Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЖИДКОГО ДИЭЛЕКТРИКА – ДИ(ОКТАФТОРПЕНТИЛОВОГО) ЭФИРА

Хоперскова Л.В. 1
1 ФБГОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»
В статье обсуждается возможность использования фторсодержащей жидкости для электроизоляции – ди(октафторпентилового) эфира. Способ получения и свойства позволяют обеспечить низкую стоимость при его производстве и экологическую безопасность при эксплуатации оборудования. Однако в процессе синтеза диэлектрик может содержать примеси полярных газов – SO2, НCl. Исследование влияния этого фактора на проводимость ди(октафторпентилового) эфира является целью статьи. Механизмы возникновения проводимости жидких диэлектриков не до конца изучены, а многообразие физических процессов, инициирующих пробой очень велико На основе экспериментально измеренной диэлектрической проницаемости производится расчет деформационной поляризации ди(октафторпентилового) эфира. Рассмотрен механизм возникновения тока смещения под воздействием внешнего электрического поля. Показано существенное влияния концентрации примесей на проводимость диэлектрика. Получена оценка деформационной поляризации эфира в зависимости от содержания полярных газов.
электроизоляция
ди(октафторпентиловый) эфир
деформационная поляризация
ток смещения
1. Беляев В.Л. Особенности конструкций и работы многоамперных электрических аппаратов: учеб. пособие / В.Л. Беляев; СПб.; СЗТУ. Санкт-Петербург, 2005. – 274 с.
2. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии / Б.В. Иоффе. – Л.: Гос. научно-техн. изд-во хим. лит., 1960. – 382 с.
3. Коробейников С.М. Диэлектрические материалы: учеб. пособие / С.М. Коробейников; НГУ. – Новосибирск, 2012. – 67 с.
4. Патент РФ № 2509384 РФ, МПК H01B3/20, H01B3/42. Электроизолирующая жидкость / А.И. Рахимов, В.П. Заярный, Д.Д. Молдавский, Л.В. Хоперскова, А.В. Мирошниченко, В.К. Михайлов, В.Е. Аввакумов; ВолгГТУ. – 2014.
5. Путинцев Д.Н. Деформационная поляризация вещества / Путинцев Д.Н., Путинцев Н.М. // Журнал физической химии. 2007. Т. 81. № 4. С. 660-666.
6. Рахимов А.И. Способ повышения эксплуатационных характеристик высоковольтного электротехнического оборудования / Рахимов А.И., Заярный В.П., Хоперскова Л.В. // Известия ВолгГТУ. Серия «Процессы преобразования энергии и энергетические установки». Вып. 6: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2014. – № 18 (145). – С. 66-68.
7. Ушаков В.Я. Физика пробоя жидких диэлектриков / В.Я. Ушаков // Известия Томского политехнического университета. – 2004. – Т. 307. – № 2. – С. 80-87.

Разработки перспективных жидких диэлектриков с целью замены трансформаторного масла, используемого в электроэнергетике, ведутся постоянно. Очевидно, целью является не только улучшение экономических показателей эксплуатации оборудования, но и повышение надежности и экологической безопасности [1, 3, 6]. Использование фторсодержащих жидкостей для электрической изоляции силового электроэнергетического оборудования определяется их негорючестью, высокой химической, окислительной и термической стабильностью, высокими электрофизическими и теплопередающими свойствами. Перфторированные органические соединения, в частности, перфтортрансформаторное масло, получают методом электрохимического фторирования, введением фтора в органический субстрат с помощью электродной реакции. Такая многостадийная процедура характеризуется значительной стоимостью, а само соединение имеет высокую токсичность при высоких температурах, сильную летучесть [4].

Установлено, что ди(октафторпентиловый) эфир [H(CF2)4CH2]2O, относящийся к полифторированным соединениям и может успешно применяться в качестве жидкого диэлектрика [4, 6]. Получение этого вещества не требует больших затрат, а проведенные исследования показывают, что по своим свойствам этот простой эфир не уступает перфтортрансформаторному маслу. Молекула ди(октафторпентилового) эфира содержит шесть атомов водорода, участвующих в процессе окисления кислородом атмосферного воздуха, что препятствует попаданию вещества в озоновый слой атмосферы.

