Элегаз и другие высокопрочные газы

Элегаз или шестифтористая сера (SF₆) это бесцветный, не токсичный газ, обладающий высокой молекулярной массой. Электрическая прочность элегаза в 2,5 раза выше электрической прочности воздуха (Рис.2.2). Он в пять раз тяжелее воздуха, имеет температуру сжижения -64°С (при нормальном давлении) и не разлагается при нагреве до +800°С.

Высокая электрическая прочность элегаза связана с большим размером молекул и с их сложной структурой (Рис.2.4), а также с тем, что молекулы элегаза легко захватывают свободные электроны с образованием тяжелых отрицательных ионов. Электроны при соударении со сложной молекулой элегаза, тратят большую часть своей энергии только на возбуждение колебаний в ней или вращение, а не на ионизацию. Все это снижает вероятность ударной ионизации.

Элегаз обладает хорошей теплопроводностью и примерно в пять раз эффективней, чем воздух, гасит силовую электрическую дугу в выключателе. Элегаз не горюч и пожаробезопасен.

Все это, позволило широко использовать элегаз в комплектных распредустройствах элегазовых (КРУЭ), а также в отдельно выпускаемых промышленностью, выключателях, измерительных трансформаторах. За рубежом элегаз также применяется в кабелях и силовых трансформаторах.

КРУЭ собираются из отдельных модулей: высоковольтных вводов, разъединителей, соединительных шин, трансформаторов напряжения и тока, выключателей. При этом получается компактное по размерам устройство. Положение внутренних электродов шин фиксируется с помощью изоляторов-распорок из эпоксидного компаунда (Рис.2.5).

Рис.2.5 Примеры расположения шин в ячейках КРУЭ

После сборки КРУЭ производится откачка из него воздуха и заполнение ячеек элегазом.

Элегазовые распредустройства обладают следующими преимуществами по сравнению открытыми:

· существенно уменьшаются габариты распредустройства;

· повышается надежность работы, так как токоведущие части и изоляторы не контактируют с воздухом и загрязнениями;

· повышается безопасность обслуживания, так как токоведущие части находятся внутри заземленных труб;

· КРУЭ работают бесшумно и не создают радиопомех.

Основным недостатком элегаза является его относительно высокая температура сжижения, что не позволяет использовать в КРУЭ достаточно высокое давление. Рабочее давление обычно не превышает 0,3÷0,4 МПа.

В элегазовых выключателях применяют два принципа дугогашения:

1. Дуга охлаждается элегазом при перетоке газа из резервуара высокого давления (около 2 МПа) в резервуар низкого давления (0,3 МПа). При этом, чтобы избежать перехода элегаза в жидкость, бак высокого давления необходимо подогревать;

Рис.2.6 Конструкция дугогасительной камеры выключателя с автокомпрессией.
1 - подвижный контакт, 2 - неподвижный контакт, 3 - дуга, 4 - сжатый элегаз

2. Используется принцип автокомпрессии. На очень короткое время, в момент гашения дуги, газ сжимается между поршнем и перегородкой примерно до 1 МПа с помощью привода (Рис.2.6). Кроме того, повышается давление и за счет увеличения температуры элегаза в момент горения дуги. В этом случае, не требуется подогрев, что существенно повышает надежность работы выключателя.

В настоящее время, КРУЭ освоены на классы напряжения 10÷800 кВ. В нашей стране КРУЭ работают на напряжениях 110 и 220 кВ ("Мосэнерго") и на 500 кВ (Бурейская ГЭС). По проекту, на Красноярской ТЭЦ-3, будет введено КРУЭ-110 кВ. В соответствии с Основными направлениями научно-технической политики, в нашей стране, при напряжениях 110 кВ и выше на вновь сооружаемых и реконструируемых объектах, должны устанавливаться только элегазовые выключатели.

За рубежом работают КРУЭ-800 кВ, выпускаются элегазовые трансформаторы на напряжение 154 кВ. Кроме того, элегаз применяется в кабелях высокого напряжения. Кабели с элегазом имеют малую емкость, малые диэлектрические потери, хорошее охлаждение, что дает возможность передавать по ним значительную мощность.

Существенный недостаток элегаза, - его высокая стоимость.

Дихлордифторметан - или "Хладон-12" (СCl2F2) имеет электрическую прочность в 2,4 раза выше, чем у воздуха. Он существенно дешевле элегаза, но имеет слишком высокую температуру сжижения tсжиж = - 30°C. Что и ограничивает его применение в энергетике.

Перфторированные углеводороды - это углеводороды у которых атомы водорода полностью замещены атомами фтора. Например: СF4, С4F6, С5F10,… С14F24. Чем выше молекулярная масса газа, тем выше его электрическая прочность. Так С5F10 обладает электрической прочностью в 4,3 раза выше, чем у воздуха, однако его температура сжижения +22°С. Электрическая прочность С14F24 достигает 10 ∙ Епр воздуха, но он существует в виде газа только в раскаленном состоянии. Все это, а также высокая цена, ограничивают применение перфторированных углеводородов в электроэнергетике.

Азот. Имеет характеристики примерно такие же, как у воздуха, но отсутствие кислорода не дает развиваться процессам коррозии и процессам окисления. Применяется в газонаполненных кабелях 35÷220 кВ при давлениях от 0,15 до 0,60 Мпа.

Водород. Не является высокопрочным газом, так как его электрическая прочность ниже, чем у воздуха. Водород в 16 раз легче воздуха, а его коэффициент теплопроводности в 7 раз выше, чем у воздуха. Поэтому водород является замечательной охлаждающей средой. Как охлаждающая среда он используется в крупных турбогенераторах. При этом вентиляционные потери на трение снижаются почти в 10 раз, что существенно повышает коэффициент полезного действия генератора. Происходит так же снижение вентиляционных шумов и вибрации турбогенератора. Основной недостаток водорода пожаро- и взрывоопасность.

Контрольные вопросы

1. Назовите преимущества и недостатки воздушной изоляции.

2. В каких видах электрооборудования применяется элегаз.

3. Чем объяснить высокую прочность элегаза.

