Механические свойства диэлектриков кратко

Обновлено: 02.07.2024

Электротехническая аппаратура может работать в различных условиях, поэтому при выборе электроизоляционных материалов для ее изготовления учитывают как электрические параметры, так и механические, тепловые и физико-химические свойства, а правильный выбор их обеспечивает надежность и долговечность работы диэлектриков.

Основными механическими характеристиками являются прочность при растяжении, сжатии, изгибе, удельная ударная вязкость, вибро прочность.

Простейшие виды статические механических нагрузок - растягивающих, сжимающих и изгибающих - изучаются на основании элементарных закономерностей, известных из курса сопротивления материалов.

Значения пределов прочности при растяжении (σ_р), сжатии (σ_с) и изгибе (σ_и) в системе СИ выражаются в паскалях (Н/м 2 ).

Ударную вязкость (σ_уд) материала находят делением затраченной на излом образца энергии А на площадь поперечного сечения образца. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м 2 .

В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций. Такая проверка проводится на вибростендах.

К основным тепловым характеристикам относятся температура вспышки паров, температура плавления, температура размягчения, теплостойкость, морозостойкость, нагревостойкость, температурные коэффициенты.

Температура вспышки - это такая температура, при которой смесь паров жидкого диэлектрика с воздухом вспыхивает от приближения небольшого открытого пламени, от искры и т. д. Она определяется с помощью прибора ПВНО (прибор вспышки - нагрева огневой) или ПВНЭ (прибор вспышки - нагрев электрический).

Если для кристаллических материалов основным тепловым параметром является температура плавления, то для аморфных веществ аналогичной характеристикой является температура размягчения. При размягчении происходит снижение механической прочности и постепенная деформация изделий. Одним из весьма распространенных параметров, характеризующих способность материала сохранять форму при нагреве и механических нагрузках, является теплостойкость по Мартенсу.

Морозостойкость определяет способность материала противостоять действию низких температур.

Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры, а также резких изменений температуры называется нагревостойкостью. Материалы, употребляемые для изоляции электрических машин и аппаратов, по величине длительно допустимой рабочей температуры подразделяются на семь классов нагревостойкости, которые следует изучить.

Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К -1 .

Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.

Следует изучить следующие физико-химические характеристики диэлектриков: вязкость жидких диэлектриков, кислотное число, химическую стойкость, влагостойкость, радиационную стойкость, тропическую стойкость.

Вязкость является важным параметром жидких диэлектриков. Она измеряется вискозиметром. Сущность определения сводится к тому, что из сосуда через калиброванное отверстие в его дне выпускается определенный объем испытуемого материала и точно измеряется время истечения.

^ Кислотное число характеризует содержание в материале свободных кислот, которые вызывают коррозию соприкасающихся с ним металлов. Его величина определяется количеством едкого кали КОН, требующимся для нейтрализации всех свободных кислот, содержащихся в 1 г испытуемого материала.

При работе материалов в химически активных, агрессивных средах разрешающее воздействие на разные материалы может быть сильным. Для работы в таких условиях, в зависимости от их природа, материалы должны обладать определенной химической стойкостью, которая определяется аналогично влагостойкости по изменению массы, размеров, механических и электрических параметров.

Для испытания на тропикостойкость материалы и изделия из них выдерживают при температуре 40-50°С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков.

Радиационной стойкостью называется способность электроизоляционного материала без повреждений и без существенного изменения практически важных свойств выдержать воздействие радиационных излучений.

Газообразные диэлектрики.

В числе газообразных диэлектриков, прежде всего, должен быть упомянут воздух, который в силу своей всеобщей распространенности даже помимо нашей воли часто входит в состав электрических устройств и играет в них роль электрической изоляции, дополнительной к твердым или жидким электроизоляционным материалам. В отдельных частях электрических установок, например на участках воздушных линий электропередачи между опорами, воздух образует единственную изоляцию между голыми проводами линии. При недостаточно тщательно проведенной пропитке изоляции электрических машин, кабелей, конденсаторов в ней могут оставаться воздушные включения, часто весьма нежелательные, так как они при высоком рабочем напряжении изоляции могут стать очагами образования ионизации.

