Глава 8
ЖИДКИЕ И ТВЕРДЫЕ ИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Изолирующие жидкости
Жидкие изоляционные материалы применяются в силовых и измерительных трансформаторах, выключателях, конденсаторах, кабелях и других электротехнических изделиях, а также используются в качестве изолирующей среды между элементами, находящимися под напряжением, например, в трансформаторах, пропиточной среды в слоистой изоляции (масло в конденсаторах и кабелях), охлаждающей среды в трансформаторах, дугогасящей среды, например, в масляных выключателях, диэлектрической среды с особо высокой диэлектрической проницаемостью в конденсаторах.
В зависимости от требований, предъявляемых в конкретных условиях к жидкой изоляции, используются жидкости с большей или меньшей вязкостью минерального или синтетического происхождения, такие, как силиконы, полиалкены (например, полиизобутилы), алкольбензолы (например, доде- цилбензол), хлорбензолы, хлорированные дифенилы и др.
Прежде чем перейти к описанию различных видов изоляционных жидкостей, обсудим их физико-химические свойства, а также механизмы электропроводности и пробоя.
Физико-химические свойства
Многочисленными исследованиями [8.1] — [8.5] установлено, что на проводимость и электрическую прочность жидкостей сильно влияет содержание в них влаги и газа. Поэтому электрические характеристики конкретной жидкости в значительной степени зависят от растворимости в ней воды и газов. Основные закономерности растворимости для многих жидкостей одни и те же, поэтому рассмотрим эти закономерности подробнее. Вода существует в изоляционных маслах в различных формах: в виде раствора, эмульсии или крупных капель. Газы в жидкости могут быть растворены или существовать в диспергированном виде. Таким образом, имеют место либо состояние раствора со своими закономерностями, либо другие состояния, отличающиеся тем, что в жидкости находится больше воды или газа, по сравнению с тем их количеством, которое может быть растворено при заданной температуре.
Растворимость воды и газов в изоляционной жидкости определяется законом Генри
(8.1)
Этими параметрами определяется и растворимость воды при заданных отношениях масс компонентов раствора, так как с помощью коэффициента Бунзена можно найти плотность отдельных компонентов (например, в миллионных долях или в миллиграммах на один килограмм жидкости).
На рис. 8.1 приведены зависимости абсорбционных коэффициентов Оствальда для воды и различных газов в минеральном масле от величины, обратно пропорциональной абсолютной температуре. Температурные коэффициенты λ положительны для газов с критической температурой (т. е. с температурой, выше которой газ не сжижается при сколь угодно большом давлении) менее 180 К и отрицательны для газовых компонентов, критическая температура которых выше 180 К (правило Керосу [8.6]).
Растворимости отдельных компонентов при постоянной температуре зависят от сил взаимодействия молекул газообразных компонентов. Ряды газов в порядке увеличения их растворимостей сохраняются для любых жидкостей.
Рис. 8.1. Коэффициенты абсорбции λ разных газов в зависимости от величины, обратной абсолютной температуре Т в минеральном масле Shell
Diala D [8.7]
Рис. 8.2. Предельное содержание SF6, Н2О, О2 и N2 в масле Shell Diala D в зависимости от парциального давления при температурах 20 и
80 °C [8.7]
Рис. 8.3. Предельное содержание С2Н2, СО2, Аr и Н2 в масле Shell Diala D в зависимости от парциального давления при температурах 20 и 80 °C [8.7]
Эти ряды можно составить с использованием констант силового взаимодействия молекул.
Если представить отношение масс растворимых компонентов при постоянной температуре в зависимости от парциального давления газообразных компонентов, то получим абсорбционные изотермы, аналогичные представленным на рис. 8.2 и 8.3 для трансформаторного масла типа Shell Diala D. Вследствие пропорциональности количества абсорбированного вещества парциальному давлению газообразного компонента (закон Генри) изотермы представляют собой прямые линии.
Ряд, составленный для растворимости газообразных компонентов, не соответствует ряду для абсорбционных коэффициентов Оствальда (см. рис. 8.1), так как при определении отношений масс растворимых компонентов частично учтены сильно различающиеся молекулярные веса газообразных компонентов. При таком рассмотрении растворимость компонентов с более высоким молекулярным весом при постоянном давлении возрастает (за редким исключением). Способности различных жидкостей растворять газы могут сильно отличаться в зависимости от типа жидкости, ее состава и среднего молекулярного веса. Для жидкостей на основе минерального масла эти способности увеличиваются при уменьшении среднего молекулярного веса и возрастании содержания ненасыщенных углеводородных групп. Для синтетических изолирующих жидкостей это выполняется не всегда, что отчетливо видно из рис. 8.4, где приведены зависимости растворимостей воды в различных изоляционных жидкостях от величин, обратных абсолютной температуре. Из представления этих зависимостей в логарифмическом масштабе по оси ординат следует, что в ограниченном диапазоне температур можно воспользоваться следующей экстраполяцией:
(8.5)
где К и Н — постоянные для конкретной жидкости.
Если, например, жидкость с насыщенным содержанием воды охлаждается, то содержание воды превышает то, которое может находиться в растворенном виде, и вода образует эмульсию, поэтому прозрачная жидкость становится мутной. В результате в жидкости остается в растворенном виде только количество воды, соответствующее насыщенному состоянию при новой температуре. В стационарном состоянии жидкость снова светлеет, освобожденная вода оседает на дно сосуда в случае масла или коагулирует в случае хлорированного дифенила.
