Текст
                    СПРАВОЧНИК
ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ МАТЕРИАЛАМ
В ТРЕХ ТОМАХ
ПОД РЕДАКЦИЕЙ Ю. В. КОРИЦКОГО, В. В. ПАСЫНКОВА, Б. М. ТАРЕЕВА
Третье, переработанное издание
ТОМ 1
Согласовано с Государственной службой стандартных справочных данных
МОСКВА ЭНЕРЕОАТОМИЗДАТ 1986
ББК.31.2§__
С 74
УДК 621.315.61 (035.5)
Рецензент: доктор техн, наук, проф. С. А. Яманов
' Справочник по электротехническим материа-С 74 лам: В 3 т. Т. 1/Под ред. Ю. В. Корицкого и др.— 3-е изд., перераб. — М.: Энергоатомиздат, 1986.— 368 с.: ил.
Приведены свойства электроизоляционных материалов. Рассмотрены: газообразные и жидкие диэлектрики, полимеры, смолы, лаки и компаунды, пропитанные и непропитанные волокнистые материалы, слоистые пластмассы. В третье издание включены новые материалы, которые используются в последнее время. Второе издание вышло в 1974 г. Том второй выйдет в 1986 г.
Для инженерно-технических работников предприятий электротехнической, электронной и радиотехнической промышленности.
Л 2302020000-451
С---------------- 70-85
051(01)-86
ББК 31.23
© Издательство «Энергия», 1974.
© Энергоатомиздат, 1986.
ПРЕДИСЛОВИЕ
В связи с потребностью широких кругов читателей в справочной литературе по сорта-' менту, свойствам и областям применения электроизоляционных и других электротехнических материалов Секция электрической изоляции (ранее — Всесоюзное бюро электрической изоляции) Научно-технического общества энергетики и электротехнической промышленности имени акад. Г. М. Кржижановского уже давно проявила инициативу в организации издания такого рода литературы. Еще в годы Великой Отечественной войны были подготовлены и выпущены в свет два справочных издания сравнительно небольшого объема: Б. М. Тареев. «Справочник по электроизоляционным материалам» и Ю. В. Корицкий и Б. М. Тареев «Заменители электроизоляционных материалов» (Госэнергоиздат, 1944).
В 1948 г. Госэнергоиздатом был выпущен в свет составленный в соответствии с решением Всесоюзного бюро электрической изоляции и посвященный научной н инженерно-технической общественности Советского Союза «Справочник по электрической изоляции» под редакцией Ю. В. Корицкого и Б. М. Тареева. Особенностью этого справочника, составленного коллективом 23 авторов, явилось то, что, помимо собственно электроизоляционных материалов, в нем описывались также н системы электрической изоляции в кабелях, конденсаторах, электрических машинах, трансформаторах и радиоаппаратуре.
«Справочник по электрической изоляции» был переведен и издан на румынском (в Бухаресте) н китайском (в Пекине) языках.
Большое значение других впдов электротехнических материалов, помимо электроизоляционных, определило целесообразность издания справочной литературы по различным электротехническим материалам. Такой «Справочник по электротехническим материалам» под редакцией К. А. Андрианова, Н. П. Богородицкого, Ю. В. Корицкого и Б. М. Тареева был издан Госэнергоиздатом в трех книгах (т. I, ч. I — «Электроизоляционные материалы. Свойства материалов», 1958; т. I, ч. II — «Электроизо-. ляционные материалы,- Методы испытания и применения материалов», 1959; т. II — «Магнитные, проводниковые, полупроводниковые н другие материалы», 1960); в его создании участвовал коллектив из 62 авторов. Справочник был переведен на китайский язык и издан также в трех книгах в Пекине.
Второе, переработанное издание «Справочника по электротехническим материалам» под редакцией Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова и Б. М. Тареева было выпущено издательством «Энергия» в трех томах (т. I н II —1974; т. Ш —1976); его составлял коллектив из 83 авторов. Это издание было переведено на румынский язык и издано в Бухаресте. В отличие от первого издания во второе не вошли специальные разделы, посвященные системам изоляции.
Таким образом, к моменту Подготовки настоящего издания Справочник имел уже 40-летнюю историю. Параллельно с этим справочником под руководством вначале П. Е. Гетмана, а затем В. Б. Березина было организовано составление справочника «Электротехнические материалы», рассчитанного на практических работников материально-технического снабжения и сбыта предприятий, баз и складов, а также плановиков н экономистов (1-е изд. — Энергия, 1964; 2-е изд. — Энергия, 1969; 3-е изд. — Энергоатомиздат, 1983).
Настоящий энциклопедический Справочник, издаваемый в трех томах, охватывает все основные классы электротехнических материалов: диэлектрических, магнитных, проводниковых и полупроводниковых. Классификация материалов в связи с потребностями круга читателей, на которых рассчитан справочник, сделана в соответствии со свойствами и областями применения материалов. Поэтому иногда один и тот же материал может рассматриваться в различных разделах, например никель как магнитный материал рассматривается в разделе магнетиков, а как материал для электродов электровакуумных приборов — в разделе проводников и т. д. В конце каждого тома имеется алфавитный предметный указатель, который наряду с оглавлением тома должен помочь читателю быстро найти интересующие его данные.
Первый и второй тома Справочника посвящены электроизоляционным материалам. Третий том включает разделы, в которых охарактеризованы магнитные, проводниковые, полупроводниковые, а также иные материалы, например сегнетоэлектрики, электреты, люминофоры, жидкие электролиты и т. д. В начале первого тома помещается раздел «Общие справочные сведения», содержащий сведения о единицах и размерностях физических величии, важнейших физических постоянных и т. п.
В Справочнике могут встретиться несколько различающиеся количественные данные по свойствам материалов с одинаковым названием. Это объясняется тем, что показатели свойств материалов.зависят от методов испытаний, многие нз которых пока не унифицированы. Кроме того, ряд материалов, выпускаемых под одним и тем же названием, может иметь различные свойства, в зависимости от технологии получении, наличия примесей или добавок и условий последующей переработки.
В соответствии с ГОСТ 8.310-78 приведенные в справочнике численные данные о свойствах материалов относятся к категории информационных.
 Составители проеят направлять замечания и предложения по настоящему изданию Справочника по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., д. 10, Энергоатомиздат.
Ю. В. Корицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев
ВВЕДЕНИЕ
Ю. В. Корицкий, В. В. Пасынков, Б. М. Тареев
Электротехническими материалами называются материалы, характеризуемые определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и применяемые в технике с учетом этих свойств. В практике различным материалам приходится встречаться с воздействием как отдельных сторон электромагнитного поля — электрическим и магнитным полями/ так и с их совокупностью.
По поведению в магнитном поле материалы подразделяют на сильно магнитные и слабо магнитные (немагнитные). По поведению в электрическом поле материалы подразделяют на проводниковые, полупроводниковые й диэлектрические.
Подавляющее большинство электротехнических материалов являются немагнитными. Однако н среди магнитных материалов следует различать проводящие, полупроводящие и практически непроводящие, так как это определяет частотный диапазон их применения.
Проводниковыми называют материалы, основным электрическим свойством которых является сильно выраженная по сравнению с другими электротехническими материалами электропроводность. Их применение в технике обусловлено в основном этим свойством, определяющим высокую удельную электрическую проводимость.
Полупроводниковыми называют материалы, которые являются по своей удельной проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими материалами и отличительным свойством которых является исключительно сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей или других дефектов, а также в большинстве случаев от внешних энергетических воздействий (температуры, освещенности и т. п.).
Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электростатического поля. Реальный (технический) диэлектрик тем больше приближается к идеальному, чем меньше его удельная проводимость н чем слабее у него выражены замедленные механизмы поляризации, связанные с рассеянием электрической энергии к выделением тепла.
- При практическом применении диэлектриков-—одного из наиболее обширных классов электротехнических материалов — достаточно четко определились потребности электротехники в использовании пассивных или активных свойств этих материалов.
На использовании пассивных свойств диэлектрических материалов основано самое существенное их применение в электротехнике — в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков конденсаторов обычных типов..
Электроизоляционными материалами называют диэлектрики, применяемые в технике для устранения утечки электрических зарядов; иными словами, они должны разделять электрические цепи друг от друга или токоведущие части устройства, приборов и аппаратов от проводящих, но- не токоведущих частей (от корпуса/ от земли). В этих случаях значение Диэлектрической проницаемости материала не играет особой роли или оно должно быть возможно' меньшим, чтобы не вносить в схемы паразитных емкостей. В случае использования электроизоляционного материала в качестве диэлектрика конденсатора определенной емкости и наименьших размеров при прочих равных условиях желательно иметь большую диэлектрическую проницаемость материала. -
Активными — управляемыми диэлектриками являются сегнетоэлектрики, пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюмииофоры,- материалы для излучателей и затворов в лазерной технике,; жидкие кристаллы, электреты и др.
Несколько десятилетий тому назад вопрос выбора электротехнических материалов для тех или иных электрических устройств был сравнительно простым. Часто в качестве электротехнических материалов использовались материалы, применявшиеся в других областях промышленности. Так, в электроизоляционной технике широкое применение находили материалы природного происхождения: древесина, хлопчатобумажное волокно, шелк, растительные масла, натуральный каучук, природные смолы, каменные породы и др.
За последнее время условия, в которых работают материалы в электрических устройствах и в аппаратуре радиоэлектроники и автоматики, стали значительно более суровыми. Повысились рабочие напряжения электрических машин и аппаратов, воздушных и кабельных линий электропередачи. Повысились единичные мощности машин и аппаратов, что наряду с ростом напряжений вызвало существенное увеличение геометрических размеров этих машин и т. п. Одновременно повысилась и удельная; мощность, т. е. мощность, отнесенная к единице объема или к единице массы машин и дру--гих устройств, что связано, в частности, с повышением рабочих температур; в ряде случаев; высокие рабочие температуры требуются в соответствии с самим функциональным назначением устройств (электрические печи, электровакуумные приборы большой мощности-и т. п_). Высокие температуры часто существенно ухуд-. шают условия работы электротехнических ма-с териалов.
В других случаях, в частности во многиаь аппаратах радиоэлектроники, наоборот, требуется -получение весьма малых размеров . ком—, понентов и-размещение многих компонентов в„ весьма ограниченных объемах (миниатюриза-.
Введение
5
ция и микроминиатюризация), что требует преодоления также больших трудностей, но иного порядка, в частности использования материалов с весьма малым углом потерь, так как уменьшение массы и габаритов изделий в микроминиатюрном исполнении связано с минимизацией мощности устройства в целом. Кроме того, в радиоэлектронике приходится иметь дело с высокими и сверхвысокими частотами и с ужесточенными требованиями к точности и стабильности настройки частоты колебательных контуров.
Наряду с повышенными рабочими температурами в некоторых случаях приходится иметь дело, с весьма низкими рабочими температурами, иногда приближающимися к абсолютному нулю, а также .с резкими сменами температуры («термоударами»). Явление сверхпроводимости стало технической реальностью и уже широко используется.
В ряде случаев электротехническим материалам приходится работать в условиях повышенной влажности окружающей среды, воздействия химически активных реагентов, ионизирующего излучения, механических усилий (в частности, ударов и вибраций) и пр. Указанные факторы, могущие оказывать чрезвычайно вредное воздействие на электротехнические материалы, часто действуют одновременно в различных комбинациях (примеры: электротехническое и радиоэлектронное оборудование морских судов, самолетов, ракет, космических кораблей,, атомных реакторов, магнитогидродинамических генераторов и т. п. или оборудование «тропического» исполнения, предназначенное для эксплуатации  в странах с влажным тропическим климатом).
Одновременно с утяжелением условий эксплуатации существенно повышаются требования к надежности работы электротехнических устройств и радиоэлектронной аппаратуры, в очень большой степени определяемой надежностью их электрической изоляции, контактных соединений, полупроводниковых и диэлектрических активных элементов схемы.
Для устройств, аппаратуры, приборов установлены параметры, характеризующие надежность и долговечность их работы: ресурс отказов, наработка на отказ, частота отказов, интенсивность отказов, срок службы или время жизни и т. д. Все эти параметры зависят от вида и качества используемых материалов.
В настоящее время при выборе материалов необходимо учитывать и то, обеспечат ли они возможность организации современного гибкого автоматизированного производства (ГАП) изделий, а также возможность создания автоматизированных систем управления технологическими процессами производства (АСУТП) как самих материалов, так и устройств, в которых они будут использованы.
Из сказанного вытекает необходимость всестороннего исследования свойств новых материалов, по которым еще не накопился должный опыт эксплуатации, а также определения пригодности «старых» материалов в новых условиях работы.
Для того чтобы сознательно разбираться в требованиях, предъявляемых к электротехническим материалам, необходимо изучить те физические явления, которые имеют место в ма
териалах при воздействии иа них электромагнитного поля, и установить параметры, количественно определяющие свойства материалов.
Все вышеизложенные обстоятельства в значительной степени усложняют выбор электротехнических материалов, пригодных в каждом конкретном случае применения, и требуют разработки новых материалов, без использования которых многие современные электротехнические устройства вообще не могут быть созданы.
Как правило, все новые, обладающие высокими свойствами электротехнические материалы имеют синтетическое происхождение. В частности, большое значение приобрели синтетические высокомолекулярные соединения (органй-' ческие и элементоорганические полимеры) и такие неорганические материалы, как стекла; керамические и стеклокерамические материалы, а также выращенные монокристаллы различных веществ.
Более того, в последние годы открыты новые виды диэлектрических, проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов, обладающих особыми, ранее неизвестными или малоизученными свойствами. На основе этих" материалов могут быть изготовлены принципиально новые электротехнические устройства и радиоэлектронные аппараты. Таковы, в частности, многочисленные полупроводниковые приборы; различные твердые схемы; разнообразные нелинейные конденсаторы и резисторы с параметрами, регулируемыми бесконтактными способами; различные сегнетоэлектрические, пьезоэлектрические и пироэлектрические устройства; выпрямители, усилители, стабилизаторы напряжения, преобразователи энергии, запоминающие ячейки; электретные и фотоэлект-ретные приборы; устройства электрографии; электролюминесцентные приборы; квантовые генераторы и усилители-лазеры и др.; жидкие кристаллы; ферритные устройства, в том числе устройства для изменения плоскости поляризации волны в технике сверхвысоких частот; датчики Холла; термоэлектрические генераторы с высоким КПД; аппаратура голографии и многие другие аппараты и приборы новой техники.
Для изготовления электротехнических материалов в настоящее время используются разнообразные, нередко весьма сложные приемы химического синтеза, различные виды обработки, включая искусственное выращивание монокристаллов, нанесение тонких пленок на различные подложки; различные способы особо глубокой очистки (технология зонной плавки, плавка и распыление в высоком вакууме и др.) или введения добавок; ионно-плазмениая обработка; воздействие на материалы электромагнитного поля и ионизирующих излучений и т. д.
Разработаны прогрессивные технологические процессы изготовления электроизоляционных конструкций и систем, интегральных пленочных и гибридных микросхем и монолитных изделий микроэлектроники.
Изучение электрических и иных свойств-веществ в связи с их химическим составом-и строением позволит получать новые материалы с заранее заданными свойствами. Такой под-, ход к разработке новых материалов, характер-., иый для современной техники, заменил собой, прежнюю практику изыскания новых матери.а-.
6
Введение
лов путем несистематических попыток случайного нахождения новых рецептур и технологических процессов.
Список литературы
В приводимом ниже кратком библиографическом указателе приведены лишь немногие общие руководства по электротехническим материалам, содержание которых может быть полезно для читателей, интересующихся тематикой многих разделов настоящего Справочника. Ряд литературных источников более узкой тематической направленности приведен в библиографических указателях, помещаемых в конце соответствующих разделов Справочника.
Систематически следить за текущей литературой по электротехническим материалам и смежной тематике рекомендуется по издаваемому Всесоюзным институтом научной и технической информации (ВИНИТИ) Реферативному журналу. В выпуске 21Б (Электротехнические материалы,, электрические конденсаторы, провода и кабели) серии 21 «Электротехника» Реферативного журнала ВИНИТИ за 30 лет (1955—1984 тг.) помещено более 90 тыс. публикаций. Информация по электротехническим материалам помещается также в выпусках Реферативных журналов: 15Г — Металлургия цветных металлов (и полупроводников); 15И—Металловедение и тер-мическаи обработка; 18Н — Физика твердых тел (Электрические и магнитные свойства); 19М —Силикатные материалы; 19П — Химия и переработка древесины, горючих ископаемых и природных газов; 19С — Химия высокомолекулярных соединений; 19Т, 19У,	19Ф — Технология полимерных соединений;
23Г — Материалы электронной техники; 24Ж — Технология производства радиоаппаратуры.
Авакяи Ю. В., Казанчян Г. П. Светостойкость электроизоляционных материалов. М.: Энергия, 1978. 113-е-
Богородицкий Н. П., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Электротехнические материалы. Изд. 7-е, пере-раб. и доп. Л.: Энергоатомиздат, Леиингр. отд., 1985. 304 с.
Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников, М.: Наука, 1977. 672 с.
Борисова М. Э., Койков С. Н. Физика диэлектриков. Л.: Изд-во ЛГУ, 1979, 240 с.
Бушманов Б. Н„ Хромов Ю. А. Физика твердого тела. М.: Высшая школа, 1971. 224 с.
Ван Флек Л. Теоретическое и прикладное мате-риаловедеиие/Пер. с англ. О. А. Алексеева. М.: АтомизДат, 1975. 472 с.
Варденбург А, К., Пилипосяи П. М. Электрическая напыленная изоляция. М.: Энергоатомиздат, 1984. 136 с.
Воисовский С. В. Магнетизм. М.: Наука, 1984. 208 с.
Воробьев Г. А. Диэлектрические свойства электроизоляционных материалов. Томск: Изд-во ТГУ, 1984. 127 с.
Гаркуша Ж. М. Основы физики полупроводников. М.: Высшая школа, 1982. 246 с.
Горбачев В. В., Спицына Л. Г. Физика полупроводников и металлов. М., Металлургия, 1982. 435 с.
Губкин А. Н. Физика диэлектриков. Т. 1. М.: Высшая школа, 1961. 272 с.
Зеегер К. Физика полупроводников/Пер. с англ. Р. Брезиса, А. Матулеииса, А. Тетервова; Под ред. ГО. К. Пожелы. М.: Мир, 1977. 616 с.
Казарновский Д. М., Тареев Б. М. Испытание электроизоляционных материалов. Изд. 3-е, перераб. и доп. Л.: Эне"гия, Ленингр. отд., 1980. 214 с.
Калинин Н. Н., Скибинский Г. Л., Новиков П. П. Электрорадиоматерналы/Под ред. Н. Н. Калинина. М.: Высшая школа, 1981. 294 с.
Кацнельсон А. А. Введение в физику твердого тела. М.: Изд-во МГУ, 1984. 294 с.
Киттель Ч. Введение в физику твердого тела/Пер. с англ. А. А. Г.усева и А. В. Пахнева; Под ред. А. А. Гусева. М.: Наука, 1978. 792 с.
Корицкий Ю. В. Электротехнические материалы. Изд. 3-е, перераб. М.: Энергия, 1976. 313 с.
Корицкий Ю. В. Основы физики диэлектриков. М.: Энергия, 1979. 248 с.
Кристи Р., Питти А. Строение вещества: введение в современную физику/Пер. с англ. Ю. М. Широкова. М.: Наука, 1969. 596 с.
Лившиц Б. Г., Крапошни В. С., Линецкий Я. Л. Физические свойства металлов и сплавов. Изд. 2-е, доп. и перераб./Под ред. Б. Г. Лившица. М.: Металлургия, 1980. 320 с.
Майофис И. М. Химия диэлектриков. М.: Химия, 1981. 248 с.
Маслов В. В. Влагостойкость электрической изоляции. М.: Энергия, 1973. 208 с.
Материаловедение и проблемы эпергетики/Под ред. Г. Лйбовица и М. Уиттингэма; Пер. с англ, под ред. Г. Ф. Мучника. М.: Мир, 1982. 576 с.
Орещннн П. Т. Физика полупроводников и диэлектриков: М.: Высшая школа, 1977. 448 с.
Окадзаки К. Пособие по электротехническим ма-териалам/Пер. с японского М. М, Богачихина и И. Б. Реута; Под ред. Л. Р. Зайонца. М.: Энергия, 1978. 432 с.
Ормонт Б. Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. Изд. 3-е, исправл. и доп./Под ред. В. М. Глазова. М.: Высшая школа, 1982. 528 с.
Пасынков В. В. Материалы электронной техники. М.: Высшая школа, 1980. 408 с.
Поплавко Ю. М. Физика диэлектриков. Киев: Вища школа, 1980. 398 с.
Преображенский А. А. Магнитные материалы в элементы. Изд. 2-е, перераб, М.: Высшая школа, 1976. 336 с.
Прецизионные сплавы. Справочник. Изд. 2-е/Под ред. Б. В. Молотилова. М.: Металлургия, 1983. 439 с.
Слэтер Дж. Диэлектрики, полупроводники, ме-таллы/Пер. с англ. Е. Г. Ландсберг, А. Г. Миронова, Н. С. Рытовой, Э. М. Эпштейна; Под ред. В. Л. Боич-Бруевнча. М.: Мир, 1969. 648 с.
Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982. 320 с.
Уэрт Ч„ Томсон Р. Физика твердого тела. Изд. 2-е/Пер. с англ. А. С. Пахомова и В. Д. Сумма; Под ред. С. В. Тябликова. М.: Мир, 1969. 559 с.
Фистуль В. И. Введение в физику полупроводников. М.: Высшая школа, 1984. 352 с.
Шалимова К. В. Физика полупроводников. Изд. 3-е, перераб. М.: Энерюатомиздат, 1985. 392 с.
Штофа Ян. Электротехнические материалы в вопросах и ответах/Пер. со словацкого В. И. Васи7 на; Под ред. Б. М. Тареева. М.: Энергоатомиздат, 1984. 200 с.
Электрорадирматериалы/Б. М. Тареев, Н. В. Короткова и др.; Под ред. Б. М. Тареева, М.: Высшая школа, 1978. 336 с.
Электротехнические материалы. Справочник/В. Б. Верезии, И. С. Прохоров, Г. А. Рыков, А. М. Хайкин. Изд. 3-е, доп. и перераб. М.: Энергоатомиздат, 1983. 504 с.
РАЗДЕЛ 1
ОБЩИЕ СПРАВОЧНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Б. М. Тареев
1.1. ЕДИНИЦЫ И РАЗМЕРНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В Советском Союзе в соответствии со стандартом ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78) принята Международная система единиц физических величин (французское наименование — Systeme International, сокращенно — SI или в русском написании — СИ). Эта система обязательна для использования во всех научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, прн проектировании объектов строительства, при составлении документации по модернизации техники; она должна также использоваться в новых изданиях нормативнотехнической документации и учебной литературы, включая учебные пособия. Однако пока еще разрешается применение единиц, не входящих в СИ, в научных исследованиях и публикациях теоретического характера в области естествознания; также разрешается использование единиц величин, оцениваемых по условным шкалам: примеры—шкалы твердости материалов по Виккерсу и по Роквеллу. Помимо единиц СИ, допускаются к применению единицы: тонна, минута, час, сутки, угловой градус, угловая минута, угловая секунда, литр, астрономическая единица длины, световой год, парсек, диоптрия, гектар, атомная единица массы, град, электрои-вольт, вольт-ампер, вар, а также относительные и логарифмические единицы. Временно допускаются к применению единицы: морская миля, карат, текс, узел, оборот в секунду, оборот в минуту, бар, непер. Для единиц СИ установлены сокращенные обозначения, как русские, так и международные.
ЕДИНИЦЫ СИ И ИХ ОБОЗНАЧЕНИЯ
«Основных» единиц СИ имеется семь: единица длины — метр, единица массы — килограмм, единица времени — секунда, единица силы электрического тока — ампер, единица термодинамической температуры — кельвин, единица силы света — кандела и единица количества вещества — моль. Кроме того, имеется еще две «дополнительные» единицы СИ: единица плоского угла — радиан и единица телесного угла — стерадиан.
В табл. 1.1 приведены сокращенные обозначения единиц СИ (здесь указаны основные и дополнительные единицы СИ, а также те производные единицы СИ, которые имеют собственные наименования).
Некоторые сравнительно новые единицы: паскаль — единица давления и механического напряжения, равная одному ньютону на квадратный метр: 1 Па=1 Н/м2;
кельвин — единица термодинамической температуры, ранее называвшаяся «градус Кельвина» (прежнее обозначение — °К); эта же единица наравне с °C используется для разностей (превышений, перепадов) температуры (прежнее обозначение единицы разности температур — град);
сименс (бывший «мо»)’ — единица электрической проводимости: 1 См=1/Ом.
Обозначения различных единиц, имеющих собственные названия, а также более подробные сведения о ряде единиц — см. с. 8—15.
Некоторые прежние русские обозначения единиц (набиравшиеся курсивом) существенно отличались от современных: так прежнее обозначение секунды было сек, обозначение грамм-силы (наряду с гс) — Г, обозначение пуаза — из (теперь обозначение «пз» применяется для пьезы), обозначение сименса — «сим».
Нельзя применять обозначение ° без уточнения (°C, °F) для градуса температуры; ° означает исключительно угловой градус.
Таблица 1.1. Единицы СИ, имеющие собственные наименования, и их обозначения
Наименование	Обозначение	
	русское	[ международное
метр	М	m
килограмм	кг	kg
секунда	с	s
ампер	А	А
кельвин	К	К
кандела	кд	cd
МОЛЬ	моль	mol
радиан	рад	rad
стерадиан	ср	sr
герц	Гц	Hz
ньютон	Н	N -.. 
паскаль	Па	  Pa >
джоуль	Дж	J
ватт	Вт	VV
вар	вар	var
ом	Ом	Й
сименс	См	s
фарад	Ф	F
кулон	Кл	C
вебер	Вб	Wb
тесла	Тл	T
генри	Гн	H
гильберт	Гб	Gb
люмен	ДМ.	Im
люкс	лк	/1Х
беккерель	Бк	Bq
грэй	Гр	Gy
зиверт	Зв	Sw
Общие справочные сведения
Разд. 1
КРАТНЫЕ И ДОЛЬНЫЕ ПРИСТАВКИ
Обозначения указанных в табл. 1.2 кратных и дольных приставок пишутся непосредственно перед обозначением единицы, к которой j®HH относятся.
Таблица 1.2. Кратные и дольные приставки и их обозначения
. Наименование приставки	Численное значение Приставки	Обозначение приставки	
		русское	международное
.	Кратные приставки			
экса	10х®	э	Е
пэта	Ю1»	п	Р
тера	10х2	т	Т
гига	10е	г	G
мега	10е	м	М
кило	10®	к	к
гекто	102	г	h
дека	10х	да	da
Дольные приставки			
деци	ю-х	д	d
санти	10~2	с	С
милли	10-®	м	m
микро	10-е	мк	и
нано	10—8	н	n
ПИКО	10-12	п	р
фемто	10-15	ф	f
атто	10—18	а?	а
СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ РАЗЛИЧНЫМИ ЕДИНИЦАМИ
В настоящей сводке после названия каждой рассматриваемой физической величины (заголовка подраздела) указана ' (в скобках) размерность этой величины. Обозначения размерностей основных величин: L — длина, Т — время, М — масса, 0 — температура, I — сила электрического тока, / — сила света, N — количество1 вещества.
На первом месте в списке единиц для каждой физической величины указана когерентная единица СИ и приведена связь этой единицы с основными единицами СИ.
: Приведенные соотношения различных единиц с единицами СИ в каждом конкретном случае следует округлять с разумной степенью точности. Если установлены не подлежащие дальнейшему уточнению соотношения различных единиц (например, перевод дюйма в миллиметры или калории в джоули), после указания соотношения приводится пометка «(точно)».
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ, МЕХАНИЧЕСКИЕ И ОБЩЕФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
Длина (L). Единица СИ — метр (м).
1 микрометр (мкм; прежнее название — микрон й обозначение мк или ц) = 10-3 мм = = 10~6 м.
1 нанометр (нм; прежнее название—миллимикрон и обозначение мл4« или л»р,) = 10-®мм= = 10-» м.	..
1 ангстрем (А) =0,1 . нм = 10~4 мкм = = 10-’ мм=10~10 м.
1 икс-еднница (икс-ед.) = 1,00206-10~13 м.
1 ферми=1 фм=10-15 м.
1 астрономическая единица длины (а. е.д.)= 1,496-10» м.
1 световой год (св. год) =9,4605-101» м.
1 парсек (пк) =3,086-1013 м.
1 (английская) миля (Statute mile, mi.) = =8 фурлонгов=880 фатомов=1760 ярдов= =5280 футов =1609, 344 м.
1 фурлонг (furlong, fur.) =660 футов= =201,168 м.
1 фатом (fathom, fath.) =6 футов= 1,9288 м.
1 ярд (yard, yd)=3 фута=0,9144 . м (точно).
1 фут (foot, множественное число — feet; ft) =12 дюймов=304,8 мм=0,3048 м (точно).
1 дюйм (inch, in.) = 1000 милов—25,4 мм= =0,0254 м (точно).
1 мил (mil, иногда обозначается thou.) = =0,001 дюйма=0,0254 мм=2,54-10~» м (точно).
1 морская миля — длина угловой минуты меридиана Земли (nautical mile, n. mi.) = — 1852 м (точно).
1 кабельтов (cable’s length, русское обозначение «кб»)=0,1 морской мили= 185,2 м (точно).
Площадь (L2). Единица СИ — квадратный метр (м2).
1 барн (б) = 10-24 см2=10-28 м2.
1 ар (а) —100 м2.
1 гектар (га) =0,01 км2=104 м2.
1 квадратная миля (square mile, sq. mi. или mi.2) =259 га=2,59 км2=-2,59-103 м2.
1 квадратный ярд (square yard, sq. yd или yd2) =0,836127 м2.
1 квадратный фут (square foot, sq. ft или ft2) = 144 квадратных дюйма=929,03 см2 = =0,0929 м2.
1 квадратный дюйм (square inch, sq. in. или in.2) =6,4516 см2=6,4516-Ю-4 м2 (точно).
1 квадратный мил (sq. mil или mil2) = =6,4516-10-10 м2..
1 круговой дюйм (circular inch, circ. in.) = =площадь круга с диаметром 1 дюйм=0,7854 квадратного дюйма=5,0671 см2=5,0671-104м2
1 круговой мил (circular mil, circ. .mil) — площадь круга с диаметром 1 мил=5,0671Х ХЮ-10 м2.
Объем, вместимость (£3). Единица СИ — кубический метр (м3).
1 литр (л) = 1 дм3 = 10-3 м3 (точно: ранее считалось 1 л =1,000028 дм3= 1,000028-10-3 м3).
1 кубический фут (cubic foot, cu. ft или ft3) = 1728 кубических дюймов=28,3168 дм3= =2,83168-10-2 м3.
1 кубический дюйм (cu. in. или in.3) = = 16,3871 см3= 1,63871-10-» м3.
1 кварта (quart, qt) =2 пинты= 1,13652 л= = 1,13652-10-3 м3.
1 пинта (pint, pt) =0,56826 л=5,6826Х ХЮ-* м3.
1 баррель США для жидкостей (barrel U.S, liquid — bbl) = 158,988 л«О,159 м3.	’’
Волновое число; коэффициент ослабления (L-1). Единица СИ — метр в минус первой степени (м-1).
§1-1
Единицы и размерности физических величин
.‘9
’ 1 см-1=102 м-1.'
~ • Число частиц (дефектов и т. п.) иа единицу поверхности (L-2). Единица СИ — метр в ми-’нус второй степени (м-2).
1 см-2=104 м-!.
Число частиц в единице объема (L-3). Единица СИ — метр в минус третьей степени (м*8).
1 см-3= 10е м-3.
Плоский угол (L°). Единица СИ — радиан (рад).
1 рад= 180 °М=57 °17'44,8"=57,2958 °.
1 полный угол (оборот, окружность) = =360°=2л рад=6,283185 рад.
1 угловой градус (°) =60/=3600//= =л/180 рад=0,01745329 рад.
1 угловая минута (') =60"=2,90882Х  ХЮ“4 рад.
1 угловая секунда (") =4,84813710-6 рад.
1 град, иначе гон (g) — 0,01 прямого угла или 1/400 полного угла=0,0157 рад.
1 румб=1/32 полного угла=11,25°= =0,196535 рад.
Телесный угол (L°). Единица СИ — стерадиан (ср).
1 полный телесный угол=4л. ср= 12,56637 ср.
1 квадратный градус (□2) = (л/180)2ср = =3,0462-Ю-4 ср.
Время (Г). Единица СИ — секунда (с, прежнее обозначение — сек, международное обозначение — s).
1 минута (мин, min.) =60 с.
1 час (ч, hr) =60 мин=3600 с.
1 сутки (сут)=24 ч=1440 мин=86 400 с.
1 год (средний солнечный) =8765 ч 48 мии 46 с.
1 год (технический) =8760 ч.
Частота; угловая скорость (7-1). Единицы СИ: для частоты периодического процесса — герц (Гц), для частоты дискретных событий — секунда в минус первой степени (с-1), для угловой скорости — радиан в секунду (рад/с).
1 Гц=1 с-1=2л рад/с=6,283185 рад/с.
1 оборот в секунду (об/с) = 1 с-1= =6,283185 рад/с.
1 оборот в минуту (об/мин) = 1 мин-1 = =0,0166667 с-1=л/30 рад/с=0,1047197 рад/с.
1 угловой градус в секунду (17с) = = 1,745329-10-2 рад/с.
Скорость (LT-1)- Единица СИ —метр в секунду (м/с).
1 см/с=0,01 м/с.
1 км/ч=27,78 см/с=0,2778 м/с.
1 фут в секунду (ft/s) =30,48 см/с= =0,3048 м/с.
1 фут в минуту (ft/min) =0,508 см/с— =5,08-Ю-3 м/с.
1 миля в час (mi./hr или m. р. h —сокращение от слов mile per hour) = 1,6093 км/ч= =0,44704 м/с.
1 узел (knot, кп.) — 1 морская миля в час=1 n. mi./hr=l,852 км/ч=1852 м/ч= =0,51444 м/с (точно).
Ускорение (L-7’-2). Единица СИ — метр на секунду в квадрате (м/с2).
1 см/с2 (также гал — название в честь Галилея, обозначение «Гал») =0,01 м/с2.
1 фут в секунду в квадрате (ft/s2) = =0,3048 м/с2 (точно).
1 дюйм на секунду в квадрате (in./s2) = =25,4-10~э м/с2 (точно).
Объемный расход (L3- Т-1) . Единица СИ— кубический метр в секунду (м3/с).
1 дм3/с=1 л/с=10-3 м3/с.
1 м3/ч=2,78-10-4 м3/с.
1 дм3/ч=1 л/ч=2,78-10-7 м8/с.	' •
1 кубический дюйм в секунду (cu. in./s) = = 1,64-10“® м3/с.
Масса (/И). Единица СИ — килограмм (кг). 1 грамм (г) = 10“3 кг.
1 тонна (т) = 1 Мг= 103' кг.
1 карат (к) =0,2 г=2-10-4 кг.
1 кгсс2/м=9,80665 кг (точно).
1 (английский) фунт —pound avoir du pois, обозначение «1Ь.» (сокращение от латинского слова libra) = 16 унций=256 драхм= =7000 гранов=453,59237 г=0,45359237 кг.
1 английская тоина=2240 1Ь.= 1016,02 кг.
1 унция (ounce, oz.) =28,3495 г=2,83495Х ХЮ-2 кг.
1 атомная единица массы (а. е. -м;, а. т. и.) — одна двенадцатая часть массы атома изотопа углерода с массовым числом 12= = 1,6605655-10-27 кг.
Массовый расход	Единица СИ—
килограмм в секунду (кг/с).	' .<( :•
1 г/с= 10-3 кг/с.
1 кг/мин=16,607-10-3 кг/с.
Л инейная плотность, толщина нити (L-1X Х-А4). Единица СИ для толщины нитей н других изделий, имеющих неправильную форму поперечного сечения, и потому измеряемой косвенным путем — взвешиванием отрезка определенной длины,— килограмм на метр (кг/м).	<•
Толщина волокон, полуфабрикатов прядильного производства, пряжи и нитей измеряется в тексах (см. также разд. 9 и 10):
1 текс=1 г/км =10-3 кг/км=10-8 кг/м.
1 миллитекс (мтекс) = 1 мг/км= 10~е кг/м.
1 килотекс (ктекс) = 1 кг/км =1 г/м = = 10-3 кг/м.
Прежнее определение толщины шелка — «титр» — масса стандартного мотка шелка длиной 450 м, выраженная в денье (денье — старая французская единица массы, равная 0,05 г), почему часто тнтр сокращенно, выражается в денье (подразумевается, что количество денье относится к стандартному мотку)-. Иными словами, титр шелка в денье есть масса 9000 м шелка, выраженная в граммах. Иногда механическая прочность шелка условно выражается в единицах силы, деленных на титр в денье (гс/денье н т. п.).
Тоиина нити (L/И-1)- Тонина —величина; обратная толщине нити. Единица СИ тонины — метр на килограмм (м/кг).	.....
Единица «метрического номера» нити — м/г или км/кг; 1 м/г=1 км/кг=108 м/кг.
Соотношение толщины Т в тексах и метрического номера нити в км/кг: 7’»/V=1000. (.
Сила, вес (L/ИТ-2). Единица СИ — иью-. тон (Н).	- ; .,
1 Н=1 кг-м/с2=1 Дж/м=Ю6 дин.
1 дина (днн) = 1 г-см/с2=10-5 Н. г,..-
1 стен (сн) = 103Н.
1 грамм-сила (гс; прежние обозначения гс и Г; иногда понд — pond; обозначение «р») = 980,665 дин = 9,80665 мН=9,80665Х ХЮ-3 И (точно).
1 килограмм-сила (кгс; прежние обозначения кгс и кГ) = 108 гс=9,80665 Н '(точно)'.
1 тонна-сила (тс; прежние обозначения гс и 7)=103 кгс=10в гс=9806,65 Н (точно).
10
Общие справочные сведения
Разд. 1
1 фунт-сила (pound-force, lb.-f. или lbf.) = =453,59237 гс=0,45359237 кгс= 4,44822 Н.
Удельный вес (L~2-M-T~3). Единица СИ— яьютон иа кубический метр (Н/м3).
1 кгс/м3=9,80665 Н/м3 (точно).
' -1 фунт-сила иа ' кубический фут (Ibf./ /си. ft) = 157,087 Н/м3.
Плотность'	'Единица СИ —кило-
грамм на кубический метр ('кг/м'3).
 1 г/см3 =!' кг/дм3=1 кг/л=1 т/м3= = 1 Мг/м®= 10s кг/м3.
1 фунт на кубический фут (lb./cu. ft) = = 16,0185 кг/м3.
1 фунт на кубический дюйм (lb./cu. in.) = =2,768-104 кг/м3.
1 унция на кубический фут (oz./cu. ft) = = 1,011 кг/м3.
' Давление; механическое напряжение, модуль упругости, разрушающее напряжение (L~l-M-T~2). Единица СИ — паскаль (Па).
1 Па=1 Н/м2=1 Дж/м3=1 кг/(м-с3).
1 пьеза (пз) = 1 кПа=103 Па.
1 бар (бар)=0,1 МПа=105 Па.
1 миллибар (мбар) = 10-3 бар=1 гПа = = 100 Па.
1 бария=1 дин/см2=1 эрг/см3=10~® бар= =0,1 Па.
1 килограмм-сила на квадратный метр (кгс/м2) = 1 миллиметр водяного столба (мм вод. ст..)=10“4 кгс/см2=9,80665 Па (точно).
1 килограмм-сила на квадратный сантиметр (кгс/см2), иначе «техническая атмосфе-ра»=104' кгс/м2=10 м вод. ст.=735,6 мм рт. ст.=980,665 мбар=9,80665-104 Па (точно).
1 кгс/мм2 = 9,80665 МПа = 9,80665-103 Па (точно).
1 миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.; иногда также торр — в честь Торричелли) = = 1,33322 мбар = 133,322 Па.
1 физическая атмосфера (атм)=760 мм рт.' ст. = 1,01325 бар = 0,101325 МПа= = 1,01325-1Q3 Па.
1 фунт-сила иа квадратный дюйм (lbf./sq. in. иЛи р. s. i. — сокращение от слов «pound per square inch»=6,894076 кПа= =6,894076-10s Па.
1 фут водяного столба (ft. Н2О) = =2989,07 Па.
 1. дюйм водяного столба (in. Н2О) = ' =249,089 Па.
1 дюйм ртутного столба (in. Hg) = =3386,39 Па.
Параметр Пашена — произведение расстояния между электродами разрядного промежутка в газе на абсолютное давление газа (М-Т~2). Единица СИ — паскальметр (Па-м).
.1 Па-м=1 Н/м=1 кг/с2.
1 мм рт. ст.-мм=0,133322 Па-м.
1 мм рт. ст. -см = 1,33322 Па-м.
. Г. (кгс/см2) -см=980,665 Па (точно).
1 физическая атмосфера — сантиметр = =760 мм рт. ст.-см= 1013,25 Па-м.
Поверхностное натяжение (Af-?-2). Единица СИ — иьютон на метр (Н/м).
1 Н/м=1 Дж/м2=1 кг/с2.
 1 дин/см=103 Н/м.
Ударная вязкость, ударная прочность (М-Т-2). Единица СИ — джоуль на квадратный метр (Дж/м2) или ньютон, на метр (Н/м).
 1 Дж/м2=1 Н/м=1 кг/с2.
.1 кгс-см/см2 =1 кгс/см=980,665 Дж/м2 (точно).
1 фунт-сила — фут на квадратный дюйм (lbf./sq. in.) =2,143 кгс-см/см2=2101,56 Дж/м2.
Динамическая вязкость	Еди-
ница СИ — паскаль-секунда (Па • с).
-	1 Па-с=1 Н-с/м2=1 кг/(м-с) = 10 П.
1 пуаз (П; прежнее обозначение «пз») = = 1 г/(см-с)=0,1 Па-с.
1 сантипуаз (сП)=10-3 Па-с.
1 кгс-с/м2=9,80665 Па-с (точно).
1 пьеза-секунда (пз-с) = 1 кПа-с= = 103 Па-с.
1 фунт-сила — секунда на квадратный фут (lbf-s/sq. ft) =47,88 Па-с.
Кинематическая вязкость (L2-?-1.). Единица СИ — метр в квадрате на секунду (м2/с).
1 стокс (Ст) = 1 см2/с=10-4 м2/с.
1 сантистокс (сСт)=0,01 Ст=10~® м2/с.
Кинематическая вязкость вещества равна его динамической вязкости, деленной иа плотность. Соотношения единиц динамической и кинематической вязкости:
1 Па-с
———— =1 кг/м3 (единица СИ плотно-
1 м2/с ста);
—  -	=1 г/см3 (единица СГС плотно-
1 Ст сти)==103 кг/м3.
Текучесть	Текучесть вещества
равна обратной величине его динамической вязкости. Единица СИ текучести — паскаль в минус первой степени-секунда в минус первой степени (Па_,-с-1).
1 Па-,-с-,= 1м2/(Н-с) = 1м-с/кг.
1 ре (ре) = 1 П-1=10 Па-’-с-1.
Энергия, работа, количество теплоты, термодинамический потенциал (L2-M-T2~). Единица СИ — джоуль (Дж).
1 Дж=1 Н-м=1 Вт-с=1 Кл-В=10’эрг= =2,78-10-’ кВт-ч= 1 кг- mVc2. •
1 эрг (эрг) = 1 дин-см=10~г Дж.
1 электрон-вольт (эВ) =0,16021 аДж= = 1,6021-10-'9 Дж.
1 киловатт-час (кВт-ч) =3,6 МДж=3,6Х ХЮ® Дж.
1 килограмм-сила-метр (кгс-м) =9,80665 Дж (точно).
1 фунт-сила-фут (lbfXft) = 1,35582 Дж.
1 мегатонна тринитротолуола=4-1015 Дж.
1 калория (кал) =4,1868 Дж (точно).
1	килокалория (ккал) = 10s кал—
= 4,1868 кДж=4186,6 Дж (точно).
1	термия=1 Мкал=4,1868	МДж=
=4,1868-10® Дж (точно).
1 британская тепловая единица (British Thermal Unit, В. Т. U.) — количество теплоты, нагревающее 1 фунт воды на 1 градус Фаренгейта =1055,06 Дж.
1 квад (quad) = 1015 В. Т. U. = 2,9Х ХЮ11 кВт-чл<1,06-1013 Дж.
1 лошадиная сила-час (л. с.-ч) =0,736 кВт-ч=2,65 МДж=2,65-10®*Дж.
1 тонна условного топлива (т у. т.) = =7 Гкал=2,93076-1010 Дж.
1 тонна нефтяного эквивалента (т. и. э., t. о. е.) = 10 Гкал=4,1868 -101» Дж.
1 баррель нефтяного эквивалента -(Ь. о. е.) =6,6-109 Дж.
§ 1.1
Единицы и размерности физических величин
И
'  Момент силы	Единица СИ —
ньютон-метр (Н-м).
1 Н-м = 1 кг-м2/с2.
1 кгс-м=9,80665 Н-м (точно).
1 дин-см=10-’Н-м.
1 lb-Xft= 1,35582 Н-м.
Мощность, тепловой поток, поток звуковой энергии (L2-M-T~3). Единица СИ — ватт (Вт).
1 Вт=1 Дж/с=1 Н-м/с=1 А-В=1 В2/Ом= = 107 эрг/с=1 кг-м2/с3.
1 кВт= 1 кДж/с= 103 Вт.
I эрг в секунду (эрг/с) = 1 дин-см/с= = 1 г-см2/с=0,1 мкВт=10-’ Вт.
' 1 килограмм-сила — метр в секунду (кгс-м/с) =9,80665 Вт (точно).
1 калория в секунду (кал/с) =4,1868 Б г (точно).
1 килокалория в секунду (ккал/с) — =4,1868 кВт=4186,8 Вт (точно).
1 килокалория в час (ккал/ч) = 1,163 Вт.
1 фунт-сила—фут в секунду (1bf.Xft/s) = = 1,35582 Вт.
1 фунт-снла — фут в минуту (IbfXft/s) = =0,0226 Вт.
1 британская тепловая единица в секунду (B.T.U./s= 1,05505 кВт= 1055,05 Вт.
1 британская тепловая единица в минуту (B.T.U./min.) = 17,5844 Вт.
1 лошадиная сила (л. с.) =75 кгс-м/с= =0,736 кВт=736 Вт.
Коэффициент влагопроницаемости (7). Единица СИ — килограмм на метр-секунду-паскаль (кг/(м-с-Па)], иначе секунда (с).
1 кг/(м-сПа) = 1 с.
1 грамм на сантиметр — час-миллиметр ртутного столба—1 г/(см-ч-мм рт. ст.) = =2,08 • 10-’ с.
Коэффициент влагорастворимости (L~2X ХГ2). Единица СИ — килограмм на кубический метр-паскаль (кг/(м3-Па)], иначе секунда в квадрате на квадратный метр:
1 кг/(м3-Па) = 1 с2/м2.
1 грамм на кубический сантиметр — миллиметр ртутного столба [г/(см3-мм рт. ст.)] = =7,5 с2/м2.
Коэффициент диффузии (L2 T~* l), Единица СИ — квадратный метр на секунду (м2/с).
1 см2/с=10-4 м2/с.
Коэффициент диффузии равен отношению коэффициентов влагопроницаемости и влагорастворимости материала.
Соотношения единиц влажностных (диффузионных) параметров материала:
1 кг/(м-с-Па) 1с
——  =   — __ 1
1 кг/(м3-Па) 1 с2/м?
1 г/(см-ч-мм рг. ст.)
-------------------г=1см2/ч=2,78.10-» м2/с.
1 г/(смя-мм рт. ст.)
Барический коэффициент (любой физиче-ской величины)	Единица СИ —
паскаль в минус первой степени (Па-1).
1 Па_* = 1 м/Н2=1 м-с2/кг.
1 бар-1 = 10-5 na_1 = 10_5 м-с2/кг.
1 см2/Кгс=1,02-10-5 Па-*.
1 (мм рт. ст.)-’=7,50-10~3 Па-1.
Барический коэффициент БК и физической величины и, являющейся функцией давления р, определяется выражением
1 du	d	d
БК и =-----—- ss —— 1П и fa 2,3—— Igu
и dp	dp	dp
(1Л) (логарифмическая производная и по давлению) .
Соотношения для барического коэффициенту БК и среднего барического коэффициент та БК аналогичны соотношениям для температурного коэффициента и среднего температур.-ного коэффициента (см. с. 11, 12).
ТЕРМИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
Количество теплоты, термодинамический потенциал, тепловой поток — см. выше (с. 10, 11). Коэффициент температуропроводности имеет ту же размерность и измеряется в тех же единицах СИ, что и кинематическая вязкость и коэффициент-диффузии (см. с. 10, 11).
Температура (0). Единица СИ —кельвин (К); прежние название единицы «градус Кельвина» и обозначение «°К».
Сопоставление значений термодинамической температуры Т в кельвинах и температуры t в градусах стоградусной шкалы Цельсия (°C) ив градусах Фаренгейта (°F):
Т, К = #, °C 4-273,15; t, °C = -|-(f, °F—32).
Сопоставление значений разностей (перепа--дов, превышений) температур в кельвинах, градусах стоградусной шкалы и градусах Фаренгейта:
Д7', К = Д/, “С = — Д/, °F- •
9
Температурный (термический) коэффициент, (любой физической величины) (б-1)- Единица СИ — кельвин в минус первой степени. (К-1).
1 градус Цельсия в минус первой степени (°С-|)=1 к-*.
1 градус Фаренгейта в минус первой степени (°F-1) = 1,8 К"1.
Температурный коэффициент ТК« физической величины и, являющейся функцией температуры Т, определяется выражением
1 du
ТК« =------— =
и dT
Inufa 2,3-^- 1g и .(1.2) di	al
(логарифмическая производная и по температуре) .
Если и в свою очередь представляет собой функцию зависящих от температуры переменных х, у, 2... вида
и = A-xm-yn-zp ... ,
где А, т, п, р... — постоянные, то
TK« = m-TKx4-n-TKg4-p TKa ... (1.3)
Средний температурный коэффициент (любой физической величины) (®~!). Средний температурный коэффициент физической величи
12
Общие справочные сведения
Разд. 1
ны для интервала температур от 7^ до 7з (при Ti<Tt) определяется выражением
— 1
ТКи= — «1
Uj — Uj
T2-Ti ’
(1.4)
где «1 и «г—значения и для температур Tt и ?2 соответственно.
Удельная теплота фазового превращения, удельная теплота химической реакции, удельный термодинамический потенциал (L2-T~2). Единица СИ —джоуль на килограмм (Дж/кг).
1 Дж/кг = 1 м2/с2.
1 джоуль на грамм (Дж/г) = 1 кДж/кг= = 103 Дж/кг.
= 1 эрг на грамм (эрг/г) = 10-’ Дж/г= ==10“* Дж/кг.
1 калория на грамм (кал/г) или 1 килокалория иа килограмм (ккал/кг) =4,1868 кДж/кг= 4186,8 Дж/кг (точно).
Теплоемкость системы, энтропия системы (L8-M-7’-2-0-1). Единица СИ — джоуль на -кельвин (Дж/К).
1 Дж/К=1 м2-кг/(с2-К).
1 эрг иа кельвнн (эрг/К)=0,1 мкДж/К= = 10~’ Дж/К.
1 калория на кельвин (кал/К) =4,1868 Дж/ /К (точно).
1 килокалория на кельвин (ккал/К) = =4,1868 кДж/К=4186,8 Дж/К (точно).
Удельная теплоемкость, удельная энтропия (ТЛТ-2 •©-*). Единица СИ — джоуль на кило-грамм-кельвнн ГДж/(кг-К)].
1 Дж/(кг-К) = 0,239 кал/(кг-К) = 104 эрг/(г-К) = 1 м2/(с2-К).
1 джоуль на грамм-кельвин [Дж/(г-К]= = 10? Дж/(кг-К).
1 эрг на грамм-кельвин [эрг/(г.К)] = = 10~‘ Дж/(кг-К).
"I калория на грамм-кельвин |кал/(г-К)1 или 1 килокалория на килограмм-кельвин [ккал/(кг-К)] =4,1868 Дж/(г-К) =4,1868 кДж/(кг-К) (точно).
1 британская тепловая единица на фунт-градус Фаренгейта [В. Т. U./(lb.X°F)] =4186,8 Дж/(кг-К) (точно).
Градиент температуры (Z.-1-©). Единица СИ г—кельвин на метр (К/м).
1 кельвин на сантиметр (К/см) = 100 К/м.
 1 градус Цельсия на метр (1 °С/м) = 1 К/м.
1 градус Фаренгейта на сантиметр (°F/cm) =0,5555 К/см=55,55 К/м.
1 градус Фаренгейта на дюйм (°F/in.) = =21,872 К/м.
1 градус Фаренгейта на фут (°F/ft) = = 1,8227 К/м.
Термическое сопротивление (L“2-Af-1-7’3X Х6). Единица СИ —кельвин на ватт (К/Вт); ранее «тепловой ом» (Омт).
1 К/Вт=1 с3-К/(м2-кг).
1 кельвин на калорию в секунду [К/(кал/ /с)'] =0,239 К/Вт.
1 кельвин на килокалорию в час [К/(ккал/ /ч) 1 =0,85983 К/Вт.
 Удельное термическое сопротивление (7--1Х Х-М-1'?’8 ©). Единица СИ — метр-кельвин на ватт [(м К)/Вт].
1 м-К/Вт=1 Омт-м=1 с3-К/(м-кг).
• 1 сантиметр-кельвин на ватт (см-К/Вт) = =0,01 м-К/Вт.
1 сантиметр-кельвин на калорию в секунду [см - К/(кал/с) ] =2,39 • 10~3 м - К/Вт.
1 метр-кельвин на калорию в секунду [м-К/(кал/с) 1 =0,239 м-К/Вт.
1 метр-кельвин на килокалорию в час [м-К/(ккал/ч)] =0,85983 м-К/Вт.
Теплопроводность (L’M-T~3 • ©-’). Единица СИ — ватт ва метр-кельвин [Вт/(м-К)]-
1 Вт/(м-К) = 1 Ом71-м-*=1 кг-м/(с’-К).
1 Вт/(см-К) = 1 Дж/(с-'См-К)==10~5 Вт/ /(м-К).
1 фурье (Фр) = 10-4 Вт/(см-К) = Ю~2 Вт/ /(м-К).
1 кал/(с-см-К) =418,68 Вт/(м-К) (точно),
1 ккал/(м-ч-К) = 1,163 Вт/(м-К).
1 В. Т. U./(in.XsX°F) =7,477-10‘ Вт/ /(м-К).
1 В. Т. U./(ftXhrX°F) = 1,731 Вт/(м-К).
Коэффициент температуропроводности (L2-7’“1)- Единица СИ — метр в квадрате на секунду (м2/с).
1 см2/с=10~4 м2/с.
1 sq-in./s=6,4516-10~* м2/с.
Поверхностная плотность теплового потока (М-Т~3). Единица СИ — ватт на квадратный метр (Вт/м2).
1 Вт/м2=1 Дж/(с-м2) = 1 кг/с3.
1 эрг в секунду на квадратный сантиметр [эрг/(см2-с)] = 1 г/с3=10-3 кг/с3.
1 ватт иа квадратный сантиметр (Вт/см2) = = 104 Вт/м2.
1 кал/(с-см2) =4,1868-104 Вт/м2 (точно).
1 ккал/(с-см2) =4,1868-10’ Вт/м2 (точно).
1 ккал/(ч-м2) = 1,163 Вт/м2.
1 В; Т. U./(sq. in.Xs) = 1.63535- 10е Вт/м2.
1 В. Т. U./(sq. ftXs) = 1,1357-Ю4 Вт/м2
Коэффициент теплообмена, коэффициент теплоотдачи (Л4-Т-3-©-1). Единица СИ — ватт на квадратный метр-кельвин [Вт/(м2-К)].
1 Вт/(м2-К) = 1 Дж/(м2-с-К) = 1 кг/(с3-К).
1 эрг/(см2-с-К) = 10-3 Вт/(м2-К).
1 Вт/(см2-К) = Ю4 Вт/(м2-К).
1 кал/(с-см2-К) =4,1868-104 Вт/(м2-К) (точно).
1 ккал/(ч-м2-К) = 1,163 Вт/(м2-К).
1 В. Т. U./(sq. in.XsX°F) =2,9436-10« Вт/(м2-К).
1 В. Т. U,/(sq, ftXsXoF)= 2,044-104 Вт/(м2-К).
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
В настоящем разделе «ед, СГС» обозначает единицу соответствующей физической величины симметричной системы сантиметр— грамм—секунда и с — числовое значение выраженной в см/с скорости света в вакууме, равное приближенно ЗЮ10 (точнее — см. с. 15).
Для электрических величин единицы СГС совпадают с единицами электростатической системы сантиметр,— грамм—секунда (СГСЭ), а для магнитных величин — с единицами электромагнитной системы сантиметр — грамм —» секунда (СГСМ).
Электрический ток (7). Единица СИ — ампер (А).
1 А=1 Кл/с=1 В/Ом=1 Вб/Гн=1 В-См = = 1 Вт/В = 1 Дж/(с-В).
1 ед. СГС= (10/с) А=3,33-10-10 А,
5 ГЛ
Единицы и размерности физических величин
13
£' 'Количество электричества, электрический заряд, поток электрического смещения (Т-Г). ^Единица СИ — кулон (Кл; прежнее обозначение к).
‘	1 Кл=1 А-с=1 В-Ф=1 Вб-с/Гн=
= 1 В-с/Ом.
 1 ед.,СГС= (10/с) Кл=3,33-10-‘° Кл.
' 1'ампер-час (А-ч) = 3600 Кл.
- Плотность электрического тока (L~2-I). Единица СИ — ампер на квадратный метр (А/м2).
 1 А/см2 = 1JO‘ А/м2; Г А/мм2 = 106 А/м2.
1 ед. СГС=(10/с) А/см2=105/с А/м2= =3,33 мкА/м2=3,33 -10-е А/м2.
Подвижность носителей заряда (/И_,-Т2Х X/). Единица СИ — метр в квадрате на вольт-секунду [м2/(В-с)] или тесла в минус первой степени:
 1 ” X = 1 м2/(В-с) = ГТл_,= 1 А-с2/кг;
I см/с
. —— =1 см2/(В-с), = 10- м2/(В-с) = 1 D/CM
= 10— Тл—=10—Ас2/кг.
Поверхностная плотность электрического заряда, электрическое смещение, поляризованное™ (L~2-TI). Единица СИ — кулон на квадратный метр (Кл/м2).
1 Кл/м2=1 А-с/м2; 1 Кл/см2=.1О4 Кл/м2.
1 ед. СГС=(10/с) Кл/см2= (105/с) Кл/м2= =3,33 мкКл/м2=3,33-10— Кл/м2.
Объемная плотность электрического заряда (L~3-T-I). Единица СИ — кулов иа кубический метр (Кл/м3).
- 1 Кл/м8=1 А-с/м3; 1 Кл/см3=10в Кл/м3.
.1 ед. СГС= (10/с) Кл/см3= (107/с) Кл/м8= =3,33U0—Кл/м3.
Электрический момент диполя (£•/’•/). Единица СИ — кулон-метр (Кл-м).
1 Кл-м=1 А-с-м; 1 Кл-см=0,01 Кл-м.
1 ед. СГС=(Ю/с) Кл • см= (0,1/с) Кл-м= =3,33-10-2 Кл-м.
1 дебай (Д) = 10-3 ед. СГС=(10-'’/с) Кл-См= (10-19/с) Кл-м=3,333- 10—° Кл-м.
Электрическое напряжение, электрический потенциал, электродвижущая сила (L2-AfX ХГ—•/—). Единица СИ — вольт (В).
1 В = 1 А-Ом=1 А/См=1 Кл-Ом/с= = 1 Кл/(с-См) = 1 Вт/А=1 Дж/Кл=1 НХ Хм/Кл—1 кг-м2/(с3-А).-	- . - •
1 ед. СГС=(10-/с) В=300 В.