Элегаз примерно в 5,1 раза тяжелее воздуха и обладает низкой температурой кипения, он может быть сжат (при нормальной температуре) до давления 2 МПа без сжижения. Элегаз не токсичен, химически стоек, не разлагается при нагреве до 800°С, его с успехом можно использовать в конденсаторах, кабелях и т.п. Особенно велики преимущества элегаза при повышенных давлениях.

Дихлордифторметан CCl₂F₂, так называемый фреон, имеет электрическую прочность, близкую к электрической прочности элегаза, но его температура кипения всего лишь 242,7 К (-30,5°С), и он при нормальной температуре может быть сжат без сжижения лишь до 0,6 МПа. Фреон вызывает коррозию некоторых твердых органических электроизоляционных материалов, что надо иметь в виду при конструировании электрических холодильников.

Даже небольшая примесь к воздуху элегаза, фреона, перфторорганических газов или паров заметно повышает его электрическую прочность, что используется в некоторых электрических устройствах высокого напряжения.

Значительный интерес для электротехники представляет водород. Это очень легкий газ, обладающий весьма благоприятными свойствами для использования в качестве охлаждающей среды вместо воздуха (водород характеризуется высокими значениями удельной теплопроводности и теплоемкости). При использовании водорода охлаждение вращающихся электрических машин существенно улучшается. Кроме того, при замене воздуха водородом заметно снижаются потери мощности на трение ротора машины о газ и на вентиляцию, так как эти потери приблизительно пропорциональны плотности газа. Вследствие отсутствия окисляющего действия кислорода воздуха замедляется старение органической изоляции обмоток машины и устраняется опасность пожара в случае короткого замыкания внутри машины. Наконец, в атмосфере водорода улучшаются условия работы щеток.

Жидкие диэлектрики.

Жидкие диэлектрики это:

жидкости с низкой электропроводностью (10 –10 Ом –1 ·см –1 ). Используются в электротехнике как изоляционные материалы, наибольшее применение имеют минеральные масла (в трансформаторах, конденсаторах и т. д.).

Под действием механических напряжений ( ) материал деформируется. При небольших выполняется закон Гука – относительная деформация ( ) прямо пропорциональна :

или компоненты напряжения являются линейными функциями компонент деформации:

(по повторяющимся индексам предполагается суммирование).

Здесь коэффициенты пропорциональности называются упругими податливостями, а – упругими жесткостями или упругими константами.

Деформации (как и напряжения ) являются тензорами второго ранга с компонентами (k, l =1, 2, 3):

которые для краткости записываются с одним индексом i , равным 1, 2, 3, 4, 5, 6.

Здесь деформации , , означают растяжение или сжатие вдоль осей 1, 2 или 3, т.е. относительные изменения длины по трем направлениям; – сдвиг по оси 2 относительно оси 3, т.е. изменение угла между осями 2 и 3; – сдвиг по оси 1 относительно оси 3; – сдвиг по оси 1 относительно оси 2 (рис. 4.70).

Упругие константы ( ), измеряемые в паскалях (Па), как и , измеряемые в метрах квадратных на ньютон (м 2 /Н), являются тензорами 4-го ранга, имеющими в общем случае 21 независимую компоненту для одного вещества. Ввиду симметрии кристаллов число независимых компонент их упругих констант обычно меньше 21. Например, гексагональные кристаллы имеют 5 независимых констант, а кубические – 3.

Изотропные среды описываются всего двумя независимыми упругими константами:

или коэффициентом Пуассона

С помощью упругих констант определяют деформируемость материала и скорость звука в нем.

Закон Гука линейной связи деформации с напряжением сохраняется лишь в определенных пределах. С некоторого значения напряжения деформация растет быстрее, чем по линейному закону (рис. 4.71). Происходит холодное пластическое течение материала, при этом после снятия напряжения форма образца не восстанавливается. Напряжение называют пределом текучести. Дальнейшее повышение механического напряжения приводит к разрушению образца при напряжении , называемом пределом прочности.

