Диэлектрические материалы для изоляции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Диэлектрическая проницаемость газов

2. Тепловое старение изоляции. Классы нагревостойкости

3. Слюда. Химический состав, свойства и области применения

4. Качество слюды

5. Блеск и прозрачность слюды

1. Диэлектрическая проницаемость газов

Газообразные вещества характеризуются весьма малыми плотностями вследствие больших расстояний между молекулами. Благодаря этому поляризация всех газов незначительна и диэлектрическая проницаемость их близка к единице. Поляризация газа может быть чисто электронной или дипольной, если молекулы газа полярны, однако и в этом случае основное значение имеет электронная поляризация. Поляризация различных газов тем больше, чем больше радиус молекулы газа, и численно близка к квадрату коэффициента преломления для этого газа.

Зависимость газа от температуры и давления определяется числом молекул в единице объема газа, которое пропорционально давлению и обратно пропорционально абсолютной температуре.

У воздуха в нормальных условиях e=1,0006, а ее температурный коэффициент имеет значение около 2^.10^-6К^-1

2. Тепловое старение изоляции. Классы нагревостойкости

Диэлектрические материалы, используемые для изготовления внутренней изоляции установок высокого напряжения, при комнатной температуре практически инертны. Однако при рабочих температурах (90--180 °С) в этих материалах возникают или резко ускоряются химические реакции, которые изменяют структуру материалов и вызывают ухудшение свойств всей изоляции в целом. Эти процессы именуют тепловым старением. Твердые диэлектрические материалы в процессе теплового старения постепенно снижают механическую прочность. Это приводит к повреждению изоляции под действием механических нагрузок и затем уже к пробою. В жидких диэлектриках в результате теплового старения образуются газообразные, жидкие и твердые продукты реакций. По мере накопления этих продуктов, загрязняющих изоляцию, проводимость и диэлектрические потери растут, а электрическая прочность снижается. Темпы теплового старения внутренней изоляции определяются скоростями химических реакций, зависящими от температуры. Обычно полагают, что срок службы при тепловом старении обратно пропорционален скорости химических реакций. Тогда отношение сроков службы изоляции и при разных температурах Т₁ и Т₂ будет выражаться:

где T-- повышение температуры, вызывающее сокращение срока службы изоляции при тепловом старении в 2 раза.Значение T для разных видов внутренней изоляции лежит в пределах 8--12 °С, в среднем для изоляции тяговых электродвигателей составляет 10°С. Для изоляции силовых трансформаторов принимают T=8°С. Если же изоляция трансформаторов сильно изношена, то принимают T=6°С. Уравнение называют правилом Монтзингера, или правилом десяти градусов. Для ограничения теплового старения и обеспечения требуемого срока службы изоляционной конструкции для отдельных видов изоляции, в соответствии с ГОСТ и рекомендациями Международной электротехнической комиссии (МЭК), устанавливаются наибольшие допустимые рабочие температуры. По величине допустимой рабочей температуры все изоляционные материалы делятся на 7 классов нагревостойкости .

Класс нагревостойкости. Y А Е В F Н С Наибольшая рабочая температура в:

°С 90 105 120 130 155 180 более 180. °К 363 378 393 403 428 453 более 453.

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

К классу А принадлежат те же самые органические волокнистые материалы, пропитанные лаками или компаундами или погруженные в жидкий электроизоляционный материал, предохраняющий от доступа кислорода воздуха, который ускоряет тепловое старение изоляции. Например, это хлопчатобумажная изоляция проводов в пропитанной лаком обмотке электрической машины или хлопчатобумажная изоляция обмотки маслонаполненного трансформатора. К классу А относится также изоляция эмаль-проводов на масляно-смоляных лаках.

К классу Е относятся пластические массы с органическим наполнителем на основе термоактивного связующего типа фенолоформальдегидных смол (гетинакс, текстолит). К этому же классу относятся и лавсановые пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы, а также изоляция эмаль-проводов на таких смолах. Итак, к первым трем классам нагревостойкости Y, А и Е относятся главным образом органические электроизоляционные материалы.

К классу В относятся материалы, содержащие неорганические компоненты (щепанную слюду, асбестовые и стекловолокнистые материалы) в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами. Сюда входят миканиты, стеклоткани и стеклотекстолиты на феноло-формальдегидных термоактивных смолах и эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями. К классу F принадлежат слюдяные продукты (миканиты), изделия на основе стекловолокна без подложки или с неорганической подложкой с органическими связующими и пропитывающими веществами, обладающими повышенной нагревостойкостью. К таким связующим относятся эпоксидные, термореактивные, полиэфирные и кремнийорганические смолы.

