Что представляет собой электрическая прочность диэлектрика? Попробуем разобраться с данным термином, выявить особенности данного показателя.
Определения
Диэлектриками называют вещества, которые плохо либо полностью не проводят электрический ток. Величина плотности в таком веществе носителей заряда (электронов) не превышает 108 штук на кубический сантиметр. Основной характеристикой электроизоляционных материалов является их способность поляризоваться во внешнем поле. К диэлектрикам относятся газообразные вещества, разные смолы, стекло, полимерные материалы. Химически чистым изолятором является вода.
Характеристики диэлектриков
К данной группе относятся пироэлектрики, сегнетоэлектрики, релаксоры, пьезоэлектрики. В современной технике активно используются пассивные и активные свойства таких материалов, поэтому остановимся на них подробнее.
Пассивные свойства изоляторов применяются в тех случаях, когда они используются в обычных конденсаторах.
Электроизоляционными материалами считают диэлектрики, не допускающие потери электрических зарядов. С их помощью можно отделять друг от друга электрические цепи, части приборов от проводящих частей. В таких ситуациях диэлектрическая проницаемость не имеет особой роли.
Активные (управляемые) диэлектрики - это пироэлектрики, сегнетоэлектрики, электролюминофоры, материалы для затворов и излучателей в лазерной технике.
Спрос на диэлектрические материалы ежегодно возрастает. Причиной является увеличение мощности промышленных предприятий и коммерческих учреждений.
Кроме того, повышенный спрос на диэлектрики можно объяснить увеличением числа средств связи и различных электрических приборов.
В технике особое значение играет электрическая прочность изоляторов, связанная с расположением молекул и атомов в кристаллической решетке.
Классификация
При различных условиях диэлектрический материал может проявлять различные изоляционные характеристики, что определяет сферы его применения. Например, в зависимости от температуры, меняется электрическая прочность.
В зависимости от строения, выделяют органические и неорганические электроизоляционные материалы.
По мере развития электротехнической промышленности формировалось и производство диэлектрических материалов из минералов. Технология за последнее время усовершенствовалась настолько, что удалось существенно снизить стоимость продукции, в результате минеральные диэлектрики вытеснили химические и натуральные материалы.
Минеральные диэлектрические материалы
К таким соединениям относят:
- Установочные, щелочные, ламповые, конденсаторные стекла, состоящие из смеси разных оксидов. При внесении оксидов алюминия, кальция, кремния повышается электрическая прочность материала.
- Стеклоэмали – материалы, в которых на металлическую поверхность нанесен тонкий слой эмали.
- Световоды, являющиеся особым видом светопроводящего стекловолокна.
- Керамические изделия.
- Слюда.
- Асбест.
Несмотря на такое многообразие электроизоляционных материалов, далеко не всегда одним диэлектриком можно заменить другой.
Электрическая прочность изоляции является важным свойством, но не только на него обращают внимание при подборе таких материалов.
Особое внимание также уделяют тепловым, механическим, иным физическим и химическим свойствам, в том числе и способности к разным видам обработки, стоимости, доступности материалов.
Проверка электрической прочности изоляции осуществляется для того, чтобы в максимальной степени обеспечить безопасность функционирования приборов и устройств.
Электроизоляционные нефтяные масла
Трансформаторное масло, применяемое для силовых трансформаторов, имеет максимальное распространение в электротехнике среди жидких изоляционных материалов. Им заполняют поры в волокнистой изоляции, расстояния между обмотками, увеличивает электрическую прочность изоляции, способствует отводу теплоты. Кроме того, трансформаторное масло активно используется в масляных выключателях высокого напряжения. В таких аппаратах между расходящимися контактами выключателя происходит разрыв электрической дуги, в результате чего канал дуги быстро охлаждается и гасится. Для получения нефтяных минеральных электроизоляционных масел используют нефть, проводя ее ступенчатую перегонку с поэтапным выделением на каждой ступени фракции и детальной очистки от примесей с помощью серной кислоты, последующей промывки и сушки.
Электрическая прочность такого масла представляет собой величину, которая весьма чувствительна к увлажнению. Даже при незначительной примеси воды в масле наблюдается существенное снижение данной физической величины. При действии электрического поля, происходит втягивание капелек эмульгированной воды в те места, в которых напряженность поля имеет максимальное значение, в результате чего и развивается пробой.
