Синтетические полимерные пленки, обладающие рядом ценных свойств, превосходящих свойства конденсаторной бумаги, являются заменителями последней в диэлектрике силового конденсатора. Одним из важнейших качеств синтетических пленок является их высокая электрическая прочность, превосходящая электрическую прочность бумаги, что позволяет снизить общую толщину конденсаторного диэлектрика и улучшить удельные характеристики конденсатора за счет повышения рабочей напряженности, сохранив при этом его оптимальный ресурс. Высокая электрическая прочность пленок обусловлена тем, что в отличие от бумаги они представляют собой монолитную систему и эквивалентная толщина листа пленки равна его фактической. Из всего многообразия пленок для применения в силовом конденсаторостроении пригодны только некоторые из них.
Электрические свойства синтетических полимерных пленок определяются строением полимеров, из которых они изготовлены, а строение полимеров, в свою очередь, зависит от химической природы мономерных звеньев, структуры макромолекулы и их взаимного расположения. По электрическим свойствам пленки делятся на полярные и неполярные. Характеристики некоторых неполярных пленок приведены в табл. 5.2.
Для неполярных пленок
Ом см, εг и tg δ не зависят от частоты, вплоть до сотен мегагерц. Нагревостойкость неполярных пленок может быть выше и ниже, чем у бумаги, в зависимости от природы пленки. Характеристики некоторых полярных пленок даны в табл. 5.3.
Таблица 5.3. Характеристик полярных пленок
Как и для любого полярного материала, значения ег и tg δ полярных пленок выше, чем у неполярных, и они сильно зависят от температуры и частоты. В температурной зависимости tg δ наблюдается дипольный максимум. Нагревостойкость полярных пленок обычно выше нагревостойкости бумаги. Электрическая прочность пленок значительно выше электрической прочности бумаги (£пр>300 МВ/м). Однако ввиду разнотолщинности пленочного листа она может быть различной в разных его точках. Поэтому при использовании однослойного пленочного диэлектрика он предварительно подвергается обработке повышенным напряжением («тренировке») в целях устранения мест с низкой электрической прочностью, что имеет особое значение для самовосстанавливающихся конденсаторов.
В процессе переработки пленок, например при намотке секций, на них возникают статические электрические заряды, благодаря чему возрастает опасность осаждения на пленку пылинок из атмосферы помещения. Наличие пылинок вызывает локальное искажение электрического поля в диэлектрике, что при высоких рабочих напряженностях приводит к быстрому отказу конденсатора. Поэтому при работе с пленками должны приниматься меры по предотвращению возникновения статического электричества; нормируются также степень запыленности помещения, где производятся работы, и размеры пылинок.
Пленка САМИ и полистироловая в сочетании с нефтяным маслом, состоящим из нафтеновых и парафиновых фракций, использовались в конденсаторах повышенной частоты, что позволило отказаться от водяного охлаждения. Их широкое применение ограничивается низкой теплостойкостью. Полярные пленки заменили в ряде случаев конденсаторную бумагу в конденсаторах постоянного тока. Конденсаторы с пленочным диэлектриком без жидкого заполнения изготавливаются на напряжения, не превышающие нескольких сотен вольт. Использование их при более высоких напряженностях ограничивается возникновением частичных разрядов.
Пленка из изотактического полипропилена является основным материалом для диэлектрика конденсаторов, работающих на переменном напряжении. Изотактически и полипропилен получается полимеризацией пропилена СН2—СНСН3, в результате которой при определенных условиях образуется изотактическая структура (рис. 5.10), характеризуемая расположением радикала СН3 по одну сторону от главной цепи. Эта пленка обладает достаточно хорошими электрическими и механическими характеристиками, теплостойкостью (температура плавления около 170° С и рабочая температура порядка 80е С) и химической стойкостью, допускающей работу в среде активных пропитывающих жидкостей (хлордифенилы, ароматизированные нефтяные масла и т. д.). Чем выше содержание изотактической фазы (в конденсаторном полипропилене она составляет 95%), тем выше механическая прочность и теплостойкость пленки. В результате беспорядочного расположения радикала СН3 относительно главной оси образуется атактическая фаза, ухудшающая механические характеристики и растворяющаяся практически во всех применяемых для пропитки силовых конденсаторов жидкостях, что увеличивает 6 диэлектрика. Зольность пленки составляет 30—50 мг/кг. При вытягивании пленки вдоль ее длины и ширины (ориентирование) в процессе изготовления улучшаются механические характеристики.