Напряженность электрического поля, электрическая прочность (L-M-T~3-I~l). Единица СИ —вольт на метр (В/м).
 ГВ/м=1 кгм/(с3-А).
1 В/см=100 В/м; I В/мм=1 кВ/м= = 103В/м.
1 кВ/мм=1.В/мкМ=1 МВ/м=10° В/м.
 1 ед. СГС= (10—/с) В/см = (10—/с) В/м= =30 кВ/м=3-104 В/м. ' '
1 вольт на мил (V/mil) = l киловольт на дюйм (kV/in) = 39,33 ’ В/мм = 39,33 кВ/м= =3,933-104 В/м.
Электрическое сопротивление, удельное поверхностное сопротивление (L2 • М -.Т~2. -I-.2). Единица СИ — ом (Ом; международное обозначение £2).
1 Ом=1 См-> = 1 В/А=1 В2/Вт=1.Гц-Х ХФ-1«Гс/Ф = 1 кг-м2/(с3-А2).
1 ед. СГС=(10-/с2) Ом=9-10" Ом. X
Удельное электрическое сопротивление материала, удельное электрическое сопротивление (на единицу длины) изоляции кабеля (Ьг:М-Т~г-1~г). Единица СИ —ом-метр (Ом-м).
1 Ом-м=Ю0 Ом-см=1 кг-м3/(с3-А2).
I.Om-cm — 0,01 Ом-м; 1 МОм-см. = = 10‘ 6м-м.
1 Ом — квадратный миллиметр .на метр (0м-мм2/м) = 1 мкОм-м = 10— Ом-м.
1 мегаом-километр (МОм-км) = Ю9 Ом-м.
1 ед. СГС=(10—/с2) Ом-см=9-10Ч ОмХ Хсм=9-10° Ом-м.
Электрическая проводимость (L~2-A1_IX Х?’3-/2)- Единица СИ — сименс (См, прежнее обозначение сим). Ранее эта единица называлась «обратный ом» нли «мо» (mho), и применялось международное обозначение О» т-е-перевернутая греческая буква О (омега).
1 См = 1 Ом- = 1 А/В=1 Кл/(В-с) = = 1 Вт/В2=1 Ф/Гц=1 Ф/с=1 с3-А2/(м2-кг).
1 ед. СГС=(109/с) См=1,11-10-12См.
Удельная электрическая проводимость (L~3-M-'-T3 • /2). Единица СИ — сименс на метр (См/м).
1 См/м = 1 Ом-бм-1 = 1 А/(м-В) = = 1 Ф/(с-м)=1 с3-А2/(м3-кг).
1 См/см = 1 Ом-'-см—=100 См/м.
1 ед. СГС=(10°/с2) См/см = (10L1/c2) См/ /м= 1,11-10-10 См/м.
Удельная электрическая проводимость стандартной электротехнической меди (IACS, сокращение от слов International Annealed  Copper Standard) =58 МСм/м=5,8-107 См/м (точно).
Коэффициент термоэлектродвижущей силы (/.—-/И-Г—-I—®-’). Единица СИ — вольт на кельвин (В/К).
1 В/К=1 В/°С=1 кг/(м2-с3-А - К).
. 1 вольт на градус Фаренгейта (V/°F) = = 1,8 В/К.
Электрическая емкость (/.—•M-*-/'4» Р). Единица СИ — фарад (Ф); ранее эта единица называлась «фарада».
1 Ф=1 Кл/В=1 А-с/В=1 с/Ом=1 СмХ Хс=1 См/Гц=1 с4-А2/(м2-кг).
1 ед. СГС—«сантиметр емкости» (см — ие смешивать с сантиметром — единицей длины!) = (10«/с2)Ф= 1,111 пФ=1,111-10-12 Ф.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость (Ь~3-М~'-Т* • I2). Единица СИ — фарад на метр (Ф/м).
1 Ф/м=1 с/(Ом-м) = 1 с4А2/(м3-кг),
Вектор Пойнтинга (размерность ЛЬ Г— и единицы совпадают с размерностью и единицами поверхностной плотности теплового потока, (см. с. 12).
 Единица СИ — ватт на квадратный метр (Вт/м2).
1 Вт/м2=1 Дж/(м2-с) = 1 кг/с3.
Активная мощность (размерность L3-AfX ХУ-3 и единицы совпадают с размерностью и единицами мощности, см. с. 11). Единица СИ — ватт (Вт).
1 Вт—1 ВА=1 В2/Ом=1 В2/См=1 кгХ Хм2/с3-
Реактивная мощность (размерность совпадает с размерностью мощности и активной мощности, см. выше). . Единица СИ —вар (вар).
1 вар=1 Вт=1 В-А=1 кг-м2/с3.
14
Общие справочные сведения
Разд. I
Полная мощность (размерность совпадает с размерностью мощности, активной мощности и реактивной мощности, см. выше). Единица СИ'—вольт-ампер (В-А).
1 В-А=1 Вт=1 кг-м2/с3.
Магнитный поток	Едини-
ца СИ — вебер (Вб).
1 Вб=1 В-с=1 А-Гн=1 м2  кг/(с2-А).
1 ед. СГС=1 максвелл (Мкс) = 10-8 Вб. -
Магнитная индукция (М-Т~2-1-1). Единица. СИ— тесла (Тл)....
1 Тл=1 Вб/м2=1 В-с/м2=1 А-Гн/м2= = 1 кг/(с2-А).
1 ед. СГС=1 гаусс (Гс) —10-4 Тл.
Магнитодвижущая сила, разность скалярных магнитных потенциалов (/). Единица СИ— ампер (А; прежнее название единицы магнитодвижущей силы «ампер-виток», os).
1 ед. СГС=1 гильберт (Гб) = (10/4л) А= =0,79577 А (обычно считают округленно 0,8 А).
Напряженность магнитного поля Единица СИ — ампер на метр (А/м).
1 ед. СГС=1 эрстед (Э) = (1000/4л) А/м= =79,577 А/м (обычно считают округленно 80 А/м). ’
Индуктивность'	Единица
СИ — генри (Гн).
1 Гн=1 Вб/А=1 В-с/А=1 м2 • кг/(с2-А-).
1 ед. СГС — 1 сантиметр индуктивности (см; не смешивать С сантиметром длины и с сантиметром ёмкости!) = 1 нГн=10-9 Гн.
Магнитный момент диполя, магнитный момент тока (L2-I). Единица СИ—— ампер-квадратный метр (А-ь;2).
Магнитное сопротивление (L-2-M-1-7’2X ХГ2). Единица СИ — ампер на вебер' (А/Вб).
1 А/Вб=1 с2 • А/(м2-кг).
Магнитная- проводимость (L2-M.-T-2-I~2).
Единица СИ — вебер на ампер (Вб/А).
1 Вб/А= 1 м2-кг/(с2-А2).
Абсолютная магнитная проницаемость Единица СИ — генри на метр (Гн/м).
1 Гн/м—1 Вб/(А-м) = 1 В-с/(А-м)=1 мХ Хкг/(с2-А2).
Коэффициент Холла (L3-Г-1 •/-!). Единица СИ:—метр- в кубе .на кулон (м3/Кл).
1 м3/Кл = 1 Ом-м/Тл=1 В-м/(Тл-А) = = 1.м?/(с-.А).
1 см3/Кл=10-в м3/Кл.
СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Сила света (J). Единица СИ — кандела (кд; прежнее название «свеча», св).
Световой поток (/). Единица СИ — люмен (лм).
1 лм=1 кд'-ср.
Освещенность (L“2-Z). Единица СИ — люкс (лк).
1 лк=1 лм/м2.
1 фот (фот) = 104 лк.
Яркость (L-2-Z). Единица СИ — кандела на квадратный метр (кд/м2; ранее Эта единица называлась «нит»).
1 стильб (сб) = 104 кд/м2.
1 апостильб (асб) = (1/jt) кд/м2=0,3183 кд/м2.
1 ламберт (лб) = 104 асб=(104/л) кд/м2= =3183 кд/м?,
.Светимость (L~?-J), Единица СИ—люмен'.на квадратный метр (лм/м2).
1 лм/м2=1 кд-ср/м2.	.
1 радфот=104 лм/м2.
РАДИАЦИОННЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
Активность нуклида (Т-1). Единицы СИ— беккерель (Бк).
1 Бк= 1 распад в секунду= 1 расп./с= = 1 с-1.
1 кюри (Ки)=3,7-1010 Бк.
1 резерфорд (Рд) = 106 Бк.
Поглощенная доза излучения, керма (L2-T~2). Единица СИ — грэй (Гр).
1 Гр=1 Дж/кг= 1 м2/с2.
1 рад (не смешивать с обозначением «рад» для радиана, см. с. 9) = 100 эрг/г=0,01 Дж/ /кг=0,01 Гр.
Мощность поглощенной дозы, мощность кермы (L2-T~s). Единица СИ — грэй в секунду (Гр/с).
1 Гр/с=1 Дж/(кг-с) = 1 Вт/кг=1 м2/с3.
1 рад/с=0,01 Дж/(кг-с) = 0,01 Вт/кг.
Эквивалентная доза излучения (L2-T~2). Единица СИ — зиверт (Зв).
1 Зв=1 Дж/кг=1 м2/с2.
1 бэр (бэр) =0,01 Зв.
Мощность эквивалентной дозы (L2-T~s). Единица СИ — зиверт в секунду (Зв/с).
1 Зв/с= 1 м2/с3. 
1 бэр/с=0,02 Зв/с.
Экспозиционная доза фотонного излучения (М-'-Т-Г). Единица СИ — кулон на килограмм (Кл/кг).
1 Кл/кг=1 с-А/кг.
1 рентген (Р) =2,58-10-4 Кл/кг.
Мощность экспозиционной дозы .(7И-1-/). Единица СИ — кулон на килограмм в секунду [Кл/(кг-с)].
1 Кл/(кг-с)=1 А/кг.
1 Р/с=2,58-10~4 Кл/(кг-с).
ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ И ЛОГАРИФМИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
Относительная величина — безразмерное отношение физической величины к одноименной величине, принятой за исходную; таковы, в частности, относительное удлинение, относительная атомная масса, относительная диэлек • трическая проницаемость, относительная магнитная проницаемость, добротность и т. п. Единицы относительных величин:
безразмерная единица (1);
процент (%) =0,01;
промилле (%о) =0,001;
миллионная доля (млн.'-1; в зарубежной литературе «р. р. гл.»).
Логарифмическая величина — логарифм (десятичный, натуральный или двоичный) относительной величины.
Для измерения усиления, затухания, уровня звукового давления применяются единицы—бел (Б; чаще используется децибел, дБ) И непер (Нп).
1 B=lg (Рг/Л/при P2=10Pb
где Pt и Pz — одноименные энергетические ве.-личины (значения мощности, энергии, плотности энергии и т. п.).
Число децибелов равно 10 Р2/Р\.
Если же имеется в виду отношение двух одноименных силовых величин (значений .напряжения, напряженности поля, силы тока.
§ 1.2.
Важнейшие физические постоянные
15
давления и т. п.) Ft и Ft, то _
1 B=21g (Л/Fi) при Г2= < 10F,.
При тех же обозначениях Pi, Р2, Ft н Ft, что и выше,
. 1 Нп=0,5 In (Pt/Pi) при Р2/Л=е;
1 Hn=ln(F2/Fi) при F2/Fi=e, где е — основание натуральных логарифмов .(«=2,71828).
Соотношения единиц Б, дБ и Нп:
1 Б= 10 дБ=1,151 Нп;
1 дБ=0,1 Б=0,1151 Нп;
1 Нп=0,8686 Б=8,686 дБ.
При необходимости указать исходную величину ее значение помещают с пометкой «те» (первые буквы слова reference) в круглых скобках после обозначения логарифмической величины. Например, обозначение уровня звукового давления 40 децибелов по отношению к принимаемому за нулевой уровень значению звукового давления 20 мкПа имеет вид:
40 дБ (ге 20 мкПа) или
4 Б (ге 20 мкПа).
Фон (фон) — уровень громкости звука, для которого уровень звукового давления равно-громкого с ним звука частотой 1 кГц равен 1 дБ.
Бит (бит) — количество информации, получаемое при осуществлении одного из двух равновероятных событий.
1.2. ВАЖНЕЙШИЕ ФИЗИЧЕСКИЕ
ПОСТОЯННЫЕ
Гравитационная постоянная
Со = 6,672-10-и Н-м?/кг®.
Скорость света в вакууме
с0= 1/]/^е0р0 = 2,997925-10® м/с «
« 3-10® м/с.
Электрическая постоянная
е0 = —	— = 8,854188-10—1? ф/м.
° 4лс?
. Магнитная постоянная
р0 = 4л-10—7 Гн/м (точно) =
= 1,256637-IO-® Гн/м.
Волновое сопротивление вакуума
Zo =	p0/e0 = 376,73 Ом fa 120л Ом.
Коэффициент пропорциональности в формуле Эйнштейна W=тс2, где W— энергия и т — масса:
ед « 9-10“ м?/с? = 9- 10м Дж/кг.
Постоянная Планка (элементарный квант действия)
h = 6,626176- IO-?» Дж/Гц;
постоянная Дирака
ft = h/2n = 1,054589-10-?4 Дж-с.
Энергия фотона электромагнитного излучения частотой f (угловая частота <о=2я?) равна
W = /г/ = tua.
Соотношения длины электромагнитной волны в вакууме X, частоты колебаний f и периода колебаний Т-.
Т = 1//;
М = ЦТ = с fa 3-108 м/с = 3-108 м. Гц.
Соотношения для некоторых значений f и X:
f, Гц	&	f. Гп	X
50	6000 км	юн	3 мм
103	300 км	з- юн	1 мм
108	3 м	101»	0,3 мм
3-108	1 м	3-101®	0,1 м
10»	3 дм	low	30 мкм
3-10»	1 ДМ	3-101»	10 мкм
1010	3 см	101‘	3 мкм
3-101°	1 см	3-1014	1 мкм
Элементарный электрический Заряд е= 1,602189-10-16 Кл.
Масса покоя электрона
те = 5,485803-10—* а. е.м =
= 9,109534- Ю-si кг.
Отношение заряда к массе электрона
е!те= 1,758805-1011 Кл/кг.
Отношение массы протона к массе электрона
тр/те —1836,15.
Магнетон Бора
pg = eh/inme = 9,274078-10—74 Дж/Тл.
Квант магнитного потока
Фо = й/2е = 2,06785-10-“ Вб.
Отношение Джозефсона
1/Ф0 = 2elh = 4,835939-10“ Гц/В.
Постоянная Авогадро (количество молекул в одном моле вещества)
1УЛ=1 г/(моль-а. е. м.) =
= 6,022045-1073 моль-».
Постоянная Фарадея (заряд, переносимый прн электролизе одним грамм-эквивалентом вещества)
р = е = 9,648456-Ю4 Кл/моль.
Число Лоренца (коэффициент пропорциональности Lo в уравнении x/y^Lo?? для идеальных проводников, где х — коэффициент теплопроводности; у — удельная электрическая проводимость; Т — температура, К)
я2ьг
Lo =	— = 2,443- IO-8 В?/К®.
Зе?
Универсальная газовая постоянная, (коэффициент R пропорциональности' в уравнении Менделеева — Клапейрона для идеальных газов
16
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
pV=MRT/m, где р — давление, V — объем и М — масса газа, m — его относительная молекулярная масса и 7 — термодинамическая температура, К)
R — 8,31441 Дж/(моль-К)
Постоянная Больцмана
k = RINa = 1,380662-10—33- Дж/К; .
кинетическая энергия молекулы газа при температуре Т, К, равна 1,5 £7.
Объем, занимаемый одним молем идеального газа прн нормальных термодинамических условиях (р=101 325 Па=760 мм рт. ст. и 7= =273,15 К=0°С),
Vm— 22,4138-10—3 м3/моль.
Число Лошмидта (число молекул в I м3 идеального газа при нормальных термодинамических условиях)
Nl = Na /уm = 2,687-10?- м-3-
Плотность сухого воздуха при нормальных термодинамических условиях равна 1,293 кг/м3. При давлении р, Па, и температуре 7, К, плотность (в кг/м3) воздуха:
D_	1.293______________р___
1 + 0,00367 (7 — 273,15) 101 325 '
Состав сухого воздуха (на уровне моря) по объёму и по массе:
Компонент	% (об.)	% (мае.)
Азот N2 ...... s	78,23	75,70
Кислород О2		20,81	23,00
Аргон Аг ..... .	0,90	1,24
Угольный ангидрид СО2	0,03'	0,05
Прочие (Н2, Ne, Не, Кг, Хе, NHS, I, Rn) . . .	0,03	0,01
Плотность воды при нормальных термодинамических условиях составляет 999,84 кг/м3. Наибольшую (при том же давлении р = = 101325 Па) плотность, весьма близкую к
1000,0 кг/м3, вода имеет прн - 277,19 К (+3,98 °C).
Температура тройной точки воды 273,16 К (точно; отсюда — определение кельвина),; ила около +0,01 °C. Давление тройной точки воды около 6,10 Па.
 Плотность ртути при нормальных термодинамических условиях 13595,09 кг/м3.
 Нормальное ускорение свободного .падения gn=9,80665 м/с3.
Список литературы
1.1.	Бурдун Г. Д. Справочник по Международной системе единиц. Изд. 3-е, доп. М.: Изд-во стандартов, 1980. 232 с.
1.2.	Глебов Г. Д. Единицы физических величин в электронике. М.: Высшая школа, 1983. 88 с.
1.3.	ГОСТ 8.417-81 (СТ СЭВ 1052-78).. Единицы физических величии.
1.4.	ГССД 1-75. Таблицы стандартных справочных данных. Фундаментальные физические постоянные.
1.5.	Иванов В. И., Машковнч В. П., Центер Э. М. Международная система единиц (СИ) в атомной науке и технике. Справочное руководство. М.: Эиергоиз-дат, 1981. 200 с.
1.6.	Исаев Б. М., Юдин М. Ф. К внедрению Международной системы единиц в область измерений ионизирующих излучений. — Измерительная техника, 1981, № 12. с. 10—11.
1.7.	Камке Д„ Кремер К. Физические основы единиц измерения/Пер. с немецкого В. Е. Маркевича и Н. В. Мицкевича; Под ред. А. Н. Матвеева. М.: Мир, 1980. 208 с.
1.8.	РД 50-160-79. Методические указания. Внедрение и применение СТ СЭВ 1052-78 «Метрология. Единицы физических величин».
1.9.	Олейникова Л. Д. Единицы физических величии в энергетике (точность воспроизведения и передачи: Справочное пособие). М.: Энергоатомиздат, 1983. 232 с.
1.10.	Сена Л. А. Единицы физических величин и их размерности. Изд. 2-е, перераб. н доп. М.: Наука, 1977. 336 с.
1.11.	Тареев Б. М. К вопросу об оценке изменений управляемых параметров материалов и компонентов.— Электричество, 1976, № 9, с. 54—56.
1.12.	Тареев Б. М. Применение Международной системы единиц физических величин (СИ) в физике диэлектриков/В кн.: Материалы радиоэлектроники. Межвузовский - бориик научных трудов. М.: МИРЭА, 1979, с. 5—14.
1.13.	Чертов А. Г. Единицы физических величин. М.: Высшая школа, 1977. 287 с.
 1.14. Стоцкий Л. Р. Физические величины и единицы. Справочник. М.: Просвещение, <984. 239 с.
РАЗДЕЛ 2
ОБЩИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Б. М. Тареев
2.1.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ, НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В инженерной практике термины «электроизоляционный материал» и «диэлектрический материал» часто применяются как равнозначные. Однако согласно ГОСТ 19880-74 диэлектрик определен как «вещество, основным элек
трическим свойством, которого является способность поляризоваться в электрическом поле»; диэлектрический материал по ГОСТ 21515-76 определен как «материал, предназначенный для использования его диэлектрических свойств», а электроизоляционный материал— как «диэлектрический материал,- предназначенный для электрической изоляции». Таким образом, объем- понятия «диэлектрический материал» шире, чем объем понятия «электро-
§. 2.2.	Электропроводность диэлектриков	17
V изоляционный материал»: - под понятие «диэлектрический материал» подходят, но под по-У нятие «электроизоляционный материал» ча--стнчно -или полностью не подходят диэлек-. трики, • применяемые в - конденсаторах, когда требуется иметь определенную электрическую -емкость устройства, а также приобретающие гее большее значение в современной технике  ? активные диэлектрики (см. т. Ш Справочника). Активные (управляемые) диэлектрики не только играют «пассивную» роль, т. е. создают электрическую изоляцию; в различных устройствах, в частности в некоторых радиоэлектронных аппаратах, используется изменяемость па-: ‘ раметров' этих материалов под' действием различных факторов/К активным дйэлёктрйкам  ; принадлежат сегнетоэлектрики,- диэлектрическая проницаемость которых существенно изменяется при изменении напряженности элект--рического поля и при изменении температуры;
 пьезоэлектрики, генерирующие электрические , заряды под действием механических напряжений- И; наоборот, изменяющие свои размеры под действием электрического поля; электреты, которые могут рассматриваться как элёктричес-• кне аналоги постоянных магнитов, так как они способны длительно сохранять электрический
. заряд, и др.
В настоящем разделе рассмотрены в основном электроизоляционные материалы; однако многие определения и положения этого раздела имеют значение для рассмотрения н других видов диэлектрических материалов.
.. Очевидно, что никакая, даже наиболее простая'электрическая цепь не1 может быть выполнена без применения как проводниковых, так и электроизоляционных материалов. Назначение электрической изоляции сводится прежде всего к тому, чтобы воспрепятствовать прохождению тока путями, нежелательными
' Для работы данной электрической цепи.
.'Электроизоляционные материалы по. агрегатному состоянию разделяются на твердые, жидкие и газообразные; особую группу составляют твердеющие материалы, которые , в том состоянии; в котором они вводятся в электрическую изоляцию, являются'жидкими или пластичными, но в готовой, работающей изоляции — твердыми веществами.
По химическому составу электроизоляционные материалы разделяются на органические— соединения углерода с водородом, азо-том, кислородом и некоторыми другими элементами— и неорганические.' Особая' группа' материалов — элементоорганические, в молекулы которых входят атомы элементов, не характерных для обычных органических веществ, — кремния, магния, алюминия, титана и пр. Как правило, неорганические материалы имеют более высокую нагревостойкость, чем органические материалы.
Различают также природные электроизоляционные ' материалы (природного происхождения, применяемые без химической переработки),- искусственные электроизоляционые материалы (получаемые- путем химической переработки природного сырья) и синтетические -электроизоляционные материалы (получаемые методом химического синтеза).
Для оценки электрических свойств, а также ' гигроскопичности, адгезионных' свойств
и т. п. диэлектриков важно разделение материалов на полярные, молекулы которых всегда  -имеют некоторый отличный от нуля «постоянный» электрический момент, и неполярные, молекулы которых приобретают «индуцированный» электрический момент только при воздействии внешнего электрического поля. Важно также разделение диэлектриков на гетеропо-лярные (ионные), молекулы которых сравнительно легко диссоциируют (расщепляются) на имеющие противоположные по знаку электрические заряды частицы (ионы), и гомеопо-лярные, для которых диссоциация на ионы не -характерна.
2.2.	ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ДИЭЛЕКТРИКОВ
По самому своему назначению электроизоляционные материалы совершенно не должны пропускать электрический ток под действием приложенного постоянного 1 электрического напряжения, т. е. они должны быть непроводниками. Однако «идеальных» непроводников ие существует, и все практически применяемые электроизоляционные материалы при приложении постоянного напряжения все же пропускают некоторый, обычно весьма незначительный ток.
Ток, проходящий через участок изоляции (или в частном случае через образец электроизоляционного материала) при установившемся процессе электропроводности,, т. е. спустя достаточно большой промежуток времени после приложения постоянного напряжения, также является постоянным и называется сквозным . током утечки. Таким образом, проводимость любого участка изоляции не равна нулю, а имеет конечное значение, и сопротивление изоляции не бесконечно велико, а конечно; соответственно и удельные сопротивления электроизоляционных материалов также конечны, хотя и чрезвычайно велики по сравнению с удельными сопротивлениями проводниковых материалов.
Проводимость изоляции GH3, См, как и проводимость любого проводящего тела, определяется как отношение сквозного тока утечки через изоляцию 7ИЗ, А, к приложенному к изоляции постоянному напряжению U, В:
Gh3 = ^hb/G.	(2.1)
Величина Rn3, Ом, обратная величине биз, — сопротивление изоляции
Rus — U/Isis — 1/6вз.	(2.2)
Различают объемную проводимость изоляции Q, численно определяющую проводимость через толщу изоляции, и поверхностную проводимость изоляции Gs, характеризующую наличие слоя повышенной электропроводности на поверхности раздела- твердой изоляции с окружающей газообразной (в большинстве случаев — воздухом) или жидкой средой; этот слой : создается вследствие неизбежных загрязнений, увлажнения и т. п. Для газообразных н жидких диэлектриков поверхностная проводимость обычно не рассматривается,
1 Под- действием приложенного переменного напряжения всякий диэлектрик пропускает переменный ейкостный ток, см, формулу (2.21).
18
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
рика цилиндрического конденсатора (рис. 2.3) или изоляции коаксиального кабеля:
Рис. 2.1. Объемный и поверхностный токи утечки через участок изоляции (схематически)
Рис. 2.2. Участок изоляции с постоянным поперечным сечением
Рис. 2.3. Участок изоляции между электродами в виде двух коаксиальных цилиндров (цилиндрический конденсатор)
Соответственно вводятся понятия объемного тока утечки I и поверхностного тока утечки Is (рис. 2.1), а также объемного сопротивления изоляции R и поверхностного сопротивления изоляции Rs. Очевидно, что сопротивления R и Rs включены параллельно друг другу между электродами, через которые подается напряжение на изоляцию. Таким образом,
I — U/R = UG;
IS^U/RS=UGS; R = 1/G; «s=i/gs; 'и8=л-^;
Ga3=l/S+1/Rs.
(2.3)
Ниже приводятся формулы ((2.4)—(2.6)] для расчета объемных сопротивлений R, Ом, участков изоляции из однородного и изотропного диэлектрика наиболее важных практически геометрических конфигураций. В этих формулах р (для диэлектриков часто обозначается также рт в отличие от удельного поверхностного сопротивления ps, см. формулу (2.11)—параметр диэлектрика— его удельное объемное сопротивление; единица р — Ом-м («ом-метр»).
Для простейшей конфигурации участка изоляции с постоянным поперечным сечением 5, м2 (равным площади каждого электрода), и толщиной (расстоянием между электродами) й, м. т. е. диэлектрика плоского конденсатора (рис. 2.1 и 2.2),
R—ph/S,	(2.4)
или
p = RS/h.	(2.4')
Для участка изоляции между электродами, имеющими вид двух коаксиальных цилиндров с осевой длиной I, м, диаметром внутреннего электрода (радиус г>) и диаметром внешнего электрода d? (радиус г2), т. е. диэлект-
Я
= _£_ lnJ2_ = _P_(nJk. 2л1 dj 2л/ t\
(2.5)
нри d2—di<di (или г2—псп)
(2.6) Til dg -*(“ dj Til	Cg —Tj
Формулы (2.4)—(2.6) справедливы, если мы пренебрегаем растеканием линий тока от краев электродов в часть объема изоляции, ие охватываемую электродами.
Как видно из рис. 2.2 и формулы (2.4), величина р равна сопротивлению куба из данного материала с ребром, равным единице длины (предполагается, что ток проходит от одной грани куба к противоположной), умноженному иа единицу длины. В литературе встречаются и другие единицы для р электротехнических материалов, кроме ом-метра. Так, для электроизоляционных материалов и полупроводников нередко выражают р в ом-санти-метрах (Ом-см). Для проводниковых мате-риалов часто выражают h в формуле (2.4) в метрах, aS — в мм2; отсюда получается единица для р — Ом-мм2/м нли равная ей единица СИ мкОм-м. Соотношения указанных единиц — см. с. 13.
Значения р практически применяемых твердых и жидких электроизоляционных материалов (при нормальной температуре, нормальной влажности окружающего воздуха и не слишком высоких значениях напряженности электрического поля в материале) лежат в пределах примерно от 10е—108 Ом-м для сравнительно низкокачественных, применяемых в мало ответственных случаях материалов (древесина, мрамор, асбестоцемент и т. п.) и до 1014—1017 Ом-м для таких материалов, как полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен и т. п.; для неионизнрованных газов р еще выше. Отношение удельных сопротивлений высококачественного твердого диэлектрика и хорошего проводника (при нормальной температуре) выражается колоссальным числом — порядка 1023—1025.
Величина у, обратная величине р, — удельная объемная проводимость материала, См/м:
Т = 1/р-
(2.7)
Помимо См/м (или Ом“’-м ’), иногда применяют другие единицы для у, являющиеся величинами, обратными вышеприведенным единицам для р: См/см, м/(0м-мм2) или МСм/м и т. п. (см. с. 13).
§ 2.2.
Электропроводность диэлектриков
19
Рис. 2.4. К определению поверхностного сопротивления между электродами с параллельными друг другу кромками
Рис. 2.5. К определению поверхностного сопротивления между двумя концентрическими электродами
Рис. 2.6. К определению поверхностного сопротивления между двумя дисковыми электродами
Для однородного электрического поля в материале могут быть написаны уравнения закона Ома в обобщенной форме:
J = уЕ = Е/р,	(2.8)
где J, А/м2—плотность тока проводимости (для электрической изоляции — плотность тока утечки); Е, В/м — напряженность диэлектрического поля. В формулу (2.8) геометрические размеры тела, по которому проходит ток, не входят. Отметим еще два варианта удельного объемного сопротивления — удельное (поперечное) сопротивление слоя и удельное сопротивление изоляции кабеля.
Поперечное сопротивление слоя Pj — сопротивление участка площадью S, м2, слоя диэлектрика постоянной толщины й, м, сквозь который проходит ток (пример — слой эмали, нанесенный на металлическую пластинку):
Рх=рй/5 = рЛ3,	(2.9)
откуда удельное поперечное сопротивление слоя, Ом-м2:
р± = РЛ3=рй.	(2.9')
Единица для удельного поперечного сопротивления слоя — Ом-м2.
Удельное сопротивление изоляции кабеля (или провода) рк, т. е. объемное сопротивление изоляции (между жилой и оболочкой, между двумя жилами и т.п.), отнесенное к единице длины кабеля, входит в формулу
Rk^Pk/1,	(2.10)
где Рк --- объемное сопротивление изоляции кабеля на участке длиной /. Отсюда
Рк == Рк /.	(2.10')
Единица (Ом-м) рк та же, что и единица р.
. ..Для одножильного кабеля с диаметром токопроводящей жилы (радиусом rjf и
внутренним диаметром металлической оболочки di (радиусом г2) при значении удельного объемного сопротивления изоляции р величина рк может быть определена по формуле (2.5) или (2.6).
Удельное поверхностное сопротивление ps характеризует свойство электроизоляционного материала создавать в изготовленной из него изоляции поверхностное сопротивление. Поверхностное сопротивление между двумя электродами с параллельными обращенными друг к другу прямыми кромками длиной Ь, находящимися на расстоянии а друг от друга (рис. 2.4), равно
(?s = psa/b,	(2.11)
откуда
ps = Rsb/a.	(2.11')
Как видно из формулы (2.1 Г), размерность удельного поверхностного сопротивления совпадает с размерностью сопротивления, т. е. единица ps — Ом. Удельное поверхностное сопротивление ps равно сопротивлению Квадрата (любого размера!) на поверхности данного материала, если ток подводится к электродам, образующим две противоположные стороны этого квадрата; поэтому единицу ps иногда неправильно называют «ом на квадрат» (Ом/П).
Формулы (2.11) и (2,11') справедливы, если пренебречь влиянием краев электродов (при а<^6); мы имеем в виду также, что ток объемной утечки через материал между электродами не учитывается (при измерении или расчете тока утечки), т. е. весь ток утечки считается Поверхностным.
Если обращенные друг к другу кромки электродов на поверхности диэлектрика — две концентрические окружности (рис. 2.5), то поверхностное сопротивление Кольцевого зазора между ними равно:
Ps	di	Ps	tn
=	In—^- = —Ш-^-,(2.12)
2<Tt	w J	2«Tt	Yjf
где d\ и n — соответственно диаметр и радиус внутреннего, a d2 и г2—внешнего электрода. Формула (2.12) более точная, чем (2.11).
Если dz—то
Л “2 *Г “1 л	г2 Т
20
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
' Формулы (2.12) и (2.13) аналогичны фор-мулам (2.5) и (2.6).
Поверхностное сопротивление между двумя дисковыми электродами, имеющими диаметр d (радиус г), расположенными на неограниченной поверхности диэлектрика при расстоянии между их осями / (рис. 2.6), равно:
(2.15)
При замене конфигурации системы электродов, между которыми определяется поверхностное сопротивление на данном диэлектрике, на другую систему, геометрически подобную прежней, значение поверхностного сопротивления Rs между этими электродами не изменится. Для объемного сопротивления этот закон подобия не имеет силы.
Физическая природа электропроводности диэлектриков. Электропроводность диэлектриков объясняется наличием в них свободных (т. е. не связанных с определенными молекулами' и могущих передвигаться под воздействием электрического поля) заряженных частиц (носителей заряда): ионов, молнонов (коллоидных частиц), иногда электронов.
Для многих электроизоляционных материалов характерна ионная электропроводность, связанная с переносом ионов, т. е. явлением электролиза. В ряде случаев электролизу при прохождении через диэлектрик сквозного тока утечки подвергается основное вещество диэлектрика; примером может служить обычное стекло, в котором благодаря его прозрачности можно непосредственно наблюдать образование и перенос продуктов электролиза; при пропускании постоянного тока через стекло, нагретое для повышения проводимости (см. ниже), у катода образуются древовидные отложения (дендриты) входящих в состав молекул стекла металлов, прежде всего натрия. Еще чаще (по крайней' мере, для органических электроизоляционных материалов) встречаются такие случаи, когда молекулы основного вещества диэлектрика не обладают способностью подвергаться диссоциации, но ионная электропроводность возникает благодаря присутствию в материале практически неизбежных загрязнений—примесей воды, солей, кислот, щелочей и пр. Даже весьма малые примеси способны заметно влиять на проводимость диэлектрика; поэтому в технике электрической изоляции важное значение имеет чистота исходных продуктов и чистота рабочего места. У диэлектриков с ионным характером электропроводности соблюдаются законы Фарадея: количество выделившегося при электролизе вещества пропорционально количеству прошедшего через материал электричества.
Молионная электропроводность наблюдается в коллоидных системах, которые представ
ляют собой тесную смесь двух фаз, причем одна фаза (дисперсная фаза) в виде мелких частиц равномерно взвешена в другой (дисперсионной среде). Из коллоидных систем в .электроизоляционной технике наиболее часто встречаются ’ эмульсии (обе фазы — жидкости) я суспензии (дисперсная фаза — твердое вещество, дисперсионная среда — жидкость). Стабильность коллоидных систем объясняется наличием на поверхности частиц дисперсной фазы (молионов) электрических зарядов. При воздействии на коллоидную систему электрического поля молионы приходят в движение, что выражается как явление электрофореза. При электрофорезе в отличие от электролиза не наблюдается образования новых веществ,- а лишь меняется относительная концентрация дисперсной фазы в различных частях объема системы. Молионная электропроводность наблюдается у жидких лаков н компаундов, увлажненных. масел и т. п.
В некоторых случаях в диэлектрических материалах наблюдается электронная электропроводность, когда носителями заряда являются свободные электроны. Так, рутил TiO2, ряд титанатов (BaTiO3, CaTiO3, SrTiOs) и др. обнаруживают электронный характер электро? проводности. Электронная электропроводность типична для металлических проводников и электронных полупроводников.
При повышении температуры удельное сопротивление электроизоляционных материалов, как правило, существенно уменьшается (рис. 2.7).
Связь между ТК объемного удельного сопротивления ТКр и ТК объемного сопротивления ТК/? [на основании формулы (1.3), с. 11]:
ТКр = ТК#4-ас (2.15')
где a=TKZ — температурный коэффициент длины («линейного расширения») материала. Очевидно также [ср. формулу (2.11)], что
TKps = TK/?s.	(2.16)
Во многих случаях зависимость р электроизоляционных материалов от термодинамической . температуры Т хорошо описывается формулой
р=ЛехрВ/7,	(2.17)
где А и В — постоянные, чему соответствует линейная зависимость логарифма р от обратной величины Т:
1пр= 1пД-]-В/7	(2.17')
(рис. 2.8).
Иногда применяется формула
р=аехр(—Ы),	(2.18)
где а и b —• постоянные; t — температура, °C. В этом случае
ТКр = — Ь.	(2.18')
Условия работы электрической изоляции становятся более тяжелыми при возрастании температуры, так как сопротивление изоляций при этом уменьшается.	’	-
Присутствие даже малых количеств воды способно значительно уменьшить р диэлектрика. Это объясняется тем, что растворимые в
§ 2.3.
Поляризация диэлектриков
21
Рис. 2.7. Зависимость удельного объемного сопротивления р стеклоэмали от температуры. f.,.	По Б. М. Тарееву
Рис. 2.8. Зависимость удельного объемного сопротивления слюды мусковит (перпендикулярно плоскостям спайности) от обратной величины абсолютной температуры. По Н. П. Богородицкому
Рис. 2.9. Зависимость удельного объемного сопротивления р бентонитовой пленки от температуры при нагревании и охлаждении образца. По Б. М. Тарееву
Рис. 2.10. Зависимости сквозного тока утечки через изоляцию электрической машины от температуры при различных значениях приложенного напряжения постоянного тока
воде примеси диссоциируют иа ионы; в некоторых случаях влияние увлажнения может способствовать диссоциации молекул основного вещества диэлектрика. Таким образом, условия работы электрической изоляции становятся более тяжелыми также и при увлажнении.
Весьма сильно влияет увлажнение на р волокнистых материалов, в которых влага может образовывать сплошные пленки вдоль волокон, пронизывающие изоляцию.
Гигроскопичные материалы для защиты от действия влаги после сушки пропитывают и (или) покрывают лаками, компаундами и т. п.
При сушке электрической изоляции влага из нее удаляется и сопротивление ее растет. Поэтому при повышении температуры р увлажненного материала может даже расти (ес-
Рис. 2.11. Зависимость удельного поверхностного сопротивления рв электроизоляционных материалов от относительной влажности окружающего воздуха:
t — парафин; 2 — янтарь; 3 — шеллак; 4 — глазурованный фарфор
ли влияние удаления влаги перевешивает влияние повышения температуры), н только после удаления значительной части влаги начинается снижение р. При быстром снятии обратного хода кривой, пока высушенный материал не успел опять впитать влагу, при повышенных температурах получаются значительно более высокие значения р, чем при низких температурах (рис. 2.9).
Сопротивление изоляции может уменьшаться с повышением приложенного к ней напряжения (рис. 2.10). Поэтому сопротивление изоляции (электрической машины, конденсатора, кабеля и т. д.) по возможности должно измеряться при напряжении не ниже рабочего, чтобы не получить завышенного значения. Зависимость /?из от напряжения объясняется рядом причин: образованием в изоляции объемных электрических зарядов; плохим контактом между электродами и изоляцией; изменением под действием электрического поля формы и размеров включений влаги; ионизацией газовых включений и др.
При приложении к диэлектрику постоянного напряжения ток обычно спадает с течением времени, приближаясь к некоторому установившемуся значению сквозного тока утечки. Изменение тока утечки со временем связано с образованием в диэлектрике объемных зарядов, с процессами электролиза («электрической очисткой», т. е. удалением из материала ионных примесей) и другими причинами (см. о «токе абсорбции» § 2.3).
Характер изменения ps диэлектриков от различных факторов (температуры, влажности, величины и времени воздействия напряжения) сходен с характером изменения р, рассмотренным выше; рв гигроскопичных диэлектриков весьма чувствительно к увлажнению (рис. 2.11). Для повышения рв диэлектриков применяют (в зависимости от вида диэлектрика)' различные приемы: полировку поверхности материала, промывку поверхности кипящей дистиллированной водой, прогрев материала при достаточно высокой температуре, покрытие поверхности лаками, глазурями и т. п.
2.3.	ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Важнейшим свойством диэлектриков является способность их к поляризации под действием приложенного электрического напряжения. Процесс поляризации представляет собой
22
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
изменение расположения в пространстве имеющих электрические заряды частиц диэлектрика, причем диэлектрик приобретает индуцированный (наведенный) электрический момент и в конденсаторе, образованном диэлектриком с электродами, образуется электрический заряд
где С — электрическая емкость конденсатора (участка изоляции с электродами), Ф, и V— приложенное к конденсатору напряжение, В.
Энергия электрического поля, Дж, запасенная в участке изоляции с емкостью С, Ф, к которому приложено напряжение U, В:
QU CU1 2
= —(2.20)
Под действием переменного синусоидального напряжения с действующим значением U, В, и частотой f, Гц (угловая частота со, рад/с), через участок изоляции с емкостью С, Ф, проходит синусоидальный емкостный ток с действующим значением /с, А:
1С = UaC = U-2nfC.	(2,21)
При параллельном соединении нескольких (и) конденсаторов их общаи (результирующая) емкость Ср равна сумме емкостей С, всех отдельных конденсаторов
1—п
Ср = S С£.	(2.22)
£=1
Если же несколько конденсаторов соединено друг с другом последовательно, то результирующая емкость Се определяется формулой
т. е. в этом случае складываются уже не емкости, а обратные емкостям величины отдельных конденсаторов.
При параллельном соединении конденсаторов величина Ср больше, чем емкость любого из отдельных конденсаторов, а при последовательном соединении Се меньше, чем емкость каждого из отдельных конденсаторов.
Диэлектрическая проницаемость и ее практическое значение. Электрическая емкость конденсатора (или, более обще, любого участка изоляции с электродами) зависит как от геометрических размеров и конфигурации конденсатора, так и от вида материала, образующего диэлектрик этого конденсатора. Параметр в,, характеризующий способность материала образовывать емкость, называется относительной диэлектрической проницаемостью *.
Значение ег вакуума равно единице, а всякого диэлектрического материала — больше единицы. Пусть Со — емкость вакуумного конденсатора произвольной формы и размеров; если, не изменяя формы, размеров н взаимного расположения электродов конденсатора, заполнить пространство между электродами ма-
1 В дальнейшем, краткости ради, слово «относительная» часто опускается.
терма лом с относительной диэлектрической проницаемостью ег, емкость конденсатора увеличится в 8г раз и будет составлять
С = егС0.	(2.24)
Таким образом, емкость конденсатора данных размеров и формы пропорциональна е, диэлектрика.
Ниже приводятся формулы [(2.25) —-(2.27)] для расчета емкости С, Ф, конденсаторов практически наиболее важных конфигураций. Мы обозначаем электрическую постоянную (с. 15), равную8,854- 10~12Ф/м. Произведение еоег=е£1 называется абсолютной диэлектрической проницаемостью' диэлектрика; эта величина выражается в Ф/м.
Для плоского конденсатора (см. рис. 2.1 и 2.2):
С = eeer S/h = 8,854-10-12 г, Sih, (2.25) где S, как и ранее, в м2, a h — в метрах.
Для цилиндрического конденсатора (см. рис. 2.3):
2л/	2л/
С = е.(£г ~ . ,. — еое, [udzidi	1пг2/Г1
= 2,42-10—u----—	(2.26)
Igrz/ri
или при d2—di<di
Г- о „ „1	_ „1 r2~f~ri
d-2 —	r2—Г1
= 2,78-10-11 в/. /_Г2 + Ч.. .	(2.27)
г2~ П
Величина I в формулах (2.26) и (2.27) выражена в метрах. Формулы (2.25)—(2.27) справедливы при тех же допущениях, которые Отмечены для формул (2.4)—(2.6).
Для изоляции кабелей, систем параллельных проводов и т. п. часто вводится понятие удельной (погонной) емкости, т. е. емкости, отнесенной к единице длины кабеля
К = С//,	(2.28)
где С — емкость изоляции участка кабеля длиной /. Практически удобно определять К в в мкФ/км или, что то же самое, в нФ/м. Так, для одножильного кабеля удельная емкость, нФ/м, между жилой диаметром d1 (радиусом
1 По ныне действующему ГОСТ, в соответствии с публикацией Международной электротехнической. комиссии, абсолютная диэлектрическая проницаемость обозначается буквой efl или е (без индекса), а относительная диэлектрическая проницаемость символом ег (г —первая буква слова relative). Так как по ранее действовавшему ГОСТ обозначение е (без индекса) применялось для относительной диэлектрической проницаемости и обозначение е в этом смысле еще и сейчас встречается в. литературе, в Справочнике не используется для диэлектрических., проницаемостей обозначение е, за исключением тех случаев, когда недоразумения из-за использования этого сокращенного обозначения исключаются, например в записи ТК е [как следует из формулы
(1.3) с. II. ТК абсолютной и относительной диэлектрических проницаемостей одинаковы!.
§ 2.3.
Поляризация диэлектриков
23
ГО и металлической оболочкой или экраном внутренним диаметром di (радиусом rt)
К = 0,02416----------= 0,02416------—
lgd2/^i	Ig^/H
(2.29)
или при d2—di^dl
d2 —4— d-i	го *4- т1
К®0,0278 ег - 2 - Л-=0,0278 е, —- 1 dz — dr
Г2— Г1
(2.30)
Для двух параллельных круглых проводов диаметром d (радиусом г) каждый при расстоянии между их осями h при условии d<g.h и без учета влияния земли д, нФ/м, определяется формулой
ег
К = 0,01208
lg2/i/d
= 0,01208-.
\gh!r
(2.31)
определяет удельную
проводом диаметром
Та же формула (2.31) емкость между круглым d (радиусом г) и параллельной ему плоскостью (например, поверхностью земли), если расстояние между осью провода и плоскостью равно /г/2, причем d<^h.
Для конденсатора или участка изоляции произведение CR не зависит от геометрических размеров и формы конденсатора и определяется лишь параметрами (ег и р) диэлектрика. Оно равно
CR = бое,, р;	(2.32)
в частности, это соотношение видно при сопоставлении формул (2.25) с (2.4), (2.26) с (2.5) и (2.27) с (2.6).
В формулу (2.32) входит величина объемного сопротивления изоляции R. Однако в ряде случаев (например, для изоляции конденсатора с тонким диэлектриком и широкими закраинами) ток поверхностной утечки мал по сравнению с током объемной утечки, так что в эту формулу вместо R может быть подставлено. общее сопротивление участка изоляции /?Из.
Произведение CR представляет собой сопротивление изоляции, отнесенное к единице емкости. Это произведение характеризует и процесс саморазряда конденсатора: конденса-.тор, имеющий емкость С и сопротивление изоляции R, находившийся под постоянным напряжением £70 и оставленный разомкнутым после отключения источника напряжения, постепенно разряжается. Уравнение кривой падения напряжения и на электродах конденсатора в функции времени t, считая с момента отключения источника напряжения (рис. 2.12), для схемы замещения рис. 2.13 имеет вид:
1
CR
Таким образом, имеющее размерность времени произведение CR есть постоянная времени саморазряда конденсатора, т. е. время, в течение которого напряжение на конденсаторе уменьшается в е=2,718... раза, равное в соответствующем масштабе подкасательной к кривой u(t) в любой ее точке (на .рис. 2.12 показано построение подкасательных ОВ и BD для
(2.33)
и — Uo ехр
точек А и С, соответствующих t=Q и t— —CRhs). Чем больше CRBS, тем выше качество изоляции конденсатора.
На практике обычно выражают С в микрофарадах, a Rиз —* в мегаомах, и произведение CRns получается в секундах, так как
1мкФ.1М0м = Ю~6 Ф-106 Ом=1 Ф-1 Ом=1с.
Существование зависимости Rиз от и Де* лает уравнение (2.33) приближенным.
Относительная диэлектрическая проницаемость ег не только определяет способность материала образовывать емкость; она входит в ряд основных уравнений, характеризующих физические процессы, протекающие в диэлектрике. Так, в соответствии с законом Кулона сила взаимодействия F, Н, двух точечных электрических зарядов 91 и 9г, Кл, расположенных в неограниченной среде с относительной диэлектрической проницаемостью ег на расстоянии друг от друга h, равна
919г
(2.34)
(если знаки зарядов и qs различны, имеет место взаимное притяжение зарядов, а если заряды 9! и 9г одноименные — взаимное отталкивание). Выражение для напряженности электрического поля, Е, В/м (т. е. отталкивающего усилия, действующего на единичный положительный заряд), создаваемой точечным зарядом 9 на расстоянии h от него,
eoer-4n/i? ’	' ‘ ’
выводится из (2.34) подстановкой Pi—q и 92=4-1 Кл.
Как уже отмечалось, поляризация проявляется как образование в объеме диэлектрика V отличного от нуля индуцированного электрического момента, равного геометрической сумме Sp моментов, Кл-м, всех поляризованных молекул диэлектрика, находящихся в объеме V. Поляризованносп Р, Кл/м2, — величина, численно характеризующая интенсивность поляризации диэлектрика и равная пределу отношения электрического момента некоторого объема диэлектрика к этому объему, когда последний стремится к нулю. В наиболее про-
Рис. 2.12. Зависимость напряжения на конденсаторе при его саморазряде от времени
Рис. 2.13. Схема замещения для рассмотрения саморазряда конденсатора (к рис. 2.12)
24
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
стом случае однородного поля (плоского конденсатора) с объемом диэлектрика между электродами V=Sh (см. рис. 2.1 и 2.2) Р равна:
p^lL.=^!L	(2.36)
V Sh
a Sp равна произведению поверхностной плотности о связанных электрических зарядов на поверхностях раздела диэлектрика и электродов (в глубине диэлектрика положительные и отрицательные заряды взаимно компенсируют друг друга) на объем диэлектрика
Sp = oSh,
т. е. поляризованность Р равна поверхностной плотности о связанных зарядов в диэлектрике.
Для большинства диэлектриков, а именно для так называемых линейных диэлектриков, поляризованность Р прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е в данной точке диэлектрика и равна
Р=еохг£.	(2.37)
Безразмерный параметр диэлектрика Хт называется (относительной) диэлектрической восприимчивостью, а произведение ВоХя — абсолютной диэлектрической восприимчивостью.
У нелинейных диэлектриков (к которым, в частности, относятся сегнетоэлектрики — см. т. III Справочника) пропорциональности между Р и Е не наблюдается.
Электрическое смещение D, Кл/м2, определяется выражением
D ~ г0Е -|- Р = еовг Е. (2.38)
Связь между относительной диэлектрической проницаемостью и диэлектрической восприимчивостью электроизоляционного материала
ег = Хг +1- (2.39)
Накопленная в заряженном конденсаторе энергия электрического поля, отнесенная к единице объема диэлектрика (плотность энергии), w, Дж/м3, в месте, где значение напряженности электрического поля составляет Е, В/м, равна
вовг Е2	DE
- w — -------------=--------.
2	2
(2.39')
Значение диэлектрической проницаемости важно и для расчета напряженности электрического поля в многослойных диэлектриках.
Простейший случай плоского двухслойного конденсатора представлен на рис. 2.14. Обозначим: hi и /г2— толщины слоев; еи и вг2 — относительные диэлектрические проницаемости материалов слоев; £| и Е2-—напряженности поля в слоях; V\ и t/2 —напряжения на слоях; U — полное напряжение между обкладками У и Z конденсатора. В этом случае напряженности электрического поля, В/м, в слоях:
_	U_________
E1 8r2	+ /г2еп
U
Ег = Bn
/ЪРгг + hz^n
(2.40)
и напряжения. В, на слоях:
hiPrZ + ^28ZT
1/1 =
Knh2V + ftzCrl
(2.41)
График падения потенциала в функции расстояния от электрода У представлен на рис. 2.14 ломаной PQR, а график значений Е — ломаной KLMNT; тангенсы углов Pi и р2 пропорциональны значениям Et и Е? соответственно. Если бы в пространстве между обкладками конденсатора У и Z находился только один диэлектрик (с совершенно произвольной ег), то мы имели бы случай простейшего плоского конденсатора с однородным полем; в этом, случае падение потенциала определилось бы пунктирной прямой PR, а напряженность поля— пунктирной горизонтальной прямой ST, а напряженность поля во всем объеме диэлектрика между электродами была бы одинаковой и равной E—U[h, причем р1<Ро<Рз и Е\< <Е0<Е2.
В общем случае многослойного (п слоев) плоского конденсатора
U
Е. =--------------. Ui^Etht, (2.42)
где U — полное напряжение на конденсаторе, a Uj, Е,, hi и в,,- — соответственно напряжение, напряженность электрического поля, толщина и относительная диэлектрическая проницаемость для каждого слоя.
Таким образом, слои диэлектриков с большей Вг стремятся «разгрузиться» и «переложить» часть электрического напряжения на слои с меньшей вг. В особенно невыгодном положении оказываются воздушные прослойки
U
Расстояние
Рис. 2.14. Картина электрического поля в двухслойном плоском конденсаторе (случай Srl^Bra)
§ 2.3.
Поляризация диэлектриков
25
Рис. 2.15. Преломление силовой линии электрического поля на границе раздела сред с диэлектрическими проницаемостями и егг (случай 8г1>Ег2)
Рис. 2.16. Создание неоднородности поля при введении в диэлектрическую среду цилиндрических (или шаровых) включений (случай 8ri<erz)
внутри изоляции (или между изоляцией и электродами при неплотном прилегании последних). Благодаря малой ег и малой электрической прочности газов в таких прослойках легко возникают частичные разряды (см. ниже).
Для цилиндрического конденсатора (см. рис. 2.3) для точки в диэлектрике между электродами, находящейся на расстоянии х от оси конденсатора (ri<x<r2), напряженность Ех равна:
Ех= —U—	(2.43)
Х1п—	X 1g —
'l	'1
Таким образом, в цилиндрическом конденсаторе (даже с однородным диэлектриком) поле неоднородно: наибольшая напряженность имеет место в точках диэлектрика, непосредственно примыкающих к внутреннему электроду (*=П):
Етпах —
V
г2 r± In --
Г1
0,43431/
Г2
Г1 1g------
Г1
(2.44)
а наименьшая — в точках, примыкающих к внешнему электроду (х—г2). Однако и в этом случае значение ег диэлектрика в формулы (2.43) и (2.44) не входит.
Если же диэлектрик цилиндрического конденсатора многослойный («хслоев), то напряженность в i-м слое на расстоянии х от оси конденсатора (гц<х<Г2|) зависит от значений бгг материалов слоев и равна:
Е
х
In r^ilru
ri
(2.45)
(U, как и ранее, — полное напряжение на конденсаторе; Гц и гц — внутренний и внешний радиусы i-ro слоя).
Как видно из сопоставления формул (2.40) и (2.45), в отличие от случая многослойного плоского конденсатора порядок расположения
материалов в слоях цилиндрического конденсатора влияет на значения Е в отдельных слоях. Для того чтобы получить наиболее выгодное распределение напряженностей (т. е. получение наиболее низких Ег), нужно помещать во внутренние слои многослойного цилиндрического конденсатора диэлектрики с большими Ег {градирование изоляции). Это — частный случай общего правила: в неравномерном поле для уменьшения электрической нагрузки электроизоляционных материалов следует в места с наибольшим электрическим смещением помещать материалы с наибольшей ег.
Формулы (2.40)—(2.42) и (2.45) и соображения о градировании изоляции справедливы для работы многослойной изоляции под переменным напряжением (и притом для случая малого tg6, см. ниже). Для расчета установившегося поли в многослойной изоляции, работающей под постоянным напряжением, в четыре упомянутые формулы следует вместо значений вг подставлять значения удельной объемной проводимости у материалов соответствующих слоев.
В случае перехода электрического поля из одного диэлектрика в другой (рис. 2.15) соотношение углов «j и а2 между направлениями векторов напряженности поля нормально к поверхности раздела (под переменным напряжением) определяется формулой
tg«j Eri
(2.46)
Ег2
направления векторов нормали к поверхности
В частном напряженности раздела (сюда
tg«2 случае поли по относятся случаи как плоского, Так и цилиндрического многослойных конденсаторов) «1=02=0 независимо от значений 6т J И 6т2«
Отметим еще случай, когда в находящуюся в однородном электрическом поле среду с относительной диэлектрической проницаемостью Eri вводятся включения другого материала с относительной диэлектрической проницаемостью Егг- Это — модель таких неоднородных (композиционных) электроизоляционных материалов, как пластмассы, компаунды и пр. с наполнителями, пропитанная волокнистая изоляция и т. п. В этом случае поле становится неравномерным; при m=er2/eri>l на границах раздела создаютси напряженности поля, в k раз {k — коэффициент неоднородности поля) превышающие напряженность равномерного поля, существовавшую до введения включений. Особенно большие значения Е получаются, если включения имеют выступы с малым радиусом закругления («эффект острия»).
Если включения имеют форму цилиндров, то наибольшие значения k получаются в точках А и В при расположении оси цилиндра перпендикулярно силовым линиям равномерного поля, существовавшего до введения включений (рис. 2.16). При этом
2m	„ „
(2.47)
А =-------------
т — у(т— 1) + 1
где у — объемная концентрация включений. На рис. 2.17 представлены графики значений k в функции у при различных ш; при больших у формула (2.47) становится неточной. Если у
26
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
весьма мало, то формула (2.47) преобразуется в формулу
наибольшее возможное значение k из формулы (2.47') при т, стремящемся к бесконечности, равно kmax=2, т. е. цилиндрическое включение с весьма высокой вг способно создать удвоение напряженности электрического поля.
Еще большую степень неоднородности поля создают шаровые включения; при весьма малом у формула для шаровых включений, аналогичная формуле (2.47) для цилиндрических включений, имеет вид:
й=—,	(2.47")
т-{-2	'
т. е. при т->оо шаровое включение способно создать утроение напряженности.
Значения диэлектрической проницаемости в, и магнитной проницаемости рг (см. т. III Справочника) определяют условия распространения электромагнитной волны в веществе. Фазовая скорость распространения электромагнитной волны в веществе, м/с, равна согласно теории Максвелла
v = dVв, Ji, ,	(2.48)
где с — скорость света в вакууме. Показатель преломления света
п = ~ — ]/ег р,г .	(2.48')
Уравнения (2.48) и (2.48') действительны лишь для электронного механизма поляризации и отсутствия диэлектрических потерь (см. ниже).
Вводя значение магнитной постоянной (см. с. 15)
ро = 4зт-1О—’ Гн/м и 1,257.10—6 Гн/м
и учитывая, что во ц0= 1/с2, можно переписать уравнение (2.48) в виде:
v = —	-1'	--.	(2.48")
V в0 вг щ рг
Произведение рорг называется абсолютной магнитной проницаемостью аналогично терми-
Рнс. 2.17. Зависимости коэффициента неравномерности поля k от объемной концентрации цилиндрических включений при различных значениях отношений дг=8г2/вг1 по формуле (2.47).
ну «абсолютная диэлектрическая проницаемость» для произведения 8о8г.
Таким образом, при входе из вакуума в диэлектрик с параметрами е, и электро-магнитная волна снижает свою скорость в n— V8Г рг раз. Соответственно уменьшается и длина волны по сравнению с длиной волны в вакууме h0=c/f (здесь f — частота, Гц).
Волновое сопротивление диэлектрика Z, Ом, т. е. отношение амплитуд взаимно перпендикулярных векторов напряженностей электрического и магнитного полей волны Z^E/H,
равно:	2 = 1/	.	(2.49)
V е^оЪг
Для большинства диэлектриков можно полагать jxr=l, почему формулы (2.48)—(2.49) упрощаются и принимают вид:
о=с/1/Г8г ;п = УГег ; Z = J^iioeoSr. (2.50)
Для вакуума не только р.г = 1, но и 8г—I, так что
Uq = с, п0 = 1, Z^ ===
=	р0/е0 « 376,73 Ом аз 120л Ом.
Диэлектрические проницаемости различных веществ существенно различаются. Значение ег газов близко к единице (так, для воздуха при нормальных термодинамических условиях давления и температуры ег= 1,00058) и при ориентировочных расчетах принимается равным единице. Для большинства практически применяемых жидких и твердых электроизоляционных материалов ег порядка нескольких единиц, -реже — нескольких десятков и весьма редко более 100. Некоторые сегнетоэлектрики (см. т. III Справочника) в определенных условиях могут иметь весьма высокие значения ет — порядка тысяч и даже десятков тысяч.