Модуль 2

Тема 2.2. ЖИДКИЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 2.2.1 Минеральные масла 2.2.2 Хлорированные углеводороды 2.2.3 Кремнийорганические жидкости 2.2.4 Синтетические углеводороды 2.2.5 Жидкости, применяемые взамен трансформаторного масла Контрольные вопросы 2.2.1 Минеральные масла Минеральные (нефтяные) электроизоляционные масла являются наиболее распространенными жидкими электроизоляционными материалами. Их применяют в силовых трансформаторах, высоковольтных вводах, кабелях, конденсаторах, измерительных трансформаторах и выключателях. Минеральные масла представляют собой сложную смесь углеводородов, полученную путем очистки остаточных фракций нефти от смол, твердых углеводородов и различных серо- и азотосодержащих соединений. Цвет товарного минерального масла обычно соломенно-желтый и характеризует глубину его очистки: чем глубже очистка, тем светлее масло. Плохо очищенное масло, из-за наличия в нем смолистых соединений, имеет более темный цвет. Наличие в масле твердых микрочастиц резко снижает его электрическую прочность, а также срок службы электрооборудования. В состоянии поставки технически чистое масло содержит в одном кубическом сантиметре 10⁴-10⁵ микрочастиц размером до 100 мкм. Содержание микрочастиц в масле измеряют при получении от поставщика и перед заливкой в электрооборудование. Для удаления микрочастиц используют молекулярные сита и фильтры. В процессе эксплуатации масло подвергается так называемому старению. Старение - это процесс ухудшения основных электрических и физических характеристик масла с течением времени. Старению масла в эксплуатации способствуют: высокие напряженности электрического поля, тепловые нагрузки, наличие в масле воды и кислорода, частичные и другие виды разрядов. Масло необходимо защищать от воздействия влаги и кислорода. При старении масла происходит его окисление, появление в нем сложных органических кислот. Для оценки старения масла часто используется такой показатель, как "кислотное число". Кислотное число - это количество едкого калия (KOH) в миллиграммах, необходимое для нейтрализации всех кислот в грамме масла. Пример обозначения кислотного числа: KOH-0,2. При превышении значений кислотного числа 0,15-0,25, масло считается недопустимо окисленным. Для продления срока службы электроизоляционных масел, помимо применения присадок, замедляющих старение, стараются применять герметизацию оборудования, обеспечивающую защиту от непосредственного контакта с воздухом и его влагой. В электроустановках с недостаточной степенью герметизации, масло необходимо время от времени очищать и сушить. При сушке, масло подогревают до температуры кипения воды и распыляют в вакууме. От твердых продуктов старения масло можно очистить с помощью центрифуги, в которой твердые частицы, как более плотные, отбрасываются к ее стенкам и удаляются. Масла, залитые в электрооборудование, допускается эксплуатировать до тех пор, пока их показатели не превысят значений, указанных в соответствующей технической документации. При этом требуется периодический контроль за состоянием таких параметров как: Uпр, tgδ, кислотное число, влагосодержание, прозрачность, содержание в масле газов и т.д. По назначению минеральные масла делят на: Трансформаторные. Маркировка которых начинается с буквы "Т", например, (ТКп, ТСп, Т-750, Т-1500…). Марки отличаются друг от друга способом получения, методом очистки и месторождением нефти. Трансформаторное масло кроме электроизоляционных функций, выполняет роль охлаждающей среды, циркулируя в баке трансформатора и охлаждая его обмотки и магнитопровод. Коэффициент теплопроводности масла позволяет ему отводить тепло в 25÷30 раз эффективней, чем воздух. Это же масло используется в высоковольтных вводах трансформаторов. Конденсаторные масла. Они служат для пропитки бумажной изоляции конденсаторов. По сравнению с другими маслами они отличаются более глубокой очисткой и меньшими значениями tgδ. Конденсаторное масло не маркируется, так как, оно не подлежит замене, а работает до конца срока службы в герметично закрытых конденсаторах. Кабельные масла. Они используются в силовых электрических кабелях для пропитки бумажной изоляции. Это увеличивает ее электрическую прочность и способствует отводу тепла от жил кабеля. Для пропитки изоляции кабелей на напряжения до 35 кВ в свинцовых или алюминиевых оболочках, служит масло высокой вязкости КМ-25, в которое добавляется синтетический загуститель октол или природный загуститель канифоль. Высокая вязкость в этих кабелях нужна для того, что бы масло не вытекало по концам кабеля. Для маслонаполненных кабелей на напряжение 110-220 кВ, в которых при эксплуатации поддерживается избыточное давление 0,3÷0,4 МПа, применяют менее вязкое масло МН-4. В маслонаполненных кабелях на напряжения 110÷500 кВ при давлении 1,5 МПа применяют масла С-110 и С-220. Масло для выключателей. В масляных выключателях применяется масло марки МВ, имеющее малую вязкость, для того, чтобы масло быстро проникало в пространство между расходящимися контактами выключателя. Помимо этого оно должно иметь высокие электроизоляционные свойства. Основные характеристики минеральных масел находятся в пределах: ρ =10¹²÷10¹⁴ Ом·м; εr =2,1÷2,4; tgδ =0,002÷0,005; Eпр =180÷200 кВ/см; температура застывания tзаст = - 45°C; tмакс раб = +95°C. Основными недостатками минеральных масел являются: · склонность к электрическому старению; · пожароопасность и взрывоопасность маслонаполненного оборудования. 2.2.2 Хлорированные углеводороды Хлорированные углеводороды или полихлордифенилы (ПХД) получают из различных углеводородов, замещая часть атомов водорода атомами хлора. ПХД стабильны к окислению, пожаробезопасны и имеют относительно невысокую стоимость. Типичным представителем хлорированных углеводородов является пентахлордифенил С12H5Cl5, называемый соволом. Поскольку молекулы совола полярны, его диэлектрическая проницаемость достигает 5,2, что практически совпадает с диэлектрической проницаемостью изоляционных бумаг. Потому замена минеральных масел на совол при пропитке бумаги конденсаторов уменьшает объем конденсаторов почти в два раза. Основным достоинством совола является его не горючесть, а недостатками - высокая температура застывания +5°С, большая вязкость (почти в десять раз выше чем у минерального масла) и высокая токсичность. С целью снижения вязкости совола, в него добавляют разбавитель - негорючий трихлорбензол С6H3Cl3. Смесь 64% совола и 36% трихлорбензола получила название "совтол-2", а смесь 90% совола и 10% трихлорбензола, - "совтол-10". Совтолы предназначены для пропитки бумажной изоляции и для работы в трансформаторах, так как они имеют достаточно низкую вязкость. Основные характеристики хлорированных углеводородов находятся в пределах: ρ =10¹²÷10¹⁴ Ом·м; εr =2,6÷5,2; tgδ =0,0003÷0,008; Eпр =180÷200 кВ/см; tмакс раб = +110°C. Из-за токсичности ПХД их применение сначала ограничивалось, а в настоящее время, новое оборудование с хлорированными углеводородами не выпускается. Однако, в эксплуатации еще имеется значительное количество электрооборудования с ПХД (шахтная энергетика, нефте- и газоперекачивающие станции). Предельно допустимая концентрация ПХД в воздухе рабочей зоны оборудования составляет 1мГ/м³, что соответствует классу высокотоксичных веществ. Утилизация трансформаторов и конденсаторов с ПХД жидкостями, отработавшими свой срок, производится по специальной нормативно-технической документации. Во многих странах полихлордифенилы запрещены к применению законом (Япония и США с 1979г.). 2.2.3 Кремнийорганические жидкости Кремнийорганические или иначе полиорганосилоксановые жидкости (ПОСЖ) имеют постоянно расширяющуюся область применения, связанную с запрещением и ограничением использования ПХД. Имеющийся более чем тридцатилетний опыт применения кремнийорганических жидкостей, подтверждает их высокое качество, термоокислительную стабильность и эксплуатационную надежность. Кремнийорганические жидкости представляют собой полимерные жидкости, сотоящие из различных соединений кремния, окиси кремния и органических групп (радикалов). Например:

