Газообразные диэлектрики
Газообразные диэлектрики подразделяются на естественные и искусственные.
Естественным газообразным диэлектриком является воздух, используемый в сухих трансформаторах, кабелях, конденсаторах, выключателях и линиях электропередач. Основные характеристики воздуха и их зависимости от температуры, давления и частоты рассмотрены выше.
Искусственные газообразные диэлектрики — это азот, элегаз, фреон и др. Азот практически имеет одинаковую с воздухом электрическую прочность, поэтому его нередко применяют вместо воздуха для заполнения газовых конденсаторов и для других целей, поскольку он не содержит кислорода. Элегаз не имеет запаха, безвреден, негорюч, нагревостоек — до 800°С (1073 К), инертен к металлам и другим материалам, не образует взрывчатых смесей с другими газами, используется в конденсаторостроении. В аппаратах с неоднородным полем используется под небольшим избыточным давлением (до 17,5 кПа) смесь фторсодержащих газов с азотом.
Для заполнения электровакуумных приборов и ламп применяются инертные газы (аргон, неон и др.), а также пары ртути и натрия.
В качестве низкотемпературного хладоагента, в частности для устройств, использующих явление сверхпроводимости, применяется сжиженный гелий.
В электромашиностроении в качестве охлаждающей среды вместо воздуха широко распространен водород, обладающий высокими значениями теплопроводности и теплоемкости. За счет меньшей плотности газа заметно уменьшаются потери ротора на трение о газ и на вентиляцию, за счет отсутствия кислорода замедляется старение органической изоляции обмоток и устраняется опасность возникновения пожара внутри машины при возникновении короткого замыкания.
Жидкие диэлектрики
Жидкие диэлектрики используются в качестве пропитывающей среды для волокнистых материалов, составной части изоляционных лаков, охлаждающей и дугогасящей среды. Они подразделяются на естественные и искусственные.
Естественные жидкие диэлектрики. К ним относятся растительные и нефтяные масла. В свою очередь, растительные масла делятся на две условные группы: высыхающие и невысыхающие.
К высыхающим растительным маслам относятся жидкости растительного происхождения, способные под действием нагрева, освещения и других факторов, а также соприкосновения с воздухом переходить в твердое состояние. Слой масла, нанесенный на поверхность материала, высыхает и образует твердую, блестящую, прочную, пристающую к материалу пленку с относительно высокими электроизолирующими свойствами. Высыхание масла — сложный химический процесс взаимодействия масла с кислородом воздуха. Процесс высыхания масла может быть ускорен добавлением к маслу сиккативов — соединений металлов свинца, кальция, марганца и кобальта. Наиболее распространенные высыхающие масла — льняное и тунговое.
Льняное масло применяется для изготовления светлых лаков в качестве их основы (например, лак № 802) и светлых лакотканей. Пленки высыхающих масел довольно влагостойки даже при нагреве. Поэтому льняное масло может применяться для пропитки обмоток масляных трансформаторов, а желтая лакоткань — для изоляции их при изготовлении и ремонте.
Тунговое масло дает более прочную и влагостойкую пленку.
В отличие от льняного масла, сохнущего с поверхности, тунговое масло даже в толстом слое высыхает равномерно.
Недостатками высыхающих масел, особенно тунгового, являются склонность пленок к тепловому старению (пленка становится хрупкой, на ней образуются трещины, она теряет механическую прочность и отстает от подложки), малая стойкость к ароматическим углеводородам (бензолу и т. д.).
Кневысыхающим растительным маслам относится касторовое масло, которое применяется для пропитки бумажных конденсаторов, рассчитанных на работу при постоянном напряжении. В низковольтных конденсаторах применяется также гидрогенизированное касторовое масло — олеовакс, представляющий собой твердое вещество с диэлектрической проницаемостью порядка 10...20 при 20°С (293 К) и частоте 50 Гц. Касторовое масло имеет недостаточную термическую стабильность и склонность к загустеванию. В результате специальной обработки касторовое масло превращается в высыхающее и применяется при изготовлении лаков.
Нефтяные масла широко применяются в электроаппаратостроении, в эксплуатации и при ремонте. Нефтяные масла по применению подразделяются на трансформаторные, кабельные, конденсаторные. Последние два отличаются более глубокой очисткой и улучшенными характеристиками.
Трансформаторное масло получают из нефти. В результате перегонки нефти получают бензин, керосин и остаток—мазут. Перегонкой мазута получают масляные фракции. Полученное масло очищают от химически нестойких примесей при помощи серной кислоты, нейтрализуют щелочью, промывают водой, фильтруют и сушат. Окончательно масло очищают при помощи пористых веществ с сильно развитой внутренней поверхностью — адсорбентов (до 1000 м2 на 1 г), способных поглощать содержащиеся в масле полярные примеси.
Трансформаторное»масло подразделяют на чистое сухое (свежее) и эксплуатационное, то есть находящееся в работе в трансформаторе или другом аппарате.
Ряд параметров трансформаторного масла (кислотность, вязкость, температура вспышки и застывания) рассмотрен в разделе физико-химических свойств диэлектриков.
Кратко рассмотрим другие его свойства.
Плотность. Желательно иметь меньшую плотность (0,85... 0,9 мг/м3), если это не ведет к ухудшению других характеристик, например температуры вспышки масла. При меньшей плотности примеси масла — уголь, осадки, свободная вода и другие — быстрее опускаются на дно, выходя из зоны действия электрического поля. При большей плотности примеси, всплывая наверх, могут образовать проводящие мостики.
Содержание серы. Присутствие серы в масле недопустимо, так как она способствует образованию вредных мыл, кислой реакции масла и коррозии металлов.
Внешний вид масла. Свежее масло имеет светло-желтый цвет. В эксплуатации под влиянием загрязнений и окисления оно темнеет. Сильное потемнение масла указывает на его недоброкачественность. Масло должно оставаться прозрачным при охлаждении до 5°С (278 К), по прозрачности можно судить о загрязненности масла. Хорошее масло должно иметь слабый запах керосина.
Диэлектрические характеристики. В энергосистемах контроль за качеством масла в эксплуатации осуществляют по значению тангенса угла диэлектрических потерь и пробивному напряжению.
