Для нормальной и безопасной работы токоведущие части электрического оборудования должны быть изолированы друг от друга. Изоляция обеспечивается специальными диэлектрическими материалами (диэлектриками). Диэлектрики практически не проводят электрический ток. Они защищают проводники от механических повреждений, влаги и воздуха.
Если к диэлектрику приложить напряжение, превышающее предельно допустимое, он начнет проводить электрический ток. Это явление называется пробоем диэлектрика, а напряжение, при котором происходит пробой, — пробивным. Способность диэлектрика сопротивляться пробою характеризует его электрическую прочность.
Пробой может произойти в результате нагрева диэлектрика и его термического разрушения. В месте пробоя образуется канал, имеющий повышенную проводимость.
Кроме этого, диэлектрики должны обладать высоким удельным электрическим сопротивлением, иметь небольшую величину диэлектрических потерь, обладать морозо- и влагостойкостью, химической стойкостью и определенными механическими свойствами.
По агрегатному состоянию диэлектрики подразделяются на газообразные, жидкие, твердеющие и твердые.
К газообразным диэлектрикам относятся воздух и все газы. Наиболее важным свойством газов является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда.
Воздух, азот и другие газы используют в качестве диэлектриков в газонаполненных конденсаторах, воздушных выключателях высокого напряжения и других электрических устройствах.
Воздух окружает различные электрические установки, их детали и узлы. Он является основным изолирующим материалом в воздушных конденсаторах, на участках воздушных линий электропередачи. Его электрическая прочность? =3—5 кВ/мм. К недостаткам воздуха относятся зависимость его электрической прочности от давления и относительной влажности; довольно высокая химическая активность, так как он содержит кислород; низкая теплопроводность и способность поддерживать горение. Чаще всего воздух является вспомогательным диэлектриком, окружающим детали и узлы электрических машин и аппаратов.
Азот менее химически активен, чем воздух, не реагирует с металлами при комнатной температуре, за исключением лития.
По сравнению с воздухом наибольшую электрическую прочность имеют фреон, элегаз (шестифтористая сера), углекислый газ. Для заполнения электровакуумных приборов и ламп применяют инертные газы: аргон, неон, гелий и др.
В качестве жидких диэлектриков используют минеральные нефтяные масла и синтетические жидкости.
Нефтяные масла по назначению подразделяются на трансформаторные, кабельные и конденсаторные. Трансформаторное масло заливают в силовые трансформаторы и высоковольтные выключатели. Электрическая прочность масла Епр = 25 кВ/мм. В трансформаторах масло играет роль изолирующей и теплоотводящей среды.
В высоковольтных выключателях еще гасит электрическую дугу, возникающую при размыкании контактов. Кабельное масло отличается от трансформаторного повышенной вязкостью, а от конденсаторного — пониженными электрическими свойствами. Кабельное масло входит в состав компаундов для пропитки изоляции силовых кабелей. В качестве вязкой пропитки бумажной изоляции кабелей применяют масляно-канифольные или синтетические нестекающие составы повышенной вязкости. Конденсаторное масло применяют для пропитки изоляции в бумажных и пленочных конденсаторах, что позволяет уменьшить их габаритные размеры, массу и стоимость. Конденсаторное масло более чистое от примесей, чем трансформаторное и кабельное. К недостаткам нефтяных масел относятся пожаро- и взрывоопасность, склонность к старению под действием кислорода воздуха, высокой температуры и солнечного света. Процессу старения масла способствует его контакт с лаковой изоляцией и металлами (особенно с медью). Нефтяное масло гигроскопично, что понижает его электрическую прочность. Эти недостатки отсутствуют у синтетических жидких диэлектриков. Синтетические жидкие диэлектрики обеспечивают длительную и надежную работу высоковольтных электрических аппаратов при повышенных тепловых нагрузках, в пожаро- и взрывоопасной среде. К ним относятся хлорированные углеводороды (совол и сев- тол-10). Они мало подвержены старению, негигроскопичны, невзрывоопасны, но токсичные и дорогостоящие. Совол — бесцветная вязкая жидкость, применяется взамен конденсаторного масла для пропитки низковольтных бумажных конденсаторов с повышенной емкостью. Электрическая прочность совола?пр= 18 кВ/мм. Севтол-10 — негорючая жидкость, с повышенной температурой застывания. Севтол-10 получают разбавляя совол трихлорбензо- лом. Применяется вместо трансформаторного масла для взрывоопасных трансформаторов.
