Пястолов А. А. и др. Монтаж, эксплуатация и ремонт электрооборудования. — 1981.
ВВЕДЕНИЕ
Концентрация и специализация сельскохозяйственного производства, перевод его на промышленную основу способствовали оснащению его значительным количеством современной разнообразной техники, в том числе электрооборудованием и электроустановками.
Для современного сельскохозяйственного производства характерно большое число автоматизированных установок водоснабжения и орошения, высокопроизводительных поточных агрегатов по сушке и сортировке зерна, поточных линий, цехов и заводов приготовления кормов, крупных птицефабрик, комплексов промышленного типа по откорму свиней на десятки и сотни тысяч голов животных, по откорму крупного рогатого скота на десятки тысяч голов, агрофабрик закрытого грунта и других предприятий с комплексной механизацией всех процессов производства. Комплексы промышленного типа обеспечены установками микроклимата; для надежности электроснабжения предусмотрено питание их от нескольких трансформаторных подстанций, присоединенных к различным районам электрических сетей; на комплексах установлено от нескольких сотен до тысячи и более электродвигателей и много различной пускозащитной аппаратуры и аппаратуры автоматики.
При высокой электровооруженности сельскохозяйственного производства особую значимость приобретают вопросы рациональной эксплуатации и ремонта электрооборудования. Эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве имеет свои особенности, связанные с условиями среды и режимами работы электрооборудования, сезонностью его использования, наличием однофазных токоприемников, качеством питающего напряжения от воздушных линий электропередач, разрозненностью токоприемников на значительные расстояния одного от другого и недостатком высококвалифицированных кадров эксплуатационного персонала. Только обеспечение эксплуатационной надежности электрооборудования позволит сохранить непрерывность технологических процессов сельскохозяйственного производства. Повышение уровня технической эксплуатации энергетического и электротехнического оборудования и установок в сельском хозяйстве предусмотрено постановлением «О мерах по дальнейшему развитию электрификации сельского хозяйства».
Повышение эксплуатационной надежности электрооборудования в сельском хозяйстве может быть обеспечено правильным выбором электрооборудования с учетом всех специфических условий производства, применением соответствующих электротехнических материалов при эксплуатации, ремонте и модернизации электрооборудования, приближением технологии ремонта электрооборудования к технологии его изготовления и соблюдением системы планово-предупредительного ремонта и обслуживания электрооборудования, используемого в сельском хозяйстве (ППРЭсх).
Эти почетные и очень важные для сельского хозяйства задачи выполняются электротехническими службами хозяйств, межхозяйственными объединениями «Сельхозэнерго», а также объединениями Госкомитета по производственно-техническому обеспечению сельского хозяйства (Госкомсельхозтехника).
Наука об эксплуатации электрооборудования в сельском хозяйстве находится еще в стадии становления. Ее совершенствование зависит от творчества ученых научно-исследовательских и учебных, институтов и работников производства, от разработки соответствующей учебной и производственной литературы, рекомендаций, норм и т. п., выпуск которых еще недостаточен. Настоящая книга предназначена частично восполнить этот пробел.
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИ МОНТАЖЕ, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Классификация электротехнических материалов
В настоящем разделе рассмотрены характерные особенности электротехнических материалов, наиболее распространенных при монтаже, эксплуатации и ремонте. Эти материалы в зависимости от их электрических свойств делятся на следующие группы,
Электроизоляционные материалы, или диэлектрики, отличающиеся очень малой удельной проводимостью и предназначенные для изолирования токоведущих частей.
Проводниковые материалы, отличающиеся в противоположность диэлектрикам большой удельной проводимостью и предназначенные для создания токоведущих частей электрических аппаратов и машин.
Магнитные материалы, обладающие большой магнитной проницаемостью и используемые для создания путей прохождения магнитного потока.
Полупроводниковые материалы, занимающие по удельной проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками; их проводимость зависит от направления прохождения тока, и в зависимости от этого они выполняют роль первых или вторых материалов.
Кроме того, следует выделить конструкционные материалы, обладающие достаточной механической прочностью и используемые для соединения отдельных деталей и узлов оборудования.
При эксплуатации оборудования применяются и другие специальные материалы, такие, как охлаждающие среды, смазочные средства, уплотняющие вещества и т.п. Качество материалов постоянно улучшается, в результате новых научных открытий советских и зарубежных ученых непрерывно появляются новые материалы, более совершенные. Электропромышленность обеспечивает повышение технико-экономических показателей выпускаемой продукции, а работники эксплуатации при проведении технического обслуживания и ремонта электрооборудования могут не только восстанавливать его работоспособность, но и заметно повышать эксплуатационную надежность и срок службы оборудования.
