Олеярник Олександр Вікторович – вчитель фізики та астрономії загальноосвітньої школи № 33, Краматорської міської ради, Донецької області

Мета роботи: ознайомити учнів з основними газоподібними та рідкими діелектриками, які використовуються в електротехнічній сфері, навести їхні фізико-хімічні властивості, сферу застосування, розширити кругозір учнів про природу і показати зв’язок фізики з іншими науками, виховувати в учнів спостережливість та вміння робити узагальнюючі висновки

Газоподібні та рідкі діелектрики в електричному полі

Мета:

Навчальна: ознайомити учнів з найбільш розповсюдженими газоподібними та рідкими діелектриками які використовуються в електротехнічній сфері, показати їхні фізико-хімічні властивості, особливості застосування;

Розвивальна: розвивати критичне мислення, кругозір учнів, вміння аналізувати інформацію та виділяти головне, застосовувати отримані знання на практиці;

Виховна: виховувати пізнавальний інтерес до вивчення фізики, бережливе ставлення до природи, виховувати спостережливість та вміння висловлювати власну думку

В 11 класі під час розгляду теми «Електричний струм в твердих тілах, рідинах і газах» найголовніше показати які саме провідники, напівпровідники та діелектрики використовуються. Якщо проходження струму у твердих тілах є більш менш зрозумілою темою, то розглядаючи рідини та гази, не завжди все стає зрозумілим. На мій погляд краще пояснити на конкретних прикладах, які будуть зрозумілими для учнів. Тож розглянемо матеріал щодо газоподібних та рідких діелектриків.

Основні  характеристики газів, як діелектриків – діелектрична проникність, електропровідність, електрична міцність. Значення діелектричної проникності  близько до 1. Електропровідність газів складає приблизно  10^-13 См/м. Електрична міцність  газів, невелика і залежить від зовнішніх умов.

Теплопровідність газів   невелика в порівнянні з теплопровідністю твердих тіл і рідин  = 0,03 Вт/м·К – повітря  = 0,012 Вт/м·К. Максимальні температури експлуатації газів визначаються або розкладанням молекул газу, або збільшенням електропровідності до переходу з діелектричного до резистивного стану за рахунок іонізації та дисоціації молекул газу під дією теплової енергії.

Електротехнічні гази, застосування газоподібних діелектриків

Найбільше застосування має повітря. Електронегативними  називаються гази, молекули яких мають спорідненість до електрона, це означає, що при захопленні електрона і перетворенні молекули в негативний іон виділяється енергія. Цей процес приводить до явища наліплення  електронів  і зменшення коефіцієнта ударної іонізації на значення коефіцієнта наліплення   = ·. Тому електронегативні гази мають підвищену електричну міцність. Найбільш відомий є елегаз,  створений на основі шестифторної сірки SF₆. Молекулярна маса складає 146, великий коефіцієнт теплового розширення і висока густина. Температура плавління  дорівнює  50⁰ С при 2 атмосферах, температура кипіння дорівнює   630⁰ С. Хімічна інертність, нетоксичність, негорючість, термостійкість, вибухобезпечність, розкладання у рядах, низька температура, зріджування. На основі елегазової ізоляції створений і експлуатується ряд електропристроїв: кабелі, конденсатори, вимикачі і т.д.

Рідкі  діелектрики

Найбільш  важливими характеристиками рідини є діелектрична проникність, електропровідність, електрична міцність.

Діелектрична проникливість характеризується дипольним моментом і поляризованістю молекул. Трансформаторне масло, будучи сумішшю речовин, має велику кількість полярних молекул. Тому ε зростає до 2,2 – 2,4. Касторова олія ε = 4,5, етиловий спирт ε =24, вода  ε =81, гліцерин ε =40.

Електропровідность – визначається іонізацією молекул, наявністю в рідині домішок іонофоров й іоногенів. У  рідині виникають подвійні електричні шари.

Подвійний електричний шар –  утворення рідини на межі з іншими тілами (електроди, діелектрики, рідини, що не змішуються), заряджені шаром з підвищеною електропровідністю, причому поверхня і об'єм рідини набувають зарядів різного знака. Утворення подвійних шарів для транспортування по трубах пальних діелектричних середовищ типу нафти, конденсату тощо. Усунення подвійних  шарів може бути здійснено тільки при очищенні.

Очищення діелектричної рідини    може здійснюватися дистиляцією, кристалізацією, адсорбцією, іонним обміном. При цьому зростає електрична міцність.

Основною домішкою, що дає провідність рідких діелектриків, є вода, а основними домішками, що зменшують електричну міцність, є  мікрочастинки, мікропухлини і вода. Трансформаторне масло фільтрують, знегажують вакуумуванням, осушують, пропускаючи через об’єм, заповнений цеолітами і силікагелем.

Цеоліти – тверді  речовини природного або штучного походження, що володіють великою питомою поверхнею за рахунок пір молекулярних розмірів і можливістю адсорбції домішок в цих порах.

Силікагель – пористий адсорбент для поглинання вологи і полярних домішок. Електропровідність  рідин зростає після застосування способу очищення –  електродіалізу.