К классу Н относятся материалы, применяемые для класса F, но для изготовления которых применяют кремнийорганические смолы особо высокой нагревостойкости.

К классу С относятся чисто неорганические материалы без связующих и пропитывающих органических веществ: слюда, стекло, стеклоткани, асбест, кварц, микалекс. Из органических электроизоляционных материалов к классу С относятся только политэтрафторэтилен (фторопласт-4 или тефлон) и материалы на основе полиимидов.

При указанных температурах обеспечиваются технико-экономически целесообразные сроки службы электрооборудования. При повышении температуры срок службы изоляции снижается. Наивысшая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения поведения материала при различных температурах с учетом коэффициента запаса, зависящего от условий эксплуатации, необходимой надежности и заданного срока службы.

Пример Изоляция класса Y рассчитана на работу при номинальной температуре Т_н = 90 °С в течение_н = 25 лет. Сколько проработает изоляция, если ее рабочая температура будет равна Т - 114 °С.

Решение. По правилу Монтзингера, при повышении температуры на каждые 10 °С срок службы изоляции уменьшается в 2 раза. Поэтому срок службы изоляции при температуре Т -= 114 °С будет равен:

3. Слюда. Химический состав, свойства и области применения

Слюда является обычным породообразующим минералом многих изверженных, метаморфических и некоторых осадочных горных пород. Это один из наиболее распространенных минералов земной коры. Содержание ее, по литературным источникам, в составе верхних 16 км земной коры составляет 2-4%. Однако промышленные месторождения электротехнических слюд, особенно мусковита, встречаются исключительно редко. диэлектрический изоляция нагревостойкость сингония

В обычных горных породах слюда встречается в виде мельчайших частичек, доходящих по величине в редких случаях до нескольких миллиметров. Лишь в особо специфических условиях образуются крупные кристаллы, пригодные для электроизоляционных целей.

Все слюды кристаллизуются в моноклинной сингонии и образуют пластинчатые и таблитчатые агрегаты, пластинки которых часто имеют гексагональный облик; все они имеют совершенную спайность по плоскости. В перпендикулярном направлении наблюдается менее совершенная спайность, которая проходит параллельно плоскостям и проявляется в фигурах удара и давления.

Кристаллы слюды очень разнообразны по величине: от очень мелких площадью менее 1 кв. см. и толщиной менее 1 мм до крупных, с поперечником более 1 м.

Особо крупные кристаллы мусковита встречались в Чупинском районе Карелии на руднике «Малиновая Варака», а для флогопита на руднике 1 Слюдянского района Иркутской области. На месторождении Ковдор Мурманской области горная выработка сечением более 5 кв. м проходила в одном гигантском кристалле флогопита.

Известны очень крупные кристаллы мусковита и в месторождениях за рубежом. Так, например, в районе О'Клер (Канада) был найден кристалл мусковита размером 1, 95х2, 85х0, 6 м весом около 7 тонн.

Особую группу слюд представляет вермикулит (от латинского слова «вермикулис» - червячок). Это название вермикулит получил потому, что при нагревании он образует длинные червеобразные столбики и жгуты.

Вермикулит представляет собой гидратированную слюду, в которой в межпакетной области находятся прослойки молекул воды.

Флогопит - минерал слоистых силикатов, магнезиальная маложелезистая слюда изоморфного ряда биотит - флогопит. Происхождение флогопита магматическое, метаморфическое, метасоматическое. Флогопит известен в ультрабазитах, кимберлитах и карбонатитах, магнезиальных скарнов и кальцифиров. Флогопит кристаллизуется в моноклинной системе, образуя псевдогексагональные таблитчатые, призматические и другие кристаллы, размеры которых в единичных случаях достигают двух и более метров. Часто встречаются листовато-пластинчатые и чешуйчатые агрегаты.

По химическому составу слюды - алюмосиликаты щелочных и щелочно-земельных металлов. Основными элементами, входящими в состав мусковитов, флогопита и вермикулита являются кремний (Si), кислород (О), алюминий (Al), магний (Mg), калий (К) и водород (Н).

