вследствие увеличения межмолекулярного взаимодействия. ХПЭ с 49—60 % хлора — кожеподобный, а более глу- боко хлорированный полимер — стеклообраз- ный продукт, приближающийся по свойствам к непластифицироваиному поливинилхлориду. Ниже приведены некоторые свойства ПЭ высо- кой плотности, хлорированного в растворе (25 % хлора): р, Ом-м............................. 1013 £„р, МВ/м............................. 30 8г при 1 кГц......................... 6,1 8г при 1 МГц......................... 4,3 tg б при 1 кГц..................... 0,019 tg6 при 1 МГц...................... 0,134 Водопоглощение, %: за 1 сут.......................... 0,1 за 30 сут................ . . 0,6 Хлорированные ПЭ эластомеры можно вулканизировать и подвергать радиационному облучению для получения «сшитых» продук- тов. Применяются ХПЭ эластомеры, а также их смеси с другими полимерами для изоляции проводов и кабелей. За рубежом ХПЭ выпускают под названия- ми: тирин, СРЕ (США), галофлекс, СРЕ (Ве- ликобритания), хлорхостален, лютриген (ФРГ), эласлен, дайзолак (Япония). Хлррсульфироваиный полиэтилен (ХСПЭ) — каучукоподобный продукт, обра- зующийся при взаимодействии ПЭ с хлором и сернистым ангидридом. Введение атомов хло- ра в макромолекулу ПЭ приводит к наруше- нию регулярности ее структуры и к превраще- нию высококристаллического продукта в аморфный. Хлорсульфоиовые группы (SO2 С1) обусловливают способность ХСПЭ к вулкани- зации. Содержание хлора в промышленных ти- пах ХСПЭ может изменяться от 25 до 45 %, содержание серы — от 0,8 до 2,2 % (мае.). ХСПЭ хорошо растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, хуже — в кето- нах и сложных эфирах и нерастворим в алифа- тических углеводородах и спиртах. Для раст- ворения обычно используют толуол и ксилол, а также их смеси. ХСПЭ обладает резиноподоб- ными свойствами и отличается стойкостью к воздействию химических агентов, хорошей прочностью, высокой светостойкостью и стой- костью к действию озона. Он обладает низкой газопроницаемостью, а по адгезии к различным поверхностям приближается к хлоропреновому каучуку. Некоторые свойства ХСПЭ, получен- ного из ПЭ низкой плотности (содержание хлора 27 %, серы 1,3 %), приведены ниже: Плотность, кг/м3...................... 1110 р, Ом-м............................... 1013 ЕПр, МВ/м............................. 16—24 8r (1 кГц)......................... 5—7 tg 6 (1 кГц)....................... 0,025 Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С)........................... 0,11 Хлорсульфированный ПЭ применяется в кабельной промышленности; на его основе по- лучают не только изоляцию, но и внешнюю ат- мосферостойкую оболочку кабелей. В промышленном масштабе ХСПЭ произ- водят в СССР (торговое название продукта, получаемого из полиэтилена низкой плотно- сти, — ХСПЭ, из полиэтилена высокой плот- ности — ПХС) и в США (хайпалон). Сополимеры этилена (СЭ) (код ОКП 22 1120) получают с целью модификации свойств полиэтилена — повышения растворимости, ад- гезии, физико-механических свойств и т. п. Наиболее широко в электроизоляционной технике применяют статистические СЭ с про- пиленом (СЭП), которые получают при низком (около 1 МПа) и среднем (2—6 МПа) давле- ниях в присутствии комплексных металлоорга- нических катализаторов. Свойства СЭП зависят в основном от со- отношения между этиленом и пропиленом в сополимере, а также от способа синтеза. СЭП получают с содержанием 0,2—3 °/о звеньев пропилена (М = 30 000-?-800 000) и с содержа- нием 20—60 % звеньев (чаще 25—40 % звень- ев) пропилена (М = 80 0004-250 000). Сополимеры имеют приблизительно такие же электроизоляционные свойства, как поли- этилен. С увеличением содержания пропилена в СЭП степень кристалличности уменьшается,
