Электротехнические материалы сельских электрических сетей

ФГБОУ ВО

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Е. Е. ПРИВАЛОВ, А.В. ЕФАНОВ, С.С. ЯСТРЕБОВ,

В.А. ЯРОШ 

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ СЕЛЬСКИХ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

Под редакцией 

доцента Е.Е. Привалова 

Учебное пособие 

Ставрополь

2020

УДК 621.31 

Рецензенты:

кандидаты технических наук, доцент В. Н. Шемякин;

кандидат технических наук, доцент А. В. Ивашина 

(кафедра Электроснабжения и эксплуатации электрооборудования)

Электротехнические материалы сельских электрических сетей: учебное пособие. / 

Е.Е. Привалов, А.В. Ефанов, С.С. Ястребов, В.А. Ярош, под ред. Е.Е. Привалова. –
Ставрополь: Изд-во ПАРАГРАФ, 2020. - 268с.

В учебном пособии рассмотрены свойства проводниковых, полупроводниковых, 

электроизоляционных и магнитных материалов используемых в электрооборудовании
сельских электрических сетей сельскохозяйственных предприятий. 

Пособие предназначено для студентов высших и средних учебных заведений, 

обучающихся 
по 
направлениям 
«Агроинженерия» 
и 
«Электроэнергетика 
и 

электротехника».

УДК 621.31 

 Е.Е. Привалов, А.В. Ефанов, С.С. 

Ястребов, В.А. Ярош 2020 

ВВЕДЕНИЕ 

В 
пособии 
рассмотрены основные 
свойства проводниковых, 

полупроводниковых, электроизоляционных и магнитных материалов 
используемых в электрооборудовании сельских электрических сетей 
сельскохозяйственных предприятий. 

Все вещества в природе по поведению в электрическом и магнитном 

полях условно делят на четыре класса: проводники, полупроводники, 
диэлектрики и магниты. В первой главе пособия рассматривается класс 
проводников электрического тока с последующим изучением в других частях 
свойств полупроводников, диэлектриков и магнитов. Методика пособия 
позволяет лучше понять систему логических связей с точки зрения 
последовательности изучения свойств новыхэлектротехническихматериалов
систем электроснабжения, введенияновых терминов, таких как композитные
материалы.

Изложение учебного материала дисциплины построено по единой 

схеме, включающей в себя раскрытие физической сущности явлений и 
процессов, происходящих в конструкционных и электротехнических
материалах при их взаимодействии с электрическими и магнитными полями
электроустановок электрических сетей. Изучение электрических свойств 
электротехнических материалов
в типовых
условиях
эксплуатации

электроустановок напряжением до и выше 1000В, а также обзор наиболее 
важных областей применения материалов в электротехнических изделиях.

На практике дисциплина является базой для специальных дисциплин

для бакалавров, а научно-методическое содержание пособия направлено на 
формирование у будущих работников инженерного подхода к оценке и 
возможностей выбора конструкционных и электротехнических материалов 
для элементов электроустановок систем электроснабжения, эффективной 
эксплуатации базового оборудования районных электрических сетей.

Научно-технических прогресс в различных областях народного

хозяйства связан с разработкой и использованием новых композитных 
материалов, 
особенно 
проводниковых, 
полупроводниковых 
и 

электроизоляционных. Надежность, экономичность, стойкость к перепадам 
температур, ударам, вибрациям и другим вредным воздействиям на 
электротехнические изделия и оборудование определяются не столько 
конструкцией, 
сколько 
использованными 
в 
электроустановках

материалами. История развития цивилизации показывает, что все важные 
эпохи были названы по материалам, которые являлись в то время 
определяющими: каменный, медный, бронзовый
и железный века. 

Возможно, что последующие эпохи будут названы нашими потомками
пластиковым и керамическим веками. 