Рис. 5.10. Строение изотактического полипропилена
Несмотря на более высокую стоимость пленки по сравнению с бумагой, бумажно-пленочный диэлектрик как основной диэлектрик силовых конденсаторов вытесняется многослойным пленочным. Он имеет более низкие потери, благодаря чему снижается расход энергии на потери в конденсаторах и удешевляется эксплуатация их, и, кроме того, позволяет уменьшить габариты и повысить надежность их. Для преодоления затруднений, возникающих
при пропитке пленочного диэлектрика, предложено много способов, суть которых сводится к созданию на поверхностях пленок и обкладок микрокапиллярной системы, обеспечивающей диффузию пропитывающей жидкости внутрь секции. Основным из них является термическая обработка поверхности пленки в процессе ее изготовления при температуре на 10° ниже точки плавления, при которой разрушается кристаллическая структура поверхностного слоя без разрушения структуры остальной се части и он становится шероховатым («матовым»), что обеспечивает диффузию пропитывающей жидкости внутрь секции. Обработке могут быть подвергнуты одна или обе поверхности пленки, т. е. она может быть одно- или двустороннне-шероховатой.
Степень шероховатости является одной из важных характеристик пленки. Она оценивается наибольшим Rа или среднеарифметическим отклонением, и по этому параметру пленки делятся на три класса:
Степень шероховатости может быть определена с помощью профилометра, как это делается при оценке чистоты обработки поверхности механических деталей, или но различию геометрической (ГТ) и весовой (ВТ) толщин. Под ГТ понимается поделенная на 10 толщина 10 листов пленки, измеренная микрометром с площадью 2 см2 при давлении в 1 бар. Величина ВТ представляет собой частное от деления массы пленки с площадью в 1 см2 на плотность полипропилена 0,905 г/см3. Величина
характеризует степень шероховатости.
Ее значения для различных классов пленок составляют:
Гладкие и слабошероховатые пленки используются для металлизации или в однослойной диэлектрической системе с мягкими обкладками. В многослойном пленочном диэлектрике могут применяться только одно- или двусторонне-шероховатые пленки. Об обработке поверхностей обкладок см. в § 7.1.
Электрическая прочность односторонне-шероховатой пленки сохраняется на уровне электрической прочности гладкой пленки такой же толщины, у двусторонне-шероховатой она снижается. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры приведена на рис. 5.11 (кривая 2). Находясь в контакте с пропитывающей жидкостью (практически с любой из применяемых для пропитки силовых конденсаторов), пленка набухает. Степень набухания зависит от свойств жидкости, температуры и времени контактирования. Время набухания пленки уменьшается по экспоненциальному закону с увеличением температуры и может быть очень малым. Так, пленка толщиной 12 мкм набухает в трихлордифениле при температуре 100° С менее чем за 1 мин [5.6]. При набухании пленка увеличивает свою толщину, массу, диэлектрическую проницаемость и tgδ. Увеличение толщины и массы можно выразить количественно, с помощью формул
Рис. 5.11. Зависимость ег от температуры:
1 — нефтяное масло; 2— полипропиленовая пленка; 3— трихлордифенил
(5.13)
(5.14)
где И и т — толщина и масса ненабухшей пленки; (1' и т' — то же набухшей пленки; ка>\ и кт> 1—экспериментально определяемые коэффициенты. Диэлектрическая проницаемость набухшей пленки рассчитывается по формуле Лихтенекера
в которой
— диэлектрическая проницаемость ненабухшей пленки;
— то же жидкости; х— доля пленки, определяемая из уравнения баланса масс
Рис. 5.12. Зависимость tg δ полипропиленовой пленки, набухшей трихлордифенилом от температуры на частоте 50 Гц:
1 — исходная пленка; 2—после выдержки в трихлордифениле 144 ч при температуре 100 С: 3—то же при 140‘С в течение 2 ч
где 7п — плотность пленки и Уж— то же жидкости. После подстановки х в формулу Лихтенекера окончательно получим
(5.15)
Изменение 5 пленки при набухании иллюстрируется рис. 5.12 [5.6], на котором кривой 1 представлена зависимость 5 от температуры до контактирования ее с трихлордифенилом, кривой 2 — после контактирования при 100° С в течение 144 ч, кривой 3 — при 140° С в течение 2 часов. После контактирования в температурной зависимости tg δ появляется дипольный максимум при температуре, соответствующей температуре дипольного максимума 5 трихлордифенила, и значение его возрастает с повышением температуры контактирования.
Увеличение толщины пленки при набухании должно учитываться при проектировании конденсаторов с пленочным и бумажно-пленочным диэлектриками путем выбора соответствующего значения коэффициента запрессовки. Для этих диэлектриков оно будет значительно меньше, чем в бумажном, и для каждого конкретного случая определяется по экспериментальным данным.