Экспериментальными исследованиями установлены следующие электроизолирующие свойства ди(октафторпентилового) эфира: электрическая прочность Eпр = 50 кВ/мм при достигнутой степени очистки (99,95 %), удельная проводимость σ= 1012 Ом·м, тангенс угла диэлектрических потерь tgδ = 10-4, относительная диэлектрическая проницаемость ε = 7,65÷7,97, а электроизолирующие свойства диэлектрика существенно зависят от степени очистки от примесей. Способ получения эфира описан в [4]. В результате синтеза эфира в составе полученного вещества остаются кислород и полярные газы (SO2, НCl). Очистка осуществляется на сорбенте марки CaA-У в токе сухого азота. В результате, в составе предлагаемого жидкого диэлектрика, являющегося неполярным соединением, присутствуют молекулы полярных газов.

Механизмы возникновения проводимости жидких диэлектриков не до конца изучены, а многообразие физических процессов, инициирующих пробой очень велико [1, 3, 7]. Одно из таких явлений – возникновение тока смещения, обусловленного поляризацией вещества. Плотность тока смещения hop01.wmf зависит от изменения электрического поля и поляризации вещества [2]:

hop02.wmf (1)

где hop03.wmf – вектор напряженности внешнего электрического поля, hop04.wmf – вектор поляризации вещества. Ток смещения отличен от нуля лишь в момент наложения и снятия постоянного поля, а при переменных воздействиях этот ток существует в любой момент времени. Поэтому анализ поляризационных свойств ди(октафторпентилового) эфира может способствовать объяснению его высоких электроизолирующих свойств, а также найти оптимальные условия его применения.

Будем считать, что в предполагаемом диапазоне частот электрических полей вещество сохраняет свои изоляционные свойства. Для оценки воспользуемся максвелловским временем диэлектрической релаксации [3]: τ = εε0σ. При hop05.wmf вещество ведет себя как диэлектрик, при hop06.wmf – как проводник. При εЭ = 7,8, ε0 = 8,85∙10–12 Ф/м и удельном сопротивлении σЭ = 1012 Ом·м получаем τЭ ≈ 70 с. Характерное время, определяемое промышленной частотой (f = 50 Гц), равно hop07.wmf с и условие сохранения изоляционных свойств выполняется. Сравнивая с хорошо очищенным трансформаторным маслом (εм = 2,2; σм = 1012 Ом·м, τм ≈ 20 с), видим, что эфир имеет лучшие характеристики как диэлектрик. Кроме того предположим, что примеси распределены по объему равномерно, и, как следствие, характеристики полярных газов (диэлектрическая проницаемость и плотность) не изменяются в данном диапазоне частот поля, температур и давлений.

Поляризация вещества определяется суммой деформационной (электронной) поляризации Рд и ориентационной поляризации Рор: hop08.wmf. Деформационная поляризация возникает вследствие деформации электронных оболочек молекул и смещением атомных ядер, фактически раздвижением центров положительного и отрицательного электричества в молекуле, увеличением дипольного момента. Происходит она практически мгновенно, также мгновенно исчезает после снятия электрического поля. Ориентационная поляризация обусловлена разворотом диполей по направлению поля, их ориентацией. Естественно, эта поляризация не может происходить мгновенно, для ее осуществления требуется определенное время, существенно большее, чем время деформационной поляризации [2, 5]. Поскольку молекулы неполярного диэлектрика не обладают собственным дипольным моментом, то для ди(октафторпентилового) эфира Рор = 0.