В эксплуатации приняты следующие значения tgδ (%) для масел при /=20°С: новое масло (не бывшее в работе) не более 0,2; после заливки не более 0,4; эксплуатационное масло не более 1. Нормированная электрическая прочность масла зависит от класса изоляции электрооборудования. Минимальное Пробивное напряжение эксплуатационного масла для трансформаторов, аппаратов и изоляторов с напряжением до 15 кВ включительно должно быть не менее 20 кВ, для. установок напряжением выше 15 до 35 кВ—25 кВ И для установок напряжением от 60 до 220 кВ«— 35 кВ. Для свежего сухого масла пробивное напряжение должно быть на 10 кВ выше применительно к соответствующему классу изоляции.
Искусственные жидкие диэлектрики. Совол — негорючая прозрачная бесцветная вязкая полярная жидкость с диэлектрической проницаемостью, в 2...2,5 раза большей, чем у трансформаторного масла, и поэтому широко применяется для пропитки бумажных конденсаторов; емкость последних увеличивается на 50% по сравнению с масляными конденсаторами.
Совтол — смесь совола с трихлорбензолом — по вязкости, температуре замерзания и диэлектрическим свойствам близок к трансформаторному маслу, не воспламеняется, термически стабилен, допускает рабочую температуру до 150°С (423 К) и поэтому широко применяется в трансформаторах как заменитель изоляционного масла. Объем совтоловых трансформаторов на 30...50% меньше, чем масляных. Они пожаро- и взрывобезопаснее, не требуют специальных помещений и ограждений и устанавливаются прямо в производственных помещениях, Что значительно сокращает стоимость трансформаторных пунктов. Совтоловые трансформаторы имеют специальную стеклянную и слюдяную изоляцию, так как совтол хорошо растворяет органические материалы.
Кремнийорганические жидкости негорючи, нагревостойки, имеют низкую температуру замерзания —80°С (193 К); 8=2,5...3,5; рн=1014...1015 Ом-см; tgδ при 50 Гц составляет 0,0002... 0,0005; £Пр = 20...25 МВ/м. В последнее время кремнийорганические жидкости нашли широкое применение, особенно для изготовления конденсаторов, работающих при высоких низких температурах.
Фторорганические жидкости также нагревостойки (до 300°С или 573 К), полностью негорючи, химически стабильны, негигроскопичны, имеют малое поверхностное натяжение, е=1,85„. 1,9; р—1014...1017 Ом-см; tgδ = 0,0005. Только при нагреве выше 500°С могут выделять токсичные вещества. При замене трансформаторного масла фторорганической жидкостью в качестве охлаждающей среды получается улучшение теплоотвода до 300%.
Твердеющие изоляционные материалы
К твердеющим изоляционным материалам относятся рассмотренные выше высыхающие масла, компаунды, а также лаки, жидкие в исходном состоянии и переходящие в твердую прочную эластичную пленку после соответствующей сушки.
Основой лаков являются смолы. По своему происхождению смолы делятся на естественные (природные) и искусственные (синтетические).
Синтетические смолы подразделяются на две группы: термопластичные и термореактивные. В исходном состоянии смолы хрупки в толстом слое, но относительно гибки в тонком слое, негигроскопичны, растворяются в растворителях, но не в воде.
Термопластичные смолы характеризуются двумя стадиями состояния — исходное и при нагреве. При нагреве они расплавляются, не изменяя химического состава, и легко растворяются в растворителях. Дальнейший нагрев приводит к их испарению и разрушению.
Синтетические термопластичные смолы — это полиолефины. Большинство термопластичных смол имеют в качестве основы этилен и его производные: полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен, полистирол, поливинилхлорид, полиакрилаты. Основные характеристики смол приведены в таблице 2.
Термореактивные смолы при нагреве расплавляются, а затем претерпевают необратимые изменения — запекаются и приобретают значительную механическую прочность и твердость, теряя при этом свойства плавкости и растворимости даже в растворителях. В электрических машинах и аппаратах чаще применяются термореактивные материалы. Выбор же материала зависит от конкретных условий работы электрической машины.
Природные смолы — продукт жизнедеятельности растений и живых организмов. В электротехнике применяются канифоль, шеллак, копалы.
Канифоль — смесь различных органических кислот, получаемая путем отгонки жидких составных частей живицы (природной смолы хвойных деревьев). Ее широкое применение в пропиточных, заливочных и покровных составах замедляет старение состава (стабилизатор), повышает вязкость (загуститель кабельных масс) или твердость (лаковая пленка) и улучшает диэлектрические характеристики составов при нормальной температуре. В лаках канифоль служит также сиккативом — ускорителем сушки. Хорошо растворяет окись меди при повышенной температуре (150°С или 423 К). Канифоль сосновая марки А широко применяется при пайке меди в условиях эксплуатации и ремонта асинхронных электродвигателей, сварочных и синхронных генераторов, осветительных щитков и др.
Ранее применявшиеся природные смолы шеллак и копалы в настоящее время заменяются синтетическими.
Изоляционные лаки применяются при изготовлении, эксплуатации и ремонте электрических машин и аппаратов. Они состоят из лакоосновы (пленкообразующих веществ), растворителя, сиккатива (вещества, ускоряющего процесс сушки — отвердевания) и пластификаторов, придающих пленке пластичность. К лакам предъявляется ряд подчас противоположных требований: иметь высокие диэлектрические характеристики в режимах эксплуатации и сушки; обладать хорошей пропитывающей способностью и малым временем сушки; не размягчаться в эксплуатации; быть эластичными и не ухудшать гибкость пропитанной изоляции; иметь хорошую теплопроводность, адгезионную сцепляемость и цементирующую способность и вязкость; обладать малой горючестью, не оказывать вредного влияния на активные металлы и изоляцию машины или аппарата; быть дешевыми и нетоксичными.
Лаки классифицируются по целому ряду признаков:
по составу — масляные, масляно-смоляные, масляно-битумные, масляно-глифталевые и т. п.;
по применению — клеящие, пропиточные, покровные и специальные (эмали);
по условиям эксплуатации—нормальные, маслостойкие, бензостойкие, влагостойкие, кислотостойкие;
по нагревостойкостн — нормальной (105°С или 378 К), повышенной (135 или 408 К) и высокой (180°С или 453 К);
по воздействию на них температуры — термопластичные и термореактивные;
по режиму сушки — холодной (воздушной) и горячей (печной) сушки.
