Características de los materiales aislantes eléctricos.
Los materiales aislantes eléctricos son materiales con los que se aíslan los cables. Tienen: alta resistencia, rigidez eléctrica: la capacidad del material para resistir la ruptura a través de su voltaje eléctrico y pérdidas eléctricas, caracterizada por la tangente del ángulo de pérdida, resistencia al calor, caracterizada por la temperatura máxima permisible para un dieléctrico dado durante su uso a largo plazo en equipos eléctricos.
Materiales aislantes eléctricos: los dieléctricos pueden ser sólidos, líquidos y gaseosos.
El propósito de los materiales de aislamiento eléctrico en electricidad es crear entre partes que tienen diferentes potenciales eléctricos, un entorno tal que impida el paso de corriente entre esas partes.
Distinguir las características eléctricas, mecánicas, físico-químicas y térmicas de los dieléctricos.
Características eléctricas de los dieléctricos.
Resistencia a granel: la resistencia de un dieléctrico cuando pasa una corriente continua a través de él. Para un dieléctrico plano es igual a:
Rv = ρv (d/S), ohm
donde ρv — la resistencia volumétrica específica del dieléctrico, que es la resistencia de un cubo con una arista de 1 cm, cuando una corriente continua pasa a través de dos lados opuestos del dieléctrico, Ohm-cm, S es el área de la sección transversal de el dieléctrico a través del cual pasa la corriente (área de los electrodos ), cm2, e — espesor del dieléctrico (distancia entre los electrodos), ver
Resistencia superficial dieléctrica
Resistencia superficial: la resistencia de un dieléctrico cuando una corriente pasa a través de su superficie. Esta resistencia es:
Rs = ρs (l/S), ohmios
donde ps — resistencia superficial específica de un dieléctrico, que es la resistencia de un cuadrado (de cualquier tamaño) cuando una corriente continua pasa de un lado al opuesto, Ohm, l- longitud de la superficie dieléctrica (en la dirección del flujo de corriente ), cm, C — el ancho de la superficie dieléctrica (en la dirección perpendicular al flujo de corriente), ver
La constante dieléctrica.
Como saben, la capacidad de un capacitor, un dieléctrico cerrado entre dos placas metálicas (electrodos) paralelas y opuestas es:
C = (ε S) / (4π l), cm,
donde ε — la constante dieléctrica relativa del material, igual a la relación entre la capacidad de un capacitor con un dieléctrico dado y la capacidad de un capacitor con las mismas dimensiones geométricas, pero cuyo dieléctrico es el aire (o más bien el vacío); C — área del electrodo del capacitor, cm2, l — espesor del dieléctrico cerrado entre los electrodos, ver
Ángulo de pérdida dieléctrica
La pérdida de potencia en un dieléctrico cuando se le aplica corriente alterna es:
Pa = U NS Ia, W
donde U es el voltaje aplicado, Ia es el componente activo de la corriente que pasa por el dieléctrico, A.
Como se sabe: Ia = AzR / tgφ = AzRNS tgδ, A, Azr = U2πfC
donde Azp es el componente reactivo de la corriente que pasa por el dieléctrico, A, C es la capacitancia del capacitor, cm, f es la frecuencia de la corriente, Hz, φ — el ángulo en el que el vector de corriente que pasa por el dieléctrico es por delante del vector de voltaje aplicado a este dieléctrico, grados, δ — ángulo complementario a φ a 90 ° (ángulo de pérdida dieléctrica, grados).
De esta forma, se determina la cantidad de potencia perdida:
Pa = U22πfCtgδ, W
De gran importancia práctica es la cuestión de la dependencia de tgδ de la magnitud del voltaje aplicado (curva de ionización).
Con aislamiento homogéneo, sin delaminación ni agrietamiento, tgδ es casi independiente de la magnitud del voltaje aplicado; en presencia de deslaminación y agrietamiento, con el aumento del voltaje aplicado, tgδ aumenta bruscamente debido a la ionización de los vacíos contenidos en el aislamiento.
La medición periódica de las pérdidas dieléctricas (tgδ) y su comparación con los resultados de mediciones anteriores caracterizan el estado del aislamiento, el grado e intensidad de su envejecimiento.
Resistencia dieléctrica
En las instalaciones eléctricas, los dieléctricos que forman el aislamiento de la bobina deben resistir la acción del campo eléctrico. La intensidad (voltaje) del tul aumenta a medida que aumenta el voltaje que crea este campo, y cuando la intensidad del campo alcanza un valor crítico, el dieléctrico pierde sus propiedades de aislamiento eléctrico, el llamado ruptura dieléctrica.
El voltaje al que ocurre la ruptura se denomina voltaje de ruptura y la intensidad de campo correspondiente es la rigidez dieléctrica.
El valor numérico de la rigidez dieléctrica es igual a la relación entre el voltaje de ruptura y el espesor del dieléctrico en el punto de ruptura:
Epr = UNHC/l, kV/mm,
donde Upr — tensión de ruptura, kV, l — espesor del aislamiento en el punto de ruptura, mm.
Materiales de aislamiento eléctrico
Características físico-químicas de los dieléctricos
Además de las eléctricas, se distinguen las siguientes características fisicoquímicas de los dieléctricos.
Índice de acidez: especifica la cantidad (mg) de hidróxido de potasio (KOH) necesaria para neutralizar los ácidos libres contenidos en el dieléctrico líquido y degradar sus propiedades de aislamiento eléctrico.
Viscosidad: determina el grado de fluidez del dieléctrico líquido, que determina la capacidad de penetración de los barnices al impregnar los cables de bobinado, así como la convección del aceite en los transformadores, etc.
Distinguen la viscosidad cinemática, medida por viscosímetros capilares (tubos de vidrio en forma de U), y la llamada viscosidad condicional, determinada por la velocidad del flujo de fluido desde un orificio calibrado en un embudo especial. La unidad de viscosidad cinemática es Stokes (st).
Viscosidad condicional medida en grados Engler.
Resistencia térmica: la capacidad de un material para realizar sus funciones cuando se expone a una temperatura de funcionamiento durante un tiempo comparable al período estimado de funcionamiento normal de los equipos eléctricos.
Bajo la influencia del calentamiento, se produce un envejecimiento térmico de los materiales de aislamiento eléctrico, como resultado de lo cual el aislamiento deja de cumplir los requisitos que se le imponen.
Clases de resistencia al calor de materiales aislantes eléctricos (GOST 8865-70).La letra indica la clase de resistencia al calor y los números entre paréntesis - temperatura, ° C
Y (90) Materiales fibrosos de celulosa, algodón y seda natural, sin impregnar ni sumergir en material aislante eléctrico líquido A (105) Materiales fibrosos de celulosa, algodón o seda natural, viscosa y sintética, impregnados o sumergidos en material aislante eléctrico líquido D (120) Materiales sintéticos (películas, fibras, resinas, compuestos) B (130) Materiales de mica, amianto y fibra de vidrio utilizados con aglutinantes e impregnantes orgánicos F (155) Materiales de mica, amianto y fibra de vidrio combinados con sustancias aglutinantes e impregnantes sintéticos H (180 ) Materiales a base de mica, amianto y fibra de vidrio en combinación con aglutinantes de silicio y compuestos de impregnación C (más de 180) Mica, materiales cerámicos, vidrio, cuarzo o combinaciones de los mismos sin aglutinantes o con sustancias aglutinantes inorgánicas
Punto de ablandamiento en el que los dieléctricos sólidos que tienen un estado amorfo en estado frío (resinas, betún) comienzan a ablandarse. El punto de reblandecimiento se determina cuando el aislamiento calentado se extrae de un anillo o tubo con una bola de acero o mercurio.
Punto de gota en el que la primera gota se separa y cae del vaso de precipitados (con una abertura de 3 mm de diámetro en la parte inferior) en el que se calienta el material de prueba.
Punto de inflamación del vapor en el que se enciende una mezcla de vapor de líquido aislante y aire por la llama del quemador presentado. Cuanto menor sea el punto de inflamación del líquido, mayor será su volatilidad.
Resistencia a la humedad, resistencia química, resistencia a las heladas y resistencia tropical dieléctrica -Estabilidad de las características eléctricas y físico-químicas de los materiales aislantes eléctricos cuando se exponen a la humedad, ácidos o bases a bajas temperaturas en el rango de -45° a -60°C, según así como el clima tropical, caracterizado por la temperatura del aire alta y bruscamente cambiante durante el día, su alta humedad y contaminación, presencia de moho, insectos y roedores.
Resistencia a los dieléctricos de arco y corona — resistencia de los materiales aislantes eléctricos a los efectos del ozono y nitrógeno liberados durante la descarga silenciosa — corona, así como resistencia a la acción de chispas eléctricas y arco estable.
Propiedades termoplásticas y termoendurecibles de los dieléctricos.
Los materiales aislantes eléctricos termoplásticos son aquellos que inicialmente son sólidos cuando están fríos, se ablandan cuando se calientan y se disuelven en solventes adecuados. Después de enfriar, estos materiales solidifican nuevamente. Con el calentamiento repetido, permanece su capacidad para ablandarse y disolverse en solventes. Por lo tanto, calentar dichos materiales no provoca ningún cambio en su estructura molecular.
En contraste con ellos, los llamados materiales termoestables después del tratamiento térmico en un modo apropiado, se endurecen (hornean). Tras el calentamiento repetido, no se ablandan ni se disuelven en disolventes, lo que indica cambios irreversibles en su estructura molecular que ocurrieron durante el calentamiento.
Las características mecánicas de los materiales aislantes son: máxima resistencia a la tracción, compresión, flexión estática y dinámica, así como rigidez.