Кроме основных элементов, в состав слюд входят еще более тридцати химических элементов, причем некоторые присутствуют в столь малых количествах, что их наличие может быть выявлено лишь наиболее чувствительными методами анализа. Так, в мусковитах отечественных месторождений спектральными анализами, проведенными в ВИМСе, были обнаружены - Li, Be, V, Cu, Ga, Rb, Sr, Sn, Ba, Pb и другие, а в флогопитах Слюдянского и Алданского районов - Li, Be, V, Co, Ni, Cu, Ga, Rb, Sr, Zr, Mo, Sn, Cs.

Резкие колебания в химическом составе характерны не только для различных минералогических разновидностей слюд, но и для слюды одного вида. Причем колебания эти достаточно значительны в результате чего электрофизические свойства слюды имеют в пределах одного месторождения, объекта блока и нередко одного кристалла различные характеристики.

Одно из ценных свойств слюды - ее химическая стойкость.

Высокой химической стойкостью обладает мусковит. Соляная кислота практически его не разлагает при нагревании до 3000С. Серная кислота действует только при продолжительном нагревании.

Щелочи мусковит почти не изменяют: с водой он дает очень слабую щелочную реакцию. После длительной выдержки в воде мусковит теряет блеск и эластичность и переходит в гидромусковит.

Флогопит при воздействии кислот подвергается значительному разложению. Щелочи действуют слабее. В воде флогопит постепенно гидратируется.

4. Качество слюды

Идеальной с точки зрения качества является слюда, имеющая гладкую однородную пластинчатую поверхность. В такой слюде отсутствуют какие-либо посторонние включения, она не имеет трещин, проколов, расслоений, волнистости и иных аналогичных дефектов. Это слюда высшего качества. Однако, слюда мусковит такого качества является очень дефицитной и дорогой. Ее использование в ряде отраслей, где не требуется столь высокое качество слюды экономически не оправдано. Поэтому при производстве различных видов слюдяной продукции используется мусковит, в котором допускается наличие в той или иной степени некоторых из вышеуказанных дефектов. Качество слюдяного сырья, готовых изделий при этом регламентируется ГОСТами, техническими условиями и не может быть ниже установленных норм.

Выделяют следующие группы дефектов, влияющие на качество слюды: морфологические дефекты, минеральные включения, газовоздушные включения, минеральные загрязнения.

Электропроводность характеризуется величиной удельного объемного сопротивления, которое равняется сопротивлению кубика вещества с ребром в 1 см.

Объемная электропроводность слюд при низких температурах обусловлена главным образом движением примесных и слабосвязанных ионов в кристалле.

Поверхностная проводимость является электролитической в водной адсорбционной пленке на поверхности кристалла. Толщина такой пленки на свежей поверхности может достигать 30-50 монослоев молекул воды. Это приводит к росту поверхностной проводимости свежих сколов примерно на два порядка (100 раз) в сравнении с проводимостью «старых» поверхностей.

Носителями тока являются в основном ионы К+ и ОН- С течением времени (через 1-2 суток пребывания на воздухе и через многие десятки часов на пластинках, сложенных в стопки) толщина этого слоя уменьшается до более-менее стабильной, определяющейся влажностью окружающего воздуха.

Причиной возникновения аномально высокой электропроводности свежих сколов кристаллов слюды является большая адсорбционная активность вновь образованных поверхностей кристалла. Вблизи таких поверхностей существует сильное электрическое поле поверхностных зарядов, образующихся при расщеплении. С течением времени это поле постепенно нейтрализуется вследствие поверхностной электропроводности и прилипания ионов из окружающего пространства.

Повышенную поверхностную электропроводность свежих сколов необходимо учитывать при использовании слюды в качестве электроизоляции, так как в расслоениях кристаллов этот эффект может сохраняться неопределенно длительное время.

Электропроводность вдоль спайности на несколько порядков выше, чем в перпендикулярном направлении. Это объясняется большой свободой движения ионов в межпакетном пространстве кристалла, а также наличием расслоений, параллельных спайности, заполненных адсорбционными слоями и пленками воды. Такая дефектность кристалла является основной причиной ухудшения электрических свойств флогопитов в сравнении с мусковитами.

Электропроводность отдельных кристаллов, даже одной жилы, по этой причине может сильно изменяться, что свидетельствует о значительной дефектности, которая существует в объеме кристалла.

5. Блеск и прозрачность слюды

Мусковит прозрачен, имеет стеклянный блеск.

Флогопиты, как правило - темные слюды, просвечивающие лишь в темных листах.

Блеск флогопита изменяется от стеклянного до полуметаллического и жирного. Цвет и блеск слюды в практике слюдяной промышленности определяется визуально. Стеклянность блеска обусловлена адсорбцией на поверхности полимолекулярной пленки воды. Жирность блеска свидетельствует о наличии большого количества ультрамикроскопических неровностей и характеризует более высокую степень гидратации слюд, меньшую их термостойкость.