Важным условием успешного развития народного хозяйства России 

является разработка и внедрение высококачественных электротехнических 
материалов. Автоматизация электрооборудования электрических сетей не 
является исключением. Электроснабжение наряду с другими видами 
снабжения сельского хозяйства предъявляет высокие требования к 
качеству и надежности используемых конструкционных, проводниковых, 
изоляционных, полупроводниковых и магнитных материалов.

Для выполнения поставленных требований к электротехническим 

материалам необходимо сотрудничество многих организаций в сельском 
хозяйстве. Поэтому наука об электротехнических материалах представляет 
собой типичную комплексную научную дисциплину и при подготовке 
дипломированных бакалавров должно уделяться большое внимание.
Научной задачей материаловедения является обеспечение возможности 
создания современных электроустановок на основе требуемых материалов 
для использования в районных электрических сетях.

Техническая 
задача 
при 
разработке материалов
состоит в 

миниатюризации - уменьшении размеров и массы электрооборудования,
при одновременном увеличении надежности системы электроснабжения
сельскохозяйственного объекта в целом.

Для 
решения
задачи 
повышения 
эффективности 

электрооборудования есть различные пути, где основной - комплексная 
модернизация существующих 
электроустановок за счет применения

изделий из современных композитных электротехнических материалов.

Целью дисциплины является приобретение студентами знаний в 

области 
электротехнических 
материалов
как 
составной 
части 

материаловедения. Задачи дисциплины состоят в изучении природы и 
физико-химических характеристик основных групп материалов, а также 
физического смысла параметров электротехнических материалов. 

Третьей задачей является приобретение навыков 
работы 
с 

техническими регламентами и справочниками для выбора современных 
качественных конструкционных и электротехнических материалов.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ 

1.1. Классификация, области применения и требования к материалам 

электроустановок систем электроснабжения 

Материалы, 
применяемые 
в 
электроустановках
систем 

электроснабжения, 
условно 
подразделяют 
на 
три 
группы: 

электротехнические, конструкционные и специального назначения.

Электротехническими
называют 
материалы, 
характеризуемые 

определенными свойствами по отношению к электромагнитному полю и 
применяемые в технике с учетом этих свойств.

Конструкционными
материалами 
электроэнергетического 

оборудования являются металлы и металлические сплавы, которые 
постепенно 
в 
электротехнике 
вытесняются 
неметаллическими 

материалами, например, пластмассами и полимерами.

Под металлами в технике понимают вещества, обладающие 

металлическим блеском, высокой пластичностью, прочностью, тепло- и 
электропроводностью. Однако такими свойствами обладают не только 
чистые металлы, но и металлические сплавы, состоящие из нескольких 
металлов. Поэтому в электротехнике металлические сплавы также можно 
называть металлами, имея в виду их общие характерные свойства.

Несмотря 
на 
достигнутые 
в 
создании 
и 
использовании 

неметаллических материалов (пластмассы, полимеры и др.), основными 
конструкционными материалами еще долгое время будут оставаться 
металлы и металлические сплавы.

Материалы 
специального 
назначения
применяются 
в 

электроэнергетическом оборудовании, которое эксплуатируется в тяжёлых 
условиях, например, в космосе.
Практически различные материалы 

подвергаются воздействиям как отдельно электрических или магнитных 
полей, так и их совокупности.

По поведению в магнитном поле электротехнические материалы 

подразделяют на две группы - сильномагнитные и слабомагнитные. Первые 
нашли 
особенно 
широкое 
применение 
в 
электроэнергетическом 

оборудовании благодаря их магнитным свойствам.

Электротехнические материалы. По поведению в электрическом поле 

материалы 
подразделяют 
на 
три 
группы: 
проводниковые, 

полупроводниковые и диэлектрические. Большинство электротехнических 
материалов можно отнести к слабомагнитным или практически немагнитным. 
Однако и среди сильномагнитных следует различать проводящие, 
полупроводящие и практически непроводящие.

Проводниковыми называют материалы, основным электрическим 

свойством которых является сильно выраженная электропроводность. Их 
применение в технике обусловлено в основном этим свойством, 
определяющим высокую удельную электрическую проводимость при 
нормальной температуре.

