Реферат Классификация и основные характеристики изоляционных материалов

РЕФЕРАТ
на тему «Электроизоляционные материалы»
Выполнил: Емельянов А.В
Проверил: Козицына О.В
0
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………………...2
Основная часть…………………………………………………………………….4
1. Характеристики электроизоляционных материалов……………………….4
1.1 Электрические характеристики…………………………………………4
1.2 Другие характеристики…………………………………………………..6
2. Электроизоляционные материалы…………………………………………...8
2.1 По агрегатному состоянию……………………………………………….8
2.1.1 Газообразные……………………………………………………….8
2.1.2 Жидкие……………………………………………………………...9
2.1.3 Твёрдые……………………………………………………………10
2.2 По происхождению……………………………………………………...11
2.2.1 Природные неорганические……………………………………...11
2.2.2 Природные органические……………………………………….12
Заключение………………………………………………………………………15
Литература………………………………………………………………………16
1
ВВЕДЕНИЕ
Электроизоляционными материалами, или диэлектриками, называют
такие материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию, т. е.
препятствуют
утечке
электрического
тока
между
какими-либо
токопроводящими частями, находящимися под разными электрическими
потенциалами.
Диэлектрики
имеют
очень
большое
электрическое
сопротивление.
С электрическими установками приходится сталкиваться практически
всем работающим. Электрический ток представляет большую потенциальную
опасность для человека. Статистика показывает, что хотя число электротравм
невелико и составляет всего 0.5...1% от общего числа травм на производстве,
однако среди причин смертельных несчастных случаев на долю электротравм
уже приходится 20…40%. Это связано со следующими причинами:
 органы чувств человека не могут на расстоянии обнаружить наличия
электрического напряжения на оборудовании.
 электрический ток через нервную систему проходит сквозь все тело.
 после легких ударов током человек способен сразу продолжить работу,
поэтому эти удары не фиксируются даже как микротравмы.
Проходя через тело человека, электрический ток оказывает на него
сложное воздействие, являющееся совокупностью термического (нагрев
тканей), электролитического (разложение крови и плазмы) и биологического
(раздражение и возбуждение нервных волокон) воздействий.
Наиболее
сложным является биологическое действие, свойственное только живым
организмам. Любое из этих воздействий может
привести к электротравме.
Различают местные электротравмы и электрические удары. Приблизительно
55% случаев носят смешанный характер. Электроизоляционные материалы
(диэлектрики)
играют важную роль в безопасности обслуживающего
персонала от поражения электрическим током.
2
Электроизоляционные материалы можно подразделить:
по агрегатному состоянию:
 газообразные
 жидкие
 твёрдые
по происхождению:
 природные неорганические
 искусственные неорганические
 природные органические
 синтетические органические
3
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Характеристики электроизоляционных материалов
В
современном
электромашиностроении
разнообразные
электроизоляционные
электрическими
характеристиками
широко
материалы.
применяют
Важнейшими
электроизоляционных
материалов
являются электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление
(объемное и поверхностное), диэлектрическая проницаемость и значение
диэлектрических потерь. Однако для практических целей немаловажное
значение имеют и другие характеристики этих материалов: механическая
прочность, гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость,
гигроскопичность.
1.1 Электрические характеристики
Электрическая
прочность
характеризуется
напряженностью
однородного электростатического поля, при которой наступает пробой. Эта
величина численно равна напряжению, при котором наступает пробой
электроизоляционного материала толщиной в единицу длины.
Электрическая прочность определяется по формуле:
Eпр = U / h
где U – напряжение кВ, h - толщина образца электроизоляционного
материала, мм.
Удельное сопротивление. В реальном диэлектрике всегда имеется
некоторое количество свободных электронов и ионов. Под действием
электрического поля эти электроны и ионы перемещаются внутри
диэлектрика, образуя так называемый ток утечки. Ток утечки при нормальных
условиях работы электрической установки должен быть очень малым по
сравнению с рабочими токами, протекающими по ее токоведущим частям
(проводам, шинам, кабелям). В соответствии с этим различают объемные и
поверхностные токи утечки, а также удельное объемное сопротивление
4
диэлектрика и его удельное поверхностное сопротивление v. Удельное
объемное сопротивление измеряют, как и у проводниковых материалов, в
омметрах (Ом*м); оно равно сопротивлению куба из данного материала с
ребром 1 м при прохождении тока от одной его грани к противоположной.
Удельное поверхностное сопротивление измеряют в омах, оно представляет
собой сопротивление квадрата, вырезанного из поверхности изоляции данного
материала, при прохождении тока от одной его стороны к противоположной.