§ 5.2 Органические синтетические карбоцепные полимеры 107 снижаются плотность, модуль упругости, жест- кость, температура плавления, ио увеличива- ются газо- и паропроницаемость, растворимость в органических растворителях, эластичность, ударная вязкость, относительное удлинение, стойкость к растрескиванию под напряжением при контакте с поверхиостно-активнымн аген- тами, стойкость при действии длительных на- грузок. СЭП имеет высокую стойкость к окис- лению и атмосферостойкость. Они стойки к действию спиртов, кетонов, эфиров, щелочей, кислот. Электроизоляционные материалы, по- лученные иа основе СЭП, эластичны, характе- ризуются хорошими механическими свойствами, высокой атмосфере-, иагрево- и холодостой- костью, стойкостью к действию агрессивных сред, отличными электрическими свойствами, но оин горючи и имеют низкую маслостойкость. Эти материалы применяют для изоляции про- водов и кабелей. Полипропилен (ПП) (код ОКП 22 ИЗО)— термопластичный линейный полимер [-СН^-СНСН3-]„. Наибольшее практическое значение имеет изотактический ПП, хотя известны также син- диотактический, атактический и стереоблокпо- лимер. В промышленности изотактический ПП по- лучают полимеризацией пропилена в присутст- вии комплексного катализатора Циглера — Натта: а) в растворе (в среде инертного раст- ворителя) при 70—80 °C и 0,5—1 МПа; б) в массе при 70—80 °C и 2,7—3 МПа. Полимеризация проходит по анионно-ко- ордииациоиному механизму. Полученный та- ким образом ПП имеет изотактическую струк- туру с регулярно построенной («голова к хво- сту») цепью. В изотактическом ПП всегда со- держится небольшое количество (2—5%) ата- ктической аморфной фазы. Изотактический ПП имеет максимальную степень кристаллично- сти — 73—75 %. Полипропилен — бесцветный полимер без характерного запаха и вкуса. В тонких слоях ПП прозрачен, в толстых — молочно-белый. Молекулярная масса, выпус- каемого промышленностью ПП, равна 75 000— 200 000. ПП — химостойкий материал. Заметное воздействие на него оказывают только сильные окислители (концентрированные HNO3, H2SO4). ПП обладает высокой стойкостью к щелочам, растворам солей и другим неорганическим аг- рессивным средам. В органических растворите- лях ПП при 20 °C незначительно набухает. При температуре выше 100 °C он начинает раство- ряться в ароматических углеводородах (бен- зол, толуол). Изделия из ПП выдерживают кипячение в воде и стерилизацию паром (до 130 °C) без изменения формы и механических свойств. ПП — хороший электроизоляционный ма- териал. Его электрические свойства практи- чески не изменяются даже после длительной выдержки в воде, а е, мало зависит от часто- ты и температуры. Ниже приведены основные свойства изотактического ПП: Плотность, кг/м3 .... 920—930 Предел текучести, МПа . 27—30 Прочность при растяжении, МПа................................ 30—35 Относительное удлинение, %......................... Ударная вязкость, кДхс/м2 Епр при толщине 1 мм, МВ/м...................... ps, Ом.................... р, Ом-м................... 8г при 105 Гц............. tg 6 при 10б Гц........... Гпл, °C................... Гет, °C................... Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м-°С) . . . . Удельная теплоемкость, кДж/(кг-°С)............... ТК I, °C-1 (от 0 до 100 °C), Холодостойкость, °C . . . Водопоглощение за 30 сут при 20 °C, %.............. Длительная рабочая темпе- ратура (для термоста би - лизироваииого или облу- ченного ПП), °C . . . 