Физическая сущность поляризации диэлектриков. В то время как ток проводимости (утечки) существует все время, пока к диэлектрику приложено извне постоянное напряжение, емкостный ток возникает лишь при изменении значения приложенного напряжения. Как уже отмечалось, в участке диэлектрика с емкостью С, находящемся под воздействием (специального) синусоидального напряжения U, В, емкостный ток также синусоидальный и его действующее значение определяется формулой (2.2!).
Существует большое число различных физических механизмов поляризации. Отметим из них лишь некоторые, наиболее типичные.
Электронная поляризация — смещение орбит электронов относительно атомных ядер. Электронная поляризация устанавливается при наложении внешнего электрического поли за чрезвычайно короткое время (порядка 10~15 с). Она наблюдается у всех диэлектриков (независимо от возможного наличия в них и других видов поляризации).
Ионная поляризация (у диэлектриков ионного строения) — смещение относительно друг друга нонов, образующих молекулу. Эта поляризация протекает за промежутки времени, большие, чем электронная, но все же весьма малые (порядка 10-,э с).
§ 2.3.	Поляризация диэлектриков	27
Таблица 2.1. Значения показателей преломления света п и относительной диэлектрической проницаемости вг различных диэлектриков
Диэлектрик	Агрегатное состояние	п	п2	ег
Неполярные диэлектрики				
Гелий Не	Газообразное	1,000035	1,000070	1,000072
Водород Н2		1,00014	1,00028	1,00027
Кислород С>2		1,00027	1,00054	1,00055
Азот N2		1,00030	1,00060	1,00060
Этилен C2Hg		1,00065	1,00130	1,00138
Тетраформ ССЦ	Жидкое	1,46	2,13	2,24
Бензол СеНв		1,50	2,25	2,28
Толуол С7Н8		1,50	2,25	2,24
Парафин	Твердое	1,44	2,10	2,2
Полистирол		1,55	2,40	2,6
Сера		1,92	3,69	2,8
Алмаз		2,40	5,76	5,7
Полярные газы и жидкости и ионные кристаллы				
Аммиак NH3	Г азообразное	1,00018	1,00037-	1,00072
Хлороформ СНС13		1,446	2,09	5,1
Монохлорбензол СвНБС1	Жидкое	1,523	2,33	. 10,1
Вода Н2О		1,333	1,78	81
Хлористый натрий NaCl	Твердое	1,54	2,37	6,0
Кальцит СаСО3		1,66	2,78	6,1
Глет РЬО		2,60	6,76	26
Рутил tiO2		2,7	7,3	ПО*
* Поликристаллический рутил; параллельно главной кристаллографической оси гт = 173.
Дипольная поляризация — поворот («ориентация») дипольных молекул в полярных диэлектриках. Она принадлежит к числу «медленных» видов поляризации; время установления ее значительно больше, чем время установления ионной поляризации.
Обычно время поляризации оценивается по времени релаксации, т. е. постоянной времени т процесса уменьшения индуцированного электрического момента Sp некоторого объема диэлектрика, протекающего по экспоненциальному закону:
Sp = Spoexp (-—i/t),	(2.51)
где Sp0 — электрический момент в момент времени /=0, соответствующий снятию напряжения с диэлектрика. Медленные виды поляризации иногда называются релаксационными; они связаны с необратимыми затратами электрической энергии в диэлектрике (см. § 2.4).
У неполярных диэлектриков однородной структуры может иметь место лишь электронная поляризация. Эти диэлектрики имеют сравнительно малую 8г (например, для жидких и твердых углеводородов е, в пределах от 1,9 до 2.8). Для этих диэлектриков должна соблюдаться связь е,=п2 согласно формуле (2.50). При наличии ионной поляризации ег<и2. В полярных диэлектриках, когда возможна «ориентационная» поляризация, также наблю
дается превышение ег над л2. Примеры даны в табл. 2.1 (для веществ при нормальных условиях давления и температуры, при низкой частоте).
Диэлектрическая проницаемость полярного вещества тем больше, чем больше постоянный электрический (дипольный) момент молекулы (см. выше) и чем меньше размеры молекулы. Так, весьма большое значение ег воды объясняется большим постоянным моментом молекулы и малой молекулярной массой. Все спирты имеют практически одинаковый постоянный дипольный момент молекулы, равный приблизительно 5-10-S0 Кл-м, создаваемый наличием гидроксильной группы — ОН; но при увеличении молекулярной массы, т. е. при увеличении углеводородного остатка спирта, е, уменьшается. Так, для метилового спирта СНгОН значение ег=34; для этилового спирта С2Н5ОН 8г =26 И ДЛЯ Пропилового спирта С3Н7ОН Вт — =22.
Зависимость вг от частоты f приложенного напряжения. Так как время установления электронной поляризации весьма мало (см. выше), то даже при наиболее высоких частотах, применяемых в современной электротехнике и радиоэлектронике, поляризация неполярных диэлектриков успевает полностью установиться за время, которое пренебрежимо мало по сравнению с полупериодом переменного напряжения.
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. S
Рис. 2.18. Зависимости диэлектрической проницаемости ег от частоты для твердых неполярных диэлектриков:
а — политетрафторэтилен (фторопласт-4); б—полистирол; в — полидихлорстирол. По Б. М. Тарееву в П. И. Завалишину.
Рис. 2.20. Зависимости диэлектрической проницаемости ег от температуры дли неполярных диэлектриков:
1 — парафин; 2 — полистирол
Поэтому ет неполярных диэлектриков от f не зависит (рнс. 2.18).
У полярных диэлектриков при повышении частоты ет сначала также остается неизменным, но начиная с некоторой критической частоты /к, когда поляризация уже не успевает полностью установиться за один полупериод, в, снижается (рис. 2.19, а).
Зависимость Вт от температуры Т. У неполярных диэлектриков ег слабо зависит от Т, уменьшаясь при повышении Т вследствие теплового расширения вещества, т. е. уменьшения количества поляризующихся молекул в единице объема вещества. Пример — рис. 2.20 (резкое изменение вг на графике для парафина соответствует температуре плавления этого кристаллического материала, связанного со скачкообразным изменением плотности вещества).
У диэлектриков ионного строения вг при росте Т обычно возрастает (рис. 2.21). Однако у некоторых ионных кристаллов (TiOs, СаТЮ3 и др.) Вт при росте температуры уменьшается.
У полярных диэлектриков в области низких Т, когда вещество обладает большой вязкостью или даже находится в кристаллическом состоянии, ориентация дипольных молекул невозможна или, во всяком случае, затруднена. При повышении Т возможность ориентации диполей облегчается, вследствие чего ет существенно возрастает. Однако при еще более высоких Т вследствие усиления хаотических тепловых колебаний молекул степень упорядоченности ориентации молекул снижается, поэтому вг, пройдя через максимум, уменьшается (рис. 2.22).
Связь между ТК емкости (ТКС) конден-, сатора и ТК диэлектрической проницаемости (ТК е) его диэлектрика (при упрощающем предположении, что электроды имеют тот же ТК I, равный а, что и диэлектрик; это справедливо, в частности, в том случае, когда электроды образованы тонкими проводящими слоями, нанесенными на поверхность твердого диэлектрика) определяется формулой
ТКС = ТКе + <х.	(2.52)
Иногда (например, при конструировании радиоаппаратуры, работающей в услових меняющейся температуры) требуется обеспечить практическую независимость емкости конденсатора от температуры, т. е. создать термоком-пенсированный конденсатор. Для разрешения этой задачи имеются два пути.
Во-первых, возможно применить систему двух (или более) параллельно или последовательно соединенных друг с другом конденсаторов, ТК С которых имеют различные знаки (один — положительный, а другой — отрицательный) . Для случая' параллельного соединения (p-схема) двух конденсаторов, имеющих емкости Ci и Сг и ТК емкости соответственно ТК Ci и ТК С2, результирующая емкость находится из формулы (2.22), а ТК результирующей емкости равен
(2.В|
условие температурной компенсации: ТКСР=О, откуда
Рис. 2.19. Зависимости вт и 1g 6 полярного диэлектрика (поливинилацетата) от частоты и температуры:
а — зависимости ег от частоты f при различных температурах (значения температуры указаны при кривых); б — зависимости tg 6 от f при различных температурах (значения температуры указаны при кривых); в — . зависимости tg С от температуры при различных f (значения f указаны при кривых)
§ 2.3. --
Поляризация диэлектриков
29
Рис. 2.21. Зависимости относительной диэлектрической проницаемости ег стекол от температуры. Частота 10 ГГц. По М. Д. Машкович: 1 — бесщелочное стекло С48-3; 2 — оконное стекло
Рис. 2.22. Зависимость диэлектрической проницаемости нитробензола от температуры.
Частота 50 Гц
Рис.-2.23. Характер зависимостей диэлектрической проницаемости (а) и ее температурного коэффициента (б) смеси двух компонентов А и В от их объемного содержания в смеси: 1 — параллельное соединение компонентов; 2 — последовательное соединение компонентов; 3 неупорядоченная смесь
CrTKCi + C2-TKC2 = 0.	(2.53')
При последовательном соединении («-схема) двух конденсаторов результирующая емкость находится из формулы (2.23), а ТК результирующей емкости равен
 г _ СГТКС2 + С2-ТКС1 Ci + C2 условие температурной компенсации
СД ТК С2 + С2-ТК Сх = 0.	(2.54')
Следствием из формул (2.53') и (2.54') является положение о том, что для любой пары единичных конденсаторов с произвольными значениями емкости С, и С2 и температурных коэффициентов емкости ТК Ci и ТК С2 алгебраическая сумма температурных коэффициентов емкости систем, образованных параллельным и последовательным соединением этих конденсаторов, ТК Ср и TK CS равняется алгебраической сумме температурных коэффициентов емкости единичных.конденсаторов:
ТК Ср + ТК cs = ТК Cj + ТК с2. (2.55)
Во-вторых, задачу температурной компенсации емкости можно разрешить и с применением лишь одного конденсатора, но с диэлектриком, представляющим собой смесь двух материалов, имеющих различные знаки ТК е [см. формулу (2.51)].
Помимо частоты и температуры другие-факторы также могут оказывать влияние на диэлектрическую проницаемость. Так, 6г гигроскопичных диэлектриков обычно возрастает при увеличении влажности.
Диэлектрическая проницаемость смесей. На Практике часто приходится встречаться с задачей определения «эффективной» диэлектрической проницаемости ег композиционного- диэлектрика, представляющего собой смесь двух (или большего числа) компонентов.
Для модели плоского конденсатора, диэлектрик которого состоит из двух сплошных диэлектриков, имеющих различные е,., обозначая относительные диэлектрические проницаемости компонентов eri и ег2 и их объемные концентрации yi и у2 (очевидно, что i/i+i/2=l), имеем: а) для параллельного соединения
*
8г = % 8 т +е ; г	I Г2
б) для последовательного (двухслойный диэлектрик)
* &ri&r2
Е — -------------- в
У1ВГ2 + У&п
(2.56) соединения'
(2.56')
Формулы (2.56) и (2.56') могут использо-' ваться в ряде практических случаев. В. Т. Ренне установил, что для конденсаторной бумаги' достаточно хорошо подходит модель последовательно соединенных слоев клетчатки и воздуха или (для случая пропитанной бумаги) клетчатки, пропиточной массы и остатков воздуха.
Во многих практических случаях (пласти-' ческие массы, керамика и т. п.) мы имеем дело с неупорядоченной («статистической») смесью компонентов. В этом случае вг находится между значениями, определяемыми формулами (2.56) и (2.56'), что схематически.пред-, ставлено на рис. 2.23, а. Отметим одну из приближенных формул для расчета ег статистической смеси — формулу Лихтенекера или «логарифмический закон смешения»:
1g в* = у± 1g ег1 + у2 lg ег2, (2.57) где, как и выше, eri и ег2 — диэлектрические проницаемости компонентов, а у\ и у2 — их объемные содержания в смеси.
Для упрощения расчетов по формуле (2.57) может быть использована номограмма рис. 2.24. На трех ее шкалах отложены Ег1/ег2 (для случая Bri>Br2), yi и ег/ег2- Соответствующие условию (2.57) точки на этих шкалах лежат на одной прямой, так что по двум известным значениям легко находится третье. В виде примера на номограмме показано нахождение вг для пластической массы, состоящей из 20 % (об.) (i/i=0,2) наполнителя — порошка рутила (Вг1=110, см. табл. 2.1) и 80 % (об.)	(//2=0,8) связующего — полистирола
(еГ2=2,6; см. табл. 2.1). Пунктирная прямая, соединяющая точки вг1/ег2= 110/2,6=42,3 и i/i=0,2, пересекает третью шкалу в точке е’/ег2=2; таким образом, вг =2-2,6=5,2.
Для «вспененных» пластмасс (пеноплас-' трв), т. е. твердых материалов, 'содержащих
30
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
Рис. 2.24. Номограмма для расчетов по формуле (2.57)
большое количество мелких пор, заполненных газом, полагая в формуле (2.57) eri равной относительной диэлектрической проницаемости етм сплошного (не содержащего пор) материала, приравнивая к величине yt отношение средней плотности вспененного, материала £)п к плотности сплошного материала £)м и принимая для газа еГ2=1 и плотность й2=0, имеем:
(2.58)
т. е. график зависимости логарифма относительной диэлектрической проницаемости вспененного материала от его средней плотности должен представляться прямой линией. На рис. 2.25 представлен такой график для полистирола, построенный для параметров сплошного полистирола: ег=2,6 и плотность 1050 кг/м3.
Формула (2.57) пригодна для расчета не только диэлектрической проницаемости, но и ряда других параметров — магнитной проницаемости, коэффициента теплопроводности и т. п. — смесей (во всех случаях имеется в виду, что компоненты образуют тесную физическую смесь, но не реагируют друг с другом химически).
Если приходится иметь дело не с объемными концентрациями yi и уг компонентов в сме-
Рис. 2.25. Зависимость относительной диэлектрической проницаемости е г пенополистирола от его средней плотности
си, а с их массовыми концентрациями Xi и х2 (очевидно, Х1+хг=1), используются элементарные формулы арифметического правила смешения
£)*	О*
Р1 = х1-Б-; yz=x2— ; 
' ^* = йА + у2£|2.	(2.59)
где Di, D2h D* — плотности 1-го и 2-го компонентов и смеси соответственно.
ТК диэлектрической проницаемости статистической смеси в соответствии с формулами (2.57) и (1.2) равен
ТК е* = ТК ei + у2 ТК е2.	(2.60)
Статистическая смесь пригодна для изготовления термокомпенсированного конденсатора при условии:
yiTKei + yzTKez = O. (2.61)
Для более общего случая смешанного диэлектрика, состоящего из п компонентов, имеем формулы:
а) для параллельного соединения компонентов
п
Ь=1
(2,62)
б) для понеитов
последовательного соединения ком-.
(2.63)
в) для неупорядоченной смеси компонентов
lg<C = 2 J/ilSSri (2.64) i=i
и
ТКе*==2 йТКег- (2.65) £=1
2.4.	ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Диэлектрические потери — электрическая мощность, поглощаемая в диэлектрике (участ-. ке изоляции) под действием приложенного к нему напряжения. Эта мощность рассеивается, превращаясь в теплоту.
Помимо полных диэлектрических потерь Р во всем участке изоляции часто рассматривают также удельные диэлектрические потери р-(или плотность мощности потерь), т. е. предел отношения потерь к объему изоляции, когда последний стремится к нулю. В частном случае однородного электрического поля (плоский конденсатор, см. с. 18) с однородным же диэлектриком удельные диэлектрические потери равны частному от деления полных диэлектрических потерь на объем диэлектрика между электродами. В случае же неоднородного поля удельные потери в разных точках диэлектрика различны, так как различны напряженности электрического поля в разных точках; кроме того, если диэлектрик неоднороден, при расчете удельных потерь необходимо учитывать и раз
§ 2.4
Диэлектрические потери
31
личие в параметрах диэлектрика в разных частях объема изоляции.
- Если участок изоляции с сопротивлением
Ом (см. § 2.2), находится под постоянным напряжением U, В, значение диэлектрических потерь, Вт, равно:
Р = U?IRas = UI — FRm. (2.66) где 1 — сквозной ток утечки через изоляцию, А. Удельные диэлектрические потери, р, Вт/м3, в этом случае определяются по формуле
р=Е?/р = £2у,	(2.67)
где р — удельное объемное сопротивление диэлектрика, Ом-м, а у— его удельная объемная проводимость, См/м.
Однако чаще всего рассматриваются диэлектрические потери не под постоянным, а под переменным напряжением. Значение потерь, Р, Вт, на участке изоляции с емкостью С, Ф, прн действующем значении приложенного к этому участку синусоидального напряжения U, В, и частоте /, Гц (угловая частота й=2л/, рад/с), равно (на основании диаграммы рис. 2.26 при /р=С7соС):
P=t7?coCtg6,	(2.68)
где 6 — угол диэлектрических потерь, дополняющий до 90° угол сдвига фаз <р между током I в изоляции и напряжением. Тангенс этого угла равен отношению активного 1Л и реактивного /р компонентов тока I:
tg6 = /a//P-	(2.69)
Угол диэлектрических потерь (обычно указывается не сам угол, а его тангенс) — важнейший параметр как материала (диэлектрика), так и электроизоляционной конструкции (участка изоляции). Добротность изоляции Q— величина, обратная тангенсу угла потерь:
Q = 1/tgS = ctg6 = tg<p = /р//а. (2.69'1
Значения tg б для лучших электроизоляционных материалов, применяемых в технике высоких частот и высоких напряжений, составляют тысячные и даже десятитысячные доли единицы; для материалов более низкого качества, применяемых в менее ответственных случаях, tg б может быть много больше.
Формула (2.68) справедлива для любых размеров и любой формы электродов и диэлектрика. Если же требуется изучить распределение диэлектрических потерь в разных местах изоляции, то для расчета удельных диэлектрических потерь р, Вт/м3, в точке, где напряженность электрического поля равна Е, В/м, могут быть использованы формулы
р — Esa£oer tg б	(2.70)
Рис. 2.26. Векторная диаграмма токов в диэлектрике с потерями (для схемы рис. 2.27)
или
р = 5,56- 10-«£2/8г tg б, (2.71) пригодные для любой картины электрического поля, а также для неоднородного диэлектрика, который в разных местах обладает различными параметрами.
Произведение er tg 6 называется коэффициентом диэлектрических потерь материала. Величина уа, См/см,
уа =5,56- Ю-И/е, tg6 (2.72) представляет собой удельную (объемную) активную проводимость при переменном напряжении материала; она входит в формулу
р=Е?уа.	(2.73)
Обычно (при одном и том же значении Е) потери под переменным напряжением больше, чем потери под постоянным напряжением; это положение отражается неравенством, связывающим удельное объемное сопротивление диэлектрика при постоянном напряжении р, Ом-м, с параметрами ег и tg б, измеренными на переменном напряжении при частоте f, Гц:
/P6rtg6> 1,8-Ю10.	(2.74)
В некоторых случаях (газообразные диэлектрики при малых Е- неполярные жидкости, например, тщательно очищенное трансформаторное масло; неполярные твердые полимеры) потери при постоянном и переменном напряжении той же частоты практически одинаковы, так что неравенство (2.74) обращается в равенство, и тогда tg б при частоте f может быть вычислен по формуле
1,8-1010	v
tg б == —---------=1,8-101° .......... (2.75)
/ег р	fa
Для диэлектрика при синусоидальном напряжении возможно также рассматривать относительную диэлектрическую проницаемость как комплексную величину:
^. = 8* +/в",	(2.76)
действительная часть которой в, представляет собой обычную диэлектрическую проницаемость, а мнимая ег— коэффициент потерь
8Г = 8г; в" — 8* tg б = 8Г tg б.
Схемы замещения диэлектрика с потерями. При изучении поведения диэлектрика с потерями при переменном напряженки часто оказывается целесообразным заменить рассматриваемый диэлектрик емкостью без потерь и активным сопротивлением, соединенными между собой параллельно или последовательно.
В первом случае (рис. 2.27)
Р = t/?coCp tg 6. (2.77) юСр Rp
Во втором случае (рис. 2.28)
tg б
tg6 = wCsEs; P^U^CS .	- (2-78)
1 -f* lg - о
S2
Общие свойства электроизоляционных материалов -
Разд. 2
и реактивную
^абс
е>2т2
= Us-------------
со2т? + 1
7 7	шт
/абс ^а2т2+1
^абс
(ОТ
(2.81)
(2.82)
Рис. 2.27. Простейшая параллельная схема замещения диэлектрика с потерями
Рис. 2.28. Простейшая последовательная схема замещения диэлектрика с потерями
Связи между Ср и Cs н между Рр и /?в при переходе от параллельной модели диэлектрика к последовательной и обратно.
С,-Ср(+«.»);	• <2'79>
При малом tg6 можно считать С—Се=Ср. Если tg 6 велик, расчетное значение емкости С (а следовательно, и ег, если последняя вычисляется из значения емкости и геометрических размеров диэлектрика) зависит от выбора модели диэлектрика и, таким образом, становится неопределенной. Значение tg 6 от избранной схемы замещения не зависит.
Физическая сущность диэлектрических по--терь. Если диэлектрик длительно включен под постоянное напряжение, то потери мощности в нем объясняются прохождением сквозного тока утечки через сопротивление изоляции [см. формулы (2.66) и (2.67)] и аналогичны потерям по закону Джоуля—Ленца в проводниках.
Зависимость от времени t тока f, идущего ’ через диэлектрик после включения под •посто-'• янное напряжение U, обычно имеет вид, показанный на рис. 2.29; ток i можно представить как сумму двух составляющих:
/ = »оо + «абс,
где значение 1^, к которому стремится i при /-»<», есть не что иное, как сквозной ток утечки (см. § 2.2), a iaoc—ток абсорбции. Если исключить из рассмотрения начальный участок ОР графика i(t)—рис. 2.29, то затухающий во времени ток абсорбции может быть представлен формулой
(	t X	(	t\
iaec — 8/s exp [ I — i‘a6co exP I — I - (2.80) \	т j	\	i /
Здесь s — имеющая размерность проводимости величина, вообще говоря, не равная проводимости для сквозного тока G [см. формулу (2.1)]; т — постоянная времени затухания тока абсорбции; iaeco=l/s — значение iacc для 7=0.
Появление тока абсорбции в разных диэлектриках вызывается различными причинами: процессами дипольной поляризации (в полярных диэлектриках), миграционной поляризации, других видов релаксационной поляризации и т. п.
При работе диэлектрика под синусоидальным напряжением угловой частоты со, если справедлива формула (2.80), ток абсорбции является также синусоидальным, имеющим две составляющие: активную
Построим теперь векторную диаграмму, изображенную) на рис. 2.26, более подробно (рис. 2.30). Как видно, через диэлектрик идут три-синусоидальных тока:
а)	емкостный ток, опережающий напряжение на 90°; он равен
/еМК = 1/соСг, .	(2.83)
где Сг — «геометрическая» емкость [см. формулы (2.90)—(2.90")];
б)	ток абсорбции /абс с активным и реактивным компонентами согласно формулам (2.81) и (2.82); угол ф определяется из соотношения
tgip = cor;	(2.84)
в)	сквозной ток проводимости, равный согласно формулам (2.1) и (2.2)
7свв — GG = U/Р.
Таким образом, наличие тока абсорбции приводит к увеличению измеренных на постоянном напряжении параметров участка изоляции—-как активной проводимости (сверх значения G), так и емкости (сверх значения Сг).
Составляющие тока I, которые мы обозначили на диаграмме рис. 2.26 через 7а (активная составляющая) и /р (реактивная составляющая), равны
- Л- = 4бс + /екв ==	+ °}'’ (2 -85)
~ ^абс 4” ^емк “ Ш2Т2 j j 4“ rj >
(2.86)
Рис. 2.29. Зависимость тока через диэлектрик от времени с момента включения под постоянное напряжение
-Рис. 2.30. Векторная диаграмма токов в диэлектрике с потерями (более подробная,- чем на рис. 2.26)
Диэлектрические потери
33
а тангенс угла диэлектрических потерь
(2.87) /р со [st + Сг (соЧ2 4- 1)]
Зависимость tgS от частоты. Уравнение (2.87) соответствует графику tg5(o>), изображенному на рис. 2.31. Значение tg6->oo при <о->0 [при со = О потери конечны и определяются формулой (2.66)]; при <о->-оо имеем tg6-<-0. Максимальное значение tgfimax соответствует частоте сок; если для упрощения считать потери проводимости весьма малыми по сравнению с потерями от тока абсорбции [т. е. если принять в формуле (2.87) 6=0], и
tg $max	-------- * (2.89)
2Сг1/ 1 + -^
Частотная зависимость емкости
с-&+лГГТ! |2/Л|
наибольшее значение емкости — при й=0 (постоянное напряжение)
Со = Сг4-ет	(2.90')
и наименьшее — при <о->-оо
Сх = Се,	(2.90")
т. е. геометрическая емкость соответствует емкости, измеренной при весьма высокой частоте, когда релаксапионная поляризация практически уже не имеет места.
По измеренным значениям Со и С«, для , конденсатора с однородным диэлектриком могут быть рассчитаны значения статической диэлектрической проницаемости еГСт при постоянном напряжении и оптической диэлектрической проницаемости егонГ для весьма высоких частот, приближающихся к частотам световых колебаний.
Особую физическую ясность приобретает дипольный максимум в зависимости tg б от частоты (и от температуры, см. ниже) для полярных диэлектриков однородного химического состава. В этом случае максимум зависимости tg6(a>) соответствует области частот, в которой (при той же температуре) имеет место особо резкое уменьшение ег при росте частоты (область диэлектрической дисперсии). Это видно из сравнения рис. 2.19, а и б. В этом случае также может быть построена круговая диаграмма Коул—Коула, т. е. геометрическое место точек ег, ег [формула (2.76)] для различных частот (при неизменной температуре), представляющее собой полуокружность с радиусом (бгст—Егопт)/2, центр которой лежит на оси е, в точке [0, (еГопт+егст)/2] и' которая пересекает ось ег в точках (0, Вгопт) и (0, бтст), как это показано на рис. 2.32.
Зависимость tg 6 от температуры. Как общее правило, tg6 электроизоляционных мате-2—232
Рис. 2.31. Теоретическая зависимость tg 6 от частоты приложенного к диэлектрику напряжения
Рис. 2.32. Круговая диаграмма Коул — Коула (схематически)
Рис. 2.33. Зависимости tg6 от температуры для муллита 3Al2O3-2SiO2 и кордиерита 2MgO-2A12O3-5SiO2. Частота I МГц. По Н. П.
Богородицкому
риалов увеличивается при повышении температуры Т (по крайней мере в достаточно широком интервале Г); таким образом, как с точки зрения увеличения tg6, так и с точки зрения уменьшения р (стр. 20) условия работы электрической изоляции будут более тяжелыми при более высоких температурах.
Примеры зависимости tg б (7) даны на рис. 2.33.
Для полярных диэлектриков наблюдается характерный дипольный максимум в зависимости tgб (7). При повышении частоты этот максимум сдвигается в область более высоких температур (рис. 2.19, в) аналогично тому, как при повышении температуры дипольный максимум в зависимости tg 6 ()) сдвигается в область более высоких частот (рис. 2.19,6).
В полярных диэлектриках имеются также и потери от сквозной проводимости; поэтому после перехода через дипольный максимум на-
34
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
Рис. 2.34. Зависимость tg 6 от температуры для канифоли. Частота 50 Гц. По Н. П. Богородицкому
Рис. 2.35. Зависимость tg 6 от температуры для бумаги, пропитанной маслоканифольным компаундом. Частота 50 Гц. По Н. П. Богородицкому
Рис. 2.36. Зависимость tg 6 от влагосодержа-ния для бумаги. Частота 1 МГц. По Д. М. Казарновскому
блюдается рост tg 6 при дальнейшем росте температуры благодаря повышению у (рис. 2.34).
В композиционных диэлектриках, а также в химически индивидуальных диэлектриках при наличии нескольких физических механизмов релаксационных потерь наблюдаются усложненные зависимости tgfi (Г) и tg6 (f). Пример: в кривой tgfi (Г) для пропитанной бумаги имеются два дипольных максимума — при —55 °C, определяемый потерями в клетчатке, и при +35 °C, определяемый потерями в пропиточной массе (рис. 2.35).
Зависимость tg'6 от влажности. У гигроскопичных электроизоляционных материалов tg6 существенно увеличивается при возрастании влажности (пример — рис. 2.36).
Зависимость tg 6 от напряжения. Большое практическое значение имеет зависимость tg б электрической изоляции от приложенного к изоляции напряжения U.
Иногда tg 6 от U практически не зависит, так что (при той же частоте) диэлектрические потери при повышении U возрастают пропорционально V3 (или £2). Однако иногда зависимость tg б (U) имеет характер рис. 2.37, а именно: в некотором интервале V значение tg 6 неизменно, а при увеличении напряжения сверх значения 17ион кривая начинает резко возрастать. Изображенная на рис. 2,37 кривая иногда называется кривой ионизации, а точка А — точкой ионизации, так как она соответствует началу ионизации включений воздуха или других газов в изоляции (например, в недостаточно плотной и не подвергнутой тщательной вакуумной сушке перед пропиткой или прессовкой волокнистой или пластмассовой изоляции) или в зазорах между твердой изоляцией и- неплотно прилегающими к ее поверхностям электродами. С ионизацией связано образование короны или других частичных разрядов. •Следует учесть, что электрическая прочность (напряженность начала образования частичных разрядов) газов в большинстве случаев
значительно ниже, чем электрическая прочность твердых электроизоляционных материалов (см. § 2.5), а ег газов также ниже, чем ег твердых диэлектриков (§ 2.3), что и объясняет неблагоприятное распределение напряженностей между твердыми материалами и газовыми включениями (см. стр. 24, 25).
Снижение tgS после перехода через максимум при дальнейшем подъеме U (рис. 2.37) объясняется уменьшением падения напряжения на сильно ионизированных объемах изоляции.
Возникновение частичных разрядов внутри изоляций или вблизи ее связано:
а)	с поглощением энергии (что и объясняет резкий рост tg6), которое вызывает нежелательный разогрев изоляции;
б)	с химическими процессами, которые (в случае воздушных включений) заключаются в основном в переходе части кислорода О2 в озон Оз, а также В образовании оксидов азота. Эти вещества, в особенности в присутствии даже малых количеств влаги, действуют на многие органические электроизоляционные материалы как сильные окислители, вызывая их постепенное разрушение;
в)	с электронной эрозией соприкасающихся с газовыми включениями участков твердых материалов, что также влечет за собой их постепенное разрушение.
Как правило, рабочее напряжение изоляции должно быть ниже напряжения ионизации, соответствующего точке А на рис. 2.37. Следует считать более высококачественной такую изоляцию, у которой напряжение ионизации более высокое, а подъем кривой ионизации после точки А более пологий.
Согласно ГОСТ 2007.4-83 «Электрооборудование и электроустановки. Метод измерения характеристик частичных разрядов» характеристики частичных разрядов определяются их интенсивностью, количественно выражающейся следующими показателями: кажущийся заряд единичного частичного разряда, частота следования частичных разрядов (среднее количество за 1 с), средний ток частичных разрядов
Рис. 2.37. Кривая ионизации электрической изоляции
§ 2.5
Пробей диэлектриков
35
[Кл/(с-А)]. Для кажущегося заряда частичного разряда дано следующее пояснение: «абсолютное значение такого заряда, при мгновенном введении которого между электродами испытуемого объекта напряжение между его электродами кратковременно изменится на такое же значение, на какое изменилось бы при частичном разряде».
2.5.	ПРОБОИ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Электрическая изоляция не может выдерживать приложение к ней неограниченно высокого напряжения. Если мы будем повышать приложенное напряжение, то рано или поздно произойдет пробой изоляции; при этом ток утечки через изоляцию чрезвычайно возрастает, а сопротивление изоляции соответственно снижается, так что практически получается короткое замыкание между электродами, с помощью которых подведено к изоляции напряжение. Схематически зависимость тока через изоляцию от напряжения /(£7) (вольт-амперная характеристика изоляции) может быть представлена графиком рис. 2.38. Точка Л графика, для которой dl!dU—oo, соответствует пробою. Наибольшее значение напряжения t/np, которое было приложено к изоляции в момент пробоя, называется пробивным напряжением.
Дальнейшие явления, имеющие место в. изоляции после пробоя, определяются как характером электроизоляционного материала, так и мощностью источника электрической энергии. В месте пробоя возникает искра или даже электрическая дуга, которая может вызвать оплавление, обгорание, растрескивание и тому подобные изменения как диэлектрика, так и электродов. После снятия напряжения в пробитом твердом диэлектрике может быть обнаружен след в виде пробитого (откуда и термин «пробой»), проплавленного или прожженного отверстия. При повторном приложении напряжения к ранее подвергавшейся пробою твердой изоляции пробой по месту прежнего пробоя, как правило, происходит при сравнительно низком напряжении (однако в отдельных случаях возможно «самовосстановление» пробитой твердой изоляции благодаря оплавлению изоляции, обгоранию электрода и т. п.). Таким образом, пробой твердой изоляции в электрической машине, аппарате, кабеле и т.п. означает аварию, выводящую данное устройство из строя и требующую ремонта или замены устройства. Если же пробой произошел в жидком или газообразном диэлектрике, то в силу большой подвижности частиц после снятия напряжения пробнгый участок диэлектрика • полностью восстанавливает первоначальное значение пробивного напряжения (конечно, S*
Рис. 2.38. Зависимость тока от напряжения при пробое диэлектрика
Рис. 2.39. Типичная зависимость пробивного напряжения £7ПР и электрической прочности Епр от толщины для Керамики. Частота 50 Гц.
По В. В. Пасынкову
Рис. 2.40. Пробой и перекрытие твердого диэлектрика (схематически)
если мощность и длительность электрической дуги не были настолько значительны, чтобы вызвать существенные необратимые изменения диэлектрика).
Пробивное напряжение электрической изоляции зависит от ее толщины, т. е. расстояния между электродами Л; чем толще слой электроизоляционного материала, тем выше Uat этого слоя. Слои одной и той же толщины различных материалов имеют различные значения L7Kp, что дает основание для введения показателей свойств диэлектрического материала, определяющих его способность противостоять пробою — электрической прочности £пр.
Электрическая прочность диэлектрика — напряженность электрического поля, при достижении которой в какой-либо точке диэлектрика происходит пробой. Для простейшего случая однородного электрического поля в диэлектрике:
£np = i/np/ft.	(2.91)
Единица СИ £пр— вольт иа метр (В/м). Другие единицы £ВР — см. с. 13.
В большинстве случаев при возрастании Л значение £пр уменьшается, т. е. t/np возрастает с увеличением толщины не линейно, а медленнее (рис. 2.39). Однако при переходе к особо тонким слоям (примеры лаковые пленки; напыленные пленки диэлектрика) начинают сказываться неизбежные неоднородности материала и £пр опять начинает снижаться.
У неоднородных тонких материалов (бумага, лакоткань и т. п.) £пр уменьшается с увеличением площади электродов, что объясняется увеличением вероятности попадания под электроды слабых мест диэлектрика.
Для надежной работы любого электротехнического устройства рабочее напряжение его изоляции £7Pat> должно быть существенно меньше пробивного напряжения £/пр. Отношение 17Пр/£Раб называют коэффициентом запаса электрической прочности изоляции.
Электрическая прочность высококачественных твердых, электроизоляционных материалов, как правило, выше, чем жидких и,, тем более, газообразных диэлектриков (при нормальном
36
Общие свойства- электроизоляционных материалов
Разд. 2
давлении). Поэтому если расстояние между ближайшими друг к другу точками электродов по поверхности твердой изоляции (рис. 2.40) лишь ненамного превосходит кратчайшее расстояние между электродами сквозь изоляцию, то при повышении приложенного к изоляции напряжения в первую очередь может произойти не пробой изоляции (стрелка а), а поверхностный пробой (перекрытие) изоляции, т. е. разряд в прилегающем к твердой изоляции слое газообразного (например, воздуха) или жидкого диэлектрика (стрелка б).
Физическая природа пробоя. По физической сущности развития пробоя различают несколько видов, основные из них: чисто электрический, электротепловой, электромеханический, электрохимический и ионизационный пробой.
Чисто электрический («собственный») пробой представляет собой непосредственное разрушение структуры диэлектрика силами электрического поля, воздействующими на электрически заряженные частицы в диэлектрике. Этот вид пробоя развивается практически мгновенно. Если пробой не произошел тотчас после приложения напряжения, изоляция в случае чисто электрического механизма пробоя теоретически должна выдерживать то же значение напряжения длительно (если только не иметь в виду пробой кратковременными — продолжительностью порядка 0,1—1 мкс — импульсами напряжения).
Отношение импульсного пробивного напряжения Ппр.ими к пробивному напряжению при длительном приложении напряжения Ыпр,дл называется коэффициентом импульса
Лимп-	(2.92)
с/пр,Дл
данной электрической изоляции. Коэффициент импульса зависит от материала диэлектрика и от формы и размеров изоляции; для газов Димп
Рис. 2.41. Зависимость пробивного напряжения 1/Пр при электротепловой пробое от времени приложения напряжения
Рис. 2.42. Зависимость электрической прочности Епр фарфора от температуры Т при переменном напряжении с частотой 50 Гц:
1 — область чисто электрического пробоя; II — область электротеплового пробоя
при прочих равных условиях бывает больше в случае- неоднородного электрического поля в изоляции.
Электротепловой (сокращенно — тепловой) пробой связан с нагревом изоляции в электрическом поле диэлектрическими потерями (см. § 2.4). Этот вид пробоя развивается следующим образом; когда на диэлектрик подается напряжение, в нем выделяется теплота потерь и температура его повышается, вследствие чего потери еще более увеличиваются; процесс идет, таким образом, все усиливаясь, и, в конце концов, диэлектрик может сильно измениться (может произойти расплавление, обугливание и т. п. в зависимости от природы материала) и его собственная электрическая прочность снизится настолько, что произойдет пробой. При этом для возникновения пробоя достаточно, чтобы разогрелось какое-нибудь место диэлектрика, в котором теплоотдача хуже или удельные потери повышены, а средняя температура всего объема диэлектрика может оставаться мало отличающейся от начальной, имевшей место до приложения к диэлектрику напряжения.
Если удельная активная проводимость [по формуле (2.7) в случае постоянного напряжения или же по формуле (2.72) в случае переменного напряжения] мала и ТК ее невелик, а условия отвода тепла в окружающую среду достаточно хороши, установится равновесие между выделяющимся в диэлектрике теплом и его отводом в окружающую среду и диэлектрик будет длительно работать под напряжением, не пробиваясь. В этом случае пробой может произойти лишь при дальнейшем повышении напряжения. Если же отвод тепла в окружающую среду затруднен, то даже незначительное напряжение, приложенное к диэлектрику, через достаточно большое время должно вызвать пробой.
Зависимость пробивного напряжения от времени приложения напряжения при электро-тепловом механизме пробоя показана на рис. 2.41. Если мы приложим к диэлектрику напряжение Ui на промежуток времени меньший, чем tt, и затем напряжение снимем, то диэлектрик еще не успеет разогреться и не будет пробит. Диэлектрик способен неограниченно долго выдерживать напряжение, меньшее <7<», к которому асимптотически стремится t/np при увеличении t.
При электротепловом пробое Е'пр зависит как от частоты приложенного напряжения, уменьшаясь при ее возрастании, так и от температуры окружающей среды (начальной рабочей температуры диэлектрика), уменьшаясь при ее возрастании.
Для одного и того же диэлектрика переход из области чисто электрического пробоя (с электрической прочностью, не зависящей или лишь мало зависящей от температуры и частоты) в область электротеплового пробоя (с отчетливо выраженной зависимостью как от температуры, так и от частоты) может произойти при возрастании начальной температуры (рис. 2.42), при переходе от постоянного напряжения к переменному и при дальнейшем повышении частоты, при ухудшении тем или иным образом условий охлаждения.
Электромеханический пробой подготовляет
§ 2.6.
Термические свойства электроизоляционных материалов
37
ся механическим разрушением материала (образованием макроскопических трещин) силами электрического поля (давлением электродов).
Электрохимический пробой — вид медленно развивающегося пробоя, связанного с химическим изменением материала в электрическом поле (пример — прорастание металлических древовидных побегов — «дендритов» в результате электролиза, см. с. 20).
Ионизационный пробой объясняется действием на диэлектрик химически агрессивных веществ, образующихся в газовых порах диэлектрика при частичных разрядах, а также эрозией диэлектрика на границе пор ионами газа.
2.6.	ТЕРМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Нагревостойкость, теплостойкость и термостойкость. Весьма важна способность электрической изоляции выдерживать повышенную температуру без существенного ухудшения свойств, так как от этого зависит наивысшая допустимая рабочая температура изоляции.
В электрических машинах и аппаратах повышение температуры, которое обычно лимитируется именно материалами электрической изоляции, дает возможность для заданной мощ. ности достигнуть уменьшения габаритных размеров, массы и стоимости изделия. Повышение рабочей температуры особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрооборудования и другие передвижных устройств, где вопросы уменьшения массы и габаритных размеров выступакиг на первый план.. Для электрических печей и нагревательных приборов, электросварочной аппаратуры, источников света и многих электронных и ионных приборов и т. п. высокая рабочая температура изоляции необходима. ^'
У аморфных материалов (стекла, смойы и пр.) резко выраженной температуры плавления Тпп нет, и у них температура размягчения Гразм определяется при помощи различных условных приемов (см. разд. 29). Приближение к температуре размягчения в эксплуатационных условиях может вызвать сильное снижение механической прочности- и постепенную деформацию изделий, что ограничивает теплостойкость электроизоляционных материалов. У ряда материалов при нагреве могут наблюдаться химическое разложение, обугливание, интенсивное окисление до явного горения включительно. В ряде случаев, даже при сохранении механической прочности и целостности изоляции, диэлектрические свойства ее ухудшаются настолько, что делают работу изоляции при повышенной температуре уже невозможной. Такие изменения качества изоляции могут проявляться даже при кратковременном повышении температуры.
Рис. 2.43. Возникновение температурных напряжений в поверхностном слое стекла при термоударах:
а — случай быстрого нагрева; б —случай быстрого охлаждения
Помимо ухудшающих качество электрической изоляции изменений, которые проявляются уже в случае кратковременного повышения температуры, при длительном воздействии повышенной температуры (но меньшей, чем действующая вредно в течение короткого времени) могут наблюдаться нежелательные изменения за счет медленно протекающих химических процессов: это так называемое термическое (тепловое) старение изоляции. У трансформаторного масла старение проявляется в образовании продуктов окисления (см. разд. 4), у лаковых пленок—в повышении жесткости и хрупкости, образовании трещин и отставании от подложки (разд. 6) и т. п. Помимо температуры, существенное влияние на скорость старения могут оказать: повышение давления воздуха или концентрации кислорода, присутствие озона, являющегося еще более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Старение ускоряется освещением образца ультрафиолетовыми лучами, воздействием электрического поля и т. п.
Для ряда материалов, в особенности хрупких (стекла, керамика и т. д.), важна стойкость по отношению к резким сменам температуры (термоударам). При внезапном нагреве или охлаждении снаружи предмета из хрупкого материала, например стекла, вследствие неравномерного распределения температур в наружном слое материала прежде всего возникают температурные напряжения, которые могут явиться причиной растрескивания. При быстром иагреве поверхностный слой стекла стремится расшириться, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться и в мысленно выделяемых сечениях хх (рис. 2.43, а) создаются напряжения сжатия. Если же тепловой импульс имеет характер внезапного охлаждения поверхности стекла, то вследствие теплового сокращения поверхностного слоя создается тенденция к отрыву друг от друга соседних участков поверхностного слоя (рис. 2.43,6). Так как у стекбл прочность при растяжении много меньше, чем прочность при сжатии, внезапное внешнее охлаждение более опасно для стекла, чем быстрый нагрев.
Таблица 2.2
Обозначение класса нагревостойкости	Y	А	Е	В	F	Н	С
Рабочая температура, °C	90	105	120	130	155	180	Выше 180
38
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. .2
Сравнительная стойкость к термоударам различных типов стекол определяется параметром
<2'93)
аЕ у De аЕ
где Ср — прочность при растяжении; а — ТК длины; £ — модуль упругости; X —коэффициент теплопроводности; О — плотность; с — удельная теплоемкость и у — коэффициент температуропроводности [формула (2.98)] материала.
Для стекол особо большое влияние на К оказывает а; стойкие к термоударам стекла обладают малым а.
Допустимый для эксплуатации материала или изделия температурный режим может определяться различными факторами. В результате испытаний (см. разд. 29) устанавливается стойкость материала к тепловым воздействиям, причем стойкость эта в разных случаях может быть неодинаковой: например, материал, легко выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже более низкой температуры, или же материал, могущий длительно выдерживать нагрев до высокой неизменной температуры, растрескивается при быстром охлаждении и т. п. Согласно ГОСТ 21515-76 «Материалы диэлектрические. Термины и определения» способность диэлектрика выдерживать воздействие высокой температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств называется нагревостойкостью.
Материалы, применяемые для изоляции электрических устройств (при длительном воздействии иагрева), часто разделяют на классы нагревостойкости, причем для каждого класса устанавливается определенная максимальная рабочая температура.
Стандартом ГОСТ 8865-78 «Материалы электроизоляционные для электрических машин, трансформаторов и аппаратов. Классификация по нагревостойкости» и рекомендацией СЭВ PC 96467 в соответствии с Публикацией МЭК 85 (1957 г.) были предусмотрены классы нагревостойкости, указанные в табл. 2.2.
Так, к классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы, хлопка и натурального шелка, непропитанные и непогруженные в жидкий электроизоляционный материал; те же волокнистые материалы, в рабочем состоянии пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал, относятся ’уже к классу А. К классам В, F и Н относятся неорганические материалы — слюда, стекловолокно и асбест в сочетании с органическими (или для класса Н — с кремнийорга-ническими) связующими или пропитывающими составами в ’зависимости от нагревостойкости этих составов К классу С принадлежат неорганические электроизоляционные материалы — слюда, электротехническая керамика, бес-щелочное стекло, кварц, применяемые без связующих или же в сочетании с составами особо Высокой нагревостойкости — неорганическими или элёментоорганическими.
Температура, указанная в табл. 2.2, установлена как максимальная для электроизоляционных материалов при их использовании в электрических машинах, трансформаторах и аппаратах общего применения, длительно (.в течение ряда лет) работающих в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях.
Отнесение электроизоляционных материалов или их сочетаний (систем изоляции) к определенному классу нагревостойкости производится на основе опыта эксплуатации или определенных испытаний, показывающих пригодность этих материалов для работы при температуре, соответствующей данному классу.
В 1984 г. выпущено 2-е издание Публикации МЭК-85. В этом документе сохранены все прежние классы нагревостойкости от Y до Н (табл. 2.2), причем допускается обозначение классов не буквами, а числами, соответствующими допустимой рабочей температуре в градусах Цельсия (т. е. 90; 105; 120;. 130; 155 и 180 соответственно); класс С отменен, но для повышенных рабочих температур введены классы 200; 220 и 250 (рабочие температуры 200, 220 и 250°C соответственно); для еще более высоких рабочих температур допускается аналогично вышесказанному введение классов 275, 300 и т. д. (через каждые 25 °C).
В последнее время оценка классом иагре-востойкости преимущественно применяется не для отдельных электроизоляционных материалов, а для систем изоляции электрических машин и т. п.; нагревостойкость материалов оценивается в соответствии с рекомендацией Международной электротехнической комиссии «температурным индексом» и «профилем нагревостойкости» (см. разд. 29).
К числу важнейших тепловых параметров многих электроизоляционных материалов, состоящих целиком или частично из полимеров, кроме нагревостойкости и температурных индексов, определяющих рабочую температуру, относятся также теплостойкость и термостойкость.
Значения теплостойкости и термостойкости зависят от способа их определения. В полимерной химии теплостойкость часто -определяют  температурой стеклования и температурой размягчения, которую в электроизоляционной технике обычно измеряют по степени деформации образца при нагревании под той или иной механической нагрузкой.
Под термостойкостью понимают температуру. при которой начинается химическое изменение материала, в частности полимера, за счет термоокислительиой или термической деструкции, связанной с выделением летучих продуктов.
Как правило, для большинства полимеров, применяемых в электроизоляционной технике, между значениями теплостойкости и термостойкости существует большая разница. Подробнее о теплостойкости и термостойкости см. в разд. 29.	...
Холодостойкость. Во многих случаях, например для самолетного электро- и радиооборудования, линий электропередачи и связи, открытых подстанций и т. п., важна холодостойкость изоляции, т. е. способность ее- работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, например
§ 2.6.
Термические свойства электроизоляционных материалов
3.9
—(60-г-70)°С или даже еще более низких (криогенных). При низких температурах, как правило, электрические свойства электроизоляционных материалов улучшаются; однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Проверка стойкости электроизоляционных материалов и изделий из них к действию низких температур нередко проводится при одновременном воздействии вибраций.
Теплопроводность. Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепло потерь в окруженных изоляцией проводниках и магнитопроводах электрических машин, аппаратов, кабелей и т. п. должно переходить в окружающую среду через слой изоляции (за исключением некоторых новых конструкций электрических машин, в которых отвод тепла от проводников осуществляется пропусканием охлаждающего вещества через канал внутри самого проводника).
Термическое сопротивление электрической изоляции влияет на нагрев проводников и магнитопроводов. Особо большое значение имеет теплопроводность сравнительно толстой изоляции в устройствах высокого напряжения. Теплопроводность влияет на электрическую прочность при электротепловом пробое (см. § 2.5) и иа стойкость материала к термоударам [формула (2.93)].
Формальное определение полной и удельной теплопроводности и полного и удельного термического сопротивления аналогично определению полной и удельной электрической проводимости й полного и удельного объемного электрического сопротивления. Уравнение установившегося процесса передачи тепла через тело с полным термическим сопротивлением Рт при разности температур на горячей и холодной поверхностях Д7’:
Р=Д77ЯТ,	(2.94)
(где Р~ мощность теплового потока, т. е. количество тепла, проходящего через тело за единицу времени) аналогично закону Ома для электрической цепи, причем Р играет роль тока, а ДГ —разности потенциалов. При выражении Р в ваттах и АТ— в кельвинах или в градусах Цельсия, единицей для является K/Вт или °С/Вт.
Расчет термического сопротивления тел производится по формулам, аналогичным формулам для расчета электрического сопротивления: например, для движения тепла через участок тела между двумя параллельными друг другу плоскостями — горячей и холодной, которые в свою очередь перпендикулярны тепловому потоку, при обозначениях согласно рис. 2.2
Рт = ртй/5	(2.95)
аналогично формуле (2.4); для цилиндрического слоя (см. рис. 2.3)
Рт . do
«T=V7-ln-y-	(2.96)
аналогично формуле (2.5) и т. п. Здесь р-г — удельное термическое сопротивление материала, которое выражается в м-К/Вт. Обратная рт
Таблица 2.3. Теплопроводность . некоторых материалов
Вещество	Коэффициеят теплопровод* нести, Вт/(м.К)
Воздух (в малых зазорах}	0,05
Битум	0,07
Целлюлозная бумага	0,10
Лакоткань	0,13
Гетинакс	0,35
Плавленый кварц SiO2	1,25
Фарфор	Ц6
Стеатит	2,2
Двуокись титана Т1О2	6,5
Кристаллический кварц	12
Графит С	18
Окись алюминия А12Ог	30
Окись магния MgO	36
Германий Gel	58
Железо Fe y	68
Кремний	109
Окись бериллия ВеО	218
Алюминий А1	226
Медь Си	390
величина К, аналогичная у [формула (2.11)], называется коэффициентом теплопроводности материала:
Х=1/рт;	(2.97)
X, выражается в Вт/(м К) или Вт/(м-®С).
Большие значения рт имеют пористые материалы (с газовыми включениями). При пропитке и увлажнении материалов, а также при их уплотнении внешним давлением рт уменьшается.	'	\
Ориентировочные значения' коэффициента теплопроводности X. рида электроизоляционных (и, для сопоставления, проводниковых и полупроводниковых) материалов йрцведены в табл
Величина
»--г 	,2М>
где с — удельная теплоемкость [формула (2.100)] и D — плотность материала, называется коэффициентом температуропроводности; знание этого параметра важно при расчете не-установившихся тепловых процессов в различных устройствах.
Теплоемкость. При сообщении телу, имеющему теплоемкость Ct, количества теплоты Q его температура поднимается на
A7 = Q/CT.	(2.99)
В СИ теплоемкость тела выражается в Дж/К. Для тела из однородного материала, имеющего массу А1, теплоемкость равна:
Ст = сЛ1,	(2.100)
где с параметр материала — его удельная теплоемкость, Дж/(кг-К).
В некоторых случаях удельную теплоемкость относят не к единице'массы, а к единице
40
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
объема вещества. В этом случае единицей теплоемкости будет Дж/(м3-К).
- Для газов различают две удельные теплоемкости — удельную теплоемкость при неизменном давлении ср и удельную теплоемкость при неизменном объеме с„. Очевидно, что cp>cv, так как при расширении нагревающийся газ совершает механическую работу. Для твердых и жидких тел различие между ср и с„ практически отсутствует.
Ориентировочные значения удельной теплоемкости с некоторых материалов при нормальной температуре: электротехнический фарфор— 900, органические полимеры 1200— 2200, нефтяные электроизоляционные масла 1800—2500, германий — 350, кремний — 700, медь — 385, алюминий — 920 Дж/(кг-К). Весьма высокую удельную теплоемкость — около 4200 Дж/(кг-К) —имеет вода.
2.7. РАЗЛИЧНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Растворимость и растворяемость. Эти общие физико-химические свойства материалов важны для подбора подходящих растворителей лаков и пр., а также для прогнозирования стойкости твердых материалов к действию различных жидкостей, с которыми этим материалам приходится соприкасаться как в процессе изготовления электрической изоляции (например, при пропитке изоляции лаками), так' и в эксплуатации (пример — изоляция маслонаполненных трансформаторов).
Растворимость твердых материалов обычно оценивается количеством материала, переходящего в раствор за единицу времени с единицы поверхности материала, соприкасающейся с растворителем. Кроме того, нередко определяют наибольшее количество материала, которое может быть растворено в единице объема данного растворителя (т. е. концентрацию насыщенного раствора).
Как правило, легче всего растворяются вещества, близкие к растворителю по химической природе и содержащие в молекулах сходные группировки атомов; полярные вещества легче растворяются в полярных жидкостях, неполярные— в неполярных. Так, неполярные или слабо полярные углеводороды (например, парафин, каучук) растворяются в жидких углеводородах; полярные смолы, содержащие гидроксильные группы (фенолоформальдегидиые и другие смолы), растворяются в спирте и гных полярных растворителях. Растворимость уменьшается с повышением степени полимеризации (молекулярной массы); высокомолекулярные вещества с линейной структурой молекул растворяются сравнительно легко, а с пространственной структурой — трудно. При повышении температуры растворимость увеличивается.
. Химостойкость. Стойкость к разъеданию (коррозии) различными соприкасающимися веществами (газами, водой, кислотами, щелочными и солевыми растворами и т. п.) электроизоляционных материалов весьма разнообразна. При определении химостойкости образцы материалов иа длительное время помещают в
условия, по возможности более близкие к эксплуатационным (или еще более суровые) с точки зрения выбора концентрации химически активной среды, температуры (при повышении температуры интенсивность коррозии сильно увеличивается) и т. д., после чего определяют изменение внешнего вида образцов, их массы и других параметров.
Для масел и т. п. измеряют кислотное число, характеризующее содержание в материале свободных кислот. Эта величина определяет технологические особенности материала, а также способность материала вызывать коррозию соприкасающихся с иим тел, например металлов. В трансформаторном масле высокое кислотное число является важным признаком плохой очистки при изготовлении или далеко зашедшего процесса старения масла (см. разд. 4). Кислотное число есть количество граммов едкого кали, требующееся для того, чтобы нейтрализовать все свободные кислоты, содержащиеся в 1 кг испытуемого материала (пример обозначения: 0,4 мг КОН на 1 г или, что то же самое, 0,4 г КОН на 1 кг).
Гигроскопичность. Многие электроизоляционные материалы в той или иной степени гигроскопичны, т. е. способны сорбировать нла-гу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. е. способны пропускать сквозь себя влагу.
Образец электроизоляционного материала, помещенный в определенные условия влажности и температуры окружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторого «равновесного» состояния влажности. Сравнительно сухой образец материала, помещенный во влажный воздух с относительной влажностью ф, будет постепенно поглощать влагу из воздуха, и влажность материала ф (т. е. содержание влаги на единицу массы материала) с течением времени i будет повышаться, асимптотически приближаясь к значению равновесной влажности фр, соответствующей данному значению ф (рис. 2.44, кривая я). Наоборот, если в воздух с той же относительной влажностью ф будет помещен образен того же материала с высокой начальной влажностью, то влажность образца будет уменьшаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности фр; в этом случае происходит сушка материала (кривая б).
Для различных материалов значения равновесной влажности при одном н том же значении относительной влажности воздуха весьма различны (рис. 2.45).
При повышении температуры равновесная влажность, соответствующая тому же значению ф, понижается (рис. 2.46). Таким образом, сушке благоприятствует не только пониженная влажность окружающей среды и смена воздуха (вентиляция), но и повышение температуры.
Под влагопоглощаемостью подразумевается равновесная влажность данного материала при нормальной температуре в воздухе, относительная влажность ф которого близка к 100 %.
Иногда электрической изоляции приходился работать в условиях соприкосновения не только с воздухом, содержащим пары воды, ио и с водой (изоляторы открытых установок, подвергающиеся действию атмосферных осадков; изоляция электрических машин и аппаратов на кораблях, в погружных насосах и т.п.).
§ 2.6
Термические свойства электроизоляционных материалов
41
Рис. 2.44. Изменения влажности ф образца гигроскопичного материала при увлажнении (кривая а) и при сушке (кривая б)
Рис. 2.45. Зависимость равновесной влажности •фр от относительной влажности <р окружающего воздуха для различных материалов (прн 20 °C):
/ — дерево; 2 — кабельная бумага; 3— фенолофор-мальдегидная пластмасса; 4 — пористая керамика
Рис. 2.46. Кривые зависимости равновесной влажности древесины от относительной влажности <р окружающего воздуха для различных значений температуры
В таких случаях представляет интерес определение водопоглощаемости (см. разд. 29).
Анизотропные материалы впитывают влагу в различных направлениях с различной скоростью. Так, дерево скорее впитывает влагу в направлении вдоль волокон, т. е. с торцевого спила ствола, слоистые пластики — вдоль слоев и т. д.
На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает его строение. Большую роль играют наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного сплошного строения. Гигроскопичность материалов, практически лишенных пор (например, стекол), может быть только поверхностной: поглощаемая из окружающей среды влага накапливается в виде тонкой пленки на поверхности материала, но не проникает вглубь.
Влагопоглощаемость и водопоглощаемость не полностью отражают степень возможных изменений электрических свойств материала при увлажнении. В том случае, если поглощенная влага способна образовывать внутри изоляции нити или пленки, которые могут пронизывать весь промежуток между электродами (или значительную область этого промежутка), уже весьма малые количества поглощаемой влаги приводят к чрезвычайно резкому ухудшению электрических свойств изоляции Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных, не соединенных между собой малых включений, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно. Аналогично для несмачиваемых материалов уменьшение удельного поверхностного сопротивления при выдержке во влажной среде незначительно, так как влага, даже в
случае выпадения в виде росы, образует отдельные капли, а не сплошную водяную пленку.
Влагопроницаемость. Кроме гигроскопичности, большое практическое значение Имеет влагопроницаемость, т. е. способность материалов пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для защитных покровов (оболочки кабелей, компаундные заливки, лаковые покрытия изоляции электрических машин и т. п ).
Для того чтобы уяснить себе возможность проникновения влаги через мельчайшие поры, надо иметь в виду, что молекула воды обладает весьма малыми размерами — ее диаметр равен примерно 2,5-10-10 м.
