электрический прочность

New Page 1 Б. Б. Утегулов, И. В. Захаров, А. Д. Ижикова ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ В ИНДУКТОРАХ С САМОКОМПЕНСАЦИЕЙ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ Проведен анализ электрофизических свойств диэлектрических материалов, перспективных для использования в конструкциях индукторов с самокомпенсацией реактивной мощности. Показана возможность применения материалов в условиях низкотемпературного охлаждения. Электрическая изоляция криорезистивного индуктора с самокомпенсацией реактивной мощности [1] работает в условиях резко отличающихся от нормальных, что связано с низкотемпературным охлаждением его обмотки (от 25 до 77 К). Поэтому важнейшей проблемой при проектировании электроизоляцион­ной конструкции для таких индукторов является обеспечение механической электрический прочность электрической прочности в условиях многократного глубокого охлаждения электрический прочность тепловых ударов при различных коэффициентах термической усадки металла и электрической изоляции. Оптимизация конструкции криорезистивного индуктора с самокомпенсацией [2] показала, что перспективными диэлектрическими материалами для использования в нем могут быть полимеры. Основными характеристиками, определяющими электрические свойства диэлектриков при низких температурах, являются тангенс угла диэлектрических потерь tg диэлектрическая проницаемость электрический прочность электрическая прочность Епр. Наиболее детально при низких температурах были изучены диэлектрические свойства полиэтилена. Тангенс угла диэлектрических потерь измерен в промышленных образцах полиэтилена на частоте 75 Гц (Allаn R. N., Kuffel E., 1968). Отмечен четко выраженный максимум при 150 К. Значение tg у полиэтилена при 4,2 К оказалось равным 2,5 ∙ 10-5. Значение диэлектрической проницаемости, измеренной на той же частоте, очень слабо зависит от температуры в интервале от 4,2 до 300 К, слегка уменьшаясь при повышении температуры (рис. 1 и 2). Было показано, что tg полиэтилена в значительной степени зависит от температуры электрический прочность частоты. Характерно, что ниже 90 К tg полиэтилена не зависит от температуры, обнаруживая, тем не менее, слабую частотную зависимость. Так как значение tg при этих температурах было очень мало (tg = 2 ∙ 10-5), то не исключена возможность того, что наблюдаемая вблизи температуры жидкого гелия частотная зависимость tg обусловлена частотной зависимостью измерительной схемы. Уменьшение диэлектрической проницаемости полиэтилена при повышении температуры, возможно, связано с тем, что для расчета во всем исследованном интервале температур использовалось значение толщины образца, измеренное при температуре 300 К, электрический прочность не учитывалось ее изменение с температурой. Другой причиной, приводящей к зависимости от температуры, может явиться изменение плотности полиэтилена при изменении температуры от 300 до 4,2 К. Политетрафторэтилен, как электрический прочность полиэтилен, является неполярным полимером с низким значением tg При измерении диэлектрических потерь в этом полимере вблизи температуры жидкого гелия было получено довольно низкое их значение tg = 2 ∙ 10-5 на частоте 1 кГц, в то время как при температуре 300 К tg = 3 ∙ 10-4. Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры Т: 1 — полиэтилентерефталат; 2 — полистирол; 3 — полипропилен; 4 — полиэтилен; 5 — фторопласт Рис. 2. Зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg от температуры Т: 1 — полиэтилентерефталат; 2 — полистирол; 3 — полипропилен; 4 — полиэтилен; 5 — фторопласт Наиболее подробное исследование диэлектрических свойств политетрафторэтилена в интервале температур от 4,2 до 300 К было предпринято Chart M. J. (1967). Политетрафторэтилен является полимером с наиболее низкой диэлектрической проницаемостью = 2,1), которая незначительно (на 0,05) уменьшается при изменении температуры от 4,2 до 300 К. На графике tg = f(Т) у политетрафторэтилена наблюдается интенсивный максимум диэлектрических потерь при 178 К. Значение tg политетрафторэтилена при 4,2 К в диапазоне от 50 Гц до 10 кГц практически остается постоянным электрический прочность составляет 1,2 ∙ 10-6. Эти значения в 10 раз меньше значений tg приведенных Allаn R. N., Kuffel E. (1968). Такое различие может быть связано с тем, что разные авторы исследовали образцы политетрафторэтилена, имевшие различную предысторию, в том числе разные плотность электрический прочность степень кристалличности. Ни в одной работе сведения об этих характеристиках политетрафторэтилена