В таких материалах, как стекла, керамика, пластическая деформация не наблюдается, и образец разрушается сразу:

Эти вещества называют хрупкими. Хрупкие материалы легко разрушаются под действием динамических нагрузок, вибраций. Во многих полимерах, наоборот, участок пластической деформации ( ) очень широк – они могут вытягиваться в десятки раз. Такие вещества называют пластичными.

Прочность материалов характеризуют пределами прочности при растяжении ( ), сжатии ( ), изгибе ( ). Для металлов все три предела прочности близки, но для диэлектриков могут сильно отличаться:

Пределы прочности измеряются в единицах механического напряжения – паскалях (Па). Механическая прочность зависит от типа связей молекул вещества: она максимальна в кристаллах с ковалентной связью и минимальна в кристаллах с молекулярной связью. Максимальная рабочая температура полимеров, например, определяется ухудшением не электрических свойств, а механической прочности – полимер становится текучим при малейших нагрузках. Наоборот, при низких температурах полимеры теряют свойство текучести, и для них становится характерным хрупкое разрушение, ограничивающее возможности их применения, например в гибких кабелях.

Многие материалы хрупки. Они, обладая сравнительно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими, т.е. внезапно прилагаемыми усилиями. Распространенным приемом для оценки способности материала сопротивляться действию динамических нагрузок является испытание на ударный изгиб (определение удельной ударной вязкости). Удельную удар

ную вязкость ( ) материала находят делением затраченной на излом образца энергии на поперечное сечение образца. Удельная ударная вязкость измеряется в джоулях на метр в квадрате (Дж/м 2 ). Очень высокой удельной ударной вязкостью обладает полиэтилен, не ломающийся при кДж/м 2 ; для керамических материалов и микалекса составляет всего 2…5 кДж/м 2 .

В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, т.е. повторяющихся колебаний определенной частоты и амплитуды. Такая проверка чаще всего производится на готовых изделиях, которые для этой цели крепят на платформах (вибростендах), подвергающихся вибрациям по заданному режиму от соответствующего приводного механизма. Определение вибрационной стойкости важно, например, для изоляции самолетного электро- и радиооборудования.

Твердость, т.е. способность поверхностного слоя материала противостоять деформации от сжимающего усилия, передаваемого через посредство предмета малых размеров, имеет для диэлектриков менее существенное значение. Твердость определяется различными методами: для неорганических материалов – по минералогической шкале, для органических диэлектриков – по способу Бринелля и маятником Кузнецова.

Эластичность

Для многих диэлектриков важной механической характеристикой является эластичность, т.е. способность материалов испытывать более или менее значительные упругие обратимые деформации без разрушения при действии небольших растягивающих усилий.

Для жидких и полужидких электроизоляционных материалов, масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов и т.п. важной характеристикой является вязкость.

Динамическая вязкость, или коэффициент внутреннего трения жидкости, представляет собой величину, входящую в целый ряд законов гидродинамики. Так, количество (объем) жидкости с динамической вязкостью η, протекающее за время τ под действием давления р сквозь капилляр длиной l и радиусом r, по закону Пуазейля равно:

Скорость движения твердого шарика радиуса r в неограниченной среде с динамической вязкостью η под влиянием непрерывно воздействующего на шарик небольшого усилия F постоянна и имеет значение, определяемое законом Стокса:

Кинематическая вязкость равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности:

Вязкость всех веществ, не претерпевающих при нагреве химических изменений, сильно уменьшается при повышении температуры (рис. 4.72).

Как правило, закон изменения вязкости с температурой соответствует уравнению экспоненты:

где А – постоянная, характеризующая данную жидкость; W – энергия активации, равная работе перехода молекулы из одного устойчивого положения в другое. Единицы для измерения вязкости известны из курса физики.