Электротехнические материалы по их физическому состоянию подразделяют на газообразные, жидкие и твердые. По происхождению материалы делятся на естественные (природные) и искусственные (синтетические).
Общие положения. Свойства электроизоляционных материалов
Диэлектрики составляют наиболее многочисленную группу электротехнических материалов как по своему разнообразию и свойствам, так и по применению.
Свойства электроизоляционных материалов зависят от многочисленных факторов; агрегатного состояния, структуры (кристаллические или аморфные), температуры, влажности, давления окружающей среды и ее химического состава, приложенного напряжения, его частоты, степени загрязнения материала и т. п. В зависимости от свойств диэлектриков существуют три группы характеристик: диэлектрические, механические, физико-химические. Требования, предъявляемые к той или другой группе характеристик диэлектрика, определяются областью его применения. Однако в большинстве случаев особое внимание уделяется диэлектрическим характеристикам, поскольку основное назначение диэлектрика — изолировать как можно лучше токоведущие части.
Рассмотрим характеристики электроизоляционных материалов в конкретных условиях, в том числе в специфических условиях сельскохозяйственного производства.
Явления в электроизоляционных материалах при воздействии электрического поля. Поляризация диэлектриков
В рабочем режиме электрооборудования электроизоляционные конструкции являются средой электрического поля. В простейшем виде диэлектрик между двумя токоведущими деталями представляет собой конденсатор.
Под воздействием электрического поля диэлектрик поляризуется — происходит смещение электрических зарядов в атомах, ионах и молекулах. Это смещение зарядов и, следовательно, появление соответствующего тока возникает в направлении поля и следует за каждым изменением приложенного напряжения. По природе электрических зарядов и структур молекул различают три основных вида поляризации: электронную, ионную и дипольную.
Электронная поляризация обусловлена смещением электронов, упруго связанных в атомах или ионах, в направлении, обратном направлению электрического поля. Электронная поляризация наблюдается у всех видов диэлектриков независимо от их физического состояния и структуры и происходит почти мгновенно в течение 10-15...10_13с. Эта поляризация, являясь вполне упругой, не сопровождается потерей энергии.
Ионная поляризация характерна для твердых тел с ионным строением и обусловливается смещением упруго связанных ионов. Величина поляризуемой частицы с повышением температуры возрастает в результате расширения тела, увеличения расстояния между частицами и ослабления упругих сил, действующих между ионами. Время установления ионной поляризации не превышает 10-13 с. В большинстве случаев ионная поляризация сопровождается весьма малым рассеянием энергии.
Дипольная поляризация отличается от электронной и ионной тем, что она связана с тепловым движением частиц. Во многих диэлектриках в различном агрегатном состоянии — и в газообразном, и в жидком, и в твердом —молекулы, если они имеют несимметричную структуру, обладают электрическим дипольным моментом при отсутствии внешнего электрического поля. У таких молекул центры положительных и отрицательных зарядов смещены друг относительно друга на некоторое расстояние. Дипольные, или, как их еще называют, полярные, молекулы поляризованы самопроизвольно, спонтанно, без воздействия электрического поля. Дипольные молекулы, находящиеся в хаотическом тепловом движении, частично ориентируются под воздействием поля, что и является причиной поляризации.
Дипольная поляризация возможна, если молекулярные силы не мешают диполям ориентироваться вдоль поля.
С увеличением температуры молекулярные силы ослабляются, что должно усиливать дипольную поляризацию, однако в это же время возрастает энергия теплового движения молекул, что уменьшает ориентирующее влияние поля. В связи с этим степень дипольной поляризации с увеличением температуры сначала возрастает, пока ослабление молекулярных сил сказывается сильнее, чём возрастание хаотического теплового движения. Затем, когда хаотическое движение становится интенсивнее, степень дипольной поляризации с ростом температуры начинает уменьшаться.
Поворот диполей в направлении поля требует определенного времени даже при газообразном состоянии вещества. В вязких жидкостях и твердых телах сопротивление поворотам молекул настолько велико, что при быстро переменных полях диполи не успевают ориентироваться и дипольная поляризация уменьшается с увеличением частоты приложенного напряжения. Кроме того, время дипольной поляризации определяется размером молекулы, оно тем больше, чем крупнее молекула.