, или

и т.д. Кремнийорганические жидкости пожаробезопасны, не токичны и обладают очень высокой нагревостойкостью. Максимальная рабочая температура до +250°С. В качестве недостатка можно отметить высокую стоимость жидкостей (примерно в 5 раз дороже минерального масла). Примеры обозначения ПОСЖ: ПЭС - полиэтилсилоксановая, ПМС - полиметилсилоксановая и т.д. Основные характеристики кремнийорганических жидкостей находятся в пределах: ρ =10¹⁰÷10¹⁴ Ом·м; εr =2,4÷5,8; tgδ =0,0002÷0,002; Eпр =140÷200 кВ/см; температура застывания tзаст = - 60°C; tмакс раб = +250°C. 2.2.4 Синтетические углеводороды Синтетические углеводороды (полибутены) обычно получают путем полимеризации углеводорода имеющего состав C4H8(изобутилена). Этот газ является побочным продуктом при производстве синтетического каучука. Полибутены - экологически безопасные, не токсичные, биоразлагаемые и пожаробезопасные жидкости, с широким диапазоном плотности и вязкости. Они обладают малыми диэлектрическими потерями, высокой стабильностью в электрическом поле и достаточно высокой нагревостойкостью (tмакс раб = +130°C). В России выпускается две марки полибутенов: октол, применяемый, как загуститель в кабельной пропитке и политбутен СК. При пропитке полибутеном бумаги в силовых конденсаторах, их срок службы возрастает примерно в два раза по сравнению с маслонаполненными конденсаторами. Из-за высокой стоимости электрооборудования с синтетическими углеводородами их применение ограничивается местами, в которых необходимо обеспечить высокую пожаробезопасность (шахтная и корабельная энергетика, нефте- и газоперекачивающие станции). Основные характеристики синтетических углеводородных жидкостей: ρ =10¹⁰÷10¹⁴ Ом·м; εr =2,1÷2,3; tgδ =0,00001÷0,0001; Eпр до 300 кВ/см; температура застывания tзаст = - 40°C; tмакс раб = +130°C. 2.2.5 Жидкости, применяемые взамен трансформаторного масла Использование пожаробезопасных жидкостей (хлорированных углеводородов, кремнийорганических, синтетических углеводородов) в силовых трансформаторах, требует изменений конструкции и размеров изоляции маслонаполненных трансформаторов. Это объясняется отличием характеристик этих жидкостей от соответствующих характеристик трансформаторного масла. В последнее время в России разработаны и прошли испытания не горючие жидкости, которые можно применять в обычных трансформаторах взамен трансформаторного масла. 1. Пентаэритрит (ПЭТ). Жидкость получаемая из эфиров пентаритрита и синтетических жирных кислот. Пожаробезопасная и не токсичная жидкость, прошедшая испытания в силовых трансформаторах ТМ(Н) -160/6. Дороже трансформаторного масла всего в 2-2,5 раза. Основные характеристики жидкости ПЭТ: ρ =10¹³ Ом·м; εr =2,8; tgδ =0,02; Eпр = 200 кВ/см; температура застывания tзаст = - 60°C; tмакс раб = +200°C. 2. Софэксил. Силиконовая (кремнийорганическая) полимерная жидкость, имеющая следующее строение молекул:

Кристально прозрачная, не токсичная жидкость совместимая с материалами используемыми в маслонаполненном оборудовании. Допускает заливку в бак трансформатора после слива из него масла. Основные характеристики жидкости Софэксил: ρ=10¹³ Ом·м; εr =2,71; tgδ =0,0001; Eпр = 200 кВ/см; температура застывания tзаст = - 75°C; tмакс раб = +220°C. Контрольные вопросы 1. Назовите преимущества и недостатки минеральных масел. 2. В каких видах электрооборудования применяются минеральные масла. 3. Какие жидкие диэлектрики, кроме минеральных масел, применяются в электроэнергетике; назовите их преимущества и недостатки.

Модуль 2

Тема 2.3. ТВЕРДЫЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ 2.3.1 Волокнистые материалы. Слоистые пластики 2.3.2 Электрокерамика. Стекла. Материалы на основе слюды 2.3.3 Высокополимерные материалы. Лаки, смолы, компаунды Контрольные вопросы 2.3.1 Волокнистые материалы. Слоистые пластики Древесина. В качестве электроизоляционных материалов используется древесина лиственных пород, обладающая большей плотностью по сравнению с хвойными. Основное преимущество древесины как изоляции низкая стоимость. Она обладает целым рядом недостатков: низкой нагревостойкостью (tмакс раб = +105°C), горючестью, невысокой механической прочностью, склонностью к гниению, высокой гигроскопичностью и нестандартностью свойств. Так, электрическая прочность вдоль и поперек волокон древесины может отличаться в 3÷4 раза. Перечисленные недостатки ограничивают применение древесины в качестве электроизоляционных материалов. Основное применение: опоры воздушных линий электропередачи 0,4÷110 кВ, изолирующие оперативные штанги и штанги для наложения заземления, клинья в электрических машинах. Следует отметить, что при качественной пропитке опор воздушных линий антисептиком, срок службы может быть достаточно высоким. Например, в Англии опоры линий эксплуатируются более 70 лет. Бумаги и картоны. Получают путем химической переработки древесины в целлюлозу с дальнейшей прессовкой. Отличие электротехнических бумаг заключается в дополнительной варке в щелочных растворах. Это необходимо с целью устранения из бумаги лигнина, смолистого вещества ускоряющего процессы старения. В качестве электроизоляционных материалов используются следующие виды бумаг и картонов. 1. Кабельная бумага. Предназначена для создания изоляции кабелей высокого напряжения. Выпускается в виде лент толщиной 80-170 мкм, которые после намотки на жилы кабеля, пропитываются кабельным маслом. Электрическая прочность непропитанной бумаги не велика, всего 60÷90 кВ/см, так как в ней находятся влага и воздух. После пропитки электрическая прочность кабельной бумаги возрастает примерно в 10 раз и Eпр достигает значений 700÷800 кВ/см. Для уменьшения радиальных размеров кабелей, в бумажно-масляной изоляции используется принцип градирования. Поскольку напряженность поля в диэлектриках распределяется обратно пропорционально относительной диэлектрической проницаемости εr, то для благоприятного распределения напряженности, слои бумаги с большими значениями εr помещают ближе к токоведущей жиле кабеля (Рис.2.6). При этом, должно выполняться условие: εr1 > εr2 > εr3. Большим значениям εr соответствует более тонкая и плотная бумага.