Коэффициент влагопроницаемости П материалов входит в основное уравнение влагопро-ницаемости: количество воды М, кг, проходящее при стационарном режиме за время t, с, сквозь участок площадью 5, м2, слоя рассматриваемого материала толщиной h, м, если с двух сторон пленки существуют парциальные давления водяного пара в воздухе pi и соответственно р% Па:
М = П -Р1 S- t. (2.101) h
Это уравнение формально аналогично закону Ома для прохождения через тело электрического тока (причем разность давлений Pi — Pi аналогична разности потенциалов, отношение M/t — току, a hfUS — электрическому сопротивлению тела) или же уравнению теплопроводности (2.94). Единица СИ для коэффициента влагопроницаемости кг/(м-с-Па) нли с (секунда).
Важным влажностным параметром электроизоляционных материалов является также коэффициент влагорастворимости а. Эго — коэффициент пропорциональности закона Геири:
С — ар,	(2.102)
где С — равновесная влажность, отнесенная к единице объема материала, кг/м3; р, как и ранее,— упругость водяных паров в воздухе, с которым соприкасается материал. Так как
С = ф£>,	(2.103)
где, как и выше, ф — массовая влажность, а D — плотность материала, закон Генри может быть записан в виде
фО=ар.	(2.1.04)
Единица СИ для а — кг/(м3-Па) или е2/м2.-
42
Общие свойства электроизоляционных материалов
Разд. 2
Таблица 2.4. Влажностные параметры полимеров
Материал	П. с	К. м2/с	а, сг/мь
Политрифтор--хлорэтилеи	1,5-10—16	6-ю-13	2,5-10—4
Политетрафторэтилен	3,8-10—16	3,8-10—12	1-Ю-4
Прлиэтилеи-терефталат	2,8-10—14	7-10—12	4-10-3
Полщзинилхло-	2,8-10—18	2,8-10-и	1-Ю-8
рид Полиметилметакрилат	8-10-18	8-10-1°	1-Ю-8
Триацетат целлюлозы ' 	2,2-10-1®	1,6-10-»	1,4-10—3
Коэффициент диффузии К материала — отнощенйе-величии П и а-.
К=УЦа.	(2.105)
Единица СИ для К — м2/с.
В табл. 2.4 приведена сводка ориентировочных значений П, К и а для некоторых органических полимеров.
Из уравнений, аналогичных уравнению (2.101), определяется также водопроницаемость (для просачивания сквозь материал жидкой воды), воздухопроницаемость в т. д.
Способность твердого тела смачиваться водой (или другой жидкостью) характеризуется краевым углом смачивания р капли жидкости, нанесенной на поверхность тела (рис. 2.47). Чем меньше р, тем сильнее выражена смачиваемость материала; для смачиваемых поверхностей р<90°- (рис. 2.47, а), для несма-чиваемых р>90° (рис: 2.47,б).
• Для уменьшения гигроскопичности и вла-гопроницаемости пористых электроизоляционных материалов широко применяется их пропитка и покрытие соответствующими малогигроскопичными и маловлагопроницаемыми электроизоляционными материалами (лаками, компаундами и т. п.); с той же целью изделия из фарфора-и-некоторых других керамических электроизоляционных материалов покрывают глазурями (см. разд. 23).
Вязкость. Важным показателем качества жидких, а также аморфных вязких материалов' (смолы, компаунды, стекла при температуре, приближающейся к температуре плавления или размягчения) является вязкость. Вязкость имеет большое значение в технологии
РиС. 2.47. Краевые углы смачивания поверхности твердых тел водой (схематически): а — смачиваемая поверхность: б — несмачиваемая поверхность
электрической изоляции (процессы пропитки, опрессовки и т.п.); вязкость также непосредственно связана с электрическими свойствами электроизоляционных материалов.
Различают два основных вида вязкости— динамическую (иначе, абсолютную, или коэффициент внутреннего трения), и кинематическую. Кроме того, в электроизоляционной технике часто приходится иметь дело с условной вязкостью. Условная вязкость масел, лаков и т. п. связывается с имеющими более строгий физический смысл динамической вязкостью и кинематической вязкостью эмпирическими формулами.
Динамическая вязкость T) — сила сопротивления двух слоев жидкости площадью, рав-. ной единице, находящихся на расстоянии друг от друга, равном единице, и Перемещающихся друг от друга со скоростью, равной единице. Кинематическая вязкость v— отношение динамической вязкости г] к плотности D вещества (при той же температуре):
y = f[!D.	. (2.106)
Единица СИ динамической вязкости — паскаль-секунда (Па-с), а кинематической вязкости — метр в квадрате иа секунду (м2/с). Более подробно о единицах вязкости — см. с. 10.
Отметим, как одно из наглядных определений ' динамической вязкости закон Стокса, согласно которому скорость о движения шара радиусом г в вязкой среде под действием постоянной силы F равна
o=F/6nH),	(2.107)
где 7) — динамическая вязкрсть среды. Закон Стокса действителен для малой скорости о движения шара в неограниченном объеме жидкости.
Как правило (если только при нагреве не имеют место полимеризация или другие подобные процессы), вязкость при повышении температуры сильно уменьшается. Так, для иа-триево-силикатного стекла ц при 500 °C равна примерно 1012, а при 1200°С — всего 102 Па-с. Значение т| воды при 0°С около 0,0018, а при 2С°С — 0,0010 Па-с (следовательно, v воды при этих температурах близка соответственно к 1,8-Ю-® и 1,0-10”® м2/с, так как плотность D воды около 103 кг/м3). .
Общее название приборов для измерения вязкости — вискозиметры (см. разд. 29). В разд. 29 даны также определения и описаны способы измерения различных механических свойств твердых электроизоляционных материалов (прочность при растяжении н сжатии;, относительное удлинение при разрыве; ударная вязкость; твердость).
Список литературы
Авакян Ю. В., Казаичяи Г. П. Светостойкость электроизоляционных материалов. М.: Энергия, 1978. 113 с.
Бернштейн Л. М. Изоляция электрических машин общего назначения. М.: Энергоиздат, 1981. 376 с.
Бернштейн Л. М. Изоляция электрических машин. М.: ВИНИТИ. 1983. 108 с.
Борисова М. Э., Койкой С. И. Физика диэлектриков. Л.: ЛГУ, 1979. 240 с.
Варденбург А. К., Пилипосян П. М. Электрическая напыленная изоляция. М.: Энергоатомиздат, 1984. 136 с.
§ 3.2
Диэлектрическая проницаемость
43
.Гроднев И. И., Ларин Ю. Т., Теумнн И» И. Оптические кабели. Конструкции, характеристики, производство и применение. М..; Энергоатомиздат, 1985. 176 с.
Варшавский Д. С. Силовые конденсаторы/Под ред. Б. М. Тареева. М.: ВИНИТИ, 1980. 128 с.
Воробьёв Г. А. Физика диэлектриков (область сильных полей). Томск: ТГУ, 1971. 200 с.
. Герметизация полимерными материалами в ра-диоэлектронике/Б. М. Тареев, Л. В. Яманова, В. А. Волков; Н. Н. Ивлиев. М.: Энергия, 1974. 304 с.
Губкин А. Н. Физика диэлектриков. Т. 1. М.: Высшая школа, 1981. 272 с.
Дмитревский В. С. Конструирование и расчет электрической изоляции. М.: Энергоатомиздат, 1981. 392 с.
Иоссель Ю. Я-» Кочанов Э. С., Струнскнй М. Г., Расчет электрической емкости. Л/. Энергонздат, 1981. 288 с.
Казарновский Д. М., Тареев Б. М. Испытание электроизоляционных материалов и изделий. Изд. 3-е. Л.: Энергоиздат, 1980. 214 с.
Кан М. М., Николаевич А. Ф., Славянннова Е. Л. Проектирование и технология герметизирующей изоляции элементов электротехнической и электронной аппаратуры. Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд.» 1983. 128 с.
Корицкий Ю. В. Основы физики диэлектриков. М.: Энергия, 1979. 248 с.
Ларина Э. Т. Силовые кабели и высоковольтные кабельные линии. М.: Энергоатомиздат, 1984. 368 с.
Маслов В. В. Влагостойкость электрической изо-
ляции. М,: Энергия, 1973. 208 с.	;
ГОСТ 2155-76 (переиздание с изменением 1980 г.). Материалы диэлектрические. Термины и определения.
ГОСТ 4.73-81. Материалы электроизоляционные. Номенклатура показателей.
Паркшеян X. р„ Хайкин А. М. Экономика применения полимерных материалов в электротехнике. М.: Энергия, 1972. 136 с.
Пешков И. Б. Эмалированные провода/Под ред.-Б. М. Тареева. М.: ВИНИТИ, 1981. 112 с.
Пешков И. Б. Обмоточные провода. М.: Энергоатомиздат, 1983. 351 с.
Поплавко Ю. М. Физика диэлектриков. Киев;.-Вища школа, 1980. 398 с.
Производство кабелей и проводов/Под ред. Н. И. Белоруссова и И. Б. Пешкова. М.: Энергоиз-дат, 1981. 632 с.
Справочник по электрическим коденсаторам/ Под ред. В. В. Ермуратского. Кишинев: Штиинца, 1982 . 311 с.
Тареев Б. М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982, 320 с.
Электрические изоляторы/Н. С. Костюков, Н. В. Минаков, В. А. Князев н др. М.: Энергоатомиздат, 1985. 296 с.
Электрические свойства полимеров/Б. И. Сажин, А. М. Лобанов, О. С. Романовская, М. П. $й де льна нт, С. Н. Койков; Под ред. Б. И. Сажнна. Л.: Химия, Ле'нингр. отд., 1977. 192 с.
Электроизоляционные материалы высокой натре--востойкостн/Э. 3. Аснович, К. И. Забырина, В. А. Колганова, Б. М. Тареев. М.: Энергия, 1979. 240 с.
РАЗДЕЛ 3
ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
М. И. Сысоев
3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Газообразные диэлектрики при атмосферном давлении обладают небольшой электрической прочностью по сравнению с жидкими и твердыми диэлектриками. Например, электрическая прочность воздуха и азота при расстоянии между электродами 1 см и более примерно 3 МВ/м, элегаза (SFe) —7,5 МВ/м, т. е. на порядок меньше, чем у твердых диэлектриков. Тем не менее газообразные диэлектрики широко применяются в электротехнике благодаря другим своим ценным свойствам, а также в силу того, что в ряде случаев их присутствие неизбежно. Например, воздух окружает большинство .электротехнических установок, а в линиях электропередачи высокого напряжения является основной изолирующей средой.
В тех случаих, когда высокая электрическая прочность является одним из определяющих критериев для выбора диэлектрика, оиа может быть достигнута применением сжатого газа, например воздуха при давлении 2—3 МПа или высокопрочного газа SF6 при давлении 0,4 МПа.
Наиболее ценным свойством газов, широко используемым при изготовлении высоковольтных аппаратов, является их способность восстанавливать электрическую прочность после разряда, в том числе при определенных условиях после дугового разряда. Это свойство наряду с другими используется для изготовления' ' воздушных, и элегазовых выключателей, разрядников и ряда других аппаратов.
Другими характерными свойствами газов являются: малая плотность, низкое • Значение диэлектрической проницаемости, высокое зна чение удельного сопротивления, очень малый угол диэлектрических потерь, отсутствие старения, т. е. ухудшения свойств с течением времени.
Из очень большого количества газов, которые разработаны или существуют в природе, только небольшое количество нашло применение в электротехнике. Это связано с тем, что при применении к ним предъявляются следующие требования, ограничивающие их выбор: химическая инертность по отношению к твердым и жидким материалам, нетоксичность как самого газа в исходном состоянии, так и продуктов его разложения прн электрическом разряде, низкая температура сжижеиня, позволяющая использовать их при повышенных давлениях, невысокая " стоимость, негорючесть. В табл. 3.1 приведены наиболее важные свойства некоторых газов,
3.2. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Под действием внешнего электрического поля происходят упругие деформации электронных оболочек атомов газа и смещение их относительно своих ядер. В случае ионного строения молекул газа происходит .также смещение ноиов относительно друг друга,. В результате возникают так называемые электрон-
44
Газообразные диалектрики
Разд. 3
Таблица 3.1. Основные свойства газов
Газ	Химический состав	Плотность при 0 °c и 0,1 МПа, кг/м3	Коэффициент теплопроводности, Вт/(м,°С)	Молекулярная масса	Температура плавления, °C	Температура кипения, °C	Отношение электрической прочности к прочности азота	Удельная теплоемкость, кДж/(кг-°С)	Воспламеняемость
Воздух Водород Азот Гексафторид серы (элегаз) Дихлордифтор-метан (хладон-12) Перфторпропаи Октафторциклобутан Хлорпентафторэтан Дихлортетрафтор-этан Гексафторэтан Тётрафторметаи Гелий Метан	см. с. 16 н2 n2 SFe CCI2F2 CgFg C4F8 C2P1F5 C^bl2F4 C2F6 cf4 ci4f24 He CH4	1,2929 0,08988 1,2506 6,700 6,33* 9,62* 8,37* 7,83* 9,01* 7,62* 27,85* 0,1785 0,7168	0,0257 0,175 0,0269 0,0146 0,1423 0,0325	28,952 2,0156 28,016 146,06 120,93 188,02 200,04 154,48 170,94 138,02 88,01 624 4,0026 16,04	—213,0 —259,14 —209,86 —158 —160 —41,4 —106 —94 —100,6 —184 — 172,3	—194,0 —252,8 —195,8 —63,8 —29,79 —36,7 —5,85 —38,7 —3,77 —78,2 —127,96 —268,78 — 161,33	0,94 0,51 1 2,9 2,46 2,2 2,6 2,54 2,8 2,02 1,06 9,4 0,24	1,01 14,5 1,06 0,652 5,27 2,22	Нет Есть Нет » » » » » » » » » Есть
* Плотность насыщенных паров при температуре кипения.
пая и ионная поляризации. Кроме того, если газ состоит из полярных молекул, наблюдается дипольная поляризация. Степень поляризуемости атомов и молекул газа находит отражение в значении диэлектрической проницаемости газа.
Относительная диэлектрическая проницаемость газов е,- вычисляется по формуле
п /	Ц2
8г — 1 4"	(«э +
е0 \	oki
(3.1)
где и— число молекул в 1 м3 газа; е0=8,85Х ХЮ12 Ф/м— электрическая постоянная; а8 — электронная поляризуемость молекулы, Ф-м2;
дипольной молеку-
р — электрический момент
лы, Кл-м; k — постоянная Больцмана, Дж/К; Т — термодинамическая температура, К- В связи с малой плотностью газообразных диэлектриков по сравнению с плотностью жидких и твердых диэлектриков их диэлектрическая проницаемость значительно меньше проницаемости последних и близка к 1.
Большинство газообразных диэлектриков, применяемых в электротехнике, неполярно, и их е, может быть определена по формуле
er = 1 4------,
е0
где обозначения те же, что и в (3.1).
(3.2)
Таблица 3.2. Относительная диэлектрическая проницаемость газов при 20°С и 101 325 Па (760 мм рт. ст.)
Газ	Химический состав	Радиус молекулы, 10—10 м	ег при НИЗКИХ частотах	ег при длине волны 30 мм	Показатель преломления света п	пг	Полярность газа
Гелий	Не	1,12	1,000072				1,00035	1,000070	Неполярный
Водород	н2	1,35	1,00027	1,00036	1,00014	1,00028	»
Кислород	о2	1,82	1,00055	1,00053	1,00027	1,00054	»
Аргон	Аг	1,83	1,00056	—	1,00028	1,00055	»
Азот	n2	1,91	1,00058	1,00059	1,00030	1,00060	»
Углекислый газ	со2	2,30	1,00096	1,00099	1,00050	1,00100	»
Метан	сн4	~.	1,00095	—	1,00044	1,00088	
Аммиак	NH3	—	1,0066	—-	1,000375	1,00075	Полярный
Элегаз	SF6	3,07	1,00191	—	1,000783	1,00157	Неполярный
Воздух		—	1,00059	1,00058	—	—	»
Хладон-12	CC12F2	—	1,0016*	—	—	—	»
Тетрафторметаи	cf4	—	1,0006**	—		—	
Октафторциклобутаи	c4f8	—.	1,0034*		—	—	
* При 0 °C.
•• При 24,6 °C и 0,05 МПа.
§ 3..3.
Электропроводность и диэлектрические потери
45
Таблица 3.3. Относительная диэлектрическая проницаемость газов при различных давлениях
Газ	0,1 МПа	2 МПа	4 МПа	10 МПа
Воздух	1,00058	1,0108	1,0218	1,0549
Азот	1,00058	1,0109	.—.	1,055
Углекислый газ	1,00098	1,020	1,050	—
Элегаз	1,0021	1,0622	—	—
Из (3.2) следует, что изменение ег при изменении температуры Т и давления р для неполярных газов связано с изменением числа молекул или атомов газа в единице объема и, следовательно, может быть определено с помощью основного газового закона
n=plkT.	(3.3)
Относительная диэлектрическая проницаемость неполярных газов очень близка к квадрату показателя преломления света и увеличивается с увеличением радиуса молекулы (табл. 3.2),
В связи с тем, что ъг водяных паров имеет высокое значение, в, газов с примесыо водяных паров может заметно отличаться от ег при отсутствии последних. Определение в, воздуха при различной его влажности может быть выполнено по формуле
«г=1 + -у[28 +
ФРн р
/ 135
\ т
— 0,0039
(3.4)
где р—давление воздуха, Па; рн — упругость насыщенных водяных паров при данной температуре, Па, определяемая по формуле
3816,44
lgPH-23,19-—-46jg ;	(3.5)
<p — относительная влажность воздуха, %; Т— термодинамическая температура, К. .
В Табл. 3.3 приведены в качестве иллюстрации значения относительной диэлектрической проницаемости воздуха, углекислого газа и азота при 20 °C н различных давлениях.
\
3;3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ
И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ
Под воздействием ультрафиолетовых и космических лучей, радиоактивного излучения Земли и ряда других внешних факторов происходит ионизация нейтральных молекул газа с образованием электронов, положительных и отрицательных ионов. Газ приобретает хотя и очень малую, но определенную электрическую проводимость. Когда электрическое поле значительно, возникает ударная ионизация электронами, приобретающими под действием поля кинетическую энергию, достаточную для ионизации нейтральной молекулы при их соударении. Одновременно с ионизацией газа проис
ходит и рекомбинация положительных и отрицательных ионов с образованием нейтральных молекул.
В случае образования электропроводности под действием внешних факторов при малой напряженности электрического поля плотность тока очень мала и баланс процессов образования ионов и их рекомбинации сохраняется при прохождении тока. При этом плотность тока, созданная движением положительных и отрицательных ионов, будет равна
J = (qn+k+ -\-qn— k~)Е = уЕ = yC/h, (3.6) где п+ и п~ — соответственно концентрации положительных и отрицательных ионов; q—заряд иона; А+ и k~ — подвижности положительных и отрицательных ионов; у — удельная проводимость; h — расстояние между электродами; U — напряжение иа промежутке.
Таким образом, в рассматриваемом режиме соблюдается закон Ома. В вольт-амперной характеристике этот участок отображается ее линейной частью ОА на рис. 3.1. При дальнейшем росте напряжения упомянутый баланс процессов образования ионов и их рекомбинации нарушается за счет уноса ионов током. Ток начинает расти медленнее, чем напряжение, и вольт-амперная характеристика начинает загибаться (участок АВ на рис. 3.1). Процесс обеднения концентрации ионов продолжается с ростом напряжения и при определенном его значении наступает насыщение тока, что соответствует горизонтальной части ВС кривой на рис. 3.1. Все ионы, создаваемые под воздействием внешних ионизаторов, уносятся к электродам, и плотность тока определяется числом ионов, создаваемых за секунду, и зарядом иона:
J = Nqh,	(3.7)
где N — числа положительных и отрицательных ионов, создаваемых в секунду в единице объема; q—заряд иона; h — длина промежутка между электродами.
При оценке значений тока насыщения в наиболее распространенном газовом диэлектрике— воздухе следует иметь в виду, что N в зависимости от условий и времени может широко меняться: от 10е до 10® м~3-с-1, то же самое относится и к значению п, которое может меняться от 109 до 1010 м~3. Подвижность положительных ионов равна 1,3-10-4 и отрицательных 1,8-10~4	м/(с-В). Подставляя
средине значения п и N в (3.6) и (3.7), получаем, что удельная проводимость равна 2,4Х ХЮ-13 См/м, а плотность тока насыщениядля промежутка 1 см равна 10-и А/м3.
При дальнейшем увеличении напряжения плотность тока начинает вновь возрастать.
Рис. 3.1. Вольт-амперная характеристика газового промежутка
46
Газообразные диэлектрики
Разд. 3
Этот рост ускоряется f увеличением напряжения (участок СЕ иа кривой рис. 3.1), возникает ударная ионизация в объеме газа, о которой говорилось ранее. При этом проводимость газа резко возрастает. Отметим, что в сжатых газах плотность предпробивных токов может, достигать 10~7 А/м2- и более за счет ударной-.ионизации в газе вблизи микронеоднородностей иа поверхности электродов. Однако- удельная проводимость будет того же порядка, что и в открытом воздухе, т. е. 10”13'См/м.
Диэлектрические потери в газах прн напряженности воля ниже-значения, соответствующего появлению ударной ионизации, во всех случаях практически определяются только йх Электрической проводимостью, так как ориентация дипольных молекул, если таковые имеются, не сопровождается сколько-нибудь заметными потерями энергии вследствие малой вязкости .газов. Так как газы отличаются ничтожной проводимостью, то и угол диэлектрических потерь будет очень мал. Принимая приведенное выше значение удельной проводимости газа 10-13 См/м, ег—1 и частоту f— s=50 Гц, получаем по формуле (2.75)
tg-й
1,8-1010
Sr fp
1,8-101®- ю-is
1-50
= 3,6-10—5.
С диэлектрическими потерями в газах приходится' считаться в линиях электропередачи высокого напряжения, где вследствие ударной ионизации вблизи проводов возникает ток короны. Потери энергии, связанные с прохождением этого тока между проводами и землей, могут иметь значение, соизмеримое с потерями в активных сопротивлениях проводов при прохождении рабочего тока.
3.4.	РАЗВИТИЕ РАЗРЯДОВ В ГАЗАХ
В процессе • ударной ионизации, инициируемой: внешними начальными электронами, возникшие электроны участвуют в дальнейшем процессе такой ионизации, создавая еще новые электроны. Образуется электронная лавина, -плотность зарядов в которой быстро растет и достигает своего максимума в головке лавины у анода.
С- увеличением напряжения несамостоятельный разряд, которому на кривой рис,- 3.1 соответствует участок вольт-амперной характеристики до точки Е, переходит в самостоятельный, при котором разряд может существовать и при отсутствии внешних ионизаторов. Увеличение концентрации ионов и электронов происходит при этом за счет новых элементарных процессов, связанных с самим разрядом: электронные лавины создают электроны благодаря ударам положительных ионов о катод в одних видах разряда и фотоионизации иа катоде или в газе — в других.
В зависимости от давления газа, сопротивления внешней цепи, степени неоднородности электрического поля и ряда других факторов возможны различные формы разряда.
При низких давлениях и большом сопротивлении внешней цепи возникает тлеющий
разряд, характеризующийся чередованием светящихся и темных участков разрядного промежутка, малой плотностью тока и большим катодным падением потенциала.
При давлениях газа, близких к атмосферному, сравнительно большом расстоянии, но маломощном источнике тока возникает искровой разряд.- Прн этом виде разряда вблизи анода в головку лавины, в которой после ухода на анод электронов создается положительный избыточный заряд, вливаются дочерние лавины, создаваемые фотоэлектронами, образованными фотоионизацией в объеме газа. Создается разрядный канал в виде плазмы с избыточным положительным зарядом в его головке. Этот канал продвигается в направлении катода благодаря вливанию все новых и новых дочерних лавин в головку канала. Этот процесс иосит название образования стримера. Когда стример замыкает весь промежуток, происходит образование главного канала искры. По внешнему виду искровой разряд характеризуется узким ярко светящимся зигзагообразным каналом.
Когда один нз электродов или оба имеют радиус кривизны, малый по сравнению с расстоянием между ними, а давление газа примерно атмосферное, может возникать корон-, ный разряд со светящейся областью вблизи электрода с малым радиусом кривизны. При больших напряжениях, иногда весьма значительных, возникает искровой разряд, который называют также полным разрядом, просто разрядом или пробоем. При достаточной мощности источника тока искровой разряд может перейти в дуговой.
При приложении к газовому промежутку импульсного напряжения его пробивное значение зависит от длительности приложения этого напряжения (рис. 3.2). Эту зависимость
Рис. 3.2. Вольт-секундные характеристики газовых промежутков:
1__однородное поле; 2 — сильнонеодноролное поле
Рис. 3.3. Составляющие предразрядиого времени
§ 3.5
Электрическая прочность газовых промежутков
47
называют вольт-секундной характеристикой промежутка. Предзарядное время tp, т. е. время,. протекшее от момента появления напряжения до момента разряда (пробоя), состоит из трех составляющих (рнс. 3.3): 1) времени tB достижения напряжения значения Пи, равного напряжению самостоятельного разряда при' его длительном воздействии; 2) времени it. появления эффективного начального электрона, т.е. электрона, способного привести к разряду; 3) времени формирования разряда /ф. Обе последние составляющие времени подвержены статистическому разбросу. Среднее время тем меньше, чем выше приложенное напряжение.
По международным нормам и ГОСТ 1516.2-76 регламентируются две основные формы испытательных импульсов: 1) грозовой импульс с длительностью фронта 1,2 и длительностью импульса 50 мкс; 2) коммутационный импульс с временем подъема импульса 250 и длительностью импульса 2500 мкс. Грозовой импульс условно обозначается символом 1,2/50, а коммутационный — 250/2500.
Отношение значения пробивного напряжения при импульсном напряжении к пробивному напряжению при напряжении 50 Гц называется коэффициентом импульса. Для промежутков с однородным и слабонеоднородным полями предразрядиое время очень мало, а коэффициент импульса для стандартных импульсов равен единице (см. рис. 3.2). Для промежутков с сильнонеоднородным полем коэффициент импульса зависит от полярности импульса, степени неоднородности, длины промежутка и для грозового импульса может существенно превышать единицу. О коэффициенте импульса в случае сжатых газов — см. § '3.7.
Предразрядиое время даже для длинных газовых промежутков с сильно неоднородным полем составляет несколько десятков микросекунд, т.е. очень мало по сравнению с длительностью полупериода напряжения 50 Гц, поэтому пробой при этом напряжении происходит на амплитуде напряжения. Все приведенные в этом разделе численные значения пробивных напряжений и напряженностей даны в амплитудных значениях.
3.5.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ГАЗОВЫХ ПРОМЕЖУТКОВ.
ЗАКОН ПОДОБИЯ РАЗРЯДОВ
Электрическая прочность газа зависит от его природы, строения его молекулы. Эта зависимость сложная. При прочих равных условиях прочность тем выше, чем больше потенциал иоиизапии. В табл. 3.4 приведены значения потенциалов ионизации различных газов. Скорость и соответственно энергия электронов, приобретаемые ими при движении в элек-
Рис. 3.4. Зависимость пробивных напряжений различных газов от произведения давления на расстояние между плоскопараллельными элек-.тродами
трическом поле, определяются в основном характером столкновений электронов с молекулами данного газа. Если электроны в газе при своих столкновениях с молекулами' или атомами испытывают относительно большое число неупругих столкновений, что характерно для сложных молекул газа, то для достижения ими энергии, необходимой для ионизации, требуется большая напряженность электрического поля и прочность такого газа будет выше. Поэтому часто газу с малым ионизационным потенциалом соответствует большая электрическая прочность и наоборот. Так, одноатомные благородные газы Ne, Не; в которых указанные потери малы, хотя и обладают высоким ионизационным потенциалом, но имеют низкую Электрическую прочность.
При неизменной температуре пробивное напряжение газа в однородном поле является функцией произведения давления- р на расстояние между электродами h (закон Пашена)
Unv = f(ph).	(3.8)
Установленный экспериментально закон Пашена затем был обобщен и для -неоднородных Полей и получил название закона подобия разрядов, который формулируется следующим образом: при неизменной температуре пробивное напряжение (/Пр является функцией произведения давления газа р на один из геометрических размеров промежутка (например, радиус внутреннего цилиндра г коаксиальных цилиндров) и отношений к этому размеру всех остальных определяющих геометрических размеров (например, радиуса наружного цилиндра R)
U^ = f(pr, R/r).	(3.8')
В однородном поле кривые зависимости •пробивного напряжения от произведения дав-
Таблица 3.4. Потенциалы ионизации газов
Газ	Н,	N,	о,	а,	со, .	н2о	Хе	Кг	Аг	Ne	Не
Потенциал ионизации, В	15,4	15,6	12,1	11,5	13,8	12,6	12,1	14	15,8	21,6	24,6
48
Газообразные диэлектрики
Разд, 3
Таблица 3,5. Минимальные пробивные напряжения для азота и водорода
Газ	Катод	D ft. Па - cm	"hp- b
n2	Pt	100	275
N,	Na	80	200
Н,	Pt	166	295
Н2	Na	133	175
Ионизационные процессы при коронном разряде имеют место только в зоне повышенной напряженности поля. При дальнейшем повышении напряжения коронный разряд при повышенных давлениях обычно переходит в стримерную, а в длинных промежутках лидерную стадии разряда, которые и завершают процесс прохождения разрядным каналом всего промежутка между электродами. Определение пробивного напряжения, которое может быть существенно больше напряжения появления коронного разряда, в этих случаях выполняется
Таблица 3.6. Значения постоянных коэффициентов в формуле (3.6)
Постоянные коэффициенты	Воздух	О2	n2	нг	Аг	Не	Ne	SF6
Йо, МВ/м	2,45	2,60	2,35	1,26	0,57	0,57	0,201	8,93
b0, МВ/м1/2	0,064	0,0635	0,0955	0,0437	0,226	0,0153	0,0157	0
леиия на расстояние между электродами (кривые Пашена) имеют U-образную форму (рис. 3.4). Минимальные значения пробивного напряжения зависят от материала катода. Численные значения этих напряжений и соответствующих им произведений ph для азота и водорода даны в табл. 3.5. Наиболее низкие значения минимальных пробивных напряжений наблюдаются в случае инертных газов и особенно их смеси с аргоном или парами ртути.
Газы применяются в качестве изолирующих сред при значениях ph, которые намного больше значений, соответствующих минимуму в кривых Пашена, т. е. обычно расчеты ведутся при использовании правой ветви этих кривых, При ph около 1000 Па-см и более в определенных пределах по давлению, различному для различных газов (см. § 3.7), можно пользоваться расчетной формулой
б/пр = йо V h-$- Ьо 1/	,	(3.9)
Ро	г Ро
где Ро — давление при нормальных атмосферных условиях (р0= 101,3 кПа, температура 70—293 К). Значения постоянных а0 и Ьо для различных газов приведены в табл. 3.6.
При отклонении температуры от нормальной Го=293 К пробивное напряжение можно определить по формуле
t/np = a<fih + *о	(3.10)
где
б=(р/Ро)(7'о/7).	(3.11)
Из (3.9) следует, что электрическая прочность газа ЕПр определяется выражением
Е_______УеЕ _ „ _Р_ । ь \ Г________Р_
Епр_ h — а0	|/	.
(3.12)
Следовательно, электрическая прочность газа при неизменном давлении увеличивается с уменьшением расстояния между электродами.
по имеющимся многочисленным экспериментальным кривым (см. § 3.11). Однако напряжение появления коронного разряда, которое обычно называется начальным, может быть рассчитано по полуэмлирической формуле
а0<5/г
Us~ k
с
(6^8
(3.13)
где h — расстояние между электродами; г— радиус кривизны электрода с большей кривизной; ks — коэффициент неоднородности поля (отношение максимальной напряженности к средней):
для коаксиальных цилиндров
, (^)"1 н In R/r
(3-14)
для концентрических сфер
feH = R/r;	(3.15
с — коэффициент, зависящий от рода газа и геометрии электродов; для воздуха в случае коаксиальных цилиндров с=0,113 м0’38, для концентрических сфер с=0,155 м0’38; а0 берется из табл. 3.6.
Формула (3.13) в общем случае справедлива для отрицательной полярности напряжения. В сильнонеоднородных полях при положительной полярности наблюдаются несколько большие значения.
Характер изменения зависимости разрядного напряжения от степени неоднородности поля хорошо иллюстрируется кривыми рис. 3.5, где представлены зависимости начального и пробивного напряжения от расстояния между электродами для системы шар — плоскость. Из рисунка видно, что с ростом степени неоднородности поля, которая возникает благодаря увеличению расстояния между электродами при неизменном диаметре шара, повышение разрядного напряжения замедляется. При некотором отношении диаметра шара к расстоянию между ним и плоскостью пробою предшествует коронный разряд, а пробивное напряжение становится примерно равным соответству-
§ 3.6
Газы с высокой электрической прочностью
49
Рис. 3.5. Зависимость начального и пробивного напряжений (50 Гц) воздушного промежутка от расстояния между электродами шар--плоскость:
------ — пробивные напряжения; -напряжения по-
явления короны; 1, 2, 3 и 4 — соответственнЬ диаметры шаров 75; 50;. 25 и 12,5 см; 5 — острие—плоскость
ющемй напряжению для системы электродов стержень — плоскость и практически не зависит от диаметра шара.
3.6.	ГАЗЫ С ВЫСОКОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ /	ПРОЧНОСТЬЮ
Сравнительно высокой электрической прочностью обладают электроотрицательные газы. Обычно их электрическая прочность тем выше, чем выше их молекулярная масса. Однако с увеличением молекулярной массы в большинстве случаев повышается также температура кипения, что ведет к тому, что. эти газы переходят в жидкость даже при комнатной температуре. Следует также отметить недостаточную химическую стойкость высокомолекулярных газов, а также токсичность их продук-
Таблица 3.7. Электрическая прочность и температура кипения высокомолекулярных электроотрицательных газов
Газ	Химический состав.	Молекулярная масса	Температура кипения, °C	Отношение электрической прочности газа к прочности воздуха
Гексафторид	SF6 ”	146	—63,8	2,9
серы (элегаз) Дифтордихлор-	CF2C12	129	—30	2,4
метан (хладон-12) Гексафторцик-	c4f6	162	—5	3,9
лобутан Гексафторбу-	C3F,CN	195	1	5,8
тиронитрнл Декаф торци-	C5F10	250	22	4,3
клопентан Октафторцик-	c6F8	212	. 25	5,5
лопентан Перфтор бутил-		416	101	6,3
тетрагид рофу-ран	cuF24 .	624	—	10,0
тов разложения, например хлора, если последний имеется в соединении. В табл. 3.7 приведены температуры кипения некоторых газов и электрические прочности по отношению к прочности воздуха. Обращает на себя внимание очень высокая электрическая прочность высокомолекулярного соединения CuFa,, которая достигает десятикратного значения по отношению к прочности воздуха.
На рис. 3.6 представлена зависимость электрической прочности, деленной на давление, от произведения давления на междуэлект-родное расстояние в однородном поле для элегаза и хладона. Здесь же для сравнения дана аналогичная зависимость для воздуха. Как видим, электрическая прочность элегаза н хладона по отношению к воздуху хотя и снижается с уменьшением ph, но все же остается достаточно высокой.
Высокая электрическая прочность электроотрицательных высокомолекулярных газов связана, с одной стороны, с тем, что усложнение структуры молекулы приводит к появлению
Рис. 3.6. Зависимость Enf/p от произведения ph в однородном поле:
/ — CFsCh:. 2 — SF,; 3 — воздух
50
Газообразные диэлектрики
Разд. 3
большего числа степеней свободы, а с другой стороны, с тем, что эти газы способны к образованию отрицательных ионов за счет прилипания электронов к нейтральным молекулам, что снижает интенсивность ударной ионизации. Электроны при своем столкновении со сложной молекулой тратят большую долю своей энергии на возбуждение колебательных или вращательных уровней. Если при упругих столкновениях электрон теряет около 10~4 своей энергии, то при неупругих ударах даже с простыми по структуре молекулами 0,1—0,4 своей энергии.
Образование отрицательных ионов происходит в результате протекания следующих реакций:
1) радиационный захват
Ал Вт е~ “*Ап Вт hv' т. е. для элегаза SF6 + ё~ -* SF^* far, 2) диссоциативный захват
А В Н-е~->А В“ ь + йВ, пт1	п т—к
где k — 1, 2, 3....m — 1,
т. е. для элегаза SF6 е~ -»- SF^ Ц- F или
SF6 4-е ,-»- SF4 + 2F; или
Ап Вт + е— Ап Вт—ft—i + (k — 1) В -J- В—,
т. ё. для элегаза SFe -J- е— -»• SF4 F	F—;
3) захват со стабилизацией в соударении с третьим телом
А в +е~->(А В~Г-}-А В -» п m '	\ п ' п m
-*АпВ- + (АпВго)*,
т. е. для элегаза SFe -|- е -> (SFG )* +
+ SF6->SFT+ (SFe)\
где молекулы, отмеченные звездочкой, находятся в возбужденном состоянии.
Для развития разряда в газе основное значение имеет ионизация молекул. В молекулярных тяжелых газах, в частности в элегазе, возможны разные процессы ионизации. Наибольшее значение имеют следующие реакции:
.1) ионизация электронным ударом
An Вт + е~ -* \ В- + е~ + е~
или AnBm+e-”AnBm-l +В + е :
2) диссоциативная ионизация
AnBm + e “*	Вт—ft + АВ + е -|-е—,
где А=1, 2, 3,...,/п—1.
Из высокопрочных газов наиболее широкое распространение к настоящему времени иашел газ SFe (элегаз), основные свойства которого будут приведены ниже. Из других высокопрочных газов следует отметить перфторированные углеводороды, т. е. углеводороды, в которых все атомы водорода заменены атома
ми фтора. Эти газы отличаются повышенной нагревостойкостью, негорючи, малотоксичны, химически стойки, слабо взаимодействуют с твердыми материалами. Однако, как отмечалось в начале этого параграфа, их температура кипения достаточна высока, что препятствует их использованию в сжатом состоянии даже при умеренных температурах, не говоря уже об отрицательных, которые всегда имеют место для открытых установок. В то же время именно применение газов под давлением позволяет им как электроизоляционным средам конкурировать с традиционными жидкими и твердыми диэлектриками. Об электрической прочности сжатых газов—см. § 3.7. Кроме того, содержащийся в этих соединениях углерод при разложении газа в условиях электрического разряда может выпасть в виде свободного углерода, оседая на поверхности твердых электроизоляционных элементов конструкции, что делает их проводящими.
Как уже отмечалось выше, по комплексу свойств, необходимому для применения газа в сильноточной электротехнике, наиболее ценным является элегаз. Молекула элегаза содержит шесть атомов фтора, расположенных в вершинах правильного октаэдра, и атом серы, находящийся в центре молекулы. Симметричное строение молекулы, ковалентная связь между атомами, оптимальное соотношение между радиусами фтора и серы обеспечивают высокую стабильность и химическую инертность этого соединения, исключают гидролиз элегаза водой или щелочными растворами.
Элегаз получается в результате прямой реакции.между расплавленной серой.и газообразным фтором, который образуется при электролизе раствора фтористого калия во фтористоводородной кислоте. При образовании элегаза наряду с ним образуется достаточно большое количество низших фторидов, поэтому требуется специальная очистка, в процессе которой происходит также очистка от других примесей; влаги, воздуха, азота, кислорода. В чистом техническом SF6 содержится до 0,3 % указанных примесей.
Чистый элегаз является химически и физиологически инертным. В сосудах из кварца он не разлагается до 500 °C, однако реагирует с щелочными металлами при температурах выше 150 °C. Он не горит, не имеет ни запаха, ни цвета. Под действием искрового и коронного электрического разряда элегаз разлагается на низшие легко гидролизующие фториды серы SFa, SF4. При той высокой температуре, которая возникает в процессе горения дуги, в результате разложения газа образуются атомы фтора и серы. Но при снижении температуры дуги в процессе ее охлаждения атомы серы и фтора воссоединяются, образуя исходный продукт — элегаз. Однако восстановительные реакции идут в полной мере только в чистом элегазе. Наличие примесей, особенно водяных паров, приводит к образованию таких высококоррозионных продуктов, как HF, а также SOF2, SOZ и ряда других соединений. Поэтому в тех аппаратах, в которых в процессе работы возникает дуга, применяют поглотители, например активированный глинозем и цеолиты. Стойкость конструктивных материалов к продуктам разложения элегаза возрастает в следующем порядке: пластики, обладающие боль-
§ .’.7
Электрическая прочность сжатых газов
51
Рис. 3.7. Зависимость давления насыщенных паров элегаза от температуры
шой абсорбцией галоидов, сера и серосодержащие соединения, селен, кремнистая сталь, сталь, латунь, медь, нержавеющая сталь, алюминий, серебро, платина, никель.
В табл. 3.8 приведены значения теплоемкости элегаза при разных температурах и давлении, а иа рис. 3.7 дана зависимость давления насыщенных паров от температуры.
Зависимость удельной 'теплопроводности элегаза, Вт/(м-К), от температуры определяется формулой	.. '
1 = 6,446- КГ5 7ю-942 .	(3.16)
Динамическая вязкость элегаза при разных температурах имеет следующие значения при р»0,1 МПа:
t, °C . . . 2,11	31,16 40,64 51,38 66,15
Ч, МПа-с . 0,01450,01570,01650,01700,0179
3.7.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ
СЖАТЫХ ГАЗОВ
Пробивные напряжения большинства газов при атмосферном давлении и ниже подчиняются закону Пашена, т. е. эти напряжения являются функцией произведения давления (плотности) газа на расстояние между электродами. С увеличением давления наблюдаются отклонения от этого закона. Давление, при котором наблюдается это отклонение, зависит от рода газа, а также качества обработки поверхности электродов и чистоты газа в отношении твердых, особенно проводящих, микрочастиц,
находящихся на поверхности электрода или в-газе.
В электроотрицательных высокомолекулярных газах при электродах, приготовленных по обычной лабораторной технологии, эти отклонения могут наблюдаться уже при атмосферном давлении (рис. 3.8), тогда как в воздухе (рис. 3.9) и особенно в водороде это давление существенно выше. Отметим, что при особо тщательных условиях подготовки электродов и чистоты всей камеры, в которой проводятся испытания, закон Пашена для элегаза соблюдается даже при давлении 1,3 МПа.
Отклонения от закона Пашена являются функцией произведения давления газа р на вы-, соту выступа (неровности) h на поверхности электрода. Для элегаза отклонения начинаются при ph, равном 4 кПа-мм, а в воздухе — при значении ph на порядок больше.
Данные, приведенные на рис. 3.10, позволяют сделать количественную оценку сииже-’ ния пробивного напряжения или появления коронного разряда (начального напряжения) в случае элегаза в зависимости от радиуса и высоты выступа на поверхности электродов. Прямая 1 соответствует вычисленной электрической прочности, отнесенной к давлению, в условиях отсутствия выступов на поверхности электродов. Кривым 2—6 соответствуют следующие коэффициенты неоднородности поля f, радиусы кривизны выступа г и высоты выступа А:
Кривая	.	2	3	4	5	6
f............. 3,0	4,1	5,8	9,2	13,2
г, мкм	.	.	.	.	500	345	250	167	125
h, мкм	.	.	.	.	500	725	1000	1500	2000
При повышенных давлениях газа наблюдается эффект кондиционирования промежутка искровой обработкой или длительным приложением напряжения, при которых пробивные напряжения заметно повышаются. В первом случае это повышение растет с увеличением числа разрядов, предшествующих данному, а во втором — с увеличением длительности приложения напряжения, которое повышается ступенями с определенной выдержкой на каждой' ступени.
Повышение пробивного напряжения искровой обработкой, по-видимому, • связано с разрушением выступов искрой, а также сгоранием микрочастиц нли их удалением из областей с повышенной напряженностью. При кондиционировании длительным приложением напряжения разрушение микровыступов связано с их бомбардировкой ионами, образованными в про-
Та блица 3.8. Теплоемкость элегаза, кДж/(кг-°С), при разных температурах и давлениях газа
t °C р, МПаХ.	20	40	60	80	100	120	140	160	180	200
0,1	0,654	0,695	0,725	.0,754	0,775	0,796	0,812	0,830	0,838	0,855'
0,5	0,670	0,708	0,733	0,762	0,783	0,800	0,812	0,830	0,846	0,855
1,0	0,691	0,729	0,750	0,771	0,792	0,808	0,825	0,834	0,846	0,855
2,0	—	—•		—	0,821	—	—	—	—	0,876
52
Г азообразные диэлектрики
Разд. 3
Рис. 3.8. Зависимость пробивного напряжения элегаза от произведения давления на расстояние между электродами. Однородное поле, 50 Гц
Рис. 3.9. Зависимость среднего значения электрической прочности воздуха от давления для площади электродов 100 см2. Однородное поле: 1 — по закону подобия разрядов; 2 — напряжение 50 Гц, воздух и камера очищены и высушены с помощью длительной продувкв через фильтр, электроды полированы; 3 и 5 — соответственно напряжения грозового импульса 1,5/40 мкс н 50 Гц, воздух очищен с помощью фильтра, электроды шлифованы; 4 и 6 — соответственно напряжения грозового импульса и 50 Гц, воздух не очищался, электроды шлифованы
цессе коронного разряда с микровыступов. Кроме того, в ходе этого процесса благодаря зарядке микрочастиц, что ведет к их интенсивному движению в электрическом поле, происходит удаление их из областей сильного поля в области с ослабленным полем. Последнее яв-левие используется при предварительных испытаниях промышленного оборудования при пониженном напряжении.
Для кондиционированных газовых промежутков пробивные напряжения несколько по
вышаются в зависимости от рода материала электродов в следующей последовательности: никель, алюминий, циик, серебро, латунь, углеродистая сталь, железо, медь, нержавеющая сталь. Для некондиционированных электродов зависимость пробивного напряжения от рода их материала практически отсутствует.
Вероятность появления больших выступов. на поверхности электродов, а также проводящих посторонних микрочастиц на этой поверхности или вблизи нее зависит от площади электродов, поэтому наблюдается зависимость пробивных напряжений от площади поверхности электродов.
В целях снижения эффекта от микровыступов на поверхности электродов и проводящих микрочастиц иногда применяют покрытие электродов изоляционными пленками, что дает повышение пробивного напряжения на 20— 30 %. При разработке электротехнического оборудования с изоляцией сжатыми газами конечно нельзя ориентироваться на многочисленные данные, полученные при тщательной подготовке электродов и испытательной камеры в лабораторных условиях.
В связи с тем, что разряд в газах повышенного давления возникает благодаря ударной ионизации в поле, усиленном микровыступом или микрочастицей, лежащей на поверхности электрода или вблизи нее, объем пространства, в котором ои формируется, очень мал и поэтому усиленное поле является функцией только напряженности, которая существовала бы в этом месте при отсутствии этого микровыступа или микрочастицы. Эту напряженность называют начальной напряженностью коронного разряда вблизи микронеоднородности и пробивной напряженностью при пробое всего промежутка. Обычно размеры и форма микроиеодно-родностей таковы, что в сжатых газах в случае однородных и слабонеоднородных полей разрядный канал, сформировавшийся вблизи микровыступа или микрочастицы, может сразу
Рис. 3.10. Зависимость En-p/р от рг в элегазе при различной форме выступа на поверхности электрода:
—•——	пробивные напряжения;	началь-
ные
Электрическая прочность сжатых газов
53
Рис. 3.11. Зависимость средних значений электрической прочности элегаза от давления при различной площади поверхности электродов: 2 и 4 — 50 Гц, площади поверхности электродов соответственно 10 и 1000 см2; 1 и 3 — напряжение грозового импульса 1.2/50 мкс, площади поверхности электродов соответственно 10 и 1000 см2
Рис. 3.12. Зависимость отношения пробивного напряжения смеси азота с элегазом С7Пр,см к С7Пр азота от объемной доли элегаза
Рнс. 3.13. Зависимость пробивного напряжения и напряжения появления короны в различных газах от давления газа для электродов острие — плоскость. Острие заряжено положительно. Расстояние между электродами 1 см: ------ — пробивные напряжения; —<—- — начальные
распространяться без повышения напряжения через весь промежуток, несмотря на то что поле в остальной части промежутка существенно меньше, чем поле вблизи микровыступа или микрочастицы. Поэтому пробивная напряженность не зависит от длины промежутка и распределения поля по нему. Все определяется напряженностью в месте расположения микровыступа или микрочастицы, т. е. на поверхности электрода или вблизи нее. На этом и основана методика расчета пробивных напряжений оборудования с изоляцией сжатым газом. Зная из экспериментальных данных электрическую прочность и вычислив распределение поли по расчетному промежутку, определяют пробивное напряжение данной изоляционной конструкции.
Данные, представленные на рис. 3.11 для элегаза, а на рис. 3.9 для воздуха, дают возможность определить пробивные напряжения изоляционных промежутков по указанной методике при напряжении промышленной частоты 50 Гц и грозовом импульсе для промышленного электрооборудования с изоляцией сжатыми газами. Для определения выдерживаемого напряжения с той или иной вероятностью пробоя необходимо знать среднеквадратичное отклонение о. При давлении элегаза, равном 0,3—0,4 МПа, можно ориентироваться на значения о, равные: при напряжении промышленной частоты — 0,03, а при напряжении грозового импульса — 0,05.
Добавление к азоту, воздуху или другому газу с невысокой электрической прочностью
даже небольшого количества элегаза позволяет получить смесь с существенно большей прочностью по сравнению с прочностью исходного газа. В качестве примера на рис. 3.12 показано повышение прочности азота при добавлении к нему элегаза.
В электроотрицательных газах в случае электродов с сильнонеоднородным электрическим полем при положительной полярности электрода с малым радиусом кривизны в зависимости пробивного напряжения от давления наблюдается максимум, а в случае воздуха при малых расстояниях и два. Давление, соответствующее максимуму пробивного напряжения (критическое давление), зависит от рода газа. В Элегазе оно существенно меньше, чем в воздухе (рис. 3.13). При давлениях выше критического напряжение снижается до напряжения, соответствующего начальному напряжению (напряжению начала коронного разряда). Отношение значений пробивных напряжений элегаза и воздуха в области давлений, где пробою предшествует коронный разряд, существенно больше, чем в случае однородных и слабонеоднородных полей. В этой же области, начиная с некоторого давления, наблюдается коэффициент импульса меньше единицы, т.е. пробивное напряжение при грозовом импульсе меньше пробивного напряжения при напряжении промышленной частоты (рис. 3.14).
В воздухе при небольших его давлениях в сильнонеодиородиом поле рост пробивного напряжения с увеличением давления довольно значительный. Однако потом, наблюдается
Рис. 3.14. Зависимость пробивных напряжений в воздухе от давления для электродов острие— плоскость. Расстояние между электродами 6 см: ------ — максимальные значения пробивных напряжений при 50 Гц;---------минимальные; —------—
50 %-ные напряжения грозового импульса 1,2/50 мкс
54
Газообразные диэлектрики
Разд. 3
Рис. 3.15. Зависимость пробивного напряжения от давления воздуха для электродов острие — плоскость при 50 Гц:
------ — максимальные значения; —---------минимальные; 1, 2, 3, 4 н 5 — соответственно расстояния между электродами 24, 12, 6, 3 и 1 см
сильный разброс пробивных напряжений, а затем они снижаются до коронного (рис. 3.15).
Пробивные напряжения в электродных устройствах с сильнонеоднородным электрическим полем существенно меньше, чем в устройствах с однородным или слабонеоднородным полем, даже прн давлениях, в которых наблюдается повышенное пробивное напряжение за счет стабилизации разряда в результате корониро-вания и выравнивания тем самым поля. Поэтому обычно стремятся создавать конструкции, в которых отсутствуют сильнопеоднородные поля.
3.8.	РАЗРЯД В ГАЗЕ ВДОЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ДИЭЛЕКТРИКА
Разряд вдоль поверхности диэлектрика, расположенного в газовой среде, является типичным разрядом в газе, находящемся в электрическом поле, искаженном диэлектриком. Искажение — усиление поля в отдельных местах происходит вследствие разницы в диэлектрических проницаемостях диэлектрика и газа, а также повышенной проводимости диэлектрика, вызванной наличием влаги на поверхности дидиэлектрика и в нем самом. Это усиление поля приводит к снижению разрядных напряжений (начала разряда н поверхностного пробоя — перекрытия). Снижение напряжения перекрытия особенно сильно проявляется, когда диэлектрик находится в среде сжатого
газа. В этом случае напряжение перекрытия может быть в 2—3 раза меньше, чем пробивное напряжение соответствующего чистого газового промежутка (промежутка в отсутствие диэлектрика), тогда как при атмосферном давлении воздуха соответствующее снижение обычно равно примерно 30 % и менее.
Характер- зависимости напряжения перекрытия от параметров диэлектрика, расстояния между электродами, давления газа, влажности соответствует трем основным характерным расположениям диэлектрика в электрическом поле (рис. 3.16):
а)	однородное поле между плоскими электродами или слабонеоднородное поле, образованное коаксиальными цилиндрами, в которых поверхность раздела диэлектрика и газа расположена вдоль силовых линий (рис. 3.16, я;)
б)	сильнонеоднородное поле с нормальной составляющей напряженности поля больше тангенциальной (рис. 3.16,б);
в)	сильнонеоднородное поле с тангенциальной составляющей напряженности поля больше нормальной (рис, 3.16, в).
При расположении диэлектрика в электрическом поле по рис. 3.16, а силовые линии поля расположены вдоль поверхности диэлектрика и, следовательно, диэлектрик, казалось бы, не должен влиять на распределение электрического поля. Однако наличие газовых прослоек между диэлектриком и электродами приводит к резкому перераспределению поля с усилением поля в газовых прослойках по причинам, указанным выше. Вследствие этого возникают частичные разряды в газовых прослойках, их дальнейшее развитие приводит к перекрытию при заметно пониженном напряжении.
Для того чтобы получить напряжение перекрытия, близкое к пробивному напряжению соответствующего газового промежутка, необходимо обеспечить хорошее прилегание поверхности диэлектрика к электродам и сушку диэлектрика под вакуумом, а в диэлектрике с большой поверхностной гигроскопичностью, (стекле), эта сушка должна выполняться, кроме того, с прогревом при 350 °C. В обычных комнатных условиях снижение напряжения перекрытия по сравнению с напряжением пробоя соответствующего воздушного промежутка иллюстрируются данными рис. 3.17. Данные этого же рисунка хорошо иллюстрируют вредное влияние плохого контакта.
Напряжение перекрытия зависит также от рода воздействующего напряжения. Наиболее низкие значения напряжений наблюдаются при напряжении промышленной частоты и длительном воздействии постоянного напряжения (рис. 3.18). При импульсных напряжениях, особенно при диэлектриках с малой диэлектрической
Рис. 3.16. Характерные расположения диэлектрика, в электрическом поле: а — равномерное поле; б и в — неравномерные поля; 1 — электроды; 2 -г- твердый диэлектрик
§ 3.8
Разряд в газе вдоль поверхности твердого диэлектрика
55
Рис. 3.17. Зависимость напряжения перекрытия в воздухе от расстояния для различных материалов в сравнении с пробивным напряжением соответствующего воздушного промежутка.
Однородное поле, 50 Гц:
1 — пробой воздушного промежутка; 2 — парафин; 3 — фарфор; 4 — фарфор, стекло при плохом контакте
Рис. 3.18. Зависимость t/np и напряжения перекрытия в воздухе от расстояния между электродами при разных видах напряжения.
Однородное поле. Диэлектрик — стекло: 1 — пробой воздушного промежутка при 50 Гц; 2 — перекрытие при импульсном напряжении; 3 — перекрытие при постоянном напряжении; 4 — перекрытие при 50 Гц
Рис. 3.19. Напряжения перекрытия и t/np в зависимости от давления элегаза. Однородное поле, 50 Гц. Расстояние между электродами 20 мм:
1 — пробивное напряжение газового промежутка; 2 и 3 — напряжения перекрытия и появления короны соответственно при фторопласте, газовый зазор 0,45 мм у электрода; 4 и 5 — то же, что и 2 и 3, но при эпоксидном компаунде, а газовый зазор 0,97 мм в середине диэлектрика
проницаемостью, напряжения перекрытия приближаются к пробивному напряжению соответствующего газового промежутка.
Эффект выравнивания электрического поля благодаря коронированию в газовых прослойках, наблюдаемый при атмосферном давлении газа, с повышением давления уменьшается (рис. 3.19) соответственно и рост повышения напряжения перекрытия при этом сильно снижается. При давлениях, при которых перекрытие происходит без предварительного ко-ронирования, на значение напряжения перекрытия особенно сильно влияет численное значение диэлектрической проницаемости диэлектрика. Напряжение перекрытия прн диэлектрике из фторопласта, у которого ег=2, существенно выше, чем при диэлектрике из эпоксидного компаунда, у которого ег—4 (рис. 3.19). Если газовые полости, находящиеся у края диэлектрика, снижают напряжение перекрытия, то полости закрытые и полости, находящиеся
в средней части контактной поверхности, являются источниками частичных разрядов, разрушающих материал диэлектрика.
В промышленных конструкциях электрооборудования с изоляцией сжатыми газами для снижения эффекта газовых полостей в области контактной поверхности (краевого эффекта) применяют внутренние и наружные экраны у электродов или изоляторы конусной формы. Внутренние н наружные экраны (рис. 3.20, а и б) снижают напряженности поля в газовых полостях в месте прилегания изолятора (диэлектрика) к электродам. Предпочтительна внутренняя экранировка, выполненная в процессе отливки изолятора. В этом случае при хорошей заливке отсутствуют газовые полости между поверхностями диэлектрика и экрана. В случае применения конусных изоляторов (рис. 3.20, в) силовые линии поля проходят через диэлектрик только на коротком отрезке, поэтому поле в газовых полостях возрастает незначительно по сравнению с полем в газе вблизи диэлектрика в остальной его части. Если указанными мероприятиями удается влияние краевого эффекта свести к нулю, то расчет напряжения перекрытия можно вести исходя из разрядных напряженностей на поверхности диэлектрика, чис-
Рис. 3.20. Примеры выполнения экранов и формы изоляторов с повышенным напряжением перекрытия в конструкциях с коаксиальными электродами:
1 — токопровод; 2 —оболочка; 8 — внутренний экран;
4 — дисковый изолятор: S — стержневой изолятор; 6 наружный экран; 7 — конусный изолятор
56
Газообразные, дизлектрики
Разд. 3
Рис. 3.21. Напряжение перекрытия в зависимости от температуры при различной абсолютной влажности элегаза. Однородное поле, 50 Гц. Расстояние между электродами 10 мм. Цифры у кривых обозначают давление паров воды при /=0°С. Давление элегаза 0,24 МПа. Диэлектрик — эпоксидный компаунд:
— — — напряжение перекрытия в сухом состоянии;
* — точка росы
Рис. 3.22. Импульсные напряжения перекрытия в элегазе при 0,39 МПа в зависимости от температуры при различной абсолютной влажности. Однородное поле. Грозовой импульс 1,2/50 мкс. Расстояние между электродами 10 мм. Цифры у кривых обозначают давление паров воды при £=0°С:
-------напряжение перекрытия в сухом состоянии; * — точка росы
ленно равных значениям, приведенным на рис. 3.11 для чисто газовых промежутков.
Количественную оценку влияния влажности на напряжение перекрытия можно выполнить, используя данные, представленные на рис. 3.21—3.23. Из этих данных следует, что снижение напряжения перекрытия при наличии влаги в газе зависит не только от относительной, ио и от абсолютной влажности газа. При абсолютной влажности, соответствующей давлению паров 0,96 кПа, напряжение перекрытия ненамного отличается от напряжения перекрытия в сухом состоянии даже при условиях, соответствующих влажности 100 %, т. е. в точке росы (рис. 3.21), тогда как при влажности, соответствующей давлению паров 1,87 кПа, это напряжение составляет 27 % напряжения перекрытия в сухом состоянии. Сильное влияние влажности иа напряжение перекрытия наблюдается не только при напряжении промышленной частоты, но и при импульсных напряжениях (рис. 3.22). Влияние влажности иа напряжение перекрытия растет с увеличением давления. Снижение напряжения перекрытия с повышением давления особенно значительно прн повышенной влажности, что характеризуется соотношением напряжений, соответствующих кривым 3 и 2 рис. 3.23.