Если требуется определить вязкость жидкости с небольшим временем истечения, то пользуются вискозиметром типа ВЗ, разработанным для измерения вязкости электроизоляционных лаков (рис.4.73). Испытуемая жидкость заливается до краев в металлическую конусообразную воронку 3. Избыток жидкости переливается в круговой желобок 2. Наружный конус 4, наполняемый теплой водой, образует водяную рубашку; температура воды и испытуемой жидкости измеряется термометрами. Прибор крепится на штативе 6. Открывают кран 5 выпускного отверстия, измеряют по секундомеру время истечения (в секундах) 100 мл жидкости. Это время и принимается за меру вязкости.

Вискозиметр ВЗ-4 имеет объем воронки 100 мл; диаметр сопла 4 мм, высоту сопла 4 мм. Воронка заливается до краев испытуемым лаком с температурой 20 °С. При определении конца истечения секундомер останавливают в момент первого появления прерывающейся струи. Этот вискозиметр используется для испытания лаков со временем истечения 20…150 с.

4.2.2. Тепловые свойства диэлектрика

Нагревостойкость

Весьма важна способность электрической изоляции выдерживать повышенную температуру без существенного уменьшения эксплуатационной надежности, так как от этого зависит наивысшая допустимая рабочая температура прибора или устройства. Для электрических машин и аппаратов повышение температуры, которое обычно лимитируется свойствами материалов электрической изоляции при заданной мощности, связано с возможностями уменьшения габаритных размеров, массы и стоимости изделия. Уменьшение массы и габаритных размеров особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрооборудования и других передвижных устройств. От допустимой температуры зависят пожарная безопасность и взрывобезопасность (в масляных хозяйствах электрических подстанций, в электрооборудовании для нефтяной и угольной промышленности и др.).

В электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в источниках света и многих, электронных и ионных приборах и т.п. необходимость высокой рабочей температуры изоляции обусловлена особенностями работы

устройства. У одних материалов при повышенных температурах недопустимо ухудшаются механические свойства, в других электрические (ρ, tgδ и др.).

У аморфных материалов (стекла, смолы и пр.) резко выраженной температуры плавления (Т_пл), нет, а температуру размягчения (T_p_азм) определяют с помощью различных условных приемов. С приближением к температуре размягчения в эксплуатационных условиях возможно сильное снижение механической прочности и постепенная деформация изделий.

У некоторых материалов при нагреве могут наблюдаться химическое разложение, обугливание, интенсивное окисление и даже горение. В ряде случаев при сохранении механической прочности и целостности изоляции диэлектрические свойства ее ухудшаются настолько, что делают работу изоляции при повышенной температуре невозможной. Такие изменения качества изоляции могут проявляться и при кратковременном повышении температуры.

Помимо ухудшения качества электрической изоляции, которое проявляется уже при кратковременном повышении температуры, при длительном воздействии повышенной температуры могут наблюдаться нежелательные изменения за счет медленно протекающих химических процессов – так называемого теплового старения изоляции. У трансформаторного масла старение проявляется в образовании продуктов окисления, у лаковых пленок – в повышении жесткости и хрупкости, образовании трещин и отставании от подложки и т.п.

Кроме температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать: повышение давления воздуха или концентрации кислорода, наличие в окружающей среде озона, являющегося еще более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется при освещении образца ультрафиолетовыми лучами, при воздействии электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Для ряда электроизоляционных материалов, особенно хрупких (стекла, керамика и т.д.), важна стойкость к резким сменам температуры (термоударам). При внезапном нагреве или охлаждении поверхности изделия из хрупкого материала, например, стекла, вследствие неравномерного распределения температур в приповерхностном слое материала возникают температурные напряжения, которые могут явиться причиной растрескивания. В случае быстрого нагрева (рис. 4.74, а) приповерхностный слой стекла стремится расшириться, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться, и в сечениях хх создаются напряжения сжатия. Если же поверхность внезапно охлаждается (рис. 4.74, б), то вследствие теплового сокращения поверхностного слоя создается тенденция к расслоению соседних участков поверхностного слоя. Так как у стекол прочность на разрыв много меньше прочности на сжатие, то внезапное внешнее охлаждение более опасно для них, чем быстрый нагрев.