Електродіаліз –  спосіб видалення іонів з проміжку за рахунок пропускання постійного струму при використанні іонообмінних мембран, провідність яких здійснюється тільки одним видом іонів: в катіонообмінній  камері носії заряду –  катіони, в аніонообмінній камері  носії заряду – аніони.

Спосіб підвищення електричної міцності – дегазація рідини, пропускання через адсорбент, пропускання через фільтр з субмікронними розмірами пір.

Рідкі діелектрики, що використовуються, і перспективні

Найбільш поширений рідкий діелектрик – трансформаторне масло. Трансформаторне масло – очищена фракція нафти, що отримують при перегонці, кипляча при температурі від 3000⁰ С до 4000⁰ С. Залежно від походження нафти мають різні властивості. Нафта має складний вуглеводневий склад з середньої вагою 220 – 340 а.о. і містить наступні основні компоненти:

– парафіни    10 – 15 %;

– нафтени або циклопарафіни 60 – 70%;

– ароматичні вуглеводи  15 – 20%;

– асфальтно-смолисті речовини  1-2%;

– сіркові з’єднання    1%;

– азотові з’єднання  0,8 %;

– нафтенові  кислоти 0,02%;

– антіокіслена присадка 0,2 –  0,5 %.

Першою операцією приготування трансформаторного масла з нафти є фракційна перегонка під вакуумом. Спочатку від нафти відділяється найбільш легкі вуглеводні. Потім нафта піддається очищенню від нафтових кислот. Розглянемо основні фізико-хімічні  властивості масла:

-густина – 0,84 – 0,89·10³ кг/м3;

-в’язкість –  з позиції високої електричної міцності бажано мати масло  більш високої в'язкості ( 28 – 30·106 м²/с);

-температура застигання – температура, при якій масло застигає настільки, що  при нахилі пробірки з охолодженим маслом під кутом 45⁰ його рівень залишиться незмінним протягом 1 хвилини. Свіже  масло не повинно застигати при температурі – 45⁰С;

-температура спалахування –  температура масла, що нагрівається, при якій його пари утворюють з повітрям суміш, яка спалахує  при піднесенні до неї полум'я. Температура, при якій масло спалахує і горить не менше 5 секунд, називається температурою  запалювання масла. Температура, при якій відбувається  спалах в закритій тиглі, у присутності повітря, без того, хто підніс полум'я, називається температурою самозаймання.  Для трансформаторного масла вона складає   350 – 4000⁰ С;

-теплоємність –  збільшується із зростанням температури від

1,5 кДж/кг·К;

-питомий опір масла нормується при температурі 900⁰ С і напруженості поля 0,5 МВ/м. Діелектрична проникність масла невелика і коливається в межах 2,1 – 2,4. Тангенс кута діелектричних втрат набуває значення 0,2.

Поглинання і виділення газів маслом

У 1 см³ масла при кімнатній температурі розчиняється: азоту

0,086 см³, кисню 0,16 см³, вуглекислоти 1,2 см³. Трансформатор може працювати без ремонту 10 – 15 років, а масло через рік вимагає очищення, а через 4 – 5 років – регенерації. Заходами, що дозволяють продовжити термін експлуатації масла, є:

– захист масла від зіткнення із зовнішнім повітрям;

– зниження  перегріву масла в умовах експлуатації;

• регулярні очищення від води та шламу;

– застосування    для  зниження кислотності безперервної фільтрації масла;

– підвищення  стабільності масла шляхом введення  антиокислювачів.

Очищення, сушіння і регенерація масла

До механічних методів очищення відносяться:

• відстій;

–  центрифугування;

• фільтрування;

– промивання.

До хімічних методів  очищення відносяться:

– сірковокислотний;

– лужноземельний

– обробка адсорбентами

Конденсаторні масла

Діелектрики, вживані для просочення паперово-масляної і паперово-плівкової ізоляції конденсаторів.

Касторова олія

Отримують з  насіння рицини. Просочення паперових конденсаторів для роботи в імпульсних умовах. Густина  0,95 –  0,97 г/м³. Температура застигання від – 100⁰ С до – 180⁰ С.

Кабельне мастило

Для просочення  паперової ізоляції силових кабелів. Мають підвищену в'язкість, велика температура спалаху і зменшеними діелектричними втратами.

Важкопальні і непальні рідини

Хлордіфеніли мають подвійне дифенільне кільце. Основна  властивість – не горить  (в шахтах, хімічному виробництві), використовують трансформатори і електричні апарати, заповнені хлордіфенільними діелектриками. У Великобританії намагаються упроваджуватися діелектрики на основі силіконів –  кремнійорганічні рідини.

Фторорганічні рідини  не розчиняють масла, гуму, воду, мають високу хімічну стабільність, інертність до металів, нетоксичні, можливість підбору рідин з різними точками кипіння і замерзання, низька розчинність води і висока розчинність газів, відсутність розчинності будь-яких нефторуючих матеріалів, високий коефіцієнт температурного розширення.

Наведений матеріал було напрацьовано мною під час експлуатації та налагодження роботи  різноманітних електротехнічних пристроїв, тому він є актуальним.