В настоящее время для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов применяется черный масляно-битумный пропиточный лак горячей сушки БТ-980, в качестве покровного — БТ-99 и в качестве клеящего — БТ-95. Для пропитки обмоток маслозаполненных трансформаторов используется светлый масляно-глифталевый пропиточный лак ГФ-95 горячей сушки. Кроме того, для пропитки обмоток электрических машин применяется светлый фенольный пропиточный лак ФЛ-98 горячей сушки, а для пропитки обмоток электрических машин, работающих в условиях повышенной влажности и температуры, используется светлый кремнийорганический пропиточный лак КО-964 высокой нагревостойкостн. Электрическая прочность лаковой пленки при нормальных условиях для различных лаков составляет 30...75 МВ/м.
В последние годы двигатели, поставляемые сельскому хозяйству, пропитывают химостойким глифталемасляным лаком МЛ-92, представляющим сложный раствор полиэфиров с различными добавками.
В качестве покровных лаков применяются глифталемасляные эмали ГФ-92, ГС, ГФ-95, эмали сложных составов типа ЭП-91 и др. Для пропитки нагревостойких машин применяются также кремнийорганические лаки.
До последних лет обмотки, масляных трансформаторов пропитывали термореактивными масляными или масляно-глифталевыми лаками горячей сушки повышенной нагревостойкости, имеющими высокую маслостойкость. В настоящее время почти все заводы электропромышленности не пропитывают обмотки трансформаторов лаками. Как показали исследования, характеристики изоляции трансформаторов при этом изменяются незначительно. Однако при отсутствии качественной пропитки заметно уменьшается динамическая прочность обмоток трансформатора, что представляет особую опасность для них при сквозных коротких замыканиях.
В качестве растворителей масляно-битумных и других Лаков служат бензин, керосин, бензол, толуол и другие материалы, образующие с воздухом при определенных условиях пожаро- и взрывоопасные смеси. Поэтому операции пропитки и сушки не вписываются в технологический процесс изготовления или ремонта машин, сам процесс пропитки и сушки довольно сложен. Названные лаки стали заменять водоэмульсионными, представляющими собой водную эмульсию той или иной смольной основы.
Водоэмульсионные лаки нетоксичны, пожаробезопасны, могут быть приготовлены на месте использования, имеют незначительную стоимость, но не стабильны.
Операции пропитки и сушки могут быть включены в единый технологический поток изготовления или ремонта мащины.
Сравнительные испытания изоляции, пропитанной масляно-битумными, масляно-смоляными и водоэмульсионными лаками не выявили различий в их диэлектрических характеристиках. Процесс пропитки и сушки обмоток с использованием водоэмульсионных лаков упрощается: отпадает необходимость первой сушки перед пропиткой обмоток машин и аппаратов (при пропитке водоэмульсионным лаком происходит естественное увлажнение обмоток машин), пропитка осуществляется при естественном давлении, так как водоэмульсионный лак хорошо проникает в мельчайшие поры изоляции.
Водоэмульсионные лаки в отличие от масляных и масляно-смоляных, требующих ступенчатого режима сушки обмоток, допускают резкое повышение температуры нагрева при сушке; при этом не образуется пузырей, нарушающих монолитность лаковой пленки.
В последнее время разработаны и нашли применение в электропромышленности многочисленные лаки новых марок, обладающие улучшенными качествами. Это эскапоновые лаки — растворы каучука в органических растворителях, применяемые для пропитки обмоток влагостойкого и морского исполнения; полиэфирные и модифицированные лаки типа ПЭ, например ПЭ-955, применяемый для изготовления эмальпроводов марки ПЭТ-155 для электрических машин новейшей серии 4А, в том числе электродвигателей сельскохозяйственного исполнения, допускающий длительный нагрев до 155°С (428 К) и имеющий среднее пробивное напряжение лаковой пленки толщиной 0,06...0,07 мм, равное 7,5 кВ.
Лаки этого типа находят применение и для изготовления эмаль* проводов с рабочей температурой до 180°С (463 К) и пропитки обмоток электродвигателей с изоляцией класса нагревостойкостн В и даже Н, а также для изготовления электроизоляционных трубок марки ТЭС класса нагревостойкостн В. Электрическая прочность пленки таких лаков колеблется от 2,5 до 9 МВ/м.
Пропиточные кремнийорганические компаунды и составы служат для пропитки обмоток электрических машин различных классов нагревостойкостн, в том числе электродвигателей новой серии 4А.
Компаунды — пропиточные и заливочные составы, не содержащие растворителя, находящиеся в момент применения при нормальной или повышенной температуре в жидком состоянии и твердеющие после применения в результате охлаждения или химических процессов. Вследствие отсутствия растворителей компаунды лучше лаков обеспечивают герметизацию узлов и деталей электрических машин и аппаратов.
По типу связующего компаунды делятся на ряд групп: компаунды на основе эпоксидных и полиэфирных смол, полиуретановые, битумные и др. В зависимости от состава они могут быть холодного и горячего отверждения.
Эпоксидные компаунды (марки Д, ЭЗК, ЭПК, ЭКА, ЭКС, ЭКД, ЭПСК. ЭМТ, ПК и др. с различными номерами и без номеров) применяются для пропитки обмоток трансформаторов, дросселей (и их заливки), электрических машин, изолирования и герметизации элементов радиоэлектроники и их пропитки, изготовления стеклослюдинитовых лент для изоляции турбо- и гидрогенераторов, для химостойких покрытий и т. п., в том числе напыления на обмотки и на металл, например, для получения пазовой изоляции.
Пленки эпоксидного компаунда обладают хорошей эластичностью, обеспечивают монолитность изделия, допускают работу при влажности среды 95±3% и температуре от —60°С (213 К) до 80... 1М0°С (353...453 К) в зависимости от марки компаунда.
Полиэфирные компаунды применяются в основном для пропитки обмоток электрических машин и аппаратов, в том числе влагостойкого и тропического исполнения с рабочей температурой до 150°С (423 К), а также для пропитки и герметизации трансформаторов и различных деталей, работающих при температурах от —80°С (193 К) до 150°С (423 К) в зависимости от марки компнунда.