200—800 5—12 30—35 101» 1012—1016 2,0 (3—5)-10—4 172 От—10 до—20 0,15 1,9 1,110-* От—5 до—25 0,03 105 Для ПП характерна очень низкая газо- и паропроницаемость. Вследствие наличия тре- тичных углеродных атомов ПП более чувстви- телен, чем полиэтилен, к действию кислорода, особенно при повышенных температурах. По- этому в процессе переработки ПП обязатель- но надо добавлять стабилизаторы. ПП перера- батывается в изделия теми же способами, что и полиэтилен. Изделия из него отличаются стойкостью к истиранию (сравним с этим по- казателем для изделий из полиамидов) и по- верхностной твердостью, которая у ПП выше, чем у полиэтилена. Для ПП характерна высо- кая стойкость к многократным изгибам. Из-за неполяриости ПП имеет низкую адгезию, по- этому основной метод соединения деталей из ПП — сварка. Чистый ПП физиологически без- вреден. Из ПП изготавливают пластмассы, волокна, пленки, пенопласты, которые применяются в радио- н электротехнике (различные детали, кабельная изоляция, конденсаторы). ПП выпускают за рубежом под названия- ми: профакс, поли-про, олеформ (США), моп- леи (Италия), хостален (ФРГ), пропатен (Ве- ликобритания), данлай, доибанд (Япония). ПОЛИМЕРЫ ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫХ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ Поливинилхлорид (ПВХ) [—СН2 — —СНС1—]„ (код ОКП 22 1210) — термоплас- тичный полимер преимущественно линейного строения — получают полимеризацией винил- хлорида по радикальному механизму в массе, эмульсии, суспензии или в органическом раст- ворителе. В промышленности чаще всего используют эмульсионный и суспензионный методы. Винил- хлорид можно также полимеризовать и по ион- ному механизму, однако число катализаторов ионной полимеризации очень ограничено. Полимеризацию в массе проводят в авто- клаве при 30—70 °C в присутствии инициато- ров, растворимых в мономере, — органические перекиси, азодинитрилы и др. Этим методом получают очень чистый ПВХ (код ОКП 22
108 Электроизоляционные полимеры Разд. 5 1213), ие загрязненный эмульгатором, защит- ным коллоидом и др. Полимеризацию в суспензии проводят в течение 8—14 ч при 30—70 °C и давлении 0,4— 1,2 МПа по периодической схеме. Полученная суспензия (код ОКП 22 1211) содержит лег- ко фильтруемые частички ПХВ размером. 75— 150 мкм (иногда до 600 мкм). Полученный этим методом ПВХ характеризуется сравни- тельно узким ММР; его свойства и структура сильно зависят от природы инициатора, защит- ного коллоида и различных добавок, а также от технологических параметров. Молекулярную массу ПВХ регулируют температурой полиме- ризации. Суспензионный ПВХ по сравнению с эмуль- сионным обладает лучшими электроизоляцион- ными свойствами, более высокой водо- и нагре- востойкостью, улучшенной светостойкостью, так как содержит незначительные количества примесей. Недостаток суспензионной полимери- зации ПВХ — трудность осуществления ее не- прерывным способом. Полимеризацию в эмульсии проводят по периодической или непрерывной схеме в тече- ние 2—5 ч при 40—60 °C, давлении 0,5 — 0,8 МПа и неинтенсивном перемешивании (60— 70 об/мии). Диспергирующей средой служит вода, содержащая эмульгатор (например, мы- ла высших жирных кислот), инициатор (напри- мер, персульфаты щелочных металлов или ам- мония) и регулятор pH (например, фосфаты щелочных металлов). Скорость полимеризации в эмульсии зна- чительно выше, чем в суспензии, и зависит от концентрации инициатора, количества эмульга- тора и других факторов. ПВХ, полученный этим методом, характе- ризуется узким ММР. В результате эмульсионной полимеризации образуется латекстонкая дисперсия ПВХ с раз- мером частиц 0,05—0,5 мкм (иногда до 1 мкм), характеризующаяся значительной полидисперс- ностью по размерам полимерных частиц, име- ющих, как правило, сферическую форму (код ОКП 22 1212). Недостаток метода — труд- ность удаления мыла и других добавок из гото- вого продукта и значительно худшая, по срав- нению с суспензионным ПВХ, перерабатывае- мость в жесткие и полужесткие изделия. Полимеризация в растворе (дихлорэтан, бензол, хлорбензол и др.) имеет ограниченное применение. Скорость реакции зависит от кон- центрации мономера и инициатора, а также от природы растворителя. Получать ПВХ можно и фотополимериза- цией, которая протекает при