2008-11-25

1

1. Materiały izolacyjne

1.1. Gazy

• Powietrze
• Azot
• SF

6

• Wodór
• Freon

1.2. Ciecze izolacyjne
• Olej mineralny
• Oleje syntetyczne
• Oleje ro

ś

linne

1.3. Dielektryki stałe
• Materiały włókniste

(papier, preszpan)

• Elastomery

(gumay, elastomery syntetyczne: SR EPDM)

• Termoplasty

(polietylen, PCV, szkło organiczne, teflon)

• Materiały termoutwardzalne

(epoksydy)

• Materiały nieorganiczne

(Mika, szkło, Ceramika)

2. Materiały magnetyczne

3. Materiały przewodz

ą

ce

4. Półprzewodniki

5. Nadprzewodniki

Materiałoznawstwo elektrotechniczne

Przykładowe pytania egzaminacyjne

• Poda

ć

podział cieczy izolacyjnych ze wzgl

ę

du na pochodzenie i skład chemiczny

• Wymieni

ć

frakcje oleju mineralnego i scharakteryzowa

ć

jedn

ą

z nich

• Gdzie jest stosowany olej mineralny (elektrotechniczne obszary zastosowa

ń

)

• Przedstawi

ć

wady i zalety askareli jako cieczy izolacyjnych

• Czym s

ą

i gdzie znajduj

ą

zstosoanie depresatory i inhibitory

1. Dielektryki ciekłe

1.1. Podział (zastosowanie/pochodzenie)

Podział ze wzgl

ę

du na zastosowanie

• oleje transformatorowe
• oleje i syciwa kablowe
• oleje i syciwa kondensatorowe
• oleje wył

ą

cznikowe

Podział ze wzgl

ę

du na pochodzenie

• oleje mineralne
• oleje syntetyczne
• oleje ro

ś

linne

1. Dielektryki ciekłe

1.1. Podział (skład chemiczny)

T – do transformatorów i wył

ą

czników elektrycznych (oleje transformatorowe)

Y – do kabli (oleje kablowe)
C – do kondensatorów (oleje kondensatorowe)

Symbol klasyfikacyjny IEC składa si

ę

z nast

ę

puj

ą

cych członów:

KLASA – KATEGORIA – SYMBOL LICZBOWY NORMY IEC

Przykładowo, ciecz silikonowa stosowana w transformatorach,
o wła

ś

ciwo

ś

ciach okre

ś

lonych norm

ą

IEC 836, ma przypisany symbol:

L-NT-836-1

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

Otrzymywany z ropy naftowej przez destylacj

ę

a nast

ę

pnie rafinacj

ę

w temperaturze powy

ż

ej 170

o

C

Skład chemiczny oleju mo

ż

e by

ć

bardzo ró

ż

norodny

i zale

ż

y od miejsca pochodzenia surowca

oraz metod rafinacji stosowanych w rafineriach

Oleje mineralne s

ą

mieszanina trzech

zasadniczych frakcji w

ę

glowodorów:

• naftenowej
• parafinowej
• aromatycznej

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.1. W

ę

glowodory naftenowe

W olejach z dobrych rop wyst

ę

puj

ą

w 50 -60%, z bardzo dobrych 90-95%.

S

ą

w

ę

glowodorami nasyconymi o strukturze pier

ś

cieniowej:

C

n

H

2n

C

n

H

2n-2

2008-11-25

2

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.1. W

ę

glowodory naftenowe

Własno

ś

ci:

• ciecz o stosunkowo małej lepko

ś

ci

• jasno

ż

ółta

• temperatura krzepni

ę

cia – 60

o

C

• bardzo dobre własno

ś

ci dielektryczne

• du

ż

a odporno

ść

na starzenie

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.2. W

ę

glowodory parafinowe

S

ą

w

ę

glowodorami nasyconymi o strukturze ła

ń

cuchowej

C

n

H

2n+2

n = (1-4) - gaz

n = (5-16) – ciecz,

(16C – temperatura topnienia -18

o

C)

n > 17 – ciało stałe – temperatura
topnienia + 22

o

C)

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.2. W

ę

glowodory parafinowe

Własno

ś

ci w

ę

glowodorów parafinowych:

• stosunkowo du

ż

a lepko

ść

• s

ą

bezbarwne

• bardzo dobre własno

ś

ci dielektryczne

• nieodporne na procesy starzeniowe

(szczególnie na jednocze

ś

nie działaj

ą

ce:

wysok

ą

temperatur

ę

i pole elektryczne

w obecno

ś

ci tlenu)

Najcz

ęś

ciej w oleju wyst

ę

puje C

6

H

6

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.2. W

ę

glowodory parafinowe

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

[%] parafiny stałej w oleju naftenowym

te

m

p

e

ra

tu

ra

k

rz

e

p

n

i

ę

c

ia

[

o

C

]

Węglowodory parafinowe przeważnie występują razem z węglowodorami naftenowymi
i bardzo dobrze w sobie się rozpuszczają. Frakcje te bardzo trudno rozdzielić.

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.3. W

ę

glowodory aromatyczne

C

n

H

n-2

C

n

H

n

Zazwyczaj po destylacji zawarto

ść

w

ę

glowodorów aromatycznych wynosi 30%

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.3. W

ę

glowodory aromatyczne

Własno

ś

ci:

• ciecz bezbarwna
• bardzo mała lepko

ść

• własno

ś

ci dielektryczne mierne

W

ę

glowodory aromatyczne s

ą

naturalnymi inhibitorami

(przeciwdziałaj

ą

procesom starzeniowym – 17%)

Zmniejszaj

ą

lepko

ść

kompozycji

2008-11-25

3

Olej mineralny b

ę

d

ą

cy kompozycj

ą

trzech frakcji

ma w przybli

ż

eniu nast

ę

puj

ą

ce parametry:

g

ę

sto

ść

0,9 g/cm

3

temp. zapłonu par

135

o

C

temp. krzepni

ę

cia

-45

o

C

tg

δ

90

°

C

20·10

-4

tg

δ

20

°

C

10

-4

ε

w

2,2

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.4. Właciwo

ś

ci

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.4. Właciwo

ś

ci

Niestety olej mineralny jest palny i wybuchowy,

co stanowi powa

ż

ne zagro

ż

enie

Olej mineralny jest bardzo higroskopijny,

co wi

ę

cej zmienia drastycznie swoje wła

ś

ciwo

ś

ci pod wpływem wilgoci

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.5. Zastosowanie

Transformator mocy
160 MVA 220/110 kV

Transformator energetyczny
z naturalnym chłodzeniem olejowym:
1 – rdze

ń

, 2 – uzwojenia, 3 – olej mineralny,

4- izolatory przepustowe, 5 – kad

ź

,

6 – konserwator, 7 – zwierciadło oleju,
8 – wziernik

1. Dielektryki ciekłe

1.2. Olej mineralny

1.2.5. Zastosowanie

Oleje transformatorowe
nieinhibitowane

s

ą

to lekkie oleje naftowe nie zawieraj

ą

ce

dodatków lub zawieraj

ą

ce niewielki

dodatek depresatora.

S

ą

to oleje przeznaczone do

transformatorów o stosunkowo
niskich temperaturach uzwoje

ń

rdzenia.

Oleje transformatorowe
inhibitowane

s

ą

to lekkie oleje naftowe

z inhibitorem utlenieniania, mog

ą

zawiera

ć

tak

ż

e niewielki dodatek

depresatora.

S

ą

to oleje przeznaczone do

transformatorów o wysokich
temperaturach uzwoje

ń

rdzenia.

Depresatory - zwi

ą

zki organiczne dodawane do olejów ilo

ś

ci 0,005 - 1%

w celu obni

ż

enia ich temperatur

ę

krzepni

ę

cia o 5 do 20

o

C

1. Dielektryki ciekłe

1.3. Askarele

1.3.1. Definicje

Syntetyczne ciecze izolacyjne stanowi

ą

ce roztwory polichlorowanych

bifenyli (PCB) i polichlorowanych trifenyli (PCT)
z chlorobenzenami.

PCB s

ą

to zwi

ą

zki, otrzymywane w wyniku reakcji bifenylu z chlorem.

PCT s

ą

to zwi

ą

zki otrzymywane w wyniku reakcji trifenylu z chlorem

1. Dielektryki ciekłe

1.3. Askarele

1.3.2. Chlorowanie dwufenyli

Chlorowanie polega na odstawieniu atomów chloru za atomy wodoru.