Полиуретановые компаунды применяются как электроизоляционный демпфирующий материал для заливки различных деталей и аппаратов, работающих при температурах от —60°С (213 К) до 80°С (353 К).
Полноргансилоксановые компаунды применяются дли пропитки обмоток электрооборудования, работающего при температурах 180°С (453 К) и даже несколько выше.
Битумные компаунды — наиболее старый класс диэлектриков. Они могут быть природными или продуктами переработки нефти. Битумные компаунды размягчаются при нагревании, Затвердевают при охлаждении, обладают высокой влагостойкостью, хорошими электроизолирующими свойствами, поэтому применяются, для пропитки и получения монолитной изоляции обмоток высоковольтных электрических машин и машин влагостойкого исполнения.
Заливочные компаунды, как правило, имеющие добавки в виде растительных или нефтяных масел, канифоли и т. д., применяют для обмазки лобовых частей электрических машин, пропитки асбоцементных плит, заливки мест соединения выводных концов
обмоток электрических машин и заливки муфт силовых кабелей.
Волокнистые электроизоляционные материалы
К волокнистым электроизоляционным материалам относятся дерево, бумага, картон, ткани, ленты из хлопчатобумажной пряжи или из искусственных шелков и капрона, фибра, стекло, асбест.
Рассмотрим кратко основные характеристики этих материалов.
Дерево твердых пород — дуб, бук, ясень, клен, граб и береза — до последнего времени находило широкое применение в электромашиностроении при изготовлении ярмовых балок (консолей), клиньев и прокладок в масляных трансформаторах, пазовых клиньев и прокладок в электрических машинах, штанг в масляных выключателях if-разъединителях, опор линий электропередач и т. д. Однако в последнее время дерево все больше вытесняется качественными изоляционными материалами на основе стекла, ткани, бумаги и т. п. Последнее объясняется тем, что механические и диг электрические характеристики дерева невысоки, крайне различны и значительно зависят от направления среза.
Древесину после ее механической обработки пропитывают парафином, канифолью, олифой, льняным или трансформаторным маслом и лаками и покрывают снаружи водостойким лаком, что замедляет процесс ее увлажнения.
В качестве примера отметим, что среднее значение электрической прочности бука составляет 3...4 МВ/м до пропитки и 5...
7 МВ/м после пропитки олифой или парафином.
Бумага по своему применению в электротехнике подразделяется на конденсаторную, кабельную, пропиточную, намоточную, микалентную, хлопковую и др.
Конденсаторная бумага наиболее тонкая (0,006..., 0,025 мм), плотная (1... 1,25 г/см3) и высококачественная, что обеспечивает высокие значения удельной емкости (она приблизительно обратно пропорциональна толщине диэлектрика) и электрической прочности, а также надежность ее работы под воздействием высоких напряженностей поля. Электрическая прочность конденсаторной бумаги после пропитки маслом составляет 260.,.300 МВ/м. Рабочие же напряженности поля в бумажных конденсаторах с жидкой пропиткой обычно составляют 25...35 МВ/м при постоянном напряжении питания и 12...15 МВ/м при переменном (50 Гц), е- = 3,7, tgδ = 0,002...0,003.
В настоящее время в электронной технике конденсаторная бумага постепенно вытесняется синтетическими пленками.
Кабельная бумага подразделяется на три вида: кабельная, применяемая для изоляции кабелей любого напряжения, а также для изоляции арматуры кабельных линий и обмоточных проводов больших сечений, которые используются в силовых трансформаторах; телефонная для изоляции телефонных кабелей и полупроводящая бумага, которую используют для экранирования изоляции силовых высоковольтных кабелей. Плотность бумаги 0,76... 1,0 г/см8. Марки бумаги К, КМ, КВ, КВУ, КВМУ, КВМ, КТ и КТУ означают следующее: К — кабельная, В — высоковольтная, М - многослойная, У — уплотненная, Т — телефонная, рядом расположенные цифры означают толщину бумаги (в микронах). Наибольшее распространение получили бумаги толщиной 80, 120 и 170 мкм, особенно бумага К-120, используемая при ремонте электрооборудования сельском хозяйстве.
Пропиточная бумага применяется для изготовления листового гетинакса, а намоточная — для изготовления пластиков в виде цилиндров. Эти бумаги имеют повышенную впитываемость аи счет некоторого снижения плотности (до 0,75...0,5 г/см3).
Микалентная бумага применяется для производства слюдяных материалов — микаленты и микафолия.
Хлопковая бумага применяется для производства лакобумаги (типа БЛХ). Для изоляции отводов и других узлов трансформаторов у нас в стране стала применяться крепированная бумага, имеющая линии крепа, нанесенные перпендикулярно направлению выработки бумаги.
В настоящее время применяются некоторые методы модификации целлюлозы, позволяющие повысить нагревостойкость бумаги, снизить ее гигроскопичность или придать ей другие свойства. Одним из таких методов является ацетилирование бумаги (обработки уксусной кислотой с последующей промывкой).
Например с волокном типа нитрон, лавсан, или полностью состоящие из синтетических волокон с использованием волокнистых полимерных связующих (ВПС). Такие бумаги имеют улучшенные по сравнению с обычными бумагами электрические свойства, а также меньшую гигроскопичность и более высокую нагревостойкость. Например, в США фирма «Дюпон» применяет бумагу номекс из ароматического компаунда в качестве пазовой и витковой изоляции низковольтных двигателей, а также для изготовления композиционных материалов в сочетании с пленками и высоковольтными слоистыми пластиками. Бумага такого типа получила у нас название фениловой. Фирма «Дюпон» отмечает, что повышения недостаточной короностойкости бумаги номекс можно добиться добавкой в нее слюдинитовой массы.
Электрокартоны — материалы на основе целлюлозы, имеющие весьма многостороннее применение в трансформаторостроении, машино- и аппаратостроении. Электрокартон подразделяют на два типа: рыхлой и мягкой структуры для работы в жидкости, а более твердой и упругой для работы на воздухе. Если в производстве вращающихся электрических машин и трансформаторов сухого типа синтетические материалы высокой нагревостойкости в значительной степени вытеснили электроизоляционный целлюлозный картон, то для изготовления и ремонта высоковольтных силовых трансформаторов он пока является единственным материалом, который при работе в масле или другой изоляционной жидкости может обеспечить надлежащие характеристики и в первую очередь высокую электрическую прочность системы изоляции.