Диэлектрическая
проницаемость
безразмерная
величина
e,
показывающая, во сколько раз сила взаимодействия F между электрическими
зарядами в данной среде меньше их силы взаимодействия Fo в вакууме:
e =Fо/F.
Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз поле
ослабляется диэлектриком, количественно характеризуя свойство диэлектрика
поляризоваться в электрическом поле.
Значение относительной диэлектрической проницаемости вещества,
характеризующее степень его поляризуемости, определяется механизмами
поляризации. Однако величина в большой мере зависит и от агрегатного
состояния вещества, так как при переходах из одного состояния в другое
существенно меняется плотность вещества, его вязкость.
Диэлектрическими потерями называют энергию, рассеиваемую в
единицу времени в диэлектрике при воздействии на него электрического поля
и вызывающую нагрев диэлектрика.
Потери энергии в диэлектриках наблюдаются как при переменном
напряжении, так и при постоянном, поскольку в материале обнаруживаются
сквозной ток, обусловленный проводимостью. При постоянном напряжении,
когда нет периодической поляризации, качество материала характеризуется
значениями удельных объемного и поверхностного сопротивления. При
переменном напряжении
необходимо
использовать
какую-то
другую
характеристику качества материала, так как в этом случае, кроме сквозной
5
электропроводимости, возникает ряд добавочных причин, вызывающих
потери энергии в диэлектрике.
1.2 Другие характеристики.
Механическая прочность электроизоляционных и других материалов
оценивается при помощи следующих характеристик:
 предел прочности материала при растяжении;
 относительное удлинение при растяжении;
 предел прочности материала при сжатии;
 предел прочности материала при статическом изгибе;
 сопротивление раскалыванию.
Нагревостойкость
—
способность
изоляционных
материалов
выдерживать кратковременно или длительно действие высокой температуры
без ухудшения свойств в течение всего срока службы. В соответствии с
ГОСТом
8865-70
по
наибольшим
длительно
допустимым
рабочим
температурам все диэлектрики, применяемые для изоляции электрических
машин и аппаратов, разделяют на семь классов нагревостойкости, °С:
У—
900; А — 1050; Е— 1200; В — 1300; F— 1550; R — 180; С >1800. Это значит,
что при данных температурах изоляция электрооборудования будет работать
установленный целесообразный срок службы.
Морозостойкость.
Во
многих
случаях
эксплуатации
важна
морозостойкость, т.е. способность изоляции работать без ухудшения
эксплуатационной надежности при низких температурах, например от -60 до
-700 С. При низких температурах, как правило, электрические свойства
изоляционных материалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и
эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся
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.
6
Теплопроводимость.
Практическое
значение
теплопроводимости
объясняется тем, что тепло, выделяющееся вследствие потерь мощности в
окруженных электрической изоляции проводниках и магнитопроводах, а
также вследствие диэлектрических потерь в изоляции, переходит в
окружающую среду через различные материалы. Теплопроводимость влияет
на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала
к тепловым импульсам.
7
2. Электроизоляционные материалы
2.1 По агрегатному состоянию
2.1.1 Газообразные
Газообразные диэлектрики делят на две группы: естественные и
искусственные.
Естественные газообразные диэлектрики. Наибольшее применение из
них в силу своей распространенности получил воздух, даже в тех случаях,
когда его присутствие в изоляции нежелательно.
Воздух — смесь газов с электрической прочностью £ПР = 3,2 кВ/мм
(при 0,1 МПа и 20°С), плотностью— 1,293 кг/м3. Епр воздуха зависит в
основном от расстояния между электродами, давления, температуры и
влажности. Приведенная величина соответствует +20°С, давлению 0,1 МПа и
расстоянию между электродами 10 мм. Ток утечки через воздух крайне мал,
поэтому tgδ его практически равен нулю.
В воздушных линиях электропередачи, сухих трансформаторах,
коммутационных аппаратах, распределительных устройствах и т.п. воздух
является основной изоляцией. Во многих электрических объектах он играет
роль дополнительной изоляции к твердым и жидким диэлектрикам.
Азот по электрическим характеристикам близок к воздуху, однако в отличие
от него не содержит кислорода, который оказывает окисляющее воздействие
на соприкасающиеся с ним материалы.
Водород — очень легкий газ с высокой теплопроводностью и удельной
теплоемкостью, что делает его весьма полезным для использования в качестве
охлаждающей среды вместо воздуха. Применение его в электрических
машинах снижает потери электрической мощности на трение и вентиляцию, а
отсутствие окисляющего фактора замедляет старение органической изоляции.
Гелий — инертный газ, используется в качестве низкотемпературного
хладагента, например, для получения сверхпроводимости.
