Свойства жидких диэлектриков

К диэлектрикам относятся все вещества (природные и синтетические), блокирующие пропускание электрического тока. Такой способностью обладают материалы в разных агрегатных состояниях (твёрдом, газообразном и жидком). Электроизоляционные свойства диэлектриков востребованы в случаях, когда необходимо исключить (или минимизировать) утечку электрических зарядов, то есть, изолировать электрические цепи друг от друга или предотвратить контакт аппаратных цепей с корпусом прибора или «землёй». Жидкие по консистенции диэлектрики применяются в основном для нейтрализации (гашения) электрических разрядов в высоковольтных устройствах.

Параметры жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрики (ЖД) — это молекулярные жидкости с удельным сопротивлением ρ > 10⁸ Ом*м, в которых между молекулами действуют силы Ван-дер-Ваальса. Атомы в молекулах удерживаются с помощью ковалентных связей. Необходимые диэлектрические свойства имеют:

• Дистиллированная вода.
• Насыщенные углеводороды.
• Ароматические углеводороды.
• Хлорированные и фторированные углеводороды.
• Кремнийорганические соединения.
• Сжиженные газы.
• Расплавы халькогенидов.

К параметрам жидких диэлектриков предъявляются следующие требования:

• отсутствие токсичности;
• экологическая безопасность;
• минимальная вязкость;
• низкая температура перехода в твёрдое состояние (застывание);
• стабильность параметров при пониженных температурах;
• хорошая смачиваемость полипропиленовых плёнок.

Физический смысл параметров диэлектрических жидкостей:

• Плотность ρ — масса жидкости в 1 куб. см или 1 куб. м.
• Удельное сопротивление (тоже обозначается ρ — греч.) — сопротивление столба (или отрезка) жидкости единичной длины с поперечной площадью 1 кв. см или 1 кв. м. В системе СИ единица измерения ρ — Ом*м.
• Электрическая прочность — значение напряжённости электрического поля, при котором возникает пробой, то есть, резкий, лавинообразный рост тока. Единица измерения — В/см.
• Диэлектрическая проницаемость ε — коэффициент, присутствующий в формуле закона Кулона, показывающий степень ослабления силы взаимодействия зарядов, находящихся в конкретном веществе.
• Диэлектрические потери tgδ характеризуют потери энергии непостоянного электрического поля определённой частоты. В зависимости от физического механизма поляризации часть энергии идёт на нагревание диэлектрика.
• Температура застывания Т_застыв характеризует холодостойкость, то есть, температуру, при которой жидкость твердеет.
• Кислотное число — величина, демонстрирующая способность ЖД провоцировать коррозию, а также показывающая степень чистоты. Измеряется числом миллиграмм едкого калия, необходимого для нейтрализации кислот, присутствующих в 1 г ЖД.
• Температура вспышки паров — температура, при достижении которой

нагретые пары и газы вспыхивают при контакте с искрой пламени. Параметр представляет особую важность для оценки качества трансформаторного масла.

• Допустимая температура эксплуатации.

Для чего нужны жидкости-диэлектрики

Основное назначение ЖД — защита электротехнической аппаратуры от нежелательных электрических разрядов, способных вызвать возгорания и выход из строя элементов электрических цепей. Диэлектрические жидкие материалы используются в качестве изоляторов в:

• высоковольтных трансформаторах;
• высоковольтных конденсаторах (пропитка);
• высоковольтных кабелях;
• распределительных устройствах.

Жидкий диэлектрик применяется также в качестве охлаждающей жидкости в турбогенераторах, масляных трансформаторах и выпрямительных установках.

Классификация жидких диэлектриков

Жидкие диэлектрические материалы классифицируют по таким признакам:

• По степени горючести (горючие или негорючие).
• По назначению (для кабелей, трансформаторов, конденсаторов и тому подобное).
• По химическому составу.
• По максимально допустимой рабочей температуре.

По химическому «происхождению» диэлектрические жидкости разделяют на три большие группы:

• Нефтяные электроизоляционные масла — горючие жидкости, обладающие высокой степенью пожароопасности. Трансформаторное масло относится к неполярным диэлектрикам. Напряжение пробоя при частоте 50 Гц лежит в диапазоне 50-60 кВ. Для увеличения срока эксплуатации в масла вводятся синтетические ингибиторы, которые увеличивают срок эксплуатации масла в 2-3 раза. Эти масла заполняют пространство между обмоточными проводами, улучшают изоляционные свойства и способствуют отводу тепла. Они также используются в высоковольтных выключателях.
• Конденсаторные масла производятся из нефти, но имеют более высокую степень вакуумной очистки (с целью нейтрализации посторонних газовых включений), что позволяет довести диэлектрические потери до tgδ = 2.0*10^-4.
• Растительные масла имеют натуральное происхождение. Практически не находят применения в высоковольтной изоляции и приборах военного назначения.

Синтетические жидкие диэлектрики применяются там, где использование нефтяных масел недопустимо ввиду повышенных требований к пожарной и взрывной безопасности. Классификация синтетических ЖД подразумевает такие виды:

• Хлорированные углеводороды (ХУВ) используются в качестве пропиточной жидкости в силовых трансформаторах. Главный недостаток данного вида ЖД — токсичность (из-за присутствия хлора). Поэтому его использование в некоторых странах законодательно запрещено.
• Фторорганические жидкости (ФОСЖ) имеют минимальную гигроскопичность (наличие воды), полное отсутствие горючести, незначительный tgδ (от 0.6*10^-4), повышенную нагревостойкость — более 200 градусов, напряжение пробоя — 30.0-49.0 кВ, удельное сопротивление — 10¹² Ом*м, диэлектрическую проницаемость — 2.26-2.7. Используются в аппаратуре, находящейся в помещениях с повышенной пожарной и взрывоопасностью.
• Кремнийорганические (полиорганосилоксановые) жидкости (ПОСЖ) — это полимеры с низкой степенью полимеризации. Молекулы содержат силоксановые группы, представляющие собой атомы кремния, сцепленные с органическими радикалами. Кремнийорганические жидкости — это неполярные диэлектрики. Применяются в импульсных трансформаторах, электронной аппаратуре и конденсаторах специального назначения. Обладают минимальным tgδ (1.0-3.0*10^-4), рекордно-низкой температурой замерзания (до -60 градусов), антиокислительной стойкостью. ПОСЖ сохраняют электроизоляционные свойства до температуры 250 градусов. Диэлектрическая проницаемость ε = 2.5-3.3. Вязкость данных жидкостей ниже, чем у ХУВ.

Классификация по допустимой температуре учитывает особенности эксплуатации ЖД:

• До 70 градусов — масла на основе нефти в конденсаторах.
• До 95 — трансформаторные масла на основе нефти, углеводороды хлорированные для конденсаторов.
• До 135 — хлорированные и синтетические углеводороды, эфиры органической, кремниевой, фосфорной кислот.
• До 200 — хлор (или фтор) органосилоксаны, фторуглероды.
• До 250 —отдельные полиорганосилоксаны и полифилэфиры.

Проводимость жидкостей зависит от ионизации молекул и наличия примесей. Электрическая прочность жидкости уменьшается при наличии в ней различных микрочастиц, микропузырьков воздуха и воды. Чтобы повысить электропрочность, прибегают к очистке, используя дистилляцию, частичную кристаллизацию, адсорбцию, ионный обмен.

Видео по теме