Основные необходимые свойства трансформаторного электрокартона — высокая электрическая прочность в масле, стойкость к воздействию частичных разрядов и малая сжимаемость (усадка). Эти характеристики картона определяют эксплуатационную надежность изоляции трансформатора. В СССР трансформаторный картон изготовляется четырех марок (А, Б, В, Г), толщиной 1...6мм (кроме Г, толщина которого 1...3 мм). Наибольшее распространение при техническом обслуживании, текущем и капитальном ремонте электрооборудования получил картон толщиной 2, 4, 5 мм, для него одноминутное пробивное напряжение должно быть не менее 40...45 кВ (при 50 Гц), сжимаемость при минимально допустимых давлениях не выше 18% (при давлении 20 МПа не более 2%), а усадка после сушки в свободном состоянии не более 6%.
Для улучшения характеристик трансформаторного картона применяется модифицированная целлюлоза и хлопковое или тряпичное волокно.
Например, в США применяется картон «Пермалекс» на рабочую температуру до 130°С (403 К) из модифицированной сульфатной целлюлозы. В нашей стране разрабатываются новые виды картона, причем характеристики отечественных электрокартонов не уступают лучшим образцам зарубежных.
С целью уменьшения гигроскопичности картон пропитывают лаками и эмалями. Для повышения эластичности в композицию картона вводят хлопковое волокно. Картон марок ЭВ (электрокартон воздушный) и ЭТВ (тряпичный) вырабатывают без применения проклеивающих веществ, картон марки ЭВП -(для пазовой изоляции электрических машин) проклеивают дл уменьшения его гигроскопичности канифольным клеем, а картон марки ЭВС (специальный), кроме канифольного клея, — крахмалом. Картон марки ЭВП при толщине 0,2 мм должен иметь электрическую прочность не менее 9... 12 МВ/м и число двойных перегибов не менее 4000.
Фибра — многослойный пергаментированный картон, обработанный в горячем растворе хлористого цинка. Клейкий слой, образованный на поверхности волокон, позволяет прессовать листы до необходимой толщины (марка ФЭ). Затем происходит выщелачивание и сушка фибры. Фибра может быть изготовлена и в виде трубок или любой другой формы (путем механической обработки).
Электрическая прочность фибры составляет 1,0...3,5 МВ/м в зависимости от толщины. К сожалению, фибра гигроскопична и поглощает до 60...65% влаги за 24 ч. При высокой влажности фибра растрескивается, расслаивается, в горячем трансформаторном масле она становится хрупкой.
Листовая фибра различной расцветки применяется в электро-, машино- и аппаратостроении для изготовления шайб, прокладок, низовых клиньев и т. п.
Из фибровых трубок изготовляют элементы дугогасительных трубчатых разрядников, газогенерирующие изоляционные корпуса низковольтных предохранителей и т. п.
Эти материалы применяется в виде пряжи, лент и тканей. Наибольшее распространение при эксплуатации и ремонте электрооборудования получили тафтяная лента 0,25x15 мм и киперная — 0,45x25 мм. Их основное достоинствовысокая механическая прочность. Недостаток их —высокая гигроскопичность, невысокие диэлектрические свойства и значительная толщина.
Волокнистые материалы неорганического происхождения — стекло, асбест, плавленый кварц, каолин и др.
Наиболее широкое распространение в электропромышленности получили стеклянные волокнистые материалы, а также асбестовые.
В чистом виде стекло применяется для изготовления различного типа изоляторов, в виде волокон оно применяется для изготовления изоляции проводов, лент, тканей и т.п,
Стеклянное волокно обладает высокой нагревостойкостью (от 450 до 1000°С и даже выше, в зависимости от состава), малой гигроскопичностью и достаточно высокой химостойкостью.
Электрические свойства стеклянных тканей: pv — 4-1012... 1 - • 10+15ОМ-м, tgδ= (9...28) -10—4, Eпр = 4...5 МВ/м. Недостаток стекловолокнистой изоляции — повышенная хрупкость волокна, низкая стойкость к истиранию и малое удлинение при разрыве (2...3%).
Стекловолокно из крученых стеклянных нитей применяется для изоляции монтажных и обмоточных проводов.
Тканые ленты из стекловолокна применяются в изоляции электрических машин и аппаратов. Нетканые ленты марки ЛСБ-В и ЛСБ-F предназначаются для бандажирования якорей и роторов электрических машин классов изоляции В и F.
Шнур и чулок из стекловолокна марки АСЭЧ (авиационный стеклянный электроизоляционный чулок) имеет толщину 0,30... 0,35 мм при внутреннем диаметре от 1 до 8 мм и предназначен для изоляции проводов, а шнуры полые круглые предназначены для изготовления нагревостойких электроизоляционных трубок с внутренним диаметром от 1,5 до 11,0 мм и толщиной стенки от 0,29 до 0,78 мм.
Шнур электроизоляционный марки ШЭС применяется для бандажирования обмоток электрических машин.
Стеклянная бумага марки СВР толщиной от 0,04 до
12 мм применяется для изготовления нагревостойких гибких стекломиканитов и стекломикалент. Ее изготовляют на основе бесщелочных стеклянных волокон, проклеенных органическими и кремнийорганическими соединениями.
Лента стеклянная марки ЛСП-Ш (штапелированная пряжа) предназначается для создания защитных покровов кабеля вместо кабельной пряжи.
В качестве высоконагревостойкой электрической и тепловой изоляции в настоящее время используют волокна кварцевые, кремнеземные, каолиновые, базальтовые и др. и изделия на их основе.
Асбест — группа водных магнезиально-силикатных минералов, имеющих волокнистую структуру. После очистки из него получают длинные нити. Для улучшения сцепления между волокнами к ним добавляют хлопковое волокно или тальк. Из нитей получают шнуры и ткани. Бумагу и картоны изготовляют из жидкой массы, в состав которой входят измельченные волокна асбеста, вода и связующие.