Дипольная поляризация сопровождается рассеиванием энергии. В диэлектрике, находящемся в переменном электрическом поле промышленной частоты, электронная и ионная поляризация за полупериод тока успевает устанавливаться, а дипольная поляризация может не установиться. Для того чтобы она установилась, необходимо, чтобы время полупериода переменного тока было больше времени, за которое происходит поворот дипольных молекул. Таким образом, от частоты переменного тока и температуры диэлектрика зависит только дипольная поляризация. Выше были рассмотрены три основных вида поляризации, характерных для диэлектриков простой структуры. В веществах более сложного строения обнаруживается еще один вид поляризации — структурная. Структурная поляризация наблюдается только в твердых дипольных телах (аморфных и кристаллических) и в ионных веществах с аморфной структурой (неорганические стекла). Теория структурной поляризации основывается на неоднородном строении частиц и подчиняется тем же законам, что и теория дипольной поляризации.
Близка по существу протекающих явлений к структурной поляризации ионно-релаксационная поляризация. Она заключается в образовании пространственных поляризационных зарядов внутри диэлектрика за счет переброса электрическим полем неупруго связанных ионов, имеющих с соседними частицами данного тела ослабленные связи. В кристаллических телах эти явления могут происходить за счет различных примесей или нарушений закономерностей роста кристалла при его образовании.. Под действием поля образуются пространственные заряды: положительные в зоне отрицательного заряда, отрицательные в зоне положительного. Изменение зарядов во времени обусловливает появление добавочного тока ионно-релаксационной поляризации. Неупругий характер перемещения ионов при ионно-релаксационной поляризации связан с необратимым поглощением энергии вследствие образования добавочных зарядов за счет переброса ионов, частиц со сравнительно большой массой, на довольно большие расстояния. Время установления ионно-релаксационной поляризации больше времени установления поляризации ионного смещения и различно для разных диэлектриков.
Ионно-релаксационная поляризация так же, как и ионная, зависит от температуры. Добавочная поляризация может наблюдаться в сложных диэлектриках. Например, в слоистой изоляции происходит междуслойная поляризация, которая проявляется в случае, если диэлектрики слоев имеют различные значения электрических характеристик.
Помимо названных выше, у сегнетодиэлектриков наблюдается спонтанная (самопроизвольная) поляризация. В отличие от полярных диэлектриков, у которых самопроизвольно поляризованы молекулы, сегнетодиэлектрики имеют самопроизвольно поляризованные области (домены), элементарные ячейки кристаллической решетки. Под влиянием приложенного напряжения происходит однообразная ориентация дипольных моментов доменов (целых областей)— спонтанная поляризация, которая приводит к созданию очень большого суммарного электрического момента и большому поляризационному заряду, а следовательно, большому емкостному току. Сегнетодиэлектрическими свойствами обладают некоторые неорганические кристаллы. Подробные характеристики некоторых сегнетодиэлектриков будут рассмотрены ниже.
При длительном воздействии сильного постоянного поля при соответствующих условиях у органических воскообразных сильно полярных диэлектриков, а также неполярных органических и даже неорганических, в частности керамических, диэлектриков происходит электретная поляризация. Диэлектрик приобретает электретное состояние — переходит в электрет, который способен очень длительно сохранять поляризованное состояние, иногда в течение нескольких лет, создавая в окружающем его пространстве электрическое поле.
Всякая поляризация, связанная с образованием зарядов, создает некоторую противо-э. д. с. поляризации. В большинстве случаев эта противо-э. д. с. поляризации невелика. Однако в ряде случаев происходит образование сильно сосредоточенных пространственных зарядов, вызывающих появление весьма больших разностей поляризационных потенциалов, направленных противоположно потенциалам, приложенным к электродам. Эта разновидность поляризации получила название высоковольтной. Она была достаточно подробно изучена А. Ф. Иоффе, который показал, что высоковольтная поляризация устанавливается довольно медленно, иногда часами, что она практически не наблюдается при частотах, выше звуковых, и при достаточно высоких температурах.
Поляризационные явления, происходящие в диэлектриках под воздействием электрического поля, оцениваются диэлектрическими характеристиками материалов, к которым относятся: а) диэлектрическая проницаемость; б) сопротивление изоляции; в) диэлектрические потери; г) электрическая прочность.
Диэлектрическая проницаемость
Она характеризует количественно процесс поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость е выражается отношением емкостей двух конденсаторов равных размеров:
где С — емкость конденсатора, диэлектриком которого является изоляция с искомой диэлектрической проницаемостью; С0 — емкость конденсатора, у которого в качестве диэлектрика использован вакуум.