не приводятся. Полипропилен, как электрический прочность два рассмотренных выше полимера, является неполярным. Диэлектрическая проницаемость его несколько выше, чем у политетрафторэтилена электрический прочность полиэтилена, но, так же как у этих полимеров, очень слабо зависит от температуры, почти не изменяясь в интервале температур от 4,2 до 300 К. При 116 К в полипропилене наблюдается заметный максимум диэлектрических потерь. Из экспериментальных данных Chart M. J. (1967) следует, что ниже этой температуры возможно существование еще одного максимума tg на который накладывается интенсивный электрический прочность широкий пик, наблюдаемый при 116 К. При температуре жидкого гелия у полипропилена на частоте 75 Гц tg = 2 ∙ 10-5. Значение tg в полипропилене при 4,2 К в диапазоне от 50 Гц до 20 кГц практически не зависит от частоты и составляет 3,5 ∙ 10-6. Диэлектрическая проницаемость слабополярного полимера полистирола в интервале температур 4,2–300 К составляет 2,52 и не зависит от температуры. От 70 до 300 К наблюдается небольшое снижение e. В целом e полистирола изменяется так же, как у неполярных полимеров (полиэтилен, политетра-фторэтилен). Полиэтилентерефталат относится к полярным полимерам. У полярных полимеров диэлектрическая проницаемость несколько выше, чем у неполярных. Однако теоретически полярных полимеров должно уменьшаться ниже некоторой критической температуры, электрический прочность при более низких температурах материал должен вести себя как неполярный полимер. Как видно из рис. 1, значение диэлектрической проницаемости полиэтилентерефталата в интервале температур от 4,2 до 300 К снизилось приблизительно на 12–14 %, оставаясь, однако, выше, чем у неполярных диэлектриков. Значение тангенса угла диэлектрических потерь у полиэтилентерефталата выше, чем у неполярных диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость неполярных диэлектриков, к которым относятся полиэтилен, полистирол, политетрафторэтилен, полипропилен, с понижением температуры увеличивается на 4–5 %, электрический прочность у полярных, таких как полиэтилентерефталат, уменьшается на 12–15 %. Все неполярные материалы имеют очень малое значение тангенса угла диэлектрических потерь, порядка (5 ÷ 20) ∙ 10-5 при температуре 4,2 К, в характере их температурных зависимостей существует определенное сходство. У полярных материалов значение тангенса угла диэлектрических потерь больше, чем у неполярных, но для большинства исследованных материалов потери при 4,2 К значительно ниже, чем при 300 К. При изменении частоты в узком диапазоне от 75 до 1000 Гц как у неполярных, так электрический прочность у полярных материалов наблюдается некоторый рост тангенса угла диэлектрических потерь (рис. 3). Свойства диэлектриков в сильных полях характеризуются электрической прочностью Епр. Электрическую прочность диэлектрика можно рассматривать как важнейшую его характеристику, так как ее нарушение приводит к выходу из строя конструкции в целом. Рис. 3. Частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tg при температуре 4,2 К: 1 — полиэтилентерефталат; 2 — полипропилен; 3 — политетрафторэтилен; 4 — полиэтилен Низкие температуры оказывают положительное влияние на электрическую прочность полимерных диэлектриков, так как при охлаждении уменьшается вероятность теплового пробоя электрический прочность влияние примесей. Примеси не создают свободных электронов, уменьшается средняя длина пробега электронов. Преобладающее влияние на электрическую прочность оказывают характеристики среды электрический прочность окружающий материал. Наибольшее ее увеличение наблюдается в жидком азоте. В жидком гелии, из-за диэлектрической проницаемости гелия, близкой к единице, малой электрической прочности, возникают сильные частичные разряды. Распространяясь на значительные расстояния от электродов электрический прочность перенося все напряжение в какую-либо точку поверхности диэлектрика, они могут вызвать пробой в наиболее слабом месте образца. В особо тонких слоях (полимерные пленки менее 10 мкм) из-за неоднородности материала электрический прочность местных дефектов его структуры электрическая прочность снижается. Например, по данным Н. Г. Анищенко электрический прочность В. Ф. Минеина (1973), на 1 м2 лавсановой пленки толщиной 10 мкм приходится до 250 точечных дефектов, снижающих напряжение пробоя Uпр пленки более чем в 3 раза по сравнению с однородным материалом. Электрическая прочность полимерных пленок, как правило, уменьшается с увеличением толщины образца (рис. 4). Поэтому использование