Особенность асбеста — высокая нагревостойкость (до 400°С или 673 К), эластичность и прядильная способность; недостаток — относительно большая толщина волокон, гигроскопичность, механическая прочность ниже прочности стеклянного волокна, но подчас выше хлопчатобумажного.
Для асбеста pv=106...1010 Ом-м, но железистый асбест имеет рv — 104 Ом-м и применяется в качестве материала с повышенной электрической проводимостью для выравнивания электрического поля (например, в лобовой части обмоток электрических машин).
Из асбестовых волокон изготовляют нити, пряжу, шнуры, чехлы, плетеные трубки, ткани, ленты, бумагу, картон.
Лакоткани делятся следующим образом.
Хлопчатобумажные и шелковые, в том числе из синтетических волокон, следующих марок: ЛХМ (лакоткань, хлопчатобумажная, масляная), ЛХМС (светлая), ЛХП (полиэфирная), ЛХБ (битумно-масляная), ЛЦ1М и ЛШМС (шелковая), ЛКМ и ЛКМС (капроновая).
Стеклолакотканй марок: ЛСМ, ЛСБ (битумно-масляно-алкидная), ЛСП (полиэфирно-эпоксидная), ЛСК (кремнийорганическая).
Стеклолакотканй на основе фторопластов марок Ф-4Д-Э01 и Ф-40Д-Э01 и др.
Резиностеклолакоткани марок: ЛСЛ (латексная), ЛСЭ (эскапоновая), ЛСКР (кремнийорганическая), РСК (кремнийорганическая резиностеклоткань).
Липкие и самосклеивающиеся стеклолакотканй и резиностеклолакоткани марок ЛСЭПЛ и ЛСЭПЛМ (эскапоновая с липким слоем), ЛСКЛ (кремнийорганическая липкая), ЛСТР (полиэфирноэпоксидная самосклеивающаяся, термореактивная) и РЭТСАР— А и Б (кремнийорганическая самосклеивающаяся резиностеклоткань).
У большинства лакотканей за обозначением ее марки следует обозначение нагревостойкостн (длительной рабочей температуры). Например, ЛХМ-105 означает: лакоткань хлопчатобумажная масляная, нагревостоцкость 105°С. Она широко применяется в эксплуатации и ремонте сельских электроустановок, в частности при ремонте кабельных линий напряжением 0,4 кВ.
Масляные хлопчатобумажные лакоткани обладают высокими электрическими свойствами, прочностью при растяжении, устойчивостью к воздействию минеральных масел, бензина и воды, но имеют относительно большую толщину (до 0,30 мм) и повышенную стойкость к тепловому старению.
Полиэфирные хлопчатобумажные лакоткани более устойчивы к тепловому старению, а масляно-битумные имеют более высокие электрические свойства, повышенную влагостойкость и меньшую склонность к тепловому старению, но нестойки к действию масел и бензина. Поэтому масляные лакоткани находят применение для изоляции масляных трансформаторов, а масляно-битумные — электрических машин. Масляно-шелковые лакоткани имеют значительно меньшую толщину (от 0,04 до 0,15 мм), более высокие электрические свойства (почти в 1,5 раза) и значительное относительное удлинение при растяжении в любом направлении.
Капроновые лакоткани наиболее эластичны, но имеют значительную усадку при нагреве и недостаточную нагревостойкость.
Электрические свойства различных лакотканей толщиной 0,15...0,17 мм неодинаковы; их пробивное напряжение, например, колеблется в пределах от 3,5 до 7,7 кВ.
ТЛШ (масляные шелковые); ТПЛ (полиэфирные лавсановые), ТЭЛ (полиэфирно-эпоксидные лавсановые).
2. Трубки из стекловолокна марок: ТСЛ (масляные), ТЭС (полиэфирно-эпоксидные), ТКР и ТКС (кремнийорганические), ТКСГ н ТКСП (из кремнийорганической резины, армированные).
Трубка марки ТЛВ обладает повышенными электрическими свойствами, удовлетворительной маслостойкостью и предназначается для работы на воздухе при рабочей температуре от —50 до 105°С (от 223 до 373 К) для изоляции и защиты проводов, в частности выводных концов в электрических машинах, аппаратах и приборах.
Трубка ТЛМ маслостойка, может работать в горячем трансформаторном масле, а также использоваться, как и трубка ТЛВ. Трубка ТНХ низк0вольтная, имеет пониженные электрические и механические свойства и маслостойкость, поэтому используется для изоляции монтажных проводов в светотехнических изделиях при рабочей температуре от —50 до 105°С (от 223 до 378 К).
Трубки электроизоляционные из эластомеров марки ТКР изготовляются из кремнийорганической резины марки К-8 и применяются для изолирования внутримашинных соединений электрических машин и выводов аппаратных катушек. Эти трубки предназначены для работы при напряжении до -660 В и температуре от —60 до 180°С (от 213 до 453 К). Их выпускают длиной не менее Юме внутренним диаметром от 1 до 18 мм и толщиной стенок от 0,9 до 1,6 мм. Й различных состояниях (в состоянии поставки, после увлажнения, нагрева, пропитки в лаке К-47, пребывания в ксилоле, после растяжения) они имеют минимальное пробивное напряжение при одноминутном испытании в пределах от 1 до 5 кВ.
Трубки электроизоляционные марки ТЭС (диаметром о мм) изготовляются из уплотненного стеклошнура, пропитанного эпоксидно-эфирным лаком ЭПС-1.
Трубку электроизоляционную марки ТКСП изготовляют из плетеного (аппретированного) стеклошнурка (чулка) с кремнийорганической оболочкой, пропитанного лаком КО-825. Она относится к классу нагревостойкости Н. Ее выпускают с внутренним диаметром 1,0...10,0 мм, поставляют в бухтах.
По сравнению с лакированными трубками трубки ТКСП обладают повышенной гибкостью, лучшими электроизоляционными и механическими характеристиками, а также стойкостью к механическим повреждениям. Их применяют в асинхронных двигателях с напряжением до 660 В.