При расположении диэлектрика в электрическом поле по рис. 3.16, б относительно небольшое расстояние между верхним и нижним электродами в вертикальном направлении, а также наличие диэлектрика между ними с диэлектрической проницаемостью, которая заметно больше проницаемости газа, приводит к резкому усилению поля в газе вблизи края верхнего электрода. Это же явление имеет место вблизи головки стримера и скользящего разряда, возникающих после того, как коронная стадия развития разряда с повышением напряжения переходит в следующие фазы разряда. Поэтому напряжения начала разряда (короиы) и перекрытия в этом типе расположения диэлектрика в электрическом поле являются наиболее низкими.
Влияние влаги в рассматриваемом случае значительно меньше, чем в однородном поле, так как поле и так является сильнонеодиород-ным. Распределение поля в нем определяется в основном объемными зарядами коронного разряда и последующих фаз развития разряда.
Для ориентировочных расчетов напряжения появления скользящих разрядов при промышленной частоте, кВ, можно воспользоваться эмпирической формулой
1 92
=	(3-17)
и
где С—удельная поверхностная емкость (на
Рис. 3.23. Напряжения перекрытия в зависимости от давления элегаза. Однородное поле, 50 Гц. Расстояние между электродами 20 мм. Материал диэлектрика — эпоксидный компаунд: 1 — в сухом состоянии; 2 — давление водяных паров 1,2 кПа, /=2,5т-5 °C, точка росы 9,5 °C; S — давление водяных паров 2,07 кПа, /=Б-5-е,5’С, точка росы 18 еС
§ 3.9
Электрическая прочность при высокой частоте
57
единицу поверхности электрода), Ф/см2. Эта формула дает хорошее совпадение с опытом при С>0,25-10~12 Ф/см2.
Характер зависимости напряжейия перекрытия от длины промежутка, удельной поверхностной емкости, скорости изменения напряжения определяется формулой
 6Л I 1 t/neP«|/ —  20—: V dU/dt
(3.18)
где I — расстояние между электродами по по-поверхности диэлектрика; С — удельная поверхностная емкость; k — опытный коэффициент; dU/dt — скорость изменения напряжения.
Из формулы (3.18) следует, что напряжение перекрытия увеличивается весьма медленно с ростом расстояния между электродами. Поэтому в тех видах электрооборудования, где встречается такой тип электродного устройства, для повышения напряжения перекрытия применяют выравнивание распределения напряжения по поверхности диэлектрика с помощью проводящих или полупроводящих обкладок.
Для электродного устройства с преобладающей нормальной составляющей поля характер влияния давления зависит от формы электрода с повышенной напряженностью поля (электрод А на рис. 3.24). Когда электрод А представляет собой очень тонкий цилиндр с острыми краями, с ростом давления напряжение перекрытия может не только не увеличиваться, но и снижаться (кривая /, рис. 3.24). Наоборот, когда этот электрод имеет закругленные края, напряжение перекрытия растет с увеличением давления (кривая 2, рис. 3.24). Однако и в этом случае напряжение перекрытия очень слабо растет с увеличением расстояния между электродами.
В случае преобладающей тангенциальной составляющей электрического поля по сравнению с нормальной (рис. 3.16, в) влияние диэлектрика на напряжения перекрытия существенно меньше по сравнению с вышерассмотренными случаями. Характерные зависимости напряжения перекрытия от расстояния между электродами для различных электроизоляционных материалов представлены на рис. 3.25.
Загрязнение сухой пылью поверхности диэлектрика не приводит к заметному снижению напряжения перекрытия. Однако если происходит увлажнение слоя пыли (грязи) при дожде, росе или иным способом, это приводит к существенному снижению напряжения перекрытия. Образующаяся неоднородная пленка из водорастворимых составляющих загрязняющего вещества имеет малое удельное сопротивление, токи утечки по поверхности диэлектрика возрастают и на отдельных участках поверхности вследствие неоднородности пленки происходит подсушка. На подсушенном участке увеличивается напряжение и происходит образование частичной дуги. При дальнейшем повышении напряжения дуга растягивается иа весь промежуток. Аналогичные явления наблюдаются и при смачивании чистой поверхности дождем. Рассматриваемый процесс инерционный, поэтому напряжение перекрытия при импульсных напряжениях выше. Характер наблюдаемых зависимостей напряжения перекрытия
Рис. 3.24. Зависимость напряжения перекрытия вдоль фарфоровой трубки от давления воздуха при 50 Гц:
1 — электрод А сделан из фольги; 2 — электрод А — цилиндрическая обойма с закругленными краями
Рис. 3.25. Зависимость напряжения перекрытия по поверхности различных материалов от расстояния между электродами при 50 Гц:
1 — пробой воздушного промежутка; 2 — перекрытие парафина и дерева; 3 — перекрытие бумажно-бакелитового цилиндра; 4— перекрытие фарфора и стекла
от удельного сопротивления р, толщины пленки Д, диаметра изолятора D и длины пути утечки L определяется формулой
t/nep« А(р/Д£>)0,4 L,  (3.19)
где k — экспериментально определяемый коэффициент.
3.9.	электрическая прочность ГАЗОВЫХ промежутков ПРИ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЕ
В зависимости пробивного напряжения от частоты наблюдаются две критические частоты: fKpi и fKp2 (рис. 3.26). При этих частотах начинается уменьшение пробивного напряжения с увеличением частоты. Наличие критических частот связано с особенностями образования объемного заряда в газовом промежутке при высоких частотах. При напряжении промышленной частоты 50 Гц и выше вплоть до определенного значения амплитудные значения пробивных напряжений газовых промежутков практически равны пробивным напряжениям при постоянном напряжении (горизонтальный
.58
Газообразные диэлектрики
Разд, 3
Рис. 3.26. Характер зависимости пробивного напряжения газов от частоты
Рис. 3.27. Пробивные напряжения воздушного промежутка в зависимости от его длины при различных частотах. Однородное поле, атмосферное давление
участок 1 на рис. 3.26). Ионы, образовавшиеся благодаря ударной ионизации в один из полупериодов напряжения, в течение этого же полупериода успевают дойти до электродов и в следующий полупериод процесс начинается при отсутствии объемных зарядов. С увеличением частоты часть ионов уже не успевает пройти весь промежуток и их количество с каждым полупериодом возрастает, что ведет к усилению поля и, следовательно, к снижению пробивного напряжения при частоте /крь При дальнейшем увеличении частоты механизм разряда еще более усложняется. При определенной частоте не только ионы, но и электроны не успевают пересечь весь газовый промежуток, создается возможность кумулятивной ионизации электронами при их колебательном движении в промежутке, что ведет к дальнейшему снижению пробивного напряжения при частоте /крг.
При первой критической частоте и более высокой происходит накопление положительных ионов, так как подвижность электронов существенно выше ионов, а количество отрицательных ионов меньше, чем положительных. Наряду с процессом накопления объемного заряда происходит и процесс его диффузии. При уменьшении пробивного напряжения увеличивается время, необходимое для накопления заряда, что способствует его диффузии. При определенной частоте наступает равновесие между этими процессами. Поэтому с увеличением частоты выше критической снижение пробивного напряжения происходит до определенной частоты, начиная с которой пробивное напряжение не зависит от нее вплоть до наступления второй критической частоты, соответствующей кумулятивной ионизации электронами. На рис. 3.26 этой частоте соответствует горизонтальный участок 2. Снижение пробивного напряжения при частотах выше второй критической также происходит до определенной частоты, выше которой происходит рост пробивного напряжения с повышением частоты. В этом диапазоне частот длительность полупериода напряжения настолько мала, что некоторые электроны за это время не успевают осуществить ни одного акта ионизации. Для повышения вероятности ионизации необходимо повысить напряжение и тем самым увеличить скорость электронов, чтобы они успевали прой-
Рис.. 3.28. Пробивные напряжения воздушного промежутка в зависимости от его длины в диапазоне сверхвысоких частот. Однородное поле, атмосферное давление
Рис. 3.29. Пробивные напряжения воздушного промежутка в зависимости от его длины при 200 МГц и различных давлениях воздуха. Однородное поле. Цифры у кривых указывают давление воздуха
§ 3.10.
Электрическая прочностью сильненеоднородном поле
59
Рис. 3.30. Пробивные напряжения промежутка стержень — плоскость в воздухе в зависимости от длины промежутка при разных частотах (а) и в зависимости от частоты (б)
ти расстояние, необходимое для ударной ионизации.
Из рис. 3.27 и 3.28 следует, что в однородном электрическом поле значения первой и второй критических частот (точки излома кривых на рисунках) уменьшаются с увеличением длины разрядного промежутка. Длина разрядного промежутка, начиная с которой происходит уменьшение пробивного напряжения, называется критической.
Снижение пробивного напряжения при сверхвысоких частотах наблюдается в широком диапазоне давлений (рис. 3.29). При этом при уменьшении давления газа критическая длина промежутка остается примерно постоянной;
В сильионеоднородиых полях, где пробою предшествует коронный разряд, а затем возникновение стримерного канала с образованием интенсивных объемных зарядов, критические частоты существенно меньше, а пробивное напряжение снижается значительнее по сравнению с соответствующим напряжением промышленной частоты 50 Гц (рис. 3.30).
3.10.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВОЗДУШНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ
В СИЛЬНОНЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Обычно при разработке электроизоляционных конструкций, находящихся в среде окружающего их атмосферного воздуха, ориентируются на пробивные напряжения так называемых типовых электродных устройств: стержень — плоскость или стержень — стержень. Это относится как к конструкциям, предназначенным для эксплуатации вне помещения, так и внутри него. Считается, что в обоих случаях
возможно оседание на поверхность металлических электродов достаточно крупных частиц, которые сильно искажают электрическое поле и оно становится достаточно неоднородным, а пробивные напряжения становятся близкими к соответствующим напряжениям электродных устройств стержень — стержень или стержень — плоскость. Кроме того, создание относительно однородных электрических полей связано с применением технологически сложных и громоздких экранов, обеспечивающих выравнивание поля. И только при Очень высоких напряжениях, когда в условиях помещений соответствующие расстояния трудно обеспечить, прибегают к применению экранов. Но и в этом случае допустимые напряженности поля и пробивные напряжения существенно ниже соответствующих идеальному случаю. Некоторые рекомендации по выбору допустимых напряженностей в подобных случаях будут даны ниже.
Пробивные напряжения воздушных стержневых промежутков при нормальных атмосферных условиях, т. е. при температуре воздуха 20 °C, давлении 101,3 кПа и абсолютной влажности 11 г/м3, для разных видов напряжения и длин промежутков даиы иа рис. 3.31—3.33. Зависимость пробивных напряжений воздушных промежутков от давления, температуры и влажности является в общем случае сложной, и соответствующие поправки на атмосферные условия определяются по ГОСТ 1516.2-76. Одиако для промежутков длиной менее 1 м можно воспользоваться формулой
п-293	1
Ппп = UB-----------------,	(3.20)
пр Ро(273-Н)
где — пробивное напряжение промежутка при нормальных атмосферных условиях; р и р0 — атмосферное давление в условиях опыта и нормальное атмосферное давление; t — температура воздуха, °C; kv — поправочный коэффициент, определяемый по рис. 3.34. Для более длинных промежутков указанные поправки несколько меньше, чем для промежутков длиной 1 м и менее.
Из рис. 3.33 видно, что для очень длинных промежутков рост пробивного напряжения с увеличением длины промежутка очень слабый при напряжении промышленной частоты и положительной полярности коммутационного импульса.
В связи с указанным обстоятельством при разработке электроизоляционных конструкций объектов, предназначенных для установки внутри помещения, стараются применять легкие металлические экраны для выравнивания распределения поля. К такому же мероприятию прибегают при желании резко повысить начальные напряжения разрабатываемого оборудования в случае коротких промежутков. В длинных промежутках напряжения определяют на основании расчета электрического поля для определенной допустимой напряженности поля, полученной путем экспериментальных исследований. Эти допустимые напряженности существенно ниже расчетных напряженностей в идеальном случае, т. е. при очень гладкой поверхности и очень чистом воздухе. Допустимые напряженности зависят от рода напряже-
60
Газообразные диэлектрики
Разд. 3
Рис. 3.31. Напряжения пробоя и перекрытия длинных воздушных промежутков:
I — пробивное напряжение 50 Гц, промежуток стер-жень-плоскость; 2 — напряжение перекрытия при коммутационном импульсе положительной полярности с. фронтом 100—250 мкс, фарфоровая опорная изоляция; 3 — пробивное напряжение при коммутационном импульсе положительной полярности с фронтом 100— 300 мкс, промежуток стержень—плоскость
Рис. 3.32. 50 %-ные пробивные напряжения воздушных промежутков при грозовом импульсе и электродных устройствах стержень — стержень и стержень — плоскость:
/ — отрицательный стержень—плоскость; 2 — отрицательный	стержень—положительный	заземленный
стержень; 3 ~ положительный стержень — отрицательный заземленный стержень; 4 — положительный стержень—плоскост ь
Рис. 3.33. Импульсные пробивные напряжения длинных воздушных промежутков при электродах стержень — плоскость:
1 — грозовой (1,2/50 мкс) н коммутационный (250/2500 мкс) импульсы отрицательной полярности; 2—грозовой импульс (1,2/50 мкс) положительной полярности; 3 — коммутационный импульс (250/2500 мкс) положительной полярности
Рис. 3.34. Поправочный коэффициент иа влажность в зависимости от абсолютной влажности для стержневых промежутков длиной менее 1 м:
1	50 Гц; 2—грозовой импульс положительной полярности, постоянное напряжение положительной полярно-
сти для промежутков стержень — стержень и стержень —плоскость; 3—грозовой импульс отрицательной полярности и постоянное напряжение отрицательной полярности для промежутка стержень—плоскость.
Рис. 3.35. Зависимость допустимой напряженности электрического поля от радиуса экрана: / — коммутационный импульс (250/2500 мкс); 2 — 50 Гц; 3 — постоянное напряжение
ния и радиуса экрана (рис. 3.35). Наиболее низкие допустимые напряженности соответствуют постоянному напряжению, в чем отражается известный факт втягивания и оседания на поверхности электродов пыли. При больших радиусах электродов допустимые напряженио-ности поля равны: а) в случае коммутационного импульса — 22 кВ/см; б) при переменном напряжении промышленной	частоты—
15 кВ/см (амплитудное значение); в) при постоянном напряжении — 13 кВ/см.
3,11.	ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ВАКУУМНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ
В левой ветви кривой Пашена в противоположность тому, что имеет место в правой ветви с уменьшением произведения давления на расстояние ph. пробивное напряжение увеличивается.
При дальнейшем снижении ph наконец наступает такой момент, когда пробивное напря
§ 3.11
Электрическая прочность вакуумных промежутков
61
жение практически перестает зависеть от давления газа. Для расстояния между электродами 10 см ph, при котором происходит переход от пробоя разреженного газа к вакуумному равно 2,5—5,0 Па-см. Электрическая прочность вакуумного промежутка ограничивается особым механизмом разряда. Он определяется в первую очередь процессами на электродах. Об этом свидетельствует сильная зависимость пробивного напряжения от материала электродов и состояния их поверхности.
В зависимости от условий могут доминировать различные механизмы пробоя в вакууме. При нетренированных или малотренированных пробоями электродах пробой может вызываться пылью или частицами вещества электродов, оторванными от основной структуры электростатическими силами. В результате ударов этих частиц или пыли, приобретавших большую скорость при полете в электрическом поле, о противоположный электрод возможно их испарение, приводящее к пробою. Возможен также разряд между электродом и подлетающей частицей, вызванный многократным усилением электрического поля в зазоре между частицей и электродом, когда этот зазор составляет доли радиуса частицы. При очень коротких импульсах напряжения вероятны пробои, вызванные разогревом микровыступов на катоде током холодной эмиссии. Возможны и другие процессы, а также их комбинация.
Для получения приемлемой электрической прочности вакуумного промежутка необходима тщательная очистка всех элементов разрядной камеры, достижение хорошей ровной поверхности электродов, предварительная тренировка, например тлеющим разрядом и пробоями. Влияние на электрическую прочность вакуумного промежутка большого числа подчас трудно контролируемых факторов приводит к тому, что данные различных авторов могут заметно отличаться друг от друга. С этим же явлением связан большой разброс пробивных напряжений, полученных в одном и том же эксперименте.
Пробивное напряжение вакуумного промежутка, кВ, при электродах из различных материалоа в пересчете на зазор 1 мм. Постоянное напряжение.
Однородное поле Вольфрам..................... 96—102
Молибден......................... 92*
Инвар........................ 192*
Нержавеющая сталь............. 109—179
Медь, раскисленная фосфором (коммерческая медь)..........29,5—98
Алюминий...................... 29—88
Медь, переплавленная в	вакууме	54—73
* По данным Херда. В остальных случаях — по данным нескольких авторов [5].
Высокая электрическая прочность вакуума наблюдается при электродах, изготовленных из сплава титана с добавкой 7 ®/о А1 и 4 % Мо. Оиа больше, чем при электродах из не-, ржавеющей стали.
Электрическая прочность вакуумного промежутка сильно зависит от его длины и площади электродов. При хорошей подготовке
Таблица 3.9. Влияние площади плоских электродов на пробивное напряжение, кВ
Материал катода	Промежуток, мм	Давление, Па
Оксиди-	6	0,7-10-4
рованный	6	0,7-10—1
алюминий	ю	0,7-10—1
Нержа-	ю	0,7-10-4
веющая	ю	0,7-10-1
сталь		
Площадь электродов, см2
7	10	so	300	700
215				195	185	175
280	265	250	240	240
450	480	415	375	360
235	—	200	170	180
290	290	250	200	185
электродов могут быть получены напряженности 100 МВ/м для промежутка 1 мм при площади электродов примерно 20 см2 и 13 МВ/м при длине 6 см и площади примерно 600 см2.
Влияние площади электродов на пробивное напряжение для тренированных плоских электродов видно из табл. 3.9.
Данные, приведенные на рис. 3.36 и 3.37, иллюстрируют зависимость пробивного и разрядного напряжений от длины вакуумного промежутка. Под разрядным напряжением здесь понимается напряжение, при котором ток между электродами достигает примерно 10-’ А.
В тех случаях, когда пробой возникает в результате ударов микрочастиц, зависимость пробивного напряжения от межэлектродного расстояния h достаточно хорошо выражается формулой
Спр =/Л°'62Б.	(3.21)
При межэлектродных расстояниях- менее 1 мм зависимость пробивного напряжения в грубом приближении является линейной функцией расстояния.
В связи с относительно малыми предраз-рядными временами, свойственными различ-
ен I—J 1—Lj----LJ---l_J l-L.I	—l_l—I. . U...I
0,1 0,10,30,50,81	2 3 5 810 20 30
Рис. 3.36. Зависимость пробивного напряжения вакуумного промежутка от его длины:
/ — электроды из стали, аиод—сфера диаметром 25,4 мм, катод — диск диаметром 51 мм, тренировка тлеющим разрядом в водороде; 2 — электроды нз титана, полированные диски диаметром 200 мм, тренировка слабым током в вакууме; 3 — электроды йз меди, полированные диски диаметром 100 мм, тренировка пробоями; 4 — тс же, что и 3, но без трени-
ровки
62
Газообразные диэлектрики
Разд. 3
Рис. 3.37. Зависимость разрядного напряжения между титановыми электродами от длины вакуумного промежутка. Постоянное напряжение, площадь электродов примерно 600 см2: 1 — вакуумная камера с гладким сильфоном «осле тренировки; 2 —то же. что и 1, но без тренировки; 3 — вакуумная камера с ребристым сильфоном без тренировки
иым механизмам пробоя в вакууме, амплитудное значение пробивного напряжения при напряжении промышленной частоты только слегка выше или равно пробивному напряжению при постоянном напряжении.
Существенное повышение прочности вакуумной изоляции при относительно больших длинах промежутков, порядка нескольких миллиметров и более, достигается покрытием катода тонкими электроизоляционными пленками. Максимальное увеличение длительно выдерживаемого напряжения, примерно иа 70 %, наблюдается при покрытии алюминиевого катода эпоксидной пленкой толщиной 25 мкм. При этом резко (на несколько порядков) уменьшается значение предпробойных токов. Однако такая пленка под воздействием разрядов быстро разрушается, что ограничивает возможности тренировки. В этом отношении существенно более благоприятные результаты дает оксидирование электродов, в частности алюминиевых, и наполнение при этом камеры благородными газами до давлений примерно 10~2—10-1 Па. Сказанное иллюстрируется данными, приведенными в табл. 3.10.
Напряжение перекрытия вдоль диэлектрика, расположенного в вакуумном промежутке,
Таблица 3.10. Пробивное напряжение, кВ, промежутка длиной 50 мм при аноде из нержавеющей стали и различных материалов катода
Материал катода	Остаточное давление, Па	
	0,7. Ю~4	0,7.10—2
Полированный титан	530	650
Оксидированный титан	540	750
Полированный цирконий	520	650
Оксидированный цирконий	540	830
Оксидированный алюминий	540	840
всегда меньше, чем пробивное напряжение сот ответствующего вакуумного промежутка, даже если твердый диэлектрик расположен так, что он. не искажает электрическое поле, т. е. в случае, когда силовые линии расположены вдоль поверхности диэлектрика, а само электрическое поле, образованное электродами, однородное. Как н в случае газообразных и жидких диэлектриков, для получения высокого напряжения необходимы, во-первых, хороший контакт в месте сочленения твердого диэлектрика и металлического электрод?, во-вторых, применение внутренних металлических экранов или наружных экранов, существенно ослабляющих электрическое поле в месте сочленения. Выполнение этих мероприятий дает существенно больший эффект, если они осуществляются у катодного конца. Не менее важным средством является также тренировка напряжением нли пробоями с малой энергией. Оии позволяют в некоторых случаях поднять выдерживаемое или пробивное напряжение в несколько раз. Определенную роль играет также род диэлектрика и состояние его поверхности. Хорошие результаты дает также изготовление изолятора специальвой формы, при которой он образует коническую форму с широким основанием у катода, а сама поверхность имеет ступеньки.
На рис. 3.38 приведена зависимость напряжения перекрытия от длины изоляторов, наготовленных из различных материалов. Здесь же иллюстрируется эффект экранировки (кривые 1 и 2), а также длительности приложения напряжения (кривые 4, 5 и 6). Уменьшение пробивной напряженности с увеличением длины изолятора, по-видимому, связано с искажением распределения напряжения вдоль изолятора. Поэтому изоляторы иа большое напряжение изготовляются из нескольких секций, распределение напряжения между которыми задается принудительно.
Рис. 3.38. Зависимость напряжения перекрытия от длины цилиндрических изоляторов, расположенных между плоскими электродами;
1 и 2 — изоляторы из окиси алюминия диаметром 12 мм с экраном и без экрана соответственно при постоянном напряжении; 3 — из фарфора диаметром 18 мм при 50 Гц; 4, 5 и 6 — из фторопласта диаметром 15 мм при импульсных напряжениях длительностью 0,2 и 2,6 мкс и постоянном напряжении соответственно; 7 — из стекла диаметром 20 мм при постоянном напряжении
§3.12	Применение газов в качестве электрической изоляции	63
3.12.	ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОВ
В КАЧЕСТВЕ электрической
изоляции
Генерирование, преобразование, передача и распределение электроэнергии пока производятся с помощью электроустановок, которые находятся в среде окружающего их атмосферного воздуха, поэтому воздух пока самый распространенный из газообразных диэлектриков. Однако проблема повышения напряжения в настоящее время остается актуальной. В этих условиях низкая электрическая прочность воздуха является серьезным препятствием к дальнейшему развитию высоковольтной электротехники.
Поэтому уже давно существует тенденция к замене воздушной изоляции атмосферного давления более прочной газовой изоляцией путем размещения всех элементов электрооборудования или ее части в металлических оболочках, заполненных' сжатыми газами, в осо-бенности высокопрочными. При применении ' газов с повышенной электрической прочностью, например элегаза, для создания необходимой прочности требуется более низкое давление— примерно 0,4 МПа, а при применении азота, не обладающего этим свойством, — более высокое давление, примерно 2 МПа. Однако следует иметь в виду, что выбор газа для тех или иных целей определяется ие только его электрической прочностью, но и совокупностью целого ряда других свойств, в том числе его охлаждающей . и дугогасящей способностью, стоимостью и т. п.
Как уже отмечалось в § 3.1, способность некоторых газов полностью восстанавливать свою электрическую прочность после дугового разряда широко используется в воздушных и элегазовых выключателях. Элегаз обладает не только более высокой электрической прочностью, ио и существенно более высокой дугогасящей способностью, чем воздух. Таким образом, в элегазовых выключателях удачно сочетаются два основных свойства газа, необходимые для создания простых и экономичных выключателей. Наряду с широким использованием элегазовых выключателей за рубежом, а также в Советском Союзе нарастающими темпами идет внедрение элегазовых распределительных устройств, в которые наряду с выключателем входят разъединители, коротко-замыкатели, трансформаторы тока и напряжения. В этих аппаратах используется вся гамма ценных свойств элегаза, о которой подробно сказано в § 3.6.
В последнее время как за рубежом, так и в Советском Союзе наметилась тенденция практического использования элегаза в высоковольтных кабелях, созданы опытные образцы. За рубежом находятся в эксплуатации кабели длиной несколько сотен метров. В этом виде электрооборудования вместе с другими ценными свойствами элегаза используется его более высокая, чем азота, теплопередающая способность. В кабеле преобладает теплопередача путем конвекции, а ее эффективность существенно зависит от плотности среды н ее удельной теплоемкости.
 Роль конвективного типа теплопередачи увеличивается с увеличением ширины газовой
прослойки, поэтому коэффициент кратности обмена — отношение коэффициентов теплопередачи одной среды к другой — может существенно меняться в зависимости от ширины и геометрии прослойки, через которую происходит теплообмен. В трансформаторах с его узкими каналами между катушками и слоями обмоток коэффициент кратности теплообмена элегаза по отношению к воздуху небольшой— примерно 1,2, в то время как в широких цилиндрических прослойках, свойственных кабелям, он может достигать 1,5 и более.
Лучшей теплопередающей средой, чем элегаз, является газ C3FS. Однако его температура кипения равна —38 °C и область его применения в наружных. установках в Советском Союзе весьма ограничена. Кроме того, он существенно дороже элегаза, а его необходимое количество в кабелях очень велико.
В связи с тем, что стоимость элегаза в кабелях составляет существенную долю в его полной стоимости, имеется тенденция заполнения кабеля не чистым элегазом, а его смесью с азотом, который намного дешевле элегаза. В § 3.7 отмечалось, что уже небольшие добавки элегаза к азоту заметно повышают его электрическую прочность. Однако надо иметь в виду, что такая добавка отнюдь не ведет к заметному увеличению охлаждающей способности азота.
Преимуществами элегазового кабеля по сравнению с бумажно-масляным являются: малые электрическая емкость и диэлектрические потери, хорошее охлаждение. Указанные свойства позволяют передавать по таким линиям очень большие мощности. Конструктивно элегазовый кабель представляет собой металлическую оболочку, в которой при помощи электроизоляционных распорок укреплена проводящая жила. В последнее время были разработаны гибкие элегазовые кабели с гофрированной оболочкой, что существенно повышает их конкурентоспособность.
В силовых трансформаторах интенсивность охлаждения играет определяющую роль даже при небольшой их мощности. Как отмечалось выше, применение в трансформаторах элегаза не приводит к существенному повышению интенсивности охлаждения по сравнению с воздушным и тем более по сравнению с масляным. Поэтому элегазовые трансформаторы пока не нашлн широкого применения. Они используются в ряде случаев вместо воздушных, когда предъявляются особые требования пожаробезопасности. Такие трансформаторы эксплуатируются в небольшом количестве в Японии.
Одним из возможных направлений интенсификации охлаждения в трансформаторах является применение принудительной циркуляции элегаза. В таком типе охлаждения его интенсивность существенным образом зависит от численного значения массовой скорости, т. е. произведения плотности газа на скорость его циркуляции. Благодаря большой плотности элегаза необходимое значение этой величины достигается при относительно небольших скоростях. Так как мощность, расходуемая иа создание необходимой скорости циркуляции газа, пропорциональна квадрату ее значения, то преимущество элегаза с его большой плотностью по сравнению, например, с азотом весьма существенно. Вместе с тем следует
64
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
иметь в виду, что применение принудительной циркуляции усложняет конструкцию трансформатора и снижает надежность его работы. Отдельные образцы таких трансформаторов были созданы в США.
Независимость диэлектрической проницаемости азота, элегаза и других газов от частоты напряжения в очень широких пределах ее изменения, а также неизменность диэлектрической проницаемости при постоянной плотности газа при изменении температуры используются в эталонных (измерительных) конденсаторах. Фактор малых диэлектрических потерь газов при высоких частотах используется при создании высокочастотных конденсаторов.
Водород, имеющий весьма высокий коэффициент теплопроводности, несмотря на меньшую электрическую прочность по сравнению с воздухом, используется в качестве электроизоляционной и охлаждающей среды в крупных турбогенераторах. Применение водорода в этом случае приводит к снижению вентиляционных потерь и потерь на трение о газ примерно в 10 раз по сравнению с потерями при применении воздуха и, следовательно, заметно повышает КПД генератора. Одновременно при этом происходит снижение вентиляционных шумов и, что особенно важно, удлиняется срок службы твердой изоляции генератора вследствие отсутствия процессов окисления и образования азотистых соединений.
Инертные газы: аргон, неон, гелий и др.— ипользуются в основном в технике слабых
токов. Аргон, обладающий малой теплопроводностью, а также инертностью к твердым материалам применяется в газотронах и тиратронах, а также в газонаполненных фотоэлементах. Неон используется в газонаполненных разрядниках для зашиты приборов в цепи слабого тока, например телеграфа от случайных перенапряжений, вызванных грозовыми разрядами. Газоразрядные приборы также используются во многих импульсных электрических схемах.
В высоковольтной технике инертные газы, например гелий, иногда могут использоваться как добавка к высокопрочным сжатым газам для повышения их дугогасительной способности. Широко известно использование инертных газов в газосветных трубках.
Список литературы
1.	Каппов Н. А. Электроника. М.: Гостехиздат, 1956. 459 с.
2.	Мик Дж. и Крэге Дж. Электрический пробой в газах/Пер. с англ.; Под ред. В. С. Комелькова. М.: Изд-во иностр, лнт., 1960. 605 с.
3.	Техника высоких напряжений/Под общей ред. Д. В. Разевига. М.: Энергия, 1976 488 с.
4.	Полте. А. И. Конструкции и расчет элегазовых аппаратов высокого напряжения. Л.: Энергия, 1979. 238 с.
5.	Сливков И. Н. Электроизоляция и разряд в вакууме. М.: Атомиздат, 1972. 304 с.
6.	Александров Г. Н., Иванов В. Л. Изоляция электрических аппаратов высокого напряжения. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 207 с.
РАЗДЕЛ 4
ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ
Д. С. Варшавский, Г. Д. Головине
4.1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Жидкие диэлектрики можно классифицировать по различным признакам.
I.	По химической природе: а) нефтяные масла; б) синтетические жидкости (хлорированные и фторированные углеводороды, кремний- или фторорганическне жидкости, различного рода производные на ароматической основе, сложные эфиры различных типов, полиизобутилены).
II.	По специфике применения • для: а) трансформаторов, б) выключателей и контакторных устройств регулирования напряжения под нагрузкой; в) конденсаторов; г) кабелей; д) систем циркуляционного охлаждения и изоляции установок высокого напряжения.
III.	По верхнему пределу допустимой рабочей температуры: а) до 70 °C (нефтяные масла в конденсаторах); б) до 95°C (нефтяные масла в трансформаторах, хлорированные углеводороды в конденсаторах); в) до 135 СС (некоторые синтетические и хлорированные углеводороды, некоторые эфиры кремниевой,
фосфорной, органической кислот, полиоргано-силоксаны); г) до 200 °C [некоторые типы фторуглеродов, хлор (фтор) органосилоксаиы]; д) до 250 °C (полнфеиилэфиры и специальные полиорганосилоксаны). Классификация по верхнему пределу допустимой температуры зависит также от особенностей эксплуатации жидкого диэлектрика и требуемого срока службы.
IV.	По степени горючести: а) горючие; б) негорючие.
Конкретные требования к жидкому диэлектрику определяются конструкцией и условиями применения оборудования, в котором он применяется, степенью экологической опасности. Общие требования можно сформулировать следующим образом: 1) высокая электрическая прочность, 2) высокое р, 3) низкий tgfi, 4) высокая стабильность в условиях эксплуатации, хранения и технологической обработки, 5) высокая стойкость к воздействию электрического и теплового полей, 6) высокая стойкость против окисления, 7) определенное значение ег с учетом особенностей электроизоляционной конструкции, 8) совместимость с
Основные свойства электроизоляционных -жидкостей
65
применяемыми материалами, 9) пожаробезопасность, 10) экономичность, 11) экологическая безопасность, 12) низкая вязкость в диапазоне рабочих температур.
Современная техника изготовления силовых конденсаторов привела к изменению требований к пропитывающему веществу: оно обязательно изготавливается на основе ароматических соединений и должно иметь низкую вязкость, хорошую смачиваемость полипропиленовой пленки, незначительные ее растворение и набухание в пропитывающем веществе, наперед заданное значение взаимной растворимости пропитывающего вещества и полипропиленовой пленки, удовлетворительную стабильность при низких температурах, в том числе низкую температуру застывания; высокую газостойкость; нетоксичность, экологическую безопасность и хорошее биоразложение.
Жидкие диэлектрики, например, в трансформаторах выполняют дополнительную функцию, являясь охлаждающим агентом и обеспечивая отвод теплоты, выделяющейся внутри электрооборудования, что требует высокой теплоемкости и низкой вязкости при наименьших рабочих температурах.
Часто отказы электрооборудования сопровождаются искрением, дугообразованнем, которые могут воспламенить жидкость, газообразные продукты ее испарения или разложения. Важно, чтобы диэлектрическая жидкость, ее пары или газообразные продукты разложения не воспламенялись при отказе электрооборудования; о ее сопротивлении воспламенению судят по степени ее негорючести.
Ни одни жидкий диэлектрик не соответствует всем этим требованиям одновременно. Приходится ориентироваться на важнейшие для данного конкретного случая применения требования, компенсируя отдельные недостатки ограничениями в условиях эксплуатации либо внося соответствующие изменения в конструкцию электрооборудования.
Например, обеспечение экологической безопасности привело сначала к снижению степени хлорирования и соответственному увеличению пожароопасности, а затем к почти повсеместному запрещению производства и применения полихлорированных дифенилов (ПХД). Практически все существующие их заменители горючи. Этот недостаток удалось в значительной степени компенсировать пересмотром конструкции корпуса электрооборудования в сторону снижения вероятности опасного его повреждения в аварийной ситуации.
Однако до сего времени в эксплуатации все еще находится большое количество электрооборудования, содержащего экологически опасные ПХД. Эксплуатация такого электрооборудования требует строгого соблюдения специальных инструкций. Принимаются меры к постепенной замене ПХД в трансформаторах экологически безопасными жидкостями. Содержащие ПХД остатки и вышедшее нз строя оборудование уничтожаются.
Требование высокой ег для конденсаторных жидких диэлектриков удается компенсировать за счет повышения их стойкости к воздействию электрического поля и соответствующего увеличения рабочей напряженности электрического поля.
8-232
4.2.	ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ
Набор стандартизованных методов испытания жидких диэлектриков непрерывно изменяется по мере накопления опыта эксплуатации и появления новых жидких диэлектриков. В табл. 4.1 приведен перечень основных параметров жидких диэлектриков и стандартов на методы их определения.
Электрическая прочность £др технических жидких диэлектриков зависит от наличия загрязнителей, обнаруживая тенденцию к снижению по мере увеличения полярности жидкости н соответствующего возрастания ее диссоциирующей способности. На пробой жидких диэлектриков влияет форма электродов: с увеличением степени неоднородности электрического поля, при прочих равных условиях, пробивное напряжение жидкого диэлектрика имеет тенденцию к снижению. Поэтому разрядные промежутки для определения пробивного напряжения жидких диэлектриков стандартизованы по форме электродов и расстоянию между ними. Развитие пробоя технических жидких диэлектриков, всегда содержащих растворенные н нерастворенные примеси, подчиняется теории экстремальных значений (теории слабого звена). С ростом объема и площади жидкого диэлектрика, находящегося в электрическом поле, его пробивное напряжение снижается. Для оценки рассеяния его величин используют распределение Вейбулла. В тонких зазорах £пр жидких диэлектриков существенно возрастает.
При частотах до 103 Гц £др чистых жидкостей ие должна зависеть от частоты, однако в технических жидких диэлектриках £пр при низкой частоте оказывается выше, чем при постоянном напряжении. Эта разница достигает 30 %. В области частот 10s—107 Гц £пр жидких диэлектриков, как правило, снижается с увеличением частоты н во всяком случае оно значительно ниже, чем при частоте 50 Гц.
При перемешивании жидкого диэлектрика его £пр, как правило, ниже, чем в статическом состоянии. Однако при направленном потоке жидкости между электродами ее £др выше, чем в тех же условиях при отсутствии движения.
Часто наблюдают изменение £пр по мере увеличения числа пробоев в одном и том же объеме жидкости. Рост £пр наблюдают при удалении из жидкости в процессе пробоя загрязняющих примесей, например влаги, а ее снижение — при дополнительном загрязнении жидкости продуктами разложения в месте пробоя, например сажей. В таком случае для обеспечения удовлетворительной воспроизводимости необходимо после каждого пробоя менять пробу испытуемой жидкости, ограничивать в процессе пробоя ток и время его протекания.
Диэлектрические потери в жидких диэлектриках обусловлены токами проводимости и явлениями поляризации. Носителями зарядов в технических жидких диэлектриках могут быть ионы, образующиеся вследствие диссоциации молекул данной жидкости или молекул примесей, а также более крупные коллоидные частицы, которые могут упорядоченно двигаться в электрическом поле.
66
Жидкие диэлектрики
Разд, 4
Таблица 4.1. Стандартные методы испытания жидких диэлектриков
Параметры	Отечественные стандарты	Международные стандарты и зарубежные национальные
Процедура отбора проб	ГОСТ 2255-71	Ст. ИСО 3170
	ГОСТ 6581-75	Публикация МЭК 475
	(СТ СЭВ 3166-81) ГОСТ 2517-80	ANSI/ASTM D1809 и D923
	(СТ СЭВ 1248-78)	
Диэлектрическая проница-	ГОСТ 6581-75	Публикация МЭК 247
емость	(СТ СЭВ 3166-81)	ANSI/ASTM D924, JIS С2320
Электрическая прочность	ГОСТ 6581-75	Публикация МЭК 156
	(СТ СЭВ 3166-81)	ANSI/ASTM D877, D1816, D3300 JIS С2320 и 2330
		
		VDE 0370/4 BSS 923 и 148
Удельное объемное сопро-	ГОСТ 6581-75	Публикации МЭК 93 и 247
тнвление	(СТ СЭВ 3166-81)	ANSI/ASTM D1169, Dll89, D924 JIS С2330	. .
tg6	ГОСТ 6581-75	Публикация МЭК 247 и 250
	(СТ СЭВ 3166-81)	ANSI/ASTM D924 JIS С2330
		
Плотность	ГОСТ 3900-47	Ст. ИСО R-649; ИСО 3675
	ГОСТ 18995.1-73	Публикации МЭК 296 и 588-2 ANSI/ASTM D1481, D1810
		JISZ8804
Показатель преломления	Отсутствует	Публикация МЭК 588-2 ANSI/ASTM D1807, D1218, D1810 JIS К 0062
		
Молекулярная масса		ANSI/ASTM D2224
Газостойкость, воздействие	ГОСТ 13003-67	Публикация МЭК 628
электрического поля		ANSI/ASTM D2298, D2300
Кинематическая вязкость	ГОСТ 33-82	Ст. ИСО 2909; ИСО 3104; ИСО 3448
	(СТ СЭВ 1494-79)	Публикации МЭК 296А и 588.-2 ANSI/ASTM D445
		JIS Z8803
-Горючесть	Отсутствует	Рекомендации Технического комитета 10В (Япония) МЭК, 1977
Температура вспышки в за-	ГОСТ 6356-75	Ст. ИСО 2719
крытом тигле	(СТ СЭВ 1495-79)	Публикация МЭК 296А ANSI/ASTM D93 JIS К2274
Температура вспышки в от-	Отсутствует	Ст. ИСО 2719
крытом тигле		ANSI/ASTM D92 JIS ZK2269
Температура воспламенения		Публикация МЭК 465 ANSI/ASTM D92 Ст. ИСО 2592
Температура самовоспламе-		ANSI/ASTM D2155
нения		JIS ZK2269 Ст. ИСО 3016; ИСО 2592
Температура застывания	ГОСТ 20287-74	Публикация МЭК 296А и 588-2 Ст. ИСО 3016
		ANSI/ASTM D17, D97
Удельная теплоемкость	Отсутствует .	ANSI/ASTM D2766
Коэффициент теплопровод-	»	ANSJ/ASTM D92, D2717
нести		
Температурный коэффикй-	»	Публикация МЭК 588-2
ент объемного расширения		ASTM D1903
Испаряемость.	Отсутствует	ANSI/ASTM D972
Давление насыщенных паров	ГОСТ 15283-70 .	—
Пределы кипения (фракци-	ГОСТ 2177-82	ANSI/ASTM D20
онный состав) Поверхностное натяжение	Отсутствует	ANSI/АкГМ D971, D1902
Кислотное число	ГОСТ 5985-79	Ст. ИСО 6618
	ГОСТ 11362-76	Публикация МЭК 296 ANSI/ASTM D664, D974,	D1045,
		D1534 ANSI С59.107 JIS С2330
§ 4.2
Основные свойства электроизоляционных жидкостей
67
.Продолжение табл. 4.1
Параметры	Отечественные стандарты	Международные стандарты и зарубежные национальные
Содержание неорганических хлоридов Содержание ароматических . углеводородов (для нефтяных масел) Содержание водорастворимых кислот и щелочей (для нефтяных масел) Зольность (для нефтяных масел) Содержание гидролизуемых хлоридов Содержание серы Способность вызывать коррозию . Содержание влаги Содержание газа (воздуха) Содержание механических примесей Термическая н окислительная стабильность Нагревостойкость хлоругле-водородов Совместимость с твердыми материалами Цвет.  Содержание присадок: ионол антиокислительная эпоксидная ра окислительная	Отсутствует » ГОСТ 6307-75 ГОСТ 1461-75	Публикация МЭК 588-2 ANSI/ASTM D878, D1821 Публикация МЭК 590 ANSI/ASTM D611 Отсутствует
	Отсутствует ГОСТ 1771-48 ГОСТ 19121-73 ГОСТ 2917-76 ГОСТ 7822-75 ГОСТ 14870-77 Отсутствует ГОСТ 6370-83 (СТ СЭВ 2876-81) ГОСТ 10577-78 ГОСТ 981-75 ГОСТ 11257-65 ГОСТ 12497-78 Отсутствует » ГОСТ 2667-82 ГОСТ 20284-74 Отсутствует » »	Публикация МЭК 588-2 ANSI/ASTM D1820 Публикация МЭК-296А ANSI/ASTM D129, D989, D1275 Ст. ИСО 2160 ANSI/ASTM D1275 ANSI/ASTM D1315, D1533 Публикация МЭК 567 ANSI/ASTM D831, D1827, D2945, D3612 Анализаторы содержания микрочастиц Ст. ИСО 4263 Публикации МЭК 74 и 474 ANSI/ASTM D924,	D943, D1313, D1904, D1934, D1936-a, D2112, D2440 ANSI/ASTM D1936 Публикации МЭК 588-5 ANSI/ASTM D1500, D1524, D2129 ANSI/ASTM D1701, D1473, D2668 Публикация МЭК 588-7
Примечание. Обозначения стандартов: ГОСТ— СССР, ANSI/ASTM — США, BSS — Великобритании, JIS — Япония, VDE — ФРГ, ИСО — Международный, МЭК —Международной электротехнической комиссии.
В маловязких жидких диэлектриках при частоте 50 Гц и положительной температуре потери в основном обусловлены токами проводимости.
Электрическая проводимость жидкого ди-электрика-увеличивается с ростом температуры.
Согласно закону Вальдена произведение удельной проводимости жидкого диэлектрика на его вязкость является величиной постоянной и не зависит от температуры. Закон Вальдеиа оправдывается лучше для чистых жидкостей и хуже при наличии в них примесей. Для неполярных жидкостей отступление от закона Вальдена более заметно, чем для полярных.
Проводимость жидкого диэлектрика в соответствии с ее природой уменьшается с увеличением времени воздействия постоянного напряжения. Наличие загрязняющих примесей оказывает влияние иа эту зависимость. По характеру изменения проводимости жидкого диэлектрика от времени воздействия напряжения можно примерно оценить природу загрязняющих примесей. В частности; при быстром (в течение нескольких минут} снижении проводнмо-3*
сти наблюдаются коллоидные примеси, при медленном — ионные.
Стабильность жидких диэлектриков является одним из показателей для прогнозирования и оценки их работоспособности в эксплуатации; возможности хранения, перед технической обработкой, устойчивости при технологической обработке и заливке в электротехническое оборудование. Стабильность, определяют по степени изменения свойств в эксплуатации, при хранении, технологической обработке или в условиях испытания, их моделирующих.
Оценка стабильности в эксплуатации жидкого диэлектрика для оборудования, рассчитанного на многолетний срок службы, дорога и производится в опытной эксплуатации реального оборудования, конструкция которого, в том числе и жидкий диэлектрик, в основном выбрана. В.настоящее время имеется большое и. все увеличивающееся количество жидких диэлектриков, надежный выбор которых необходимо осуществлять на стадии разработки электроизоляционной конструкции. В этом случае проводят ускоренные испытания на стабиль
68
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
ность в специальных устройствах либо макетах электроизоляционных конструкций, для которых предназначен испытуемый жидкий диэлектрик, с воспроизведением основных влияющих Факторов, в первую очередь электрического и теплового полей.
На основе испытания на стабильность определяют параметры физико-математических одно- или многофакторных моделей, описывающих поведение жидкого диэлектрика в диапазоне изменения интересующих влияющих факторов. С помощью такой модели можно прогнозировать поведение жидкого диэлектрика в рабочих условиях.
При технологической обработке жидкий диэлектрик может подвергаться более жесткому воздействию различных факторов по сравнению с эксплуатацией. Например, конденсаторные жидкие диэлектрики в процессе технологической обработки могут быть подвергнуты более интенсивному термоокислительному воздействию, чем за весь срок службы в герметичном конденсаторе.
Важна также и стабильность при хранении жидкого диэлектрика, особенно предназначенного для герметичного оборудования. Некоторые жидкости, высокостабильные в таком оборудовании, разлагаются под влиянием света (некоторые хлоруглеводороды) илн обладают низкой гидролитической устойчивостью и разлагаются под влиянием поглощенной нз воздуха влаги (большинство жидких диэлектриков на основе сложных эфиров).
Стабильность современных синтетических жидких диэлектриков, работающих в высоко-нагруженных конструкциях, зависит от содержания в жидкости растворенных и нераство-рениых металлов. При увеличении их концентрации стабильность резко снижается. В технически чистом диэлектрике содержится до двадцати различных металлов, резкое увеличение концентрации которых может также свидетельствовать о появлении опасных процессов разрушения жидкого диэлектрика.
По устойчивости против воздействия окисления, электрического и теплового поля определяют интенсивность старения жидкого диэлектрика в эксплуатации. Термоокислительная устойчивость жидких диэлектриков, работающих в герметичных конденсаторах, важна для их стойкости в процессе технологической очистки и сушки, а также в эксплуатации, если под влиянием процессов теплового и электрического старения других компонентов электроизоляционной конструкции возможно выделение влаги и кислых продуктов, это например, характерно для разложения целлюлозосодержащих материалов.
Газостойкость (способность выделять или поглощать газ) позволяет оценивать устойчивость жидких диэлектриков к воздействию электрического поля в специальных реакторах коронного, искрового или тлеющего разряда. Наиболее распространенные типы реакторов представлены на рис. 4.1. Газопог лощение пропитывающего вещества в электрическом поле — необходимое условие для стойкости к воздействию частичных разрядов в пропитанных электроизоляционных системах. Известны случаи обнаружения корреляции между газостойко-стью и устойчивостью конденсаторов к воздействию перенапряжений.
Результаты оценки газостойкостн тесно связаны с конструкцией реактора (рис. 4.1). Непосредственная корреляция данных, полученных на установках, различающихся конструкцией и методикой, по существу невозможна.
Воздействие частичных разрядов на жидкие диэлектрики и соприкасающиеся с ними твердые компоненты электроизоляционной конструкции сопровождается выделением продуктов их разложения, ухудшающих электроизоляционные параметры: tg б, сопротивление изоляции, характеристики частичных разрядов (о характеристиках частичных разрядов — см. разд. 2). Обычно выделяются также кислые продукты, разрушающие твердую изоляцию и даже металлические части и электроды, что
Рис. 4.1. Наиболее распространенные реакторы для испытания жидких диэлектриков на газостойкость:
При коронном разряде: а — по ГОСТ 13003-67 с наружным электродом из водного раствора хлористого калия; б— с малым объемом газового пространства и наружным металлическим электродом; в — с наружным металлическим электродом; при темном разряде: г — с внутренним электродом из водного раствора хлористого кальция и внешним металлическим электродом; / — электрод (подвод) высокого напряжения; 2 — камера; 3 — электрод из водного раствора хлористого кальция; 4— заземленный электрод
 § 4.2
Основные свойства электроизоляционных жидкостей
69
сопровождается дополнительным газовыделе-нием. При малой толщине электродов, например металлизированных, кислые продукты и частичные разряды могут полностью их разрушить. В области положительных температур при воздействии частичных разрядов на трихлордифенил увеличивается его газостойкость вследствие снижения вязкости, возрастают кислотное число и количество выделившегося карбонизированного продукта. С ростом газостой-кости увеличивается скорость затухания частичных разрядов после их возникновения, а с ростом кислотного числа и содержания карбонизированного продукта возрастает tg б и снижается сопротивление изоляции. Результирующее поведение изоляции зависит от того, какое из этих влияний преобладает. В частности, при температуре ниже 70 °C интенсивность выделения продуктов, ухудшающих качество изоляции, значительно ниже, чем при температуре выше 80 °C, в то время как скорость увеличения газостойкости с температурой с ростом температуры изменяется сравнительно мало. В этих условиях результирующая скорость старения и срок службы подобных жидких диэлектриков с температурой изменяются соответственно по U-образному и горбовидному законам. В подобных жидких диэлектриках срок службы с температурой сначала возрастает, достигает максимума при 70—80 °C и только затем падает в соответствии с законом Аррениуса.
Совместимость с применяемыми материалами имеет в ряде случаев решающее значение для выбора жидкого диэлектрика. Твердые материалы не должны выделять в жидкость веществ, ухудшающие ее электроизоляционные свойства или вызывающих ускоренное старение; с другой стороны, сами материалы не должны разрушаться и ухудшать свои свойства в среде жидкости, как новой, так и состарившейся. Например, хлоруглеродные жидкие диэлектрики быстро разрушают металлизированные обкладки, разрушают при приложении постоянного напряжения фольговые алюминиевые обкладки, а поэтому не используются в металлизированных конденсаторах и фольговых конденсаторах постоянного тока.
Многие материалы набухают в жидком диэлектрике и теряют свои рабочие свойства. Особенно большое значение приобрела совместимость синтетических жидких диэлектриков с синтетическими пленками, в частности набухание пленок может привести к неполной пропитке и ухудшению стойкости к воздействию электрического поля и снижению срока службы.
Горючесть жидких диэлектриков и взрывоопасность их паров с воздухом определяют опасность возникновения пожара. Под показателем горючести и взрывоопасности жидкого диэлектрика понимают его способность в условиях хранения и применения воспламеняться (или не воспламеняться), распространять (или не распространять) пламя, образовывать (или не образовывать) при горении газы, являющиеся в смеси с воздухом взрывоопасными. Показатель горючести является условным, зависящим от метода его оценки.
Общепринятые методы оценки этой характеристики пока отсутствуют. Обычно имитируют источники и условия воспламенения, ха
рактерные для конкретного электрического оборудования, используют методы определения температур вспышки, воспламенения, самовоспламенения и скорости горения (распространения пламени).
Температурой вспышки считают ту минимальную температуру1', при которой смесь паров нагретого в стандартных условиях жидкого диэлектрика с воздухом вспыхивает при внесении в нее пламени. Хлорированные и фторированные углеводороды дают вспышку при высоких температурах, но негорючи. Поэтому в ряде случаев определение температуры вспышки для них не производят.
Температурой воспламенения считают минимальную температуру воспламенения жидкого диэлектрика в стандартных условиях при внесении в него пламени.
Температурой самовоспламенения считают температуру самовозгорания жидкого диэлектрика при постепенном его нагреве.
Скорость горения жидкости для конденсаторов определяют поджиганием с одного конца стандартной ленты, например, из стеклоткани, пропитанной испытуемым жидким диэлектриком, и измерением времени распространения пламени на определенную длину ленты, например 30 см.
Скорость горения трансформаторных жидкостей количественно измеряют испытанием горением в больших резервуарах. Испытание проводят столько времени, сколько нужно после загорания жидкости, чтобы дать пламени полностью вырасти по высоте, скорости тепловыделения и скорости сгорания массы.
Дым и газы, образующиеся при горении и содержащие твердые и жидкие частицы, увеличивают пожароопасность. Вдыхание дыма и газов вызывает гораздо больше смертей и травм в закрытых помещениях, чем прямой контакт с пламенем. Концентрация кислорода в атмосфере может уменьшиться при сгорании жидкого диэлектрика в закрытых объемах с ограниченным доступом воздуха. Минимальной концентрацией кислорода в воздухе, необходимой для выживания, считают 10 %. Часто при возгораниях концентрация кислорода становится ниже 10 %. Жидкие диэлектрики с низкой скоростью горения обеспечивают более низкую скорость истощения кислорода.
Содержание влаги влияет на поведение жидкости. Растворимость воды или гигроскопичность жидкости зависит от ее химической природы, относительной влажности воздуха и температуры (рис. 4.2, а и б). У углеводородных жидкостей она весьма мала, у полярных жидкостей выше. Растворенная вода диссоциирует на ионы тем сильнее, чем выше е, растворителя — жидкого диэлектрика, и способствует соответственному увеличению проводимости и tg б. При наличии полярных и особенно гигроскопичных примесей возможно образование заряженных микропримесей, способствующих еще большему возрастанию проводимости и потерь, снижению электрической прочности.
При повышении температуры до некоторого предела растворимость влаги в жидких диэлектриках повышается.
В зависимости от содержания влаги в жидком диэлектрике вода может находиться в растворенном, эмульсионном и свободном со-
70
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
114 1 I I I II. .. .I ! I О 5 10 20 90 50 60 70 80 90 7\ВС
Рис. 4.2. Растворимость воды в различных видах жидких диэлектриков:
а — в зависимости от температуры [/ — масло ТКп; 2 — масло Т-1500; 3 — масло ПТ; 4 — масло «Шелл Даала Дх» (Shell Diala Dx, BSJ 148—1978, Англия); $ —ласло «Детройт Эдисон Компани» (Detroit Edison Company, США); 6 — масло «Эссо-Юнивольт-84» (Esso-Univolt-84, Франция); 7— масло № 2 (JiS C-2320-1978R, Япония); 8—совтол-10; 9 — кремнийор-ганнческая жидкость «Родорсил ойл» (Rhodorsil oil 604V50, Франция)}; б — в зависимости от относительной влажности воздуха при различных температурах (--------в трансформаторных маслах ТКп;
— ---- в гексоле)
стоянии. В последнем случае капли влаги тонут в жидкости, плотность которой меньше плотности воды, или могут собираться и плавать на поверхности, если плотность жидкости выше. Вода в жидком диэлектрике может переходить из одного состояния в другое. Переход влаги из растворенного состояния в свободное снижает электрическую прочность, уве
личивает tg б и проводимость. Наличие влаги в масле ухудшает характеристики частичных разрядов, способствует более  активному окислению масла, усиливает корродирующее воздействие продуктов его окисления, сокращает срок службы. При пропитке гигроскопичных материалов происходит большей частью необратимое поглощение влаги из жидкого диэлектрика, что сопровождается соответственно необратимым ухудшением его рабочих параметров. Поэтому перед использованием масло подвергают глубокой очистке с использованием вакуумных обсадных колонн или вакуумного распыления на конечных стадиях сушки и контролем остаточного влагосодержания. В условно открытых, т. е. невакуумно-плотных герметичных системах, например в трансформаторах, масло подсушивается периодически или непрерывно с помощью специальных устройств.
Газосодержание жидкого диэлектрика путем дегазации под вакуумом обеспечивают на достаточно низком уровне. С ростом газосодер-жания жидкого диэлектрика ухудшаются характеристики частичных разрядов, снижается срок службы изделия. Газ в жидкий диэлектрик может попадать при соприкосновении с воздушной или другой атмосферой или образовываться в результате электрохимического или термоокислительного разложения. Для характеристики растворимости данного газа в жидкости служит коэффициент адсорбции, который равен объему газа (при нормальных условиях) в единице объема масла. Растворимость газа в жидких диэлектриках зависит от их вязкости, температуры и парциального давления газа. На скорость насыщения жидкости газом' или, наоборот, дегазации влияет площадь поверхности соприкосновения газа с жидкостью.
Содержание твердых механических примесей и растворенных металлов оказывает большое влияние на стабильность жидкого диэлектрика в эксплуатации. Металлы попадают . в жидкий диэлектрик при его изготовлении, транспортировке, хранении или в производстве электрооборудования.
В свободном и в растворенном состоянии многие металлы оказывают большое влияние на термоокислительное старение, что требует защиты свободных металлических частей и точного определения содержания металлов, например, с помощью беспламенной атомной абсорбционной спектроскопии.
В товарных жидких диэлектриках, в частности, перед заливкой в электрооборудование содержатся микрочастицы (до 105—10е част./ /см3), 94 % которых обычно представляют собой волокна целлюлозы и углеродные частицы, а остальные — металлы: железо, алюминий и т. д., а также песчинки.
Напряженность электрического поля между соседними, расположенными вдоль поля проводящими включениями, разделенными тонким слоем жидкого диэлектрика, возрастает обратно пропорционально расстоянию между ними и при достаточно малых расстояниях достигает огромных значений, приводя к локальному разрушению диэлектрика и выделению большей частью опасных продуктов его разложения. Подобные включения существенно снижают электрическую прочность и срок служ
§ 4.2
Основные свойства электроизоляционных жидкостей
7!
бы, причем в большей степени частицы размером 2—10 мкм. В качестве примера можно отметить такое явление, как увеличение срока службы силовых конденсаторов до 50 раз при полной очистке пропитывающего вещества от микрочастиц.
В высококачественных технических жидких диэлектриках содержание микрочастиц всех размеров перед заливкой в электрооборудование доведено до 102 частиц/см3. По данным японской фирмы «Хитачи» (Hitachi Ltd) при дальнейшем его снижении и а порядок при переменном напряжении увеличивается в 2 раза и в 1,5 раза при импульсах. Аналогичная картина наблюдается при переменном напряжении для бумажной маслобарьерной изоляции, а при импульсах влияние содержания микрочастиц снижается с толщиной барьера.
Вязкость является одним из показателей, важных для оценки теплоотводящей способности и поведения жидкого диэлектрика в электрическом поле. В маловязких жидкостях легче производится конвективный теплообмен и быстрее рассасываются продукты разложения жидкости, частичными разрядами. В вязких жидкостях при охлаждении возможно появление газовых полостей и растрескивание, снижающие стойкость к воздействию электрического поля.
Низкотемпературные свойства жидких диэлектриков оценивают на основании сопоставления значений ряда параметров, например температуры застывания, ег и tg б жидкости при низких температурах, низкотемпературной стабильности, в том числе изменения £пр и характеристик частичных разрядов при низких температурах, критической температуры плавучести льда и др.
Температурой застывания считают температуру, при которой жидкость, охлаждаемая в испытательном приборе в стандартных условиях, остается неподвижной в течение не менее 30 с. Причины потери подвижности жидкого диэлектрика могут быть различными и определяются особенностями его химической природы. В нефтяных маслах она может вызываться кристаллизацией твердых парафинов, в синтетических многокомпонентных жидкостях — выпадением компонентов в осадок. В жидких диэлектриках, представляющих собой индивидуальные химические соединения, она может быть связана со значительным повышением вязкости жидкости или переходом ее в твердое состояние.