Рис.2.6 Изменение напряженности электрического поля E по толщине кабельной изоляции 1 - без градирования; 2 - с градированием. Примеры обозначения кабельной бумаги: К-120 (К - кабельная, 120 - тощина в мкм), КМ - кабельная многослойная (3-4 слоя), КВ - кабельная высоковольтная, КВМ - кабельная высоковольтная многослойная, КВМУ - кабельная высоковольтная многослойная уплотненная. 2. Трансформаторная бумага. Используется в продольной (витковой) изоляции обмоток трансформаторов. Выпускается в виде лент толщиной 80-120 мкм. После пропитки маслом электрическая прочность может достигать 1200 кВ/см. 3. Конденсаторная бумага. Используется наиболее чистая и тонкая бумага с толщиной лент 4÷30 мкм. Является одним из наиболее качественных видов высоковольтной изоляции. Пробивная напряженность после пропитки кабельным маслом может достигать 2500÷3000 кВ/см. Эта изоляция применяется не только в силовых конденсаторах, но и в других электроустановках, когда требуются уменьшение радиальных размеров изоляции. Например, промышленность выпускает высоковольтные трансформаторные вводы на классы напряжения 220÷1150 кВ с изоляцией конденсаторного типа. Примеры обозначения конденсаторной бумаги: КОН - конденсаторная, СКОН - специальная с повышенной плотностью, МКОН - бумага с малым tgδ, ЭМКОН - с повышенной электрической прочностью. 4. Пропиточная бумага. Используется в качестве наполнителя при изготовления слоистых пластиков гетинаксов. Для лучшей пропитки смолами бумага изготавливается с малой плотностью. Обозначается ЭИП - бумага электроизоляционная пропиточная. 5. Намоточная. Предназначена для изготовления различных изоляционных труб и цилиндров. При ее намотке, поверхность бумаги смазывается тонким слоем бакелитовой смолы. Из нее изготавливают различные изолирующие штанги, указатели напряжения, бумажно-бакелитовые высоковольтные вводы трансформаторов до 110 кВ. 6. Микалентная. Используется как подложка при изготовлении гибкой слюдяной ленты (микаленты). Для увеличения ее прочности в целлюлозу добавляют хлопковое волокно. Микалента используется в качестве дополнительной изоляции в электрических машинах. 7. Картоны. Изготавливают толщиной 0,1÷6,0 мм. Для повышения механической прочности в них добавляют хлопковое волокно. Картоны делят на воздушные и масляные. Воздушные картоны обладают невысокой электрической прочностью всего 80÷130 кВ/см. Электрическая прочность масляных достигает 380÷600 кВ/см. Электрокартоны используют в качестве дополнительной высоковольтной изоляции в силовых конденсаторах и трансформаторах. Фибра.Изготавливается из смеси хлопкового волокна и древесной целлюлозы, пропитанных хлористым цинком. После прессовки и сушки получают электротехнический материал с невысокими электрическими характеристиками ρ =10⁷ Ом·м; εr =3,0; Eпр =35-50 кВ/см. Кроме того, фибра обладает высокой гигроскопичностью, поэтому в качестве высоковольтной изоляции не применяется. Отличительной особенностью этого материала является его дугогасительные свойства. При воздействии высокой температуры дуги фибра выделяет большое количество газов. Благодаря этому свойству, фибра применяется в дугогасительных камерах автоматов питания, рубильниках и трубчатых разрядниках. Слоистые пластики.В слоистых пластмассах чередуются слои листового наполнителя (бумага, хлопчато-бумажная ткань, стеклоткань) и связующее вещество. 1. Гетинакс. Листовой слоистый материал, состоящий из бумаги пропитанной бакелитовыми смолами и спрессованный между двумя металлическими листами при температуре +160°С гидравлическим прессом. Время прессовки обычно составляет 2÷5 минут. Расплавленная смола при высокой температуре отвердевает и получается недорогой слоистый пластик, имеющий невысокие механические характеристики. 2. Текстолит. Технология изготовления текстолита аналогична технологии создания гетинакса, но в качестве наполнителя используется хлопчато-бумажная ткань. Текстолит дороже, но имеет более высокую механическую прочность и хорошо обрабатывается. Из него можно изготавливать изоляционный крепеж (болты, гайки, шайбы). 3. Стеклотекстолит. Технология изготовления аналогична двум предыдущим материалам, но в качестве наполнителя используется стеклоткань. В результате, получается материал с очень высокой механической прочностью, с повышенными нагревостойкостью и влагостойкостью, но более дорогой по сравнению с текстолитом. 4. Гетинакс лавсановый. Новый материал на основе синтетической лавсановой бумаги и эпоксидной смолы. Штампуется без подогрева. Лавсановый гетинакс имеет повышенную влагостойкость и хорошие механические свойства. Слоистые пластмассы имеют примерно одинаковые электрические характеристики: ρ =10⁸ Ом·м; εr ≈ 7,0; tgδ =0,04÷0,08; Eпр ≈ 100÷200 кВ/см. Они обычно применяются в качестве низковольтной изоляции, а в высоковольтных установках, как дополнительная изоляция (барьеры в трансформаторах, дугогасительные камеры выключателей и т.д.). 2.3.2 Электрокерамика. Стекла. Материалы на основе слюды Электрокерамика.Изготавливается из смеси различных порошкообразных материалов и глины путем обжига. Электрокерамика не гигроскопична, обладает высокой нагревостойкостью и радиационной стойкостью, не подвержена старению, атмосферостойка. Электрофарфор. Исходная масса при изготовлении электротехнического фарфора состоит на 50% из глинистых веществ, 25% полевого шпата и 25% кварцевого песка. После добавления воды производится формовка изделия, сушка и глазуровка (покрытие жидкой глазурью). Далее изделие из фарфора обжигают в течение примерно 32 часов, с плавным подъемом температуры до 1400°С и плавным ее понижением. Глазурь при высокой температуре создает на поверхности фарфора стекловидное покрытие, повышающее механическую прочность и устраняющее пористость поверхности. Электрофарфор хорошо выдерживает механические нагрузки направленные на сжатие. Предел прочности на сжатие у электрофарфора достигает 1400кГ/см². Однако, предел прочности на растяжение у него не велик. Максимальное разрывное усилие у фарфоровых изоляторов достигает лишь 4÷5 тонн. Поэтому, в подвесных тарельчатых изоляторах фарфор используется лишь на линиях классов напряжения до 220 кВ включительно. Основная область применения электрофарфора опорные изоляционные конструкции и подстанционная изоляция. Основные электрические характеристики электрофарфора: ρ =10¹¹÷10¹² Ом·м; εr =6÷7; tgδ =0,025÷0,03; Eпр = 300÷320 кВ/см. Стеатит.Имеет следующий состав: 20% глинистых веществ, остальное - углекислый кальций, углекислый барий, и тальк. Материал более дорогой, но имеет повышенные характеристики по сравнению с электрофарфором: ρ =10¹³÷10¹⁴ Ом·м; εr =7÷8; tgδ=0,0006÷0,004; Eпр = 350÷400 кВ/см. Применяется для изготовления высоковольтных вводов трансформаторов и наиболее ответственных видов подстанционной изоляции. Кордиеритовая керамика. Отличается от электрофарфора добавлением соединений MgO и Al₂O₃. Обладает исключительной нагревостойкостью (до 2000°С), выдерживает воздействие силовой электрической дуги. Из нее изготавливают дугогасительные камеры вентильных разрядников. Стекла. Силикатные (неорганические) стекла представляют собой дешевые материалы, так как изготавливаются из доступных веществ. В их состав входят: кварцевый песок (SiO₂), сода (Na₂CO₃), мел и доломит. Смесь этих веществ нагревают до температуры варки стекла 1350÷1600°С, а затем производят формовку изделий. После изготовления стеклянных изоляторов производится их закалка. При этом, изоляторы нагревают в струях горячего воздуха с температурой +700°С до размягчения поверхностного слоя, а затем быстро охлаждают холодным воздухом. Застывая, наружные слои сильно сдавливают внутреннюю часть стекла. Если растягивать такой изолятор, то для его разрыва необходимо сначала преодолеть внутренние механические усилия созданные закалкой. С помощью закалки, у стекла удается получить предел прочности на растяжение 1300÷1400кГ/см², а разрывное усилие готовых стеклянных изоляторов 30 тонн. Силикатные стекла принято делить на: - щелочные, содержащие большое количество окислов щелочных металлов Na₂O, Сa₂O, K₂O, используемые в качестве бытовых стекол; - щелочные, с большим содержанием окислов тяжелых металлов, например PbO, применяемые для создания оптики; - малощелочные, с содержанием окислов щелочных металлов не более 5% и используемые в подвесных стеклянных изоляторах высокого напряжения; - бесщелочные, с содержанием окислов щелочных металлов не более 2%. Последние используются для получения стекловолокна. При склеивании стекловолокна эпоксидными смолами получают высокопрочный стеклопластик, используемый в качестве основы для полимерных подвесных и опорных изоляторов. Стержень из однонаправленного стекловолокна склеенного смолами и имеющий диаметр 1 см, может выдерживать усилие на растяжение 1,5 тонны. Малощелочное стекло, применяемое в изоляторах высокого напряжения, имеет следующие электрические характеристики: ρ =10¹² Ом·м; εr = 3,0÷6,0; tgδ ≈ 0,02÷0,025; Eпр = 400÷450 кВ/см. Материалы на основе слюды.Слюда - природный слоистый материал с толщиной отдельных листочков до 0,006 мм, обладающий гибкостью и высокой механической прочностью на растяжение. Кроме того, слюда отличается высокой нагревостойкостью. Ее максимальная рабочая температура может быть от 200 до 900°С, в зависимости от месторождения слюды. Склеивая отдельные листочки слюды смолами или лаками, получают следующие высококачественные материалы: Миканит.Широко используется в изоляции электрических машин (мощных генераторов и двигателей) в качестве основной пазовой изоляции; Микалента.Листочки слюды наклеенные на специальную (микалентную) бумагу. Применяется там же, в качестве намоточного материала. Микалекс.Молотые слюда и стекло, спрессованные при высокой температуре. Применяется в дугогасительных камерах выключателей. Поскольку, материалы на основе слюды достаточно дорогие, их используют в наиболее ответственных и дорогостоящих электроустановках. Основные электрические характеристики материалов на основе слюды: ρ =10¹²÷10¹⁴ Ом·м; εr =6÷8; tgδ =0,0003÷0,0005; Eпр = 1200÷1900 кВ/см. 2.3.3 Высокополимерные материалы. Лаки, смолы, компаунды Высокополимерные материалы. Полимеры - это вещества с большой молекулярной массой, получаемые из более простых исходных молекул (мономеров), в результате реакции полимеризации, приводящей к химической связи мономеров. Если молекулы имеют линейную структуру, то есть, мономеры соединяются в цепочку (-А-А-А-А-), полимеры называются линейными. Если молекулы имеют разветвленную структуру, - пространственными. Высокополимерные вещества бывают и природного происхождения, например янтарь и каучук. Полиэтилен. Линейный полимер, имеющий строение молекул:

и получаемый в результате полимеризации газа этилена С2Н4. Полиэтилен термопластичный материал, обладающий водоотталкивающими свойствами и стойкостью к растворителям. Основные недостатки полиэтилена - низкие нагревостойкость (+70°С) и светостойкость (разрушение под действием ультрафиолетовых лучей). Для повышения нагревостойкости полиэтилен "сшивают" (вулканизируют). Сшивка заключается в добавлении в полиэтилен специальных добавок воздействии на него ионизирующих излучений. При этом происходит пространственное соединение линейных молекул между собой или иначе, сшивка молекул. Сшитый полиэтилен обладает гораздо большей нагревостойкостью, tмакс раб= +90°C. Основные электрические характеристики полиэтилена: ρ =10¹⁵ Ом·м; εr =2,3; tgδ =0,003; Eпр = 500 кВ/см. В настоящее время, промышленность практически прекратила выпуск кабелей с вязкой пропиткой и перешла на производство кабелей с полимерной изоляцией. В кабелях большой мощности и высоких классов напряжения, применяют изоляцию из сшитого полиэтилена. Самый мощный в мире кабель, проложенный недалеко от Лондона, мощностью 1500 Мвт, длинной 20 км, с Uном = 400 кВ и сечением жил 2500 мм², имеет изоляцию из сшитого полиэтилена. Самый длинный кабель проложен в Южной Австралии и имеет длину 180 км, мощность 200 Мвт, Uном = 150 кВ и сечение жил 1200 мм². Он также имеет изоляцию из сшитого полиэтилена. В нашей стране освоен выпуск кабелей из сшитого полиэтилена на номинальные напряжения 110, 220 и 500 кВ. Кабели 500 кВ уже эксплуатируются на Бурейской ГЭС. Полихлорвинил.Полихлорвинил (ПХВ) или поливинилхлорид, твердый белый материал с линейной структурой молекул:

ПХВ без добавления пластификаторов называют "винипласт". Винипласт имеет очень высокую механическую прочность, стойкость к ударным нагрузкам, он также обладает высокими химической стойкостью и влагостойкостью. Он является хорошим газогенерирующим материалом. Основной недостаток винипласта (ПХВ) низкая нагревостойкость. При температурах выше 140°С он разлагается с выделением токсичных газов. Основные электрические характеристики винипласта: ρ =10¹²÷10¹⁴ Ом·м; εr =4; t gδ =0,01÷0,02; Eпр = 200 кВ/см. Максимальная рабочая температура составляет tмакс раб = +105°C. Полихлорвинил применяется в изоляции проводов, используется в качестве оболочек силовых кабелей. Из него изготавливают изоляционные трубки и изоленты. Твердый винипласт используется в трубчатых разрядниках в качестве газогенерирующего материала. Трубчатые разрядники с винипластовой трубкой изготавливают на классы напряжения 6÷110 кВ. Органическое стекло.Оргстекло или полиметилметакрилат является продуктом полимеризации молекул состоящих из СН2, СН3 и эфиров акриловой кислоты (R):

Обладает высокими химической стойкостью и влагостойкостью и дугогасящими свойствами. Основные электрические характеристики оргстекла: ρ =10¹⁰÷10¹¹ Ом·м; εr =3,6; tgδ =0,06; Eпр = 150÷180 кВ/см. Из-за высокой стоимости довольно редко используется, как электротехнический материал. Из оргстекла иногда изготавливают вводы образцовых конденсаторов и дугогасительные камеры рубильников. Фторопласт.Это негорючий, жирный на ощупь материал белого цвета, обладающий необычайно высокой для полимеров нагревостойкостью (tмакс раб = +250°C). Исключительно химически стоек, на него не действуют практически никакие кислоты и щелочи, негигроскопичен и не смачивается водой. Холодостойкость до -269°С. По электрическим свойствам его то же можно отнести к лучшим электроизоляционным материалам. Фторопласт является линейным полимером:

Основные электрические характеристики фторопласта: ρ =10¹⁵÷10¹⁷ Ом·м; εr =1,9÷2,2; tgδ =10^-4; Eпр для тонких пленок до 1800 кВ/см. Основной недостаток фторопласта высокая стоимость. Поэтому его используют, как изоляцию только в наиболее ответственном электротехнических устройствах (электроустановки самолетов, космических кораблей и т.д.). Кремнийорганические полимеры.Кремнийорганические полимеры или полиорганосилоксаны находят все большее применение в электроэнергетике. В их состав кроме органических соединений входит кремний (Si), являющийся важнейшей составной частью многих неорганических материалов, таких, как слюда, стекло, электрокерамика. Полиорганосилоксаны могут быть линейные и пространственные:

R - представляют собой различные органические радикалы, СН3, С2Н5, С6Н5 и т.д. В зависимости от вида радикалов получают либо каучукоподобные либо твердые материалы. Рабочие температуры кремнийорганики: tмакс раб = +180°C, tмин раб = -60°C. Кроме высокой нагревостойкости, эти материалы обладают химической стойкостью и водоотталкивающими свойствами. Основные электрические характеристики кремнийорганических полимеров: ρ =10¹⁵ Ом·м; εr =3; tgδ =0,0003÷0,005; Eпр = 800÷1200 кВ/см. В настоящее время, происходит широкое внедрение высоковольтных полимерных изоляторов: подвесных, опорных и проходных, на все классы номинального напряжения. Промышленность серийно выпускает полимерные стержневые изоляторы серии ЛК на напряжения 6÷1150 кВ. Основу изолятора составляют: стеклопластиковый стержень, обеспечивающий необходимую прочность на растяжение, и кремнийорганическая (силиконовая) рубашка с ребрами, для получения нужных разрядных характеристик по поверхности изолятора (Рис.2.7).

Рис.2.7 Конструкция полимерного изолятора серии ЛК. Кроме того, кремнийорганическими рубашками оснащаются опорные изоляторы и нелинейные ограничители перенапряжений ОПН (Рис.2.8).