Mo

ż

na podstawi

ć

od 1 - 10 atomów

ale dla potrzeb elektrotechniki stosuje si

ę

podstawienia 3, 4, 5, 6 (trójchlorodwufenyl…).

Dwufenyl

Pi

ę

ciochlorodwufenyl charakteryzuje si

ę

bardzo du

żą

lepko

ś

ci

ą

, dlatego rozcie

ń

cza

si

ę

go trójchlorobenzenem

trójchlorobenzen

2008-11-25

4

1. Dielektryki ciekłe

1.3. Askarele

1.3.2. Chlorowanie dwufenyli

Wszystkie własno

ś

ci fizyczne i chemiczne

silnie zale

żą

od:

• stopnia chlorowania

• temperatury

Atomy Cl

3

6

[%] chloru zwi

ą

zanego

40,2

57,3

1. Dielektryki ciekłe

1.3. Askarele

1.3.3. Wła

ś

ciwo

ś

ci i zastosowanie

Podstawowe zalety:

• du

ż

a przenikalno

ść

elektryczna

εεεε

w

= 4,8 – 5,3 (kondensatory)

• niepalno

ść

(do temperatury wrzenia)

• niewybuchowo

ść

• tg

δδδδ

90

°°°°

C

≤≤≤≤

0,05 dla transformatorowych i

≤≤≤≤

0,02 dla kondensatorowych

•

ρρρρ

90

°°°°

C

> 10 G

Ω

Ω

Ω

Ω

m dla transformatorowych i > 20 G

Ω

Ω

Ω

Ω

m dla kondensatorowych

Zakres stosowania:

• bardzo cz

ę

sto do kondensatorów

• do transformatorów (z racji niepalno

ś

ci i niewybuchowo

ś

ci, np. du

ż

e

rozdzielnie w

ś

rodku miasta)

• tak

ż

e jako ciecze hydrauliczne, plastyfikatory,

ś

rodki konserwacyjne,

antypireny, no

ś

niki ciepła, składniki farb i lakierów

1. Dielektryki ciekłe

1.3. Askarele

1.3.4. Problemy PCB i PCT

Niektóre PCB i PCT, o du

ż

ej liczbie atomów chloru w cz

ą

steczce,

s

ą

uznane za zwi

ą

zki stanowi

ą

ce powa

ż

ne zagro

ż

enie dla

ś

rodowiska naturalnego. Ich szkodliwo

ść

wynika z nast

ę

puj

ą

cych

wła

ś

ciwo

ś

ci:

• praktycznie s

ą

one nierozkładalne biologicznie

• nast

ę

puje ich kumulacja w organizmach

ż

ywych

• ich obecno

ść

w tkankach organizmów

ż

ywych powoduje

uszkodzenia

komórek nerwowych, zakłócenia w funkcjonowaniu wielu organów
oraz zniekształcanie kodu genetycznego

• spalane tworz

ą

dioksyny i furany – zwi

ą

zki niezwykle toksyczne

i kancerogenne

Metody utylizacji PCB i PCT wymagaj

ą

stosowania specjalnych,

kosztownych technologii

Ich spalanie wymaga stosowania palenisk
o temperaturze płomienia 1500 -1800

°

C (techniki plazmowe)

i musi by

ć

specjalnie kontrolowane

W ni

ż

szych temperaturach w rezultacie spalania PCB i PCT

powstaj

ą

toksyczne dioksyny

1. Dielektryki ciekłe

1.3. Askarele

1.3.4. Problemy PCB i PCT

1. Dielektryki ciekłe

1.3. Askarele

1.3.5. Nowe askarele

Szczegółowe badania toksykologiczne doprowadziły do opracowania tzw.
nowych askareli, nie zawieraj

ą

cych zwi

ą

zków wysoce toksycznych

Nowe askarele znalazły szerokie zastosowanie jako ciecze izolacyjne:
oleje do transformatorów i ł

ą

czników, a tak

ż

e jako syciwa w produkcji

kondensatorów papierowych

Nowe askarele s

ą

niepalne i nie wydzielaj

ą

gazów wybuchowych

pod wpływem łuku elektrycznego

Charakteryzuj

ą

si

ę

mał

ą

zmienno

ś

ci

ą

lepko

ś

ci w funkcji temperatury

Ich wła

ś

ciwo

ś

ci eksploatacyjne zale

żą

od liczby atomów chloru

w cz

ą

steczkach

1. Dielektryki ciekłe

1.4. Oleje silikonowe

Oleje silikonowe składaj

ą

si

ę

zasadniczo z cz

ą

steczek ła

ń

cuchowych o budowie.

