PROPIETATILE ELECTRICE ALE MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE

PROPIETATILE ELECTRICE ALE MATERIALELOR ELECTROIZOLANTE.

Materialele electroizolante, in ansamblul unui produs electrotehnic, constituie elementele de izolare a circuitelor electrice alimentate la tensiuni diferite, a circuite­lor electrice fata de cele magnetice si a partilor electrice simagnetice fata de carcase.

In timpul functionarii masinilor, aparatelor, instrumentelor si instalatiilor elec­trice in general, materialele electroizolante sunt supuse celor mai diverse solicitari (electrice, termice, mecanice, chimice, fizice etc.) care, in anumite limite, sunt urmate de inrautatirea proprietatilor. Efectele solicitarilor fiind cumulative, rezulta ca durata de functionare (de viata) a materialelor electrotehnice este limitata. Rezulta ca impli­cit este limitata durata de functionare a masinilor si aparatelor electrotehnice. Prin urmare materialele electroizolante determina andurante, sau fiabilitatea oricarui pro­dus electrotehnic. Prin nivelul proprietatilor pe care le poseda, aceste materiale de­termina si performantele produselor electrotehnice, reprezentand prin urmare un fac­tor de importanta tehnica si economica cu atat mai mare cu cat vin in considerare a­gregate electrotehnice de mare putere, sau produse cu o foarte larga raspandire. Da­tori­ta acestor cauze, conditiile ce se impun, intr‑o situatie data, materialelor elec­tro­izolante, sunt indeplinite, in general de putine dintre ele. Astfel materialele de natura organica prezinta bune proprietati electroizolante insa nu suporta corespun­za­tor so­li­citari termice si mecanice. Cele de natura anorganica au o comportare inversa. O im­binare a proprietatilor celor doua categorii de materiale, se realizeaza prin com­bi­na­ti­i­le organice ale siliciului (siliconi), frecvent utilizate in prezent.

Alegerea materialelor electroizolante, pentru un produs electrotehnic, este deci o problema cu largi implicatii tehnice si economice. Aceasta impune o cunoastere te­meinica a tuturor proprietatilor materialelor electroizolante ca si a compatibilitatii re­uniunii lor intr‑un sistem de izolatie la un produs dat.

Datorita fenomenului de polarizare pe care il prezinta materialele electroteh­ni­ce, aflate intr‑un camp electric, ele se mai numesc si dielectrici. Cum sunt insa si ma­te­riale semiconductoare (ca feritele) care prezinta polarizare, in cele ce urmeaza numai la materialele electroizolante.

Dupa natura lor, proprietatile (se nominalizeaza in continuare marimile care con­stituie masuri a proprietatilor) dielectricilor se grupeaza astfel:

1) proprietati electrice, care se refera la: - conductivitatea electrica s [S/m] si respectiv inversul acesteia, rezistivitatea de volum r_v Wm], si cea de suprafata r_B W]; - permitivitatea dielectrica absoluta e [F/m], sau relativa e_X; - rigiditatea dielectrica E_B [kV/cm] si - factorul de pierderi tg d

2) proprietatile neelectrice, care cuprind:

- proprietatile termice: - conductivitatea termica l [W/m °C]; - caldura ma­si­ca - c -[kcal/Kg °C] sau [We/g °C]; - transmisivitatea termica - a -[W/m² °C]. Se includ uneori aici si coeficinetii de temperatura ai diverselor marimi, cum ar fi co­e­fi­ci­entul de temperatura al rezistivitatii a_B r) [°C]^-1, sau coeficientul de dilatatie li­ni­ara a_B() [°C]^-1; - temperaturile specifice.

- proprietatile mecanice: - rezistenta de rupere s_X [daN/cm²]; - alungirea re­la­tiva [%]; - modul de elasticitate E [daN/cm²]; - rezilienta s_S [daNm/cm²]; - duritatea Brinell H_B [daN/cm²].

- proprietatile fizice: - porozitatea; absorbtia; - adsobtia; - densitatea.

- proprietatile chimice: - solubilitatea; - aciditatea; - rezistenta de coroziune; - compatibilitatea in contact cu alte materiale etc.

- proprietati tehnologice: - ductibilitate, maleabilitate, prelucrabilitate prin aschiere, tratamente termice, acoperiri metalice.

- proprietati economice: pret, accesibilitate.

- proprietati ergonomice: aspect, tuseu, toxicitate, biodegrabilitate.

Desi toate proprietatile sunt importante in egala masura, este utila cercetarea cu precadere a proprietatilor electrice datorita efectelor vilente pe care, uneori, le au so­li­citarile electrice asupra dielectricilor, cat si datorira faptului ca celelalte solicitari de­vin daunatoare ca o urmare a primelor.

Principalele procese si fenomene ce vin in considerare pentru a caracteriza un dielectric din punct de vedere al proprietatilor electrice sunt urmatoarele:

1) - Conductibilitatea electrica; 2) - Polarizarea electrica; 3) - Strapungerea die­lectri­ca; 4) - Pierderile de energie activa in dielectrici.

Toate aceste fenomene se pun in evidenta experimental si sunt masurate canti­ta­tiv prin intermediul unor marimi fizice constante de material care se definesc si se determina practic conform normelor CEI sau standardelor nationale.