Для жидких диэлектриков плотностью ниже 1000 кг/м3, предназначенных для работы в невакуумно-плотных конструкциях, имеет значение показатель — критическая температура плавучести льда, т. е. та минимальная температура, ниже которой кристаллы льда воды будут плавать в среде жидкого диэлектрика, .снижая его £пр. Это произойдет, когда плотность жидкого диэлектрика при данной отрицательной температуре будет больше, чем плотность льда. На рис. 4.3 приведены данные, руководствуясь которыми можно подобрать жидкий диэлектрик с такой плотностью, при которой будет исключена возможность плавания льда в диапазоне рабочих температур, или оценить допустимую с этой точки зрения температуру применения данной жидкости.
Температура кипения, упругость паров и
Рис. 4.3. Зависимость плотности воды, льда и различных видов жидких диэлектриков от температуры:
трансформаторные масла: 1 — масло ТКп; 2 — масло Т-750; 3 — масло Т-1500; 4 — масло ПТ; кремнийор-ганические жидкости: 5 — ПЭС-3; 6 —ПМС-10; 7 — ФМ-1322; 8 — ХС-2-1
испаряемость в совокупности позволяют оценивать летучесть жидких диэлектриков, что важно при расчете технологических режимов термовакуумной обработки и пропитки при выборе режимов работы систем циркуляционного и испарительного охлаждения.
За температуру кипения жидких диэлектриков принимают температуру термодинамического равновесного состояния между жидкой и газообразной фазами при данном давлении (например, при 0,1 МПа). Часто определяют не температуру кипения, а пределы выкипания сложных по.составу жидкостей. Для ориентировочной оценки упругости паров данного жидкого диэлектрика при различных температурах могут быть использованы данные о температурах кипения при различных, давлениях — менее 0,1 МПа.
Плотность жидких диэлектриков снижается с температурой и характеризует класс химических соединений, к которому относится данная жидкость. Температурная зависимость плотности характерна для каждого типа жидкостей. Она определяется по уравнению
Рт«О20-а(/-2°),	(4.1)
где Ого — плотность жидкого диэлектрика, кг/м3, при 20 °C; t — температура, °C, при которой вычисляется плотность; а, — температурный коэффициент плотности, °C-1.
Показатель преломления света п применяется для идентификации и анализа жидких диэлектриков; он изменяется как при переходе, от соединений одного типа к Другому, так и в пределах отдельных гомологических рядов.
При повышении температуры п уменьшается. Температурный коэффициент изменения п специфичен для каждого типа жидкого диэлектрика и определяется экспериментально,, обычно при 20 °C. Показатель преломления света является аддитивной функцией концентрации (выраженной в объемных процентах) отдельных компонентов смеси.
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
Молекулярная масса характеризует особенности химической структуры данного вида жидкого диэлектрика. Для жидкостей на основе хлордифенила повышение молекулярной массы свидетельствует об увеличении степени хлорирования. Для других полимерных жидкостей переход к более высокомолекулярным соединениям указывает на преобладание полимеров с большим числом мономерных единиц.
Для смесей отдельных соединений, гомологов и т. д. молекулярная масса аддитивно определяется молекулярными массами отдельных компонентов.
Технические жидкие диэлектрики обычно представляют собой не индивидуальные соединения или их простые смеси, а сложные конгломераты большого числа различных изомерных и полимерных соединений, для которых рассчитать молекулярную массу не представляется возможным и ее определяют экспериментально.
Удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности— важные параметры жидких диэлектриков для тепловых расчетов и определения вместимости охлаждающей системы. Чем выше теплоемкость и теплопроводность, тем лучше охлаждающая способность жидкого диэлектрика. Коэффициент теплопроводности 'К, Вт/(м-°С), лииейио зависит от температуры t в соответствии с выражением
X = а + Ы,	(4.2)
где а и Ь — постоянные. Для трихлордифенила, например, а=0,0974; 5=0,00018, а для конденсаторного масла а=0,114, 5 =—0,00022.
Экологическая безопасность является одним из решающих факторов при выборе синтетических жидких диэлектриков. Под показателем экологической безопасности жидкого диэлектрика понимают его способность не оказывать опасного биологического воздействия на организм человека и живую природу вообще и их наследственные признаки, не накапливаться в окружающей среде н в организме животных, подвергаться так называемому биоразложению (биодеградации), под которой понимают разложение до безопасного химического состава при воздействии окружающих климатических факторов, ферментов, энзимов и микроорганизмов. Степень воздействия зависит от химической природы жидкостей и условий контактирования с ними. Соприкасающийся с жидкими диэлектриками персонал должен соблюдать предусмотренные санитарно-гигиеническими правилами для данной жидкости и электрооборудования, ее содержащего, нормы н правила по технике безопасности. Обязательно предварительное определение так называемой ПДК (предельно допустимой концентрации) данного вещества в воздухе, воде и окружающей природе. ПДК вредных веществ в воздухе, воде и т. д. — это такие концентрации, которые при ежедневной работе длительностью не более 8 ч в течение всего рабочего стажа не вызывают у работающих заболеваний или ненормальных отклонений в состоянии здоровья. Общеобязательным санитарным требованием является обеспечение таких условий применения, прн которых ие превышаются ПДК данного вещества, за счет соответствующей организации технологического процесса и эксплуатации, принятия действенных мер по охране
труда. Близким к ПДК является показатель БУВ, характеризующий ориентировочный безопасный уровень воздействия.
Следует отметить, что при одних и тех же значениях ПДК у различных жидкостей БУВ, т. е. переносимость их живыми организмами, может быть разная, как и различными могут быть степень я характер переносимости одного и того же жидкого диэлектрика разными людьми.
Одним из показателей для сравнительной оценки степени вредного воздействия данного соединения на живой организм служит условный критерий LDS0, численно равный дозе вещества в миллиграммах на 1 кг живого веса, вызывающий смерть половины подопытных животных в стандартных условиях испытания.
Показатель экологической безопасности — биоразложение (биодеградация) выражается во времени естественного разложения данного вещества в окружающей среде в стандартных условиях испытания. Важным показателем является также токсичность.
Экономичность жидких диэлектриков определяется их ценой, удельной массой и расходом для обеспечения требуемых рабочих параметров.
Цена диэлектрика определяется многими факторами: стоимостью исходного сырья, издержками производства при изготовлении, объемом выпуска, конъюнктурой и др., а поэтому колеблется в очень больших пределах. По имеющимся литературным данным цены на различные синтетические жидкие диэлектрики по отношению к цене на трансформаторное масло, принятой за единицу, составляют: для конденсаторных и трансформаторных полихлордифе-иилов 4—10; для полиметил (полиэтил) силоксанов 25—80; для полифенилсилоксаиов 150— 370; фторорганических жидкостей с температурой кипения свыше 150 °C 750—1150; для конденсаторных сложных эфиров и диарилалка-нов 4—10.
4.3.	НЕФТЯНЫЕ
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАСЛА
Общие сведения. Нефтяные масла применяют в трансформаторах, кабелях, высоковольтных вводах, конденсаторах, выключателях и контакторных устройствах для регулирования напряжения под нагрузкой.
Из-за горючести, неоднородности свойств, определяемых неоднородностью состава, недостаточно высокой, с учетом современных требований высоковольтного оборудования, стойкостью в электрическом поле, истощения традиционных источников нефтей, пригодных для изготовления электроизоляционных масел, наметилась тенденция замены нефтяных масел в некоторых областях применения синтетическими углеводородами.
Трансформаторы, кабели и конденсаторы с высокоочищенными (переочищенными) маслами выходят из строя чаще, чем с маслами, менее очищенными (оптимально), содержащими большой процент естественных антиокислителей и компонентов, устойчивых в электрическом поле. Масла с повышенным содержанием ароматических углеводородов имеют повышенные окислительную и электрическую стойкости,
§ 4.3
Нефтяные электроизоляционные масла
73
меньшую склонность к выделению газов при воздействии на них электрических разрядов и обладает большей способностью к их поглощению.
Нефтяные масла представляют собой сложную смесь углеводородов парафинового, нафтенового, ароматического и нафтеново-ароматических рядов с небольшой (до 1 %) примесью других компонентов, содержащих атомы серы, кислорода и азота, а также в ряде случаев присадками, улучшающими их термоокислительную и электрическую стойкости, температурно-вязкостные характеристики. Нефтяные масла содержат 75—80 %, реже 50—60 % нафтеновых углеводородов с пяти- или шести-, моно- и полициклической структурой с числом атомов углерода 6, 10, 14 (одно- и трехкольчатые углеводороды); при этом в боковые цепи входит 20—25 атомов и более углеводородов, что ближе соответствует нафтеново-парафино-вым углеводородам. До 10—40 % состава нефтяных масел — моно- и полициклические ароматические углеводороды. Часть из них содержит в молекуле также и нафтеновые кольца, и поэтому их относят к нафтеново-ароматическим углеводородам. Ароматические н нафтеновоароматические кольца имеют парафиновые боковые разветвления и иеразветвленные цепи, количество и строение которых влияют на свойства нефтяных масел, например стойкость к окислению, газостойкость, вязкостно-температурные характеристики и др.
Ароматические углеводороды являются необходимой составной частью электроизоляционных нефтяных масел. Их количественный и структурный состав во многом определяет физико-химические и электрические характеристики масел. Полное удаление ароматических углеводородов из масла в процессе очистки приводит к снижению стойкости масла против окисления (особенно при повышенной температуре), каталитического воздействия металлов, света и повышению склонности к газовыделе-нию при воздействии электрических разридов. Излишнее количество ароматических углеводородов, особенно полициклических, ухудшает tg б масел. Для каждого типа масел добиваются оптимального соотношения нафтеновых и ароматических углеводородов.
Нефтяные масла получают очисткой дистиллятных или остаточных фракций нефти от компонентов, ухудшающих физико-химические и электрические свойства (непредельные углеводороды, полярные соединения, некоторые серо- и азотсодержащие соединения, смолы, твердые углеводороды и др.).
Распространенные способы очистки масел: а) кислотио-щелочной (используется концентрированная серная кислота' в количестве 5— 15 % по массе и водный раствор едкого натра); б) селективный (применяют растворители, например, фенол, фурфурол, избирательно растворяющие нежелательные компоненты и примеси); в) адсорбционный (с применением адсорбентов для поглощения нежелательных компонентов); г) гидрирование (процесс, заключающийся в изменении химической структуры углеводороров масла, азотистых соединений). Заключительной стадией очистки масел при использовании способов «а», «б», «г» является доочистка адсорбентом (путем контактирования или перколяции). В связи с этим различа
ют масла кислотно-щелочной, адсорбционной, селективной и гидроочистки.
Физико-химические свойства. Плотность масел обычно варьирует в довольно узких пределах, а температурный коэффициент плотности составляет в среднем 0,00066 °C-1. ' Чем выше содержание в масле ароматических углеводородов, тем выше его плотность, а также показатель преломления.
Теплопроводность 1, Вт/(м-°С), н удельная теплоемкость с, Дж/(кг-°С), нефтяных масел зависят от температуры и связаны с плотностью:
117,2-Ю3 = -------------(1 — 0,00054t); (4.3)
£*15
с = 4,19 (0,345 + 0,000886/) (2,10 — 0,00Ш1в),
(4.4)
где £>15 — плотность масла при 15 °C, кг/м3; t— температура, °C.
Характер зависимости вязкости от температуры (табл. 4.2) определяется химической структурой масла. Удаление из масла высоко-застывающих парафиновых углеводородов приводит к снижению их вязкости при низких температурах.
Масла для холодного климата с низкой температурой застывания и хорошими показателями текучести получают из нафтеновых или малопарафииистых нефтей. Запасы некоторых из них уже исчерпаны. Приходится использовать масла из парафинистых нефтей с высокой температурой застывания, понижаемой введением депрессаторов.
Депрессаторы имеют крупные молекулы и обычно являются ароматическими полимерами, например парафлоу, содержащий нафталиновые кольца с парафиновыми боковыми цепями. Они предотвращают образование кристаллов в масле при охлаждении.
При низких отрицательных температурах воздуха (—20<-25 °C и ниже), особенно в районах Крайнего Севера, работоспособность масляных выключателей и контактных устройств для регулирования напряжения под нагрузкой существенно зависит от вязкости масла, которая влияет иа скорость движения подвижных контактов, на продолжительность их отключения. Во избежание обеспечения надежности работы в холодное время года путем применения электрического подогрева в СССР и за. рубежом разработаны и применяются легкие нефтяные масла с пониженными температурой застывания и вязкостью в области отрицательных температур, при высокой противоокисли-тельной и электрофизической стабильности.
Цвет товарного трансформаторного (конденсаторного) масла, обычно соломенно-желтый, характеризует глубину его очистки: чем глубже очистка, тем светлее масло. При недостаточно полном удалении из масла природных смолистых соединений и накоплении продуктов окисления масло имеет более темный цвет: чем их больше, чем темнее масло.
Поверхностное натяжение хорошо очищенных масел при 20 °C обычно 40—45 кН/м; недостаточно очищенные масла имеют более низкие его значения, а в окисленных маслах — это признак наличия полярных продуктов окисления.
74
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
Таблица 4.2. Вязкостно-температурные показатели некоторых товарных трансформаторных масел различного происхождения по Р. А; Липштейну, М. И. Шахновичу и Г. Д. Голованю
.Происхождение масла	Кинематическая вязкость, 10 6 №/с. при температуре, °C							Плотность при 20 °C, кг/м3	Показатель преломления света при 20 вС	Структурно-групповой анализ масел, %		
	-40	—30	—20	+20	+50	4-70	+90			СА	сн	сп
Марка ТКп, ТУ 38-101-890-81, из анаста-сиевской нефти (кислотно - щелочной очистки) Марка ТКп, ТУ 38-. 101-890-81, из смеси бакинских нефтей . (кислотно-щелочной очистки)	3020	810	255	17,6	6,1	3,7	2,6	891,5	1,4935	20,8	30,8	39,4
	4250	1010	300	26,6	8,3	5,0	3,7	883,2	1,4869	11,3	42,7	46,0
Марка ТСп, ГОСТ 10121-76, из парафи-. нистых сернистых нефтей (фенольной очистки)	3300	970	340	25,7	8,4	4,0	3,4	861	1,4750	5,1	34,6	60,3
Марка ТСп, ГОСТ 10121-76, из парафи-- нистых сернистых . нефтей (гидроочищенное)				19,0	6,4			863,4	1,4724	8,6	34,4	57,0
Марка Т;1500, ГОСТ 982-80, из бакинских нефтей (кислот-ио-щелочной очистки с контактной доочисткой)		850		19,3	6,6			875	1,4830	12,5	39,8	47,7
Марка ГК, ТУ 38-401-358-84, из западносибирских парафи- нистых нефтей		1000		24,3	7,2			865,3	1,4728	15,6	44,4	40,0
..Примечание. Сд. Сц, Сц — числа углеродных атомов соответственно в ароматической, нафтеновой и парафиновых структурах, все выражается в расчете иа 100 углеродистых атомов образца масла.
Растворимость воды в маслах зависит от их углеводородного состава и наличия полярных примесей. С ростом содержания ароматических углеводородов и полярных примесей (спиртов, кислот, мыл и др.) гигроскопичность масел увеличивается. Окисленные масла более гигроскопичны.
Растворимость в масле различных газов зависит от химической природы последних (табл. 4.3). Растворимость в масле водорода, азота, воздуха с повышением температуры (От 20 до 80 °C) возрастает, растворимость кислорода слегка, а растворимость углекислого газа резко снижается. Под влиянием электрического поля растворимость газа в масле уменьшается вследствие явления электрострикции. При колебаниях (вибрации) определенной частоты может происходить локальное изменение растворимости газа в масле. С ростом давления растворимость газа в масле увеличивается.
Электрофизические свойства. Значение ег масел, равное 2,2—2,3 при 20 °C, с ростом температуры до 90 °C снижается в среднем на 3—4 %.
При частоте 50 Гц tg б в маслах практически определяется проводимостью и зависит от степени их очистки. С увеличением температуры 1g tg б линейно возрастает. При низких напряженностях электрического поля может на-
Таблица 4.3. Растворимость некоторых газов в трансформаторном (конденсаторном) масле
при -|-25 °C и 0,1 МПа (по М. И. Шахновичу)
Газ	Растворимость, % (об.)	Газ	егЧ у ОХ©
Элегаз	43	Водород	7
Перфторпро-	39	Метан	30
пан Воздух Азот	9,4 8,6	Этан Этилен	280 280
Кислород	16	Ацетилен	400
Аргон	15	Пропилеи	1200
Углекислый газ Окись углерода	120 9	Пропан Бутан	1900 2000
блюдаться увеличение tgS масла при снижении напряженности электрического поля, тем большее, чем больше содержание ионных примесей в масле.
На tg б и проводимость масла практически не влияет влага, находящаяся в состоянии истинного раствора. При изменении растворимо
$ 4.3
Нефтяные аЛектрбиАоляционные масла
75
сти влаги в масле (например, при охлаждении) часть влаги может выделиться в виде мелкодисперсных капелек, вызывая резкое увеличение tg 6 и снижение р. Специально обезвоженные органические кислоты, перекиси, спирты, фенолы (при условии их полного растворения в масле) не оказывают заметного влияния на tg 6 масла.
В эксплуатации повышение потерь масла связано с накоплением нераствореиных и коллоидных частиц (шлам, мыла, продукты разрушения твердой изоляции, волокна и др.).
При промышленной частоте основными источниками повышенных потерь в свежих маслах (помимо мелко дисперсных капелек влаги) являются коллоидные нейтральные н кислые асфальтосмолистые вещества и следы мыл. Наиболее эффективное удаление любых коллоидных частиц из масла осуществляется адсорбционной очисткой, что наряду со снижением tgS повышает стабильность масел и их стойкость против старения.
Наличие в свежих маслах присадки ионол не оказывает влияния на повышение tg5 масла.
Для технически чистых масел пробивное напряжение в стандартном разряднике составляет 50—60 кВ при 50 Гц и примерно' 120 кВ при воздействии импульсного напряжения (волна 1,5/40 мкс).
Полярные вещества, влага и газы, находящиеся в состоянии истинного раствора, не влияют на £пр масла. Их выделение в свободном виде снижает Епр масла, особенно при одновременном наличии в масле твердых микропримесей. Поэтому в маслах для работы при высоких напряжениях и напряженностях электрического поля нормируют содержание микропримесей, особенно с наиболее опасными размерами частиц — от 2 до 10 мкм, присутствующих.к тому же в наибольших количествах.
Рис. 4.4. Зависимость пробивного напряжения трансформаторного масла от температуры при постоянном и переменном напряжениях, электроды—диски 25 мм с закругленными краями, . расстояние 2,5 мм. По 3. М. Белецкому, Е. Л. Тополянскому, В. Й. Рыженко:
при .постоянном напряжении: / — масло ТКп, содержащее 0.0020 % (мае.) воды; 2 — масло Т-1500, содержащее 0,0040 % (мае.)' 'воды; при переменном напря-•  ’ женим: 3 —масло ТКп; 4 —масло Т-1500-
Микрочастицы в маслах резко снижают также и срок службы электрооборудования.
В состоянии поставки технически чистые масла содержат в 1 см3 до десятков и сотен тысяч микрочастиц с размером до 100 мкм.
Содержание микрочастиц в масле измеряют при получении от поставщика и перед заливкой в электрооборудование, поскольку в процессе обращения с маслом и его технологической обработки содержание микрочастиц возрастает от соприкосновения со стенками металлической тары и трубопроводов. Для удаления микрочастиц используют молекулярные сита с калиброванными отверстиями.
Снижение температуры масла в пределах +20 до —5 °C при переменном и постоянном напряжении приводит к уменьшению £Пр масла, а дальнейшее снижение ее от —5 до —45 °C вызывает рост ЕПр (рис. 4.4). Это объясняется различным агрегатным состоянием воды в масле, образованием кристаллов льда и ростом вязкости масла. При перемешивании масла в испытательной ячейке с помощью мешалки Enp его ниже, чем в статических условиях.
Старение масла. В процессе эксплуатации масла происходят глубокие превращения, характеризуемые понятием «старение» и сопровождаемые изменением химических и электрофизических показателей. Старение масел в эксплуатации происходит под воздействием электрического и тепловых полей, кислорода илн окислителей. Оно ускоряется за счет одновременного воздействия этих факторов, света, излучений высоких энергий, некоторых материалов и соединений, являющихся активными катализаторами реакций старения углеводородов масла. Активными катализаторами окисления масла являются: медь и ее сплавы, соли органических кислот и металлов переменной валентности (меди, железа, кобальта и др.), растворимые в масле.
Характер превалирующих процессов старения зависит от условий эксплуатации: в негерметичных системах старение масла происходит в основном под воздействием кислорода воздуха, вызывающего окисление углеводородов и других компонентов масла, в герметичных системах — под воздействием электрического и тепловых полей, в некоторых специальных системах — под воздействием излучений высоких энергий и др.
Характер влияния на старение различных воздействующих факторов ие является аддитивным. Степень влияния одного фактора зависит от уровня воздействия других факторов.
Химические реакции старения углеводородов в жидкой фазе протекают по цепному механизму, который осуществляется прн помощи свободных радикалов: углеводородного и перекисного. Вещества, являющиеся донорами свободных радикалов, ускоряют, а соединения, связывающие свободные радикалы, тормозят старение. Химический состав масел подбирают таким, чтобы в нем не содержалось естественных катализаторов старения и сохранились соединения, замедляющие старение, — естественные ингибиторы. Устойчивость против старения и стабильность масел находятся в зависимости от способа и глубины нх очистки, что на примере термоокислительной стабильности в. электрическом поле иллюстрируется данными табл. 4.4.
76
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
Таблица 4.4. Влияние обработки адсорбентом на термоокислительную , стабильность в электрическом поле трансформаторного масла (по М. И. Шахновичу			
Образец масла	при 70 °C [Я	Показатель после 720 ч окисления при 95 °C при £—2,5 МВ/м	
	tgd масла до старени	tgd при 70 °C	Кислотное число, мг КОН на I г
Из смеси бакинских парафинистых нефтей кислотно-щелочной очистки То же после обработки 5 % гумбрина То же после обработки 10 % гумбрина Таблица 4.5. иоиизиров: (no Р. А. Липште	0,0130 0,0035 0,0025 Окислен 1НИОГО к йиу и IV	0,082 0,06 0,046 ие масел ислорода 1. И. Uiaxi	0,45 0,30 0,25 в среде товичу)
Показатель	Значения параметров масел после окисления при 100 °C		
	в среде ионизированного кислорода при напряженности в масле 1,56 МВ/м (без меди, 30 ч)		без ионизации прн напряжен- ности в масле 4,90 AW/м (с медью. 42 ч)
	из бакинских нефтей	из эмбенских нефтей	для этих же масел параметры не превы- шают значений
Количество поглощенного кислорода, см3 на 100 г масла	520	760	48,5
Кислотное число, мг КОН на 1 г	5,26	4,29	0,25
Содержание водорастворимых кислот, мг КОН на 1 г	0,86	1,00	0,05
Содержание воды, % (мае.)	0,16	0,17	0,01
Увеличение вязкости, %	10,0	12,0	0
Осадок, % (мае.)	0,39	0,36	0,07
Широко применяется синтетическая ингибирующая присадка 2,6-дитретичный бутил-4-метил-фенол, [фирменные названия: ДВРС и ДБПК (дибутилпаракрезол), ионол, топанол-0, керобит и др.] н добавляемая к маслам в кон
центрации от 0,1 до 0,5 %- В присутствии ионола старение масла протекает в 2—3 раза медленнее, чем без него. Известны присадки — дезактиваторы н пассиваторы металлов, которые подавляют каталитическое действие металлов и замедляют старение масла, например антраниловая кислота, дисалицнлиденэтилен-диамин, дисалицилиденпропилендиамин (оптимальная концентрация этих соединений в масле до 0,05%), которые эффективно действуют как в чистом виде, так и особенно в сочетании с ингибиторами окисления масла.
Электрическое поле ускоряет процесс старения и изменяет характер продуктов окисления масла, в частности наблюдаются более интенсивное образование воды, коагуляция осадка н его накопление в зоне максимальной напряженности поля, а также повышение tg б масла. Частичные разряды в масле приводят к образованию газов — низкомолекулярных углеводородов, дальнейшее разложение которых заканчивается образованием водорода и высокоуглеродистых остатков.
В среде ионизированного кислорода масло поглощает кислород и интенсивно окисляется (табл. 4.5).
Для срока службы масел, работающих без замены при высоких напряженностях электрического поля, определяющим является их поведение в условиях воздействия частичных разрядов. При этом характер превращений в масле и их конечные результаты зависят от окружающей масло среды. На первых стадиях этих превращений в условиях присутствия растворенных или свободных воздуха (кислорода) и активных окислителей происходит их поглощение, при достаточной интенсивности которого возможно появление разрежения, которое может даже ускорить дальнейшее развитие частичных разрядов. В вакууме или при наличии азота под воздействием частичных разрядов все масла выделяют газ с интенсивностью, зависящей от химического состава, структуры и соотношения компонентов масла.
Оценку газостойкости масел проводят в тихом или коронном разряде в атмосфере воздуха нли водорода. В первом случае по результатам испытания (по характерным областям кривой газостойкости) судят о термоокислительной устойчивости в электрическом поле (область 1 кривой газостойкости), поведении в условиях вакуума или азота (область 2) и, наконец, в условиях водорода (область <?, рис. 4.5).
Количество поглощенного (выделенного) газа зависит от энергии воздействующих электрических разрядов и состава масла (рис. 4.6).
В масле должно содержаться определенное количество ароматических углеводородов, которые химически связывают активный водород в момент его выделения из углеводородных молекул. С увеличением содержания ароматических углеводородов увеличивается tg 5 масел при их старении. Содержание ароматических углеводородов в маслах ограничивают определенным оптимумом, обеспечивающим наибольшее увеличение срока службы (рис. 4.7). Этот оптимум зависит от структуры ароматических углеводородов.
Газовыделение в электрическом поле усиливается в результате реакций кислых продук-
§ 4.3
Нефтяные электроизоляционные масла
77
Рис. 4.5. Кривые газостойкости в реакторе темного разряда, в атмосфере воздуха, газостойкого конденсаторного масла при 2,6 МВ/м, 100 Гц и 80 °C
тов разложения масла в процессе его старения с металлом обкладок, токоведущих и других деталей, находящихся под напряжением. С таким газовыделением борются, подбирая состав масла, кислотность которого меньше возрастает в процессе старения, защитой металла частей, находящихся под напряжением.
Старение масел, сопровождающееся образованием воды, перекиси, шлама, кислоты, ускоряет старение твердых электроизоляционных материалов, в первую очередь содержащих целлюлозу. При этом увеличивается их tg б и ускоряется разложение, продукты которого способствуют усилению старения масла, при одновременном воздействии электрического поля, когда действие этих факторов суммируется (табл. 4.6).
Рис. 4.6. Зависимости газостойкости трансформаторных масел различного происхождения от содержания углерода в ароматических кольцах усредненной молекулы. По Г. Д. Голованю и Е. Н. Штерн:
/ — масло ТКп; 2 —масло Т-750; 3 —масло Т-1500; 4— масло ПТ; 5 — масло ТАп; 6 — масло ТСп; 7 — масло «Эссо-Юнивольт-84», Франция; 8—масло «Детройт Эдисон Компани», США; 9 — масло «Шелл Диала Дх», Англия; /О —масло Трамор (Tramor, Австрия); 11 — масло Гора-100 (Ghora-100, Ирак); 12 — масло BTS ЧСН-65-6845 (ЧССР); 13 — масло TGZ-17580, TRF-G (ГДР); 14 — масло Миер (Misr, АРЕ)
С увеличением энергии электрических разрядов глубина разложения масла возрастает, уменьшается интенсивность газопоглощения, увеличивается иитенсивиость газовыделения и образования углеродистых остатков. При достаточно большой энергии электрического разряда масло становится газовыделяющим (искра, пробой, электрическая дуга). Его разложение происходит с образованием горючих газов, иизкокипящих жидких углеводородов, углеродистых частиц.
По составу газа, выделяющегося из масла в работающем аппарате, судят о характере развивающегося повреждения. Если среди компонентов газа обнаружена окись углерода, предполагают вовлечение в процесс разложения твердых, например целлюлозосодержащих, материалов.
Установлено, что под действием электрического поля происходит интенсификация теплоотдачи в маслах.
Совместимость масла с твердыми материалами. Сталь, олово, оловянно-свинцовый сплав, никель, хром, кадмий мало изменяются сами и слабо влияют на масло при его термоокислительном старении. Медь и медные сплавы интенсивно корродируют, являются активными катализаторами окисления и значительно повышают tg 5 масла. Интенсивность коррозии повышается с температурой окисления и связана с химическим составом масла. При этом возможно появление на поверхности металлов пленок, повышающих переходное сопротивление контактов.
При отсутствии контакта масла с воздухом или активными окислителями при температурах до 95 °C (окисление масла при этом не происходит) без воздействия электрического поля металлы практически не влияют на изменение показателей масла.
Рис. 4.7. Влияние на свойства нефтяного конденсаторного масла содержания ароматиче-ческих соединений (углерода в ароматических структурах), %:
1 — гаэостойкость (интенсивность газовыделения или газопоглощения) в реакторе тихого разряда в исходной атмосфере воздуха (третья характерная область кривой газостойкости); 2 — tg б при 70 °C в конце испытания; 3 — срок службы (т) в относительных единицах при ресурсных испытаниях в бумажных конденсаторах на переменном напряжении
78
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
Таблица 4.6. Окисление масла в электрическом поле в присутствии целлюлозных материалов (по Р. А. Липштейиу и М. И. Шахновичу)
Показатель	Значения показателей масла после 44 ч окисления при ПО °C с медью					
	без электрического поля			при напряженности 4,9 МВ/м		
	Масло	Масл 04-4-бум ага	Масл 04-4-картон	Масло	Масло-J-4-бумаг а	Масло+ +картон
Количество . поглощенного кисло-	28,5	33,2	54,3	48,5	54,0	64,0
рода, см3 на 100 г:.. Кислотное число, мг КОН на 1 г	0,10	0,11	0,13	0,13	0,13	0,16
Содержание воды, г	0,008	0,008	0,008	0,045	0,012	0,012
То же, в 4 г бумаги	—	0,024	 ' *	 1 	.	0,028	—
То. же в 21 г картона	-—.	—	0,075	—	  1 	0,100
То же суммарное	0,008	0,032	0,083	0,045	0,040	0,112
Примечания: 1. Во всех опытах образцы стандартной кабельной бумаги марки КМ-120 и картона трансформаторного имели одинаковую поверхность, толщина картона в 4 раза больше, чем бумаги.
2. Перед опытами образцы бумаги и картона сушились при давлении 133 Па, температуре 105 ‘С в течение G ч.
В пропитанных маслом системах, рассчитанных на длительный срок службы без замены масла, все медные токоведущие части лудят, цинкуют или никелируют. -
В пропитанных маслом системах, работающих на постоянном напряжении, при окислении масла или выделении из твердой изоляции кислых’ продуктов илн окислителей наблюдается интенсивная коррозия алюминия, соли которого являются активными катализаторами коррозии алюминия. Для борьбы с этим явлением в масло вводят специальные ингибиторы, например антрахинон. При температурах, не превышающих 95 СС, пленки лаков на глифта-левой основе, прошедшие нормальную для них термообработку, повышают кислотность масла, а бакелитовый лак и эпоксидная грунтовка, в частности ЭП-0010 и ЭП-0020 по ГОСТ 10277-76, на основе эпоксидной смолы Э-40 практически не действуют на трансформаторное масло, но в ряде случаев недопустимо ухудшают конденсаторное масло. Целлюлозные бумаги и картоны, слоистые пластики на фенолформальдегидных и эпоксидных смолах, хлопчатобумажные материалы, буковая, кленовая и березовая древесина, древесные слоистые пластики, пластмассы иа основе фенолофор-мальдегидных смол (на основе новолачных смол после дополнительной обработки) не влияют заметным образом на трансформаторное масло и в зависимости от степени чистоты материала и технологии изготовления могут также не влиять на конденсаторное масло. Фторопласт не влияет на масло различных марок. Лакоткань ЛХМ првышает кислотность масла.
Наиболее устойчивы в среде масла резины на основе фтор- и кремнийорганических каучуков. Стойкость других резин зависит от их химического состава.
Устойчивы в среде масла клен на основе эфиров целлюлозы.
В каждом конкретном случае подбор материалов осуществляют на основе испытания на совместимость, условия которого устанавливают с учетом рабочих требований, например: выдержка при ограниченном доступе воздуха в течение 48 ч при 95 СС масла с испытуемым материалом и без такового, с контро
лем параметров масла до и после испытания.
Эксплуатация масел. Для продления срока службы электроизоляционных масел, помимо применения присадок, замедляющих старение
Таблица 4.7. Эффективность контактной регенерации трансформаторных масел различными природными и синтетическими адсорбентами (по И. В. Браю, М. И. Шахновичу, Ф. Д. Овчаренко и Г. Д. Головаию)
Адсорбент		концентрация адсорбента, % (мае.)		число масла после регенерации, мг КОН на 1 г	t g б масла после регенерации при 50 Гц и 70 °C
Кислотное число окисленного масла 0,16 мг
КОН на 1 г		
Зикеевская земля	7	0,05
Крымский кил	7	0,06
Уфимский адсорбент	7	0,05
Инзерская темная	7	0,07
земля Камчатский вулкани-	5	0,08
ческий пепел Вольская мука	7	0,05
Владимирский туф	5	0,10
Силикагель СКС	3	0,01
Кислотное число окисленного масла 0,30 мг
КОН на 1 г и tg 5=0,180 при 70 °C				
Черкасский монтмориллонит, активированный 5 %-ной серной кислотой	10		0,15	0,017
То же, активированный 15 %-ной серной кислотой	10		0,025	0,02
Силикагель марки кскг	10		0,125	0,022
Зикеевская	земля марки Д	10		0,075	0,005
§ 4.3;
Нефтяные злектроизоляционные масла
79
Таблица 4.8. Основные физико-химические и электрофизические показатели свежих товарных- трансформаторных масел
		Марка		ГОСТ 982-80		
	Марка ТКп, ТУ					
		ТАп, ТУ	Марка ТСп,			Марка ГК,
	38-101-890-81	38-101-281- -80	ГОСТ 10121-76	Марка Т-750	Марка Т-1500	ТУ38-401-358-84
	Кислотно-					
показатель			Очистка: де-			
	очистка; карбамидная	Адсорб-	парафиииза-ция при глу-	КИСЛОТНО-	Кислотно-щелочная	Гидрокрекинг и каталйтичес-
	Депарафинн-	ционная	боком охлаж-	щелочная	очистка или	каи депарафи-
	зация и кис-	очистка	дении, селек-	очистка	адсорбцией-	ни зация *
	лотно-щелоч-		тивная фено-		ная очистка	
	ная очистка		лом			
Код ОКП	02 5376 0102	02 5376 0103	02 5376 0106	02 5376 0104	02 5376 0105	02 5376 0108
Плотность при 20 °C, кг/м3, не более Кинематическая вязкость,	895	895	.—	895	895	895
Ю 6 м2/с, не более:						
при 50 °C	9,0	9,0	9,0	8,0	8,0	9,0
при 20 °C	—	30.0	28,0	——	—ш	—
при —30 °C	1500	1500	1300	1600	поо	1200
Температура застывания, °C,	—45	—50	—45	—55	—45	—45
не выше						
Кислотное число, мг КОН на	0,02	0,02	0.02	0,01	0,01	0,01
1 г, не более						
Температура вспышки в за-	135	135	150	135	135	135
крытом сосуде, °C, не ниже						
Общая стабильность против окисления по методу ГОСТ 981-75, кислотное число окисленного масла, мг КОН на 1 г, не более	0,10	0,05	0,10	0,20*	0,20*	0,10***
Количество осадка после	0,01	0.008	Отсутствие	Отсу-тст-	Отсутствие*	Отсутствие®
окисления, % (мае.), не бо-				вне*		
лее						
Стабильность по Статическо-	0,40	—	0,30	——		
му методу ГОСТ-11257-65: кислотное число окисленного масла, мг КОН на I г, не более						
Содержание водорастворимых кислот в окисленном масле, мг КОН на 1 г, не более	0,10		0,03			
Содержание осадка, % (мае.), не более Стабильность против окисле-	0,05	—	0,015	—	—	150
					0,005	
ний по методу МЭК, публикаций 474-1974: - индукционный период окисления, ч, не менее tg б при 50 Гц и 90 сС не						
	0,022	0,005	0,017	0,005		0,005
более Зольность, %, не более	0,005	0,005	0,005	—	—	.—
Натровая проба,- оптическая плотность, не более	0,40	—	0,40	0,40	0,40	0,40
Концентрация присадки но-	0,20	0,30	0,20	0.30	0,40	0,25
иол, % (мае.) Цвет на колориметре ЦНТ,		.—.	1,0	1.0	1.0	0,5
единицы ЦНТ, не более					Отсутствие	Отсутствие
Содержание механических примесей Стабильность по методу	Отсутствие	Отсутствие	Отсутствие	Отсутствие		
						
ВЭИ в условиях воздействия электрического поля напряженностью 2,5 МВ/м при 95 °C в присутствии меди после окислений в течение 720 ч:					0,10	0,005**
кислотное число, мг КОН на I г, не более	0,20	0,20	0,25	0,10		
						0,0025**
осадок на обмотках, %	0.04	0,05	0,05	0,02	0,02	
(мае.) tg б при 50 Гц и 70 °C не более	0.215	0.237	0,250	0,056	0,050	0,0040**
р прн 0,5 МВ/м и 90 °C, Ом- м	5*10“	5 • 10ю	5«1О10	10й	5.10”	1012 2,20
вг при 50 Гц н 20 °C	2,3	2,3	2,17	2,25	2,20	
Пробивное напряжение в	70	70	70	75	75	80
стандартном разряднике, кВ, не менее						
Поверхностное натяжение	34,4	35,8	35,4	41,6	42,2	48.3
пр.и 20 °C, -кН/м				0.80	0,74	0,78
1 азостойкость по методу ГОСТ 13003-67 (поглощение	0,80	0,70	0,30			
						
Водорода), мл						
80
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
Продолжение табл. 4.8
	Марка ТКп, ТУ 38-101-890-81	Марка ТАп, ТУ 38-101--281-80		ГОСТ 982-80		
			Марка ТСп, ГОСТ 10121-76	Марка Т-750	Марка Т-1500	Марка ГК. ТУ38-401-358-84
Показатель	Кислотно-щелочная очистка; карбамидная депарафинизация и кислотно-щелочная очистка	Адсорбционная очистка	Очистка: депарафинизация при глубоком охлаждении, селективная фенолом	Кислотнощелочная  очистка	Кислотно-Щелочиая очистка или адсорбционная очистка	Гидрокрекинг и каталитическая депарафинизация
Структурно-групповой анализ: количество атомов углерода» %: в ароматических струк-турах Сд в нафтеновых структурах сн в парафиновых структурах С п Молекулярная масса Показатель преломления при 20 °C	18,4 40,3	24,0 41,0	6,7 34,3	17,2 41,3	12,5 39,8	15,4 44,8
	41,2 245 1,4950	35,0 260 1,4970	59,0 225 1,4760	41,5 240 1,4920	47,7 250 1,4830	39,8 210 1,4730
* Окисление по методу ГОСТ 981-75 при
•• Окисление по методу ВЭИ в условиях при 95 °C в присутствии меди, после 1000 ч.
*** Окисление по методу ГОСТ 981-75 прн
Примечание. Сырьем для всех масел, ти, для последних — сернистые нефти.
130 °C, время 30 ч и скорость расхода 50 см’/мни.
воздействия электрического поля напряженностью 2,5 МВ/м
145 °C, время 30 ч и скорость расхода кислорода 50 см!/мин.
кроме масел по ГОСТ 10121-76, являются малосернистые неф-
масла, используют различные методы, обеспечивающие защиту масла от непосредственного контакта с воздухом н его влагой (герметизация оборудования). В производстве кабелей используют только герметичные, а в силовом конденсаторостроенни вакуумно-плотные конструкции. Герметизацию используют и в транс-форматоростроении. При эксплуатации кабелей и конденсаторов замены и регенерации масла не производят.
Старение ухудшает рабочие параметры масла: tg б, цвет, кислотность, вязкость, температуру замерзания и др.
Температура застывания мало изменяется под влиянием окисления и дуговых разрядов, но существенно увеличивается при воздействии частичных разрядов за счет полимеризации компонентов масла и увеличения его вязкости. Обычно используемые присадки для понижения температуры застывания масел не применяются в процессе эксплуатации масел как ан-тиокислнтельные присадки. Поэтому при наличии депрессаторов удается устранить опасное снижение температуры застывания масел.
Подготовка свежих и регенерация масел, бывших в эксплуатации. Для удаления из масла диспергированной в нем влаги и крупных твердых примесей применяют различные центрифуги (серий НС, С, НСМ, ПСМ), имеющие производительность от 2000 до 10 000 л/ч и обеспечивающие необходимое качество масел, предназначенных для применения в трансформаторах и других электрических аппаратах напряжением 35 кВ и ниже.
Для удаления растворенных влаги, газов н легких примесей типа волокон и т. п. нз масел, используемых для пропитки и заливки электрических аппаратов напряжением более 35 кВ, применяют различные вакуумдегазационные
установки производительностью от 500 до 45 000 л/ч. Эффективным, но малопроизводительным (800—1000 л/ч) способом осушки масел является обработка высушенными до остаточной влажности 0,5 % (мае.) искусственными цеолитами марок NaA и СаХ (молекулярные сита), обеспечивающие содержание воды в масле 0,0015—0,0010 % (мае.). Для очистки от механических загрязнений масла фильтруют через пористые перегородки. Эффективность очистки зависит от размеров пор фильтрующих материалов. Известны способы фильтрации между слоями фильтровального материала (фильтры щелевого типа), магнитные фильтры (для улавливания из масла частиц черных металлов), электростатические фильтры.
Для регенерации масел с кислотным числом ниже 0,40 мг КОН на 1 г используют метод контактирования масла с различными природными и синтетическими адсорбентами при 50—60 °C (табл. 4.7). С целью повышения про-тивоокислительной стабильности регенерированных масел необходимо вводить присадку ДВРС или ионол в количестве 0,3—0,4 % (мае.). Основные показатели регенерированных ингибированных масел должны соответствовать нормам на свежие масла. Масла, залитые в оборудование, допускается эксплуатировать до тех пор, пока их показатели не превысят значений, указанных в соответствующей технической документации.
В зависимости от особенностей состава нефти и технологии получения масла физикохимические и электрофизические показатели товарных трансформаторных масел могут быть различными (табл. 4.8).
Кабельные масла различают по температуре вспышки и вязкости: марок С-220 и КМ-25— высоковязкие; МН-4 — маловязкое, содержа-
Диэлектрики на основе хлорированных углеводородов
81
Таблица 4.9. Основные физико-химические показатели свежих товарных кабельных масел
Показатель	Марка масел			
	С-220, ГОСТ 8463-76, код 02 5377 0200	МН-4 ТУ 38-101-654-76, код 02 5377 0102	КМ-25, ТУ 38-101-449-79, код 02 5377 0300	
			Высший сорт |	I сорт
Плотность при 20 °C, кг/м3	837	<900	>900	>900
Показатель преломления света прн 23 °C Кинематическая вязкость, 10~6 м2/с:	1,4870	<1,500	>1,500	>1,500
при -4-ЮО °C	11	—	23	23
при +50 °C	50	10,0	-—	—
при +20 °C	800	40,0	—	—
при 0 °C	5000	110,0	—	—
при —20 °C	—	575	—	—-
при —30 °C	—	2200	—	—
Температура вспышки в закрытом сосуде, °C	180	135	225	220
Температура застывания, °C	—30	—45	—10	-10
tg б при 50 Гц и 100 °C	0,002	0,003	0,005	0,005
То же после старения масла при 120 °C в течение 300 ч не более	0,009	0,020*	—	—
То же после старения масла в присутствии меди при 120 °C в течение 300 ч	0,012	0,350**	—	—
Вг при 50 Гц и 20 °C	2,25	2,2	2,15	2,15
р при 0,5 МВ/м и 100 °C	104	10И	2-101°	101°
Электрическая прочность при 50 Гц и 20 °C, МВ/м	21	18	15	15
Кислотное число, мг КОН на 1 г	0,02	0,04	0,06	0,07
Содержание золы, % (мае.), не более	0,001	0,005	0,007	0,008
Температура растворения масла в анилине, °C, в пределах Стабильность против окисления по методу ГОСТ 981-75:		72—75		
количество осадков после окисления, %, не более	—	0,02	—	—
кислотное число окисленного масла, мг КОН на 1 г		0,10	—	—“
* Температура старения 115 °C в течение 96 ч.
** Температура старения 100 °C в течение 300 ч.
щее 0,2 % присадки ионол. Масло КМ-25 используют в сочетании с канифолью или синтетическим полимером — октолом. Для пропитки бумажной изоляции кабелей на напряжение 1—35 кВ применяют компаунды, включающие масло КМ-25 и канифоль или октол в качестве добавки, повышающей вязкость и газостойкость пропитывающей массы. В маслонаполненных кабелях низкого и среднего давления применяют масло МН-4. Для маслонаполненных кабелей высокого давления применяют масло С-220. Все кабельные масла отличаются весьма низкими значениями tg б (табл. 4.9).
Основные показатели качества масла Для масляных выключателей и контакторных устройств регулирования напряжения под нагрузкой, имеющие марку МВ (код ОКП 02 5376 0109), должны удовлетворять следующим основным требованиям ТУ 38-101-857-80:
Плотность, кг/м3, не более ....	860
Вязкость, 10~6 м2/с, при —50 °C не
более ..............	150
Температура вспышки в закрытом сосуде, °C, не ниже..................... 96
Температура застывания, °C, не выше	—70
tg б при 50 Гц и 90 °C, не более . .	0,005
Конденсаторные масла (код 02 5376 0200). отличаются от большинства сортов трансформаторных масел более глубокой очисткой и меньшими значениями tg б (табл. 4.10).
4.4.	ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ ХЛОРИРОВАННЫХ
УГЛЕВОДОРОДОВ
В течение последних 50 лет наибольшее применение имели синтетические жидкости на основе хлорированных углеводородов. Это обусловлено их высокой термоокислительной и электрической стабильностью, особенно при переменном напряжении, негорючестью, повышенным значением щ, относительно невысокой стоимостью при наличии вполне удовлетвори-
S2
Жидкие, диэлектрики
Разд. 4-
Таблица 4.10. Основные физико-химические показатели товарных конденсаторных масел по ГОСТ 5775-68 высшей категории качества (код ОКП 02 5376 0200)
Показатель	Масло серно-кис-лотиой очистки из малосер-ипстых нефтей	Масло фенольной очистки из сернистых нефтей с 0,2 % присаДки ДВРС
Плотность, кг/м3 Кинематическая вязкость, 10~6 м2/с:	866	901
при 20 °C	45	 30
при 50 °C	12	9
Содержание золы, % (мае.)	Отсутствует	0,005
Температура вспышки, °C	160	162
Температура застывания, °C	—45	—48
Кислотное число, мг КОН иа 1 г, не более	0,01	0,016
Содержание серы, %, не более	—	1,55
ег при 20 °C	2,2	2,26
tg6 при 100 °C	2-10-4	15-10-4
тельиых большинства эксплуатационных свойств. Однако, как указано выше, из-за токсичности хлорированных углеводородов их применение сначала ограничивалось, а сейчас почти повсеместно запрещено, хотя в эксплуатации еще имеются значительные количества.
Хлорированные углеводороды получают в
результате реакций взаимодействия соответствующих углеводородов (например, дифенила, бензола) с хлором, с замещением части атомов водорода в молекуле углеводорода атомами хлора. В зависимости от условий реакции могут быть получены моно-, ди-, три-, тетра-и т. д. хлорзамещенные мономерные и полимерные углеводороды. Обычно получается смесь соединений с разными степенями замещения (всего 148 изомеров), но с преимущественным содержанием с заданной средней степенью замещения. Фракционированием продуктов хлорирования удаляют летучие и смолистые соединения, адсорбционной очисткой и фильтрацией извлекают нежелательные примеси. Используют смеси различных хлоруглеводо-родов, отличающихся по своим химическим и электрофизическим свойствам, в основном трихлордифенил (ТХД) и смеси ТХД с трихлбр-бензолом.
По мере увеличения количества атомов хлора в молекуле полихлордифенила (ПХД) повышается молекулярная масса, растет плотность, вязкость, температура застывания, температура кипения, снижается упругость паров.
Температурный коэффициент объемного расширения ПХД находится в пределах 0,00067—0,00073 °C-1. Удельные теплоемкости различных ПХД близки и находятся, например, для ТХД в диапазоне 10—130 °C от 1,14 до 1,24 кДж/(кг-°С); теплопроводность при тех же температурах — в пределах 0,0958— 0,0987 Вт/(м-°С).
Допустимая рабочая температура ПХД находится в пределах 95—ПО °C в зависимости от условий работы н требуемого срока службы. При воздействии электрической дуги ПХД разлагается с выделением углерода и хлористого водорода. Для связывания хлористого водо-
Таблица 4.11. Основные показатели товарных хлорированных жидких диэлектриков
Показатель	Трихлордифенил, ОСТ 6-01-4.3-79		Совтол-10, ОСТ 6-01-17-74		Гексол, ТУ-01-981-75
	высший сорт	первый сорт	высший сорт	первый сорт	
Плотность при 20 °C, кг/м3	1360—1390	1360—1390	1510—1530	1540	1640
Кинематическая вязкость при 20 °C, 10-6 м2/с	40—70	40—70	650	650	3,5—4,0
Температура застывания, °C	—19	—18	—6	—6	—60
Удельная теплоемкость при	1,21	1,21	1,59	1,59	0,964
20 °C, кДж/(кг-°C)					
Коэффициент теплопроводно-	0,0963	0,0963	—	—	0,15
сти при 20°C, Вт/(м-°С) tg6 при 50 Гц, 90 °C не более р при 90 °C, Ом-м, не менее	0,015	0,02	0,03	0,06	0,03 (при 70 °C)
	3- 10s	3-109	104?	101?	1,3-101»
s, при 50 Гц не менее:					
при 20 °C	5,9	5,7	—	—	2,7—2,9 (при 70 °C)
при 90 °C	5,0	4,8	4,3	4,3	
Электрическая прочность, при	20	20	22	20	18
20 °C, МВ/м, не менее			(при 65 °C)	(при 65 °C)	(при 35 °C)
Массовая доля высокохлори-	3,5	3,5	— -	—-	—
роваиных гомологов (пеита-и выше), % не более					24 5149 0200
Код ОКП	24 5145 0120	24 5145 0000	24 5143 0120	24 5143 0130	
§ 4.4
Диэлектрики на основе хлорированных углеводородов
83
Таблица 4.12. Совместимость твердых электроизоляционных и конструкционных материалов с трансформаторными хлорированными жидкостями
Вид материала	Применяется без ограничений	Требуется предварительное испытание	Непригодны для применения
Металлы*	Все виды	—	—
Стекло, керамика	Все виды		—
Целлюлозные материалы	Кабельная, телефонная бумага, хлопчатобумажная ткань, электротехнический картой без наполнителей и несклеен-ный	Электротехнический кар тон с наполнителями или склеенный	
Древесина Слоистые пластики на- основе целлюлозных материалов и фено-лоформ альдегидных или эпоксидных смол	Буковая	Крезоло-, феноло- и ме-ламиноформальдегидные смолы; эпоксидные смолы, специально подобранные; некоторые полиуретановые смолы	Хвойные породы
Термопластичные пластмассы	—	Полиамидные, непластн-фицироваииые триэфиры целлюлозы	Поливинилхлоридные, полиметакрила т-ные
Уплотняющие ма-	Кремиийоргаиическая	Пробка (специально об-	Пробка необработан-
териалы	резина (термостатированная), асбест, кожа (специально обработан-	работанная), специальная резина иа основе иитрильного каучука;	ная, резина на основе натурального и синтетического кау-
	ная), политетрафторэтилен	линейные сополимеры гексафторпропилена и винилиденфторида	чука; поливинилхлорид
Клеи	Раствор целлюлозы в изоциановом эфире поливинилового спирта, казеин		Поливинилхлоридный, поливннилаце-татный, полиоргаио-силоксановые КТ-15 н КТ-47
Эмали	На основе изоцианового эфира терефталевой кислоты, эпоксидных смол (хорошо полимеризованных), специально подобранных На основе полиэфирно-полиизоциаиатных полимеров		На масляной основе, поливинилацетатные, нитроэмали
Пропитывающие лаки		—	На масляной илн мас-ляно-глифталевой основе
Прочие материалы	—	Флюсы для пайки на основе буры; молочнан 1 кислота	—-
* Во всех случаях металлические поверхности должны быть очищены от окалины, следов масла и смазок.
рода, выделяемого ПХД при его разложении электрическими разрядами и вымываемого из некоторых электроизоляционных материалов, например полипропиленовой пленки, в ПХД вводят специальные, главным образом эпоксидные, присадки, которые должны иметь высокую степень чистоты во избежание вредного воздействия на tgS как самого ПХД, так и пропитанной им изоляции.
Классификация и показатели качества хлорированных жидких диэлектриков даны . в табл. 4.11.
В силу полярности электроизоляционные свойства ПХД весьма чувствительны к различного рода загрязнениям. Они легко вымывают
и растворяют загрязнения из соприкасающихся с ними материалов. Для работы с ПХД подбирают хорошо совместимые с ними материалы, номенклатура которых значительно уже, чем с нефтяным маслом, а требования По чистоте более жесткие (табл. 4.12).
Для пропитки силовых конденсаторов применяют ТХД, который наряду со многими преимуществами обладает также и недостатками, препятствующими его конкуренции с другими пропитывающими жидкостями. К ним относится повышенная вязкость, особенно прн низких температурах. С увеличением вязкости при низких температурах резко снижается ег ПХД и замедляется поглощение и удаление
84	Жидкие диэлектрики	Разд. 4
газообразных продуктов разложения жидкости из зоны действия частичных разрядов.
Несмотря на значительные преимущества, ПХД не смогли полностью вытеснить нефтяное масло и другие виды пропитывающих веществ в силовых конденсаторах с широким диапазоном рабочих отрицательных температур, на постоянном напряжении, при использовании металлизированных обкладок.
В СССР для пропитки и заполнения силовых трансформаторов в основном применяют совтол-10, представляющий собой смесь 90 % пентахлордифенила н 10 % трихлорбензола, и гексол. Совтол-10 по своим вязкостно-температурным свойствам значительно уступает гексолу, что несколько ограничивает область его применения в трансформаторах. Гексол представляет собой смесь 20 % пентахлордифеиила и 80 % гексахлорбутадиена.
Для пропитанных хлордифенилом конденсаторов с повышенным градиентом желательно, а в бумажно-пленочных и пленочных конденсаторах обязательно применение эпоксидных стабилизаторов пропитывающего вещества. В противном случае возникающие при низких температурах н даже слабых перенапряжениях частичные разряды приводят к выделению НС1 и выходу конденсаторов из строя. Прн контактировании с полипропиленовой пленкой хлордифенилы вымывают примеси, из которых наиболее опасны хлористые соединения (остатки катализатора), существенно ухудшающие электрические характеристики конденсатора. Эпоксидный стабилизатор связывает HCI, предохраняя конденсатор от разрушения.
Попытки пропитки подобных конденсаторов иестабилизнроваииым трихлордифеннлом привели к резкому увеличению аварийности конденсаторов в эксплуатации. Эпоксидные стабилизаторы существенно повышают срок службы пропитанных ПХД бумажно-пленочных силовых конденсаторов за счет связывания не только продуктов разложения ПХД электрическим полем, но и ионных примесей, экстрагируемых из пленки и бумаги. Контроль содержания эпоксидных стабилизаторов включен в международные нормы. Главной трудностью стабилизации эпоксидными соединениями являются невозможность обеспечения достаточно инзких потерь н опасность резкого их увеличения у конденсаторов, содержащих бумагу и другие целлюлозные материалы, особенно если они являются адсорбентными, т. е. содержат мелкодисперсный адсорбент для улавливания ионных загрязнений. Для пропитки адсорбеит-ных бумаг приходится использовать нестаби-лизироваиный ТХД либо специальные эпоксидные присадки.
Применяемая в СССР присадка диглицидовый эфир бисфенола ие приводит к увеличению потерь в конденсаторах с адсорбентной бумагой. Она ие удерживается адсорбентом конденсаторной бумаги и ие ухудшает существенно ее потери после пропитки.
Уменьшить чуствительность к загрязнениям и повысить стабильность трансформаторных жидких диэлектриков можно при замене сов-тола на гексол, который ие горюч, не взрывоопасен, химически стабилен, имеет хорошие электрофизические и вязкостно-температурные свойства. Гексол не застывает при температуре
до —60 °C и меньше подвержен влиянию загрязнений, чем совтол. Он совместим с материалами, приведенными в табл. 4.12.
Все жидкости иа основе ПХД относятся к категории токсичных и биологически вредных соединений, и при их использовании следует соблюдать установленные правила техники безопасности и .промышленной санитарии.
Экологическая опасность ПХД возрастает с увеличением степени хлорирования, поэтому пентахлордифенил в конденсаторостроении был заменен ТХД, содержание высокохлорирован-иых фракций в котором стало нормироваться на уровне не выше 0,5—3,5 %.
Снижение степени хлорирования приводит к понижению вязкости ПХД. При внедрении полипропиленовой пленки потребовались снижение температуры пропитки и соответственно дальнейшее снижение вязкости ПХД, применяемых для пропитки силовых конденсаторов. Это обстоятельство потребовало дополнительного снижения степени хлорирования ПХД, что благоприятно сказалось иа их экологических свойствах.
Предельно допустимая концентрация ТХД в воздухе рабочей зоны 1 мг/м3 относится к классу высокоопасных веществ по ГОСТ 12.1.007-76.
Утилизация трансформаторов и конденсаторов с полихлордифенильиыми жидкостями, отработавших свой срок, производится по специальной нормативно-технической документации.
Для пропитки трансформаторов и конденсаторов применяют также другие виды хлорированных углеводородов или нх смеси: различные виды сложных эфиров (см. § 4.7), пропитывающее вещество Южилек (Франция) на основе полихлорфенилтолилметанов. Южилек мало отличается от хлордифеннлов по своей стабильности и совместимости с обычно применяемыми материалами, но имеет несколько меньшую огнестойкость.
В распределительных трансформаторах взамен ПХД за рубежом находят применение Южилек-141 (чистый дихлортолилдихлорфеиил-метан) и на основе его смесей с трихлорбензо-лом различные модификации, например Южилек Т. Жидкости Южилек малотоксичны, био-разлагаемы при достаточной химической стабильности.
4.5.	ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ ПОЛИОРГАНОСИЛОКСАНОВЫХ
(КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ) СОЕДИНЕНИЙ (ПОСЖ)
Жидкие диэлектрики на основе полиорга-носилоксановых соединений имеют постоянно расширяющуюся область применения, особенно в зарубежной практике, связанную с запрещением и ограничением производства ПХД и их заменой в различных электротехнических изделиях на нетоксичные и экологически безопасные кремнийорганические жидкости.
В отечественной практике полиорганоси-локсановые жидкости используют в импульсных трансформаторах, специальных конденсаторах, блоках радио- и электронной аппаратуры, волноводах, преобразовательных устройствах, магнетронах и в некоторых других елуча-
§ 4.5	диэлектрики на основе полиорганосилоксановых соединений	85
ях, а за рубежом, кроме того, в силовых распределительных и тяговых трансформаторах, на крупных морских судах.
Имеющийся более чем 10—15-летний опыт применения жидких полиорганосилоксаиовых диэлектриков подтвердил их высокое качество, термоокислительную стабильность и эксплуатационную .надежность.
ПОСЖ горят, но прн горении выделяют плотные пары, содержащие мельчайшие частицы кремния, углекислый газ, водяные пары, формальдегид и пр., которые способствуют погасанию пламени.
