Изоляционные материалы характеризуются следующими механическими характеристиками: прочностью на разрыв, сжатием и изгибом, хрупкостью и твердостью, удельной ударной вязкостью и эластичностью. Поскольку упомянутые понятия известны из курса механики и сопротивления материалов, а также учитывая, что настоящее пособие предназначено для инженеров-электриков по эксплуатации электроустановок, а не для инженеров по электроизоляционным материалам, описание механических характеристик не приводится, кроме одной — хрупкости, которая характеризует специфические свойства изоляции.
Хрупкость. Некоторые материалы прочны при статических нагрузках, но легко разрушаются при внезапных динамических усилиях.
Например, этим свойством отличаются состарившиеся запеченные лаковые пленки изоляционных материалов. Хрупкость материала определяется испытанием на ударный изгиб (определяется ударная вязкость). Ударную вязкость ауц (Дж/м2) определяют по формуле
где А — энергия, затраченная на излом образца, Дж; S — площадь поперечного сечения образца, м2.
К физико-химическим характеристикам относятся кислотность, вязкость, температура вспышки, температура размягчения (аморфных диэлектриков), теплостойкость, холодостойкость, гигроскопичность, влагостойкость, химостойкость, короностойкость и дугостойкость.
Кислотность — важная характеристика жидких диэлектриков. Наличие свободных кислот увеличивает проводимость диэлектрика и приводит к разрушению тех материалов, с которыми жидкий диэлектрик соприкасается. Чем ниже кислотное число диэлектрика, тем выше качество изоляции. Поэтому кислотное число трансформаторного масла должно быть не более 0,05 г/кг и у большинства изоляционных лаков 1 ..3 г/кг.
В технике применяется ряд мер, исключающих или замедляющих окисление жидких диэлектриков в процессе эксплуатации: герметизация жидкого диэлектрика, его очистка, применение специальных добавок и т. п. Подробно эти меры рассмотрены в главе «Эксплуатация трансформаторного масла».
Кинематическая вязкость характерна для жидких изоляционных материалов. Жидкие диэлектрики в электроустановках используются в качестве изоляционного материала, охлаждающей среды и дугогасящей среды. Назначение жидкого диэлектрика определяется его вязкостью. Так, трансформаторное масло служит и диэлектриком, и охлаждающей средой. Чем меньше вязкость масла, тем лучше охлаждение трансформатора, но при этом уменьшается температура вспышки масла, что нежелательно и ограничивается требованиями ПУЭ. В масляных выключателях масло применяется в качестве дугогасящей среды. При низких температурах вязкость масла может оказаться настолько большой, что значительно увеличит время срабатывания выключателя, а это, в свою очередь, приведет к аварии. Поскольку вязкость жидкостей значительно зависит от температуры, правила технической эксплуатации регламентируют значение вязкости жидкого диэлектрика при определенной температуре. Так, кинематическая вязкость трансформаторного масла должна быть равна (17...18,5) • 10_б м2/с при 20°С (293 К) и (6,5...6,7) • 10-6 м2/с при 50°С (323 К)
Температура вспышки — это температура диэлектрика, при которой смесь его паров с воздухом вспыхивает от небольшого пламени. Чем выше температура вспышки, тем лучше жидкий диэлектрик. Для трансформаторного масла температура вспышки нормирована и должна быть не ниже 135°С (408 К).
Температура размягчения характеризует переход аморфной изоляции при ее нагреве в жидкое состояние, а температура застывания (морозостойкость) характеризует загустение жидкой изоляции настолько, что при наклоне пробирки с охлажденной жидкостью под углом 45° ее уровень остается неизменным в течение
мин. Например, для трансформаторного масла, согласно ГОСТ, температура застывания должна быть не выше —45°С (228 К) для средних и северных широт страны и —35°С (238 К) для южных.
Нагревостойкость — способность материалов и изделий без вреда для них выдерживать воздействие высокой температуры. Нагревостойкость органических материалов часто определяют по началу механической деформации растяжения или изгиба, а неорганических, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например по заметному росту tgδ или снижению удельного электрического сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответствующими значениями температуры (°С), при которой появляются эти изменения.
Остальные показатели, как видно из их названий, характеризуют радиационную стойкость, стойкость изоляционных материалов к нагреву или охлаждению (теплостойкость), воздействию влаги или воды (гигроскопичность и водопоглощаемость), а также химических реагентов (химостойкость), озона (короностойкость), электрической дуги (дугостойкость).
В результате тех или иных воздействий в электроизоляционных материалах, особенно органического происхождения, происходят необратимые физико-химические процессы. Эти материалы теряют эластичность, становятся хрупкими, снижается их механическая прочность, ухудшаются диэлектрические характеристики. Определение каждого физико-химического параметра имеет свои особенности. Например, гигроскопичность определяется как относительный прирост веса абсолютно сухого образца материала после выдержки его во влажной среде (гигростате), а водопоглощаемость — соответственно в воде в течение заданного промежутка времени (24,48 и более часов).
В последнее время особое внимание уделяется радиационной стойкости изоляционных материалов, при этом облучение материала в зависимости от его вида, дозы и времени может оказывать как отрицательное, так и положительное влияние на них.