Искусственные газообразные диэлектрики. К ним относятся элегаз,
хладоген 12 и др. Из них в ремонтной практике определенный интерес
8
представляет элегаз. Он нетоксичен, химически стоек, не разлагается при
нагреве до 800°С, распространен в конденсаторах, кабелях и пр.
В электровакуумных лампах и приборах широко применяются
инертные газы и пары ртути, в качестве охлаждающей среды — водород, для
получения сверхпроводимости — жидкий гелий.
2.1.2 Жидкие
Жидкие
электроизоляционные
материалы
Невысыхающие
растительные масла
Хлорированны
е углеводороды
Нефтяные масла
Кремнийоргани
ческие
жидкости
Фторорганиче
ские
жидкости
Синтетические
жидкие
диэлектрики
Прочие
синтетически
е жидкости
Для неполярных жидкостей ε невелика и близка к значению квадрата
показателя преломления света n
ε = n2
Для нейтральных жидкостей ε уменьшается с ростом температуры, что
связано с уменьшением плотности жидкости с ростом температуры, а, значит,
и уменьшением концентрации молекул.
В дипольных (полярных) жидкостях одновременно протекают и
электронная, и дипольно – релаксационная поляризации. ε тем больше, чем
больше электрический момент диполей μ и чем больше число молекул в
единице объема. Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей
больше чем у неполярных. Например, ε касторового масла = 4,5.
Температурная зависимость ε полярных жидкостей характеризуется
дипольным максимумом в области резкого изменения вязкости жидкости. С
9
ростом частоты электрического поля диэлектрическая проницаемость
полярных жидкостей снижается до значений, определяемых электронной
поляризацией.
ε(ω)ω→∞= n2
2.1.3 Твёрдые
В твердых диэлектриках возможны все виды поляризации.
Для нейтральных диэлектриков ε = n2, что подтверждается ниже
приведенными результатами для неполярных диэлектриков при
температуре 20 ºС.
Диэлектрик
парафин
n
1,43
n2
2,06
ε
2,0 – 2,2
полиэтилен
полистирол
1,52
1,55
2,30
2,40
2,3 – 2,4
2,4 – 2,6
сера
1,92
3,69
3,6 – 4,0
фторопласт
1,37
1,89
1,9 – 2,2
алмаз
2,40
5,76
5,6 – 5,8
Ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц обладают электронной
и ионной поляризацией. ε изменяется в широких диапазонах. С ростом
температуры ε обычно растет. В неорганических аморфных диэлектриках
(стеклах) ε изменяется в пределах от 4 до 20, возрастает с ростом температуры,
хотя в ряде случаев (рутил TiO2, титанат кальция CaTiO3) может и
уменьшаться.
10
Органические
полярные
диэлектрики
имеют
дипольно
–
релаксационную поляризацию. ε изменяется в широких пределах, но обычно
имеет значение 4 – 10. Диэлектрическая проницаемость зависит от
температуры, частоты приложенного напряжения, подчиняясь, в целом,
закономерностям, проявляющимся у полярных жидкостей.
2.2 По происхождению:
2.2.1 Природные неорганические
К природным минеральным неорганическим диэлектрикам относятся
слюда и асбест.
Слюда
обладает
высокими
электроизоляционными
свойствами,
нагревостойкостью, механической прочностью, гибкостью. В тонких слоях
многие виды слюды прозрачны.
Слюда встречается в виде кристаллов, которые легко расщепляются на
тонкие пластинки по параллельным друг другу плоскостям. По химическому
составу слюда – водный алюмосиликат. Важнейшие виды слюды: мусковит,
состав которого приближенно может быть выражен формулой
K2O·3Al2O3·6SiO2·2H2O,
ифлогопит
K2O·MgO·3Al2O3·6SiO2·2H2O.
Фактический состав природных слюд много сложнее из-за присутствия
в них примесей.
По
сравнению
с
флогопитом
мусковит
обладает
лучшими
электроизоляционными свойствами, более прочен механически, тверд, гибок
и упруг. Допустимая рабочая температура слюд ограничивается выделением
11
входящей в их состав воды (у мусковитов обычно при 500 - 600 °С, у
флогопитов – при 800 - 900 °С), что связано с потерей прозрачности,
увеличением толщины (“вспучиванием”) и разрушением кристаллической
структуры; обезвоженные слюды плавятся при температуре 1250 - 1300°С
Значение ε слюд составляет 6 – 8; tg δ ~ 10-4; ρ =1011 – 1014 Ом·м.
По применению в радиоэлектронике различают конденсаторную слюду
– прямоугольные пластинки мусковита, применяемые в качестве диэлектрика
в слюдяных конденсаторах; телевизионную слюду – пластинки мусковита,
образующие диэлектрическую основу фотокатодов и мишеней в передающих
телевизионных трубках.