Рис.2.8 Внешний вид нелинейных ограничителей перенапряжения с полимерными покрышками Лаки, смолы, компаунды. Электроизоляционные лаки и компаунды - это материалы, которые в процессе изготовления изоляции находятся в жидком виде, а в готовой изоляции в твердом состоянии. Это, так называемые, твердеющие материалы. Лаки - представляют собой коллоидные растворы различных смол, высыхающих масел и битумов, в летучих растворителях. При сушке лака, растворитель улетучивается и лаковая основа переходит в твердое состояние. По применению электроизоляционные лаки делят на: пропиточные, покрывные и клеящие. Пропиточные лаки предназначены для пропитки бумаг, картонов и тканей при создании изоляции электрических машин. Покрывные - предназначены для создания прочной и влагостойкой пленки на поверхности изоляции. Клеящие лаки применяются для склеивания различных твердых электроизоляционных материалов, таких как слюда, бумаги, ткани. Электроизоляционные лаки также делят на: - смоляные, в которых растворителями являются различные спирты, эти лаки обозначаются: ФЛ - бакелитовые, ГФ - глифталиевые, ПЭ - полиэфироэпоксидные, КО - кремнийорганические; - нитроцеллюлозные (растворы эфиров целлюлозы), обозначаются как НЦ; - масляные (высыхающие масла), имеют обозначение МЛ; - битумные (растворы битумов в органических растворителях), обозначаются БТ. Компаунды отличаются от лаков, отсутствием в них летучих растворителей. В качестве компаундов используют различные смолы и битумы. Компаунды по назначению делят на пропиточные и заливочные. Пропиточные - применяются для создания слоистых пластиков (гетинаксов, текстолитов и т.д.). Заливочные - предназначены для заполнения больших полостей между различными деталями электрических машин и для заполнения кабельных муфт. Наиболее известны термопластичные битумные компаунды. Для размягчения перед заливкой их разогревают. В последнее время, все чаще применяют термореактивные эпоксидные компаунды. Они обладают большей нагревостойкостью и применяются для заливки деталей сухих трансформаторов и в качестве основной изоляции водостойких электрических машин и кабельных муфт. Эпоксидные смолы - это синтетические смолы, продукты поликонденсации эпихлоргидрина с фенолами. Они имеют в своем составе так называемые эпоксидные группы (кольца):

Контрольные вопросы 1. Назовите преимущества и недостатки электротехнических бумаг. 2. В каких видах электрооборудования применяются электротехнические бумаги. 3. Назовите преимущества и недостатки стекла и фарфора, сравните эти материалы между собой и объясните область применения. 4. Каковы особенности материалов на основе слюды, где их применяют. 5. В каких электроустановках применяются высокополимерные твердые электроизоляционные материалы. 6. Сравните между собой характеристики полиэтилена, фторопласта и кремнийорганических полимеров.

Модуль 3

МОДУЛЬ 3. ПРОВОДНИКОВЫЕ, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Цели и задачи изучения модуля 3 В этом разделе рассматриваются физические основы проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов. Приводятся их основные характеристики и указывается область применения. После изучения модуля №3 вы будете знать: · основные характеристики проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов; · особенности изготовления и применения проводниковых, полупроводниковых и магнитных материалов, используемых в электротехнике. После изучения модуля №3 вы будете уметь: · выбирать проводниковые, полупроводниковые и магнитные материалы в соответствие с областью их применения.

Модуль 3

3.1 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 3.1.1 Сверхпроводниковые материалы 3.1.2 Высокотемпературная сверхпроводимость 3.1.3 Криопроводники 3.1.4 Проводниковые материалы высокой удельной проводимости 3.1.5 Проводниковые материалы высокого удельного сопротивления 3.1.6 Специальные материалы Контрольные вопросы 3.2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 3.2.1 Основные простые полупроводниковые материалы 3.2.2 Полупроводниковые химические соединения Контрольные вопросы 3.3 Магнитные материалы Контрольные вопросы 3.1 ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ Проводниковые материалы по их электропроводности можно разделить на: сверхпроводники, криопроводники, материалы высокой удельной проводимости и материалы высокого удельного сопротивления. Способность материалов, проводить электрический ток характеризуется удельным электрическим сопротивлением (Ом·м) или удельной электрической проводимостью (См/м):

где R -сопротивление образца сечением S и длиной l (Рис.3.1).

Рис.3.1 Образец проводникового материала Диапазон удельных сопротивлений проводниковых материалов находится в пределах от 10^-25 Ом·м, для сверхпроводников, до 1,5·10^-6Ом·м, для хромалюминиевых сплавов. Механизм протекания тока в металлах обусловлен движением свободных электронов - поэтому их называют материалами с электронной проводимостью. По классической электронной теории, металлы имеют ионную кристаллическую решетку, внутри которой находится "электронный газ" состоящий из свободных электронов. Электроны совершают хаотические тепловые движения, система в целом электрически нейтральна. Если на проводник действует электрическое поле, то электроны начинают двигаться и появляется электрический ток. Электрическому току препятствуют положительные ионы кристаллической решетки и их колебания, амплитуды которых зависят от температуры.При встрече с препятствием электроны теряют часть кинетической энергии и появляется сопротивление электрическому току. С ростом температуры возрастает амплитуда тепловых колебаний узлов кристаллической решетки, что в свою очередь приводит к росту удельного сопротивления (Рис.3.2).

Рис.3.2 Зависимость удельного сопротивления проводников от температуры. Все чистые металлы с наиболее правильной кристаллической решеткой характеризуются наименьшими значениями удельных сопротивлений. Примеси искажают кристаллическую решетку, что приводит к увеличению удельного сопротивления. Изменение удельного сопротивления от температуры характеризуют температурным коэффициентом в град ^-1:

где r₀ -удельное сопротивление в начале диапазона изменения температуры; r_t - в конце диапазона; Δt - диапазон изменения температуры. Значения TKρ для чистых металлов составляет примерно 0,0004 град^-1. 3.1.1 Сверхпроводниковые материалы Сверхпроводимостью называется явление снижения удельного сопротивления некоторых материалов при низких, так называемых критических температурах (tкр), до неподдающихся измерению, низких значений (Рис.3.3).

Рис.3.3 Температурные зависимости удельного сопротивления проводника и сверхпроводника. Это явление было открыто в 1911 году голландским физиком Оннесом Камерлингом для ртути, при температурах близких к абсолютному нулю. Критическая температура (Тк) для ртути составила 4,2К. Сверхпроводящий алюминий имеет Тк = 1,2 К. Такие металлы как: серебро, золото, платина, медь - не являются сверхпроводниками, по крайней мере, при температурах выше 0,05К. В нормальном состоянии узлы кристаллической решетки металлов колеблются, при этом отклонение от положения равновесия достигают 10^-10см, что лишь в 100 раз меньше расстояния между соседними узлами решетки. Обычные электроны "сталкиваясь" с такими узлами изменяют либо свое направление, либо скорость, т.е. в конечном счете, меняется их энергетический импульс:

, где me - масса электрона,

- вектор скорости i -го электрона. В результате появляются потери энергии, которые и определяют сопротивление проводника R. В сверхпроводящем состоянии кристаллическая решетка не искажена тепловыми колебаниями, поэтому условия взаимодействия электронов с решеткой будут следующими: - пусть первоначальные траектории двух электронов характеризуются импульсами

. Пролетая около узла решетки один из электронов взаимодействуя с ним отдает часть своей энергии в виде импульса

(Рис.3.4).

