Электроэнергетический факультет Кафедра электроснабжения и эксплуатации электрооборудования Учебная дисциплина ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ТЕМА № 4 Электроизоляционные материалы ЛЕКЦИЯ № 11 ПАССИВНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ Учебные цели 1. Знать строение и основные свойства полимеров. 2. Знать классификацию и свойства керамических материалов. Учебные вопросы Введение 1.Свойства полимеров. 2.Порошковые пластмассы и слоистые пластики. 3.Свойства керамических материалов. Заключение Список рекомендуемой литературы 1. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с. 2. Привалов Е.Е. , Гальвас А.В. Электротехнические материалы: Пособие. СтГАУ, АГРУС, 2011. – 192с. 3. Привалов Е.Е. Электроматериаловедение: Лабораторный практикум. Тесты. СтГАУ, АГРУС, 2012. – 196с. 4. Справочники по ЭТМ в 3 томах /Под ред. Ю.В. Корицкого – М.: Энергоатомиздат Т.1,1986 – 308с.;Т.2,1987. – 296с.; Т.3,1988 – 728с. Введение В качестве ЭТМ используют пассивные (электроизоляционные и конденсаторные) и активные диэлектрики. Электроизоляционные - изолируют токоведущие части и отделяют элементы ЭУ, находящиеся под разными потенциалами. Конденсаторные - запасают и отдают в сеть электроэнергию (накопитель). Конденсаторы используют для: разделения цепей постоянного и переменного тока ЭУ; изменения угла фазового сдвига сети и т.д. Электроизоляционные имеют: малую диэлектрическую проницаемость (ε) и большое удельное электрическое сопротивление (ρ), а конденсаторные - высокую проницаемость ε и небольшой тангенс угла диэлектрических потерь (tg δ). Конденсаторные диэлектрики используют для измерения, усиления, преобразования и запоминания сигналов в ЭУ. На рисунке 1 показана классификация пассивных и активных диэлектриков. Рисунок 1 – Классификация диэлектриков 1. Свойства полимеров Полимер - соединение, в котором молекулы состоят из структурно повторяющихся звеньев мономеров. Полимеризация - реакция образования полимера из мономеров. Этилен (СН2 = СН2) в нормальных условиях находится в газообразном состоянии. Полиэтилен: (1) где п - степень полимеризации, т. е. число молекул мономера, объединяющихся в молекулу полимера. По мере увеличения степени п полиэтилен все более вязкая жидкость, а при п = 1250 и молекулярной массе 35000 - твердый диэлектрик. Поликонденсация - реакция, связанная с перегруппировкой атомов полимеров и выделением низкомолекулярных веществ. Например, полистирол и поливинилхлорид. Линейные полимеры (ЛП) обладают гибкостью и эластичностью и с ростом Т0С размягчаются и расплавляются. Пространственные полимеры (ПП) жесткие, а их расплавление происходит при высоких Т0С (могут сгорать). На практике ЛП - термопластичные материалы, а ПП - термореактивные. ЛП способны набухать и растворяться с образованием вязких растворов (получают прочные пленки и волокна). ПП с трудом поддаются растворению, а часть из них нерастворима (феноло-формальдегидные и эпоксидные смолы). Гибкость ЛП зависит от размера макромолекул и природы химической связи. Благодаря гибкости молекулярных цепей в тепловом движении участвуют отдельные участки макромолекулы (сегменты). Чем меньше размер сегментов, тем больше гибкость макромолекулы ЛП. Полимер построен регулярно, если соблюдается дальний порядок расположения звеньев в цепи диэлектрика. Полимеры с гибкими макромолекулами регулярного строения могут образовывать кристаллическую фазу. Аморфные полимеры характеризуются отсутствием трехмерного дальнего порядка в расположении макромолекул. Органические полимеры - соединения, у которых главная цепь состоит из углерода или комбинации углерода с кислородом, азотом, серой и фосфором. Строение макромолекул определяет электрические свойства полимеров. Все химические связи углерода с другими элементами диэлектрика полярные. Если молекула имеет симметричное строение, то суммарный дипольный момент равен нулю. Диэлектрики с несимметрично звеньями полимерных молекул – дипольные и обладают гигроскопичностью. Высокомолекулярные углеводороды с симметричными молекулами неполярные. Нагревостойкость материалов. Органические полимеры работают в ЭУ при Т ниже 100°С. С ростом Т происходит быстрое тепловое старение диэлектрика. Основная проблема - создание гибких и эластичных нагревостойких полимеров. Все неполярные полимеры обладают малой диэлектрической проницаемостью и потерями, высокой электрической прочностью и удельным сопротивлением (таблица 1). Таблица 1 – Свойства неполярных полимеров Полистирол получают из мономера стирола (2) Полистирол - легкая бесцветная жидкость. Стирол полимеризуется при хранении на холоде. К стиролу добавляют стабилизаторы для предотвращения самопроизвольной полимеризации. Политетрафторэтилен (ПТФЭ) имеет регулярное симметричное строение: (3) ПТФЭ обладает нагревостойкостью (около 300°С) и стойкостью к действию химических реагентов. ПТФЭ не горит, не растворяется в растворителях, негигроскопичен и не смачивается водой и другими жидкостями. Полярные полимеры (ПП). У линейных полимеров (ЛП) сильно выражена дипольно-релаксационная поляризация. ЛП имеют низкие изоляционные свойства. ПП являются поливинилхлорид (ПВХ) и органическое стекло. ПВХ - твердый продукт полимеризации винилхлорида (благодаря сильным полярным связям, жесткий и негибкий). Для эластичности в ПВХ добавляют пластификаторы. Полиэтилентерефталат (лавсан) термопластичный полимер с высокой механической прочностью и температурой размягчения (дипольный диэлектрик). Из лавсана делают диэлектрические волокна и пленки (изоляция ЭУ). Обработку размягченного нагревом материала производят в атмосфере нейтрального газа (азота). Свойства лавсана характеризует рисунок 1. Рисунок 1 – Зависимости проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь лавсана от температуры и частоты Пленки из лавсана для межслойной изоляции обмоток трансформаторов имеют рабочую Т = (- 60 … +150)°С и толщину 6,5мкм. Недостатки. ПП по сравнению с НП имеют на два порядка большее значение параметра tg δ и малое удельное сопротивление ρ. Следствие полярности диэлектрика – сильная зависимость поверхностного сопротивления от влажности. 2. Порошковые пластмассы и слоистые пластики Композиционные порошковые пластмассы (КПС) состоят из связующего вещества (искусственные смолы) и наполнителей (кварцевый песок, стеклянное волокно). В массу КПС добавляют пластификаторы и красители. Наполнитель удешевляет КПС и улучшает механические характеристики. Кварцевый песок улучшает электрические свойства пластмасс, а кремнийорганические смолы повышают нагревостойкость до 300°С. Из КПС прессованием делают корпуса ЭУ, измерительных приборов, щитки, рукоятки, штепсельные разъемы. Слоистые пластики (СП) разновидность КПС, где наполнитель листовые волокнистые материалы. СП - гетинакс и текстолит. Гетинакс получают прессовкой бумаги, которая пропитана феноло-формальдегидной смолой). Слоистое строение гетинакса дает анизотропные свойства (электрическая прочность вдоль слоев в 7 раз ниже, чем поперек диэлектрика). В гетинаксе пропитывающее вещество и волокнистая основа обладают полярными свойствами (прочность мала 30МВ/м). Из фольгированного гетинакса (ФГ) делают компактные печатные схемы для низкочастотных цепей автоматики ЭУ. ФГ - гетинакс, покрытый фольгой толщиной (0,035…0,05)мм. Рисунок печатной схемы для устройств автоматики получают путем избирательного травления. Ситаллы - стеклокристаллические диэлектрики, получаемые путем кристаллизации стекол. Недостаток. Произвольный процесс местной кристаллизации (исключают вводом добавок с однородной кристаллической структурой). Достоинство. Механическая прочность не меняется при нагревании до Т = 800°С. Диэлектрические потери зависят от свойств остаточной стекловидной фазы. Зависимости параметров ε и tg δ от частоты f для ситаллов показаны на рисунке 2. Рисунок 2 - Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь tg δ и проницаемости ε ситалла от частоты f По техническому назначению ситаллы делят на установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы - подложки интегральных микросхем и дискретных пассивных элементов. Конденсаторные ситаллы обладают повышенной прочностью по сравнению с керамическими конденсаторными ЭТМ. Конденсаторные и установочные ситаллы применяют в схемах автоматики ЭУ. 3. Свойства керамических материалов Керамика - диэлектрики с разнообразными свойствами, их объединяет общность технологического цикла при производстве. Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что значит «горшечная глина». Керамические материалы (КМ) делят на электротехнические и конденсаторные. Электротехническую получают обжигом формовочной массы заданного химического состава. Выбором состава получают керамику с заданными диэлектрическими свойствами. КМ обладают механической прочностью и нагревостойкостью (устойчивы к старению). Электротехнический фарфор (ЭФ) - КМ для производства изоляторов и элементов ЭУ. Фарфор состоит из кристаллической, аморфной и газовой фаз (свойства зависят от химического и фазового состава, структуры и технологии изготовления). Компоненты ЭФ - каолин, глина, кварц. Изделия из ЭФ получают обточкой, прессовкой, отливкой и выдавливанием через отверстия нужной конфигурации. Глазурование ЭФ защищает поверхность от загрязнения (легко очищается). Глазурь увеличивает механическую прочность и уменьшает ток утечки по поверхности. Изоляционные свойства ЭФ при Т = 200С позволяют использовать его на низких частотах, т.к. угол диэлектрических потерь растет при увеличении Т0С, что затрудняет применение при высоких Т0С и частотах. В автоматике ЭУ применяют радиофарфор – диэлектрик со стекловидной фазой и добавкой оксида бария, который уменьшает потери и проводимость. Ультрафарфор улучшенный радиофарфор с высокой механической прочностью и теплопроводностью. Высокоглиноземистая керамика состоит из оксида алюминия (глинозема). Характеристики: нагревостойкость до Т = 1600°С, высокое удельное сопротивление и малый tg δ при повышенных Т0С; высокие теплопроводность и прочность. Конденсаторная керамика имеет высокую диэлектрическую проницаемость. Основа низкочастотной керамики - титанат бария и твердые растворы на его основе. Достоинство. Высокая диэлектрическая проницаемость керамики (до 8000). Недостатки. Низкая температурная стабильность диэлектрика, сильная зависимость от частоты и напряженности электрического поля.