При резком понижении электрической прочности масла в нем присутствуют не только молекулы воды, но и волокнистые примеси. Они впитывают воду, что существенно сказывается на электрических характеристиках жидкого диэлектрика.
Кабельные масла
Их применяют в производстве электрических силовых кабелей. При пропитывании их бумажной изоляции маслами увеличивается отвод потерь тепла.
Существуют разные типы кабельных масел. Например, для пропитки силовых кабелей алюминиевых и свинцовых оболочек используют масло марки КМ-25, имеющее кинематическую вязкость не меньше 23 миллиметров в секунду, температуре застывания не больше 1000 градусов. Для того чтобы увеличить вязкость масла, к нему добавляется канифоль либо синтетический загуститель.
Прежде чем использовать диэлектрик, проводят испытание электрической прочности изоляции.
Жидкие синтетические диэлектрики
Эти электроизоляционные материалы превосходят по некоторым характеристикам нефтяные масла. У них существует склонность к электрическому старению, что негативно отражается на свойствах под воздействием электрического поля повышенной напряженности.
Для того чтобы справиться с подобной проблемой, пропитка конденсаторов осуществляется полярным жидким диэлектриком.
Проверка электрической прочности является обязательным мероприятием, позволяющим подобрать наиболее эффективный вид изолятора.
Хлорированные углеводороды
Их получают из разных углеводородов при замещении одного либо нескольких атомов водорода хлором. В качестве самого распространенного вида таких диэлектриков выступает хлорированный дифенил. Он обладает высокой вязкостью, имеет основные характеристики, соответствующие ГОСТу. Электрическая прочность этого изолятора выше иных неполярных нефтяных масел, поэтому при его использовании объем конденсатора уменьшается практически в два раза. Среди преимуществ хлорированных дифенилов выделим их негорючесть, а недостатками являются токсичность и высокая стоимость.
Среди недорогих отечественных материалов, обладающих отличными изоляционными характеристиками, выделим смесь изобутена и его изомеров (октол), получаемую в результате крекинга нефти.
Природные изоляторы
Канифоль, являющаяся хрупкой смолой, получаемой из живицы, в своем составе имеет органические кислоты. Она хорошо растворяется в нефтяных маслах, используется в качестве заливочных и пропиточных кабельных компаундов.
Тонкий слой растительного масла, попадая на поверхность материала, образует тонкую пленку, увеличивая изоляционные характеристики детали.
Причины потери электрической прочности
В тех диэлектриках, которые применяются на практике, есть свободные заряды. При перемещении электронов увеличивается электрическая проводимость. Поскольку зарядов немного, изоляторы успешно проходят такое испытание. Электрическая прочность изоляторов определяет основные области их промышленного применения.
Изоляция необходима для изоляции тока, регулировки температуры, напряженности электрического поля, иных характеристик, которыми обладают приборы и устройства.
Если в конденсаторе в качестве диэлектрика применяется пьезоэлектрик, он под воздействием переменного напряжения меняет свои линейные характеристики, превращается в генератор ультразвуковых колебаний.
Заключение
Технология и особенности эксплуатации радиоэлектронного и электротехнического оборудования определяют разные требования к параметрам диэлектрических материалов.
Применяемые в практических целях изоляторы в своем объеме имеют немного электронов, поэтому при постоянном напряжении они пропускают минимальный ток, называемый током утечки.
Если при повышении напряжения, приложенного к изоляции, значение напряженности поля в диэлектрике будет превышать определенную величину, изолятор теряет свои электроизолирующие характеристики.
Сквозной ток, который протекает через изолятор, увеличивается, а его сопротивление снижается, в результате чего наблюдается короткое замыкание электродов.
Подобное явление называют пробоем диэлектрика. В том случае, когда напряжение, которое прикладывается к диэлектрику, достигает критического значения, наблюдается резкое увеличение сквозного тока, напряжение на электродах уменьшается, в результате необратимых изменений снижается электрическое сопротивление изолятора.
В зависимости от параметров мощности и изоляции энергии, после пробоя возникает искра, что приводит к плавлению, обгоранию, растрескиванию, а также иным изменениям и диэлектрика, и электродов.
При правильном подборе электроизоляционных материалов можно обеспечить бесперебойную работу электроприборов и технических устройств.
