§ 64. Волокнистые электроизоляционные материалы
Волокнистые материалы состоят из волокон: природных, искусственных или синтетических. К природным относятся асбестовые , хлопковые, льняные, натуральный шелк и другие волокна растительного происхождения, например волокна различных деревьев (сосна, ель), идущие на изготовление бумаги. Асбестовые, хлопковые и льняные волокна извлекают механической обработкой асбеста, хлопка, льна и др. Древесные же волокна получают путем химической обработки древесины (древесной щепы).
Группу искусственных волокон составляют ацетатный и медноаммиачный шелка. Эти волокна получают путем химической обработки целлюлозы и вытягиванием из нее непрерывных нитей. Такое же вытягивание тонких нитей можно осуществить из расплавленного стекла и получить искусственное стеклянное волокно, которое имеет применение в качестве гибкой основы нагревостойкой изоляции.
Большое распространение в электрической изоляции получили волокна, изготовленные из синтетических смол и называемые синтетическими волокнами. Они, как и стеклянные волокна, изготовляются методом вытягивания через тонкие отверстия фильеры непрерывной нити из расплавленной смолы. К синтетическим волокнам относятся волокна из капрона, лавсана и других синтетических смол.
По своей химической природе волокна могут быть неорганическими (асбестовые, стеклянные) и органическими (хлопок, шелк, капрон и др.). Первые будут легче вторых переносить действие нагревания и поэтому используются как вещества нагревостойкие. Органические же волокна и волокнистые материалы на их основе отличаются малой нагревостойкостью (80—100° С).
Волокна растительного происхождения (древесные, хлопковые и др.) внутри имеют канал весьма малого диаметра, называемый капилляром. Наличие капилляра в волокнах создает возможность попадания в него влаги, что ухудшает их электроизоляционные свойства. Материалы, легко поглощающие влагу из окружающей среды, называются гигроскопическими. Синтетические и стеклянные волокна внутреннего капиллярного канала не имеют. Поэтому они менее гигроскопичны по сравнению с растительными волокнами. Однако эти волокна могут покрываться пленкой воды с поверхности, что также ухудшает их электроизоляционные свойства. В целях снижения гигроскопичности все волокнистые материалы, применяемые для изоляции в электрооборудовании, подвергают пропитке электроизоляционными лаками и различными пропиточными составами. Пропиточные лаки и составы (компаунды) заполняют капиллярные каналы и покрывают поверхность волокон тонкой пленкой, предохраняющей волокнистый материал от влияния на него влаги. Таким образом, каждый волокнистый электроизоляционный материал должен быть обработан пропиточными лаками и компаундами. Это повышает нагревостойкость и влагостойкость изоляции из волокнистых материалов (обмотки электрических машин, трансформаторов и др.) К волокнистым электроизоляционным материалам относятся специальные сорта бумаги, картоны, ткани и ленты.
§ 65. Электроизоляционные бумаги, картоны и фибра
Из древесины хвойных пород (сосна, ель) путем ее химической переработки получают техническую целлюлозу, или клетчатку, которая является сырьем для изготовления различных электроизоляционных бумаг и картонов. В составе дерева, помимо клетчатки, имеются лигнин *, смолистые и другие вещества, которые, оставаясь в целлюлозе, придают бумаге хрупкость и снижают электроизоляционные свойства. Чем меньше этих примесей в бумагах, тем они прочнее, эластичнее и тем они медленнее стареют. Поэтому при химической переработке древесины па целлюлозу, предназначенную для изготовления электроизоляционных бумаг, главной задачей является полное удаление из древесины лигнина, смол и других загрязняющих веществ и получение технически чистой целлюлозы.
* Лигнин — органическое вещество, содержится в древесине в количестве 28—30%.
