Учебно-методическое пособие "Соединение проводников методом пайки"

1
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ
«Соединение проводников методом пайки»
подготовил
преподаватель электротехнического цикла
Коколин Юрий Геннадьевич
г. Мирный
2024
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Глава 1. Общие сведения об электрических материалах 5
1.1 Общие сведения о строении материалов 5
1.2 Классификация материалов, используемых в 6
электротехнике
Глава 2. Металлы и сплавы, используемые в электроэнергетике 8
2.1 Общие свойства металлов и их сплавов 8
2.2 Медь и её сплавы 9
2.3 Алюминий и его сплавы 12
2.4 Железо и его сплавы 13
2.5 Благородные металлы 14
Глава 3. Электроизоляционные материалы, используемые 16
в электроэнергетике
3.1 Общие свойства электроизоляционных материалов 16
3.2 Электрические свойства диэлектриков 17
3.3 Механические свойства диэлектриков 18
Глава 4. Контактные соединения пайкой 21
4.1 Пайка мягкими припоями 21
4.2 Рекомендации по организации и методике проведения 25
занятий
Заключение 30
Список использованных источников и литературы 31
3
ВВЕДЕНИЕ
Выработка, передача, распределение, преобразование и использование
электрической энергии осуществляется с помощью самого разнообразного
электротехнического оборудования. Его совершенствование происходит
непрерывно за счёт применения новых конструктивных решений, новых
материалов, элементов и технологий изготовления.
Одно из наиболее значимых направлений такого технического
прогресса связано широким применением полупроводниковых элементов и
устройств, новых перспективных электротехнических материалов. Это
позволяет расширить функциональные возможности и области применения
электрооборудования, повысить технико-экономические характеристики,
надёжность работы и удобство в эксплуатации, как самого
электрооборудования, так и обслуживаемых ими технологических агрегатов,
рабочих машин и механизмов. Одновременно с этим возрастает и уровень
требований к квалификации персонала, который занимается монтажом,
наладкой, эксплуатацией, ремонтом и модернизацией электрооборудования.
Персонал должен иметь и знать не только свойства используемых
электроматериалов, но и иметь соответствующую техническую подготовку,
так как без этого невозможно понять практические вопросы современного
производства.
Электроматериалы обладают разнообразными свойствами, благодаря
которым их применяют в электроэнергетике. От этих свойств зависят такие
процессы, протекающие в элементах электроприборов, как передача,
генерация, выпрямление и модуляция электрического тока, преобразование
электрических сигналов в звуковые или световые и т.д. В зависимости от
свойств электроматериалов изготавливают такие разные по
функциональному назначению, конструктивному исполнению и размерам
изделия, как провода, волноводы, трансформаторы, магниты, электронные
лампы, лазеры, приёмники света, интегральные схемы и т. д. Для
правильного выбора и эффективного использования этих материалов
необходимо знание не только их свойств, но и причин их разнообразия,
которые связаны со строением вещества.
Техническое значение материалов зависит от их строения. Строение
материалов характеризуется их структурой. Особенности материалов
выражаются в их свойствах. Связь между структурой и свойствами
материалов является основной целью данного методического пособия. В
данной работе приводятся основные свойства и области применения ряда
распространённых электротехнических материалов.
При эксплуатации электрооборудования возникает необходимость
проведения ремонтных работ по соединению и оконцеванию медных и
алюминиевых жил проводов, восстановления электрических схем
монтажных плат и других элементов оборудования.
Соединение и оконцовка медных алюминиевых жил изолированных
проводов производится несколькими способами: опрессовкой, сваркой,
пайкой и механическим сжимом. Наиболее широкое применение получила
пайка как наиболее дешёвая и простая. Данное методическое пособие
4
предназначено для подготовки электромонтёров силовых и осветительных
агрегатов. В методическом пособии рассмотрены вопросы строения и
свойств электротехнических материалов, а также порядок проведения работ
по соединению проводов методом пайки. Кроме этого, в методическом
пособии на основе обобщения передового педагогического опыта
рассмотрены вопросы организации и методики занятий при обучении
основным приёмам лужения и пайки жил проводов на начальном этапе.
5
ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАТЕРИАЛАХ.
1.1 Общие сведения о строении материалов.
Все вещества состоят из атомов. Атом - наименьшая частица
химического элемента, обладающая его свойствами. Атом представляет
собой систему, состоящую из положительно заряженного ядра, вокруг
которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Электроны
притягиваются к ядру и отталкиваются друг от друга. Внешние электроны
могут отрываться от одного атома и присоединяться к другому атому,
изменяя число его внешних электронов. Такие электроны называются
валентными. Атом потерявший один или несколько электронов, становится
положительно заряженным. Атом, который присоединил к себе свободные
электроны, становится отрицательно заряженным.
Из атомов строятся молекулы. Молекула является наименьшей
частицей вещества, которая сохраняет его химические свойства. В состав
молекул входят от двух до многих сотен и тысяч атомов. Молекулы имеют
размеры порядка 10
-1
-10
6
нм и находятся в непрерывном движении.
Способность атомов вступать в соединения с атомами других веществ
и образовывать молекулы определяет химические свойства вещества.
Химические связи между атомами вещества подразделяются на
ковалентные, ионные, металлические и молекулярные.
Ковалентные связи возникают между атомами за счёт образования
устойчивых пар валентных электронов разных атомов. Вещества с
ковалентными связями обычно характеризуются твёрдостью, хрупкостью,
тугоплавкостью и химической инертностью. К ним относятся кристаллы
германия, кремния, алмаза.
Ионные связи обусловлены силами электростатического притяжения
между положительными и отрицательными ионами. Соединения с ионной
связью обладают разными свойствами, которые характерны для типичных
металлов и неметаллов, неорганических диэлектриков. Ионные связи менее
прочны, чем ковалентные, поэтому соединения, образованные ионной
связью, уступают веществам с ковалентной связью по механической
прочности и химической стойкости.
Металлические связи образуются в металлах и обусловлены
особенностями поведения внешних электронов. Атомы металлов обладают
способностью отдавать внешние электроны, превращаясь в положительный
ион, или присоединять их вновь, превращаясь снова в нейтральный атом. В
результате металл представляет собой систему, состоящую из
положительных ионов, которые находятся в среде коллективизированных
электронов. В этой системе одновременно имеют место притяжение между
ионами и свободными электронами и ковалентная связь между
нейтральными молекулами. Наличие этих связей определяет монолитность и
прочность металлов. Благодаря наличию свободных электронов металлы
обладают высокой электро- и теплопроводностью.
Все существующие в природе материалы подразделяются на аморфные
6
и кристаллические. По структуре кристаллические материалы бывают
монокристаллическими и поликристаллическими.
Монокристаллические материалы - это однородные анизотропные
тела, у которых атомы расположены по всему объёму в правильном порядке.
При этом сами атомы состоят из периодически повторяющихся одинаковых
кристаллических ячеек.
Поликристаллические материалы состоят из большого числа
сросшихся между собой мелких кристаллических зёрен, которые хаотически
ориентированы в разных направлениях. В отличии от кристаллических
аморфные материалы не имеют строго определённой температуры перехода
из твёрдого состояния в жидкое.
Аморфные материалы подразделяются на простые аморфные
материалы (низкомолекулярные жидкости, неорганические стёкла,
плавленый кварц), и высокополимерные соединения, к которым относятся
каучуки, резины, органические стёкла, смолы. В настоящее время находят
широкое применение нанокристаллические материалы - это материалы с
размерами кристаллов менее 100 нм. По свойствам они существенно
отличаются от обычных материалов с мелкозернистой структурой такого же
химического состава.
1.2 Классификация материалов, используемых в электротехнике.
По назначению материалы, используемые в различных областях
электротехники, условно подразделяют на:
- конструкционные;
- электротехнические;
- триботехнические;
- инструментальные;
- рабочие тела;
- технологические.
Конструкционные материалы применяют для изготовления деталей
приборов, инженерных конструкций, работающих в условиях воздействия
механических нагрузок. Они характеризуются конструктивной прочностью,
надёжностью, износостойкостью, долговечностью.
Электротехнические материалы характеризуются особыми
электрическими и магнитными свойствами и предназначены для
изготовления изделий, применяемых для производства, передачи,
преобразования и потребления электроэнергии. К электротехническим
материалам относятся проводники, полупроводники, диэлектрики в твёрдой
и газообразной фазах, магнитные материалы.
Триботехнические используются в узлах трения. Основными
триботехническими материалами являются смазочные, антифрикционные и
фрикционные материалы.
Инструментальные материалы отличаются высокой твёрдостью,
прочностью и износостойкостью. Их используют для изготовления
мерительного, режущего, слесарно-монтажного и другого инструмента. К
7
инструментальным материалам относятся твёрдые сплавы,
инструментальная сталь, алмаз, некоторые виды керамических и
композиционных материалов.
Рабочие тела – жидкие и газообразные материалы, с помощью которых
энергию преобразуют в механическую работу, холод, теплоту.
Технологические материалы представляют собой большую группу
вспомогательных материалов, которые используют для обеспечения
выполнения технологических процессов и нормальной работы
оборудования.
8
ГЛАВА 2. МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ.
2.1 Общие свойства металлов и их сплавов.
Все электротехнические, радиотехнические, электронные материалы
можно разделить по их поведению в электромагнитном поле на основные
четыре группы:
1. Диэлектрики.
2. Полупроводники.
3. Проводники.
4. Магнитные материалы.
Каждая группа материалов имеет свои основные электрические,
магнитные, тепловые, механические и другие характеристики.
Металлы и их сплавы относятся к группе проводников. Проводники -
это материалы, служащие проводниками электрического тока. Их удельное
сопротивление мало и составляет от 10
-8
до 10
-4
Ом*м.
Металлы обладают металлическим типом химической связи, при
которой валентные электроны атомов обобществлены и образуют так
называемый «свободный» электронный газ. Атомы, расположенные в узлах
кристаллической решетки, являются положительно заряженными ионами,
так как они отдали свои электроны. В такой системе имеет место большое
количество свободных носителей заряда - электронов. Формула
электропроводимости проводников:
Y=qNu
N - Концентрация свободных носителей заряда, м
-3
;
u - Подвижность носителей заряда, м
2
\В*с;
q - Величина заряда носителя, Кл.
При большом количестве электронов их число практически не зависит
от содержания примесей или от температуры. Но на подвижность примеси
оказывают большое влияние. Создавая своим присутствием дополнительные
препятствия направленному движению электронов в электрическом поле.
Повышение температуры также уменьшает электропроводность. Так как
уменьшается подвижность электронов в результате тепловых колебаний
кристаллической решетки и увеличения хаотического движения электронов.
Механическая обработка металлов вызывает искажение
кристаллической решетки и приводит к увеличению удельного
сопротивления.
Многие металлы и сплавы ниже определённой температуры (для
каждого материала температура своя) переходят в сверхпроводящее
состояние, т.е. их сопротивление постоянному току становится равным
нулю. Если металл переходит в это состояние скачком - это сверхпроводник
1-го рода, если плавно - сверхпроводник 2-го рода. Температура перехода в
сверхпроводящее состояние называется критической, выше этой
температуры сверхпроводник переходит в обычное состояние.
Сверхпроводимость можно объяснить тем, что в металле при
определённых условиях образуются пары электронов, имеющие
9
противоположные импульсы и спины. Такая пара взаимодействует с
кристаллической решеткой - один электрон, отдавая ей свой импульс,
переводит её в возбуждённое состояние, второй электрон этой пары забирает
переданный решетке импульс и тем самым переводит её в нормальное
состояние. В результате состояние решетки не изменяется, а между
электронами, обменявшимися фотонами возникает сила взаимного
притяжения. Таких электронных пар в металле великое множество, но все
они движутся, согласовано, электронные волны их имеют, одинаковые
длинны и фазы.
Отсутствие сопротивления в сверхпроводнике объясняется тем, что
движение всех электронных пар в металле можно описать как
распространение одной электронной волны, которая не рассеивается
кристаллической решеткой потому, что сама решетка участвует в
образовании этой волны, т.е. собственные колебания решетки согласованы с
электронной волной, имеют те же длины волн и фазы.
Ток, возбуждаемый за счет внешнего источника в сверхпроводящие
цепи, может сохраняться очень длительное время, если в ней поддерживать
определённые условия. Кроме нулевого сопротивления сверхпроводники
обладают свойствами идеальных диамагнетиков, магнитные силовые линии
в них не проникают, выталкиваются.
Не все чистые металлы и сплавы переходят в сверхпроводящее
состояние. Такие хорошие проводники при нормальных условиях как медь и
серебро не переходят в сверхпроводящее состояние даже при температурах
близких к абсолютному нулю.
В таблице 1 приведены некоторые проводниковые материалы,
способные становиться сверхпроводниками при низких температурах.
Таблица 1. Сверхпроводниковые материалы.
МАТЕРИАЛ
КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА, К
0
Цинк
0,88
Алюминий
1,2
Кадмий
0,56
Ртуть
4,15
Свинец
7,2
Ниобат олова
18,1
Применение сверхпроводников в мощных магнитах,
трансформаторах, генераторах, линиях передач сводит к нулю потери в
проводниках и позволяет значительно повышать плотность тока и
напряженность магнитного поля.
2.2 Медь и её сплавы.
10
Медь является одним из самых распространенных материалов высокой
проводимости. Она обладает малым удельным электрическим
сопротивлением, высокой механической прочностью, удовлетворительной
коррозионной стойкостью, хорошей паяемостью и свариваемостью, хорошей
обрабатываемостью.
Таблица 2. Свойства медной проволоки.
Медь марки МТ (твёрдотянутая) получают методом холодной
протяжки. Она обладает высоким пределом прочности при растяжении,
твёрдостью и упругостью. Твёрдую медь применяют в тех случаях, когда
необходимо обеспечить высокую механическую прочность, твёрдость и
сопротивляемость истиранию (для контактных проводов, шин РУ,
коллекторных пластин электрических машин, экранов токопроводящих жил
кабелей и проводов).
Медь марки ММ (мягкая) получают путём отжига до нескольких
сотен градусов с последующим охлаждением. Эта медь имеет проводимость
на 35 процентов выше, чем у твёрдой меди. Мягкая медь широко
применяется для изготовления фольги и токопроводящих жил кабелей,
обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность.
Бронзы это сплавы меди с примесями олова, алюминия, кремния,
бериллия и других элементов, среди которых цинк не является основным
легирующим элементом.
При правильно подобранном составе бронзы имеют значительно более
высокие механические свойства, чем чистая медь.
Бронзы обладают малой объёмной усадкой по сравнению с чугуном и
сталью, у которых усадка достигает 1,5-2,5 %, поэтому наиболее сложные
детали отливают из бронзы. Маркируют бронзы буквами Бр, после которых
ставят буквы, обозначающие вид и количество легирующих добавок.
Например: Бр.В2 - бериллиевая бронза, состоящая из двух процентов
бериллия и 98% меди; Бр.ОФ6,5-0,15 - фосфористая бронза, состоящая из
6,5% олова, 0,15% фосфора, остальное медь.
п\п
1
Основные свойства
Единицы
измерения
Марка медной проволоки
1
Марка
МТ
2
Плотность
кг/м
3
8,96*10
3
3
Удельное электрическое
сопротивление
мкОм*м
0,0179
4
Предел прочности при
растяжении
МПа
360 - 390
5
Относительное
удлинение при разрыве
%
0,5 - 2,5
11
Таблица 3. Свойства бронзы.
Параметры
Кадмиевая
бронза
Бериллиевая
бронза
Фосфористая
бронза
Состав бронзы
Медь — 99,1%
Кадмий - 0,9%
Медь — 98%
Бериллий - 2%
Медь - 93,35%
Олово - 6,5%
Фосфор-0,15%
Удельная
электропроводность
по отношению к
электротехническому
стандарту, %
95
37
15
Предел прочности
при растяжении, МПа
310
700
400
Относительное
удлинение при
разрыве, %
50
20
50
Латуни - представляют собой медные сплавы, в которых основным
легирующим элементом является цинк (до 43%). Латуни прочнее,
пластичнее меди, обладают достаточно высоким относительным удлинением
при повышенном пределе прочности на растяжение по сравнению с чистой
медью. Они имеют пониженную стоимость, так как цинк значительно
дешевле меди. Для повышения коррозионной стойкости в состав сплава
вводят в небольшом количестве алюминий, никель, марганец.
Таблица 4. Основные свойства латуней.
п/п
Основные параметры
Л68
Л59-1
1
Состав сплава
медь - 68%,
цинк - 32%
медь - 59%,
свинец - l%,
цинк - 40%
2
Удельная электропроводность по
отношению к электротехническому
стандарту, %
46
30
3
Предел прочности при растяжении,
МПа
380
350
4
Относительное удлинение при
разрыве, %
65
25
12
Латуни хорошо штампуются и легко подвергаются глубокой вытяжке,
их применяют для изготовления контактов термобиметаллического реле,
пластин воздушных конденсаторов переменного тока, колпачков
радиотехнических ламп.
2.3 Алюминий и его сплавы.
Алюминий относится к так называемым лёгким металлам. Удельное
сопротивление алюминия в 1,63 раза больше, чем у меди, поэтому замена
меди алюминием не всегда возможна, особенно в радиотехнике. Алюминий
приблизительно в 3,5 раза легче меди. Алюминий на воздухе активно
окисляется и покрывается тонкой оксидной плёнкой с большим
электрическим сопротивлением, которая предохраняет алюминий от
дальнейшей коррозии, но создаёт большое переходное сопротивление в
местах контакта алюминиевых проводов. Алюминий менее дефицитен, чем
медь.
Существенным недостатком алюминия как проводникового материала
является низкая механическая прочность, для повышения которой алюминий
подвергается механической обработке. Примеси значительно снижают
проводимость алюминия.
Таблица 5. Свойства алюминиевой проволоки.
АТ - проволока алюминиевая твёрдая.
АМ - проволока алюминиевая мягкая.
Альдрей - алюминиевый сплав, состоящий из 0,3% меди, 0,4%
кремния, 0,2% железа, остальное - алюминий. Альдрей обладает
повышенной механической прочностью два раза прочнее алюминия),
более высоким пределом вибрационной прочности по сравнению с чистым
алюминием, близок к алюминию по электрическому сопротивлению =
0,0317 мкОм*м). Альдрей применяется для изготовления проводов
малонагруженных линий электропередачи.
Магналий - это сплав алюминия с магнием, отличается низкой
плотностью. Применяется для изготовления стрелок различных
электроизмерительных приборов.
п/п
Основные свойства
Единицы
измерения
Марка алюминиевой
проволоки
1
Марка
АТ
АМ
2
Плотность
кг/м
3
2600
600 - 2700
3
Удельное электрическое
сопротивление
мкОм*м
0,0295
0,0290
4
Предел прочности при
растяжении
МПа
160 - 170
80
5
Относительное
удлинение при разрыве
%
1,5 - 2
10 - 18
13
Силумин относится к группе литейных сплавов с повышенным
содержанием кремния, меди, марганца. Он обладает хорошей
жидкотекучестью, малой усадкой, большой плотностью и повышенной
прочностью по сравнению с алюминием и широко применяется для
изготовления корпусов воздушных конденсаторов.
Дюраль принадлежит к деформируемым сплавам алюминия с медью,
магнием и марганцем. Медь и магний улучшают механические свойства
сплава, а марганец увеличивает твёрдость и коррозийную стойкость, которая
является недостаточной по сравнению с другими сплавами.
2.4 Железо и его сплавы.
Железо обладает более высоким по сравнению с медью и алюминием
удельным сопротивлением, что ограничивает возможности применения
железа как проводникового материала; высоким температурным
коэффициентом удельного электрического сопротивления; высокой
механической прочностью; низкой стоимостью и доступностью материала;
большой магнитной проницаемостью и высокой индукцией насыщения;
технологичностью.
Железо применяют в электровакуумных приборах как материал для
анодов, экранов и других элементов, работающих при температуре до 500°С.
Как ферромагнитный материал железо является основным и наиболее
дешёвым магнитным материалом. Железо, вследствие низкого удельного
электрического сопротивления, используют для изготовления изделий,
предназначенных для работы в постоянных магнитных полях.
Стали. Железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 0,05%
принято называть - техническим железом, с содержанием углерода 0,05-
1,35% - сталями, а с содержанием углерода свыше 2% - чугунами. Кроме
углерода железоуглеродистые сплавы всегда содержат примеси кремния,
марганца, серы и фосфора. Углерод определяет, структуру и свойства стали,
с его увеличением повышается твёрдость и снижается вязкость и
электропроводность.
В углеродистой стали, кроме основной примеси - углерода, всегда
присутствуют постоянные примеси: кремний 0,1-0,37%; марганец 0,2-0,8%;
сера 0,03-0,06%; фосфор 0,03-0,07%. По назначению углеродистую сталь
подразделяют на конструкционную и инструментальную. Конструкционные
стали применяют для изготовления деталей машин и механизмов.
14
Таблица 6. Основные свойства проводниковых резистивных материалов.
п/п
Основные параметры
Манганин
Константин
Нихром
1
Основной состав
Медь - 85%
Марганец -
12%
Никель - 3%
Медь - 58,5%
Марганец -
1,5%
Никель - 40%
Никель –
5578 %
Хром –
1523%
Железо -
остальное
2
Плотность, кг/м
3
8400
8900
8200-8300
3
Удельное электрическое
сопротивление, мкОм*м
0,42 - 0,48
0,48 - 0,52
1,1 - 1,2
4
Температурный
коэффициент удельного
электрического
сопротивления, К
-1
(6 50)10
-6
(5 -25)10
-6
(100-200)10
-6
5
Коэффициент термо-ЭДС
в паре с медью, мкВ
1 - 2
45 - 55
6
Предел прочности при
растяжении, МПа
450 - 600
650 - 700
7
Относительное удлинение
при разрыве, %
15 - 30
20 - 40
25 - 30
8
Рабочая температура, °C
200
400
1000
2.5 Благородные металлы.
Группу благородных металлов составляют металлы, обладающие
наибольшей химической стойкостью к условиям окружающей среды и
действию агрессивных сред - серебро, платина, палладий, золото.
Серебро - белый блестящий металл, который является самым
электропроводным металлом (удельное электрическое сопротивление р=
0,016 мк0м*м). Он обладает высокими механическими свойствами, что
позволяет промышленно изготовлять проводники различного диаметра, в
том числе микропровода диаметром 20 мкм и менее. Серебро используют
при производстве конденсаторов в чистом виде и в виде сплавов как
материал для слаботочных контактов, в виде гальванических покрытий в
ответственных ВЧ и СВЧ устройствах и тонких токопроводящих плёнок в
печатных платах, монтажных проводах. Серебро является остродефицитным
материалом.
15
Платина - светло-серый металл, который не соединяется с
кислородом. Это наиболее химически стойкий металл, обладающий высокой
пластичностью. Платину используют как материал для сеток в мощных
генераторных лампах, для изготовления термопар, изготовления особо
тонких нитей в подвижных системах электрометров.
Палладий - белый пластичный металл, по свойствам близкий к
платине, в ряде случаев служит его заменителем. Палладий и его сплавы с
серебром и медью применяют в качестве контактных материалов, а также в
электровакуумной технике для очистки водорода.
Золото - металл жёлтого цвета с высокой пластичностью, что
позволяет получать фольгу толщиной 0,08 мкм и менее. Золото обладает
коррозионной стойкостью к образованию сернистых плёнок при комнатной
температуре и при нагревании и химической стойкостью. Золото в чистом
виде и в виде сплавов с платиной, серебром, никелем применяют для
изготовления прецизионных контактов, малогабаритных реле, электродов
фотоэлементов, золочения контактных поверхностей электронных ламп
СВЧ, корпусов микросхем.
Вольфрам - металл белого или серебристо-белого цвета с самой
высокой температурой плавления, очень большой плотностью, наименьшим
значением температурного коэффициента линейного расширения. Он
дорогой и с трудом обрабатывается, поэтому применяется только там, где
его нельзя заменить. Основная область применения вольфрама
изготовление нитей накала осветительных ламп, катодов прямого и
косвенного накала мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок,
размыкающих контактов реле.
16
ГЛАВА 3. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ.
3.1 Общие свойства электроизоляционных материалов.
Электроизоляционные материалы - это материалы, используемые для
изоляции токоведущих частей друг от друга, для создания ёмкостей -
накопителей зарядов, изоляторов и для других целей.
По агрегатному состоянию электроизоляционные материалы
подразделяют на:
- газообразные;
- жидкие;
- твёрдые.
Особую группу составляют твердеющие материалы, которые в
исходном состоянии являются жидкостям, а в процессе изготовления
изоляции затвердевают и в период эксплуатации представляют собой
твёрдые вещества. Эти материалы, имея широкую запрещенную зону,
относятся к неметаллам, обладают большим удельным электрическим
сопротивлением 10
5
- 10
16
Ом*м.
По химическому составу их разделяют на:
1. Органические:
а) воскообразные;
б) смолы и пластмассы;
в) битумы и компаунды;
г) лаки и клеи;
д) лакоткани;
е) слоистые пластики;
ж) эластомеры;
з) фторорганические диэлектрики.
2. Неорганические:
а) стёкла, ситаллы и эмали;
б) керамика;
в) слюда;
г) сегитоэлектрики и пьезоэлектрики;
д) оксидная и фторидная изоляция;
е) асбест.
3. Элементоорганические:
а) кремнийорганическая смола;
б) кремнийорганический каучук
в) кремнийорганический компаунд.
Каждая из этих групп имеет свои специфические особенности и
соответственно - своё применение в электроэнергетике.
Для оценки эксплуатационных свойств изоляционных материалов и
возможных областей их применения необходимо знать основные
электрические, механические, тепловые, влажностные и физико-химические
свойства.
17
3.2 Электрические свойства диэлектриков.
К электрическим свойствам диэлектриков относятся поляризация,
электропроводность, диэлектрические потери и пробой.
Диэлектрик, помещённый между электродами, к которым подводится
электрическое напряжение, поляризуется. Поляризация - это процесс,
состоящий в ограниченном смещении или ориентации связанных зарядов в
диэлектрике при воздействии на него электрического поля.
В зависимости от строения диэлектрика и его агрегатного состояния
различают электронную, ионную, дипольную, миграционную,
самопроизвольную и резонансную поляризации.
Электронная поляризация - это смещение электронных орбит
относительно положительно заряженного ядра под действием внешнего
электрического поля.
Электронная поляризация происходит во всех атомах любого вещества
и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других
видов поляризации.
Ионная поляризация - это смещение друг относительно друга из
положения равновесия разноимённо заряженных ионов на расстояние,
которые не превышают расстояния между ионами. Отрицательные ионы
смещаются в сторону положительного электрода, а положительные ионы - в
сторону отрицательного.
Представителями ионной диэлектриков с ионной поляризацией
являются - изоляторный фарфор, нагревостойкая керамика, щелочные
изоляционные стёкла.
Дипольная поляризация заключается в повороте (ориентации)
дипольных молекул в направлении внешнего электрического поля.
В зависимости от механизма поляризации все диэлектрики
подразделяют на полярные и неполярные.
В неполярных диэлектриках наблюдается в основном электронная
поляризация. Они применяются как высококачественные
электроизоляционные материалы в технике высоких и сверхвысоких частот.
Полярными являются воздух, полистирол, эпоксидные смолы,
полиэтилен, фторопласт, бензол и др.
Электропроводность диэлектриков связана с направленным
перемещением заряженных частиц. Образуются эти частицы по разным
причинам. Электроны образуются при ионизации молекул вещества и
соударения заряженных частиц с поверхностью анода. Ионы создаются при
ионизации нейтральных молекул под воздействием внешних факторов и
диссоциации основного вещества и примесей.
Ток в диэлектриках называется током утечки. Ток, протекающий
через объём материала, называется объёмным, а ток, протекающий по
поверхности, - поверхностным.
Удельное сопротивление твёрдых диэлектриков зависит от
температуры, влажности и приложенного напряжения.
По отношению к воде изоляционные материалы подразделяются на
гидрофобные - слабо взаимодействующие с водой, гидрофильные -
18
интенсивно взаимодействующие с водой.
Электропроводность гидрофобных материалов мала и практически не
зависит от влажности воздуха. К ним отно