В распределительных трансформаторах, предназначенных для работы в пожароопасных условиях, расширяется применение димегилси-локсаиовой жидкости вместо ПХД, так как получены данные о огнестойкости пропитанных ею. трансформаторов. Температуру вспышки ЗТбЙ жидкости для трансформаторов нормируют ие ниже 300 °C. По мере старения. ПОСЖ температура их вспышки понижается. Для повышения температуры вспышки в ПОСЖ вводят соединения железа, меди, церия и некоторых других металлов, которые являются стабилизаторами разрушения ПОСЖ. Наиболее активны из них соединения церия, которые позволяют существенно повысить температуру вспышки ПОСЖ- Введение небольшого количества ацетилапетоната церия повышает температуру вспышки и снижает количество выделившегося газа в результате термического разложения ПОСЖ-
ПОСЖ пока еще нельзя рассматривать как полноценные заменители ПХД вследствие дороговизны и неразложения в окружающей среде, хотя они и не токсичны.
Расширяется применение ПОСЖ в бумажно-пленочных и чистопленочиых силовых конденсаторах низкой частоты вместо ПХД. В этом случае ПОСЖ ие обеспечивают таких же высоких характеристик частичных разрядов по сравнению с пропиткой ПХД. Для устранения этого недостатка в конденсаторные ПОСЖ вводят от 0,5 до 20% (мае.) специальных стабилизаторов или дополнительно вводят ПОСЖ, содержащие ароматические структуры (полиметилфенилсилоксан).
Пропитанные ПОСЖ пленочные конденсаторы выпускают на рабочие частоты от 10 до 50 кГц.
ПОСЖ применяют при сравнительно малой доле их стоимости в общей стоимости пленочных силовых конденсаторов, когда преимущества ПОСЖ являются решающими. Например, пропитанные ПОСЖ пленочные поликарбоиат-иые силовые конденсаторы вследствие повышенной рабочей температуры (130—140 °C) имеют лучшие удельные характеристики по сравнению с другими типами.
Применяемые ПОСЖ в зависимости от строения радикала (метил-, этил-, фенил-, галоген-), непосредственно связанного с атомом кремния, относятся к следующим основным группам:
а)	полиметилсилоксановые	жидкости
(ПМСЖ);
б)	полиэтилеисилоксановые	жидкости
(ПЭСЖ);
в)	полиметилфенилснлоксановые жидкости (ПМФСЖ);
г)	полихлор (фтор) органоснлоксановые жидкости ПХ(Ф)ОСЖ.
Товарные ПОСЖ представляют собой смеси . продуктов одного из названных видов, но различной молекулярной массы. Обычно, чем больше молекулярная масса, тем менее летуча жидкость, тем выше ее температура застывания, больше вязкость. ПМСЖ среди ПОСЖ отличается более пологой кривой зависимости вязкости от температуры. ПЭСЖ и ПМФСЖ при равных с ПМСЖ значениях вязкости при 20 °C имеют более высокую вязкость при отрицательных температурах. ПХ(Ф)ОСЖ характеризуются наиболее высокой вязкостью при отрицательных температурах.
Молекулярная масса ПМСЖ средней вязкости лежит в пределах 3000—30 000, При равновеликих значениях вязкости молекулярная масса ПМФС и ПХ(Ф)ОСЖ, как правило, выше, чем ПМСЖ-
Плотиость для большинства ПОСЖ лежит в пределах 940—980 кг/м3 и только для полимеров, содержащих фенильные или галоидные радикалы, плотность превышает 1000, ио не более 1200—1400 кг/м3 (если желательно сохранить свойства жидкости).
Температура кипения и летучесть ПОСЖ зависят от их вязкости (молекулярной массы). Только очень низкомолекулярные жидкости кипят при атмосферном давлении. Жидкости с вязкостью при 20 °C, превышающей 10Х X 10“® м2/с, кнпят при давлении 131,5—394,5 Па при температурах свыше 250—300 °C. Летучесть различных видов ПОСЖ практически одинакова и значительно меньше, чем нефтяных масел. Для ПОСЖ с вязкостью (16—30) X Х10“® м2/с при 50°C, не содержащих низкомолекулярных полимеров, характерна весьма низкая упругость паров — порядка 1,31— 131 мкПа при 20 °C.
Температура вспышки и воспламенения ПОСЖ связана с их летучестью. Она колеблется от 145—150 °C (для ПМСЖ и ПЭСЖ) до 290°C (для ПМФСЖ). При температурах, более высоких, чем температура вспышки, ПОСЖ самовоспламеняются без контакта с открытым пламенем.
Температура застывания большинства средиевязких ПОСЖ ниже —60 °C.
Поверхностное натяжение ПМСЖ отличается аномально низкими значениями — от 16 кН/м при вязкости 0,65-10-® м2/с до 21 кН/м при вязкости 50-10“® ма/с и выше.
Температурный коэффициент объемного расширения для различных ПОСЖ колеблется в пределах от 0,00065 до 0,00091 °C-1. Продукты термической деструкции ПМФСЖ и ПМСЖ химически подобны первоначальным полимерам и ие обладают коррозионным действием, однако снижают вязкость жидкости. При термической деструкции ПХ(Ф)ОСЖ образуют кислые продукты, которые могут в дальнейшем увеличивать скорость разложения полимеров. Термостабильность смеси ПОСЖ с другими жидкими диэлектриками определяется стабильностью меиее стабильного компонента.
Основные продукты окисления ПМСЖ: па-раформальдегнд, муравьиная кислота, вода, окись углерода, углекислый газ, водород, сшитый полимер, ПМСЖ, до 205 °C имеют низкую скорость окисления и стабильнее нефтяных ма
86
Жидкие диэлектрики
Разд’. 4
сел. ПМФСЖ по сравнению с ПМСЖ имеют большую окислительную способность, возрастающую с увеличением отношения фенильных радикалов к метильным, которые легче окисляются. По окислительной стабильности ПОСЖ. содержащие хлор и фтор, близки к ПМФСЖ.
Для повышения окислительной стабильности ПОСЖ используют растворяющиеся в них антиокислительные присадки, например: производные ферроцена, содержащие железо, металл-оргаиические соединения, включающие церий или другие редкоземельные элементы, бензантрацен и др.
Ииертиы относительно друг друга ПОСЖ и ароматический полиамид, тетрафторэтилеи, полистирол, метакрилат, пластмассы на основе фенольных смол, целлюлозные материалы. Совместимы с ПОСЖ хлоропреновые, изобутиленизопреновые, нитрилбутадиеновые и фтор-каучуковые резины. Непригодны полиэтилен, поливинилхлорид, кремнийорганические резины.
Большинство металлов при температуре до 220 °C не влияют иа окислительную стабильность ПМСЖ и ПМФСЖ. Селен, теллур, свинец и сплавы на его основе ускоряют образование геля. Медь, фосфористая бронза, алюминий в некоторых условиях действуют как ингибиторы гелеобразования.
ПМСЖ растворимы в легких углеводородных жидкостях, галоидированных углеводородах, высших спиртах, эфирах, кетонах; частично растворимы в зависимости от вязкости в ацетоне, бутаноле, легких нефтяных маслах; не смешиваются с тяжелыми нефтяными маслами, петролатумом, тяжелыми галоидирован
ными углеводородами, легкими спиртами (эта-иол, метанол), эфирами (этилцеллюлозы), жирными кислотами. Фенилированиые производные более растворимы, чем метилированные. ПЭСЖ растворимы в ароматических и хлорированных углеводородах н нефтяных маслах. Большинство производных органосилоксаиов, содержащих галоидные радикалы, нерастворимы в органических растворителях.
Значения ег ПМСЖ и ПЭСЖ практически не изменяются в широком диапазоне частот — до 108 Гц. Изменение частоты мало сказывается на характере температурной зависимости tg 6 ПОСЖ. Значения ег ПОСЖ мало изменяются при повышении вязкости и понижаются с ростом температуры. Характерная для ПМСЖ пологая кривая изменения вязкости с температурой определяет малую зависимость tgS ПМСЖ различной вязкости от температуры.
Замещение метильных радикалов оптимальным числом фенильных радикалов заметно повышает ег жидкости. То же наблюдается при введении хлора в фенильный радикал ПМФСЖ-
У ПОСЖ, не содержащих влаги и посторонних примесей, Еар в равномерном электрическом поле не ниже, чем у нефтяных масел или хлоруглеводородов.
В неравномерном электрическом поле импульсная ЕПр в промежутке острие — сфера диаметром около 3 мм у ПОСЖ выше, чем у нефтяного масла, причем наблюдается некоторое ухудшение импульсной Евр с ростом содержания фенильных радикалов. В больших промежутках, например при электродах диаметром около 25 мм, наоборот [за исключением Таблица 4.13. Номенклатура и показатели
		ПМСЖ			
Показатель	ПМС-10	ПМС-20	ПМС-50	ПМС-60	
Плотность при 20 °C, кг/м3 Температура кипения при 150—400 Па, °C Температура вспышки, °C, не ниже Температура застывания, °C, не выше Кинематическая вязкость, 10~6 м2/с: при 100 °C при 20 °C	- >-* при —50 °C Пробивное напряжение в стандартном разряднике, кВ, не менее tg 6 при 100 Гц и 20 °C tg 6 при 100 Гц и 100 °C р при 0,2 МВ/м и 20°C, Ом-м вг при 50 Гц и 20 °C Содержание воды, % (мае.), не более Удельная теплоемкость при 20 °C, Дж/(кг-°С) Коэффициент теплопроводности при 20 °C, Вт/(м-°С) Молекулярная масса Показатель преломления при 20 °C Код ОКП	942 250 172 —65 3,2 10 120 (при —60 °C) 35 0,0002 0,0008 2-1012 2,6—2,7 0,004 1725 0,138 950—1500 1,401 22 2921 0103	956 250 200 —60 7,4 20 172 35 0,0002 2- 1012 2,6—2,7 0,004 1717 0,140 1000—1700 1,403 22 2921 0105	974 300 220 —60 17,2 50 500 45 0,0002 0,001 2-1012 2,6—2,7 0,004 0,153 2000—3000 1,405 22 29210112	974 300 280 —60 60 700 45 0,0002 0,001 2-1012 2,6—2,7 0,004 0,154 1,405 22 29210109	
Примечания: I. ПМСЖ выпускают по ГОСТ 13032-77; ПЭСЖ марок 132-12д и ПЭС-3-—соответствен 2. В скобках приведены прежние обозначения марок полиорганосилоксанов.
§ 4;5 '	Диэлектрики на основе полиорганосилоксановых соединений
87
ПМФСЖ с высоким содержанием фенильных радикалов, равным 28 % (мол.)], £пр при импульсах у нефтяного масла выше.
Изменение относительной влажности от 2 до 30 % мало влияет на переменное пробивное напряжение ПОСЖ, затем с ростом относительной влажности оно быстро падает, а при 60— 65 % остается постоянным. При пробое ПОСЖ на переменном напряжении появляются мостики, степень образования которых увеличивается с ростом вязкости ПОСЖ. Полагают, что они состоят из полупроводящего карбида кремния. С ростом вязкости ПОСЖ его переменное пробивное напряжение снижается. Обнаружено влияние материалов электродов на £пр ПОСЖ.
Разложение ПОСЖ электрической дугой сопровождается газовыделением в основном водорода и твердых продуктов: углерода, двуокиси и карбида кремния, резко снижающих Ёпр’ПОСЖ- Разложение ПМСЖ н ПЭСЖ частичными разрядами сопровождается газовыделением, в основном водорода, ПМСЖ нега-зостойкне, а ПМФСЖ газостойкие.
Напряжение возникновения частичных разрядов и их погасания в промежутке игла — плоскость у ПМФСЖ существенно выше, чем у ПМСЖ. При температуре выше 100 °C оио снижается и становится ниже, чем у ПМСЖ.
Исследование обеих жидкостей после теплового старения в чистом виде и в бумажных и пленочных конденсаторах не обнаружило заметного ухудшения их свойств; установлено практически полное отсутствие растворения примесей из бумаги и пленки, а также атактической фазы полипропилена.
Относительная радиационная стойкость ПОСЖ повторяет их распределение по окислительной стабильности вследствие сходства механизмов радиационного распада и окислительного старения. Среди продуктов радиационного распада ПМСЖ и ПМФСЖ содержится водород, углеводородные газы, некоторое количество жидких углеводородов, кремнеметилев, кремнеэтилен, дисилан и сшитый полимер.
Биологическое воздействие ПОСЖ на человеческий организм либо отсутствует, либо слабое. ПМСЖ практически нетоксичны, ПМФСЖ могут оказывать большее воздействие, чем ПМСЖ. При разложении ПХ(Ф)ОСЖ могут образовываться токсичные продукты.
В СССР производится широкая номенклатура ПОСЖ (табл. 4.13), применяемых в качестве жидких диэлектриков.
У конденсаторов, пропитанных диметилпо-лиорганосилоксановой жидкостью, температурные зависимости напряжения возникновения и погасания частичных разрядов носят слабо выраженный горбовидный характер. При этом напряжение погасания частичных разрядов оказывается в 2—3. раза ниже, чем напряжение возникновения. При пропитке ПМФСЖ напряжения возникновения и погасания частичных разрядов различаются лишь на 25 %. Они линейно снижаются с температурой в пределах от —20 до +80 °C.
При температуре от 20 до ПО °C tgfi полипропиленовых конденсаторов, пропитанных ПМФСЖ, составляет примерно 0,1 %, а ПМСЖ —0,075—0,08 %.
качества ПОСЖ, выпускаемых в СССР
	ПЭСЖ		ПМФСЖ		ПХ (Ф) осж		
	132-712Д (ПЭС-Д)	пэс-з	ФМ-5	133-79 (ФМ-1322)	161-123 (ФС-5)	ХС-2-1	161-45 (ФС-56)
	960	960	944	1003	1080	1029	1145
	165	150-185	250	190	200—250	—	315
	150	125	200	200	200	240	320
	—60	—70	—НО	—70	—100	—94	—90
	—		3,3	4,6	5,9	5	8	ПО
	70—140	15	16	24,5	18	45	550
		380	150	250	600	—	3270 (прн —20 °C)
	45	45	—	35	—	—	—
	0,0002	0,0003	0,002	0,0016	0,02	1, ч	0,0001
	0,007	0,03	—		—	—	0,006
	3- 101г	Ю11	10И	10’1	5-Ю10	—	4-10»
	2,5	2,4	2,8	2,7	5,4	—.	5,8
	—.	—	—	—	—		
	1738	1733	1788	1763	1691	1696	1482
	0,171	0,138	0,135	0,143	0,115	0,141	0,127
			415—470			1900	1500—2600	1500—2550	5800
	——	1,438	—	1,451	—	1,4302	1,3913
	22 2913 0101	22 2912 0103	22 2933 0105	—	—	22 2941 0100	—
tse ПО ГОСТ 10916-74 в ГОСТ 13004-77; ПМФСЖ — ПО ТУ 6-02.973-79; ПХ(Ф)ОСЖ — ПО ТУ 6-62-1030-75.
88
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
4.6.	ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ ФТОРОРГАНИЧЕСКИХ (ФОСЖ)
И ХЛОРФТОРОРГАНИЧЕСКИХ (ХФОСЖ) СОЕДИНЕНИЙ
Хлорфторуглеводородные и фторуглеводородные жидкости (ФУЖ) образуют семейства отличающихся строением молекул, содержанием атомов хлора и фтора, но имеют между собой определенные сходства свойств. С химической точки зрения они являются производными углеводородов, аминов, эфиров и др., в которых атомы водорода частично или полностью замещены атомами хлора и фтора. Прн полном замещении водорода фтором жидкости называют перфторированными углеводородами.
Способы синтеза ХФОСЖ и ФОСЖ в большинстве случаев отличаются сложностью, для осуществления многих нз них требуются дорогие исходные продукты и реактивы. Эти обстоятельства определяют их высокую стоимость и ограниченные масштабы применения.
Некоторые хлорфторуглеводсроды, которые по своим термодинамическим свойствам нашли применение в качестве хладоагентов, получили название хладонов (раньше их называли фреонами). Ряд хладонов нашли применение в качестве жидких диэлектриков. Это обусловлено их негорючестью, высокой химической,
окислительной и термической стабильностью, хорошими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Хладоны применяют для заполнения небольших трансформаторов, блоков электронного оборудования и других электротехнических изделий во всех случаях, когда другие виды жидких диэлектриков не выдерживают дысоких рабочих температур. Показатели некоторых хладонов по ТУ и литературным данным приведены в табл. 4.14.
Под воздействием электрической дуги фторуглеводородные жидкости разлагаются с выделением низкомолекулярных фтор-углеводородов, углекислого газа, окиси углерода, фторангидрндов. Последние могут вызывать коррозию металлов или разрушение твердых электроизоляционных материалов. Продукты, образующиеся при пробое ФУЖ, мало влияют на снижение их электрической прочности, в связи с чем такого рода жидкости могут применяться для заполнения коммутирующей аппаратуры.
Некоторые типы перфторированных жидкостей, имеющих невысокие температуры кипения (104—140°C), являются перспективными для применения в силовых трансформаторах с испарительным охлаждением или для получения комбинированной электроизоляционной и теплоотводящей среды с использованием элегаза. Например, в США и в Японии длительное время эксплуатируются такие трансформаторы
Таблица 4.14. Основные физико-химические и электрофизические показатели жидких хладонов
Показатель	Хладон-112, ТУ 6-02-831-79	Хладон-113, ГОСТ 23844-79	Хладон-114, ТУ 6-02-470-80
Требования ТУ и ГОСТ			
Содержание основного компонента, %	97,0	99,96	99,7
(мае.), ие более Содержание органических примесей, %	3,0	0,03	0,2
(мае.), ие более Содержание нелетучего остатка, % (мае.),	0,003	0,001	0,001
не более Кислотность	Отсутствие	Соответствие п. 4.Б ГОСТ	Отсутствие
Содержание свободного хлора	»	Отсутствие	—
Содержание воды, % (мае.), не более	—	0,003	0,002
Содержание воздуха, % (объем.), не более	—	—-	0,10
Код ОКП	2412 4901 0004	2412 4902 0001	2412 4901 0005
Фактические значения по литературным данным			
Плотность, кг/м8	1634 прн 30 °C	1576 при 20 °C	1456 при 25 °C
Температура кипения, °C	90—100	47,6	3,6
Температура плавления,°C	—23,8	—35	—94
Теплопроводность, Вт/(м-°С)	.0,075	0,07	0,07
Вязкость, сПз	1,21 при 25 °C	0,68 при 25 °C	0,356 при 30 еС
Поверхностное натяжение, кН/м	23 при 30 °C	19,6 при 20 °C	—
Urn при 60 Гц и 25 °C, кВ:			
жидкости	32	31	49
пара при 0,10 МПа	—	28	25-
tg 6 при 100 Гц и 25 °C	0,0002	0,0001	0,00001
р при 25°C, Ом-м	1012	101*	1014— 10и при о°С
Ег при 100 Гц и 25 °C	2,52	2,41	2,26
Примечание. Значения tg ё. р—по данным Brock С. М., Coyner Е. С. «Proc. 6-th Electrical Insulation Conf.. 1965. с. 241—250; все остальные фактические значения —по данным В. Ф. Томановской, Б. Е. Колотовой «Фреоны, свойства и применение». М... 1970, с, 68—98.
§ 4.8	Диэлектрики на основе синтетических углеводородов	89
напряжением 65—77 кВ, мощностью 25— 40 мв-а;
ХФОСЖ и ФОСЖ малогигроскопичны. Однако при продолжительной выдержке в атмосфере повышенной влажности их электрическая прочность снижается.
Для хладоиов характерна хорошая совместимость с большинством материалов, применяемых в электротехнических изделиях.
В хладонах значительно набухают иитрил-кремиийоргаиические и кремнийорганические резины, натуральный каучук, буна и бутилкаучук. Непригодными являются лаки на масляной основе.
Хладоны отличаются уникальными теплопередающими свойствами, что обусловлено высокими значениями теплоты их парообразования.
Хладоны являются негорючими жидкостями, а смесь паров хладонов с воздухом взрывобезопасна.
Хладоны признаны нетоксичными соединениями, однако в помещении, заполненном парами хладона, при достаточной их конпентрации наступает смерть теплокровных животных от удушья, вызванного, по-видимому, недостатком кислорода.
4.7.	ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ СЛОЖНЫХ ЭФИРОВ. КАСТОРОВОЕ
МАСЛО
Жидкие сложные эфиры представляет собой широкую группу продуктов химической промышленности с весьма разнообразными свойствами, необходимыми для электрической изоляции конденсаторов. Их применение возросло после повышения гидролитической устойчивости с помощью эпоксидных соединений.
В СССР, как и за рубежом, проводятся работы по применению разных сложных эфиров в производстве конденсаторов. До сих пор для производства конденсаторов применяют сложный эфир природного происхождения — касторовое масло.
Касторовое масло — триглицерид рициио-левой кислоты до сего времени является незаменимым пропитывающим веществом для импульсных конденсаторов. Несмотря на трудность очистки, неоднородность свойств и невозможность достижения достаточно малых значений tg б, его так же используют и в пленочных конденсаторах переменного тока низкого напряжения. Касторовое масло получают из семян клещевины.
В качестве жидкого диэлектрика используют высокоочищенные бразильское, индийское и отечественное (ГОСТ 18102-72) медицинские касторовые масла и техническое касторовое масло по ГОСТ 6757-73. В отечественной промышленности используют касторовое масло всех сортов, но в основном техническое по ГОСТ 6757-73, получаемое методом экстракции. Важным показателем качества касторового масла является кислотное число, которое перед заливкой в конденсаторы не должно превышать 0,3 мг КОН на 1 г.
Наличие в касторовом масле растворенных кислот способствует быстрому его старению и. разрушению. Причинами их появления в масле могут быть некоторые адсорбенты (бентонит,
асканит), используемые при технологической очистке, которые, например бентонит, к тому же избирательно адсорбируют естественные антиокислители касторового масла, что также нежелательно.
При выборе технологического режима подготовки касторового масла перед пропиткой им конденсаторной изоляции следует иметь в виду, что при давлении ниже 80 Па и 120 °C оно разрушается, что оно легко окисляется кислородом воздуха, в связи с чем необходимо исключать возможность контакта масла с воздухом. Очистку касторового масла в конденсаторном производстве производят адсорбентами: отбеливающими землями, силикагелем, активированным углем.
Касторовое масло увеличивает срок службы пропитанных нм конденсаторов за счет высокой способности к газопоглощению в условиях воздействия частичных разрядов, сопровождающихся уплотнением молекул. Продукты уплотнения масла тонкой пленкой покрывают обкладки н резко увеличивают срок службы.
Параметры касторового масла по ГОСТ 18102-72: плотность 948—968 кг/м3, кинематическая вязкость: (130—134) • 10~в м2/с при 50 °C, (20—25) • 10“6 м2/с при 90 °C; температура застывания —15-;—17°C, ег=?=4-*-4,5 при 20 °C, tg 6=0,01-^0,03 при 20 °C.
Жидкие диэлектрики — смеси сложных эфиров — нашли широкое применение за рубежом в производстве бумажных конденсаторов вместо хлордифеиилов, чему способствовало большое значение ег. В СССР сложные эфиры под маркой ДОФ выпускают в больших количествах для других целей. Для использования в производстве конденсаторов они требуют известной технологической доработки для достижения стабильности электрических показателей. Сейчас у нас применяют импортные сложные эфиры, в частности марки Миксо-флекс-1000 (Mixoflex-1000) французской фирмы «Проделек» (Prodelec), имеющие температуру застывания —41 °C, е, при 20 °C 5,3 и tg6 0,05.
4.8.	ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ НА ОСНОВЕ
СИНТЕТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Жидкие диэлектрики на основе синтетических углеводородов получают: а) путем полимеризации непредельных углеводородов (целевой продукт — полибутены, полиизобутилекы, полипропилены); б) путем алкилирования ароматических углеводородов (целевой продукт — алкилбензолы и др.) и в некоторых случаях последующей их гидрогенизацией. Для этих диэлектриков характерны низкий tg 6 и высокая стойкость в электрическом поле.
Высокой стабильностью и хорошими электрофизическими параметрами отличаются соединения на основе продуктов гидрогенизации алкилбензолов, трифенилов. Материалы этого типа нашлн применение за рубежом и в СССР.
Положительные результаты для бумажных, бумажно-пленочных и пленочных конденсаторов получены в СССР с этиловыми производными дифенила. Они химически стабильны, нетоксичны, обладают повышенной электрической прочностью и стабильностью в электрическом поле, малой вязкостью, низкой температурой застывания, высокой газостойкостью, стабильностью электрических параметров в диапазоне
90
Жидкие диэлектрики
Разд. 4
температур от —60 до +125 °C. Благодаря малой вязкости этиловые производные дифенила легко проникают в зазоры между обкладками и твердым диэлектриком, лучше пропитывают бумажный диэлектрик, позволяют увеличить рабочий градиент и срок службы, улучшить удельные параметры силовых конденсаторов. Сравнительные ресурсные испытания напряженностью 40 МВ/м (действующее значение) при температуре окружающей среды 70 °C показали, что срок службы бумажных силовых конденсаторов, пропитанных этиловыми производными дифенила, в 20 раз выше, чем при пропитке октолом (см. ниже). При сравнительных ресурсных испытаниях прн 33 МВ/м пленочных полнэтилеитерефталатных конденсаторов через 3000 ч отказало 17 % пропитанных конденсаторным маслом и ни одного, пропитанного этиловым производным дифенила.
Полибутены — экологически безопасные, практически нетоксичные, биоразлагаемые, прозрачные, светлые жидкости с широким диапазоном плотности и вязкости, обладающие малым tg 6, высокой стабильностью в электрическом поле, рабочей температурой 130 °C, хорошо смешиваются с нефтяными маслами.
В СССР разработаны конденсаторные полибутены: октол (ГОСТ 12869-77) и полибутеи СК (табл. 4.15). Полиизобутилены используют в чистом виде н в смеси с нефтяными маслами: до 0,2—20 % трихлорбензола (для повышения бг, снижения вязкости и температуры застывания), до 0,01—10 % циклогексиламииа для связывания продуктов разложения поли-бутнленов в эксплуатации, до 0,05—15 % бутилированного окситолуола для улучшения стойкости против окисления. Полибутен СК получают из отхода при производстве синтетического каучука на основе дивинила. Октол получают полимеризацией фракции крекинг-газа, образующегося в виде отхода при переработке нефти и содержащего изобутилен и нормальный бутилен.
Полйбутен СК и октол являются более дешевыми продуктами, чем чистый полиизобутилен. Их термоокислительная стабильность достаточно высока: после прогрева в течение 250 ч при 125 °C в закрытом сосуде их кислотное число и удельное объемное сопротивле
ние ухудшились менее чем на 10 %, а после испытания в течение 400 ч в кислороде в присутствии электролитической меди tgS возрос примерно до 0,02, кислотность и цвет существенно не изменились, осадка и заметных изменений на поверхности медн ие обнаружено. При испытании в данных условиях даже стабилизированные нефтяные масла сильно темнеют, их электроизоляционные свойства катастрофически ухудшаются, а находящиеся в иих медные кольца тускнеют.
У пропитанных полибутеном фольговых бумажных конденсаторов переменного тока срок службы в 1,8—2,3 раза выше по сравнению .с такими же конденсаторами, пропитанными конденсаторным нефтяным маслом повышенной газостойкости. Применение октола в смеси с вазелином для металлизированных цинком бумажных конденсаторов позволило увеличить срок службы в 20—40 раз по сравнению с различными конденсаторными и трансформаторными маслами.
Некоторые сорта полибутенов имеют пониженную температуру вспышки из-за содержания легколетучих компонентов. В октоле содержится до 2 % компонентов, выкипающих при остаточном давлении 26 Па и 130 °C. Некоторые товарные полибутены имеют повышенное результирующее газовыделеиие при испытании в исходной атмосфере воздуха. Очистка от легколетучнх примесей приводит к существенному улучшению газостойкости и получению высокогазостойкой жидкости во всех характерных областях кривой газостойкости при испытании в исходной атмосфере воздуха. С ростом температуры газостойкость полибутена СК снижается, а октола — увеличивается соответственно с их различиями в вязкости. Пропитанные полибутеном силовые конденсаторы характеризуются резко увеличенным сроком службы в эксплуатации по сравнению с пропиткой нефтяным конденсаторным маслом.
Взаимодействие продуктов разложения пропитывающих веществ с металлическими обкладками оказывает большое влияние на газостойкость и соответственно на срок службы силовых конденсаторов. Высокая термоокислительная стабильность полибутена, незначнтель-
Таблица 4.15. Основные физико-химические показатели конденсаторных полибутенов
Марка полибутена	Средняя молекулярная масса	Плотность, кг/м®	Кинематическая ВЯЗКОСТЬ, IO—6 м2/с	Температура, °C		Ег ПрИ 20 °C	tg С при 20 'С
				застывания	вспышки		
Октол, ГОСТ 12869-77 Опытно-промышленные партии (СССР): полибутеи СК	400—800	860—875	300 (30 °C)	— 12	165	2,3	1,3-10-§
	300—400	833	22,05 (20 °C)	—40	138	2,2	10-4
полибутеи	300—500	—	100—2000 (38 °C)	—	—	2,1	10—4
Полиизобутилен КФ ВНИИНП*	340	838	6,4 (100 °C)	—42	168	2,1	10—S
Куйбышевский филиал ВНИИнефтепереработки.
§5.1.
Общие сведения
91
ное выделение кислых продуктов разложения, особо опасных для взаимодействия с обкладками, сопровождающегося дополнительным газо-выделением из пропитывающего вещества, способствует резкому увеличению срока службы конденсаторов с металлизированными обкладками, например по сравнению с пропиткой обычными нефтяными маслами это увеличение составляет два порядка.
В пропитанных металлизированных и различного типа Пленочных и бумажно-пленочных конденсаторах широко используются полибутены. В пленочных конденсаторах применяют полибутен с молекулярной массой от 300 до 500, полибутен, стабилизированный циклогек-силаминами, и его смеси с нефтяными маслами и синтетическими олефинами. Такие же по-либутеиы в ряде случаев применяют в силовых конденсаторах иа рабочую частоту от 2 до 10 кГц. Полибутены за рубежом стали применять вместо хлордифенилов.
В бумажных металлизированных конденсаторах низкого напряжения используют полибутены с молекулярной масой от 300 до 800 и даже до 1600, например октол и его смеси с нефтяным маслом.
Как исключительно высокогазостойкое синтетическое углеводородное пропитывающее вещество известен додецилбензол, вначале нашедший применение для пропитки маслонаполненных кабелей с полой жнлой. При пропитке силовых конденсаторов он обеспечивал даже лучшие характеристики частичных разрядов, чем при пропитке ПХД, но не нашел применения вследствие меньшей в 2 раза ег. Внедрение бумажно-пленочного и чисто пленочного диэлектрика обеспечило возможность настолько большого увеличения рабочих напряженностей электрического поля, что значение е. в пропитанном диэлектрике стало менее важным параметром. Поэтому додецилбензол стал применяться для пропитки силовых конденсаторов высокого напряжения как в чистом виде, так и в смеси с диоктилфталатом и хлорбензолом для увеличения ег.
Широко применяются синтетические углеводородные ароматические масла ряда диари-лалкана, например фенилксилилэтан (РХЕ за рубежом и ФКЭ в СССР). В СССР эти материалы известны под марками Азнефтехим-3 и ФКЭ (ВНИИНП). Они обладают высокими га-зостойкостью и стабильностью, экологически безопасны, обеспечивают лучшие характеристи
ки частичных разрядов, стойки к перенапряжениям, и имеют большой срок службы, но имеют несколько меньшую £Пр силовых конденсаторов по сравнению с пропиткой ТХД, нефтяным маслом и алкилбензолом.
Вследствие недостаточно высокой термоокислительной стойкости фенилксилилэтан стабилизируют обычными аитиокислительными присадками, например ионолом, храня под азотиой защитой.
За рубежом для пропитки пленочных силовых конденсаторов нашел применение изопропилдифенил. Эта жидкость экологически безопасна; пропитанные ею конденсаторы обладают хорошими свойствами.
Синтетические ароматические углеводородные жидкости применяют в трансформаторах и конденсаторах, предназначенных для эксплуатации в пожароопасных условиях, поскольку ПХД во многих странах запрещены, а применяемые вместо них кремнийорганиче-ские жидкости, в частности диметнлсилоксан, дороги и не распадаются в окружающей среде, хотя и не являются токсичными. Новые синтетические алкилароматические жидкости для этих целей хотя и горючи, но имеют повышенную температуру воспламенения (свыше 300 °C), низкую температуру замерзания и высокую газопоглощающую способность в электрическом поле, достаточно дешевы и не токсичны, био разлагаются в окружающей среде.
Список литературы
4.1.	Липштейн Р. А., Шахнович М. И. Трансформаторное масло. М.: Энергоатомиздат, 1983. 351 с.
4.2.	Варшавский Д. С. Пути повышения стабильности конденсаторных масел в электрическом поле. М.: Йнформэлектро, 1967. 52 с.
4.3.	Шахнович М. И. Жидкие диэлектрики. — В кн.: Справочник по электротехническим материалам. 2-е изд. Т. 1, разд. 3. №.: Энергия, 1974. 584 с.
4.4.	Силовые электрические кондеисаторы/Г. С. Кучинский, Н. И. Назаров, Г. Т. Назарова, И. Ф-Переселенцев. М.: Энергия, 1975. 248 с.
4.5.	Варшавский Д. С. Электрическая прочность и срок службы силовых конденсаторов переменного тока. М.: йнформэлектро, 1975. 81 с.
4.6.	Сборник стандартов США по испытанию электроизоляционных материалов/Пер. с англ.; Под ред. Н. В. Александрова. №.: Энергия, 1979. 344 с.
4.7.	Варшавский Д. С. Силовые конденсаторы./ Под ред. Б. №.. Тареева. №.: ВИНИТИ, 1980. 128 с.
4.8.	Шахнович М. И. Синтетические жидкости для электрических аппаратов. М.: Энергия, 1972. 200 с.
РАЗДЕЛ 5
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ ПОЛИМЕРЫ
К. С. Сидоренко, Э. 3. Аснович, Ю. К.. Петрашко, Э. И. Хофбауэр
S.I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
В этом разделе представлены основные органические и кремиийорганические полимеры, находящие применение в электротехнической
промышленности СССР и за рубежом, за исключением эластомеров (см. разд. 17). О неорганических полимерах — см. разд. 10.
Полимеры имеют очень большое значение в производстве многих изделий электротехни
92	Электроизоляционные полимеры	Разд. 5
ческой, электронной, радиотехнической и многих других отраслей промышленности. Они применяются для электрической изоляции непосредственно, например полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид, или служат для изготовления многочисленных электроизоляционных материалов — слоистых пластиков, резин, пластических масс, композиционных слюдосодержащих материалов и пр.
Основные определения и классификация. Полимером называется вещество, характеризующееся многократным повторением одного или нескольких составных звеньев, соединенных между собой в количестве, достаточном для проявления комплекса свойств, который остается практически неизменным при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев. Полимеры получают из мономеров, которыми являются вещества, каждая молекула которых способна образовывать одно или несколько составных или повторяющихся составных звеньев. В отличие от полимеров олигомерами являются вещества, молекулы которых содержат составные звенья, соединенные повторяющимся образом друг с другом, комплекс свойств которых изменяется при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев (см. ГОСТ 24881-81 «Пластмассы, полимеры и синтетические смолы. Химические наименование, термины и определения»),
В отличие от низкомолекулярных мономеров, характеризующихся постоянной молекулярной массой М, макромолекулы одного и того же высокомолекулярного соединения (ВМС) могут иметь различные М. Это свойство называется полидисперсностью. Полидисперсность полимеров обусловлена статистическими закономерностями реакций их образования. Когда говорят о М полимера, имеют в виду его среднюю молекулярную массу М.
Для того чтобы полностью охарактеризовать полимер, необходимо знать его М и распределение по М отдельных макромолекул данного полимера, т. е. молекулярно-массовое распределение (ММР). Существуют различные методы определения М. К ним относятся светорассеяние, вискозиметрия, ультрацентрифугирование, седиментация и др. Определенные различными методами М полимеров, как правило, не совпадают. Некоторые методы мало чувствительны к молекулам большого размера, тогда как другими методами плохо определяются ^небольшие молекулы. К наиболее важным М относятся среднечисловая молекулярная ма_сса Мп и среднемассовая молекулярная масса Mw Первая из них более чувствительна к низкомолекулярным фракциям, вторая — к высокомолекулярным. Отношение Mw!Mn зависит от ширины кривой ММР и часто применяется в качестве критерия полидисперсности полимера. Для всех реальных полимеров это отношение всегда больше единицы и возрастает с увеличением полидисперсности.
Полимеры, макромолекулы которых содержат несколько типов элементарных звеньев, называются сополимерами. По химическому строению сополимеры (СПЛ) подразделяются на следующие основные типы (А и В — элементарные звенья):
статистические —А—В—А—В—В—А—А— —А—В—А—
чередующиеся —А—В—А—В—А—В—А— —В—А—В—
блок СПЛ —А—А—А—В—В—В—А—А— —А—В—В—В—В—
привитые СПЛ
—А—А—А—А—А—А—-А—
I	I
В—В—В—В—	В—В—В-—В— и др.
Содержание звеньев каждого из мономеров в СПЛ определяется соотношением мономеров и их реакционной способностью. Сополимеры обнаруживают свойства совсем иные, чем свойства смесей индивидуальных полимеров (гомополимеров). Большое техническое значение СПЛ обусловлено возможностью получения неограниченного разнообразия свойств продуктов посредством выбора тех или иных исходных мономеров и их количественных соотношений.
По структуре макромолекул (табл. 5.1) полимеры делятся на три основные группы— линейные, разветвленные и сшитые (сетчатые, трехмерные).
Макромолекулы линейных полимеров построены из мономерных звеньев одного или разных типов, соединенных регулярно или нерегулярно химическими связями в длинные цепи. Длина таких цепей обычно составляет 102—• 104 нм при поперечнике 0,3—0,75 нм. Примером линейных полимеров могут служить натуральный каучук, регулярный полиэтилен, силоксановые (кремнийорганические) каучуки и др.
Линейные полимеры, в которых атомы главной цепи с различными заместителями (обычно атомами углерода) чередуются беспорядочно, называются атактическими. Если же заместители расположены в регулярной последовательности по отношению к главной цепи, полимеры называются стереорегулярными, в частности изотактическими (расположение заместителей по одну сторону главной цепи) или синдиотактическими (попеременное расположение заместителей относительно главной цепи).
У разветвленных макромолекул ветви могут иметь длину того же порядка, что и основная цепь (длинноцепные ветвления), или состоять лишь из нескольких повторяющихся звеньев (короткоцепные ветвления). Разветвленные макромолекулы являются промежуточной формой между линейными и сшитыми. Примерами разветвленных макромолекул являются полиэтилен, полученный при высоком давлении, привитые СПЛ и др.
Сшитые полимеры получаются при образовании поперечных связей между макромолекулами в процессах полимеризации или поликонденсации, под действием химических агентов (вулканизация, отверждение) или ионизирующих излучений и других воздействий на заранее синтезированные линейные или разветвленные полимеры, или олигомеры, или на соответствующие мономеры, если они содержат более двух функциональных групп (см. с. 95) в одной молекуле, или на смеси указанных соединений. По мере развития процесса структурирования в него вовлекается все большее число цепей и на определенном этапе исчезает грань между макромолекулой и макроскопическим телом. Для сшитых полимеров понятия «моле-
§ 5,1
Общие сведения
93
Таблица 5.1. Схемы некоторых макромолекулярных конфигураций полимеров
Тип макромолекулы	Тип конфигурации или характер стереоизомерии	Схема*
Линейные макромолекулы:
с повторяющимся
звеном	—СН2—
—СНХ—
с повторяющимся звеном2 —СНХ—
—CHY
с повторяющимся звеном
Циклолинейные макро-
молекулы3
Двухтяжевые макромолекулы
Разветвленные макромолекулы
Сетчатые макромолекулы
Атактический
Изотактический
Синдиотактический
Диизотактический
Дисиндиотактический
цис-изомер
транс-изомер
Циклолинейный
Кардовый
Лестничный
Спироциклический
С короткоцепными ветвлениями
С длинноцепными ветвлениями:
Статистический
Г ребневидный
Звездообразный
Плоский сетчатый (двухмер-
ный аналог лестничных)
Пространственно-сетчатый (сшитый):
статистический упорядоченный
Вулканизационные сетки и т. д. Трехмерный аналог лестничных или аналог кристаллической решетки
1 Для виниловых полимеров предполагается, что плоскость хребта цепи расположена перпендикулярно плоскости чертежа.
•г Пунктиром обозначены заместители в ₽-положении.		•
ь Полимеры типа полистирола, имеющие циклы в заместителях, относятся к линейным.
94	Электроизоляционные полимеры	Разд. 5
куда» и М утрачивают смысл. Примерами сшитых полимеров могут служить отвержденные феиолоальдегидные смолы, вулканизаты каучуков и др. Для них разработаны специальные способы переработки.
По химическому составу полимеры делятся на три большие группы:
1)	органические полимеры, содержащие в своем составе атомы углерода, водорода или водорода, замещенного галогенами, и, кроме, того, кислорода, азота и других органогенных элементов;
2)	элементоорганические полимеры, содержащие в своем составе наряду с органогенными другие, неорганогенные элементы (кремний, алюминий, титан и пр.);
3)	неорганические полимеры, не содержащие в своем составе одновременно атомов углерода и водорода или водорода, замещенного галогенами.
В данном разделе Справочника полимеры систематизированы по этой классификации, причем из элемеитоорганнческих полимеров представлены лишь кремнийорганические, поскольку прочие элементоорганические полимеры не нашли пока самостоятельного применения в электроизоляционной технике.
В зависимости от химического состава основной цепи полимеры делятся на гомоцепные и гетероцепные.
В гетероцепных полимерах основная цепь построена из разных атомов, например из углерода и кислорода, углерода и азота, кремния и кислорода и т. п. К органическим гетеро-цепиым полимерам относятся некоторые природные— целлюлоза, лигнин и др.; синтетические — полиамиды, полиэфиры, полиуретаны, полиорганосилоксаны и многие другие.
В гомоцепных полимерах основная цепь построена из одинаковых атомов, например из атомов углерода (в карбоцепных полимерах). Из природных органических полимеров к кар-боцепным относятся натуральный каучук, гуттаперча и др., из синтетических полимеров — все высокомолекулярные предельные, непредельные и ароматические углеводороды и их производные (полиэтилен, поливинилхлорид,  полиметилметакрилат и др.).
Получившие общее название смол некоторые природные вещества, такие как янтарь, шеллак, копалы, канифоль были известны еще с древиих времен. Первые синтетические полимеры и олигомеры (фенолоформальдегидные, карбамидоформальдегидные, полиэфирные) были получены в начале XX в. и также были названы смолами, так как по своим внешним признакам они похожи на природные смолы. Впоследствии выяснилось, что почти все природные смолы являются не полимерами, а сме-сими низкомолекулярных веществ. Однако в практике и технической литературе, включая стандарты, за рядом синтетических олигомерных продуктов, например феноло-, крезоло-, карбамиде-, меламиноформальдегидиыми, глиф-талевыми, эпоксидными и др., имеющими сходство с природными смолами, еще сохранилось название «смолы».
Методы получения синтетических полимеров. Исходными соединениями для синтеза полимеров являются низкомолекулярные соединения — мономеры или олигомеры.
В последние годы все большее практическое значение приобретают реакционноспособные олигомеры, способные к образованию высокомолекулярных или сшитых полимеров. Примерами могут служить фенолоформальде-гндные, эпоксидные смолы, олигоэфиракрнла-ты, низкомолекулярные каучуки и др. При получении полимеров применяют и другие соединения: инициаторы, катализаторы, растворители И т. п.
Строение мономеров и олигомеров и их реакционная способность играют большую роль в процессах синтеза полимеров. Для образования полимерной цепи необходимо, чтобы каждая молекула исходного соединения . прореагировала по крайней мере в двух местах, двумя реакционными центрами.
Синтез из низкомолекулярных соединений заключается в превращении молекул исходных соединений в макромолекулы полимера, в результате чего получаются продукты с различной степенью полимеризации или поликонденсации. Степень полимеризации (поликонденсации) п непосредственно связана с М повторяющегося составного звена;
^полимера = ^^повторяющегося составного эвена'
Существуют два основных метода синтеза полимеров из низкомолекулярных соединений: полимеризация и поликонденсация. Все остальные способы синтеза, например поли-присоединение, поликоординация, полирекомбинация и др., являются разновидностями (иногда весьма своеобразными) этих двух. Известно также получение полимеров из высокомолекулярных соединений путем полнмераналогичных превращений.
По своему механизму полимеризация и поликонденсация представляют собой два совершенно различных процесса.
Полимеризация — процесс образования макромолекул по цепному механизму путем последовательного присоединения п молекул мономера (Мн) к реакционным (активным) центрам, находящимся на концах растущих цепей.
Общую схему полимеризации можно записать в виде
[—Мн—]п 4- Мн -> [—Мн—]n+i.
Элементарный состав образующихся макромолекул (без учета концевых групп), как правило, не отличается от состава мономера. В полимеризацию вступают мономеры, содержащие кратные связи Cs=C, С=О, С=С, C=N, N=C=0 и др. (ацетилен, вшшльные, акрильные, аллильные, дивинильные и подобные им ненасыщенные соединения, альдегиды, нитрилы, изоцианаты и др.), или способные раскрываться циклические группировки (окиси олефинов, лактоны, лактамы, циклосилоксаны и др.). Полимеризацию дифункциональных мономеров (содержащих только одну кратную связь или цикл) назыиают линейной, полимеризацию трех- и более фунциональиых мономеров — трехмерной (образуются соответственно линейные и сшитые полимеры). По числу участвующих в реакции мономеров различают гомополимеризацию (только один мономер) и сополимеризацию (два и более мономеров).
§ .5. J,
Общие сведения
95
В зависимости от природы активного центра выделяют радикальную полимеризацию (активный центр — свободный. радикал) и ионную полимеризацию (иои, ионная пара или поляризованная молекула). Важная разновидность полимеризации — стереоспецифическая полимеризация, при которой образуются полимеры с высокой степенью упорядоченности пространственного строения.
Полимеризация — цепная реакция, при которой развитие кинетической цепи сопровождается ростом материальной цепи макромолекулы, включает следующие кинетически связанные стадии: 1) инициирование — превращение небольшой доли мономера в активные центры в результате взаимодействия с инициаторами или катализаторами либо под действием ионизирующего излучения, электрического тока или света; 2) рост цепи — присоединение  молекул мономера к активному центру; 3) обрыв цепи — дезактивация активного центра при взаимодействии с другим активным центром, другим веществом или вследствие мономолекуляр-ных превращений; 4) передача цепи — переход активного центра на какую-либо другую частицу, например мономер, полимер, растворитель. В некоторых случаях передача цепи приводит к образованию устойчивых частиц, не присоединяющих мономер (ингибирование полимеризации). Первые две стадии осуществляются всегда, тогда как обрыв и передача пели в ряде случаев могут отсутствовать (живущие полимеры) .
Обычно полимеры, полученные полимеризацией, имеют очень высокую М, одиако при необходимости ее можно регулировать, вводя в реакционную систему специальные добавки (те'логеиы) или используя специально подобранные растворители. Такая полимеризация называется теломеризациеп. Теломеризация позволяет получать многие практически важные продукты олигомерного типа, например жидкие бутадиеновые или изопреновые каучуки и др.
• Методом полимеризации получают около трех четвертей общего мирового выпуска синтетических полимеров.
В технике применяют несколько способов полимеризации.
1.	Блочная полимеризация (полимеризация в массе) ведется в конденсированной фазе в отсутствие инертного растворителя. Конечный продукт— монолит (блок), имеющий форму реакционного сосуда.
2.	Полимеризация в растворе ведется либо в жидкости, растворяющей и мовомер и образующийся полимер («лаковый способ»), либо в среде, растворяющей только мономер. В последнем случае образующийся полимер выпадает из раствора и может быть отделен фильтрованием. Полимеризация в растворе может быть низко- или высокотемпературной.
3.	Эмульсионная полимеризация ведется в жидкой среде, обычно в воде, не растворяющей или плохо растворяющей мономер и не растворяющей образующийся полимер. Метод дает возможность получать высокомолекулярные линейные или сшитые полимеры в виде порошка или пленок.
4.	Суспензионную (бисерную) полимеризацию проводят, диспергируя мономер в виде
капель размером 10~2—10_| мм в нерастворяющей или плохо растворяющей среде (обычно в воде). В отличие от эмульсионной полимеризации в суспензионной используют инициаторы, растворимые в мономере. Поэтому полимеризацию в каждой капле можно рассматривать как блочную. Полимер получают в виде гранул, удобных для дальнейшей переработки.	i
5.	Полимеризация в газовой фазе па гетерогенных катализаторах применяется при производстве высокополимеров яз газообразных мономеров, например полиэтилена из этилена.
6.	Твердофазная полимеризация кристаллических или стеклообразных полимеров проводится под действием ионизирующих излучений, света или механических воздействий.
Поликонденсация — ступенчатый процесс образования макромолекул путем взаимодействия друг с другом реакционных центров всех реагентов системы.
Общую схему поликонденсации можно записать в виде
[—Мн—]П1 + (—Мн—]„t ->[-Мн—
где [—Мн—]„ и [—Мн—]Пз —олигомеры или макромолекулы, содержащие в своей цепи п, или «2 мономерных остатков.
Эта схема учитывает также и начало процесса с участием мономеров:
Ми Мн -+ Мн2;
Мн2 Мн -> Мн3.
В большинстве случаев пропесс поликонденсации сопровождается отщеплением низкомолекулярных соединений (вода, аммиак, га-логенводороды, спирт и др.) в результате взаимодействия функциональных групп 1 исходных соединений, поэтому для пего характерно несовпадение элементарного состава мономеров и получаемых на их основе полимеров.
Наиболее широко в практике поликонден-сационного синтеза применяются мономеры с группами —ОН, —NHS, —СООН. Есть функциональные группы, при взаимодействии которых с некоторыми другими группами не происходит образование «побочного» низкомолекулярного продукта. К таким группам относятся изоциа-
I I
иатная —NCO, эпоксидная —С — С — '"о'
и вииильная —СН=СНа (обычно мономеры с винильной группой применяются в полимери-зационном синтезе, но она может участвовать и в процессе поликонденсации, например, при взаимодействии с дитиолами, содержащими меркаптогруппы SH, или с соединениями, имеющими группы SiH).
Поликонденсация протекает как в присутствии, так и в отсутствие катализатора. Поликонденсацию дифункциоиальиых мономеров называют линейной, поликонденсации мономеров
’ Функциональная группа — это часть молекулы мономера (или олигомера, полимера), определяющая его принадлежность к тому или иному классу соединений. имеющая характерную реакционную способность и определяющая поведение мономера в химических реакция^.
96
Электроизоляционные полимеры
Разд. 5
Таблица 5.2. Основные классы поликоиденсационных полимеров и некоторые реакции их образования
Тип полимера
Реакция получения
Сложные эфиры
поли-
1. —СОХ + НОС— -> —СО—О—С— + НХ, где X = —ОН, —OR, —Cl
Простые полиэфиры
Полиамиды
Полиуретаны
Полимочевииы
Полиангидриды
Полиуглеводоро’ ды
3. — CH— CSg + НО ОС——5» —сн-сн,—о—со— \/	он.
1. —ОН + X—С— -*• —О—С—, где X = —ОН, —С1 I I
2. _rZo^_о—R—
1.	_NH2 + ХОС — -+ —NH—СО- + НХ, где X = —ОН, -OR, —Cl
2,	R—СО—NH—R—СО—NH—
3.	—NCO + HOOC — -> — NH—CO— +CO2
1.	—NCO + HO->—NH—CO—O—
2.	—NH—CO—OCeHB + —OH - —NH—CO—O— + CeHsOH
—NCO + H2N— -> —NH—CO—NH—
—COOH + HOOC — -* —CO—O—CO— + H2O
| -NaCi |	|
Ароматические полисульфоны Полисульфиды
2. —CC1 + НС— -> — С—С— + HC1
I I II
3. —CH + HO—C— -* —C—C— 4-H2O
Illi
—R—ONa + Cl—R'—SO2— -> —R—O—R'—SO2— + NaCl
Cl—R—C1 + Na2Sm - —R— Sro-1- NaCl
Полиацетали
Фенолоальде-гидные смолы
Карбамидофор-мальдегидные смолы
О II
H2N—СО—NHZ 4- НС
J
—NH—СО—N—CHz— I СН2ОН
+ Hzo
§ 5.1.
Общие сведения
97
Тип полимера
Реакция получения
Продолжение табл. 5.2
Меламинофор-мальдегидные смолы
Полисилоксаны
I	III
1.	—Si—ОН + НО—Si— — Si—О—Si— +Н2О
2.	—Si—ONa + Cl—Si->- — Si—О—Si-|-NaCl
।	III
„ I	III
3.	—Si—OX + Y—Si-> —Si— O—Si—l-XY,
I	I II
где X = —H, —R, —C—R; Y = — Cl, —OR, —C—R
Полиимиды
—МНг +
Полибензимидазолы, поли-бензоксазолы, поли бензтиазолы
Полиоксадиазолы
г	Г +°"
—В— CO—KH-NET, + Cl— ОС—К----------R—CO-МН—MH—ОС—R-—г
**	' XLCJ.	—.rioXJ
с числом функциональных групп не менее трех — трехмерной (образуются соответственно линейные и сшитые полимеры). По числу участвующих в реакции мономеров различают гомополиконденсацию (участвует минимально возможное число типов мономеров — одни или два) и сополиконденсацию. Важная разновидность поликонденсации — полициклоконденсация (полициклизация), при которой продукт линейной поликонденсации подвергается внутримолекулярной циклизации (таким методом получают, например, полиимиды, полибензимидазолы и др.).
При получении полимеров с высоким М по методу поликонденсации основную роль играют реакции олигомеров (п>1) между собой, так как мономеры исчерпываются уже на сравнительно ранних стадиях реакции. Высокомолекулярный полимер образуется обычно , при глубине превращения функциональных групп 4-232
(конверсии), близкой к 100 %.
При поликонденсации М регулируют соотношением исходных мономеров или введением монофункциональных соединений (конденсационная теломеризация).
Для поликонденсации характерно наличие обратных и обменных реакций (гидролиз, ацидолиз, аминолиз, эфиролиз, алкоголиз и др.). Если вклад этих реакций велик, поликонденсацию называют равновесной (обратимой), в противном случае — неравновесной (необратимой).
Методом поликонденсации получают полиэфиры (например, полиэтилентерефталат), полиамиды, полиуретаны, поликарбонаты, поли-арилаты, полигетероарилены, феиоло- и карба-мидоформальдегидные смолы и др.
Некоторые типы поликондеисационных полимеров и реакций их получения приведены в табл. 5.2.
'98	Электроизоляционные полимеры	Разд. 5
В технике применяются различные методы поликонденсации. Линейную поликонденсацию проводят в расплаве, в растворе, в эмульсии, на границе раздела фаз, а также в твердой фазе.
1.	Поликонденсацию в расплаве осуществляют обычно при 180—280 °C в атмосфере инертного газа.. На конечной стадии в реакторе создают вакуум, что позволяет достичь наиболее полного удаления выделяющихся низкомолекулярных соединений. Поликонденсация в расплаве — основной промышленный способ линейной поликонденсации. Он используется, например, при синтезе некоторых полиэфиров, полиамидов и других полимеров.
2.	Поликонденсация в растворе широко применяется в промышленности для получения полимеров различных классов. Особенно интенсивное развитие этот метод получил в последние годы в связи с необходимостью получения высокомолекулярных или высокоплавких полимеров, которые невозможно синтезировать в расплаве. Этот метод применяется, например, при получении поликарбонатов, полиамидоимидов и др.
3.	Эмульсионная поликонденсация протекает в двухфазных системах, в которых реакционной зоной является одна из фаз. В этом случае, несмотря иа гетерогенность системы, поликонденсация проходит в капле одной из фаз как в растворе. Этим методом получают, например, ароматические полиамиды, полиэфиры, поликарбонаты.
4.	Межфазная поликонденсация также протекает в гетерогенных двухфазных системах, однако процесс здесь идет не в объеме, а иа поверхности: реакционная зона локализована на границе раздела фаз или вблизи иее. Этим методом получают те же полимеры, что и эмульсионной поликонденсацией.
5.	Поликонденсация в твердой фазе проводится путем нагревания тоикоизмельченных и смешанных мономеров или олигомеров в течение длительного времени при повышенной температуре, но ниже температуры плавления образующегося полимера, а иногда и мономера, обычно при 150—400 °C. Твердофазные процессы распространены в химии и технологии неорганических полимеров (керамика, огнеупоры). В некоторых случаях твердофазная поликонденсация протекает в твердых (или почти твердых) смесях, которым придана форма будущего изделия (реакционное формование).
Твердофазной поликонденсацией и. в частности, реакционным формованием получают, например, некоторые гетероциклические неплавкие и нерастворимые (хотя и линейные) высокотермостойкие полимеры, такие как полиимиды, полиоксадиазолы, полибензимидазолы и др. с длительной температурой эксплуатации 250 °C и выше.
Методы трехмерной поликонденсации определяются тем, что конечный продукт реакции (сшитый полимер) ие поддается безотходной переработке. Поэтому сшитый полимер и изделия, его содержащие, как правило, изготавливают, используя промежуточный олигомер .(жидкий или плавкий), а переход в трехмерное состояние (отверждение) сопровождается механическим воздействием, обычно прессованием.
Трехмерная поликонденсация часто используется при получении многих электроизоляционных материалов, например при изготовлении и переработке препрегов на основе фенолофор-мальдегндных или эпоксидных смол, при изготовлении изоляции типа «монолит» и др.
Полимераиалогичные превращения — химические реакции макромолекул с низкомолекулярными соединениями, в процессе которых изменяется природа функциональных групп, связанных с основной цепью, но сохраняется длина и строение скелета основной цепи.
Методом полимераналогичпых превращений можно получить пенные полимеры, которые не удается синтезировать из низкомолекулярных соединений вследствие неустойчивости соответствующих мономеров или по другим причинам. Так, поливиниловый спирт можно получить лишь гидролизом его эфиров, в частности поливинилацетата.
Продукты полимераналогичных превращений (при конверсии меньше 100 %) представляют собой СПЛ, построенные из непрореагировавших и прореагировавших звеньев. Распределение этих звеньев в цепи СПЛ может значительно отличаться от распределения звеньев в продуктах сополимеризации соответствую-ющих мономеров. Следовательно, при одинаковом среднем составе свойства модифицированных путем полимераналогичных превращений полимеров и продуктов сополимеризации могут быть существенно различными. Таким образом, эти превращения позволяют создавать многочисленные новые высокомолекулярные соединения и в широком диапазоне изменять свойства готовых полимеров.
Ряд полимераналогичных превращений нашел широкое промышленное применение, например при получении простых и сложных эфиров целлюлозы, поливинилового спирта, хлорировании полиэтилена и поливинилхлорида, а также поливинилацеталей для электроизоляционных эмальлаков (см. разд. 6).
Основные свойства полимеров. При оценке свойств и применении полимеров первостепенное значение имеет М. Именно высокой Л4 (обычно 103—10е) обусловлены многие интересные и часто уникальные свойства полимеров. Пока М относительно мала, все физические и химические свойства полимеров быстро изменяются с ее увеличением. Однако по достижении некоторого предела дальнейшее возрастание М перестает отражаться на этих свойствах. Такой предел быстрее всего достигается для агрегатных состояний (жидкий олигомер становится воскообразным уже при п порядка 20—30), несколько медленнее — для химических свойств (исчезает влияние конпевых групп) и еще медленнее — для механических и релаксационных свойств ’.
В зависимости от химического состава, строения макромолекул, М и ММР, плотности «сшивки», молекулярной симметрии, надмолекулярной структуры н т. д. свойства полимеров изменяются в широких пределах.
1 Многие свойств? полимеров, в частности механические и электрические, имеют релаксационный характер, т. е. зависят от изменений состояния полимерных тел со временем, обусловленных установлением в них статистического равновесии после внешних воздействий.