Допустимый для эксплуатации материала или изделия температурный режим может определяться различными факторами.

В результате испытаний устанавливают стойкость материала к тепловым воздействиям. Способность электроизоляционных материалов и изделий без ущерба для них как кратковременно, так и длительно выдерживать высокую температуру, а также резкую смену температур, называют нагревостойкостью.

Материалы, применяемые для изоляции электрических устройств с учетом их нагревостойкости (при длительном воздействии нагрева), подразделяют на классы нагревостойкости; причем для каждого класса устанавливают определенную максимальную рабочую температуру.

К классу Y относится изоляция из непропитанных и не погруженных в жидкий диэлектрик волокнистых материалов на основе целлюлозы (древесина, бумага, картон, фибра, хлопчатобумажное волокно, гидратцеллюлозное и ацетилцеллюлозное волокно), натурального шелка и полиамидов, а также поливинилхлорид и вулканизированный натуральный каучук.

Таблица 4.2 Классы нагревостойкости материалов, применяемых для изоляции электрических устройств

Прочность-способность материала противостоять внешним силам без разрушения. Свойства этого материала характеризуются значениями прочности на растяжение (пр), сжатие (ПС) и изгиб (ПИ), чаще всего выраженными в кгс/см2 или единицах Си-ПА;1 кгс / см2 ″ 1 МПа: пр=ПП/л;= = Пжфо;=1,5;в-ширина; Н-высота бруска. П

ри измерении PR можно одновременно определить величину удлинения 8 (или D////) 100% материала до разрыва. Людмила Фирмаль

В металлах значения PR, PS и PI находятся в одинаковом порядке, поэтому механическая прочность обычно характеризуется только пределом прочности при растяжении, а диэлектрическая (неорганическое стекло, керамика, пластик и др.) запахи) переменного тока, как правило, или и ОИ (например, кварцевые стекла ПС-2,103 и ПР-50мпа, поэтому применяется их механическая прочность (МПа). значения механической прочности сильно зависит от направления приложенной нагрузки.

Механическая прочность диэлектрика зависит от температуры, и ее рост, как правило, уменьшается. Многие диэлектрики обладают пластичностью-способностью необратимо деформироваться без разрушения под действием внешних сил. Пластичность возрастает с повышением температуры.

Некоторые материалы (например, PTFE) могут деформироваться при длительном воздействии небольших механических нагрузок; это явление называется холодным потоком. Для некоторых диэлектриков твердость и эластичность являются важными характеристиками. Твердость — это способность материала противостоять проникновению более твердых предметов и определяется в соответствии с природой диэлектрика различными методами(по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Полди, Шору и микротвердости).

Упруго-эластичный) — свойство материала, проявляющего упругую (обратимую) деформацию без разрушения под действием малых сил. Эластичность является обратной стороной пластичности. 160 при динамической нагрузке материал характеризуется своей удельной вязкостью (ударный изгиб). Вязкость-способность материала выдерживать ударные нагрузки. Это свойство является обратным хрупкости, поэтому пуд фактически указывает на степень хрупкости материала. Величину фактического пуд можно измерить кгс см/см2(или кгс/см) или единицами Си-Дж/м2 (1 кгс см/см2 1 кДж/м2). Высокий UD имеет PE UD превышает 100kJ / m2, micalexa od=2-5kJ / m2. При знакопеременных нагрузках прочность материала характеризуется усталостной прочностью—

величиной максимального напряжения, которое материал может выдержать без разрушения при заданном числе изменений нагрузки (циклов). Людмила Фирмаль

Динамическая вязкость t / — это внутренний коэффициент трения жидкости. Кинематическая вязкость V равна отношению динамической вязкости к плотности г жидкости: v=i\ / d. (6.2)в СИ Кинематическая вязкость измеряется в ПА с, а динамическая-в м2 / С. Условная вязкость измеряется с помощью шарикового или капиллярного вискозиметра, воронки ниилка, вискозиметра Энглера и др. Соотношение между кинематической вязкостью v и условной вязкостью равно°e и выглядит следующим образом: v=0.073°e-0.063/°E. (6.3) вязкость сильно зависит от температуры и уменьшается с ее увеличением.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Поскольку детали из электроизоляционных материалов подвергаются воздействию механических нагрузок, большое практическое значение имеют механическая прочность этих материалов и способность их не деформироваться от механических напряжений.