Поляризация газообразных веществ вследствие больших расстояний между молекулами незначительна, и диэлектрическая проницаемость близка к единице. Диэлектрическая проницаемость газа пропорциональна давлению и обратно пропорциональна абсолютной температуре, так как она определяется изменением числа молекул в единице объема. Однако эта зависимость слабо выражена.
Жидкие диэлектрики могут быть построены из нейтральных (неполярных) молекул, обладающих только электронной поляризацией, а также из дипольных (полярных) молекул, поляризация которых определяется одновременно электронной и дипольной составляющими.
Рис. 1. Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры.
Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости от частоты.
Жидкости обладают тем большей диэлектрической проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема. Диэлектрическая проницаемость нейтральных жидкостей обычно не превышает 2,5. Сильнополярные жидкости, характеризующиеся очень высоким значением диэлектрической проницаемости, например вода, этиловый спирт, не находят практического применения в качестве диэлектрика вследствие их высокой электропроводности. Диэлектрическая проницаемость нейтральной жидкости обратно пропорциональна температуре, так как с ростом последней уменьшается число молекул в единице объема.
Зависимость диэлектрической проницаемости дипольных жидкостей от температуры носит более сложный характер.
При низких температурах диэлектрическая проницаемость носит только электронный характер, диполи еще не могут повертываться. С повышением температуры вязкость жидкости уменьшается и диполи начинают ориентироваться в электрическом поле, что ведет к резкому увеличению диэлектрической проницаемости. При дальнейшем увеличении температуры возросшая кинетическая энергия хаотического движения диполей мешает их ориентации, и поэтому диэлектрическая проницаемость начинает постепенно уменьшаться (рис. 1).
Диэлектрическая проницаемость дипольной жидкости зависит от частоты тока. При малых частотах диполи успевают следовать за изменением поля и значение диэлектрической проницаемости при этом близко к значению проницаемости, определяемому при постоянном токе. При увеличении частоты молекулы не успевают следовать за изменением поля, и диэлектрическая проницаемость начинает уменьшаться. При большой частоте ее значение приближается к значению, обусловленному только электронной поляризацией (рис. 2).
Диэлектрическая проницаемость полярных жидкостей повышена по сравнению с нейтральными жидкостями. Например, для совтола ее значение равно 3,2, для касторового масла — 4,5.
Диэлектрическая проницаемость твердых тел может принимать самые различные значения в соответствии с разнообразием структурных особенностей твердых диэлектриков. Наименьшее значение диэлектрической проницаемости имеют твердые диэлектрики, построенные из нейтральных молекул и обладающие только электронной поляризацией. К такому виду относится парафин, имеющий диэлектрическую проницаемость 1,9...2,2. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости нейтральных твердых диэлектриков подобна зависимости нейтральных жидкостей. В твердых диэлектриках, представляющих собой ионные кристаллы с плотной упаковкой частиц и обладающих электронной и ионной поляризациями, значение диэлектрической проницаемости меняется в очень широких пределах. С увеличением температуры таких диэлектриков их диэлектрическая проницаемость возрастает почти линейно за счет возрастания поляризуемости ионов, несмотря на уменьшение плотности вещества.
Твердые дипольные диэлектрики аморфной и кристаллической структуры и ионные аморфные диэлектрики, в том числе полярные полимеры (бакелит, шеллак, плексиглас, эбонит, поливинилхлорид и др.), целлюлоза и продукты ее переработки (галовакс, неорганические стекла), характеризуются наличием электронной, ионной и структурной поляризаций и делятся на две подгруппы: 1) ионные аморфные диэлектрики (неорганические стекла), структурная поляризация которых состоит в перебросе тепловым движением внутри замкнутой ячейки ионов, направляемых электрическим полем; диэлектрическая проницаемость стекол находится в пределах от 4 до 20; 2) дипольные аморфные и кристаллические твердые тела, в которых в твердом состоянии обнаруживается дипольная поляризация, аналогичная поляризации дипольных жидкостей, но с совершенно иными значениями времени релаксации. Диэлектрическая проницаемость материалов второй подгруппы в большой степени зависит от температуры и от частоты приложенного напряжения, подчиняясь тем же закономерностям, какие наблюдаются у дипольных диэлектриков.
От значения диэлектрической проницаемости зависит емкость материала. Поэтому, например, сверхвысокая диэлектрическая проницаемость керамического сегнетодиэлектрика используется в малогабаритных конденсаторах. Интересно отметить, что диэлектрическая проницаемость сегнетодиэлектриков имеет резко выраженную зависимость не только от температуры, но и от напряженности поля, при этом отмечено явление диэлектрического гистерезиса сегнетодиэлектриков.