§ вл.
Общие сведения
99
При комнатной температуре полимеры преимущественно твердые тела, реже — жидкости с большой вязкостью.
Линейные и умеренно разветвленные полимеры с достаточно высокой М, как правило, обладают специфическим комплексом физико-химических и механических свойств. Основные из этих свойств: 1) способность образовывать высокопрочные анизотропные ориентированные волокна или пленки; 2) способность давать большие, длительно развивающиеся, обратимые деформации, характеризующиеся малыми значениями модуля упругости; 3) растворимость в органических растворителях, проходящая через стадию набухания.
Эти свойства целиком обусловлены большой длиной н гибкостью их макромолекул, т. е. способностью макромолекул в широких пределах изменять свою форму (конформацию) за счет вращения образующих главную цепь звеньев относительно ординарных химических связей с сохранением валентных углов.
При переходе от линейных и малоразветв-лениых полимеров к сильно разветвленным и, наконец, сшитым их специфические свойства постепенно утрачиваются. Макромолекулы постепенно теряют гибкость и растворимость.
Многие линейные и умеренно-разветвленные полимеры способны плавиться при многократном нагревании. Такие полимеры называются термопластичными (например, полистирол, полиэтилен и др.). Их химическая структура закладывается уже при синтезе, а переработка сводится к переводу полимера при нагревании в вязкотекучее состояние и под давлением приданию ему желаемой формы изделия.
Многие низкомолекулярные полимеры (главным образом поликонденсационные олигомеры, реже — полимеризационные) термореактивны, т. е. способны отверждаться с образованием неплавких и нерастворимых (сшитых) продуктов. Отверждение термореактивных олигомеров (обычно при нагревании) идет либо непосредственно, либо в присутствии специальных добавок (отвердителей, катализаторов, ускорителей и т. п.). Примерами таких олигомеров могут служить резольные фенолофор-мальдегидные смолы, эпоксидные смолы, форполимеры диаллилфталата и др.
По степени отверждения термореактивные полимеры классифицируют на стадии А, В и С, причем в основу такой классификации положено отношение степени завершенности реакции р для данного полимера к степени завершенности реакции в точке гелеобразования 1 рк. Полимер в стадии А — это полимер, для которого р<Срк, полимер в стадии В характеризуется тем, что система близка к точке гелеобразования р— рк, при р~^>рк мы имеем дело с полимером в стадии С.
Полимер в стадии А плавится и растворя- '
1 В точке гелеобразования наблюдается образование геля или нерастворимого доли мера. (За точку гелеобразования принимается момент, . в который реакционная система теряет текучесть.) Гель ие растворим во всех растворителях при повышенных температурах, при которых еще не идет деструкция полимера. Гель соответствует образованию бесконечной сетки, в которой макромолекулы соединены друг с‘другом в одну гигантскую трехмерную макромолекулу.
4*
ется. Полимер в стадии В еще размягчается при нагревании, но растворяется уже очень плохо. Полимер в стадии С имеет сильно сшитую структуру, поэтому он не плавится при нагревании вплоть до температуры разложения и не растворяется.
Обычно переработке подвергается полимер в стадии В, хотя в ряде случаев перерабатывают и полимер в стадии А. В результате последующего отверждения полимер переходит в стадию С.
Жесткая сшитая структура обеспечивает высокую стабильность размеров и других характеристик таких полимеров в широких интервалах условий эксплуатации.
Линейные и разветвленные как аморфные, так и кристаллизующиеся полимеры могут находиться в трех различных физических состояниях: стеклообразном, высокоэластнческом и вязкотекучем; сшитые — в зависимости от частоты «сшивки» — в стеклообразном п высокоэластическом или только в стеклообразном.
Обычно эти физические состояния' выявляют по зависимости: деформация — температура (термомехапическим кривым) (рис. 5.1).
Все эти три физических состояния соответствуют одной и той же аморфной фазе. Их возникновение связано только с различием скоростей релаксационных процессов и вязкого течения, вследствие чего они не могут сосуществовать в равновесии при одной и той же температуре.
К числу важнейших свойств полимеров относятся их тепловые переходы из одного физического состояния в другое, характеризующиеся температурой стеклования 7 ст И TGMtlC-ратурой текучести Т-г, и переход из -кристаллического фазового состояния в аморфное, характеризующееся температурой плавления- Тап (кристаллической фазы) полимера.
Температура стеклования-— это температура перехода из высокоэластического в стеклообразное состояние. Температурой текучести называют температуру перехода из высокоэластического (или из стеклообразного для относительно низкомолекулярных полимеров) в вязкотекучее состояние. Значения всех этих- температур лежат в некотором интервале, обусловленном полидисперсностью полимеров и ста-
Рис. 5.1. Типичные термомеханические кривые линейных полимеров, полученные методом
Каргина:
1 и 2 — термомеханнческие кривые аморфных полимеров с различной М (Afi<Af2); 3 — термомеханическая кривая кристаллического полимера; I, II н III— температурные  области физических состояний (соответственно стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего); пунктирные кривые — зависимости истинной остаточной деформации от температуры
100
Электроизоляционные полимеры
Разд. .5
тистическим характером движения макромолекул.
Возможность реализации у полимеров тех или иных тепловых переходов зависит от их морфологии, режима нагружения, скорости изменения температуры. Полностью аморфные полимеры характеризуются только Тст и Гт, тогда как полностью кристаллические имеют только Тпл. Большинство полимеров подвергается кристаллизации только частично, подобные полукристаллические полимеры характеризуются Тег, ТПл и Tt.
Тепловые переходы в полимерах легко обнаружить по изменению таких их свойств, как удельный объем, удельная теплоемкость, tgfi. Температуры плавления и стеклования полимеров влияют на их механические свойства при той или иной температуре и определяют наряду с Гт или температурой разложения полимеров температурный интервал их использования.
Наиболее важные механические свойства полимеров сильно зависят от М. Так, достаточно высокая механическая прочность начинает проявляться только при М больше 5-108-^--5-103. Выше этого минимального значения механические характеристики полимеров резко улучшаются при увеличении М и перестают зависеть от нее только при весьма больших значениях. Во многих случаях существует некоторый интервал М полимера, соответствующий его оптимальным свойствам.
Помимо М на Гт и Гст и соответственно йа механические и другие свойства полимеров большое влияние оказывают молекулярная симметрия, структурная жесткость и межмолекулярные взаимодействия.
Помимо термомеханических кривых механические свойства полимеров принято характеризовать их деформационно-прочностными характеристиками. При этом исследуют поведение полимера при приложении к нему напряжения и определяют деформацию до момента разрушения образца. Полученные результаты обычно представляют в виде кривой зависимости напряжения от деформации (рис. 5.2).
Наиболее важные величины,. характеризующие деформационно-прочностное поведение полимера:
1)	модуль упругости1 — сопротивление деформации, которое определяется отношением напряжения, рассчитанного на исходное сечение образца, к обратимой деформации, отвечающей этому напряжению;
2)	прочность при растяжении — напряжение, необходимое для разрушения образца при его растяжении;
3)	относительное удлинение (при разрыве) — деформация в момент разрушения образца при его растяжении;
4)	эластическая деформация — эластичность, оцениваемая степенью обратимой деформации полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии.
Механические свойства полимера изменяются в широких пределах в зависимости от степени крнсталличиости, числа поперечных связей, Гот И Гпл.
1 Модуль эластичности для полимеров, находящихся в высокоэластическом состоянии.
Высокой прочностью и низким удлинением характеризуются полимеры с высокой степенью кристалличности, большим числом поперечных связей или высокой ТСт. Наоборот, полимеры с низкой степенью кристалличности или сшивки и низкими ГСт, как правило, имеют высокое удлинение и низкую прочность. Аморфный полимер обычно теряет прочность выше Гст, а кристаллический полимер — выше Гпп.
Таким образом, механические свойства полимеров сильно зависят от температуры. Для твердых (стеклообразных или кристаллических) полимеров важное значение имеет теплостойкость, т. е. способность ие размягчаться (сохранять форму) при повышении температуры. Количественно эта характеристика определяется температурой, при которой в условиях действия постоянной нагрузки деформация образца не превышает некоторое значение.
В условиях эксплуатации теплостойкость зависит от приложенной нагрузки и длительности ее воздействия. При этом для стеклообразных аморфных полимеров оиа ие может превышать Гст, а для кристаллических Гпл.
В ряде отраслей техники существенное значение имеет относительное изменение прочности (или какого-либо другого показателя) при повышении температуры, обозначаемое как коэффициент теплостойкости. Особенно широко это понятие применяется в области эластомеров и химических волокон.
Большое практическое значение имеет также холодостойкость полимеров, т. е. их способность сохранять эксплуатационные- свойства при низких температурах. Критерий холодостойкости для стеклообразных полимеров — отсутствие хрупкости, для эластомеров, кроме того, — сохранение высокоэластических свойств; температурная граница холодостойкости этих материалов — соответственно температура хрупкости ГхР и Гст. Для практических целей важен также коэффициент холодостойкости материала й=Хт/х2С, где хт и х20 — значения какого-либо показателя (механического, электрического и др.) при низкой температуре Т и 20 °C. Эффективный способ повышения холодостойкости полимеров, эксплуатируемых в стеклообразном состоянии, — пластификация.
Электрические свойства полимеров, т. е. совокупность свойств, определяющих поведение полимеров в электрическом поле, ЕПр, Р, Ра,
Относаглемное удлинение
Рис. 5.2. Типичные деформационно-прочиостные характеристики основных полимерных материалов:
1 — эластомеры; 2 — гибкие пластмассы; 3 —жесткие пластмассы и волокна; 4 — кристаллические полимеры; оЕ — предел вынужденной эластичности (напряжение в момент образования «шейки»); Ср—прочность при растяжении
§ 5.1.
Общие сведения
'Г01
Вг'-и tgS, в значительной степени определяются полярностью звеньев макромолекул, наличием остаточных функциональных групп и различными примесями и зависят от температуры, частоты и амплитуды внешнего электрического поля, а в ряде случаев от конструкции электродов и размеров образцов.
Все это определяет выбор полимера для применения в качестве конденсаторного диэлектрика или электроизоляционного материала.
Кроме того, поскольку диэлектрические свойства полимеров связаны с их строением, их изучение является методом исследования молекулярной структуры и теплового движения в полимерах. Очищенные неполярные полимеры, полученные методом полимеризации (полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен и др.), отличаются большим р (1014—1016 Ом-м), малым tg6 (порядка 10~4), малым значением в, (2,0—2,4). Полярные полимеры (полиамиды, полиэфиры, поливинилхлорид и др.) имеют более низкие значения р, большие значения tg6 и ег и, как правило, большую зависимость этих характеристик от температуры.
С повышением температуры значение £ир большинства полимеров обычно снижается, особенно резко в области Тст для аморфных полимеров и Тпл для кристаллических. При комнатной н более низких температурах полярные полимеры имеют более высокую Еп?, чем неполярные. С повышением жесткости полимера (например, в результате радиационного сшивания полиэтилена) температурная зависимость £яр становится менее резкой.
Значение р определяется наличием в полимере носителей заряда (ионов, полярных групп) и их подвижностью. При внесении полимера в постоянное поле р увеличивается вследствие поляризационных процессов. После установления стационарной поляризации полимер характеризуется остаточным (т. е. не зависящим от времени) зиачеиием р, которое определяется количеством свободных носителей заряда в единице объема, строением полимера и температурой. Значения р, Ом-м, некоторых стеклообразных полимеров при 20 °C приведены ниже:
Полиизопрен.................. Ю1®
Эпоксидные смолы (отвержденные) ................... Ю14
Политетрафторэтилен . .	Ю15
Полиамиды............... Ю»—10й
Поликарбонаты........... Ю1*—1015
Полиимиды............... 1O1S—10В * 10
Полифенилеиоксид ....	1016
Поливинилхлорид ....	10»—IO®®
Полиэтилен.............. Ю16—101в
В подавляющем числе случаев носителями заряда в полимерах являются ионы. Поэтому р существенно снижается при наличии примесей, особенно полярных (например, воды), и в условиях, облегчающих ионизацию молекул. Значение р экспоненциально падает с ростом температуры.
В отличие от р удельное поверхностное сопротивление ps определяется наличием носителей заряда на поверхности полимера, главным образом адсорбированных проводящих приме-
сей (например, воды). Значения ps, Ом, неко-
торых полимеров при 20 °C и относительной влажности воздуха 100 % составляют:
Политетрафторэтилен . ,	10®?
Полистирол ......	10й—-104
Полиэтилен ......	10»
Относительная диэлектрическая проницаемость слабополярных полимеров обычно составляет 2,8—4,0; для полярных она меняется в широких пределах, от 4,0 до 20, в зависимости от строения полимера; ег неполярных полимеров уменьшается с температурой.
Относительная диэлектрическая проницаемость пластмасс и эластомеров при комнатной температуре обычно не превышает 4—7, достигая 15—20 лишь для полимеров, содержащих большое количество сильнополярных групп в боковых цепях, например цианэтилцеллюлозы. Влияние строения полимера на 8Г в основном определяется значением дипольного момента отдельного звена макромолекулы и числом полярных групп в единице объема. Диэлектрическая проницаемость зависит от присутствия в полимере воды. Так (при 20°C и 1 кГц), ег хлопковой целлюлозы составляет 3,2; 7,1 и 18 при относительной влажности 0; 45 и 65 % соответственно. Диэлектрическая проницаемость зависит от степени кристалличности и характера надмолекулярных образований; например, 8,. аморфного полистирола составляет 2,49— 2,55, кристаллического — 2,61 (1 кГц, 20°C). Знание ег имеет важное значение при подборе материалов в кабельной технике и в конденса-торостроении. В первом случае предпочтительны материалы с малой ет (слабополярные полимеры) , во втором — с повышенными значениями 8г. При высоких частотах используются такие слабополярные диэлектрики, как полистирол, полиэтилен, политетрафторэтилен, полипропилен, у которых малы диэлектрические потери. В конденсаторах, предназначенных для использования при низких частотах или при постоянном токе, можно применять полярные полимеры с повышенными значениями ег в стеклообразном состоянии.
Значения tg б (в области релаксации дипольной поляризации) зависят от химического строения, в частности, молекулярной и надмолекулярной структуры полимера, а также от ряда внешних факторов — гидростатического давления, степени ориентационной вытяжки (ведущей к анизотропии значений tg6), присутствия низкомолекулярных примесей, в частности влаги. Низкомолекулярные примеси и гетерогенные включения в полимерном образце (пузыри воздуха, пыль, частицы низко- и высокомолекулярных веществ) могут привести к появлению дополнительных максимумов tg 6 и дисперсии tg6, связанной с дипольной поляризацией примесных молекул или межфазной поляризацией. Вие максимумов tg б уровень диэлектрических потерь не зависит или зависит слабо от f и температуры и повышается при наличии в полимере полярных примесей и влаги. Значения tg 6 для неполярных полимеров лежат в пределах от 5-10~s до 10~3 и слабо зависят от f и температуры. Вблизи и выше Тст возможен рост tg 6 при повышении температуры, что связано с повышением ионной проводимости полимера. Значения tg б полярных полимеров определяются их строением и
102
Электроизоляционные • полимеры
Разд. .5
Таблица 5.3. Основные области применения в электрической изоляции некоторых наиболее распространенных полимеров
Тип полимера	Электроизоляционные материалы								
	Волокна, бумаги, ткани	Пленки	Пластмассы		Эластомеры (каучук, резина, термоэластомеры)		Клен	Лаки и эмали	
						. 			
									
			термопласты	реактопласты		Композих оиные ма риалы			Составы раствори1 (компаун
Полиэтилен	4-	+	+	+		+						
Полипропилен	+	+	+	+		+	—	 1		—
Сополимеры этилена и пропилена		+	+	+	+			—	—
Сополимеры диенов	—	—	—	'1		+	— .	4-	4*	4-
Полистирол и сополимеры стирола	—	+	+	4-	4-	+	+	+	4-
Поливинилхлорид	—-	+	+	—	+	—	—	4*	—
Сополимеры винилхлорида	4-	+	+	+	4-	• 4-	—	4~	—
Поливинилиденхлорид и сополимеры внннлиденхло-	+	+	+		+		—		
рида Поливинилфторид				+					—				—		
Поливинилиденфторид	и сополимеры винилиден-фторида	—	+	+	1—	+	—	—	—	—
Политрнфторхлорэтилен и сополимеры	трифтор- хлорэтилена	—	+	+	—	+	4~	—	4-	—
Политетрафторэтилен	—	+	+	1—	—	—»	—	4*	—
Хлорированные полиоле- фины	—►	+	+	+	+	—	—	+	—
Полиакрилаты	—	+	+	4-	+	—	—	4*	4*
Полисилоксаны	—	—	——	+	4-	4*	4*	+	+
Эпоксидные смолы	—	—	—	+	—-	+	+	+	+
Полиэфиры	+	-L.	+	+	—		+	+	+
Полиамиды	+	+	+	+	—-	4*	+	—	
Полиуретаны				4-	+		+	4*	4*
Полнимиды, полнамидо-имиды и другие гетероциклоцепные полимеры	—	+	—-	+ 	—	4* •	+	4-	4-
Ненасыщенные полиэфиры		—	—	+	—	—	4*	—	4*
Феноло- и аминоформальде-гидные смолы	—	—	—	+	—	—		4*	
Производные целлюлозы	+	+	—	—	.—	—	—	—	—-
Полиацетали			—	+	—	—	4*	4*	—
Поликарбонаты	—	+	+	'—	—	—			—
подвижностью макромолекул и в сильной степени зависят от f и температуры. Повышенные значения tgC полярных полимеров ограничивают нх применение при высоких частотах.
Прн действии на полимеры нагрева, облучения, ультразвука, химических сред происходят. необратимые изменения их химического строения и М, ухудшение механических, электрических и других свойств. Такие изменения известны под общим термином «старение» полимеров.
Практически наиболее важный вид старения полимеров — термическое старение. Способность полимеров сохранять неизменным химическое строение прн действии повышенных температур называется термостойкостью.
Химические процессы, протекающие при высоких температурах, сопровождаются деструкцией и (или) структурированием полимеров, а в присутствии кислорода и воды окислительными и гидролитическими превращениями.
Последние сильно ускоряют разрушение полимера, что отрицательно сказывается на физических свойствах изделий, в частности на их механической прочности. Таким образом, термостойкость определяет тот температурный предел, выше которого уже не может быть использована теплостойкость полимера, даже если мы сумеем поднять последнюю до более высокой температуры.
Для полной характеристики полимера очень важно знать, какой температурный интервал имеется между его теплостойкостью и термостойкостью. Практическая возможность изготовления изделий методами, требующими перехода полимера в вязкотекучее состояние, зависит от этого интервала: чем он меньше и выше расположен, тем труднее перерабатывается полимер.
Теплостойкость линейных полимеров в большинстве случаев ниже, чем их термостойкость, т. е. Тет и температура размягчения или Т? лежат ниже температуры разложения.
§ S;E	Общие введения 	"	103
Однако в случае сшитых полимеров, а также полимеров с очень жесткими цепями макромолекул картина меняется и теплостойкость часто - оказывается выше, чем термостойкость.
Термостойкость полимеров определяют методами термогравнметрин и дифференциального термического анализа.
Для повышения термостойкости и нообще стойкости к старению н полимеры внодят различные стабилизаторы, в частности антиоксиданты, которые замедляют термоокислнтельную деструкцию.
Нагревостойкость полимерных материалов, главным образом зависит от их тепло- и термостойкости и некоторых других свойств, определяющихся их химической структурой и составом, а также от конструкции изоляции и от функций, которые они выполняют в электрооборудовании. Линейные карбоцепные полимеры, за исключением полифениленов и фторсодержащих, имеют малую нагревостойкость. Их длительная рабочая температура не превышает 120 °C. Гетероцепные полимеры, в особенности сшитой структуры, имеют длительную рабочую температуру 120—180 °C. Особенно нагревостойки полимеры с феиилеиовыми группами и гетероциклами в цепи (полиимиды, полибензимидазолы, полибензоксазолы, полиакрилаты, ароматические полиамиды и т. п.), а также по-лиорганосилоксаны и некоторые другие элементоорганические полимеры, длительная рабочая температура которых достигает 180—240 °C.
При описании свойств полимеров в части длительной рабочей температуры учтен ГОСТ 8865-70 «Материалы электроизоляционные. Классификация по нагревостойкости». Однако необходимо принимать во внимание замечания в этом ГОСТ:
а)	имеется ряд материалов, по которым отсутствует достаточный опыт эксплуатационной практики;
б)	имеются многочисленные разновидности одного и то же материала, обладающие различной нагревостойкостью;
в)	нагревостойкость материалов зависит от конструкции изоляции н от функций, которые они выполняют в электрооборудовании.
Поэтому приведенные в этом разделе сведения о длительных рабочих температурах являются ориентировочными.
Ориентировочными являются и некоторые другие сведения о свойствах полимеров, так как литературные данные часто противоречивы или недостаточно точны. Например, не всегда указываются условия определения электрической прочности (нет данных о толщине образца), Тст и Гпл (не оговаривается структура полимера) и т. п.
Ниже приведены обобщенные данные, взятые пз различных источников.
Основные области применения в электрической изоляции некоторых наиболее распространенных полимеров приведены в табл. 5.3.
S.2. ОРГАНИЧЕСКИЕ СИНТЕТИЧЕСКИЕ
КАРБОЦЕПНЫЕ ПОЛИМЕРЫ
ПОЛИОЛЕФИНЫ
Полиолефины (код ОКП 22 1110)—полимеры, образующиеся при гомо- или сополимеризации олефинов.
Гомополиолефины имеют общую формулу
R
—СН2— С —	.
I R L	Jn
В зависимости от природы заместителей R и R' они могут быть разделены на трн основные группы.
1.	R=R'=H, нлн R=H, R' — алкил линейного строения, или R н R' — алкилы линейного строения, например СН3, С2Н5. К этой группе относятся полиэтилен, полипропилен, полибутен, полиизобутилен.
2.	R=H, R' — алкил разветвленного строения. К этой группе относятся, например, полн-4-метилпентен-1, полн-З-метилбуден-1,
3.	R=H, R' — цнклогекснл или другой циклический либо полициклический углеводородный радикал. Из полиолефинов этой группы наиболее полно изучен поливинилциклогексан.
Особую группу составляют полимеры циклоолефинов, в частности цнклопентена.
Среди СПЛ олефинов наибольшее значение имеют этиленпропнленовые СПЛ, а также кристаллические блоксополимеры, так называемые полиалломеры.
Кристаллические полиолефины обладают достаточно высокой механической прочностью, высокими электроизоляционными свойствами, устойчивы к действию агрессивных сред (за нсключеинем сильных окислителей, например, азотной кислоты), способны образовывать легко ориентируемые пленки н в ряде случаев волокна (например, полипропилен), могут перерабатываться любыми способами, принятыми в промышленности пластмасс. Недостаток полиолефинов— плохая адгезия, обусловленная отсутствием полярных групп, и сравнительно невысокая жесткость, из-за которой ограничивается применение этих полимеров как конструкционных материалов. С другой стороны, отсутствием полярных групп объясняется повышенная химическая стойкость полиолефинов.
Введение разветвленных алифатических или циклических заместителей заметно повышает температуру плавления и нагревостойкость полиолефинов.
В электроизоляционной технике наибольшее применение нашли полиэтилен, полипропилен н их СПЛ.
Полиэтилен (ПЭ) — твердый термопластичный полимер белого цвета; макромолекулы имеют линейное строение с небольшим количеством боковых ответвлений. В промышленности ПЭ получают тремя основными методами:
1.	Полимеризацией этилена (Э) при высоком давлении (130—250 МПа) и высокой температуре (190—300 °C) в течение 30—100 с в присутствии инициаторов (кислорода, органических перекисей) по радикальному механизму. Полученный по этому методу ПЭ называют ПЭ высокого давления (ВД) или ПЭ низкой плотности (код ОКП 22 1111).
2.	Полимеризацией Э при низком давлении (ниже 1 МПа) и температуре ниже 80 °C с применением катализаторов Циглера — Натта по ионно-координационному механизму. Полученный ПЭ называется ПЭ низкого давления (НД)
104
Электроизоляционные полимеры
Разд. 5
Таблица 5.4. Показатели, характеризующие макромолекулярные цепи полиэтилена
Показатель	ПЭВД	ПЭНД	ПЭСД
Общее число групп СН3 на 1000 атомов углерода	15—25	3—6	Не более 3
Расположение боковых ответвлений друг от дру-	~50	200—250	200—250
га со средним интервалом, углеродных атомов Ответвления в макроцепи1	СН3, С2Н6,	СН3, С2Н6	сн3, С2НВ
	СдНа		
Общее число двойных связей на 1000 атомов уг-	0,4—0,6	0,6—0,8	0,6—0,8
Степень кристалличности2, %	~60	70—85	~90
Размеры кристаллитов, нм	5—20	5—50	5—50
Среднемассовая молекулярная масса	30—400 тыс.	50—800 тыс.»	50—800 тыс.3
Плотность, кг/м3	918—930	954—960	960—968
> У ПЭВД наряду с короткими ответвлениями имеются и длинные боковые цепи.
2 Кристалличность ПЭ с повышением температуры уменьшается.
8 Выпускаются также марки ПЭНД и ПЭСД с Mw, достигающей нескольких миллионов.
или ПЭ высокой плотности (код ОКП 22 1112).
3.	Полимеризацией Э при среднем давлении (3—4 МПа) и температуре ниже 160 °C с применением в качестве катализаторов оксидов металлов переменной валентности по ионному механизму. Такой ПЭ называется ПЭ среднего давления (СД) или ПЭ высокой плотности (код ОКП 22 1113).
Эти три типа ПЭ различаются по степени разветвленности (наиболее разветвлен ПЭВД,
наименее — ПЭСД) и по другим показателям (табл. 5.4), а также по режимам переработки в изделия. Конформация цепи ПЭ — плоский зигзаг.
ПЭ выгодно отличается от других термопластов сочетанием высокой прочности с достаточной эластичностью н способностью работать в широком интервале температур (от —120 до 4-100 °C). ПЭ — неполярный полимер, обладающий высокими электроизоляционными свойствами (табл. 5.5, рис. 5.3—5.6).
Таблица 5.5. Показатели полиэтилена
Показатель	ПЭВД	ПЭНД	ПЭСД
Прочность, МПа: при растяжении	10—17	18—45	18—40
при изгибе	17—20	20—40	25—40
при срезе	14—17	20—36	20—37
Предел текучести, МПа	9—16	25—35	28—38
Модуль упругости при изгибе, МПа	120—260	650—750	800—1250
Относительное удлинение, %, в нача-	15—20	10—12	5—8
ле течения Ударная вязкость1 образца с надре-	Не ломается	2—150	7—150
зом, кДж/м2 р, Ом-м	~10«	~1015	~101Б
ps, Ом	~101Б	~101Б	~1016
Ег при 1 МГц	2,2—2,3	2,2—2,4	2,3—2,4
tg6 при 1 кГц—1 МГц	(2—3)-IO—4	(2—4)-10—4	(2—4)-10-4
Дпр, МВ/м, при толщине 1 мм	45—55	45—55	45—55
Температура, °C: плавления	103—110	124—132	128—135
хрупкости	От —120 до—80	От •—150 до —70	От—140 до—70
Коэффициент	теплопроводности,	0,33—0,36	0,42—0,44	0,46—0,52
Вт/(м-°С) Удельная теплоемкость при 20—	1,9-2,5	1,9—2,1	1,7—1,9
25 °C, кДж/(кг-°С) ТК/, °C-1 (от Одо 100 °C)	(2,1—5,5)-10—4	(1-2,5)-10—*	(1—1,5)-10—4
Водопоглощеине за 30 сут, %: при 20 °C	0,02	0,005	<0,01
при 70 °C	—	0,04	—
Длительная рабочая температура2, °C		 .	90	90	90
1 Показатель сильно зависит от JM; чем больше М. тем выше значения показателя.
2 Для стабилизированного и облученного ПЭ рабочая температура 105 °О.
Органические синтетические карбоцепные полимеры
105
Для ПЭ характерно малое изменение электрических свойств в широком диапазоне температур и частот. Тангенс угла диэлектрических потерь ПЭ в интервале температур от —45 до + 115 °C и частот 10—50 кГц находится в пределах (24-4)-10~4. Электрические свойства ПЭ ухудшаются с увеличением степени его окисления и при наличи примесей. Свойства ПЭ можно модифицировать смешением его с другими полимерами или сополимерами. Так, при смешении ПЭ с полипропиленом повышается нагревостойкость, при смешении с бутилкаучуком или этиленпропнленовым каучуком — ударная вязкость и стойкость к растрескиванию.
ПЭ обладает низкой газо- и паропроница-емостью и мало проницаем для воды и водяных паров. Химическая стойкость ПЭ зависит от М, ММР и особенно от плотности; с ее уве-
Рис. 5.3. Зависимость £пр ПЭВД от толщины:
Рис. 5.4. Зависимость р ПЭВД от температуры
Рнс. 5.5. Зависимость tg6 fl) и ег (2) ПЭВД от температуры
Рис. 5.6. Зависимость tg б ПЭНД и ПЭВД от температуры при 3-109 Гц:
I — ПЭНД; 2-ПЭВД
личеннем химостойкость ПЭ возрастает. Наиболее высокой химостойкостыо обладают ПЭНД и ПЭСД. ПЭ не реагирует со щелочами, с растворами солей, органическими кислотами и даже с концентрированными соляной и плавиковой кислотами. При действии H2SO4 (концентрации 80 % и выше) и температуре выше 50 °C свойства ПЭ изменяются. ПЭ разрушается прн 20 °C 50 %-ной HNOS, а также жидкими и газообразными хлором и фтором. ПЭ не растворяется, но набухает в органических растворителях прн 20 “С; выше 80 °C растворяется во многих растворителях, особенно хорошо в углеводородах и их галогенпроизвод-ных. ПЭ можно хлорировать, сульфохлориро-вать, бромировать, фторировать. Эти реакции используются на практике для модификации свойств ПЭ. Например, с введением в ПЭ до 76 % фтора повышаются нагревостойкость, температура плавления и химостойкость.
На воздухе в изделиях из ПЭ, находящихся в напряженном состоянии, могут появиться мелкие трещины. Процесс этот проходит в течение нескольких лет или даже десятков лет. Но он значительно ускоряется при контакте со спиртами, мылами, нефтяными маслами, синтетическими моющнмн средствами, эмульгирующими веществами
При воздействии на ПЭ тепла, ультрафиолетовых лучей, кислорода воздуха происходит старение, которое выражается в ухудшении физико-механических и электроизоляционных свойств. Чтобы затормозить этот процесс, полимер стабилизируют введением антиоксидантов (ароматических аминов, алкилфенолов, фосфитов н др.) и светостабилизаторов (сажа, производные бензофенонов и т. п.).
При изготовлении изделий из ПЭ наблюдается их усадка. Значения термической усадки при охлаждении изделий от 115 до 20 °C изменяются в следующих пределах: линейная — от 5,1 до 0 %, объемная — от 15,3 до 0 %. Кроме термической, существует усадка изделий, связанная с наличием внутренних напряжений. В среднем такая усадка колеблется в пределах от 1 до 3 % 
ПЭ практически безвреден и не выделяет в окружающую среду опасных для здоровья человека веществ. Вредное действие могут оказывать лишь продукты его разложения.
ПЭ перерабатывается при 120—280 °C всеми известными методами, применяемыми при переработке термопластов.
Различные электроизоляционные материалы на основе ПЭ — пластмассы, пленки, пенопласты и др. применяются для изоляции проводов н кабелей, для изготовления деталей радиотехнической аппаратуры. Зарубежом ПЭ низкой плотности выпускают под названиями: петротен (США), алкатен (Великобритания), хостален (ФРГ), стафлен (Япония), лотрен (Франция), фертен (Италия), а ПЭ высокой плотности — карлона (Великобритания), хей-жекс (Япония), манолен (Франция), мон-лен (Италия).
Облученный ПЭ. Облучение ПЭ частицами высоких энергий приводит к образованию сложных пространственных молекул с поперечными связями между линейными цепями. При температуре ПО—115 °C полимер не плавится, а становится резиноподобным, сохраняя при
ice
Электроизоляционные полимеры
Разд. 5
температуре до 200 °C прочность прн растяжении и стойкость к продавливанию.
Благодаря изменению химической структуры у облученного ПЭ повышается стойкость к растворителям и к поверхностному растрескиванию в напряженном состоянии при контакте с активными средами (водными растворами мыл, синтетическими моющими средствами, эмульгирующими веществами и др.). При стабилизации облученного ПЭ повышается срок службы его по сравнению с облученным неста-билизированиым ПЭ.
При изоляции проводов облученным ПЭ можно токопроводящие жилы облужнвать, не опасаясь расплавления изоляции вблизи облу-женной проволоки.
Вулканизированный ПЭ имеет «сшитую» структуру макромолекул. По сравнению с обычным ПЭ он более стоек к токовым перегрузкам, так как не размягчается прн повышенных температурах. Для вулканизации ПЭ применяют, например, перекисные соединения, обеспечивающие «сшивку» макроцепей при высокой температуре. При применении изоляции из вулканизированного ПЭ исключаются случаи ее растрескивания в напряженном состоянии под влиянием тепла, воды и химических агентов. По другим свойствам вулканизированный ПЭ аналогичен линейному.
Получение «сшитого» ПЭ методом вулканизации дешевле и технологически удобнее, чем методом облучения.
Хлорированный полиэтилен (ХПЭ). ПЭ может быть модифицирован хлором. При этом могут быть получены продукты с разнообразными свойствами, зависящими от структуры, состава, М исходного полимера, а также от метода и степени хлорирования. Введение хлора в макромолекулу ПЭ приводит к снижению кристалличности, изменению температур размягчения, стеклования и др. Так, ХПЭ, содержащий 16—25 % хлора, — термопласт, характеризующийся высоким относительным удлинением (до 1700 %) и хорошей холодостойкостью. ХПЭ с 26—48 % хлора — эластомер. При дальнейшем увеличении содержания хлора жесткость, температуры размягчения н стеклования ХЭП повышаются вследствие увеличения межмолекулярного взаимодействия. ХПЭ с 49—60 % хлора — кожеподобный, а более глубоко хлорированный полимер — стеклообразный продукт, приближающийся по свойствам к непластифнцированному поливинилхлориду. Ниже приведены некоторые свойства ПЭ высокой плотности, хлорированного в растворе (25 % хлора):
р, Ом-м .....................  1013
£пр, МВ/м............. 30
бг при .1 кГц .  ............ 6,1
ег при 1 МГц .  ............. 4,3
tgfi при 1 кГц............... 0,019
tgfi при 1 МГц ........	0,134
Водопоглошение, %:
. за 1 сут................. 0,1
за 30 сут................. 0,6
Хлорированные ПЭ эластомеры можно вулканизировать' и подвергать радиационному облучению для получения «сшитых» продуктов. Применяются ХПЭ эластомеры, а также
их смеси с другими полимерами для изоляции проводов н кабелей.
За рубежом ХПЭ выпускают под названиями: тирин,' СРЕ (США), галофлекс, СРЕ (Великобритания), хлорхосталеп, лютриген (ФРГ), эласлен, дайзолак (Япония).
Хлорсульфированный	полиэтилен
(ХСПЭ) — каучукоподобный продукт, образующийся при взаимодействии ПЭ с хлором н сернистым ангидридом. Введение атомов хлора в макромолекулу ПЭ приводит к нарушению регулярности ее структуры н к превращению высококристаллического продукта в аморфный. Хлорсульфоновые группы (SO2 Cl) обусловливают способность ХСПЭ к вулканизации. Содержание хлора в промышленных типах ХСПЭ может изменяться от 25 до 45%, содержание серы — от 0,8 до 2,2 % (мае.). ХСПЭ хорошо растворяется в ароматических и хлорированных углеводородах, хуже — в кетонах и сложных эфирах и нерастворим в алифатических углеводородах н спиртах. Для растворения обычно используют толуол и ксилол, а также их смеси. ХСПЭ обладает резиноподобными свойствами н отличается стойкостью к воздействию химических агентов, хорошей прочностью, высокой светостойкостью и стойкостью к действию озона. Он обладает низкой газопроницаемостью, а по адгезии к различным поверхностям приближается к хлоропреновому каучуку. Некоторые свойства ХСПЭ, полученного из ПЭ низкой плотности (содержание хлора 27%, серы 1,3 %), приведены ниже;
Плотность, кг/м3..................... 1110
р, Ом-м.............................. 1013
£пр, МВ/м ........................... 16—24
ег (1 кГц)........................ 5—7
tg 6 (1 кГп)........................ 0,025
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м°С).......................... 0,11
Хлорсульфированный ПЭ применяется в кабельной промышленности; на его основе получают не только изоляцию, но н внешнюю атмосферостойкую оболочку кабелей.
В промышленном масштабе ХСПЭ производят в СССР (торговое название продукта, получаемого из полиэтилена низкой плотности, — ХСПЭ, из полиэтилена высокой плотности — ПХС) и в США (хайпалон).
Сополимеры этилена (СЭ) (код ОКП 22 1120) получают с целью модификации свойств полиэтилена — повышения растворимости, адгезии, физико-механических свойств и т. п.
Наиболее широко в электроизоляционной технике применяют статистические СЭ с пропиленом (СЭП), которые получают прн низком (около 1 МПа) и среднем (2—6 МПа) давлениях в присутствии комплексных металлоорганических катализаторов.
Свойства СЭП зависят в основном от соотношения между этиленом и пропиленом в сополимере, а также от способа синтеза. СЭП получают с содержанием 0,2—3 % звеньев пропилена (М=30 0004-800 000) и с содержанием 20—60 % звеньев (чаще 25—40 % звеньев) пропилена (7И=80 0004-250 000).
Сополимеры имеют приблизительно такие же электроизоляционные свойства, как полиэтилен. С увеличением содержания пропилена в СЭП степень кристалличности уменьшается,
§ 5.2
Органические синтетические карбоцепные полимеры
107
снижаются плотность, модуль упругости, жесткость, температура плавления, но увеличиваются газо- и паропроницаемость, растворимость в органических растворителях, эластичность, ударная вязкость, относительное удлинение, стойкость к растрескиванию под напряжением прн контакте с поверхностно-активными агентами, стойкость при действии длительных нагрузок. СЭП имеет высокую стойкость к окислению и атмосферостойкость. Они стойки к действию спиртов, кетонов, эфиров, щелочей, кислот. Электроизоляционные материалы, полученные на основе СЭП, эластичны, характеризуются хорошими механическими свойствами, высокой атмосфере-, нагрево- и холодостойкостью, стойкостью к действию агрессивных сред, отличными электрическими свойствами, но они горючи и имеют низкую маслостойкость. Эти материалы применяют для изоляции проводов и кабелей.
Полипропилен (ПП) (код ОКП 22 ИЗО) — термопластичный линейный полимер [—СН2-СНСН3—In-
Наибольшее практическое значение имеет изотактический ПП, хотя известны также синдиотактический, атактический и стереоблокпо-лимер.
В промышленности изотактический ПП получают полимеризацией пропилена в присутствии комплексного катализатора Циглера — Натта: а) в растворе (в среде инертного растворителя) при 70—80 °C и 0,5—1 МПа; б) в массе при 70—80 °C и 2,7—3 МПа.
Полимеризация проходит по анионно-координационному механизму. Полученный таким образом ПП имеет изотактическую структуру с регулярно построенной («голова к хвосту») цепью. В изотактическом ПП всегда содержится небольшое количество (2—5 %) атактической аморфной фазы. Изотактический ПП имеет максимальную степень кристалличности — 73—75 %. Полипропилен — бесцветный полимер без характерного запаха и вкуса. В тонких слоях ПП прозрачен, в толстых — молочно-белый. Молекулярная масса, выпускаемого промышленностью ПП, равна 75 000— 200 000.
ПП — химостойкий материал. Заметное воздействие на него оказывают только сильные окислители (концентрированные HNO3, H2SO4). ПП обладает высокой стойкостью к щелочам, растворам солей н другим неорганическим агрессивным средам. В органических растворителях ПП при 20 °C незначительно набухает. Прн температуре выше 100 °C он начинает растворяться в ароматических углеводородах (бензол, толуол).
 Изделия из ПП выдерживают кипячение в воде и стерилизацию паром (до 130 °C) без изменения формы н механических свойств.
ПП — хороший электроизоляционный материал. Его электрические свойства практически не изменяются даже после длительной выдержки в воде, а ег мало зависит от частоты и температуры. Ниже приведены основные свойства изотактического ПП:
Плотность, кг/м3 ....	920—930
Предел- текучести, МПа .	27—30
Прочность прн растяжении,
МПа ... . . . . . .	30—35
°C °C
Относительное удлинение, %.........................
Ударная вязкость, кДж/м2 Е„р при толщине 1 мм, МВ/м......................
ps, Ом....................
р, Ом-м...................
ег при 106 Гц.............
tg 6 при 106 Гц...........
Г ПЛ, Гст, Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-°С) . . . . Удельная теплоемкость, кДж/(кг-°C)...............
ТК I, °C-' (от 0 до 100°C), Холодостойкость, °C . . . Водопоглощенне за 30 сут при 20 °C, %..............
Длительная рабочая температура (для термостабилизированного или облученного ПП), °C . . .
200—800 . .5—12
30—35 101в
Ю12— 1015 2,0 (3—5)-10-4 172 От—10 до—20
0,15
1,9 1,1-10—* От—5 до—25
0,03
105
Для ПП характерна очень низкая газо- и паропроницаемость. Вследствие наличия третичных углеродных атомов ПП более чувствителен, чем полиэтилен, к действию кислорода, особенно при повышенных температурах. Поэтому в процессе переработки ПП обязательно надо добавлять стабилизаторы. ПП перерабатывается в изделия теми же способами, что н полиэтилен. Изделия из него отличаются стойкостью к истиранию (сравним с этим показателем для изделий из полиамидов) и поверхностной твердостью, которая у ПП выше, чем у полиэтилена. Для ПП характерна высокая стойкость к многократным изгибам. Из-за неполярностн ПП имеет низкую адгезию, поэтому основной метод соединения деталей из ПП —сварка. Чистый ПП физиологически безвреден.
Из ПП изготавливают пластмассы, волокна, пленки, пенопласты, которые применяются в радио- и электротехнике (различные детали, кабельная изоляция, конденсаторы).
ПП выпускают за рубежом под названиями: профакс, поли-про, олеформ (США), моплен (Италия), хостален (ФРГ), пропатен (Великобритания), даилай, доибаид (Япония).
ПОЛИМЕРЫ ГАЛОГЕНПРОИЗВОДНЫХ НЕПРЕДЕЛЬНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Поливинилхлорид (ПВХ) [—СН2 — —СНС1—]« (код ОКП 22 1210) — термопластичный полимер преимущественно линейного строения — получают полимеризацией винилхлорида по радикальному механизму в массе, эмульсии, суспензии или в органическом растворителе.
В промышленности чаще всего используют эмульсионный и суспензионный методы. Винилхлорид можно также полимеризовать н по ионному механизму, однако число катализаторов ионной полимеризации очень ограничено.
Полимеризацию в массе проводят в автоклаве при 30—70 °C в присутствии инициаторов, растворимых в мономере, — органические перекиси, азодинитрилы и др. Этим методом получают очень чистый ПВХ (код ОКП 22
108
Электроизоляционные полимеры
Разд. 5
1213), не загрязненный эмульгатором, защитным коллоидом и др.
Полимеризацию в суспензии проводят в течение 8—14 ч при 30—70 °C и давлении 0,4— 1,2 МПа по периодической схеме. Полученная суспензия (код ОКП 22 1211) содержит легко фильтруемые частички ПХВ размером 75— 150 мкм (иногда до 600 мкм). Полученный этим методом ПВХ характеризуется сравнительно узким ММР; его свойства и структура сильно зависят от природы инициатора, защитного коллоида и различных добавок, а также от технологических параметров. Молекулярную массу ПВХ регулируют температурой полимеризации.
Суспензионный ПВХ по сравнению с эмульсионным обладает лучшими электроизоляционными свойствами, более высокой водо- и нагре-востойкостью, улучшенной светостойкостью, так как содержит' незначительные количества примесей. Недостаток суспензионной полимеризации ПВХ — трудность осуществления ее непрерывным способом.
Полимеризацию в эмульсии проводят по периодической или непрерывной схеме в течение 2—5 ч при 40—60 °C, давлении 0,5 — 0,8 МПа и неинтенсивном перемешивании (60— 70 об/мин). Диспергирующей средой служит вода, содержащая эмульгатор (например, мыла высших жирных кислот), инициатор (например, персульфаты щелочных металлов или аммония) и регулятор pH (например, фосфаты щелочных металлов).
Скорость полимеризации в эмульсии значительно выше, чем в суспензии, и зависит от концентрации инициатора, количества эмульгатора и других факторов.
ПВХ, полученный этим методом, характеризуется узким ММР.
В результате эмульсионной полимеризации образуется латекстонкая дисперсия ПВХ с размером частиц 0,05—0,5 мкм (иногда до 1 мкм), характеризующаяся значительной полидисперсностью по размерам полимерных частиц, имеющих, как правило, сферическую форму (код ОКП 22 1212). Недостаток метода — трудность удаления мыла и других добавок из готового продукта и значительно худшая, по сравнению с суспензионным ПВХ, перерабатывае-мость в жесткие и полужесткие изделия.
Полимеризация в растворе (дихлорэтан, бензол, хлорбензол и др.) имеет ограниченное применение. Скорость реакции зависит от концентрации мономера и инициатора, а также от природы растворителя.
Получать ПВХ можно и фотополимеризацией, которая протекает при низкой температуре в присутствии сенсибилизаторов (например, соли уранила). Этим методом получают нагревостойкнй ПВХ, из которого формуют волокна, которые имеют в 2 раза более высокую прочность и в 2 раза меньшую усадку при 100 °C по сравнению с волокном, полученным из обычного ПВХ.
ПВХ — твердый продукт белого цвета, теоретическое содержание хлора — 56,8 %, практическое всегда несколько меньше. Коэффициент полимеризации 100—2500. Элементарные авенья в цепях полимера расположены в основном в положении 1,2. Степень упорядоченности макромолекул ПВХ зависит от температуры полимеризации, а также от М. Максимально
возможная упорядоченность реализуется При температурах полимеризации выше 55 °C или в случае отжига при температурах выше 70 °C. Степень кристалличности промышленного ПВХ может достигать 10 %, а полимера, полученного при температурах ниже —10 °C или радикальной полимеризацией при 20—50 °C, — соответственно 10—23 и 33—35 %. Кристаллический ПВХ имеет синдиотактическую конфигурацию.
Температура текучести ПВХ тем выше, чем ниже температура полимеризации.
Ниже приведены основные свойства прессованных образцов ПВХ (см. также рис. 5.7— 5.9):
Плотность при 20 °C, кг/м8 1350—1430 Прочность, МПа:
при растяжении . . .	40—60
при сжатии ....	70—160
при изгибе........... 80—120
Модуль упругости при растяжении, МПа............. 2700—4000
Относительное удлинение, при разрыве, % . . . .	5—100
Ударная вязкость, кДж/м2:
образцы без надреза ,	— 150
образцы с надрезом .	2—10
ps, Ом'...............  .	101®— Ю14
р, Ом-м:
при 20 °C.............. ЮМ—10»
при 140 °C ............ 5-Ю8
Ег при 50 Гц:
20 °C.......................... 3,2
140°C . . ............. 12,0
Ег при 106 Гц (20 °C) . .	3,1—3,4
tg 6 при 50 Гц:
20 °C................ 0,02
140 °C............... 0,1
tg6 при 10е Гц (20 °C) .	0,015—0,018
£11р, МВ/м:
при 20 °C............ 35—45
при 140 °C........... <5
Гт, °C . .  ............. 180—220 и выше
Тот, °C.................. 78—105
Коэффициент теплопровод-
ности, Вт/(м-°С) ....	0,15—0,17
Удельная теплоемкость, кДж/(кг-°С).............. 1,0—2,1
ТК Z, °C-1 .	:.......... (6—8)-Ю~6
Теплостойкость по Мартен-
су, °C.................... 50—80
Холодостойкость, °C . . .	<—Ю
Водопоглощение за 24 ч, %........................ 0,4—0,6
Длительная рабочая тем-
пература, °C ..... .	90
ПВХ, полученный полимеризацией винилхлорида в массе, суспензии или эмульсии, — порошкообразный материал, свойства которого (М, ММР) в значительной мере определяют поведение полимера при переработке и свойства изделий из него.
Зерна суспензионного порошкообразного ПВХ подразделяют на монолитные и пористые, а эмульсионного — на полые и компактные частицы.
Растворимость ПВХ уменьшается с увеличением коэффициента полимеризации и зависит от метода получения. Так, ПВХ, полученный эмульсионной полимеризацией, растворя
§ 5.2
Органические синтетические карбоцепные полимеры
109
ется хуже ПВХ, полученного в суспензии, масле или растворителе. ПВХ с коэффициентом полимеризации 300—500 легко растворяется в кетонах, сложных эфирах, хлорированных углеводородах и др. Растворимость ПВХ с коэффициентом полимеризации 2000—2500 ограничена; удается получить лишь 1-—10 %-иые растворы в кетонах, этилхлориде, дихлорэтане, хлорбензоле, нитробензоле, дноксане и др.
ПВХ до 60 °C стоек к действию соляной и муравьиной кислот любых концентраций, серной кислоты — до 90 %-ной, азотной — до 50 %-ной и уксусной до 80 %-ной концентрации. ПВХ не изменяется при действии щелочей любых концентраций, промышленных газов (NO2, Cl2, SO3, HF и др.), растворов солей А1, Na, К, Fe, Си, Mg, Ni, Zn, Sn и других металлов, а также бензина, керосина, масел, жиров, глицерина, спиртов, гликолей.
При энергетических и механических воздействиях на ПВХ имеют место дегидрохлорирование, окисление, деструкция макроцепей, структурирование, ароматизация н графитизация. Основная реакция, ответственная за потерю полимером эксплуатационных свойств, — выделение НС1. При нагревании ПЁХ выше 100 °C (не выше 350 °C) в основном выделяются НС1 и небольшие количества ароматических углеводородов (бензол). Одновременно в полимере образуются сопряженные двойные связи.
Хромофорный эффект (появление окраски
Рис. 5.7. Зависимость р непластифицирован-
Рис. 5.8. Зависимость tg6 (7) и ег (2) ПВХ от температуры
Рис. 5.9. Зависимость tg6 ПВХ от частоты
от желтоватой до черной) проявляется уже при выделении всего 0,1—0,2 % НС1. Поперечные связи между макромолекулами обычно образуются лишь при длительном нагревании ПВХ (2—4 ч при 175°C).
При УФ- и у-облученни ПВХ (20 °C и выше) наряду с дегидрохлорированием происходит сшивание макроцепей. Механохимические воздействия, сопровождающие переработку ПВХ, интенсифицируют деструкцию, в частности выделение НС1.
Для получения материалов ПВХ стабилизируют. Принцип стабилизации ПВХ заключается в устранении или ослаблении вредного влияния химических, энергетических и (или) механических воздействий. Необратимые изменения, из-за которых дальнейшее практическое использование материалов на основе ПВХ становится невозможным, в основном связаны с реакцией дегидрохлорирования. Поэтому при приготовлении композиций на стадии смешения в ПВХ вводят смесь из нескольких стабилизаторов (обычно более четырех) и смазок, которые подбирают эмпирически в зависимости от сорта ПВХ, вида переработки, типа материала и конструкции перерабатывающих машин. В качестве термостабилизаторов, которые связывают НС1, используют эпоксидированное соевое масло, различные основные и средние соли свинца, оловоорганические соединения, мыла Ba, Cd, Са, Zn и некоторых других металлов.
В качестве антиоксидантов применяют, например, производные фенолов и бисфенолов, гидрохиноны, производные мочевины н тиомочевины и др. Применяют также соединения, поглощающие УФ-лучи: производные бензофенонов или бензтриазолов, кумарина, салициловой кислоты. В качестве смазок используют парафины, воски, высокомолекулярные кислоты парафинового или олефинового ряда и т. п.
С физиологической точки зрения ПВХ совершенно безвреден. Физиологическая активность различных материалов на основе ПВХ зависит от характера вводимых добавок: стабилизаторов, смазок, красителей, пластификаторов и т. п. Вредное действие оказывают продукты разложения ПВХ: хлороргапические соединения, НС1, СО и др. При этом отмечается раздражение глаз и слизистой оболочки иоса, а также возбуждение, переходящее в вялость. Прн горении ПВХ выделяется большое количество тепла, образуется густой плотный дым.
В зависимости от количества введенного пластификатора и характера переработки из ПВХ получают электроизоляционные материалы: винипласты, пластикаты и пенопласты, а также лаки.
При получении материалов из ПВХ обычно применяют пластификаторы (например, ди-бутилфталат, трикрезилфосфат).
Свойства ПВХ можно модифицировать смешением его с другими полимерами или сополимерами. Так, ударная вязкость материалов повышается при смешении ПВХ с хлорированным полиэтиленом, хлорированным или суль-фохлорированным бутилкаучуком, а также с сополимерами стирол-акрилонитрилом или бу-тадиен-стирол-акрилонитрилом.
Материалы из ПВХ нашли широкое применение в электротехнике, особенно пластикаты в кабельном производстве. Они применяются
110
Электроизоляционные полимеры
Разд: 5
для изоляции защитных оболочек кабельных изделий, изоляции проводов, а также в виде трубок, лент и листов в электрических машинах и аппаратах, работающих при промышленных частотах, являются хорошим дугогасящим материалом; находят применение в «стреляющих» разрядниках.
Перхлорвиннловые полимеры (ПХВП) (код  ОКП 22 1930) — продукты ограниченного хло- рнроваиия ПВХ, содержащие 62,5—64,5 % связанного хлора. ПВХ подвергают хлорированию с целью повышения адгезии и нагревостойкости, а также улучшения растворимости. ПХВП имеют улучшенную холодостойкость (до —45 СС) и большую стойкость к действию агрессивных сред по сравнению с ПВХ.
'Кроме ПХВП промышленностью выпускается и другой продукт хлорирования ПВХ, который содержит 64-—66 % хлора. Этот продукт 'обладает повышенной нагревостойкостыо, но хуже растворяется по сравнению с ПХВП.
ПХВП получают хлорированием растворов ПВХ обычно по периодической схеме. Хлорирование можно осуществлять под действием радикальных инициаторов (перекисей), УФ- или у-излучения. Полученный ПХВП выделяют из раствора с помощью осадителя или отгоняют растворитель. В первом случае образуется порошок со средним диаметром частиц до  100 мкм; а во-втором случае — пористая крошка с частицами до 200 мкм.
ПХВП — аморфные самозатухающие материалы; молекулярная масса зависит от М исходного ПВХ (обычно 40 000—80 000) и способа хлорирования.
Ниже приведены некоторые свойства ПХВП:
Плотность при 20 °C, кг/м3 .	1470—1500
Прочность, МПа:
при изгибе............... НО
при растяжении ....	65—75
Относительное удлинение, %	4—6
Модуль упругости, МПа . ,	3200
Ударная вязкость, кДж/м2:
без надреза ......	400
с надрезом ......	5'
ps, Ом ............................ >10®
р, Ом-м............................. >10i4
ег при 50 Гц......................... 3,0
tg6 при 50 Гц................ 1-10--2
.Епр, МВ/м......................... 20,0
Температура, °C: ' - стеклования ............. 85—95
 разложения............... 130—145
Теплостойкость, "С: по Мартенсу..................... 70
 по Вика........................ 120
ТК I, °C-1 . ................ (6—8)-10—6
Холодостойкость, °C -	. . .	-----45
Влагопоглощение за 7 сут при 20 °C, на 100 см2, мг .	. .	10
ПХВП растворяются (образуя 10—30 %-ные-растворы) в хлороформе, дихлорэтане, толуоле, ксилоле, ацетоне и др.; набухают в бензоле, эфире, четыреххлористом углероде и др.; не -растворяются в гексане, метаноле, этаноле, бутаноле,- петролейном эфире, воде. Разложение -нестабилизированного ПХВП с отщеплением НО начинается при 90 °C. Нагревание ПХВП в инертной среде при температурах до
330 °C сопровождается выделением НС й окрашиванием. Длительное нагревание приводит к сшиванию макромолекул. При температурах выше 330 °C образуется бензол, моно- й дихлорбензолы. Конечным продуктом термического разложения является пористый уголь. Деструкция ПХВП ускоряется в присутствии оксидов металлов (Fe2O3, ZnO, Сг2О3), солей тяжелых металлов (Fe, Си, Zn) и в результате действия УФ-излучения.
Из ПХВП изготавливаются волокна, ткани, ленты, лаки и эмали. Покрытия предохраняют электрооборудование от коррозии, они стойки к действию концентрированных соляной и серной кислот, щелочей, сернистого газа, бен-зКна, масел, спирта; разрушаются концентрированной азотной кислотой.
Модифицирование ПХВП радиационной привитой сополимеризацией с метакриловой кислотой, винилфторидом и акрилонитрилом повышает относительное удлинение и прочность волокон и изделий из ПХВП.
За рубежом ПХВП выпускают под названиями: игелит PC (ГДР), ренофлекс, тровидур, винидур, винифоль (ФРГ), сольвитерм (Франция), ника темп (Япония).
Сополимеры винилхлорида (ВХ) (код ОКП 22 1220) получают:
а)	сополимеризацией ВХ с одним или несколькими мономерами (статистические СПЛ);
б)	прививкой одного или нескольких мономеров на макромолекулы ПВХ либо прививкой ВХ на макромолекулы других полимеров или сополимеров (привитые СПЛ);
в)	взаимодействием ПВХ с другими полимерами (привитые и блок-сополимеры).
Сополимеры ВХ отличаются от ПВХ лучшими текучестью, растворимостью, нагрево-стойкостью, перерабатываемостыо, механическими свойствами, адгезией. Они могут перерабатываться без добавления пластификаторов.
Методы получения и переработки СПЛ аналогичны методам получения и переработки ПВХ.
Статистические сополимеры ВХ получают радикальной или ионной сополимеризацией, чаще всего в растворе (30—60 °C, 20—70 ч) или в эмульсии (40—60 °C, 3—10 ч).
Наибольшее практическое применение получили следующие статистические сополимеры ВХ.
Сополимеры винилхлорида с винилацетатом (код ОКП 22 1222). Свойства СПЛ зависят от соотношения между ВХ и винилацетатом. Обычно СПЛ содержат 3—20 % винилацетата. Чем больше винилацетата содержит СПЛ, тем он лучше растворяется, перерабатывается и обладает лучшей пластичностью, однако при этом снижаются водостойкость, температура размягчения, жесткость и твердость.
Сополимер, содержащий 15 % винилацетата, применяется для получения волокна (внньон) и пленок. Сополимер с содержанием 5 % винилацетата применяется для получения пластических масс.
Примерные свойства СПЛ: плотность 1340 кг/м3, температура размягчения 130— 160 °C, водопоглощение за 24 ч 0,05 %, прочность при растяжении 56—70 МПа, ps равно 10м Ом. а а,— 3,5.
За рубежом сополимеры выпускают под
. § 5.2
Органические синтетические карбоцепные полимеры
111
названиями: лнжовил (Франция), сикрон, випла-. зил (Италия), весторан, виннол (ФРГ), корвик (Великобритания), сольвик (Бельгия), ниполит (Япония), марвинол, крин (США).
Сополимеры винилхлорида с акрилонитрилом (код ОКП 22 1225) содержат обычно 20— 60 % ВХ. Их плотность 1200—1350 кг/м3, температура размягчения 120—135 °C, ег=4,2, tg 6=0,027, р = 4,1-1012 Ом-м (при 50 °C), во-допоглощение ~0,4 % за 24 ч.
Сополимеры при 20 °C хорошо растворяются, стойки к действию концентрированных растворов кислот и окислителей, при повышенных температурах стойки к растворам щелочей и кислот средних концентраций. Сополимеры горят в пламени, но горения не поддерживают, стойки к плесени, моли, гнилостным микроорганизмам.
Сополимеры применяют главным образом для производства волокна и для получения электроизоляционных материалов.
Сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом (ММА) (код ОКП 22 1229), содержащие 20 % ММА, используют для получения непластифицированных прозрачных листовых м