Слоистые пластики и комбинированные электроизоляционные материалы
Слоистые пластики — материалы, изготовленные посредством прессования или намотки пропитанных или лакированных волокнистых наполнителей. К ним относятся гетинакс (бумолит), текстолит, текстогетинакс (ткань хлопчатобумажная и бумага целлюлозная), асбогетинакс, асботекстолит, стеклотекстолит и древеснослоистые пластики (шпон древесный) ДСП.
Слоистые пластики анизотропны, и поэтому свойства их вдоль и поперек слоев различны. Слоистые пластики нашли широкое применение для изготовления различных электроизоляционных изделий и деталей электрических машин, аппаратов и приборов: прокладки, шайбы, клинья, щитки, панели, перегородки и т. п.
Гетинакс имеет недостаточную дугостойкость и влагостойкость. Текстолит имеет пониженные диэлектрические характеристики, но повышенную удельную ударную вязкость и стойкость к истиранию. Стеклотекстолит—текстолит на основе стеклянной ткани» пропитанной полиорганосилоксановой смолой, обладает высокими диэлектрическими характеристиками, большой механической прочностью, влаго- и нагревостойкостью. Он широко применяется для изоляции сухих трансформаторов и выключателей, держателей нагретых электродов, а также для трансформаторов, залитых совтолом, аппаратуры тропического исполнения и т. д. Например, стеклотекстолит влагостойкий марки СТВК применяется в качестве диэлектрика в условиях тропического влажного климата (относительная влажность 95гЬ2% при температуре + 35°С или 308 К), может использоваться при температурах от —60 до +180°С (от 213 до 453 К) или кратковременно до +300°С (573 К), хорошо обрабатывается механически. Электрическая прочность в трансформаторном масле при температуре 90°С—- 8...12 МВ/м (в зависимости от толщины).
Текстолит электротехнический листовой марки ЛТ близок к стеклотекстолиту по своим характеристикам, он состоит из синтетической ткани (лавсан), пропитанной эпоксиднофенольной смолой, и применяется в условиях высокой влажности и температуры, включая тропический климат.
Асбогетинакс листовой электротехнический марки А2 изготовляют на основе асбестовой электроизоляционной бумаги, не содержащей целлюлозы, и эпоксидно-фенолоформальдегидного связующего. Его применяют в качестве электроизоляционного малоусадочного материала класса нагревостойкости В при изготовлении клиньев, уплотняющих прокладок для умеренного и влажного тропического климата.
Древеснослоистые пластинки широко применяются в высоковольтной аппаратуре. Электрическая прочность перпендикулярно слоям достигает 2...2,б МВ/м (гетинакс) и 3...4 МВ/м (ДСП), она зависит от толщины пластика, его составных частей и рабочей среды.
Стеклопластик профильный марки СПП-2, изготовленный протяжкой через обогреваемые фильтры стекложгутов, выпускается в виде прутков различного сечения и применяется в качестве пазовых клиньев электрических машин, работающих при температуре от —60 до +150°С (от 213 до 423 К).
Комбинированные электроизоляционные материалы также являются слоистыми и состоят из полимерной пленки или пластика, склеенных или спрессованных с волокнистыми материалами, электрокартоном, асбокартоном, пропитанной стеклотканью, бакелизированной бумагой и др.
Пленкоэлектрокартон на полиэтилентерефталатной пленке — рулонный материал, получаемый склеиванием электроизоляционного картона с полиэтилентерефталатной пленкой толщиной 0,05 (тонкий) или ОД мм. Общая толщина от 0,17 до 0,32 мм (±0,02...0,03 мм). Среднее пробивное напряжение в различных состояниях лежит в пределах от 11 до 7 кВ.
Пленкоасбокартон листовой — гибкий материал, состоящий из полиэтилентерефталатной пленки толщиной 0,05 или 0,1 мм, оклеенной с двух сторон изоляционным асбокартоном толщиной 0,3...0,03 мм при помощи раствора каучука. Электрическая прочность в различных условиях 15...25 МВ/м. Пленкоасбокартон применяют в качестве изоляционного материала в электрических машинах, работающих при температуре от —40 до 130°С (от 233 до 403 К).
Пластик электроизоляционный с полиэтилентерефталатной пленкой «Изофлекс-2» — композиционный материал из стеклоткани, оклеенной с двух сторон пленкой при помощи полимерных составов, имеющий более высокие электрофизические свойства, чем гибкая миканитовая изоляция. Этот пластик, применяют в качестве пазовой, междуфазной и междуслоевой изолинии и электрических машинах, в том числе новой серии 4А и апниритон классом нагревостойкости В. Он обладает высокой влаго-, подо-, химо- и морозостойкостью. Толщина материала 0,2 мм. Электрическая прочность—100...130 МВ/м.
Пластик электроизоляционный листовой с поли имидной пленкой «Изофлекс-3» в отличие от «Изофлекей 2» имеет класс нагревостойкости Н, толщина от 0,2 до 0,4 мм. Электрическая прочность — 90...100 МВ/м.
Пленкоситокартон — рулонный гибкий композиционный материал на основе пленки ПЭТФ и фениловой бумаги. Применяется в качестве пазовой и межфазной изоляции асинхронных электродвигателей с высотой осей вращения 160...250 мм, имеет толщину 0,3...0,4 мм, электрическую прочность 55...60 МВ/м, относится к классу нагревостойкостн В, работает в интервале температур
130 C (323...403 К). Позволяет механизировать процессы изолирования обмотки электрических машин.
Электронит — материал, полученный горячим вальцеванием из асбокаучуковой композиции, выпускается в виде листов толщиной от 0,3 до 3 мм. Электрическая прочность 6 МВ/м.
Электронит панельный марки ПЭ-1 (асбогетинакс) — слоистый пластик, изготовленный горячим прессованием из термообработанного электронита и бакелизированной бумаги толщиной от 6,0 до 30 мм. Материал хорошо обрабатывается. Электрическая прочность в нормальных условиях не менее 5 МВ/м. Теплостойкость по Мартенсу не менее 200°С (473-К).
Слюдяные материалы и эластомеры
Слюдяные материалы. Слюдяными электроизоляционными материалами называются материалы, изготовленные на основе тонких пластинок щипаной природной или синтетической слюды или слюдяной бумаги. Щипаная слюда постепенно заменяется слюдяной бумагой.
