§ 82. Стекло и стеклянные изоляторы
Неорганическое стекло является дешевым материалом, так как оно изготовляется из очень доступных веществ: кварцевого песка (SiO2), соды (Na2C03), доломита (CaC03XMgC03), мела (СаС03) и некоторых других компонентов. Смесь этих веществ, взятых в определенном соотношении, называется шихтой. Шихта загружается в стекловаренную печь и при нагревании до 1350—1600°С плавится, образуя жидкую стекломассу, из которой изготовляют различные стеклянные изделия.
Главным стеклообразующим веществом является кварцевый песок, который содержит 98% SiO2. Практически стекло можно получать из одного кварцевого песка, однако расплавить его можно только при очень высокой температуре (около 2000°С). Для этого нужно иметь дорогостоящие печи и. другое сложное оборудование. Правда, чистые кварцевые стекла обладают рядом ценных свойств:
очень высокими электрическими характеристиками, стойкостью к влаге (гидролитическая стойкость) и имеют очень малый коэффициент линейного расширения (5-10-7 1/°С). Это обусловливает исключительно высокую термостойкость кварцевого стекла. Так, изделия из кварцевого стекла, нагретые до красного каления и погруженные в холодную воду, не растрескиваются.
Некоторые термостойкие электроизоляционные изделия (небольшие изоляторы) изготовляют из чистого кварцевого стекла.
Для получения же остальных видов стекла составляют шихту, в которой, кроме кварцевого песка, содержатся вещества, снижающие температуру его плавления. К этим веществам относятся: сода, мел, доломит, сурик и некоторые другие.
В состав шихты вводят также вещества, предотвращающие кристаллизацию стекол. Это глинозем (Al2O3), борный ангидрид (В203) и др.
При нагревании шихты из нее вначале испаряется влага. Газы улетучиваются в атмосферу, а остающиеся окислы натрия, калия, кальция и др. вступают в химические реакции с кремнеземом (SiO2) и образуют сложные соединения, называемые силикатами. Поэтому неорганические стекла называются силикатными стеклами.
При температуре 1350—1600°С силикаты плавятся, образуя вязкую жидкость — стекломассу, из которой изготовляют различные стеклянные изделия. Так, посредством выдувания в металлические формы получают ламповые баллоны, посредством вытягивания изготовляют листовое стекло, трубки и стеклянные нити и др., а посредством прессования получают стеклянные изоляторы и другие изделия.
Плотность стекол колеблется в пределах от 2 до 8 г/см3 в зависимости от состава.
По своему химическому составу все силикатные стекла можно разделить на четыре группы: щелочные, щелочные с содержанием тяжелых окислов, малощелочные, бесщелочные.
Щелочные стекла сравнительно легкоплавкие (1350° С), содержат большое количество щелочных окислов, преимущественно Na20 и частично К2О. К этой группе стекол принадлежат оконное, посудное и бутылочное. Щелочные стекла обладают низкими значениями электрических характеристик и имеют большой коэффициент линейного расширения, что обусловливает их низкую термостойкость.
Щелочные стекла с содержанием тяжелых окислов обладают повышенными значениями электрических характеристик. К этой группе относятся флинты (содержат РЬО) и кроны (содержат ВаО). Они применяются для изготовления электроизоляционных изделий (конденсаторы, изоляторы для приборов).
Малощелочные стекла содержат щелочных окислов не более 6%. Из этих стекол изготовляют стеклянные изоляторы.
Бесщелочные стекла либо совершенно не содержат щелочных окислов (как, например, кварцевое стекло), либо содержат их в очень ограниченном количестве (менее 2%). Из беещелочных стекол изготовляют стеклянное волокно для электроизоляционных стеклотканей. Эти стекла отличаются сравнительно высокой температурой плавления. Для понижения ее в состав шихты вводят борный ангидрид (до 10%).
Рис. 148. Схема обдувочного устройства для закалки стеклянных изоляторов:
1 — стеклянный изолятор, 2 — верхнее сопло, 3 — нижнее сопло
До последнего времени все изоляторы изготовлялись из электрофарфора. Попытки применить для этой цели стекло оканчивались неудачей из-за недостаточной механической прочности и термической стойкости стеклянных изоляторов.
В настоящее время разработаны состав малощелочного изоляторного стекла и технология производства изоляторов из закаленного стекла.
Согласно этой технологии стекломасса, поступающая из ванной печи с помощью механического питателя, подается в чугунную пресс-форму автоматического пресса. С помощью пуансона происходит прессование изолятора и его внутренней полости. Затем нагретый изолятор захватывается механической рукой и устанавливается на вращающемся шпинделе закалочного автомата (рис. 148). Здесь изолятор равномерно обдувается холодным воздухом, поступающим через верхнее и нижнее сопла. Воздух подается вентилятором.
Механическая прочность закаленных стеклянных изоляторов в 2—3 раза выше, чем незакаленных, и выше, чем у фарфоровых изоляторов. Поэтому габариты закаленных стеклянных изоляторов меньше (на 10—20%) по сравнению с фарфоровыми на те же напряжения и механические нагрузки. Электрические и механические характеристики малощелочного стекла приведены в табл. 46.
Закаленные стеклянные изоляторы могут выдерживать перепад температур 45—55° С, в то время как фарфоровые выдерживают перепад температур 70° С.
Таблица 46
Основные характеристики малощелочного стекла и электрофарфора
Практика же эксплуатации стеклянных изоляторов показала, что их термостойкость обеспечивает длительную работу изоляторов на линиях электропередачи.
Стеклянные изоляторы малых габаритов (штыревые на напряжения до 10 кВ и некоторые другие) изготовляют не из закаленного, а из отожженного стекла. В этом случае изоляторы, отпрессованные на пресс-автоматах, отжигают. При этом температура изоляторов медленно повышается, а затем изоляторы медленно охлаждаются до комнатной температуры.
В процессе отжига у стеклянных изоляторов уничтожаются все внутренние напряжения, возникшие за счет их неравномерного охлаждения при прессовании.
