6. Жидкие диэлектрики

Общие сведения

Наиболее широкое распространение в электротехнических устройствах получили нефтяные (минеральные) электроизоляционные масла и синтетические жидкости.

Они выполняют функцию изолирующей, охлаждающей и дугогасящей среды и применяются как в чистом виде, так и в сочетании с волокнистыми и твёрдыми материалами, например, бумажно-масляная или маслобарьерная изоляция.

Поэтому при выборе изолирующей жидкости необходимо соблюдать следующие требования:

• совместимость с применяемыми материалами;
• высокая электрическая прочность;
• высокое удельное сопротивление;
• малые диэлектрические потери;
• стабильность свойств в условиях длительной эксплуатации;
• пожарная и экологическая безопасность.

Не все жидкие диэлектрики удовлетворяют этим требованиям, поэтому в каждом конкретном случае предпочтение отдаётся тем свойствам, которые обеспечивают необходимую стабильность параметров, надёжность и долговечность изделия.

Минеральные (нефтяные) масла.

К этой группе относятся трансформаторное, конденсаторное и кабельное масла.

Трансформаторное масло находит наибольшее применение в электротехнике.  Его получают из нефти посредством её ступенчатой перегонки и последующей тщательной очисткой от химически нестойких примесей. Назначение трансформаторного масла двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во вторых, оно улучшает отвод тепла, выделяемого за счёт потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Ещё одна важная область применения трансформаторного масла – масляные выключатели высокого напряжения.  В масляных выключателях жидкий диэлектрик не только изолирует токопроводящие части, но и выполняет роль среды, гасящей электрическую дугу, которая возникает между контактами срабатывающего выключателя. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполняемых вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.

Конденсаторное масло получают из трансформаторного путём дополнительной обработки под вакуумом с целью удаления воздуха (газов). К параметрам конденсаторного масла предъявляются повышенные требования, так как в процессе эксплуатации невозможно производить замену или регенерацию масла, и диэлектрические свойства его должны сохраняться в течение всего срока службы.

Пропитка изоляции конденсаторов маслом с высоким значением электрической прочности позволяет уменьшить толщину изоляции и увеличить коэффициент диэлектрической проницаемости изоляции, что сокращает массогабаритные показатели конденсаторов при  тех же значениях ёмкости. Низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь снижает потери, а следовательно, и нагрев изоляции и позволяет увеличить срок службы.

В конденсаторном масле не допускается содержание газов, так как в газовых включениях при высокой напряжённости электрического поля интенсивно развиваются ионизационные процессы, что может привести к пробою изоляции.

К кабельным маслам, как и к конденса­торному маслу, предъявляются высокие требования касатель­но стабильности и численного значения параметров, так как изоляция должна обеспечить длительный срок службы.

 

Однако есть и специфические требования, зависящие от конструкции изоляции и величины напряжения.

Так, для кабелей с бумажно-масляной изоляцией (БМИ) напряжением до 35 кВ масло должно обладать повышенной вязкостью, что исключает его стекание при прокладке кабе­ля на различных уровнях и образование «обедненных» участ­ков изоляции, где возможны развитие разрядных процессов и пробой изоляции. Для увеличения вязкости в масло добавля­ют канифоль или другие загустители.

В маслонаполненных кабелях напряжением 110 кВ  и выше токоведущие жилы выполняют в виде толстых труб, свитых из круглых или сегментных проводов. Внутрь этих труб подается масло под давлением. Проникая сквозь зазоры между проводами, масло пропитывает бумажную изоляцию. В кабелях, проложенных в стальных трубах, оно омывает внеш­нюю поверхность изоляции (здесь применяют менее вязкие масла).

В настоящее время во многих странах производство кабелей с БМИ прекращено. На смену им пришли кабели с твердой изоляцией на основе полиэтилена и других материалов. Твердая изоляция обладает более высокими электрическими свойствами, что позволяет уменьшить толщину изоляции (диаметр кабеля), увеличить строительную длину, токовые нагрузки и допустимую рабо­чую температуру и, главным образом, упростить процесс изготовления кабелей, их прокладку, разделку и эксплуатацию.

Все масла в процессе эксплуатации находятся под воздействием внешних факторов. Это вызывает старение масла.

Скорость старения масла возрастает:

 - при доступе воздуха, так как старение масла в значительной степени связано с его окислением кислородом воздуха, особенно интенсивно идёт старение при соприкосновении масла с озоном;

 - при повышении температуры (обычно наивысшей рабочей температурой масла считают 95º С);

- при соприкосновении масла с некоторыми металлами (медь, железо, свинец) и другими веществами – катализаторами старения;

- при воздействии света;

- при воздействии электрического поля.

Для восстановления свойств масла используют несколько способов:

- пропускают под давлением сквозь фильтрованную бумагу в специальных установках;

- воздействуют на масло центробежной силой в центрифуге;

- обрабатывают адсорбентами;

- распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом.

Синтетические жидкие диэлектрики

Синтетические жидкие диэлектрики нашли широкое применение в последние 50 лет. Главное их достоинство, по сравнению с нефтяными растительными жидкостями, − более высокая термостойкость, негорючесть и стабильность параме­тров. К ним относятся хлорированные углеводороды, кремнийорганические и фторорганические жидкости.

Хлорированные углеводороды получают из углеводородов путем замены в их молекулах некоторых (или всех) атомов во­дорода атомами хлора. Их достоинства − повышенное значе­ние диэлектрической проницаемости, по сравнению с нефтяными маслами, и негорючесть. Поэтому они широко используются для пропитки силовых конденсаторов.

Недостатки хлорированных углеводородов: повышенная токсичность, зависимость диэлектрической проницаемости и вязкости от температуры и др. В настоящее время в некоторых странах их применение запрещено законом.

Кремнийорганические жидкости (силиконы (силоксаны)) − это продукт синтеза кремнистых и углеводородных соединений. Все кремнийорганические жидкости обладают высокими электроизоляционными свойствами, мало зависящими от напряжения, температуры, влажности окружающей среды, стойки к радиационному излучению.

Недостаток – высокая стоимость.

Фторорганические жидкости – это продукт синтеза углеводородов, в которых атомы водорода частично или полностью заменены атомами фтора. Способ получения фторорганических жидкостей сложный и требует дорогих исходных материалов и реактивов, что определяет их высокую стоимость и ограниченное применение.

Особенности: высокая термостойкость, хорошие теплопроводящие свойства, высокая электрическая прочность, малая вязкость. Не горючи, дугостойки, могут работать при температуре 200ºС и выше.

Однако эти жидкости летучи, поэтому применяются в герметизированных конструкциях.

Некоторые из этих жидкостей находят применение в холодильных установках в качестве хладогенов.