Всё что нужно знать о газообразных диэлектриках

Диэлектрики — это класс материалов, обладающих крайне низкой способностью к пропусканию электрического тока. Диэлектрическими свойствами обладают вещества в различных агрегатных состояниях (твёрдом, жидком и газообразном). Большинство газов отличается высокими диэлектрическими параметрами, ввиду того что в них практически отсутствуют свободные носители электрического заряда, способные создавать ток при наличии электрического поля. Газообразные диэлектрики (ГД) находят своё применение в качестве изоляторов в различных электротехнических устройствах.

Примеры диэлектриков

Параметры газообразных диэлектриков

К основным параметрам и свойствам ГД относятся:

• Электропроводность.
• Напряжение пробоя в электрическом поле (однородном и неоднородном).
• Диэлектрическая проницаемость, значение которой близко к единице.
• Минимальный тангенс угла диэлектрических потерь.
• Восстановление диэлектрических свойств после разряда.

Параметры ГД

Применение в электротехнике

Среди множества возможных вариантов использования газов или газовых смесей в качестве диэлектриков на практике востребованы:

• Воздух.
• Азот.
• Водород.
• Элегаз (SF₆ — гексафторид серы).
• Фреоны — производные метана CH₄, этана C₂H₆, в которых водород замещён хлором или фтором, например, дихлорфторметан CCl₂F₂ (фреон-12).
• Инертные газы (гелий, ксенон, криптон, неон, аргон) в основном предназначены для наполнения электровакуумных устройств, радиоламп, газосветных трубок. Общая черта этих газов — низкий ионизационный потенциал, в силу чего они имеют низкий порог электрической прочности (у воздуха в 17 раз выше, чем у гелия).

В таблице приведены свойства некоторых газов относительно свойств воздуха:

Свойства некоторых газов                            

Область применения газообразных диэлектриков достаточно широка, благодаря их преимуществам перед другими видами электроизоляционных материалов, самым ценным среди которых считается способность газов восстанавливать электрическую прочность после разряда.

Характеристики и применение основных ГД

Воздух

Воздух представляет собой смесь нескольких газов, которые образуют атмосферу Земли.

Состав воздуха

Воздух выступает естественной изоляцией между токопроводящими частями электротехнических устройств и линий электропередач. К его недостаткам следует отнести:

• Окислительные свойства, обусловленные присутствием кислорода.
• Слабую электрическую прочность (низкое пробивное напряжение) в неоднородном электрическом поле. В герметичных устройствах не применяется.

Применение воздуха в качестве диэлектрика

Азот (N₂)

Азот без примесей применяют в качестве изолятора в электровакуумной технике, в герметичных высоковольтных конденсаторах, микроэлектронных устройствах и трансформаторах.

Водород (Н2)

Основное преимущество водорода — большое значение теплопроводности (в шесть раз больше аналогичного параметра воздуха). Данное свойство позволяет эффективно снижать потери на вентиляцию (охлаждение). В результате значительно увеличивается срок эксплуатации твёрдой изоляции, исключаются процессы окисления.

Применение ГД

Элегаз

Элегаз — это сокращенное наименование от «электрический газ», химическая формула которого SF₆ (шестифтористая сера или гексафторид серы). Уникальные диэлектрические свойства SF₆ в сочетании с другими параметрами первым обнаружил и исследовал российский учёный Б. М. Гохберг.

Основные достоинства:

• Пробивное напряжение (электрическая прочность) этого газа в 2.5 раза превышает аналогичный параметр воздуха.
• Отсутствие токсичности.
• Химическая стойкость.
• Низкая горючесть.
• Малая электрическая ёмкость.
• Высокие охлаждающие свойства.
• Возможность создания малогабаритных устройств.
• Способность выдерживать нагрев до 800 градусов.
• Плотность — 6.39 кг/куб. м.
• Диэлектрическая проницаемость — 1.00191.

Главный недостаток — высокая цена. В целях удешевления конечных изделий в элегаз добавляется азот или фреон.

Сферы применения:

• Дугогасящий, изолирующий материал для создания среды в кабелях, конденсаторах, высоковольтных переключателях, мощных трансформаторах, рентгеновских трубках.
• Контроль показателей герметичности при производстве микросхем.

Использование элегазовой изоляции

В дополнение к перечисленным достоинствам элегаз обладает следующими полезными свойствами:

• Химическая инертность.
• Взрывобезопасность.
• Низкая температура сжижения.
• Способность противостоять разложению при воздействии разрядов.
• Отсутствие вредного воздействия на человека.

Набор полезных свойств элегаза оказался востребован в технологиях электроизоляции. Возможность применения элегаза под давлением в несколько атмосфер позволила создавать более компактные электроустановки:

• Конденсаторы.
• Кабели.
• Выключатели.
• Малогабаритные закрытые распределительные устройства (ЗРУ) на напряжение 110 кВ и выше.

Элегаз существенно превосходит воздух по величине электрической прочности и параметру дугогасящей способности. Все эти свойства стимулируют значительные инвестиции в производство элегазовых выключателей и распредустройств, короткозамыкателей, разъединителей, трансформаторов напряжения и тока.

Перспективным направлением считается применение элегаза в высоковольтных кабелях, которые по сравнению с масляно-бумажными имеют низкую электрическую ёмкость и диэлектрические потери. Такие параметры обеспечивают возможность передачи больших мощностей.

Применение элегаза

Масштабное использование элегаза наблюдается за рубежом, в частности в Японии. Основная причина заключается в том, что он позволяет в десять и более раз уменьшить габариты распредустройств.

Фреон

Химическая формула фреона — CCl₂F₂. Электрическая прочность фреона практически равна  электрической прочности элегаза. Главный его недостаток — высокая температура кипения, равная -30.5 градусов, в связи с чем при нормальной температуре можно добиться его сжатия без сжижения только до 0.6 МПа. Кроме того, фреон активирует процессы коррозии у электроизоляционных материалов на основе твердых органических веществ, что необходимо учитывать при проектировании электротехнических устройств.

К достоинствам всех газов следует отнести стабильность физических свойств, то есть, они не ухудшаются с течением времени. Воздух, водород, элегаз, азот, фреон и ряд инертных газов применяются в  зависимости от требований, предъявляемых к конкретному классу устройств.

Видео по теме