Materiale electroizolante

Righeriu Ovidiu, profil EM-FR ,anul I, grupa 2,subgrupa 2

MATERIALE ELECTROIZOLANTE

1. CARACTERISTICI GENERALE

Importanta materialelor electroizolante în construcția produselor electrotehnice este deosebită,pe de o parte pentru că,spre deosebire de materialele conductoare și magnetice,sunt in continuă dezvoltare – datorită în special chimiei macromoleculare,precum și combinațiilor dintre materiale - și pe altă parte pentru că materialele electroizolante sunt primele care cedează într-o mașină sau un aparat electric ,ele determinând de fapt durata de viață a acestora.

Din clasa materialelor electroizolante fac parte materiale a căror rezistivitate depașește și care prezintă,între banda de valență și banda de conducție,o bandă interzisă de lărgime

. O caracteristică importantă a materialelor izolante fiind aceea de a se polariza electric,

ele sunt și dielectrici.Utilizarea cea mai importantă a materialelor izolante fiind în construcția schemelor de

izolație ale instalațiilor electrice și,cum comportarea lor la acțiunea diferitelor solicitări este elementul hotărâtor pentru mărirea duratei de viață a instalațiilor din care fac parte,ele trebuie să posede o serie de caracteristici,de multe ori antagoniste:proprietăți dielectrice,mecanice și termice foarte bune , rezistență mare la agenți chimici , îmbătrânire lentă şi durată de viaţă mare,prelucrabilitate uşoară şi cost redus.Desigur ,fabricarea unor materiale care să îndeplinească toate condiţiile enumerate anterior,adică realizarea unor izolanţi universali este practic imposibilă.Se pot obţine însă materiale cu anumite caracteristici prin diferite procedee:modificări chimice ale macromoloeculelor de bază (realizarea siliconilor),elaborarea unor materiale compuse (stratificate,sistemele de izolaţie pentru maşini mari),utilizarea unor tehnologii speciale (izolaţii de crestătură prin procedee electrostatice) etc.Aceste caracteristici depind de natura chimică şi structura fizică a corpurilor şi se modifică mai mult sau mai puţin sub acţiunile simple sau combinate ale diferiţilor factori externi.

2. FORMAREA ŞI STRUCTURA MOLECULELOR

Formarea moleculelor (din atomi neutrii din punct de vedere electric) se datorează apariţiei unor forţe de interacţiune între atomi,de natură electrică şi cuantică.Energia corespunzătoare acestoe forţe este ,în cazul a doi atomi situaţi la distanţa :

, (1)

A,B şi n fiind constante de material.După rezultă din figura 1,există o valoare a distanţei dintre atomii cpentru care energia este minimă.Dacă acest minim este suficient de adânc,cofiguraţia formată are o stabilitate deosebită(distanţa dintre atomi fluctuând,datorită agitaţiei termice,în jurul valorii ),obţinându-se o moleculă.

Figura 1: Variaţia energiei de interacţiune E cu distanţa dintre atomi r.

Referat materiale electroizolante

Moleculele cu structură simetrică (metanul, etc) prezintă şi o distribuţie similară a sarcinilor electrice pozitive şi negative.În acest caz, suma vectorială a momentelor electrice(corespunzătoare fiecărei perechi de ioni pozitivi şi negativi) se anulează şi molecula nu prezintă moment electric propriu,adică este nepolară (figura 2 a şi b).

Figura 2: Structuri ale moleculelor nepolare a) metan b) polietilenă

Dacă moleculele au structura nesimetrică (PVC,apa etc),ele prezintă moment electric nenul, adică sunt polare (figura 2 c,d şi e).

Figura 2:Structuri ale Moleculelor polare c) clorură de vinil d)policlorură de vinil

e) apă

Moleculele care conţin un număr mai redus de atomi (pâna la 1000) se numesc micromoleculare.Numărul corpurilor micromoleculare este,în general,mai redus,în această grupă intrând gazele şi lichidele,iar dintre solide cerurile şi asfalturile.

Moleculele ce conţin cel puţin 1000 de atomi se numesc macromolecule.Grupa corpurilor macromoleculare este mult mai extinsă,ea cuprinzând peste 500000 de combinaţii,având ca elemente de bază siliciu şi carbonul.

Corpurile macromoleculare (polimerii) se obţin din micromolecule – care prezintă anumiţi atomi (de obicei C şi Si) legături duble sau triple (figura 1.3)- numite monomeri.Prin ruperea acestor legături,mocromoleculele se leagă între ele formând lanţuri moleculare,respectiv macromoleculele.

a) b) c) Figura 1.3 Legături între atomii de carbon a-legatură simplă;b-legatură dublă;c-legatură triplă

Dacă moleculele monomerilor posedă doar legături duble,se obţin macromolecule liniare,iar dacă poseda legături triple rezultă macromolecule ramificate,spaţiale şi reţele moleculare (figura 1.4).Reţele moleculare se pot obţine şi prin legarea între ele a macromoleculelor liniare care

Facultatea de inginerie,profil Electro-mecanic,frecvenţă redusă,an şcolar 2008-2009

2


conţin punţi reactive neactivate (nedesfăcute),cu ajutorul unor atomi (cazul vulcanizării cauciucului natural cu sulf) sau radicali organici ) cazul vulcanizării cauciucului siliconic cu peroxid de benzoil).

Figura 1.4 Diverse forme de macromolecule: liniară,ramificată,spaţială,reţea moleculară

Macromoleculele se obţin prin reacţii de polimerizare,de policondensare şi de poliadiţie.

REACŢIA DE POLIMERIZARE – constă in legarea – sub acţiunea căldurii şi presiunii şi în prezenta unui catalizator – a moleculelor monomerului şi formarea unor macromolecule liniare,fără eliminare de produse secundare de reacţie.Este o reacţie în lanţ,energia necesară iniţierii lanţului (ruperii primelor legături) fiind superioară energiei necesară continuării procesului de reacţie.Reacţia de polimerizare se compune din trei faze:

- activarea momentului prin absorţie de energie- procesul de creştere- procesul de intrerupere,creşterea lanţului încetând ,fie din lipsa altor

molecule de monomeri, fie ca urmare a întâlnirii a două lanţuri moleculare, fie prin saturarea valenţei libere a lanţului cu grupe de atomi ai catalizatorului

Polimerizarea se poate realiza sub acţiunea temperaturii ăi presiunii, şi de obicei, în prezenţaunui catalizator în mai multe feluri:

- în bloc,când monomerul lichid devine din ce în ce mai vâscos sub acţiunea căldurii,obţinîndu-se la răcire un polimer solid;

- în soluţie,cînd monomerul este dizolvat într-un solvent inert,polimerizarea producându-se la adăugarea iniţiatorului

- în emulsie,cînd monomerul este emulsionat în apă cu ajutorul unui emulgator;catalizatorul e dizolvat în apa,polimerizarea are loc în fază apoasă,dezvoltându-se încet molecule lungi,dispersate în apă; acest fel de polimerizare este cel mai utilizat în prezent;

- heteropolimerizarea (sau copolimerizarea),are loc cînd se polimerizează împreună mai mulţi monomeri,putându-se obţine pe această cale produse cu proprietăţi diferite;

REACŢIA DE POLICONDENSARE – constă in legarea moleculelor mici de monomer –(de obicei,bifuncţionali) – sub acţiunea căldurii,presiunii şi catalizatorilor – şi obţinerea unor reţele de molecule sau molecule spaţiale.Este o reacţie în trepte (energia necesară grupării a două molecule este aceeaşi în orice etapă de desfăşurare a reacţiei) şi cu eliminare de produse secundare : , ..Etc. Eliminarea , în procesul de reacţie a apei conferă policondensatelor porozitate şi higroscopicitate mai mari şi deci,proprietăţi dielectrice mai reduse.Reacţiile de policondensare se pot întrerupe în orice stadiu şi pot fi continuate la momentul voit,comportare deosebit de interesantă atât pentru studiul formării acestor polimeri,cât şi din punct de vedere


3


tehnologic,reacţia putănd fi oprită când policondensatul se gaseşte în stare favorabilă prelucrării,rămânând ca policondensarea şă fie terminată ulterior.

Policondensatele pot rezulta cu molecule liniare(ca poliamidele),sau spaţiale(ca fenoplastele,aminoplastele etc.)

REACŢIA DE POLIADIŢIE – este o reacţie in trepte fară produse secundare.Este,ca şi policondensarea,o reacţie în trepte.Pe de alta parte,ca şi la polimerizare,transformarea se face fără separarea de produse micromoleculare secundare,deci produsul final are aceeasi compoziţie ca şi monomerii de la care se pleacă.Produsele de poliadiţie sunt de pildă răşinile epoxidice.

Indiferent de tipul recţiei ,macromoleculele au, în general,o formă întortocheată (figura 1.5) sau in anumite cazuri una liniară alungită.Aceasta se datorează faptului că forţele intramoleculare de schimb care se opun schimbărilor formei lanţurilor moleculare depind de distanţa şi unghiul de valenţă dintre atomi (figura 1.6).

a) b)

Figura 1.5 a)molecule de monomer; Figura 1.6 Rotirea atomilor de carbon din b)macromoileculele ghemuite moleculele polietilenei:valenţe rotative

Deşi unghiul şi distanţele dintre atomi rămîn constante,apar deplasări,de forma unor rotaţii,a legăturilor de valenţă – numite valenţe rotative – în jurul unor axe situate în prelungirea legăturilor precedente,ceea ce determină o mare variabilitateîn timp a formei lanţurilor moleculare.Evident aceste rotaţii nu sunt libere,dar barierele de potenţial care apar sunt învinse datorită fluctuaţiilor agitaţiei termice,moleculele prezentând o flexibilitate destul de mare.Această flexibilitate a macromoleculelor, precum şi intensitatea slabă a forţelor de legătură intermoleculare (Van der Waals) determină,în general,structura amorfă a corpurilor.Reducând numărul de valenţe rotative,precum şi posibilitaţile de deplasare a moleculelor unele faţă de altele (ex: procedeu de tensionare mecanică) apar yone în care macromoleculele au aceeaşi orientare,adică se obţine o structură preordonată sau parţial cristalină.(figura 1.7)

Figura 1.7 Structură parţial cristalină


4


3. DEPENDENŢA PROPRIETAŢILOR POLIMERILOR

Proprietăţile corpurilor macromoleculare se pot împărţi în două mari clase,prima cuprinzând proprietăţile care depind de caracteristile monomerilor,iar cea de-a doua – proprietăţile care depind de anumiteparticularităţi structurale (defecte de reţea,punţi de legătură,etc)

3.1 Proprietaţi mecanice şi termice

Aceste două categorii de proprietâţi sunt strâns legate de structura şi de forţele de legătură dintre molecule.Astfel în cazul polimerilor liniari,deşi lanţurile moleculare nu sunt strict rectilinii şi nici aşezarea lor nu este ordonată,moleculele pot aluneca unele faţă de celelalte asigurând materialelor o mare plasticitate.Această proprietate este accentuată dacă temperatura creşte,dar îşi reia valoarea iniţială după răcire.Aceste materiale care sub acţiunea căldurii se înmoaie,se numesc materiale termoplastice(tab.1).Pentru anumite valori ale temperaturii ,moleculelese pot deplasa liber unele fată de altele,adică materialele termoplastice se topesc.

Tabelul 1: Proprietăţi esenţiale ale materialelor macromoleculare

Cu molecule liniare Cu molecule spaţiale

Termoplastice

Flexibile şi elasticeSe pot trage în fire sau folii

Se dizolvă în solvenţiProprietăţi mecanice slabe

Absorţie de apă redusăProprietăţi electrice foarte bune

Termorigide

Dure şi casanteNu se pot trage în fire sau folii

Nu se dizolvă(cel mult se umflă)Absorţie de apă mai mare

Proprietăţi electrice mai slabe

Exemple Exemple

PolietilenăPolistiren

Policlorură de vinilPolitetraflouretilenă

PoliamidePolicrilaţi

BachelităRăşini carbamidiceRăşini melaminiceRăşini epoxidiceRăşini siliconice

Poliuretani cu molecule spaţiale

3.1.1 Proprietăti termice

Supunerea la o temperatură scazută, a izolaţiei unui produs electrotehnic,un timp îndelungat , are ca rezultat final modificarea proprietăţilor electrice,mecanice..etc,ale materialului electroizolant,în aşa măsura încât nu mai satisface din punct de vedere al scopului pentru care este destinat.Acţiunea căldurii asupra proprietăţilor materialelor electroizolante are ca rezultat variaţia permitivităţii şi unghiului de pierderi dielectrice,precum ăi a rigidităţii electrice ăi a conductivităţii.

Dacă nu se întrece temperatura maximă admisibilă pentru funcţionarea materialelor respective,variaţia proprietăţilor este reprezentată prin coeficientul de temperatură al mărimii respective.

Căldura acţionează de asemenea în alte moduri asupra acestor materiale,având ca reyultat oxidarea,contracţia,întărirea,apariţia de crăpături,separarea a diferite produse chimice de descompunere şi,în cazul supraîncălzirii de scurtă durată deasupra temperaturii limite admisibile,efectele căldurii mai pot fi:topirea materialului,formarea de goluri în volumul său,înmuierea şi curgerea,apariţia descărcărilor superficiale,depolimerizarea ăi disocierea răşinilor sintetice etc.


5


3.1.1.1 Căldura masică

Căldura masică a unui corp este cantitatea de căldură ce trebuie dată unui kg din acel corp,ca temperatura sî crească cu .Dacă ne referim la o anumită temperatură,avem de-a face cu căldura masică adevărată,la acea temperatură.În practică, ne referim la o căldură masică medie pentru intervalul de temperaturi care interesează ;atunci:

3.1.1.2 Conductivitatea termică şi coficienţii de transmisie a căldurii

După cum se ştie, transmisia căldurii între corpuri se face prin conducţie,convecţie sau radiaţie.Transmisia căldurii între corpurile solide se face prin conducţie,ca de pildă a căldurii produse într-un conductor parcurs de curent prin izolaţia acestuia către exterior.Ar fi deci de dorit,pentru asigurarea unei răciri satisfăcătoare,ca materialele electroiyolante să aibă o conductivitate termică cât mai mare,ceea ce nu e cazul.

O bună conductivitate au materialele cu distanţe mici între atomi şi o ordonare cât mai regulată a acestora,adică materialele cristaline,spre deosebire de cele amorfe,ceea ce este ilustrat prin compararea valorii lui la cuarţul cristalin,respectiv amorf.(tab 2).

Tabelul 2. Proprietăţi ale unor materiale electroizolante

MaterialCăldura masică

Conductivitatea termică

Coeficientul de dilatare liniară

Aer la temperatura camereiAzot la temperetura camereiHidrogenApă la 20 grade CUlei de transformatorUlei de transformator,valoare de calcul pentru o circulaţie intensăCelulozăHârtieHârtie impregnatăStratificate pe bază de hârtieBumbacBumbac impregnatStratificate pe bază de ţesăturiMicăCaucuic vulcanizatEbonităCauciuc siliconicPVC şi alte mase plasticeMasă fenolică de presareFire de azbestSticlăCuarţ

1,009

14,354,181,67

1,54

1,25...2,51,26...1,681,60...1,681,25...2,51,26..1,68

0,862,141,43

-1,35...2,151,32...1,45

0,840,70...0,85

0,76

0,0250,0190,180,595

0,13...0,16

0,32...0,40,23

0,05..0,160,15..0,200,21...0,300,63...0,07

0,128...0,1380,340,36

1,13...0,230,3

0,15...0,290,230,15

0,8...1,056...12

69750*

15...60

30...50

3 (jena)8 paralel

14,4 perpendicular pe

axa cristalului

Pentru a îmbunătăţiiconductivitatea termică a unui material electroizolant,de exemplu o masă plastică pe bază de răşini sintetice,se va utiliza ca material de umplutură un material anorganic,cu structură cristalină(de pildă nisip de cuarţ).


6


Rezistenţa termică a unei monstre de material electroizolant de conductivitate ,de suprafaţă A şi de grosime s străbătută de un flux de căldură Q este:

în ohmi termici .

În cazul unei izolaţii compuse din mai multe straturi alcătuite din materiale diferite,de suprafaţă A,rezistenţa termică a ansamblului va fi:

în care sunt grosimile celor 3 straturi componente şi conductivităţile termice respective.

Schimbul de căldură între corpurile solide şi mediile fluide în mişcare se face prin convecţie.Mediul de răcire poete fi aerul,hidrogenul,apa,uleiul,căldura cedată acestora fiind căldura radiată.

Coeficientul de transmisivitate termică este cantitatea de căldură transmisă pe de suprafaţă, în timp de 1 oră pentru fiecare grad de diferenţă de temperatură între corp şi mediul de răcire.Se exprimă deci în:

Căldura transmisă prin convecţie este deci:

fiind dat in tabelul 3 pentu diferite condiţii de transmisie, A este suprafaţa corpului în contact cu mediul de răcire, în ,şi diferenţa de temperatură in .

Tabelul 3: Valorile coeficientului de transmisivitate de la corpuri solide la fluidele de răcire

Tipul transmisiei

De la corpuri solide la:aer staţionaraer în mişcarelichide în mişcare

3,5... 35 12,0... 600 250... 6000

Se vede cât de diferite pot fi valorile lui ,considerând că transmisia este influenţată de numeroşi factori ca : natura fizică a mediului de răcire,viteza de curgere,felul curgerii(laminară sau turbulentă,liberă sau forţată),starea suprafeţei corpului solid,temperatura la care are loc transmisia,temperatura medie a mediului de răcire.

Pentru calcule mai exacte,valorile lui se socotesc din anumite formule empirice.În tabelul 4 sunt date valorile lui pentru aerul în mişcare şi în funcţie de suprafaţa de răcit,iar în tabelul 5 capacitatea de absorţie a căldurii de către mediul de răcire ăn funcţie de viteya de curgere a acestuia.

În cazul când răcirea se realizează atât prin conducţie,cât şi prin convecţie,se va lua un coeficient de transmisie a căldurii:


7


Tabelul 4 : Valorile coeficientului de transmisivitate termică pentru aer în mişcare la viteza v

Tipul suprafeţei

Netedă

Laminată

Brută

5,6 + 3,94 v

5,8 + 4,20 v

6,15 + 4,2 v

7,10

7,12

7,50

Tabelul 5: capacitatea de absorţie a căldurii pentru diferite medii de răcire

Mediul de răcireViteza

m/sCapacitatea de absorţie a căldurii

Aer

Hidrogen la: 0 atm 2 atm Ulei Apă

10203030

404022

0,7 W/dmp1,1W/dmp1,3W/dmp3,3W/dmp

4,3 W13 W360 W840 W

la secţiunea canalului de răcire de 1 cmp

3.1.1.3 Dependenţa de temperatură a proprietăţilor fizico-chimice

Dilatarea termică liniară a uniucorp de lungime la o creştere de temperatură este:

unde este coeficientul de dilatare liniară(creşterea unităţii de lungime a corpului corespunzând la .

Pentru o bună izolaţie a unei părţi metalice,este de dorit ca coeficienţii de dilatare liniară a materialului izolant şi a metalului în contact să fie cât mai apropiaţi.

Pentru unele materiale ,ca de exemplu uleiul de transformator,interesează coeficientul de dilatare volumic ,care este creşterea unităţii de volum a corpului la creşterea temperaturii cu

.Pentru corpuri omogene:

Rezistenţa la şoc termic. În cazul când materialul electroizolant este expus la şocuri termice,este de dorit ca coeficientul de dilatare liniară să fie cât mai mic, rezistenţa la şoc termic fiind dată de expresia (Winkelmann şi Schott)


8


unde este rezistenţa la tracţiune; E – modulul de elasticitate; coficientul de dilatare liniară; conductivitatea termică; densitatea ; căldura masică.

Stabilitatea la căldură a formei este caracterizată,pentru un material electroiyolant,prin temperatura limită până la care izolantul rezistă la o anumită solicitare mecanică fără să sufere o deformaţie notabilă.Se determină convenţional,de pildă prin procedeul Martens,o temperatură care reprezintă stabilitatea termică după Martens,cu ajutorul căreia se pot compara între ele diferitele materiale electroizolante din acest punct de vedere.

Tot prin metode convenţionale se determină şi comportarea materialelor la incandescenţă,la flacără,la arcul electric.Pentru materialele electroizolante lichide se determină temperatura de inflamabilitate şi cea de aprindere.

Stabilitatea termică a materialelor electroizolante. În cele mai multe cazuri temperatura este factorul cel mai important care contribuie la îmbatrânirea materialelor electroizolante.Nu trebuie neglijate acţiunile altor factori ca: solicitările electrice,care,în special la tensiuni mai ridicate,sunt însoţite de descărcări parţiale în materiale electroizolante; solicitări nmecanice,ca tensionări,comprimări,vibraţii,etc; acţiunea substanţelor chimice active conţinute în mediul înconjurător; umiditatea şi altele

Influenţa temperaturii,care se suprapune întotdeauna peste celelalte solicitări,a făcut ca materialele electroizolante să se clasifice după stabilitatea termică. Prin aceasta inţelegem capacitatea materialului de a funcţiona timp îndelungat la o anumită temperatură făra ca diferitele sale caracteristici să scadă sub o anumită limită ceea ce ar face ca materialul să fie inapt.

Stabilitatea termică este caracterizată tocmai prin acea temperatură limită,ăn funcţie de aceasta materialele fiind împarţite in clase de izolaţie.(tabelul 5).

Tabelul 5: Clasificarea materialelor electroizolante după stabilitatea termică (conform STAS 6247-60 şi publicaţia CEI nr 85)

Denumirea claseide izolaţie

Materiale electroizolante

Y (90 )

Materiale textile pe bază de celuloză,fire poliamidice,hârtii celulozice,cartoane – neimpregnate.Polietilenă,polistiren,PVC,cauciuc natural vulcanizat etc.

A (105 )

Materiale textile pe bază de celuloză,fire poliamidice,hârtii celulozice,cartoane – impregnate cu lacuri uleioase,oleorăşinoase şi oleobitumoase,precum şi electroizolante Folii poliamidice,de triacet de celuloză,materiale combinate folie – preşpan Cauciuc pe bază de butadienă cu acrilnitril şi cauciuc pe bază de clorbutadienă etc.

E (120 )

Pelicula izolantă a conductoarelor emeilate cu lacuri polivinilacetalice,poliuretanice sau epoxidice Mase plastice fenolice cu umplutură organică,stratificate pe bază de hârtii şi ţesături Răşini epoxidice,poliesterice,poliuretanice Folii şi fire de terftalat de polietilenă etc.

B(130 )

Materiale pe bază de mică sau hârtie de mică fără suport sau cu suport din hârtie sau ţesătură organică,precum şi pe bază de fire de sticlă şi azbest – impregnate cu lacuri oleobituminoase şi lacuri pe bată de răşini naturale,lacuri bachelitice,lacuri epoxidice ,poliuretanice,gliptalice Mase plastice cu umplutură anorganică – stratificate pe bază de fire de sticlă şi azbest Pelicula izolantă a conductoarelor emailate cu lacuri tereftalice etc

F Materiale pe bază de mică sau hârtie de mică fără suport sau cu suport anorganic,precum şi pe bază de fire de sticlă şi azbest – impregnate cu


9


(155 ) răşini alchidice,expodice,poliesterice,cu stabilitatea termică necesară clasei de izolaţie,precum şi cu răşini siliconice modificate etc.

H (180 )

Materiale pe bază de mică fără suport sau cu suport anorganic,precum şi pe bază de fire de sticlă şi azbest – impregnate cu lacuri siliconice. Mase plastice cu umplutura anorganică. Cauciucuri siliconice.

H (180 )

Materiale anorganice (mică,sticlă,ceramice etc) Materiale pe bază de mică,fără suport sau cu suport din fire de sticlă – impregnate cu compuăi anorganici sau răşini siliconice cu stabilitate termică peste 220 Politetrafluoretilenă etc.

3.1.2 Proprietaţi mecanice

Din numărul mare al materialelor electroizolante existente cele mai multe posedă proprietăţi mecanice reduse,ceea ce obligă de multe ori la utilizarea de materiale combinate (produse pe bază de mică cu suport de hârtie sau din ţesătură de sticlă,folii din răşini sintetice cu suport de preşpan etc.)

Materialele electroizolante sunt supuse,în multe din utilizarile lor,simultan eforturilor electrice şi termice şi întotdeauna şi la eforturi mecanice.

Pentru materiale izolante solide interesează îndeosebi rezistenţa la rupere prin trecţiune,rezistenţa la încovoiere,la torsiune,rezilienţa,duritatea,rezistenţa la abraziune,sarcina de despicare (pentru materialele stratificate) elasticitatea (la materiale elastomerice),rezistenţa la oboseală,la sfâşiere etc.

Valorile impuse pentru caracteristicile mecanice sunt valori ,medii,de terminate pe mai multe monstre,cu o anumită metodă de măsurare(de exemplu duritatea poate fi determinată prin metodele lui Brinell,Rockwell şi Vickers,precum şi în grade Shore)

În tabelul 6 sunt prezentate caracteristici mecanice pentru cîteva materiale electroizolante.

Tabelul 6: Proprietăţi mecanice ale unor materiale electroizolante

MaterialRezistenţa la tracţiune

Alungirea relativă la rupere %

Modulul de elasticitate

Rezistenţa la compresiune

Rezistenţa la încovoiere

DuritateBrinell

Piese presate de răşină fenolică cu umplutură de făină de lemn

Idem,cu umplutură textilă

Idem,cu umplutură minerală

Stratificate pe bază de hârtie

Stratificate pe bază de ţesături

Idem,cu ţesătură de sticlă şi răşină fenolică

Idem,cu ţesătură de azbest şi răşină fenolică

Acetat de celuloză

Acetobutirat de celuloză

Fibră vulcan

460... 670

300... 560

280... 560

500... 900

550... 850

1400...3300

500...850

210...490

100...470

380... 850

0,45... 0,8

0,7

-

0,7

0,7

0,7

0,7

-

-

70000...105000

63000... 99000

70000...120000

28000...211000

25000...105000

70000...176000

25000...105000

7000...24000

1800...2500

1400...2200

1000...1800

1400...2800

2100...3100

2900...3300

1300...3000

300...2100

500...1500

1400...2200

650.. 850

630... 900

-

900...1400

900...2100

1400...1900

700...2400

300...700

800...1100

800...1500

32... 40

30...45

42

30...45

35...50

30...45

-

-

8...15


10


Polietilenă

Polistiren

Policlorură de vinil (PVC)

90...105

350...630

70...630

50...500

2...5

2... 500

800...1000

800

120

600...1300

1100

20...30

20...30

15...25

Se vede că în general rezistenţa la tracţiune este mult mai redusă decât rezistenţa la compresiune.

Pentru materialele electroizolante lichide intereseauă îndeosebi vâscozitatea.Şi această caracteristică se determină convenţional,depinzând de metoda de masură.De vâscozitatea uleiului de transformator depinde buna răcire a transformatorului în care este utilizat,de vâscozitatea lacurilor,compoundurilor şi cleiurilor electroizolante depinde de calitatea produselor în care sunt utilizate.

Pentru lichidele tixotropice – acelea care în urma unei mişcări ca scuturarea,curgerea etc,îşi schimbă rapid starea de agregare,trecând de la starea lichidă la starea de gel sau chiar la starea solidă – este de observat că relaţia de definiţie a vâscozităţii nu mai este valabilă.

3.1.3 Proprietaţi fizice şi chimice

Densitatea:

.

Porozitatea: unui material este raportul dintre volumul porilor şi volumul total al unei monstre şi poate ajunge la circa 50% pentru materiale foarte poroase (ca celuloza).Exemple în figura 3.1.1

Figura 3.1.1

Pori deschişi Pori semi-închişi Pori închişi

Materialele cu porozitate deschisă sau chir semi-închisă se întrebuinţează ce izolanţi numai impregnate,spre a evita umplerea porilor cu are sau apă,ceea ce ar avea ca rezultat o scădere importantă o preoprietăţilor electrice.

Higroscopicitatea: este proprietatea materialului de a absorbi umiditatea din mediul înconjurător şi este strâns legata de porozitate.Se defineşte convenţional prin raportul:

în care este mnasa unei monstre de material în stare uscată,iar este masa aceleiaşi monstre dupa ce a fost supusă umidităţii în anumite condiţii.

În tabelul 7 sunt datevalorilre higroscopicităţii pentru diferite materiale electroizolante,în procente,respectiv in mg/100 cm ,în condiţiile indicate.

Tabelul 7: Higroscopicitatea şi constanta de difuzie a unor materiale electroizolante

Material Higroscopicitatea în %,după 24h în apă

Constanta de difuzie D în


11


Răşină fenolicăIdem,cu umplutură de lemnIdem,cu umplutură mineralăStratificate pe bază de hârtie şi ţesătură de bumbac cu răşină fenolicăStratificate cu răşină fenolică şi ţesătură de sticlăCauciuc natural vulcanizatCauciuc cloroprenPolietilenăPolistirenPoliclorură de vinil (PVC)PolimetacrilatRăşină epoxi de turnarePoliamideRăşini carbamidice,melaminiceAcetat de celulozăFibră de vulcan

0,1... 0,40,4... 1

0,2... 0,3

0,3... 9,00,3... 2,0

-0,0060,01

0,01... 0,050,1... 1,00,3... 0,50,1... 0,40,4... 2,00,5... 0,72,0... 6,0

18,0... 70,0

4,8

6,5... 8

0,1... 0,22,7... 3,50,5...1,1

4,11,0... 1,1

11,2-

114...160-

Umiditatea poate acţiona şi la suprafaţa materialului electroizolant,mai cu seamă dacă acesta este polar.În acest caz,materialul atrage moleculele de apă care formează la suprafaţă o pătură de apă.Forţele ce se exercită ăntre moleculele de apă şi materialfiind mai puternice decât forţele de atracţie dintre moleculele de apă,unghiul marginal dintre suprafaşa mostrei de material şi tangenta la picătură în punctul ei de contact cu suprafaţa este foarte mic (figura 3.1.2,a).Dacă unghiul e mai maren de 90 ,pătura de apă se formează greu,materialele nu se udă cu apă (parafina,cerurile,pelicule de lacuri uleioase)(figura 3.1.2 b)

Figura 3.1.2 Unghiul marginal de umezire

a) b)

Permeabilitatea la vapori de apă a unui material,verificată experimental,conform legii lui Fick,se măsoară cu ajutorul constantei de difuzie D a vaporilor de apă în material,care rezultă din legea lui Fick

în care: - M - este cantitatea de vapori de apă,care străbate un strat subţire de material,în g; - A - suprafaţa mostrei,în cm - a –grosimea mostrei ,în cm - - diferenţa de presiune a vaporilor de apă,de o parte şi de alta a mostrei,în torr; - - Timpul cât mostra se gaseşte în condiţiile experienţei,in h; - D – constanta de difuzie a vaporilor de apă prin material.(tabelul 7)

Compabilitatea materialelor depinde de constituţia lor chimică, având în vedere că, în toate utilizările lor,materialele electroizolante sunt în contact între ele,precum şi cu alte materiale metalice sau semiconductoare


12


Rezistenţa materialelor la coroziunea chimică sub acţiunea agenţilor externi,ca oxigenul din aer, apa,soluţiile acide sau bazice, etc,trebuie de asemenea cunoscută.În legătura cu aceasta trebuie urmărit printre altele urmatoarele:

aciditatea – unui material , caracterizată prin indicele de aciditate , definit prin acantitatea de sodă caustică,în mg,necesară pentru a neutraliza acizii organici conţinuţi într-un gram de material.

solubilitatea – unui material în diverşi solvenţi interesează la fabricarea lacurilor electroizolante,a cleiurilor,chiturilor,etc.Se apreciază în general după concentraţia soluţiei saturate a materialului dizolvat în dizolvantul respectiv.O substanţă chimică se dizolvă uşor într-un dizolvant de aceeaşi natură chimică şi care conţine în molecula sa grupări de atomi asemănătoare.De exemplu parafina se dizolva în benzen.Solubilitatea scade când gradul de polimerizare al materialului de dizolvat creşte şi în general scade cu temperatura.

4. ÎMBĂTRÂNIREA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE

Sub acţiunea prelungită a solicitărilor electrice,mecanice şi termice,a radiaţiilor luminoase sau de mare energie etc.,în materialele electroizolante se desfăşoară procese fizico-chimice ireversibile care duc la o înrăutăţire continuă a proprietăţilor lor,în aşa fel încât,după un anumit timp, acestea nu-şi mai pot îndeplini rolul pentru cate au fost alese în cadrul sistemelor de izolaţie.

Procesele care intervin în degradarea izolaţiilor sunt variate şi numeroase.Astfel,toate materialele izolante suferă un proces lent de oxidare,în urma căruia se formează produse acide care intensifică conducţia electrică şi scad rezistivitatea şi rigiditatea dielectrică a corpurilor.Procesului de oxidare i se asociază şi un efect de reticulare,ceea ce duce la scăderea elasticităţii şi plasticităţii izolanţilor.Se produc,de asemenea,reacţii depolimerizare care contribuiela micşorarea rezistenţei mecanice a materialelor(prin pierderea de masă),la apariţia unor cavităţi(cu gaz) în care se dezvoltă descărcări electrice etc.La degradarea izolanţilor mai contribuie şi procesele de hidroliză,incompatibilitatea chimică între constituenţi,prezenţa solvenţilor (incomplet evacuaţi) etc.

Îmbătrânirea materialelor izolante,adică înrăutăţirea proprietăţilor fizico-chimice este direct legată de viteza de desfăşurare a acestor reacţii chimice.Prin urmare,apreciind starea de degadare a unui izolant printr-o valoare limită a unei proprietăţi,valoare atinsă în momentul în care recţia chimică a evoluat până la un anumit stadiu – se poate defini o durată de viaţă D a izolantului (referitoare la această proprietate) ca fiind intervalul de timp care s-a scurs de la începerea procesului de degradare şi până când acesta a ajuns la stadiul considerat.

Primele referiri la durata de viaţă a izolanţilor le face Montsiger (SUA 1930),care stabileşte o relaţie întreviteza de îmbătrânire şi temperatura de funcţionare a corpurilor.Relaţia avea forma:

sau unde a şi b sunt constante de material.

Relaţia de mai sus se poate deduce teoretic (pe baza teoriei cinetice a gazelor) considerând că degradarea izolanţilor constituie un proces chimic în urma caruia se obţin substanţe noi(care înrăutăţesc proprietătile izolanţilor) şi că acest proces este influenţat numai de temperatură(Bussing.1942).

Viteza de desfăşurare a recţiei chimice se defineşte ca scăderea în timp a concentraţiei uneia dintre cele două substanţe şi este proporţională cu concentraţiile acestora A şi B:

Factorul indică numărul reacţiilor din unitatea de timp şi se calculează cu relaţia lui Arrhenius:

,


13


unde reprezintă energia de activare; - constanta gazelor; T – temperatura absolută (K); G – factor de şoc care se referă la numărul de ciocniri dintre molecule în unitatea de timp şi este proporţional cu .

Considerând un anumit criteriu pentru aporecierea stării de îmbătrânire(duritatea,rezistenţa la rupere etc),a cărui valoare P depinde de concentraţia A,adică şi dacă

este valoarea iniţială a criteriului – corespunzătoare concentraţiei - şi valoarea corespunzătoare unei concentraţii ,iar izolantul se află la temperatura ,atunci timpul corespunzător desfăşurării reacţiei de degradare este dat de reacţia:

sau relaţia de mai sus se mai poate scrie şi sub formele următoare:

sau în general

Dacă au loc reacţii mai comlexe sau cazurile în care temperatura T variază în timp,se obţin alte expresii ale duratei de viaţă,mai complicate şi mai greu utilizabile.În general se foloseşte relaţia:

a cărei reprezentare grafică,în raport cu temperatura este o dreaptă.Această dreaptă se trasează experimental,prin efectuarea e trei încercări de îmbătrânire accelerată a izolanţilor şi prezintă o importanţă deosebită pentru aprecierea comportării materialelor electroizolante, în timp,la o anumită temperatură (figura 4).

Figura 4: Variaţia duratei de viaţă D cu temperatura pentru materiale electroizolante situate în clasele de izolaţie A,B şi H [5]

5. COMPORTAREA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE LA ACŢIUNEA RADIAŢIILOR


14


Sub acţiunea radiaţiilor sau a altor tipuri de radiaţii în structura materialelor izolante au loc transformări care determină variaţii importante ale proprietăţilor lor.

Acţiunea distructivă a radiaţiilor devine importantă numai dacă energia loe este comparabilă cu energia de legătură e elementelor care constituie moleculele.Acest lucru se realizează nu numai în cazul radiaţiilor de înaltă energie,ci chiar şi în cazul radiaţiilor solare.

Prin ruperea macromoleculelor se formează radicali care interacţionează între ei – dând naştere unor produse noi – sau formează punţi de legătură între lanţurile moleculare,contribuind la reticularea corpurilor şi deci la modificarea proprietăţilor mecanice şi termice ale acestora.Se produc, de asemenea,iono şi electroni liberi care le modifică proprietăţile dielectrice.Acţiunea radiaţiilor determină şi variaţii ale procentului de cristalinitate,apariţia unor cavităţi,reducerea rigidităţii dielectrice, etc.

Modificarea proprietăţilor depinde atât de natura şi structura materialelor (tabelul 8),cât şi de doza de radiaţii absorbite(de un kg de material),de duarta de aplicare (figura 5),de temperatură,de constanta mediului ambiant.

Tabelul 8 Rezistenţa la radiaţii a unor izolanţi

Materialul Clasificare

Forma Natura Caracteristica Criteriul

Doza ptr care criteriuleste atins

Filme subţiri şi foi

Hârtie poliamidicăPoliamideTereftalat de polietilenăMase plastice cu greutatemoleculară ridicată

Alungire la rupere Scăderea cu 50% faţă de valoarea iniţială

18001500200

25

Stratificate placate cu Cu

Ţesătură de sticlă +epoxi

Hârtie +fenolpaste

Rezistivitatea de suprafaţă

90

50

Ţesături impregnate

Ţesătură de sticlă+siliconiŢesătură de mătase +poliuretaniŢesătură de sticlă+epoxiBumbac+lacuri uleioase

Rezistenţă la rupere prin tracţiune

Scăderea cu 20% faţă de valoarea iniţială 500

2809090

Conductoare şi cabluri

PoliimidePolietilenăPVCPTFE

Alungirea la rupere prin tracţiune

Scăderea cu 50% faţă de valoarea iniţială

5003501501,5

Figura 5 Variaţia rezistivităţii de volum (la 20 C),cu durata de iradiere

(radiaţii cu putere 7,2 A/kg)pentru PTFE (1)şi PE (2).

Se constată că mecanismul de degradare se intensifică cu creşterea temperaturii şi în

prezenţa oxigenului ,că proprietăţile mecanice se modifică mai mult decât cele dielectrice şi depind


15


mai mult de durata de iradiere decât de doza de radiaţie,că sub acţiunea radiaţiilor creşte higroscopicitatea materialelor.

6. COMPORTAREA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE LA ACŢIUNEA UMIDITĂŢII

Efectele acţiunii umidităţii asupra proprietăţilor materialelor electroizolante sunt atât de bine cunoscute încât pot fi considerate axiomatice,cele mai obişnuite fiind înrăutăţitea caracteristicilor electrice şi o tendinţă generală de înrăutăţire a proprietăţilor mecanice(creşterea flexibilităţii,miclorarea reuistenţei la rupere etc).Trebuie remarcat că apa conţinută de un corp nu reprezintă întotdeauna un indicator absolut al modificării proprietăţilor sale.

De exemplu,ceara de albine,care conţine picături de apă,prezintă o valoare mare a factorului de pierderi doar în jurul unei anumite valori a frecvenţei .Dacă însă corpul prezintă microfisuri în care se află cantităţi mult mai reduse de apă decât în cazul anterior,factorul de pierderi are valori mai mari pentru orice valoare a frecvenţei superioare lui .

Cantitatea de umiditate absorbită depinde de natura şi structura materialelor,precum şi de intervalul de timp în care acestea sunt supuse umidităţii (figura 6.1)

Figura 6.1:Variaţia absorţiei de apă în timp pentru materiale pe bază de hârtie de mică ţi răşini gliptalice(1),şellac (2) sau

răşini siliconice(3),situate într-un mediu cu umiditate relativă

Astfel,materialele cu structură poroasă prezintă afinitate mare pentru apă,cele care conţin grupările de ester , eter şi cetonă sunt afectate mai puţin de umiditate,iar hidrocarburile , tereftalatul de polietilenă etc,sunt hidrofobe. Cum apa este un material puternic polar , permitivitatea corpurilor hidrofile variază foarte mult cu conţinutul de umiditate . Variaţia permitivităţii este însă mai redusă în cazul dielectricilor la care legăturile dintre moleculele de apa şi cele ale materialului sunt legături de hidrogen,deci limitate ca număr (figura 6.2)

Figura 6.2:Dependenţa permitivităţii relative a tereftalatului de polietilenă cu timpul de expunere in apă(1,2) şi aer cu

(3,4),la 20 C(1,3) şi la 40 C (2,4)

Rigiditatea dielectrică şi rezistivitatea se reduc ca urmare a intensificării procesului de conducţie electrică(figura 6.3).Întradevăr ,în cazul umezirii corpurilor,purtătorilor de sarcină uzuali


16


li se adaugă purtători adiţionali:ioni rezultaţi din disocierea impurităţilor conţinute în apă sau a impuritătilor solubile din materialul propriu-zis,ioni de hidrogen şi oxigen rezultaţi din disocierea apei,molecule ale dielectricului,grupe de molecule de apă încărcate cu sarcină electrică.

Figura 6.3 Variaţia factorului de pierderi cu frecvenţa,

pentru tereftalatul de polietilenă amorf (1.2) şi cristalin (3,4).în stare umedă (1,3) şi uscată (2,4) [16]

Conductivitatea electrică a unui izolant umed are,prin urmare expresia:

în care reprezintă coeficientul de difuzie,concentraţia şi sarcina purtătoare de specia i(proprii sau adiţionali); - energia de activare; t - temperatura absolută; k – constanta lui Boltzman.Rezultă că concentraţia dielectricilor umeyi scade cu energia de activare a purtătorilor ,dar creşte cu concentraţia şi coeficientul de difuzie a particulelor.

Umiditatea contribuie ,de asemenea la înrăutăţirea caracteristicilor mecanice ale corpurilor,îndeosebi a rezistenţei la tracţiune,a alungirii la rupere etc.Şi în acest caz efectul umidităţii este mai important în cazul corpurilor impure sau dacă apa conţine impurităţi solubile.

În cazul instalaţiilor de înaltă tensiune,umiditatea modifică tensiunea de apariţie a descărcărilor electrice.Într-adevăr prin eliberarea hidrogenului şi oxigenului se formează bule de gaz care se dezvoltă continuu pâna ajung suficient de mari pentru ca în ele să se producădescărcări parţiale la tensiuni mai reduse decât în cazul materialului uscat.

Protecţia materialelor electroizolante împotriva umidităţii se realizează prin dispunerea acestora în atmosfere cu conţinut redus de vapori de apă şi,mai ales,prin tratarea cu lacuri diferite,care le măresc rezistenţa la acţiunea apei.În acest sens se realizează izolaţii hidrofobe – prin tratarea materialelor cu metilbutodixiamină (hârtiile ăi ţesăturile de celuloză).cu siliconi în tetraclorură de carbon (stratificatele),cu bitumuri (azbocimentul) (figura 6.4),se efectuează impregnări sau acoperiri cu lacuri si emailuri nehigroscopice (înfaşurările maşinilor şi aparatelor electrice,stratificatele etc),ermetizări complete ale dispozitivelor (prin izolare în vid,cufundare în compounduri sau înglobări în răşini termorigide) etc.

Figura 6.4:Variaţia absorţiei de apă în timp pentru azbociment neimpregnat(1) si impregnat cu soluţie de 10% siliconi (2)


17


7. COMPORTAREA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE LA TEMPERATURI JOASE

Cunoaşterea comportării materialelor electroizolante la temperaturi joase a devenit necesară odată cu realizarea primelor cabluri criorezistive (care utilizează ca agent de răcire ayotul lichid la 77K) şi criogenice(la care căile de curent sunt constituite din materiale supraconductoare racite cu heliu lichid la 4,2 K),a maşinilor electrice sincrone şi a altor instalaţii electrice care funcţionează la temperaturi foarte scăzute.

În cazul temperaturilor joase mişcarea de agitţie termică a particulelor constituente ale corpurilor este mult încetinită.proprietăţile acestora modificându-se faţă de cazul temperaturilor normale (300k).Astfel,rezistenţa la rupere prin tracţiune creşte considerabil;de exemplu polietilena de joasă densitate este de 7 ori mai mare la 77K decât la 300K şi de 10 ori mai mare la 4,2K(tabelul 9).Alungirea la rupere scade de peste 150 ori în cazul polietilenei de înaltă densitate,iar modulul de elasticitate creşte foarte mult pentru valori ale temperaturii apropiate de 4K.

Tabelul 9:Proprietăţile mecanice ale materialelor izolante , la temperaturi joase

MaterialulModulul de elasticitate Rezistenţa la tracţiune Alungirea la rupere

la 293K la 77K la 4,2K la 293K la 77K la 4,2K la 293 K la 77K la 4,2 KPolietilenă de înaltă densitate 0,73 5,87 6,48 51 154 210 322 19,4 3,29

Polietilenă de joasă densitate 0,10 3,69 5,44 114 104 151 528 3,60 2,85

Policarbonaţi 3,44 3,73 4,54 180 256 349 32,8 20,1 10,75

Poliamide(nylon) 0,74 4,39 5,34 53 185 151 355 5,91 3,13

Poliamide 1,77 4,95 5,49 182 261 256 55,2 12,0 5,78

Poliesteri(Mylar) 0,4 6,78 6,85 150 278 333 114 5,75 6,10

În general, dintre materialele studiate până în prezent se pare că polietilena de înaltă densitate şi policarbonaţii prezintă proprietăţiile cele mai adecvate pentru a fi utilizate la temperaturi joase.

8. COMPORTAREA MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE LA ACŢIUNEA MICROORGANISMELOR

Microorganismele contribuie la îmbătrânirea materialelor izolante atât prin acţiunea acizilor pe care-i produc,cât şi prin canalele pe care le sapă în interiorul corpurilor şi în care pătrunde umiditatea.Astfel,bacteriile care atacă izolanţii,îndeosebi prin acizii pe care-i produc,se dezvoltă la temperaturi cuprinse între -3 şi 100 grade Celsius şi sunt ,la rândul lor,foarte sensibile la acţiunea acizilor din mediul ambiant.

Mucegaiurile se depun pe hârtie,fibră vulcan,lemn,ţesături,ceruri şi chiar pe metale şi sticle dacă acestea sunt acoperite cu pelicule organice.Dintre ciuperci se remarcă în mod deosebit pillularia,aspergilus,penicillium etc,ele dezvoltându-se îndeosebi în medii cu umiditate relativă ridicată (peste 75% ) şi la temperaturi variind intre 15 şi 37 grade Celsius.

Evident,nu toate materialele sunt atacate de bacterii sau ciuperci şi nu cu aceeaşi intensitate.Astfel policlorura de vinil are o rezistenţă foarte bună la acţiunea ciupercilor dacă se utilizează ca plastifianţi esterii,alifatici ai acidului ftalic,dimetil şi dioctilftalaţi etc;rezistenţa sa scade însă în cazul utilizării derivaţilor acizilor graşi.Cauciucurile naturale şi sintetice sunt atacate numai dacă vin în contact direct cu apa iar mica,ceramica,masele plastice fenolice sau melaminice cu umplutură anorganică etc. nu sunt atacate de ciuperci.


18


Pentru a evita depunerile de mucegai,materialele izolante se dispun în medii uscate sau care au în compoziţia lor substanţe fungicide(pentaclorfenilatul ţi triclorfenolatul de sodiu,anhidrida salicilică,combinaţiile fenil-mercur etc).

Termitele atacă în mod deosebit lemnul,dar şi alţi izolanţi de natură vegetală sau animală,fibrele sintetice etc.Nu atacă ceramicele,sticlele,masele plastice fenolice,PVC-ul tare etc.Pentru a le proteja împotriva termitelor materialele izolante se impregnează cu pentaclorfenol,creozot,naftenaţi metalici,clorură de zinc etc.

BIBLIOGRAFIE

1 A.IFRIM - Materiale electotehnice,vol I şi II. Institutul politehnic Bucureşti,1976

2 P.NOŢINGHER, A.IFRIM – Materiale electrotehnice.Editura didactică şi pedagogică Bucureşti 1979

3 CH.POPESCU , A. IFRIM , S.CEDIGHIAN , C.LEFTER , M.NICOLAE , D. ICHIM – Materiale

electrotehnice,proprietăţi şi utilizări.Editura tehnică Bucureşti - 1976


19

Documents

Materiale electroizolante