низкой темпера- туре в присутствии сенсибилизаторов (напри- мер, соли уранила). Этим методом получают нагревостойкий ПВХ, из которого формуют во- локна, которые имеют в 2 раза более высокую прочность и в 2 раза меньшую усадку при 100 °C по сравнению с волокном, полученным из обыч- ного ПВХ. ПВХ — твердый продукт белого цвета, те- оретическое содержание хлора — 56,8 %, прак- тическое всегда несколько меньше. Коэффици- ент полимеризации 100—2500. Элементарные звенья в цепях полимера расположены в основ- ном в положении 1,2. Степень упорядоченности макромолекул ПВХ зависит от температуры полимеризации, а также от М. Максимально возможная упорядоченность реализуется при температурах полимеризации выше 55 °C или в случае отжига при температурах выше 70 °C. Степень кристалличности промышленного ПВХ может достигать 10 %, а полимера, полученно- го при температурах ниже —10 °C или ради- кальной полимеризацией при 20—50 °C, — со- ответственно 10—23 и 33—35 %. Кристалличес- кий ПВХ имеет синдиотактическую конфигу- рацию. Температура текучести ПВХ тем выше, чем ниже температура полимеризации. Ниже приведены основные свойства прес- сованных образцов ПВХ (см. также рис. 5.7— 5.9): Плотность при 20 °C, кг/м3 Прочность, МПа: при растяжении . . . при сжатии . . . . при изгибе ........... Модуль упругости при рас- тяжении, МПа.............. Относительное удлинение, при разрыве, % . . . . Ударная вязкость, кДж/м2: образцы без надреза . образцы с надрезом . ps, Ом.................... р, Ом-м: при 20 °C............... при 140 °C.............. ег при 50 Гц: 20 °C................... 140 °C.................. ег при 10е Гц (20 °C) . . tg 6 при 50 Гц: 20 °C................. 140 °C................ tg 6 при 10б Гц (20 °C) . Епр, МВ/м: при 20 °C............. при 140 °C............ Тт, °C.................... Тст, °C................... Коэффициент теплопровод- ности, Вт/(м-°С) .... Удельная теплоемкость, кДж/(кг-°С)............... ТК I, °С-‘................ Теплостойкость по Мартен- су, °C ................... Холодостойкость, °C . . . Водопоглощеиие за 24 ч, Длительная рабочая тем пература, °C .... . 1350—1430 40—60 70—160 80—120 2700—4000 5-100 -150 2—10 1013—101* 1013—1013 5-Ю8 3,2 12,0 3,1—3,4 0,02 0,1 0,015—0,018 35—45 <5 180—220 и выше 78—105 0,15—0,17 1,0—2,1 (6—8)-10—5 50—80 <—10 0,4—0,6 90 ПВХ, полученный полимеризацией винил- хлорида в массе, суспензии или эмульсии, — порошкообразный материал, свойства которо- го (М, ММР) в значительной мере определяют поведение полимера при переработке и свойст- ва изделий из него. Зерна суспензионного порошкообразного ПВХ подразделяют на монолитные и пористые, а эмульсионного — на полые и компактные частицы. Растворимость ПВХ уменьшается с увели- чением коэффициента полимеризации и зави- сит от метода получения. Так, ПВХ, получен- ный эмульсионной полимеризацией, раствори-
5 5.2 Органические синтетические карбоцепные полимеры 109 ется хуже ПВХ, полученного в суспензии, мас- ле или растворителе. ПВХ с коэффициентом полимеризации 300—500 легко растворяется в кетонах, сложных эфирах, хлорированных уг- леводородах и др. Растворимость ПВХ с ко- эффициентом полимеризации 2000—2500 огра- ничена; удается получить лишь 1-—10 °/о-ные растворы в кетонах, этилхлориде, дихлорэта- не, хлорбензоле, нитробензоле, диоксане и др. ПВХ до 60 °C стоек к действию соляной и муравьиной кислот любых концентраций, сер- ной кислоты — до 90 %-ной, азотной — до 50 %-ной и уксусной до 80 %-ной концентра- ции. ПВХ не изменяется при действии щелочей любых концентраций, промышленных газов (NO2, Cl2, SO3, HF и др.), растворов солей А1, Na, К, Fe, Си, Mg, Ni, Zn, Sn и других метал- лов, а также бензина, керосина, масел, жиров, глицерина, спиртов, гликолей. При энергетических и механических воз- действиях на ПВХ имеют место дегидрохло