1). Conductibilitatea a carei masura o constituie conductivitatea electrica s [S/m], sau inversul acesteia, rezistivitatea r. La dielectrici se deosebesc doua feluri de rezistivitati, dupa cele doua cai pe care este posibila trecerea curentului electric prin­tr‑un dielectric asezat intre armaturile metalice ale unui condensator. Astfel se defi­nes­te rezistivitatea de volum r_V Wm], ca fiind rezinstenta electrica a unei probe sub forma de cub, cu latura de 1 cm, asezat intre placile condensatorului, determinata in curent continuu la o tensiune de 1000 V. Rezulta ca rezistivitatea de volum r_V Wcm] este egala numeric cu rezistenta de volum R_V determinata. Similar se defineste rezis­ti­vitatea de suprafata r_S W], ca fiind rezistenta electrica determinata in curent con­tinuu la tensiunea de 1000 V, intre doi electroni de contact linieform, asezati para­lel pe suprafata dielectricului la distanta de 10 cm, avand fiecare lungimea de 100mm si admitandu‑se conventional adancimea de patrundere a curentului ca fiind egala cu uni­tatea. Rezistivitatea rezulta in acest caz ca fiind rezistenta electrica deter­mi­nata inmultita cu 10 (adica r_S = 10 R_S).

Deoarece ambele rezistente trebuie sa fie deteminate numai functie de curentul electric de conductie, evitandu‑se curentii de polarizare, se recomanda ca citirea cu­ren­­tului sa nu se faca mai devreme de 3 minute de la aplicarea tensiunii.

Rezistivitatea de volum si de suprafata se va determina deci rezistenta electrica masura si tinand seama de geometria electrolitilor utilizati. Pentru cazuri deosebite cum sunt masele bituminoase, se utilizeaza celule nu electrozi de constructie speciala.

In conditiile date pentru determinarea rezistivitatilor de volum si de suprafata, a­ces­tea constituie constante de material si au valori de ordinul (10⁸ - 10¹⁸) [W

2). Polarizarea electrica, avand ca masura permitivitatea e [P/m], sau valoarea relativa a acesteia e_r, este fenomenul de aparitie in dielectric, sub actiunea unui camp electric exterior, a unui moment electric indus temporar. Permitivitatea relativa e_r se determina experimental cu punti de joasa sau inalta tensiune, ca raportul intre capaci­tatea C a unui condensator avand intre placile sale dielectricul studiat si respectiv ca­pacitatea Co a aceluiasi condensator, avand intre placi vid (sau aer), adica:

e_r (1.18.)

sau considerand relatia ce defineste capacitatea condensatorului:

e_{r =} e e (1.19)

unde e_o p  10⁹ [F/m] = 8,854   10^-12 [F/m] constituie permitivitatea vidului (sau constanta dielectrica a vidului). Rezulta ca in conditii date si permitivitatea di­e­lectricului constituie o constanta de material. Permitivitatea relativa are valori in­ce­pand de la aproximativ e_r = 1 pentru gaze, pana la cateva unitati pentru solide, zeci de unitati pentru unele lichide si sute sau mii pentru materiale feroelectrice.

3). Strapungerea dielectricilor, care consta in trecerea directa a curentului electric prin corpul dielectricului asezat intre placile unui condensator, la o anumita valoare a intensitatii campului electric exterior. Se defineste ca rigiditate dielectrica intensitatea E_S a campului electric uniform la care se produce strapungerea si consti­tuie o masura a acestui fenomen. Rigiditatea dielectrica se determina ca raportul intre tensiunea electrica U aplicata condensatorului care contine dielectricul si distanta d dintre armaturile sale, adica

(1.20.)

Determinata in conditii date, rigiditatea dielectrica constituie de asemenea o cons­tanta de material si este cuprinsa ca valoare intre cateva zeci de [kV/cm] pentru gaze pana la sute de [kV/cm] pentru lichide si solide sau chiar mii de [kV/cm] pentru unele so­li­de impregnate.

4). Pierderile de energie activa in dielectrici care sunt datorate curentilor de conductie la campuri electrice invariabile in timp si respectiv curentilor de conductie si celor de polarizatie electrica la campuri electrice alternative. Ca urmare, in camp al­ternativ, curentul total prin dielectric ne mai fiind pur alternativ, unghiul de defazaj intre curent (I) si tensiune (U) este j < p/2, Diferenta p j d se numeste unghi de pierderi dielectrice, iar tg j se numeste factor de pierderi si serveste ca masura a fe­nomenului de pierderi. Factorul de pierderi are valori cuprinse intre (10^-1) si (10^-4) pentru majoritatea dielectricilor. Detemrinarea experimentala a factorului de pierderi se face cu punti RC de joasa sau inalta tensiune. Pentru conditii date la determinarea experimentului factorul de pierderi constituie o constanta de material. Desi pier­de­rile de energie activa in dielectrici pot fi determinate prin marimi specifice in [W/m³] prin raportarea lor la volum, sau in [W/kg] prin raportare la masa, se foloseste totusi factorul de pierderi deoarece permite stabilitra de relatii analitice cu alte marimi care influenteaza pierderile.

Cele patru fenomene de baza ce caracterizeaza comportarea dielectricului in camp electric vor fi analizate in continuare, cu scopul de a stabili conditiile pe care e­le le impun la alegerea sau utilizarea dielectricilor in aplicatii practice.