Прочность на разрыв, сжатие и изгиб.Значения пределов прочности при растяжении (σ_р), сжатии (σ_с) и изгибе (σ_и) в системе единиц СИ выражаются в Паскалях (Н/м 2 ). Так как в практике еще очень распространено выражение пределов прочности в кгс/см 2 , а 1 Па ≈ 10 -5 кгс/см 2 , то для перевода в паскали численных значений механических прочностей, выраженных в кгс/см 2 , их надо умножить примерно на 10 5 .

Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых,
волокнистых и т. п.) значения механической прочности сильно зависят от на-
правления приложения нагрузки. Важно отметить, что для ряда диэлектриков
(стекол, керамических материалов, многих пластмасс и др.) предел прочности
при сжатии значительно больше, чем при разрыве и изгибе. Так, например, у кварцевого стекла при сжимающих напряжениях можно получить σ_с ≈200 МПа,
а при растяжении σ_р - всего около 50 МПа.

Механическая прочность ряда диэлектриков сильно зависит от площади
поперечного сечения образцов.

Механическая прочность электроизоляционных материалов сильно зависит
от температуры, как правило, уменьшаясь с ее ростом.

Определение предела прочности и относительной деформаций при разрушении дает некоторое представление о механической прочности материала и его
способности деформироваться под нагрузкой (о пластических свойствах матери-
ала). Однако эти испытания еще не дают исчерпывающих сведений о поведении
материала во многих практически важных случаях механической нагрузки. Так,
для некоторых материалов (в особенности термопластичных) характерна способность при длительном воздействии сравнительно малых нагрузок давать заметные деформации. Это так называемое пластическое, или холодное, течение материала. Пластическое течение весьма нежелательно, если изделие в эксплуатации должно длительно сохранять неизменными форму и размеры. При повышении температуры и приближении ее к температуре размягчения данного материала пластическое течение материала сильно увеличивается.

Многие материалы хрупки, т. е., обладая сравнительно высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими (внезапно прилагаемыми) усилиями.

Распостраненый прием для оценки способности материала сопротивляться действию динамических нагрузок — испытание на ударный изгиб (определение ударной вязкости). Ударную вязкость σ_уд материала находят делением затраченной на излом образца энергии А на площадь поперечного сечения образца S. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м 2 . 1 Дж/м 2 ≈ 10 -3 кгс·см/см 2 .
Поэтому для сохранения неизменными численных значений ударной вязкости,
часто выражаемых на практике в кгс-см/см 2 , их удобно приводить в кДж/м 2 .

Очень высокой ударной вязкостью обладает полиэтилен, у которого σ_уд превышает 100 кДж/м 2 ; для керамических материалов и микалекса σ_уд составляет
всего 2—5 кДж/м 2 .

В ряде случаев проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, т. е. повторяющихся колебаний определенной частоты и амплитуды. Такая проверка чаще всего производится на готовых изделиях, которые для этой цели крепятся на платформах (вибростендах), подвергающихся вибрациям по заданному режиму от соответствующего приводного механизма. Определение вибропрочности важно, например, для изоляции ракетного и самолетного
электрооборудования.

Твердость, т. е. способность поверхностного слоя материала противостоять деформации от сжимающего усилия, передаваемого посредством предмета малых размеров, имеет для диэлектриков менее существенное значение и определяется различными методами: для неорганических материалов — по минералогической шкале Мооса, для органических диэлектриков — по способу Бринелля или с помощью маятника Кузнецова.

Для жидких и полужидких электроизоляционных материалов, масел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов и т. п. важной механической характеристикой является вязкость.

