Электротехнический фарфор — наиболее старый и широко используемый в электротехнике керамический материал.
Несмотря на появление новых электроизоляционных материалов, в том числе и керамических, значение электрофарфора в отдельных отраслях электротехники, например в производстве высоковольтной аппаратуры и изоляторов, не только не снизилось, а наоборот, значительно возросло.
Существенное преимущество электрофарфора перед другими электрокерамическими материалами состоит в том, что он обладает рядом технологических свойств, необходимых для изготовления сложных по форме и крупных по размерам изделий, и имеет широкий температурный интервал спекания, позволяющий получить хорошую однородность изделий при обжиге в печах большого объема и сечения.
При этом следует отметить, что с освоением новых более высоких напряжений и мощностей высоковольтной аппаратуры наблюдается тенденция к дальнейшему увеличению размеров необходимых для них электрофарфоровых изделий.
Современные электрофарфоровые материалы обладают достаточно хорошей механической и электрической прочностью, удовлетворительной термической устойчивостью и хорошей устойчивостью к атмосферным воздействиям.
Электрофарфоровые массы содержат в своем составе около 50% пластичных сырьевых материалов (глин и каолинов), обеспечивающих необходимую пластичность и формуемость электрофарфора, а также достаточную прочность изделий в отформованном и высушенном состоянии.
Полевошпатовые материалы, вводимые в фарфоровые массы в качестве плавня, обеспечивают при обжиге широкий температурный интервал спекания.
Новые электрокерамические материалы, обладая по сравнению с электрофарфором в ряде случаев лучшими механическими, электрическими и другими характеристиками, уступают ему в технологическом отношении: для их изготовления требуются более дефицитные и дорогие виды сырья, а во многих случаях и повышенные температуры обжига; они имеют более узкий интервал спекания, создающий трудности при обжиге крупногабаритных изоляторов. Новые материалы в большинстве случаев менее пластичны, а в ряде случаев совсем непластичны и менее прочны в необожженном состоянии, что ограничивает их использование, особенно для изготовления крупногабаритных изделий.
Технологические преимущества электрофарфоровых масс связаны с особенностями их состава и физико-химическими процессами, протекающими при их обжиге.
Существенным преимуществом фарфоровых масс, содержащих кварц, полевой шпат и глину, является их малая чувствительность к небольшим изменениям в составе, методу производства и температуре обжига.
В связи с выявившейся потребностью в фарфоровых изделиях с высокой механической прочностью, например для воздушных выключателей, была проведена работа по исследованию и изысканию фарфоровых масс с более высокими механическими и диэлектрическими свойствами, с применением недефицитных видов сырья и по технологическим свойствам близких к используемым электрофарфоровым массам.
Результатом этих исследований явилась разработка ГИЭКИ совместно с заводом «Урализолятор» и освоение на этом заводе улучшенного кварц-полевошпатового фарфора (масса МД-6), а также разработка Ленинградским филиалом ГИЭКИ высокопрочного глиноземистого фарфора (масса М-134), освоенного на заводе «Пролетарий».
Сравнительные характеристики новых электрофарфоровых материалов и фарфоровых материалов, выпускаемых изоляторными заводами, приведены в табл. 1.
Типы и размеры образцов для определения свойств фарфора и методы испытаний соответствуют нормали ОИИ 643 000—62.
В фарфоровой массе МА-6, по сравнению с нормальными электрофарфоровыми массами, увеличено содержание кварца, уменьшено содержание полевого шпата и повышена дисперсность компонентов массы. Механическая прочность фарфора из этой массы повысилась на 23% при испытании на разрыв и на 20% при испытании на изгиб (по средним результатам испытаний).
Свойства высоковольтных электрофарфоровых материалов
* Для высоковольтных линейных изоляторов не менее 30.
** Для высоковольтных линейных изоляторов не выше 0,03.
Прочность глиноземистой фарфоровой массы М-134 выше прочности нормального электрофарфора соответственно на 68 и 65%. Обе фарфоровые массы уже ряд лет используют в изоляторном производстве. Их применение позволило выпускать электрофарфоровые изделия повышенной прочности для высоковольтных воздушных выключателей.
Изоляторы из новых фарфоровых масс изготовляют обычным методом пластичного формования. Технологические режимы близки к режимам изготовления изоляторов из нормальных фарфоровых масс.
Из глиноземистой фарфоровой массы М-134 изготовляют и другие типы высоковольтных изоляторов (например, длинностержневые, опорные колонковые и др), к механической прочности которых предъявляют высокие требования.
Фарфоровая масса МА-6, не требующая дефицитных и дорогих видов сырья, является перспективной для изготовления всего основного ассортимента высоковольтных изоляторов. Перевод производства электрофарфора на эту массу улучшит и качество изоляторов.
Среди известных керамических материалов фарфор содержит в своем фазовом составе наибольшее количество стекла (45-55%).
Химический состав стеклофазы и ее количество оказывают большое влияние на ряд характеристик фарфора, в первую очередь диэлектрических 121.
Химический состав стеклофазы определяется в первую очередь составом используемых полевошпатовых материалов. Так, увеличение содержания в полевошпатовых материалах окиси натрия, за счет окиси калия, вызывает возрастание угла диэлектрических потерь и уменьшение удельного объемного сопротивления, при этом резко увеличивается зависимость этих характеристик от температуры.
Изменяется и характер зависимости электрической прочности от температуры. У фарфора, изготовленного на высококалиевом полевом шпате электрическая прочность начинает снижаться при температурах 130—140° С, тогда как у фарфора на натриевом полевом шпате это снижение происходит уже при 50° С.
Проводимость фарфора при высоких температурах носит электролитический характер. При высоком постоянном напряжении и высокой температуре происходит свободное перемещение катионов согласно закону Фарадея. Исследования природы электропроводности высоковольтного фарфора показали, что последний практически обладает 100%-ной ионной проводимостью. До температуры 650° С в переносе зарядов участвуют
ионы натрия и калия, числа переноса для которых при 300° С соответственно равны 98 и 2%.
При использовании электрофарфоровых изделий и изоляторов для аппаратуры и линий электропередачи постоянного тока следует учитывать возможность перемещения ионов натрия электрофарфора под воздействием поля высокого постоянного напряжения и происходящее в результате этого старение материала.
Для этих условий работы необходимо использовать фарфор с высоким электрическим сопротивлением, в частности, изготовленный с применением калиевых полевых шпатов, и вообще с пониженным содержанием их.