Перед химической переработкой из древесины удаляют сучки и поврежденные гнилью места и дробят ее па щепу. Для превращения щепы в целлюлозу ее варят в закрытых котлах (автоклавах) с применением кислых или щелочных веществ — химикатов. Варку щепы проводят при температурах 150—175° С и давлениях 7—9 атм в кислотной или щелочной среде. В случае кислотной варки в котел добавляют кислый раствор бисульфита кальция Ca(HS03)2, т. е. раствор этого реагента в сернистой кислоте H2SO3, а в случае щелочной варки — смесь из едкого натра (NaOH) и сернистого натрия (Na2S). В результате кислотной варки древесины получают так называемую сульфитную целлюлозу, а в результате щелочной варки — сульфатную целлюлозу.
Для изготовления электроизоляционных бумаг и картонов используют преимущественно сульфатную целлюлозу, которая обеспечивает лучшие электрические, механические и тепловые свойства бумаги.
Полученную после варки целлюлозу промывают водой, а затем подвергают мокрому размолу в специальных ваннах (ролах), снабженных вращающимся барабаном с ножами. Дно ванны имеет выступ в виде горки. Попадая между ножами барабана и острым выступом горки, очищенные варкой волокна разрубаются на мелкие части и расщепляются вдоль на более тонкие волокна. В зависимости от величины зазора между ножами и выступом горки осуществляется жирный или тощий помол. Для жирного помола устанавливают тупые ножи па большом расстоянии от выступа горки па дне ванны. В результате происходит лишь расщепление или расчес па тонкие волокна. Таким образом, при жирном помоле волокна механически не разрушаются, а их капиллярные каналы остаются закрытыми. Для получения целлюлозы тощего помола применяют острые ножи. Расстояние между ними и горкой меньше, чем в первом случае. При этом волокна целлюлозы преимущественно рубятся поперек, в результате чего обнажаются внутренние каналы.
При жирном помоле волокна получаются длинными и топкими. Бумага, изготовленная из целлюлозы жирного помола, обладает большей гибкостью и большой механической прочностью. Тощий жe помол дает короткие толстые волокна, которые обусловливают рыхлость бумаги, малую механическую прочность, а также большую способность впитывать воду и другие жидкости.
Размолотая целлюлоза называется бумажной массой. Для изготовления из нее бумаги масса подается на движущуюся металлическую сетку бумажной машины, к поверхности которой она прижимается металлическими валками. Вода при этом отжимается и уходит через сетку, а масса формируется в полотно бумаги, которое затем переходит па суконную ленту. Здесь полотно бумаги сначала обминается холодными вальцами, а потом оно проходит через систему нагретых чугунных валков, затем полотно бумаги обжимается системой холодных валков, после чего сматывается в рулон. Влажность бумаг находится в пределах 5—9%. С увеличением влажности бумаги ее электроизоляционные свойства и механическая прочность заметно ухудшаются. Очень важными характеристиками бумаги являются: объемный вес, предел прочности при растяжении (ар), а также воздухопроницаемость. Воздухопроницаемость есть объем воздуха (в миллилитрах), проходящий за одну минуту через образец бумаги площадью 10 см2 при разряжении 100 мм водяного столба. Ясно, что наиболее плотные бумаги с большим объемным весом обладают меньшей воздухопроницаемостью, а следовательно, имеют капилляры и поры меньшего размера. Так, у конденсаторных бумаг воздухопроницаемость составляет 3—5 мл/мин, а у кабельных бумаг она равна 20—25 мл/мин.
Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, телефонные (для кабелей связи), конденсаторные, пропиточные, намоточные и крепированные. Для многих электроизоляционных бумаг важной характеристикой является электрическая прочность.
Кабельная бумага составляет основную изоляцию кабелей высокого и низкого напряжения. Она после намотки на кабель пропитывается электроизоляционным маслом или маслоканифольным составом. При намотке па кабельную жилу ленты из бумаги подвергаются механическому натяжению. Поэтому кабельная бумага должна обладать достаточно высокой механической прочностью при растяжении. Кроме того, в готовом кабеле в процессе его укладки намотанная бумага может подвергаться изгибам и поэтому должна обладать значительной прочностью па двойные перегибы.
Кабельные бумаги вырабатывают из сульфатной целлюлозы преимущественно жирного помола в целях обеспечения высоких механических свойств. Жирный помол, кроме этого, придает бумаге большую плотность и малую пористость. Пропитывающее жидкое вещество (масло или маслоканифольный состав) разбивается бумагой при пропитке на тонкие пленки и каналы, что повышает ее электрическую прочность. Электрическая прочность непропитанной кабельной бумаги составляет 6—9 кВ/мм, а пропитанной трансформаторным маслом — 70—90 кВ/мм.
Кабельные бумаги выпускают для изоляции жил силовых кабелей на напряжение до 35 /се; от 35 до 110 кВ и выше 110 кВ.
Перечисленные группы кабельных бумаг отличаются друг от друга количеством слоев, толщиной, объемным весом, воздухопроницаемостью и другими характеристиками.
Кабельные бумаги, маркируемые* буквами К (К-080; К-120; К-170) и КВ (КВ-030; КВ-045; КВ-080; КВ-120; КВ-170; КВ-240), выпускаются двухслойными, а бумаги, маркируемые буквами КМ (КМ-120; КМ-170) и КВМ (КВМ-080; КВМ-120; КВМ-170), состоят из трех и четырех слоев. Многослойные бумаги по сравнению с двухслойными обладают большей гибкостью, эластичностью и имеют меньшую воздухопроницаемость, а следовательно, и большую электрическую прочность.
*Цифры показывают толщину бумаги в миллиметрах, а буквы обозначают следующее: К — кабельная, КВ — кабельная высоковольтная, КВМ — кабельная высоковольтная многослойная, добавление буквы «у» — уплотнённая.
Кроме перечисленных, выпускаются еще уплотненные кабельные бумаги, маркируемые буквами КВУ (толщина: от 0,15 мм до 0,120 мм) и КВМУ (КВМУ-080; КВМУ-120). Уплотненные бумаги отличаются большим объемным весом, меньшими отклонениями по толщине, меньшей воздухопроницаемостью, что обеспечивает им более высокие значения механических и электрических характеристик. Уплотненные кабельные бумаги применяются для изоляции жил кабелей на напряжения выше 35 кВ.
Все кабельные бумаги являются гигроскопическими материалами, легко увлажняющимися во влажном воздухе, поэтому все операции по наложению бумажной изоляции должны производиться в строго кондиционированных условиях окружающего воздуха. Перед пропиткой жидкими диэлектриками бумажная изоляция кабелей и вводов подвергается длительной сушке.
Телефонная бумага является разновидностью кабельной бумаги. Она изготовляется тоже из сульфатной целлюлозы и применяется для изоляции жил телефонных кабелей. Она обозначается маркой КТ (кабельная телефонная) и выпускается в рулонах шириной 500 мм и толщиной 0,04 (КТ-04) и 0,05 мм (КТ-0,5). Телефонная бумага выпускается натурального цвета и окрашенной в красный, синий и зеленый цвета, что необходимо для распознавания жил телефонных кабелей.
Механические и электрические характеристики телефонной бумаги ниже, чем у кабельных бумаг.
Конденсаторная бумага, будучи пропитана жидким диэлектриком, применяется в бумажных конденсаторах. Для изготовления этой бумаги используется наиболее чистая сульфатная целлюлоза жирного помола, обеспечивающего получение длинных волокон. Конденсаторные бумаги — самые тонкие бумаги, однородные по толщине. Их толщина колеблется в пределах от 0,004 до 0,030 мм. По плотности они разделяются на три группы: с плотностью 0,8 г/см3-, 1,0 г/см3 и от 1,17 до 1,25 г/см3. Воздухопроницаемость* их невелика (3-МО мл/мин), что указывает на их сравнительно высокую электрическую прочность, которая колеблется в пределах от 19,0 до 65 кВ/мм соответственно их толщине **.
* Воздухопроницаемость — количество воздуха, проходящего через образец пористого материала заданной площади в минуту.
**С увеличением толщины электрическая прочность бумаги уменьшается.
После пропитки минеральным конденсаторным маслом электрическая прочность конденсаторных бумаг повышается и находится в пределах от 250 до 300 кВ/мм. Конденсаторные бумаги содержат минимальное количество токопроводящих частиц (неметаллические и др.), что обеспечивает высокий уровень электрических характеристик. Предел прочности при растяжении конденсаторных бумаг достигает ар= 1000 кГ/см2. Конденсаторная бумага выпускается в бобинах шириной от 12 до 750 мм.
Пропиточная бумага предназначается для изготовления слоистой электроизоляционной пластмассы — гетинакса. Пропиточная бумага вырабатывается из сульфатной целлюлозы и имеет толщину 0,09; 0,11 и 0,13 мм, а плотность 0,6—0,8 г/см3. Поэтому у пропиточных бумаг воздухопроницаемость и впитываемость выше, чем у других бумаг, что необходимо для обеспечения хорошей пропитки бумаги в производстве гетинакса. С целью улучшения штампуемости и механической прочности гетинакса начали выпускать сульфитно-хлопковую бумагу толщиной 0,10 и 0,12 мм.
Намоточная бумага применяется для изготовления электроизоляционных намоточных изделий цилиндров и изоляционных трубок для трансформаторов и электрических аппаратов.
Намоточная бумага вырабатывается из небеленой целлюлозы жирного помола. Плотность этих бумаг 0,75 г/см3, толщина 0,05 и 0,07 мм, электрическая прочность не менее 8 кВ/мм.
Для получения электроизоляционных цилиндров бумага должна быть покрыта электроизоляционным лаком с одной стороны. Это достигается большей плотностью и малой пропитывающей способностью намоточных бумаг по сравнению с пропиточными бумагами.
Микалентная бумага применяется для изготовления гибкой слюдяной ленты, для чего на полотно микалентной бумаги наклеиваются листочки слюды. Микалентная бумага должна обеспечивать гибкость изделия, повышать его механическую прочность на разрыв и быть одновременно тонкой, чтобы не снижать электрических характеристик .микаленты (электрической прочности и других). Кроме того, микалентная бумага должна обладать достаточной механической прочностью в пропитанном состоянии, так как в производстве микаленты она пропитывается лаками и подвергается значительным усилиям на растяжение. Чтобы была возможна хорошая и быстрая пропитка лаками, эта бумага должна также обладать большей пористостью. Для изготовления микалентной бумаги используется длинноволокнистый хлопок с волокнами, ориентированными преимущественно в направлении длины полотна бумаги. Кроме того, в микалентную бумагу вводятся 10—15% крахмального клейстера. Это обеспечивает ей большую механическую прочность, равную в направлении вдоль полотна бумаги 650— 800 кГ/см2, а поперек полотна 90—100 кГ/см2. Микалентная бумага выпускается в рулонах шириной 450 п 900 мм. Толщина бумаги 18— 20 мкм (0,018-0,020 мм).
Крепированная бумага применяется для изолирования отводов и мест соединений в обмотках трансформаторов и других маслонаполненных электрических аппаратах.
Эта бумага на своей поверхности имеет креп (гофрировку). Линии крепа нанесены перпендикулярно направлению полотна бумаги. Благодаря этому крепированная бумага обладает гибкостью и хорошо растягивается в продольном направлении (удлинение 50— 60%). Это позволяет надежно произолировать отводы от обмоток и сильно изогнутые соединительные провода.
Крепированная бумага изготовляется из небеленой сульфатной целлюлозы толщиной 0,17 мм (без крепа) и 0,5 мм (с крепом) и имеет объемный вес 0,7 г-см3. Бумага выпускается в рулонах шириной 500 мм. Применение крепированной электроизоляционной бумаги взамен дорогостоящих маслостойких лакотканей в трансформаторах дало большой экономический эффект без снижения электрической прочности изоляции выводов.
Электроизоляционные картоны изготовляют тем же способом, что и бумаги, но они имеют большую толщину (от 0,1 до 3,0 мм). Сырьем для изготовления картонов является масса из сульфатной целлюлозы или из смеси целлюлозы с хлопковым волокном. Последнее обеспечивает повышенные механические и электроизоляционные свойства картонам. Процесс производства картонов аналогичен процессу производства бумаг, но применяется несколько другое оборудование и вводятся дополнительные технологические операции по оформлению полотна картона и окончательной отделке. Картоны толщиной от 0,1 до 0,8 мм выпускаются в рулонах шириной до 1015 мм и представляют собой гибкие материалы, картоны толщиной от 1 мм и больше выпускаются в листах разных размеров — до 3X4 м2.
Картоны, предназначенные для работы на воздухе, так называемые «воздушные картоны», изготовляют из смеси целлюлозы и хлопкового волокна. Они проходят дополнительную обработку стальными вальцами для уплотнения и полировки. В некоторые из картонов вводят клеящие вещества па основе канифоли и крахмала с целью уменьшения гигроскопичности и получения более плотной структуры (ЭВП и ЭВС).
Картоны, применяемые в маслонаполненных машинах и аппаратах (трансформаторах и др.), так называемые «масляные» картоны, изготовляют из смеси сульфатной целлюлозы и хлопкового волокна без дополнительной обработки на вальцах. Они имеют несколько рыхлую структуру, поэтому хорошо пропитываются, маслом. Картоны для работы па воздухе выпускают марок ЭВС; ЭВП, ЭВТ, ЭВ в листах и рулонах шириной до 1050 мм и толщиной от 0,1 до 3,0 мм.
Объемный вес этих картонов составляет 0,95—1,25 г/см3, предел прочности при растяжении 8,5—13 кГ/см2\ электрическая прочность изменяется от 8 до 13 кВ/мм в зависимости от толщины. Воздушные картоны применяются для пазовой и межвитковой изоляции в электрических машинах низкого напряжения.
Картоны для работы в масле выпускаются под марками: А, Б, В, Г. Они вырабатываются толщиной от 0,5 до 3,0 мм, их объемный вес составляет: 0,9—1,2 г/см3. Предел прочности при растяжении 4,0—6,0 кГ/см2 (в поперечном направлении). Электрическая прочность в пропитанном виде находится в пределах от 38 до 60 кВ/мм.
Фибра изготовляется из проклеенной бумаги, имеющей в своем составе хлопковое волокно и древесную целлюлозу (по50%). Бумагу пропускают через ванну с нагретым (до 50° С) раствором хлористого цинка (ZnCI2), а затем наматывают на стальной барабан до определенной толщины. При обработке бумаги раствором хлористого цинка па ее поверхности образуется клейкое вещество — амилоид. При намотке на барабан листы бумаги склеиваются друг с другом, образуя плотный материал — фибру, который разрезается на листы и прессуется. Непрореагировавший хлористый цинк удаляется из фибры посредством пропускания фибровых изделий (листы, стержни) через чаны с растворами хлористого цинка постепенно уменьшающейся концентрации. Окончательную промывку фибры производят водой.
Остаток неудаленного из фибры хлористого цинка вызывает снижение ее механических и электрических характеристик.
Из фибры изготовляют листы толщиной от 0,6 до 20 мм и более, а также стержни и трубки. Объемный вес фибры 1,1 —1,2 г/см3. Она обладает высоким пределом прочности при растяжении: ар =500+700 кГ/см2 в продольном направлении и 300 + 450 кГ/см2 в поперечном. Фибра легко поддается механической обработке: пилится, сверлится, строгается и нарезается. Листовая фибра штампуется, а при размачивании водой из нее можно формовать изделия сложного профиля. Недостатками фибры являются гигроскопичность и набухание во влажной среде. После сушки фибра обнаруживает усадку, что затрудняет изготовление из нее точных деталей.
Электрические характеристики ее невелики: Qb=1094-109 ом-см; Fnp = 3,5--7,0 кВ/мм.
В электротехнике фибра марки ФЭ (электротехническая) используется в качестве электроизоляционного материала в электрооборудовании низкого напряжения, например в качестве пазовых клиньев и прокладок в электрических машинах невлагостойкого исполнения. Фибра применяется для разрядников высокого напряжения, в которых стенки фибрового цилиндра под действием электрической дуги интенсивно выделяют газы. В результате возрастающего давления газов внутри трубчатого разрядника дуга прекращает свое горение.