тонкослойной изоляции в несколько слоев предпочтительнее, чем толстослойной. Однако такое решение при создании электроизоляционных конструкций не является однозначным, так как в многослойной изоляции, пропитанной, например, жидким гелием, при напряженности 15–20 кВ/мм появляются частичные разряды, приводящие к электрическому старению твердой изоляции [3]. Рис. 4. Зависимость электрической прочности Епр пленки полиэтилентерефталата от числа слоев n (толщина пленки 10 мкм): 1 — на воздухе, 293 К; 2 — в жидком азоте, 77 К; 3 — в жидком гелии, 4,2 К При выборе рабочей напряженности Ераб электрического поля в электроизоляционных конструкциях необходимо исключать возможность появления частичных разрядов в объеме многослойной изоляции, пропитанной жидким криоагентом. В связи с этим Ераб оказывается значительно меньшей, чем приведенные выше значения Епр для различных видов многослойной изоляции. Например, в многослойной электроизоляционной конструкции из полиэтилена в жидком гелии (5 К; 0,4 МПа) рекомендуемая Ераб примерно 10 кВ/мм, в то время как Епр такой конструкции — 30 кВ/мм. Рассмотрение механических свойств диэлектриков, способных работать в конструкциях криорезистивных индукторов, не менее важно, чем электрических, так как пробой изоляции во многих случаях может быть вызван электрический прочность механическим разрушением. Для полимерных материалов характерны большие значения коэффициента температурного расширения по сравнению с металлами (рис. 5). Поэтому в тех конструкциях, где комбинируется металл с полимерными материалами, большую опасность представляет возможность разрушения под влиянием термического напряжения, возникающего при охлаждении. Как видно из рис. 5, основная температурная деформация происходит при охлаждении до температур порядка 80 К. Если при этой температуре разрушения не произошло, то есть основания полагать, что оно не произойдет электрический прочность при дальнейшем охлаждении, так как дальнейшее линейное сокращение незначительно.температур порядка 80 К. Если при этой температуре разрушение не произошло, то есть основания полагать, что оно не произойдет электрический прочность при дальнейшем охлаждении, так как дальнейшее линейное сокращение незначительно. Для снижения коэффициента термического сжатия полимеров до значений, сопоставимых с таковыми для металлов, применяют наполнители, но электрический прочность при этом нужно очень тщательно подходить к вопросам конструирования с целью максимального снижения остаточного сжатия, вызванного различием коэффициентов термического сжатия. Установлено, например, что волокнистые наполнители обычно увеличивают вязкость полимерных материалов, электрический прочность нейлон, упроченный рубленным стеклянным волокном, может использоваться при необходимости получения прочности и вязкости. Рис. 5. Зависимость степени линейного теплового расширения пластмасс и металлов от температуры Т: 1 — ниобий; 2 — сталь; 3 — медь; 4 — эпоксидная смола; 5 — найлон; 6 — тефлон; 7 — КО-резина; 8 — полиэтилен Как электрический прочность для металлов, основным признаком прочности полимеров при работе в области низких температур являются пластичность электрический прочность динамическая вязкость, которые уменьшаются с понижением температуры, в то же время увеличиваются прочность электрический прочность твердость. Из известных полимеров наиболее благоприятными свойствами обладают фторполимеры — тетрафторэтилен (ТФЭ), фторэтиленпропилен (ФЭП), хлоротетрафторэтилен (ХТФЭ). Предел прочности электрический прочность предел пластичности растут с понижением температуры, электрический прочность относительное удлинение при разрыве падает. При криогенных температурах происходит почти полное сближение пределов прочности и пластичности ТФЭ электрический прочность ФЭП, но все же степень сближения у ТФЭ меньше, что свидетельствует о его большей пригодности для рпботы в криогенных конструкцциях. ТФЭ, ФЭП электрический прочность ХТФЭ сохраняют некоторую степень эластичности вплоть до температуры кипения жидкого водорода. При температуре ~20 К происходит резкий излом кривых (температура стеклования). При дальнейшем понижении температуры изменение удлинения крайне незначительно. При нормальной температуре ФЭП мягче ТФЭ, но при охлаждении, уже при (230 ÷ 240) К, он становится жестче электрический прочность прочнее ТФЭ. Подобное явление наблюдается электрический прочность при растяжении этих материалов. ХТФЭ сохраняет большую степень жесткости электрический прочность прочности во всем диапазоне температур. В работе [4] рассматривается поведение ТФЭ, ХТФЭ и полиэтилена при криогенных температурах, вплоть до 4 К. Обнаружено, что ХТФЭ и полиэтилен разрушаются при 4 К под воздействием сжимающих нагрузок 303 ∙ 106 и 107 ∙ 106 Н/м2 соответственно. Увеличение кристалличности образцов повышает прочность на сжатие в противоположность тому, что наблюдалось при растяжении. Низкие температуры оказывают на свойства при изгибе такое же действие, как и при сжатии. Выводы: 1. Анализ рассмотренных электрических электрический прочность механических свойств полимерных электроизоляционных материалов показывает возможность применения их в электротехнических конструкциях с криогенным охлаждением. 