Динамическая вязкость, или коэффициент внутреннего трения, жидкости
представляет собой величину, входящую в целый ряд законов гидродинамики
вязких сред, а именно в закон Пуазейля — истечения вязких жидкостей через капиллярные трубки, в закон Стокса — движения шарика в вязкой среде под
действием небольшой постоянной силы. Динамическая вязкость η в системе СИ
измеряется в Паскалях, умноженных на секунды. В системе единиц СГС динамическая вязкость выражается чаще всего в сантипуазах (сП):

1Па.с=10 П =1000 сП.

Кинематическая вязкость ν равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности:

В системе СИ кинематическая вязкость измеряется в м 2 /с,. 1 м 2 /с = 10 4 Ст
(стокс—единица кинематической вязкости в системе СГС).

Вязкость всех веществ, не претерпевающих при нагреве химических изменений, сильно уменьшается с повышением температуры.

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся нагревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое расширение.

В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому способу нагревостойкость пластмасс и подобных материалов характеризуют таким значением температуры, при котором изгибающее напряжение 5 МПа вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Как видим, метод
Мартенса является условным методом определения кратковременной нагревостойкости по изменению механических свойств материала. Для различных диэлектриков по этому методу получаются следующие численные значения:

Эбонит . . . ………..65—75° С
Полистирол ……….70—85° С
Гетинакс …………..150—180° С

В качестве примера употребляющегося в практике способа оценки температуры размягчения электроизоляционных материалов можно отетить способ кольца и шара. Испытуемый материал (битум или другие подобные ему пластичные легкоплавкие вещества) заливают в металлическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра; отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается, что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо. Легко видеть, что этот способ определения температуры размягчения и ему подобные в значительной мере условны, так как форма и размеры образца, характер и значение механической нагрузки, скорость возрастания температуры и предельные деформации выбираются произвольно.

Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до которой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пламени. Температура воспламенения— еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Эти характеристики представляют особый интерес при оценке качества трансформаторного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электроизоляционных лаков.

Вопрос о наивысшей допустимой рабочей температуре решается на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.

Если ухудшение качества изоляции может обнаружиться лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие медленно протекающих химических процессов, это явление называют тепловым старением изоляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлюлозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования трещин и т. п. Для проверки стойкости электроизоляционных материалов к тепловому
старению образцы этих материалов длительно выдерживают при сравнительно невысокой температуре, не вызывающей немедленного разрушения материала. Свойства образцов, старевших определенное время, сравнивают со свойствами исходного материала.

Согласно ГОСТу предусматривается разделение электроизоляционных материалов для электрических машин, трансформаторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для, которых фиксируются наибольшие допустимые рабочие температуры при использовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение ряда лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях:

Класс нагревостойкости . . Y А Е В F Н С
Наибольшая допустимая ра-
бочая температура, °С . 90 105 120 130 155 180 Более 180

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина и т. п.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный материал.

К классу А относятся те же самые органические волокнистые материалы, если они работают в готовой изоляции, будучи пропитаны лаками либо компаундами или же погружены в жидкий электроизоляционный материал, т. е. защищены от непосредственного соприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов (провод с хлопчатобумажной изоляцией
в пропитанной лаком обмотке электрической машины или же и погруженной в электроизоляционное масло обмотке маслонаполненного трансформатора; лакоткани на хлопчатобумажной или шелковой основе и масляных или битумно-масляных лаках; лакобумаги на тех же лаках). К классу А относятся также ацетобутиратцеллюлозные и полиамидные пленки, литые полиамидные смолы,

изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных и поливинилацеталевых лаках и т. п.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолоформальдегидных и подобных им смол (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнением древесной мукой и т. п.), полиэтилентерефталатные пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды, изоляция эмалированных проводов на поли уретановых и эпоксидных лаках и т. д. Таким образом, к классам нагревостойкости Y, А и Е относятся главным образом чисто органические электроизоляционные материалы.

В класс В входят материалы, для которых характерно большое содержание неорганических компонентов, например щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами; таковы большинство миканитов (в том числе с бумажной или тканевой органической подложкой), стеклолакоткани, стеклотекстолита на фенолоформальдегидных термореактивных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями и т. п.

