Электрическая проводимость жидких диэлектриков

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа:

 

Электрическая проводимость жидких диэлектриков.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тобольск, 2011

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………....3

1. Виды жидких диэлектриков……………………………………….……….5
1. Ненасыщенные углеводороды…………………………………………..5
2. Нефтяные электроизоляционные масла……………………………….11
3. Синтетические жидкие диэлектрики…………………………………..12

 

2. Измерения диэлектрической проводимости в жидких диэлектриках….14
1. Различные виды жидкостных ионизационных камер……………....14
2. Методы измерения очень малых токов……………………………....19

 

3. Электрическая проводимость жидких диэлектриков в слабых полях….24
1. Естественная (самостоятельная) проводимость…………………..…24
2. Ионизационная проводимость газов………………………………....31
3. Ионизационная проводимость жидких диэлектриков……………...35

Заключение……………………………………………………………………..49

Список литературы………………………………………………………….…50

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Виды жидких диэлектриков

 

1.1. Ненасыщенные  углеводороды

Жидкие диэлектрики, молекулярные жидкости, удельное электрическое сопротивление которых превышает 10¹⁰ Ом*см [7,стр.59]. Как и твердые диэлектрики, жидкие диэлектрики поляризуются в электрических полях: для них характерна электронная и ориентационная поляризация. Диэлектрическая проницаемость (статическая) жидких диэлектриков может достигать значений 102 (для частоты 104Гц)[13,стр.140]. В сильных электрических полях происходит электрический пробой жидких диэлектриков, механизм которого (тепловой или электронный) зависит от природы жидкости, ее чистоты, температуры, и др.

Жидкими диэлектриками являются насыщенные ароматические, хлорированные  и фторированные углеводороды, ненасыщенные парафиновые и вазелиновые масла, кремнийорганические соединения (полиорганосилоксаны), сжиженные газы, дистиллированная вода, расплавы некоторых халькогенидов  и др. Для жидких диэлектриков характерна ковалентная связь электронов в  молекулах, а между молекулами действуют  ван-дер-ваальсовые силы.

Жидкие диэлектрики применяются  в электроизоляционной технике  в качестве пропитывающих и заливочных составов при производстве электро- и радиотехнической аппаратуры: в  электрических аппаратах высокого напряжения, а также в блоках электронной  аппаратуры. По применению они делятся  на жидкости для конденсаторов, кабелей, циркулярных систем охлаждения выпрямительных установок и турбогенераторов, масляных выключателей. Электрическая прочность, диэлектрическая проницаемость  и теплопроводность жидких диэлектриков имеет более высокие значения по сравнению с воздухом и другими  газами при атмосферном давлении. Поэтому электроизоляционные жидкие диэлектрики должны обеспечивать повышение  электрической прочности твердой  пористой изоляции, отвод тепла от обмоток трансформатора, гашение электрической дуги в масляных выключателях. В импульсном электрическом поле их электрическая прочность возрастает.

Основными характеристиками диэлектрических жидкостей являются диэлектрическая проницаемость, электропроводность и электрическая прочность.

Диэлектрическая проницаемость  является истинной характеристикой  жидкостей и характеризуется  дипольным моментом и поляризуемостью  молекул. Собственная проводимость жидких диэлектриков имеет электронную  и ионную составляющие. Она обусловлена  автоэлектронной эмиссией с катода, электролитической диссоциацией молекул, ионизацией молекул. Электрические  свойства жидких диэлектриков в значительной мере зависят от степени их очистки. Загрязнения, как правило, снижают  электрическую прочность жидких диэлектриков и увеличивают проводимость за счет возрастания количества ионов  и заряженных коллоидных частиц

Жидкие диэлектрики могут  состоять из неполярных или полярных молекул. Значение неполярных жидкостей определяется электронной поляризацией, поэтому оно невелико, близко к значению квадрата преломления света и обычно не превышает 2,5[2,стр.73]. Зависимость неполярной жидкости от температуры связана с уменьшением числа молекул в единице объема, т. е. с уменьшением плотности, а ее температурный коэффициент близок к температурному коэффициенту объемного расширения жидкости, но отличается знаком.

Поляризация жидкостей, содержащих дипольные молекулы, определяется одновременно электронной и дипольно-релаксационной составляющими. Такие жидкости обладают тем большей диэлектрической  проницаемостью, чем больше значение электрического момента диполей и чем больше число молекул в единице объема. Температурная зависимость в случае полярных жидкостей носит сложный характер.

Проводимость жидкостей  определяется ионизацией молекул и  наличием в жидкости примесей. Основными  примесями, уменьшающими электрическую  прочность, являются микрочастицы, микропузырьки  и вода. Очистка диэлектрических  жидкостей (дистилляцией, частичной  кристаллизацией, адсорбцией, ионным обменом) приводит к уменьшению электропроводности и диэлектрических потерь и возрастанию  электрической прочности. Электрическая  прочность в значительной степени  является технологической характеристикой  жидкого диэлектрика и электродов, способов приготовления и эксплуатации изоляционного промежутка. На нее  влияют не только те примеси, которые  определяют электропроводность, но и  форма и материал электродов, длительность импульса, наличие пузырьков.

Наиболее распространенными  жидкими диэлектриками, применяемыми в качестве электроизоляционных  материалов, являются:

- ненасыщенные углеводороды (алкадиены, алкины);

- нефтяные масла — трансформаторное, конденсаторное и кабельное;

- синтетические жидкие диэлектрики — полихлордифенил (совол, совтол), кремнийорганические и фторорганические;

- растительные технические масла (касторовое, льняное, конопляное и тунговое) в электроизоляционной технике применяются ограниченно.

Диеновые углеводороды (алкадиены). Диеновыми углеводородами или алкадиенами, называются ненасыщенные углеводороды с открытой цепью углеродных атомов, в молекулах которых имеются две двойные связи. Состав этих углеводородов может быть выражен формулой С_nH_2n-2 [5,стр154].

Индивидуальные углеводороды с двумя двойными связями называют, пользуясь принципами международной  заместительной номенклатуры для алкенов, с той лишь разницей, что в наименовании перед окончанием – ен, обозначающим двойную связь, ставят греческое  числительное –ди, так образуется родовое  для этих углеводородов окончание  – диен (отсюда и название диеновые). Перед названием основы (т.е. главной  цепи, включающей обе двойные связи) ставят цифры, обозначающие номера углеродных атомов, за которыми следуют двойные связи. Отдельные представители имеют также и тривиальные названия.

Диеновые углеводороды, в  которых две двойные связи  находятся рядом и не разделены  простыми связями, называют углеводородами с кумулированными двойными связями.

Особое значение имеют  этиленовые углеводороды, в молекулах  которых двойные связи разделены  одной простой связью. Такие углеводороды называют углеводородами с сопряженными двойными связями. Простейшим представителем является 1,3-бутадиен

Непредельные углеводороды с сопряженными двойными связями  также характеризуются реакциями  присоединения. Однако, две этиленовые группировки, разделенные одной  простой связью и образующие систему  сопряженных двойных связей, не независимы одна от другой, оказывают определенное взаимное влияние и связи в  них находятся в особом состоянии. Вследствие этого, при действии реагентов  на диеновые углеводороды с сопряженными двойными связями в реакции присоединения  обычно участвует не одна, а две  двойные связи одновременно. В  результате два одновалентных атома  реагента могут присоединяться к  углеродным атомам на концах системы сопряженных двойных связей. Вторая молекула реагента присоединяется по месту этой двойной связи уже обычным путем.

Изопрен – бесцветная жидкость, температура кипения которой +34 ^оС. Его полимером является натуральный каучук. Сухой перегонкой каучука изопрен был получен впервые в чистом виде. Разработаны различные методы синтетического получения изопрена.

Сам изопентан может быть получен из некоторых бензиновых фракций при перегонке нефти.

Путем полимеризации из изопрена получается продукт, весьма близкий  к натуральному каучуку. Реакция  протекает подобно полимеризации 1,3-бутадиена.

Ненасыщенные  углеводороды ряда ацетилена (алкины).Углеводородами ряда ацетилена или ацетиленовыми углеводородами называют ненасыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется тройная связь, т.е. группировка —СºС— [5, стр.89].

Гомология, изомерия и номенклатура

Состав каждого члена  гомологического ряда ацетиленовых углеводородов может быть выражен  общей эмпирической формулой С_nH_2n-2. Простейшим членом этого ряда является углеводород ацетилен состава С₂Н₂, строение которого выражают структурная и упрощенная структурная формулы:   Н—СºС—Н  и  СНºСН

Гомологи ацетилена можно  рассматривать как его производные, образовавшиеся в результате замещения  одного или обоих атомов водорода в молекуле ацетилена на углеводородные радикалы.

Изомерия. Возможны два типа ацетиленовых соединений R—C ºC—Н и R—CºC—R'. (Линейная геометрия тройной связи делает невозможной цис- и транс-изомерию алкинов).

В соединениях первого  типа при углероде с тройной связью имеется водород, в соединения второго  типа при атомах углерода с тройной  связью водорода нет. Изомерия ацетиленовых углеводородов, так же как и этиленовых, обусловлена изомерией углеродного  скелета и изомерией положения  кратной связи. Интересно отметить, что общая формула состава  ацетиленовых углеводородов С_nH_2n-2 аналогична общей формуле состава диеновых углеводородов. Иначе говоря, непредельные углеводороды с двумя двойными связями изомерны непредельным углеводородам с одной тройной связью. Например, 1,3-бутадиен СН₂=СН—СН=СН₂

Зависимости изменения физических свойств в гомологических рядах  ацетиленовых углеводородов по мере возрастания числа атомов углерода в их молекулах аналогичны тем  зависимостям, которые наблюдаются  в рядах предельных и этиленовых углеводородов. Простейшие гомологи нормального строения до С₅Н₈ – газы, от С₅Н₈ до С₁₆Н₃₀ – жидкости, высшие ацетиленовые углеводороды – твердые тела. Все эти соединения бесцветны.

Ацетиленовым углеводородам, так же как этиленовым, свойственны  реакции присоединения по месту  кратной связи, в данном случае тройной.

Тройная связь, так же как  и двойная, по характеру отличается от простой связи. Она осуществляется тремя парами обобщенных электронов. Из них, как и в случае двойной  связи, одна пара осуществляет простую  связь (s-связь), а две другие электронные пары находятся в особом состоянии (p-связи); осуществляемые ими связи проявляют повышенную склонность к поляризации. Этим обуславливаются реакции присоединения по месту тройной связи. Последние идут ступенчато: вначале тройная связь разрывается в двойную, и образуются производные этиленовых углеводородов. Затем разрывается и двойная связь, превращаясь в простую с образованием производных предельных углеводородов. При энергичном химическом воздействии возможен распад молекул с разрывом углеродной цепи по месту тройной связи.

При пропускании струи  ацетилена в бесцветный прозрачный раствор оксида серебра [аммиачный раствор оксида серебра представляет собой раствор комплексного соединения [Ag(NH3)₂]OH – аммиаката серебра] образуется желтоватый осадок ацетиленида серебра

HCºCH + 2[Ag(NH₃)₂]OH  ¾®  AgCºCAg ¯ + 2H₂O + 4NH₃  

Аналогично, при взаимодействии ацетилена с аммиачным раствором  соли закиси меди [обычно применяют раствор хлористой меди CuCl в NH4OH, содержащий комплексный аммиакат состава [Сu(NH3)₂]Cl] образуется красно-бурый осадок ацетиленида меди состава CuCºCCu.

Очевидно, что из гомологов  ацетилена осадок ацетиленидов образуют только соединения типа R—CºCH, причем получаются однометаллические производные; соединения типа R—CºC—R', не имеющие водорода при тройной связи, ацетиленидов не образуют. 

Ацетилениды серебра и  меди в сухом виде сильно взрываются от удара или при нагревании. Под  действием соляной кислоты ацетилениды  разлагаются с выделением ацетиленового углеводорода.

 

1.2.Нефтяные электроизоляционные масла

Нефтяные масла — слабовязкие, практически неполярные жидкости. По химическому составу представляют смесь различных углеводородов  парафинового, нафтенового, ароматического и нафтено-ароматического рядов  с небольшим (до 1% масс) содержанием  присадок, улучшающих их стойкость  к термоокислительному старению, а также температурно-вязкостные характеристики[12,стр.134]. Нефтяное трансформаторное масло получило наиболее широкое применение в высоковольтных аппаратах: трансформаторах, масляных выключателях, высоковольтных водах. Нефтяное трансформаторное масло является неполярным диэлектриком. Поэтому в чистом масле диэлектрические потери обусловлены в основном токами проводимости, величина которых мала, следовательно, малы и диэлектрические потери. При 20^оС и 100 Гц = 2,2-2,3, = 10¹⁰-10¹³Ом*м, Е_пр= 10^-28 кВ/мм [12,стр.137]. В механизме пробоя основное влияние на образование газоразрядного канала проводимости имеет нерастворенная в масле полярная полупроводящая и проводящая примесь. Вода, растворенная в масле, увеличивает электропроводность и электрические потери, но мало влияет на электрическую прочность. Вода, выделенная в виде мелкодисперсных капель, вызывает резкое увеличение неоднородности поля, что приводит к снижению пробивного напряжения.