1tom100

5. MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE

202

(większa przy podwyższaniu temperatury) zrówna się z częstotliwością pomiarową. Stratv wywołane polaryzacją jonow'ą i elektronową praktycznie nic zależą od temperatury. Znaczna część slabopolamych dielektryków stałych o dużej rezystywności wykazuje płaską charakterystykę c, i tg<5 w zakresie temperatur, w jakim są stosowane.

Straty na przewodnictwo nie zależą od częstotliwości (tgń jest odwrotnie proporcjonalnv do częstotliwości), zwiększają się natomiast wykładniczo ze wzrostem temperatury'.

Wytrzymałość elektryczna, określana jako stosunek średniej wartości napięcia przebicia do średniej grubości badanej próbki materiału, zależy od takich parametrów jak rodzaj i czas przykładanego napięcia, rodzaj i pole powierzchni elektrod pomiarowych grubość próbki, stabilizacja próbki przed pomiarem oraz warunki wykonywania pomiaru (temperatura, wilgotność). Przy próbach materiałów stałych wykonuje się zazwyczaj pomiary napięcia przebicia próbek o grubości nie przekraczającej 3 mm. Ciecze dielektryczne bada sie w ściśle określonym układzie elektrod; wpływ układu elektrod ma w tym przypadku istotne znaczenie.

Ze względu na dużą liczbę parametrów decydujących o wartości wytrzymałości, jest ona wskaźnikiem jakości materiału, a nie wielkością, na której można polegać przy projektowaniu układów izolacyjnych. Dla konstruktorów ważna jest bowiem wartość dopuszczalnego współczynnika bezpieczeństwa, co z kolei jest uwarunkowane rodzajem konstrukcji, jej narażeniem w warunkach pracy oraz rozrzutem właściwości zastosowanych materiałów.

Poza szczególnymi przypadkami, normy materiałowe przewidują wykonanie prób napięciowych wyłącznie napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz (60 Hz w USA). Wartości wytrzymałości elektrycznej, podawane w normach i cytowane w literaturze, odnoszą się na ogół do tzw. prób doraźnych, w' których napięcie jest podnoszone w sposób ciągły, z określoną szybkością aż do przebicia. Wartość ta jest zw'yklc i to nieraz bardzo znacznie — wyższa od wytrzymałości długotrwałej. Oprócz doraźnego napięcia przebicia normy przewidują wyznaczenie wytrzymałości elektrycznej długotrwałej. Wówczas napięcie jest zmieniane skokowo o pewną wartość, a następnie utrzymywane przez określony czas, np. 1 min. W ten sposób napięcie jest podwyższane aż do przebicia układu izolacyjnego.

W przypadku silnie zawilgoconej próbki stopniowe podnoszenie napięcia może spowodować wysuszenie się próbki pod wpływem ciepła wywołanego stratami dielektrycznymi. Wskutek tego nastąpi sztuczne podwyższenie napięcia przebicia.

553.2. Właściwości cieplne

Przewodność cieplna dielektryków jest mała. Przewodność cieplna gazów w zakresie średnich ciśnień jest praktycznie niezależna od ciśnienia i w małym stopniu zależna od temperatury. Znaczne ilości ciepła mogą być natomiast przenoszone przez gazy znajdujące się zarówno w ruchu konwekcyjnym (przejmowanie ciepła jest w'tedy prawie proporcjonalne do prędkości przepływu gazu), jak i w ruchu wymuszonym, zwłaszcza przy dużych prędkościach (przepływ burzliwy). Współczynnik przewodzenia ciepła dielektryków ciekłych wynosi 0,1 Oh-0,16 W/(m-K). Uwzględniając konwekcję, a pomijając wymianę ciepła przez promieniowanie, współczynnik wymiany ciepła K można w przybliżeniu wyznaczyć ze wzoru

K = K_k——    (5.9)

d

w którym: d — grubość warstwy, )_x — współczynnik przewidzenia ciepła, K_k    współczynnik

konwekcyjnego przejmowania ciepła.

W przypadku olejów izolacyjnych K = 60-^1750 W/(m³-K). W urządzeniach cnergo-clcktrycznych, w których olej spełnia rolę czynnika chłodzącego, udział konwekcji w wymianie ciepła jest co najmniej kilkadziesiąt razy większy niż udział przewodzenia. Lepkość takiego oleju mieści się zazwyczaj w granicach 0,01-^0,05 N-s/m³. Powinna ona być jak najmniejsza, ponieważ wpływa na prędkość przepływu, a tym samym i szybkość wymiany ciepła. Korzystną cechą jest zatem zmniejszanie się lepkości olejów ze wzrostem

^Ł Współczynnik przewodzenia ciepła stałych dielektryków nieorganicznych jest na ogół viekszy niż dielektryków organicznych, a niektóre z. nich (A1₂0₃, BeO, SiO,) w zakresie niskich temperatur mają współczynnik przewodzenia tego samego rzędu co metale. Niejednorodność struktury, a zwłaszcza porowatość, powoduje znaczne zmniejszenie przewodności cieplnej.

temperatury. Współczynnik wymiany ciepła znacznie wzrasta, gdy przepływ oleju ma charakter burzliwy.

^    »< •____ r>t-/auiłArI'/onio onsnJo et<ilnr>Vi rltiiliłlztM/lzAu; rnoArrtnnio-znrtoli to ot tao acia!

Najwyższa dopuszczalna temperatura pracy układu izolacyjnego uwarunkowana może być wymaganą trwałością oraz wymaganą wytrzymałością elektryczną lub mechaniczną materiałów wchodzących w skład tego układu. W przypadku gazów syntetycznych, takich jak _np. szcściofluorck siarki SF₆, należy brać pod uwagę temperaturę, w której zostaje zapoczątkowany ich rozkład. W przypadku materiałów ciekłych istotną rolę odgrywają cieplne procesy starzeniowe, na które w dużym stopniu wywiera wpływ atmosfera, z jaką dana ciecz się styka. Należy ponadto uwzględniać zmniejszenie się wytrzymałości elektrycznej, związane m.in. z tworzeniem się pęcherzy gazowych na skutek przechodzenia lżejszych frakcji cieczy w stan gazowy, a także utratę cieczy na skutek parowania. W materiałach stałych nieorganicznych powyżej określonej temperatury mogą wystąpić niekorzystne zmiany strukturalne. Częściej jednak, jeśli chodzi o materiały stosowane w technice wysokich napięć, ograniczenie temperatury wynika z pogorszenia się właściwości elektrycznych, takich jak wytrzymałość elektryczna, tg<) i rezystywność.

O dopuszczalnej temperaturze układów izolacyjnych z materiałów stałych organicznych decyduje na ogół ciepłoodporność tych materiałów (inaczej — odporność na starzenie cieplne), tj. zdolność do utrzymywania określonej właściwości na poziomie nie niższym od poziomu krytycznego, w warunkach długotrwałego oddziaływania podwyższonej temperatury.

Miarą ciepłoodpomości materiału jest wskaźnik temperaturowy TI (ang. Temperaturę bulex). Jest to wielkość umowna wyrażona wartością liczbową temperatury w °C. Oznacza ona. że wybrana właściwość materiału przy temperaturze TI w ciągu 20000 h nie ulega pogorszeniu większemu aniżeli określa to wartość krytyczna przypisana właściwości tego materiału. Dopuszcza się stosowanie wskaźnika temperaturowego TI-5000 przyporządkowanego trwałości 5000 h. Wskaźnik TI wyznacza się eksperymentalnie z przebiegu trwałości t, badanego materiału w funkcji temperatury bezwzględnej.

Krzywą trwałości określa się na podstawie wyników badania zmian danej właściwości (starzenia materiału) w różnych temperaturach. Ze wzrostem temperatury szybkość starzenia cieplnego materiałów znacznie wzrasta.

Do oszacowania wpływu temperatury na proces starzenia stałych materiałów organicznych najczęściej wykorzystuje się formułę wyprowadzoną przez Biissinga na podstawie reguły wzrostu szybkości reakcji Arrheniusa przy założeniu pierwszorzędowości zachodzącej reakcji. Ogólnie przyjęto, że trwałość t, wyraża się wzorem

(5.10)

przy czym: A i B — stałe; T— temperatura bezwzględna.

Przez trwałość (czas życia, ang. life time) rozumie się podany w godzinach czas starzenia w określonej temperaturze, po upływie którego sprawrizana właściwość danego materiału osiąga poziom krytyczny. Poziom ten określa się najczęściej jako względną (procentowy) zmianę w stosunku do stanu wyjściowego, która dyskwalifikuje materiał pod względem dalszego jego zastosowania. Korzystając z formuły Biissinga, trwałość w funkcji temperatury można przedstawić jako linię prostą na wykresie, w którym na osi odciętych będzie odkładana odwrotność temperatury bezwzględnej, zaś na osi rzędnych — logarytm trwałości. Charakterystyka ta nosi nazwę wykresu trwałości, a potocznie — charakterystyki życia materiału izolacyjnego.

Dzięki formule Biissinga, sprawdzenie trwałości materiału może odbywać się w sposób skrócony przy podwyższonej temperaturze w stosunku do spodziewanej temperatury roboczej materiału. Próby takie noszą nazwę przyspieszonego starzenia. Na podstawie wyników tych Prób sporządza się wykres trwałości, z którego wyznacza się wskaźnik temperaturowy TI