Электроизоляционные материалы в большей или меньшей степени гигроскопичны, т.е. обладают способностью впитывать в себя влагу из окружающей среды, и влагопроницаемы, т. Е. способны пропускать через себя пары воды.
Атмосферный воздух всегда содержит некоторое количество водяного пара.
Абсолютную влажность воздуха оценивают массой (m) водяного пара, содержащейся в единице объёма (м ).
На рисунке приведена абсолютная влажность при насыщении (m )в зависимости от температуры. Большего количества воды при всех указанных температурах воздух содержать не может, и она выпадает в виде росы. Из рисунка видно, что абсолютная влажность, необходимая для насыщения воздуха, резко возрастает с увеличением температуры, т.е. растёт и давление водяных паров.
Для ориентировочных расчетов давления водяных паров ( ) можно находить по выражению:
где t – температура в
Относительной влажностью воздуха называют отношение:
Нормальными условиями считают влажность 60-70% при температуре воздуха .
Вода является сильно дипольным диэлектриком с низким удельным сопротивлением порядка , а поэтому попадание её в поры твёрдых диэлектриков ведёт к резкому снижению их электрических свойств. Особенно заметно воздействие влажности при повышенных температурах ( ) и высоких значениях , близких к 98-100%. Подобные условия наблюдаются в странах с влажным тропическим климатом, причём в период дождей они могут сохраняться в течении длительного времени, что тяжело сказывается при эксплуатации электрических машин и аппаратов. В первую очередь воздействие повышенной влажности воздуха отражается на поверхностном сопротивлении диэлектриков.
Для предохранения поверхности изоляционных деталей из полярных твёрдых диэлектриков от действия влажности их покрывают лаками, не смачивающимися водой.
Способность диэлектриков смачиваться водой или другой жидкостью характеризуется «краевым углом смачивания» 0 капли воды, нанесённой на плоскую поверхность тела. Чем меньше 0 тем сильнее смачивание; для смачиваемых поверхностей 0<90°(рис.77), для не смачиваемых 0>90°. (рис 78).
При наличии в диэлектрики объёмной открытой пористости влага попадает и внутрь материала.
Влажность материалов. Образец электроизоляционного материала, помещённый в определённые условия влажности и температуры окружающей среды, через неограниченно большое время достигает некоторого «равновесного» состояния влажности. Если сравнительно сухой образец материала будет помещён во влажный воздух (с относительной влажностью ), то мы будем наблюдать постепенное поглощение материалом влаги из воздуха, причем влажность материала , т.е. содержание влаги на единицу веса материала, с течением времени будет повышаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности , соответствующей данному значению . (рис.80)Наоборот, если в воздухе той же относительной влажности будет помещён образец того же материала с начальной влажностью, большей , то влажность образца будет уменьшаться, асимптотически приближаясь к равновесной влажности ; в этом случае происходит сушка материала.
Рис.77. Капля жидкости на смачиваемой поверхности.
Рис.78. Капля жидкости на не смачиваемой поверхности.
Для различных материалов значение равновесной влажности при одной и том же значении относительной влажности воздуха могут быть весьма различны.
Определение влажности электроизоляционных материалов весьма важно для уточнения условий, при которых производится испытание электрических свойств данного материала. Кроме того, для заметно гигроскопичных материалов, приёмка и сдача которых происходит по
Рис. 79.Изменение влажности материала при увлажнении (a) и сушке (б) при постоянной влажности и температуры.
весу; определение влажности весьма важно для строгого учета количества материала.
Для текстильных и тому подобных материалов устанавливается так называемая кондиционная влажность, соответствующая равновесной влажности материала при нахождении его в воздухе в нормальных условиях; так, для кабельной бумаги кондиционная влажность принимается .
Рис.80.Зависимость удельного объемного сопротивления влажного образца с примесями от температуры.
На гигроскопичность материала существенное влияние оказывает строение и химическая природа. Большую роль играет наличие и размер капиллярных промежутков внутри материала, в которые проникает влага. Сильно пористые материалы, в частности волокнистые, более гигроскопичны, чем материалы плотного строения.
Определение гигроскопичности по увеличению веса увлажняемого образца хотя и даёт представление о способности материала поглощать влагу, но не полностью отражает степень изменения электрических свойств этого материала при увлажнении.
В том случае, если поглощенная влага способна образовать нити или плёнки по толщине изоляции, которые могут пронизывать весь промежуток между электродами (или значительную область этого промежутка), уже весьма малые количество поглощенной влаги приводят к чрезвычайно резкому ухудшению электрических свойств изоляции. Если же влага распределяется по объему материала в виде отдельных не соединяющихся между собой малых включений, то влияние влаги на электрические свойства материала менее существенно
Наиболее заметное снижение удельного объемного сопротивления под влиянием влажности наблюдается у пористых материалов, содержащих растворимые в воде примеси, создающие электролиты с высокой электропроводностью. Для подобных материалов получается интересная зависимость влажного образца от температуры (рис.80). При нагревании влажного образца вначале подает за счет увеличении степени диссоциации примесей в водном растворе (до точки А), затем идет удаление влаги - сушка (участок АБ) и только уже при более высоких температурах наблюдается снижение от температуры. При переменном напряжении наиболее чувствительной к увлажнению характеристикой диэлектриков является tg , заметно возрастающий при увлажнении материала. Менее чувствительной является величина , однако и она, как правило, увеличивается с ростом поглощения влаги, ввиду большего значения диэлектрической проницаемости воды по сравнению с другими диэлектриками (для воды 80). Поэтому в ряде случаев о гигроскопичности материала судят по увеличению электрической ёмкости образца под действием влажности.
Влагопроницаемость. Кроме гигроскопичности, большое практическое значение имеет влагопроницаемость электроизоляционных материалов, т.е. способность их пропускать сквозь себя пары воды. Эта характеристика чрезвычайно важна для оценки качества материалов, применяемых для лаковых покровов (шланги кабелей, опрессовка конденсаторов, компаундные заливки, лаковые покрытия деталей). Благодаря наличию мельчайшей пористости большинство материалов обладает поддающейся измерению влагопроницаемостью. Только для стёкол, хорошо обожженной керамики и металлов влагопроницаемость практически равна нулю.
Количество влаги m (в микрограммах), проходящее за время t часов через участок поверхности S( ) слоя изоляционного материала толщиной h ( ) под действием разности давлений водяных паров и (мм рт. ст.) с двух сторон слоя, равно:
Это уравнение аналогично уравнению для прохождения через тело электрического тока: разность давлений ( ) аналогично разности потенциалов, - величина тока, а - сопротивлению тела; коэффициент П, аналогичный удельной объемной проводимости, есть влагопроницаемость данного материала.
Для различных материалов влагопоглощение изменяется в весьма широких пределах. Так, для парафина значение П равно 0,0007; для полистирола – 0,03; для триацетата целлюлозы – около 1 мкг/см*час*мм рт. ст.
Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пористых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других пористых органических диэлектриков дает лишь замедление увлажнения материала, не влияя на величину после длительного воздействия влажности; это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие размеры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии создать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут проникнуть.