2. Использование неполярных диэлектрических материалов в индукторе с самокомпенсацией реактивной мощности характеризуется весьма низким значением потерь в диэлектрике конструкции. На азотном уровне (Т = 77 К) охлаждения обмотки индуктора электрический прочность при рабочей частоте источника питания 1000 Гц потери активной мощности Руд составляют около 5 × 102 Вт/м3, при естественном охлаждении (Т = 293 К) электрический прочность той же частоте Руд на порядок выше. 3. Необходимо учитывать, что рабочее напряжение Ераб многослойной изоляции с толщиной слоя порядка 10 мкм в 3 раза меньше, чем ее электрическая прочность Епр. 4. Одним из главных факторов выбора того или иного материала следует считать механические свойства, электрический прочность не диэлектрические, которые в подавляющем большинстве случаев при криогенных температурах выше, чем при 293 К, электрический прочность также совместимость электроизоляционных материалов с основными рабочими материалами по коэффициенту линейного расширения электрический прочность изменению механических свойств в условиях криогенного охлаждения. 5. Несмотря на различие коэффициентов линейного теплового расширения металлов электрический прочность диэлектрических материалов (например, медь электрический прочность фторопласт — порядка 2 %), опасаться за целостность конструкции нет оснований, поскольку пленочные материалы достаточно гибки при низких температурах, так как при изгибе тонких элементов не возникает больших напряжений. ЛИТЕРАТУРА 1. Kuvaldin A. B., Andryushin N. F., Zakharov I. V. Analysis of the electrical and energy parameters of a multilayer inductor with self-compensation of reactive power // Electrical Technology, Great Britain. 1995. № 3. 2. А. с. 1538287 СССР, МКИ Н 05 В 6/42. Устройство для индукционного нагрева // Соколов М. М., Кувалдин А. Б., Гусев Г. Г. и др. Опубл. в БИ, 1990, № 3. 3. Справочник по физико-техническим основам криогеники // Малков М. П., Данилов И. Б., Зельдович А. Г. электрический прочность др. М.: Энергоатомиздат, 1985. 4. Swenson C. A. Mechanical propertics of Teflon at low themperatures // Rev. Sei. Instr. 1954. Vol. 25, № 8. B. B. Utegulov, I. V. Zakharov, A. D. Izhikova PPROSPECTS OF USING DIELECTRICS IN COMPENSATING INDUCTORS The article considers electrophysical properties of dielectrics having good prospects to be used in compensating inductors. The authors show possibility to use the materials under low temperature cooling. разделы билет мхат циклон цол кайт пилотажный трехмерный презентация конвейер шнековый сварочный пост пластиковый пакет дирижабль девелоперская компания время иваново эфирный антенна kaasi пвс виные холодильник листогибы клеить 88 люкс штанга насосный ожирение выделение кислорода доставка канцелярия купить актуатор акриловый пряжа беременность род беременность род беременность род консультирование организация помыть потолок поливомоечная машина время владимир купить минимойку детский мир trinity hi-fi индустриальный монитор ливнесборные решетка ливнесборные решетка ливнесборные решетка ливнесборные решетка роль ставень корпоративный хранилище данный спирли рассылка база данный установка hotbird ферромолибден контейнерный автозаправка холодильник zanussi холодильник zanussi холодильник zanussi холодильник zanussi перевод денег альпинизм сервер hp дешевый холодильник сварочный пост k610 купить kiev apartaments service экг сервис газонокосилка elmos поглощение радиоволна shimadzu ивановец биоэпиляция кулер регулируемый ленинградский вокзал билет мэш тройник перех зона ограничение доступ продать кайт трехмерный презентация развальцовка подогреватель французский вина резка нужный билет багетный мастерский международный конкурс дебютант консультирование организация московский флаг холодильник уценка ariston опт асбест проведение анкетирование растворитель 646 электрический прочность