Полупроводниковыми называют материалы, являющиеся по удельной

проводимости промежуточными между проводниковыми и диэлектрическими 
материалами. Их отличительным свойством является сильная зависимость 
удельной проводимости от концентрации вида примесей или различных 
дефектов, а также от внешних энергетических воздействий (температуры, 
освещенности и т.п.).

Диэлектрическими называют материалы, основным электрическим 

свойством которых является способность к поляризации и в которых 
возможно существование электростатического поля. Диэлектрик ближе к 
идеальному материалу, если у него удельная проводимость стремится к 
минимуму и слабо выражены механизмы поляризации, связанные с 
рассеиванием электрической энергии и выделением теплоты. При 
применении диэлектриков одного из наиболее обширных классов 

электротехнических материалов четко определилась необходимость 

использования как пассивных, так и активных свойств этих материалов.

Пассивные свойства диэлектрических материалов используются, когда 

их применяют в качестве электроизоляционных материалов и диэлектриков 
конденсаторов обычных типов. Электроизоляционными материалами
называют диэлектрики, которые не допускают утечки электрических зарядов 
и с их помощью отделяют электрические цепи электроэнергетического 
оборудования друг от друга. Если материал используется в качестве 
диэлектрика конденсатора электрической цепи, то желательно, чтобы этот 
материал имел большую диэлектрическую ∙проницаемость.

Активными 
(управляемыми) 
диэлектриками
являются 
особые 

материалы электроэнергетического оборудования
сегнетоэлектрики, 

пьезоэлектрики, пироэлектрики, электролюминофоры и др. 

На практике к проводникам электрооборудования относят группу 

материалов с удельным электрическим сопротивлением  < 10 -5 Ом∙м, а к 
диэлектрикам - материалы, у которых  > 10 4Ом∙м. Удельное сопротивление 
полупроводников в зависимости от строения и состава материалов, а также от 
условий их эксплуатации может изменяться в пределах 10 -5 - 10 8 Ом∙м. 

Известно, что хорошими проводниками электрического тока являются 

металлы. Из 105 химических элементов лишь двадцать пять являются 
неметаллами, 
причем 
двенадцать 
элементов 
могут 
проявлять 

полупроводниковые свойства. Но кроме элементарных веществ существуют 
тысячи химических соединений, сплавов или композиций со свойствами 
проводников, полупроводников или диэлектриков Четкую границу между 
значениями удельного сопротивления различных классов материалов 
провести достаточно сложно. 

Области применения металлов и металлических сплавов в 

электроустановках 
систем 
электроснабжения
очень 
разнообразны, 

остановимся на некоторых из них. 

Стали 
и 
чугуны 
являются 
основными 
конструкционными 

материалами, применяемыми в электротехнической промышленности 
(станины электрических машин, опоры линии электропередач, корпуса
трансформаторов с масляным и воздушным охлаждением и др.).

Специальные 
электротехнические 
стали 
необходимы 
для 

изготовления 
магнитопроводов 
трансформаторов, 
сердечников 

электрических машин и аппаратов. 

Промышленность 
страны 
выпускает 
марки 
листовой 

электротехнической стали с различными магнитными и электрическими 
свойствами. Данные стали очень чувствительны к деформации. Резка, 
штамповка и другие технологические операции ухудшают магнитные 
свойства стали вблизи мест наклепа.

Цветными сплавами являются все сплавы кроме сплавов сталей и 

чугунов. Среди них сплавы алюминия и сплавы меди нашли самое широкое 
применение в качестве электротехнических материалов при изготовлении 
электрических 
машин, 
трансформаторов 
(обмотки, 
токосъемные 

механизмы) и электрической проводки (кабели, провода, шнуры). 

Требования к конструкционным материалам электрооборудования

электрических сетей на основе железа и его сплавов, а также цветных 
сплавов определяются исходя из назначения данных материалов. Новые 

конструкционные 
и 
электротехнические 
материалы 
редко 
могут 

появляться в результате удачного опыта. 

Необходимо предварительное изучение физических, механических и 

химических характеристик таких веществ, которые могли бы быть 
использованы в качестве требуемых технических материалов районных 
электрических сетей. 

Для понимания электрических и магнитных свойств, механической 

прочности и других их особенностей необходимо исследовать структуру и 
химический состав электротехнических материалов на основе металлов.

Совокупность научно-технических знаний о физико-химической 

природе, методах исследования и изготовления различных материалов 
составляет основу материаловедения, ведущая роль которого в настоящее 
время широко признана во многих областях техники и промышленности 

Успехи материаловедения позволили перейти от использования уже 

известных к целенаправленному созданию новых электротехнических 
материалов электроэнергетического оборудования с заранее заданными 
свойствами, например, на основе графена.

1.2. Особенности строения твердых тел

Большинство материалов электрооборудования представляют собой 

твердые тела. Поэтому особое внимание уделяется строению вещества в 
этом состоянии.

Кристаллы. Представлению о порядке в мире атомов отвечает 

кристаллическая решетка с периодическим электростатическим полем. 
Периодичность структуры является наиболее характерным свойством 
кристаллов. В периодической решетке можно выделить элементарную 
ячейку, транслируя которую в пространстве легко получить представление о 
структуре всего кристалла. Образование каким-либо элементом или 
соединением определенной пространственной решетки в основном зависит от 
размеров атомов и электронной конфигурации их внешних оболочек.

Русский ученый Е. С. Федоров почти за 40 лет до того, как были 

разработаны методы рентгеноструктурного анализа, теоретически рассчитал 
расположения частиц в кристаллических решетках различных веществ. 
Геометрически возможны лишь 14 различных пространственных решеток, 
являющихся основой шести кристаллических систем, приведенных на 

рисунке 1.1 и в таблице 1.1.

Рисунок 1.1 – Пространственные решетки кристаллических систем 

Иногда считают ромбоэдрическую, или тригональную, систему 

самостоятельной седьмой системой. Кристаллические тела могут быть в 
виде отдельных крупных кристаллов - монокристаллов или состоять из 
совокупности большого числа мелких кристалликов (зерен). 

Монокристаллы 
характеризуются 
анизотропией 
свойств. 
В 

поликристаллических телах анизотропия в большинстве случаев не 
наблюдается. 

Промежуточным является блочное строение твердого тела. При 

определении электрических, механических и других свойств монокристаллов
надо
указывать расположение кристаллографических плоскостей и 

направления в кристаллах. 

Дефекты в строении кристаллических тел. Кристаллов с идеально 

правильным строением в природе не существует. Всегда наблюдаются те или 
иные отклонения от регулярного расположения частиц. Такие отклонения 

принято называть дефектами структуры. Их условно подразделяют на две 
группы: динамические (временные) и статические(постоянные).
Таблица 1.1– Пространственные решетки основных кристаллических систем 

№

Кристаллическая

Система

Пространственная

решетка

Соотношение 
между осевыми 
углами и осевыми 
единицами 

1

Триклинная
І – простая 
a ≠ b ≠ c,
α ≠ β≠ γ=90°

2

Моноклинная
ІІ – простая 

ІІІ –базоцентрированная

a ≠ b ≠ c,

α = β = γ=90°;
β ≠ 90°;

3

Ромбическая
ІV –простая 

V –базоцентрированная 
VІ –объемноцентрированная 
VІІ –
гранецентрированная 

a ≠ b ≠ c,

α = β= γ=90°

4

Гексагональная
VІІІ –простая 

ІΧ –ромбоэдрическая 

a = b ≠ c,

α = β= γ=120°

5

Тетрагональная
Χ –простая 

ΧІ -объемноцентрированная 

a = b ≠ c,

α = β= γ=90°

6

Кубическая
ΧІІ –простая 

ΧІІІ объемноцентрированная 
ΧІІV гранецентрированная 

a = b = c,

α = β= γ=90°

Динамические дефекты в материалах возникают при механических,