Слюдяные детали для электронных приборов – штампованные
фасованные детали, служащие для крепления и электрической изоляции
внутренней арматуры в электронных приборах.
Асбест – неорганический природный волокнистый материал, состоящий
в основном из минерала хризотила 3MgO·2SiO2·2H2O. Для улучшения
механических свойств к асбестовому волокну добавляют в небольших
количествах хлопчатобумажное. Из асбестовых нитей получают шнуры,
ткани, бумагу и другие изделия.
Основным преимуществом асбеста является высокая нагревостойкость:
он разрушается, теряя кристаллизационную воду лишь при 450 - 700 °С
(температура плавления 1450 - 1500 °С). Значение ρ=106 – 1010 Ом·м.
Асбестовые электроизоляционные материалы применяют главным образом
для высокотемпературной электроизоляции, а также теплоизоляции.
2.2.2 Природные органические
К
природным
(естественным)
смолам
принадлежат
продукты
жизнедеятельности животных или растительных организмов. Из естественных
смол в производстве электроизоляционных лаков и компаундов наиболее
широко применяется канифоль, значительно меньше шеллак и копалы.
Природные растительные смолы получают упариванием растительных соков,
которые вытекают из растений естественным путем или при надрезании
12
стеблей и стволов. Их можно экстрагировать из растительного сырья такими
растворителями, как спирт и эфир. К растительным смолам относится,
например, сосновая канифоль, а также смола, получаемая из клубней
скаммонии (вьюнка смолоносного Convolvulus scammony), и ископаемые
окаменелые смолы янтарь и копал. Смолы животного происхождения редки.
Одна из них, шеллак, представляет собой выделения лаковых червецов,
живущих на растениях семейства мимозовых в Индии. Некоторые
растительные смолы используют в медицине; так, смола скаммонии
применяется как слабительное. Другие смолы, например, шеллак, входят в
состав
политур.
Имеется
множество
сортов
синтетических
смол,
используемых для получения пластмасс.
Канифоль (гарпиус) - хрупкая прозрачная в тонком слое смола,
получаемая из смолы (живицы) хвойных деревьев, преимущественно сосны,
способом отгонки жидких составных частей -- терпентинного масла
(скипидара). Состав живицы может колебаться в зависимости от условий
местности и сорта живицы. Другой способ добывания канифоли -экстракционный, заключающийся в том, что куски дерева, пни, ветви
обрабатываются растворителями, которые затем подвергаются разгонке.
Существуют также смолы деревьев других хвойных пород, например, кедра,
пихты и лиственницы. Их обычно называют бальзамами. Пихтовый бальзам
(канадский бальзам), отличается очень высокой степенью прозрачности и
нормированным показателем преломления. Его применяют в качестве клея
для склеивания оптических линз. По химическому составу канифоль состоит
главным образом из абиетиновой кислоты (С 20 Н 30 О 2 ) и ее изомеров,
остальное -- неомыляемые, зола, влага и механические примеси. Содержание
кислот в канифоли составляет 85 -90%. Канифоль хорошо растворима в
спирте, бензоле, скипидаре, минеральных и растительных маслах
13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Электроизоляционные материалы, предназначены для работы в
электрических и магнитных полях. Электроизоляционные материалы в
современной электротехнике занимают одно из главных мест. Всем известно,
что надежность работы электрических машин, аппаратов и электрических
установок в основном зависит от качества и правильного выбора
соответствующих
электроизоляционных
материалов.
Анализ
аварий
электрических машин и аппаратов показывает, что большинство из них
происходит вследствие выхода из строя электроизоляции, состоящей из
электроизоляционных материалов.
При рациональном выборе электроизоляционных, магнитных и других
материалов можно создать надежное в эксплуатации электрооборудование
при малых габаритах и весе. Но для реализации этих качеств необходимы
знания свойств всех групп электроизоляционных материалов.
14
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богородицкий Н.П. и др. Электротехнические материалы: Учебник для
электротехн. и энерг. спец. вузов / Н.П.Богородицкий, В.В.Пасынков,
2. Б.М.Тареев. - 7-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. 2001. - 304 с
3. Геворкян В.Г. Основы сварочного дела - М.: Высш. школа, 2001.-168 с.,
4. Материаловедение и технология металлов. – М.: Высшая школа, 2001. –
637
5. Справочник по электротехническим материалам: в 3-х т. / Под ред.
Ю.В.Корицкого и др. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, Том 1. 2001. - 368 с.,
6. Безопасность жизнедеятельности. / Под ред. С.В.Белов. - М: «Высшая
школа», 2003. – с 286
15