К классу F принадлежат миканиты, изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой, с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости; эпоксидных, термореактивных полиэфирных, кремнийорганических.

Материалы класса Н получаются при использовании кремнийорганических смол особо высокой нагревостойкости.

К классу нагревостойкости С относятся чисто неорганические
материалы, совершенно без склеивающих или пропитывающих органических составов. Таковы слюда, стекло и стекловолокнистые материалы, кварц, асбест, микалекс, непропитанный асбоцемент, шифер, нагревостойкие (на неорганических связующих) миканиты и т. п. Из всех органических электроизоляционных материалов к классу нагревостойкости С относятся только политетрафторэтилен (фторопласт-4) и материалы на основе полиимидов (пленки, волокна, изоляция эмалированных проводов и т. п.).

Во многих случаях эксплуатации изоляции важна холодостойкость, т. е. способность изоляции работать без ухудшения эксплуатационной надежности при
низких температурах, например от —60 до —70° С. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных материалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляцией проводниках и магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопроводность материалов характеризуют теплопроводностью γ_Т, входящей в уравнение Фурье

где ΔР_Т – мощность теплового потока сквозь площадку ΔS,

dT/dl – градиент температуры

Таблица 9 Значения теплопроводности некоторых диэлектриков

Тепловое расширение диэлектриков, как и других материалов, оценивают температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), измеряемым в К -1 :

Материалы, обладающие малыми значениями ТКЛР, имеют,
как правило, наиболее высокую нагревостойкость и наоборот.

Таблица 10 Температурный коэффициент линейного расширения некоторых диэлектриков

При выборе электроизоляционного материала для конкретного применения приходится обращать внимание не только на его электрические свойства в нормальных условиях, но рассматривать также их стабильность при воздействии влажности окружающего воздуха, повышенных температур, мороза и радиоактивных излучений.

Нормальное использование изделия в большой степени зависит
от механических свойств материалов: их прочности на растяжение, сжатие, изгиб, удар, твердости или эластичности. В ряде случаев к изделиям, а, следовательно, в известной степени и к материалам предъявляются требования вибропрочности при различных амплитудах и частотах колебаний. Для деталей, в которых имеется сопряжение разных материалов, большое значение имеют температурные
коэффициенты линейного расширения.

Разработка технологических процессов изготовления электрических машин и аппаратов также требует знания физических, механических и химических свойств (например, окисляемость, растворимость, склеиваемость) материалов.

Срок службы изделий в тропических условиях зависит от надежности химической защиты материалов против гнилостных бактерий, насекомых и образования плесени.

Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т. е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать сквозь себя пары воды. Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.

Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т.е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей). Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью. Только для стекол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроницаемость практически равна нулю.

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка.
Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых
материалов и других органических диэлектриков дает лишь замедление увлажнения материала, не влияя на величину ρ после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие
поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.

При длительном использовании электроаппаратуры, особенно
в тропических условиях, на органических диэлектриках наблюдается развитие плесени. Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию соприкасающихся с ней металлических частей. Наиболее уязвимы для развития плесени целлюлозные материалы, в том числе
и пропитанные (гетинакс, текстолит), канифоль, масляные лаки
и др. Наиболее стойкими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики: керамика, стекла, слюда, кремнийорганические материалы и некоторые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт-4, полиэтилен, полистирол.

С целью повышения плесенеустойчивости органической электрической изоляции в ее состав вводят добавки фунгицидов, т. е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгицидов.

Воздействие излучения может привести к ряду молекулярных преобразований и химических реакций. Ионизационные процессы вызывают мгновенный поток электронов, разрыв и перемещение химических связей связей и образование свободных радикалов. Электроны скапливаются в местах дефектов. Инициируются различные химические реакции. В частности, в органических полимерах происходит выделение газа, образование и ликвидация двойных связей, полимерирация, образование поперечных связей, вулканизация и пр.

Читайте также: