Вопрос 14. Тепловые свойства диэлектриков

К основным тепловым свойствам диэлектрика относят нагревостойкость, теплопроводность, тепловое расширение и холодостойкость (морозостойкость).

Нагревостойкость. Способность диэлектрика работать при повышенных температурах или при резкой смене температур без недопустимого ухудшения его свойств называется нагревостойкостью.

В зависимости от вида материала и условий его эксплуатации
длительное или кратковременное воздействие повышенной температуры вызывает в диэлектрике различные изменения. Например, в зависимости от температуры линейные полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластичном или вязкотекучем состояниях. В других случаях результатом воздействия повышенной температуры является появление больших остаточных напряжений, которые нарушают форму изделия или ухудшают его механические свойства. У лаковых покрытий, например, при
длительном нагреве резко снижается их эластичность.

У некоторых материалов при нагреве могут наблюдаться химическое разложение, интенсивное окисление, обугливание и даже горение. Помимо ухудшения качеств изоляционных свойств, которые проявляются уже при кратковременном повышении температуры, при длительном воздействии повышенной температуры могут наблюдаться изменения, происходящие из-за медленно протекающих химических процессов — тепловое старение изоляции. У трансформаторного масла старение проявляется в образовании продуктов окисления, у лаковых пленок — в повышении хрупкости, образовании трещин и отслаивании от подложки. Тепловое старение ускоряется при освещении образца ультрафиолетовыми лучами.

Нагревостойкость определяется той температурой, при которой происходит недопустимое изменение эксплуатационных характеристик диэлектрика.

Для электроизоляционных материалов установлено семь классов нагревостойкости и соответствующая им предельно допустимая рабочая температура.

При определенной концентрации пары некоторых электроизоляционных жидкостей воспламеняются.

Температура, при которой смесь паров жидкости с воздухом вспыхивает от внесенного пламени горелки, называется температурой вспышки паров.

Теплопроводность. Способность диэлектрика проводить теплоту называется теплопроводностью. Чем больше теплопроводность материала, тем лучше охлаждается устройство, тем выше его допустимая рабочая температура.

Теплота, возникающая при прохождении электрического тока
в проводниках, окруженных диэлектрическим изолятором, передается изолятору. В свою очередь вследствие диэлектрических потерь тепло выделяется в самом изоляторе. Суммарные тепловые потери проводника и изолятора передаются в окружающую среду. От способности изоляции проводить теплоту зависят нагрев проводника и электрическая прочность изоляции. Особое значение имеет теплопроводность сравнительно толстой изоляции в устройствах высокого напряжения. Количественно теплопроводность оценивается коэффициентом теплопроводности, который определяется количеством теплоты, прошедшей через единицу площади в единицу времени при
градиенте температуры 1 К/м.

Большинство диэлектриков имеют значения коэффициента
теплопроводности намного меньшие, чем проводниковые материалы. Близкий к проводниковым материалам коэффициент теплопроводности имеют некоторые оксиды металлов (например, А1₂0₃, MgO, ВеО). Коэффициент теплопроводности у оксида бериллия выше, чем у металлического бериллия. Наименьшим значением коэффициента теплопроводности обладают пористые диэлектрики с газовыми включениями.

Для повышения их теплопроводности применяют пропитку или
уплотнение материала под давлением.

Тепловое расширение. Свойство диэлектрика изменять свои линейные размеры под действием температуры называется тепловым расширением. Тепловое расширение оценивается температурным коэффициентом линейного расширения.

Холодостойкость (морозостойкость). Способность электрической изоляции работать при низких температурах без недопустимого ухудшения эксплуатационных характеристик называется холодостойкостью. Органические диэлектрики в области низких температур растрескиваются, теряют гибкость. Например, резина при температуре -60 °С становится хрупкой, как стекло. Ориентировочные значения предельно допустимых низких рабочих температур некоторых диэлектриков: -269°С для фторопласта-4; ~(50...60)°С для лавсана; -(40...70) °С для полиэтилена;
-40 °С для полистирола; -20 " С для капрона; -(5... 15) °С для полипропилена.

Помимо нагревостойкости тепловые свойства материалов характеризуются температурой размягчения для аморфных веществ и температурой плавления для материалов, имеющих кристаллическое строение. Для жидких диэлектриков характерным является температура вспышки паров в смеси с воздухом, т. е. такая температура, при которой смесь паров диэлектрика с воздухом вспыхивает при поднесении слабого пламени.