Chemicznie to liniowe polisiloksany

n = (50 – 100)

grupa metylowa CH

3

(najprostsza forma grup alkilowych)

Ogólny wzór grupy alkilowej:
C

n

H

2n+1

Wystarczy kilka % innych grup,

ż

eby zmieni

ć

radykalnie własno

ś

ci tych zwi

ą

zków, np.:

• je

ś

li kilka % R to dłu

ż

e grupy alkilowe to polisiloksan robi si

ę

całkowicie hydrofobowy

i nie miesza si

ę

z wod

ą

,

• natomiast je

ś

li te kilka % to grupy 3-propyloaminowe to polisiloksan miesza si

ę

z wod

ą

w niemal ka

ż

dych proporcjach

R

R

R

R

R

R

n

2008-11-25

5

1. Dielektryki ciekłe

1.4. Oleje silikonowe

Własno

ś

ci:

• Oleje silikonowe posiadaj

ą

bardzo dobre wła

ś

ciwo

ś

ci cieplne

(mo

ż

liwa praca do 250

o

C)

• Bardzo dobre własno

ś

ci dielektryczne:

- rezystywno

ść

10

14

-10

15

Ω

m

- tg

δ

= 10

-4

-

ε

20

°

C

= 2,6

• Jest bezbarwn

ą

ciecz

ą

o

ś

redniej lepko

ś

ci

• Mimo bardzo dobrych parametrów nie znalazła powszechnego zastosowania,

ze wzgl

ę

du na wysok

ą

cen

ę

• Jest cz

ę

sto stosowany jako komponent do produkcji kauczuków, past, lakierów

silikonowych

1. Dielektryki ciekłe

1.5. Estry organiczne

Estry organiczne s

ą

najnowszymi cieczami stosowanymi w technice izolacyjnej

Podobnie jak oleje silikonowe charakteryzuj

ą

si

ę

wysokimi temperaturami

zapłonu i palenia si

ę

.

Wyró

ż

niaj

ą

si

ę

bardzo du

żą

chłonno

ś

ci

ą

wody (do 0,1% w 20

°

C i 1% w 100

°

C)

S

ą

jedynymi cieczami izolacyjnymi w pełni biodegradalnymi!

Zbyt krótki czas eksploatacji tych cieczy uniemo

ż

liwia okre

ś

lenie

eksploatacyjnych wła

ś

ciwo

ś

ci starzeniowych

Oleje silikonowe i estry organiczne s

ą

wykorzystywane:

w transformatorach rozdzielczych, czasami w energetycznych (do 72,5 kV) oraz
w transformatorach instalowanych w rozdzielniach trakcji, metra, kopal

ń

i rafinerii

1. Dielektryki ciekłe

1.6. Ciekłe w

ę

glowodory aromatyczne

Do ciekłych w

ę

glowodorów aromatycznych zaliczamy:

• alikobenzeny
• alikonafteny (DIPN)
• fenyloksililoetany (PXE)
• mieszaniny benzylu i dibenzylotolueny (M/DBT)
• mieszaniny benzylotoluenu i difenyloetanu (BT/DPE)

S

ą

to ciecze syntetyczne produkowane zasadniczo na potrzeby

przemysłu kondensatorowego. Istniej

ą

jednak próby zastosowa

ń

w transformatorach i przekładnikach

Nowe ciekłe w

ę

glowodory aromatyczne (M/DBT, BT/DPE)

maj

ą

bardzo dobre wła

ś

ciwo

ś

ci elektroizolacyjne, s

ą

niepolarne

i charakteryzuj

ą

si

ę

bardzo dobr

ą

absorpcj

ą

gazu w silnym polu

elektrycznym.

Ciecze te posiadaj

ą

bardzo wysok

ą

odporno

ść

na wyładowania niezupełne

1. Dielektryki ciekłe

1.7. Wła

ś

ciwo

ś

ci syntetycznych cieczy izolacyjnych