Синтетическими жидкими диэлектриками являются и кремний- органические жидкости — продукт синтеза кремнистых и углеродных соединений. Кремнийорганические жидкости обладают электрической прочностью Е пр= 18—20 кВ/мм, высокой нагревостойко- стью, низкой температурой застывания (—60 °С), химической инертностью и низкой гигроскопичностью. Применяется для пропитки бумажных конденсаторов.
Твердеющие диэлектрики вводятся в изоляцию в жидком состоянии, а затем затвердевают. Классификация твердеющих диэлектриков приведена ниже.
Природные смолы — канифоль, шеллак, битум. Канифоль является составной частью электроизоляционных компаундов, применяемых для пропитки катушек, заливки пустот вокруг обмоток электрических аппаратов. Ее получают термообработкой сока хвойных деревьев. Шеллак — для изготовления шеллачных лаков для склейки слюды. Битумы используют для приготовления специальных составов для заливки кабельных муфт.
Электроизоляционные лаки и эмали на основе пленкообразующих веществ применяются для пропитки обмоток в электрических машинах и аппаратах (пропиточные лаки); для создания на поверхности уже пропитанных обмоток влагостойких и маслостойких лаковых покрытий (покровные лаки); для склеивания электроизоляционных материалов (клеящие лаки).
Компаунды — электроизоляционные составы из нескольких исходных веществ. Они не содержат летучих растворителей, что обеспечивает монолитность компаунда после его отвердевания. По назначению компаунды делятся на пропиточные, заливочные и обмазочные. В исходном состоянии компаунды могут быть жидкими или твердыми. В жидкие компаунды перед употреблением вводят отвердитель, в результате чего они постепенно отвердевают, превращаясь в монолитный твердый диэлектрик. Твердые компаунды предварительно нагревают для получения массы с определенной вязкостью.
Наиболее широкое применение нашли компаунды на основе битумов. Они дешевые, стойкие к воде и обладают хорошими электроизоляционными свойствами, электрической прочностью?пр= 18—20 кВ/мм. Их используют для пропитки обмоток электрических машин. Кроме этого, используются пропиточные компаунды на основе эпоксидных и полиэфирных смол. Такой состав после полимеризации не размягчается при нагреве, а сама изоляция является термореактивной (в отличие от компаундированной термопластичной изоляции с маслобитумными связующими).
Воскообразные диэлектрики (парафин, церезин и др.) — твердые легкоплавкие вещества, обладающие низкой механической прочностью и малой гигроскопичностью.
В качестве твердых диэлектриков применяются пластмассы, резины, древесина, бумага, ткани, а также неорганические диэлектрики.
Волокнистые диэлектрики (бумага, картон, ткани и т.д.) используются в качестве изоляции только в пропитанном виде, так как они легко поглощают влагу.
Волокнистые материалы обладают большой гибкостью и механической прочностью, их электрическая прочность невелика.
Наиболее распространена электрическая изоляция из полимеров. Полиэтилен и полипропилен идут на изготовление изоляции кабелей и проводов. Фенопласты в виде пресс-порошков обладают очень низкой водопоглощаемостью. Из них изготовляют детали выключателей, розеток, пусковые кнопки. На основе полимеров получают слоистые пластики: гетинакс — изоляционные трубки, каркасы катушек; текстолит — детали переключателей, панели, каркасы; асботекстолит — плиты, детали с повышенной теплостойкостью.
Хорошим электроизоляционным материалом является резина. Она обладает высокими электроизоляционными свойствами, влагостойкостью, малой водо- и газопроницаемостью. Резина широко применяется для изоляции ряда кабелей и установочных проводов. Однако у резины недостаточная нагревостойкость, при температуре плюс 60—70 °С она стареет, становится менее эластичной и растрескивается, снижается стойкость к действию нефтяного масла, света и озона.
Твердые неорганические (минеральные) диэлектрики применяют без тепловой и химической обработки. К твердым диэлектрикам относится природный минерал — слюда. Слюда имеет слоистое строение. При расщеплении получают тонкие листочки слюды, обладающие высокой прочностью и гибкостью. Из них делают детали для конденсаторов и электровакуумных приборов. Склеивая листочки слюды с помощью клеящих смол или лаков, получают миканиты (изоляция коллекторных пластин, прокладки электрических машин). Несколько слоев щипанной слюды, нанесенных на плотную бумагу, образуют микафолий и микаленту. Слюдяные изоляционные материалы применяются для изготовления главной изоляции (изоляции между проводниками обмотки и корпусом) вращающихся электрических машин. Основным диэлектрическим барьером служат слюдинитовые ленты, изготовленные из слюды двух разновидностей: мусковит и флогопит.