Рис.3.4. Обмен энергии между электронами и узлами кристаллической решетки в сверхпровододнике Решетка поглощает эту энергию (возбуждается), а далее отдает эту энергию второму электрону с импульсом

. В результате такого взаимодействия сумма первоначальных и конечных импульсов не меняется, то есть:

где

- импульсы электронов после взаимодействия с узлом решетки. Поэтому, сверхпроводящие электроны не испытывают сопротивления решетки. Они становятся "взаимосвязанными". Опытные данные показывают, что при критической температуре, сопротивление уменьшается примерно на 13 порядков. Наиболее точные измерения проводились в сверхпроводящем алюминиевом кольце при Т < Тк. Измерения магнитного поля и расчеты затухания тока I₀, проведенные по формуле

, где R - сопротивление кольца, L - индуктивность, t - время затухания тока; показали, что ρ <10^-25Ом·м. В то время, как у сверхчистого алюминия при Т =2К, удельное сопротивление имеет значение ρ =3·10^-12Ом·м. Кроме того, было обнаружено, что явление сверхпроводимости исчезает при достижении током определенного значения. Это явление обусловлено действием магнитного поля, которое создает ток в сверхпроводнике. Сверхпроводимость исчезает при некоторой критической напряженности магнитного поля Нкр, зависящей от температуры (Рис.3.5). Критические параметры Нкр и Ткр зависят от структуры материала и степени его неоднородности. До недавнего времени, "рекордсменом" среди сверхпроводников, было соединение Nb₃Ge с Ткр =23,2К, полученное в 1973г.