Формула Клаузиуса-Мосотти [2, 5] устанавливает зависимость диэлектрической проницаемости от поляризуемости молекул неполярных диэлектриков, не имеющих постоянных дипольных моментов по измеренным значениям параметров жидкости:

hop09.wmf (2)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость, М – молярная масса, ρ – плотность, α ‒ поляризуемость вещества, NA – число Авогадро (NA = 6,022∙1023 моль-1). Введем обозначение деформационной поляризации Рд:

hop10.wmf (3)

Диэлектрическая проницаемость полярных газов зависит не только от поляризуемости молекул, но и от величин их постоянных дипольных моментов μ0 и от их ориентации в электрическом поле. Для простейшего случая газообразных полярных диэлектриков справедливо уравнение Дебая [2, 5]:

hop11.wmf (4)

где k – постоянная Больцмана (k = 1,38× ×10–23 Дж/K), Т – абсолютная температура. В (4) первое слагаемое определяет деформационную поляризацию, второе – ориентационную с hop12.wmf; hop13.wmf. Вклад ориентационной поляризации полярных газов в общую является предметом дополнительных исследований.

Для определения деформационной поляризации ди(октафторпентилового) эфира будем использовать его молярную массу и плотность, а также среднее значение измеренной относительной диэлектрической проницаемости: MЭ = 446 г/моль; ρЭ = 1,8 г/см3; εЭ = 7,8. При этом предположим, что достигнутая степень очистки от примесей, составляющая 99,95 %, позволяет считать вещество эфира однокомпонентным. Тогда деформационная поляризация чистого эфира в соответствии с (3) Рд,Э = 172 см3/моль. Проведем аналогичные вычисления для чистых полярных газов, молярные массы, плотности и диэлектрические проницаемости которых соответственно равны MSO2 = 64,1 г/моль; MHCl = 36,5 г/моль; ρSO2 = 0,00263 г/см3; ρHCl = 0,00149 г/см3; εSO2 = 14; εHCl = 4,97. Получаем: Рд,SO2 = 1,977∙104 см3/моль, Рд,HCl = 1,395∙104 см3/моль.

Рассмотрим влияние примесей на деформационную поляризацию ди(октафторпентилового) эфира. Для расчета эффективной поляризации смеси предполагается, что ее отдельные компоненты не вступают друг с другом в химические реакции и смесь является физической. Обозначая через x и (x – 1) доли объемного содержания (объемные концентрации) примеси и основного вещества соответственно, будем использовать соотношение:

hop14.wmf (5)

Тогда эффективные поляризации смесей эфир-SO2 и эфир-HCl:

hop15.wmf (6)

hop16.wmf (7)

Снижая степень очистки от одного до пяти процентов в соответствии с (4) и (6), получим зависимости поляризации двухкомпонентного диэлектрика (рис. 1).

hoper1.tif

hoper2.tif

Рис. 1. Абсолютные значения поляризации эфира, г/см3, в зависимости от содержания примесей полярных газов: 1 – HCl; 2 – SO2

Рис. 2. Относительные значения поляризации эфира в зависимости от содержания примесей полярных газов: 1 – HCl; 2 – SO2

На рис. 2 показано изменение поляризации двухкомпонентной смеси по отношению к поляризации чистого диэлектрика (P0) от степени очистки. Линейный характер показывает существенное влияние примеси полярных газов на поляризацию диэлектрика. Так содержание примесей в пределах пяти процентов приводит к увеличению деформационной поляризации в среднем в пять раз.

Получена оценка деформационной поляризации ди(октафторпентилового) эфира и показано ее линейное увеличение с ростом концентрации примесей полярных газов. Поскольку плотность тока смещения hop17.wmf существенно зависит от изменения поляризации вещества, то учет этого фактора необходим при создании модели проводимости и ограничений по степени очистки.


Библиографическая ссылка

Хоперскова Л.В. ОЦЕНКА ДЕФОРМАЦИОННОЙ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЖИДКОГО ДИЭЛЕКТРИКА – ДИ(ОКТАФТОРПЕНТИЛОВОГО) ЭФИРА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 4-3. – С. 486-488;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11497 (дата обращения: 22.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074