Для изготовления изоляторов, изоляционных втулок, розеток и др. используют керамические материалы. Некоторые керамические изделия глазуруют для повышения влагостойкости и предохранения от загрязнения. К достоинствам керамических материалов относятся высокая прочность на сжатие, теплостойкость, химическая стойкость, дугостойкость, относительно низкая стоимость. К недостаткам следует отнести низкую прочность при ударах и хрупкость.
Диэлектрики – это вещества, у которых запретная зона настолько велика, что в нормальных условиях электропроводность в них отсутствует.
По агрегатному состоянию диэлектрические материалы подразделяют на твердые, жидкие, газообразные.
По химическому составу диэлектрические материалы подразделяют на органические и неорганические.
Полимерные материалы
Полимеры являются хорошими диэлектриками. Они обладают высоким удельным сопротивлением, высокой электрической прочностью, высокой технологичностью. По технологическим признакам полимерные материалы делятся на 2 класса - термопласты и реактопласты.
Термопласты - размягчаются при нагревании, что позволяет использовать простую технологию термопрессования. Наиболее распространенным диэлектриком этого класса является полиэтилен. Также широко используются в энергетике: полипропилен, поливинилхлорид, лавсан.
Реактопласты - при нагревании не размягчаются, после достижения некоторой температуры начинают разрушаться. Их электрофизические характеристики невысоки.
Эпоксидные полимеры обладают хорошей механической прочностью, удовлетворительными электрофизическими характеристиками. Они являются полярными диэлектриками. Недостаток - слабая водостойкость. Преимущество эпоксидных полимеров - простота технологии приготовления.
Бумага и картон
Важное преимущество этих материалов - они производятся из возобновляемого сырья (древесной массы). Технология приготовления состоит из варки опилок и щепы в щелочном растворе с добавками.
Чем выше плотность бумаги, тем выше механическая и электрическая прочность бумаги. Самые тонкие и прочные бумаги используются для изготовления конденсаторов.
Электротехнический картон используется в качестве диэлектрических дистанцирующих шайб, прокладок, распорок, изоляции магнитопроводов, пазовой изоляции вращающихся машин и т.п.
Недостатком картона является гигроскопичность, в результате попадания влаги уменьшается механическая прочность и резко уменьшается электрическая прочность.
Материалы для изоляторов на основе кремнийорганической резины. Этот материал относится к каучукам, основное свойство которых - эластичность. Это позволяет изготовлять из каучуков гибкие кабели. В энергетике используются разные типы каучуков: натуральные каучуки, этиленпропиленовые и кремнийорганические, бутадиен-стирольные, бутадиеновые.
Электротехнический фарфор является искусственным минералом. К числу наиболее ценных его свойств относится высокая стойкость к атмосферным воздействиям, положительным и отрицательным температурам, к воздействию химических реагентов, высокие механическая и электрическая прочность. Поэтому фарфор широко применяют в производстве изоляторов.
Электротехническое стекло в качестве материала для изоляторов имеет некоторые преимущества перед фарфором. У него более стабильная сырьевая база, проще технология, возможность визуального контроля неисправных изоляторов. К недостаткам стекла относится большая энергоемкость получения материала, т.к. стекло длительно варят при высоких температурах.
Слюдяные материалы
Слюда является основой большой группы электроизоляционных изделий. Главное достоинство слюды - высокая термостойкость наряду с высокими электроизоляционными характеристиками. Слюда используется в качестве электрической изоляции, как в виде щипаных тонких пластинок (миканиты), в виде слюдяных бумаг (слюдиниты или слюдопласты).
Слюдиниты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе мусковита. Бумаги, пропитанные лаком или другим связующим, обладают лучшими механическими и электрофизическими характеристиками, чем непропитанные бумаги, но их термостойкость ниже. Слюдопласты - листовые материалы, изготовленные из слюдяной бумаги на основе флогопита и пропитанные связующими. Сфера применения слюдинитов и слюдопластов - изоляция электрических машин, нагревостойкая изоляция электрических приборов.
1. Закрепление полученных знаний. Раздача карточек заданий. Работа в парах.
2. Подведение итогов урока.
Твердые диэлектрики - это чрезвычайно широкий класс веществ, содержащий вещества с радикально различающимися электрическими, теплофизическими, механическими свойствами.
Проверка карточек. Разбор ошибок. Выставление оценок.
Выдача домашнего задания.
Занятие по теме «Твердые диэлектрики» показало, что обучающиеся успешно усваивают материал, так как при работе им приходится включить в работу практически все виды памяти. Для них не является затруднением применять как начальные знания по теме, так и получения на последних уроках. У обучающихся проявляется активность в работе на уроках, что является стимулом для развития познавательного интереса.