Мусковит имеет коричневатую окраску, при значительной толщине кристаллов приближается к розово-красному. Флогопит темно-зеленый разных оттенков, встречаются более светлые коричневые разновидности. Окраска слюды объясняется присутствием в ее составе красителей (хромофоров) в виде окислов железа, титана, марганца и др. Закись железа - FeO дает зеленовато-желтый оттенок, а окись железа Fe2O3 - красно-бурый. Благодаря широкой распространённости и способности слюды расщепляться на очень тонкие, почти прозрачные листы, она использовалась с древних времён. Слюда была известна в Древнем Египте, Древней Индии в Греческой и Римской цивилизации, Китае, у ацтеков. Первое использование слюды в пещерной живописи относится к верхнему палеолиту. Слюда была обнаружена в Пирамиде Солнца в Теотиуакане.

Позднее слюда являлась весьма распространенным материалом для изготовления окон. Примерами могут служить оконницы ХII века, хранящиеся в Эрмитаже, отверстия в которых были закрыты слюдой; возок Петра Первого; светильники для парадного выхода царей в Историческом музее. В старинных светильниках пластины слюды служили в качестве окошек, закрывающих огонь. Слюда широко применялась для украшения внутреннего пространства и отделки храмов, а также при создании икон.

Интереснейшим и красивейшим способом применения слюды является её использование в просечном железе в старинном северном русском промысле, широко развитом в XVII-XVIII веках в Великом Устюге. Тончайшие ажурные узоры покрывали «теремки» - ларцы для хранения тканей, одежды, различных ценностей и деловых бумаг. Деревянную основу обтягивали тканью или кожей, покрывали слюдой, а поверх набивали ажурные листы железа. Цветные фигуры и мерцание слюды оживляли строгую графику прорезных узоров. В кораблестроении слюда применялась на боевых кораблях в иллюминаторах.

В современной технике существует три вида промышленных слюд:

листовая слюда;

мелкая слюда и скрап (отходы от производства листовой слюды);

вспучивающаяся слюда (например, вермикулит).

Промышленные месторождения листовой слюды (мусковит и флогопит) высокого качества с совершенными кристаллами больших размеров редки. Крупные кристаллы мусковита встречаются в гранитных пегматитах.

Мусковит и флогопит используют как высококачественный электроизоляционный материал, в электро-, радио- и авиатехнике. Ещё один промышленный минерал литиевых руд - лепидолит - используется в стекольной промышленности для изготовления специальных оптических стёкол.

Используется для создания входных окон некоторых счетчиков Гейгера, так как очень тонкая пластинка слюды (0, 01 - 0, 001 мм) является достаточно тонкой, чтобы не задерживать ионизирующие излучения со слабой энергией, и при этом достаточно прочной [источник не указан 198 дней].

Мелкая слюда и скрап используются как электротехнический изоляционный материал (например, слюдобумага). Обожжённый вспученный вермикулит применяется как огнестойкий изоляционный материал, наполнитель бетона для получения тепло- и звукозащитных материалов и утеплителей, для теплоизоляции печей.

Фасонные штампованные детали из слюды применяются для высокопрочной электрической изоляции источников тока, для электрической изоляции и крепления внутренней арматуры в электронных приборах, для крепления и изоляции внутренней арматуры сверхминиатюрных электронных ламп. Наиболее распространённой неисправностью микроволновой (СВЧ) печи является прогорание, повреждение защитной прокладки. В большинстве микроволновых печей прокладка, защищающая волновод, устанавливается в специальный «карман» и фиксируется винтом.

Для дизайна и реставрации. Реставрационные и восстановительные работы предполагают крайне важный, зачастую определяющий момент - применение исторически достоверных материалов, использованных первоначально и впоследствии утраченных или повреждённых. При восстановлении предметов декоративно-прикладного искусства, например при инкрустировании изделий из кости или дорогих пород дерева, наряду с перламутром, фольгой, применяется слюда.

В настоящее время слюда применяется при постройке яхт; пластины слюды широко используются и как материал для дизайна. Так, слюда используется для каминных экранов, создавая декоративный эффект и одновременно защищая от воздействия высоких температур (благодаря превосходным термоизолирующими свойствам); применяется в витражах и в росписи по слюде; используется в ювелирном деле в качестве основы и как элемент украшений.

Размещено на Allbest.ru