Рис.3.5. Зависимость критической напряженности магнитного поля сверхпроводника от температуры Возможные области использования сверхпроводников: передача электрической энергии, сверхпроводниковые электромагниты (со сверхмощными магнитными полями), накопители энергии, обмотки трансформаторов и электрических машин (с уменьшением массы генератора в 3-4 раза и повышением мощности). Основное препятствие широкого применения: очень низкие температуры и охлаждение с помощью дорого жидкого гелия. 3.1.2 Высокотемпературная сверхпроводимость В 1986 году в ученом мире произошла сенсация. Исследовательские группы Хьюстонского и Алабамского университетов обнаружили сверхпроводимость в керамиках из иттрия, бария, меди и кислорода с критической температурой Ткр =93К. Формула вещества уже выделенного в чистом виде - Y₁Ba₂Cu₃О6. Такие материалы, с температурой перехода в сверхпроводяшее состояние соответствующее температуре жидкого азота (77 К), получили название "высокотемпературных" сверхпроводников (ВТСП). В настоящее время, лучшие керамические ВТСП имеют критическую температуру Ткр =110 К. Их выпускают в виде тонких и гибких лент. Промышленные образцы электрооборудования с ВТСП все шире используются в электроэнергетике. Так летом 2001 года на подстанции в Копенгагене, введен в работу первый промышленный трехфазный сверхпроводящий кабель на Uном =30 кВ с Iном =2 кА. Охлаждение в нем производится жидким азотом при температуре минус 196°С. В США, в сети 110 кВ штата Висконсин, установлены сверхпроводящие индукционные накопители энергии. Они поддерживают напряжение у потребителей на уровне 90% при перерыве питания 1с. В США так же выпускают токоограничивающие устройства с ВТСП на Uном =15 кВ. Они снижают ток короткого замыкания практически мгновенно, прежде, чем разовьется повреждение оборудования. Последние ВТСП материалы позволяют создавать кабели, конкурирующие с обычными кабелями из сшитого полиэтилена, начиная с мощности 500 МВт. Плотность тока в них достигает 100 кА/см². В Италии испытан промышленный образец ВТСП кабеля мощностью S = 1000 МВА с Uном =225 кВ, конкурирующий даже воздушной линией, благодаря малым потерям электроэнергии. Освоенные размеры кабелей ВТСП позволяют организовать токопроводы для энергоснабжения крупных заводов. Японская фирма "Tokio Electric Power" планирует создать ВТСП кабель для подвода мощности 1 ГВт в Токио и тем самым отказаться от рытья новых подземных туннелей. Стоимость самого ВТСП материала составляет 90% стоимости кабеля, однако в ближайшие годы ожидается ее снижение примерно в пять раз. Большие перспективы имеет применение ВТСП при создании силовых трансформаторов. Такие трансформаторы имеют нагрузочные потери меньше на 80-90%, по сравнению с обычными. Кроме того, уменьшается вес и габариты трансформатора. Так трансформатор с обмоткой из ВТСП мощностью 100 МВА, будет иметь массу около 60 тонн, вместо 130 тонн у трансформатора традиционного исполнения. В этих трансформаторах обмотки помещают в цилиндрические криостаты. Двойные стенки криостатов изготовлены из эпоксида и между ними поддерживается вакуум. Такие трансформаторы мощностью до 10 МВА, уже прошли испытания и выпускаются промышленностью США. Фирма "Сименс - Альстром" выпускает компактные тяговые трансформаторы для локомотивов железной дороги. Ожидаемый объем производства электрооборудования с ВТСП в мире к 2010 году должен достичь 600 млн.долларов. В соответствии с "Концепцией технической политики ОАО РАО "ЕЭС" России" на период до 2009 года (от 12.11.04г.), отмечается необходимость использования сверхпроводникового оборудования электросетевой направленности: - сверхпроводниковых токоограничителей (СОТ), способствующих снижению запасов прочности всего электрооборудования по токам короткого замыкания; - силовых кабелей и трансформаторов на основе явления ВТСП; - сверхпроводниковых накопителей энергии (СПИН). "В период до 2009 г. должны быть организованы полномасштабные научно-исследовательские и конструкторские работы по разработке и созданию опытных и опытно-промышленных образцов оборудования на основе ВТСП, а затем - обеспечено, при надлежащем технико-экономическом обосновании, их внедрение в эксплуатацию". 3.1.3 Криопроводники Криопроводимость - явление высокой проводимости некоторых чистых металлов при очень низких (криогенных температурах). Материалы имеющие в этом отношении особо выгодные свойства называются криопроводниками. Удельное сопротивление у них на 3-4 порядка меньше, чем при нормальной температуре и составляет примерно r=10^-9 Ом·м. У обычных же металлов удельное сопротивление при низкой температуре примерно на один порядок ниже, чем при нормальной. Хотя криопроводники по удельной проводимости не могут соперничать со сверхпроводниками, но они имеют преимущество - нет необходимости добиваться температур близких к абсолютному нулю. При этом можно использовать жидкий водород или жидкий азот, а не жидкий гелий. Плотность тока в криопроводниках на один-два порядка больше, чем у обычных проводников. Наиболее перспективно применение криопроводников в электрических машинах и мощных кабелях (уменьшаются потери, уменьшаются размеры, увеличивается мощность). В области температур жидкого водорода ~20К лучшим криопроводником является алюминий, материал дешевый, но требующий достаточно низкой температуры для получения нужной электропроводности. А в области температуры жидкого азота ~77К - бериллий, дорогой и дефицитный материал, но требующий меньшего охлаждения, чем алюминий. Ведущими фирмами уже давно разработаны криопроводящие кабели на напряжения 110-275 кВ, однако они становятся выгодными лишь при необходимости передачи мощности 2-3 ГВт. Следует отметить, что появление достаточно технологичных ВТСП снизило интерес к криопроводникам. 3.1.4 Проводниковые материалы высокой удельной проводимости Медь. Обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими проводниковыми материалами: а) малое удельное сопротивление ρ =0,0172 ·10^-6Ом·м. (из всех металлов только у серебра ρ меньше, чем у меди); б) достаточно высокая механическая прочность; в) достаточная стойкость к коррозии; г) легкость пайки и сварки. Медь делят на твердую (МТ) и мягкую (ММ). Медь твердую получают при ее холодной протяжке. Эта медь твердая, упругая и прочная. Из нее изготавливают контактные провода, шины распредустройств, пластины коллекторов электрических машин. Если медь нагреть до нескольких сотен градусов и далее охладить (отжиг меди) - получится мягкая медь. Она более пластичная, удлиняется при разрыве. Применяется для изготовления проволоки (жилы кабелей, обмоточные провода трансформаторов и электрических машин) - т.е. там, где важна гибкость. Алюминий. Второй по значению проводниковый материал. Алюминий в 3,5 раза легче меди, но хуже по механическим характеристикам, также имеет удельное сопротивление в 1,63 раза больше, чем у меди (ρ = 0,028·10^-6Ом·м). Благодаря малому весу, алюминий оказывается выгодней меди при изготовлении проводов воздушных линий электропередачи. Алюминий активно окисляется на воздухе и покрывается оксидной пленкой с большим электрическим сопротивлением. Эта пленка предохраняет алюминий от дальнейшей коррозии, но создает переходное сопротивление в месте контакта. Для воздушных линий широко применяют сталеалюминиевый провод, провод выполненный из алюминия со стальной внутренней жилой. Такой провод обладает высокой механической прочностью и достаточно высокой электропроводностью. Кроме того, из алюминия изготавливают шины распредустройств, обмотки трансформаторов и электродвигателей, жилы кабелей. Сталь. Достаточно дешевый проводниковый материал, обладающий высокой механической прочностью, но относительно высоким удельным сопротивлением, ρ = 0,1·10^-6Ом·м. Из стали изготавливают внутренние жилы сталеалюминиевых проводов, а при необходимости и сами провода. 3.1.5 Проводниковые материалы высокого удельного сопротивления Применяются в электронагревательных приборах, реостатах, образцовых сопротивлениях и измерительных приборах. Во всех этих случаях требуется, как можно большее сопротивление проводника. Обычно это сплавы. Манганин - сплав меди, марганца и никеля (Cu - 84÷86%; Ni - 2÷3%; Mn- 12%). Имеет удельное сопротивление ρ =0,42÷0,47·10^-6Ом·м. Из него изготавливают проволоки для резисторов и потенциометров высокого класса. Манганин имеет температуру плавления tплав =960⁰С и максимальную рабочую температуру tмакс раб =200⁰С. Константан - то же, слав меди, никеля и марганца (Cu - 58÷60%; Ni - 32÷40%; Mn - 1÷2%). Имеет следующие основные характеристики: ρ =0,48÷10^-6Ом·м; tплав =1260⁰С; tмакс раб =400⁰С. Материал более дорогой, чем манганин и имеет высокую стабильность удельного сопротивления в широком диапазоне изменения температур. Область применения та же, что и у манганина. Нихром- сплав никеля, хрома и железа (Cr -15÷18%; Ni - 55÷61%; остальное железо). Нихромы применяются для изготовления электронагревательных приборов. Удельное сопротивление нихрома ρ= 1,06÷1,17·10^-6Ом·м, максимальная рабочая температура tмакс раб =950÷1000⁰С. Хромаль- сплав хрома, алюминия, никеля и железа (Cr - 26÷28%; Ni=0,6%; Al=5÷5,8%; остальное железо). Более дешевый материал по сравнению с нихромом, но более хрупкий. Применяется для изготовления мощных электронагревательных приборов. Удельное сопротивление хромалей достигает очень высоких для проводников значений ρ =1,3÷1,5·10^-6Ом·м. Максимальная рабочая температура - tмакс раб =1000÷1150⁰С. 3.1.6 Специальные материалы Припои - это специальные сплавы и иногда чистые металлы, применяемые при пайке металлических частей в качестве связующего материала. Припои принято делить на две группы - мягкие и твердые. Это деление связано с их температурой плавления. Мягкие имеют температуру плавления ниже 300°С, твердые - выше 300°С. Кроме того, мягкие припои имеют низкий предел прочности на растяжение (σр =50÷70 МПа/см²), а твердые - высокий (σр =100÷500 МПа/см²). Выбирают припои в соответствии с типом паяемого металла, требуемой механической прочностью, коррозийной стойкостью. Необходимо так же учитывать значение удельной проводимости припоя. Название припоя, как правило, определяется металлами, входящими в него в наибольшем количестве. В условных обозначениях марок припоев буквы имеют следующую расшифровку: П - припой, остальные буквы соответствуют основным компонентам; О - олово, С - свинец, Ср - серебро, Су - сурьма, А - алюминий, Н - никель, М - медь, Ц - цинк, Кр - кремний, К - кадмий. Наиболее распространенные мягкие припои - оловянно-свинцовые: ПОС - 61 - припой оловянно-свинцовый (61% - олова, остальное свинец). Аналогично, ПОССу, ПОСК и т.д. Наиболее распространенные твердые припои медно-цинковые и серебряные. ПМЦ - припой медно-цинковый; ПС_р - припой серебряный (серебра 25 -50%, остальное кадмий и фосфор). Для пайки алюминия и его сплавов применяют припой П 425А, состоящий из алюминия, меди и цинка с температурой плавления 425°С и силумин, состоящий в основном, из алюминия и кремния (температура плавления 577°С). Выбор припоев для различных металлов производится по справочнику. Контактные материалы.Контакт - это место перехода из одной токоведущей детали в другую. По условиям работы контакты принято делить на: неподвижные, коммутирующие и скользящие. По значению коммутируемого тока контакты делят на слаботочные (до единиц А) и сильноточные (от единиц А до кА). Контакт должен обеспечивать надежное соединение двух проводников и обладать малым и стабильным электрическим сопротивлением. В процессе эксплуатации контакты подвергаются износу за счет эрозии, электрических и механических воздействий и сваривания. Коммутирующие контакты должны противостоять всем этим воздействиям. Слаботочные контакты чаще всего изготавливают из серебра и его сплавов. Серебро обеспечивает малый нагрев контактов и быстрый отвод тепла от контактных точек, так как обладает самым низким удельным сопротивлением среди проводниковых материалов (ρ = 0.016·10^-6 Ом·м). Кроме того, серебро почти не окисляется в нормальных условиях (без воздействия сернистых соединений). Добавление меди к серебру повышает твердость и износостойкость контактов, однако такие сплавы требуют больших механических усилий прижимающих контакты, т.к. у них неустойчивое переходное сопротивление из-за окисления. Серебро и его сплавы применяют в различных видах реле, контакторах, магнитных пускателях, автоматах питания. Для сильноточных контактов - чаще всего используют материалы изготовленные методом порошковой металлургии. При этом, одна фаза этих смесей обеспечивает высокую электропроводность, а другая имеет высокую тугоплавкость. Например, серебро и медь обеспечивают необходимую электропроводность, а вольфрам, молибден и графит - высокую износостойкость и сопротивление свариванию контактов. Например, композиция медь-графит не сваривается при коммутации токов 30÷100 кА. Медно-вольфрамовые контакты используют в мощных масляных и воздушных выключателях, а медь-молибден - в маломасляных выключателях. Композиции медь-висмут-бор и хром-медь-вольфрам применяются для изготовления контактов вакуумных выключателей. Контрольные вопросы 1. Что такое сверхпроводимость? 2. Какова область применения сверхпроводников в электроэнергетике? 3. Что такое высокотемпературная сверхпроводимость? 4. Назовите преимущества и недостатки основных проводниковых материалов высокой проводимости. 5. Перечислите основные проводниковые материалы высокого удельн

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

13 14 15 16 17 18 19

Подборка статей по вашей теме: