Газообразные диэлектрические материалы
К газообразным диэлектрикам относятся все газы и воздух, представляющий собой смесь газов и паров воды. Преимуществами газов перед остальными видами диэлектрических материалов является высокое удельное сопротивление, малый тангенс угла диэлектрических потерь, малая (близкая к единице) диэлектрическая проницаемость. Наиболее важным свойствам газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда.
Кроме воздуха в качестве электрической изоляции широко используют двух- и трехатомные газы – азот, водород, углекислый газ. Электрические прочности этих газов при нормальных условиях мало отличаются друг от друга и могут с достаточной точностью приниматься равными прочности воздуха.
Лучше всего требованиям к газам, применяемым в электроизоляционных конструкциях, удовлетворяют элегаз SF6 и фреон СCI2F2. Гексафторэтан нельзя использовать при повышенных давлениях из-за низких критических параметров (Ркр = 3,3 МПа, Т = -24°С).
Азот имеет с воздухом практически одинаковую электрическую прочность и часто применяется вместо него для заполнения газовых конденсаторов и других целей, так как не содержит кислорода, оказывающего окисляющее влияние на соприкасающиеся с ним материалы.
Значительный интерес представляет водород, имеющий весьма высокий коэффициент теплопроводности, несмотря на его меньшую электрическую прочность по сравнению с воздухом. Водород применяется в качестве электроизоляционной и охлаждающей среды в крупных турбогенераторах.
Многие газы используют в качестве диэлектриков в газонаполненных конденсаторах, воздушных выключателях высокого напряжения и других электротехнических устройствах.
Свойства и области применения электроизоляционных масел
(трансформаторных, конденсаторных, кабельных)
Трансформаторное масло, которым заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод теплоты, выделяемой за счёт потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некоторые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом (“ сухие трансформаторы ”). Ещё одна важная область применения трансформаторного масла - масляные выключатели высокого напряжения.
В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимися контактами выключателя происходит в масле или в находящихся под повышенным давлением газах, выделяемых маслом под действием высокой температуры дуги; это способствует охлаждению канала дуги и быстрому её гашению. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполненных вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.
Трансформаторные, а также другие нефтяные (“минеральные ”) электроизоляционные масла получают из нефти посредством её ступенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определённой (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химических нестойких примесей в результате обработки серной кислотой, а затем щёлочью, промывки водой и сушки.
Трансформаторное масло - это жидкость от почти бесцветной до тёмно - жёлтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Трансформаторное масло - горючая жидкость. Электрическая прочность масла - величина, чрезвычайно чувствительная к его увлажнению. Незначительная примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что воды (около 80) значительно выше, чем масла (чистого масла около 2,2). Под действием сил электрического поля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряжённость электрического поля особенно велика и где, собственно и начинается развитие пробоя. Ещё более резко понижается электрическая прочность масла, если в нём, кроме воды содержатся волокнистые примеси.
Волокна бумаги, хлопчатобумажной пряжи, легко впитывают в себя влагу из масла, причём значительно возрастает их. Под действием сил поля увлажнённые волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, но и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла.
Кабельные масла используются в производстве силовых электрических кабелей; Пропитывая бумажную изоляцию этих кабелей, они повышают её электрическую прочность, а также способствуют отводу теплоты потерь. Кабельные масла бывают различных типов. Для пропитки изоляции силовых кабелей на рабочие напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках (кабели с вязкой пропиткой) применяется масло марки КМ-25 с кинематической вязкостью не менее 23 мм2/c при 1000С, температурой застывания не выше минус 100С и температурой вспышки не ниже +2200С. Для увеличения вязкости к этому маслу дополнительно добавляется канифоль или же синтетический загуститель.
В маслонаполненных кабелях используются менее вязкие масла. Так, масло марки МН-4 применяется для маслонаполненных кабелей на напряжения 110-220 кВ, в которых во время эксплуатации с помощью подпитывающих устройств поддерживается избыточное давление 0,3 - 0,4 МПа.
Для маслонаполненных кабелей высокого давления (до 1,5 МПа) на напряжения от 110-500 кВ, прокладываемых в стальных трубах, применяется особо тщательно очищенное масло марки С-200.
В качестве жидких электроизоляционных материалов в электротехнических устройствах применяют электроизоляционные минеральные масла и синтетические жидкие диэлектрики: совол и кремний — органические жидкости. Наибольшее применение имеют минеральные нефтяные масла. По характеру использования в качестве жидких диэлектриков нефтяные масла могут быть разделены на три группы:
масла для силовых трансформаторов и высоковольтных выключателей;
кабельные масла, используемые для пропитки бумажной изоляции высоковольтных кабелей;
конденсаторные масла, применяемые для пропитки бумажной изоляции конденсаторов.Для этой же цели в бумажно-масляных конденсаторах используют искусственную жидкость — совол.
Характерной особенностью всех жидкостей является то, что их молекулы обладают большей подвижностью по сравнению с молекулами твердого тела. Чем выше температура жидкостей, тем подвижность их молекул больше. Это свойство жидкостей определяется их вязкостью. Большая подвижность молекул жидкостей обеспечивает им возможность заполнять различные пустоты и твердой изоляции. Минеральные масла хорошо пропитывают такие пористые электроизоляционные материалы, как картоны, бумаги, дерево и др. Будучи хорошими диэлектриками, минеральные масла, проникнув в поры такой изоляции, улучшают их электрические характеристики. Так, например, у пропитанной минеральным маслом бумаги резко возрастает по сравнению с непропитанной электрическая прочность Епр.
Минеральные масла при температурах около 70—80° С обладают небольшой вязкостью, поэтому частицы масла приобретают большую подвижность. Это позволяет использовать нефтяные масла в трансформаторах для охлаждения обмоток.
Масло в трансформаторах нагревается у обмоток и, притекая к холодным частям бака трансформатора, отдает им полученное тепло. Масло, имеющее большую вязкость, не обеспечит необходимого охлаждения трансформатора.
В высоковольтных трансформаторах нефтяное масло является не только теплопроводящей средой, но и главным электроизоляционным материалом. Оно заполняет пространство между обмотками трансформатора и тем самым усиливает изоляцию трансформатора. Выполняя эту роль, масло должно обладать в первую очередь большой электрической прочностью и малой величиной тангенса угла диэлектрических потерь.