В чистом виде слюда применяется в эталонных конденсаторах, имеющих низкие диэлектрические потери и высокую стабильность емкости (конденсаторная слюда), в телевизионных трубках (телевизионная), в радиолампах и других приборах.
Молотая слюда применяется как наполнитель в некоторых резиновых смесях, для прессующих составов, обмазки сварочных электродов.
Материалы, изготовленные из щипаной слюды, получили название «миканиты», а из слюдяной бумаги — «слюдониты» или «слюдопласты».
Миканиты представляют собой листовые или рулонные материалы, полученные склеиванием между собой пластинок щипаной слюды. В качестве склеивающих материалов применяются различные смолы или лаки, чаще синтетические. Слюдяные материалы могут склеиваться с одной или двух сторон подложкой — волокнистым материалом. Листовые материалы из слюды называют миканитами, а рулонные — микафолием и микалентами. По области применения различают пять основных видов миканитов: коллекторный (к), прокладочный (п), формовочный (ф), гибкий (г) и термоупорный (т). Гибкий миканит, оклеенный с одной или с двух сторон стеклотканью, называют гибким стекломиканитом.
Коллекторный миканит наиболее высококачественный, количество связующих в нем не более 4...6%. После клейки миканит подвергается неоднократной опрессовке, фрезерованию и шлифовке для получения заданных размеров.
Прокладочный миканит отличается от коллекторного большим содержанием связующих (до 25%), меньшей плотностью и большими допусками по толщине. Применяется для изготовления шайб и прокладок в электрических машинах и трансформаторах.
Формовочный миканит по качеству близок к прокладочному, он должен формоваться в нагретом состоянии, из него изготовляют манжеты в коллекторах и другие фасонные изделия.
Гибкий миканит в отличие от формовочного имеет гибкость и в холодном состоянии, что достигается малой его толщиной и применением соответствующих лаков. Его применяют для пазовой изоляции, изоляции межкатушечных соединений в высоковольтных машинах и т.д.
Термо(жаро)упорный миканит изготовляется из слюды флогопит и имеет обычно очень малое количество (не более 3%) неорганической связки.
Микафолий и м и к а л е н т а представляют собой композиционный материал, который состоит из одного или нескольких слоев щипаной слюды, склеенных между собой лаком, и л одной стороны имеет подложку из миканитовой бумаги, стеклоткани или стеклосетки. При наличии хлопчатобумажной или шелковой подложки материал называют микаполотном. Микалента обычно выпускается в виде роликов, а микаполотно — в виде рулонов.
Электрическая прочность слюдяных материалов составляет от 40 до 20 МВ/м в зависимости от вида материала и его толщины.
Новые материалы из слюдяных бумаг все более вытесняют материалы из щипаной слюду, они имеют более высокие свойства, более дешевы и менее трудоемки в изготовлении. Слюдиниты и слюдопласты, вместе взятые, с успехом могут заменить микаленты во всех областях их применения.
Слюдинитовую бумагу выпускают без основы (100-процентная слюдинитовая бумага) или с волокнистым подслоем. Слюдинитовая бумага с целлюлозным подслоем, пропитанная лаком, называется слюдинитофолием.
К слюдинитовым электроизоляционным материалам относятся слюдинитовая бумага, изготовленная из отходов слюды, стеклослюдинитовая бумага — то же, но с подложкой из стеклоткани или стеклосетки, слюдиниты — коллекторный, состоящий из слюдинитового картона, гибкий, гибкий нагревостойкий, формовочный нагревостойкий и ленты слюдинитовые, состоящие из склеенных между собой слюдинитовой бумаги и стеклоткани, ленты стеклослюдинитовые — то же, но в композиции с полиэтиленфталатной пленкой.
Бумага, полученная из кристаллов флогопита произвольной формы по особому технологическому процессу, называется слюдопластовой, а материалы, изготовленные из одного, а чаще из нескольких слоев слюдопластовой бумаги, обработанной различными связующими с подложкой и без нее, по аналогии со слюдинитами — слюдопластами.
По сравнению с микалентами слюдиниты обладают большей размерностью по толщине, повышенной и более равномерной электрической прочностью, что особенно важно в высоковольтных машинах, но имеют /меньшую механическую прочность и влагостойкость.
Слюдопласты обладают большей механической прочностью, чем слюдиниты, и по своей структуре ближе подходят к миканитам.
Стеклошпономикалента — слой слюды, склеенный при помощи полиорганосилоксановых лаков со стеклотканью, покрывающей слюду с одной стороны и стеклошпоном — с другой. При толщине стеклошпона 0,015...0,02 мм можно получить стеклошпономикаленту толщиной 0,1...0,15 мм, то есть близкой к толщине микаленты с бумажной подложкой. Стеклошпон,— листовой материал, полученный путем наклеивания очень тонких стеклянных волокон на лаковую основу. Он может быть применен в качестве подложки для миканитов, так как имеет достаточно высокую разрывную прочность — 80 МПа. Электрическая прочность в исходном состоянии 49 МВ/м, При 200°С — 31 МВ/м.
Микалекс — твердый материал, полученный при горячей прессовке смеси порошкообразной смолы и тонкоразмолотого стекла. Изделия из микалекса можно механически обрабатывать. Обладая малыми диэлектрическими потерями, высокой нагревостойкостью и механической прочностью, микалекс нашел применение в высокочастотной технике, в сильноточной аппаратуре, в щеткодержателях двигателей электровозов, в ртутных выпрямителях и т. д.
Эластомеры. На основе натуральных и синтетических каучуков путем добавки к ним соответствующих наполнителей получают так называемые кабельные резины, широко применяемые в электропромышленности. Кабельные резины делятся на изоляционные и шланговые. Кроме того, в кабельной технике находят применение полупроводящие резины, применяемые для экранирования гибких кабелей, и починочные, используемые при ремонте кабелей.
Изоляционные резины разных типов (РТИ-0, РТИ-1, РТИ-2, РНИ) отличаются содержанием каучука (40...30%) и служат для изоляции токопроводящих жил и защитных средств для работы под напряжением (перчатки, галоши, коврики).
Шланговые резины (марки РШ-1, РШ-2, РШТ-2, РШМ-2,
РШН-1, РШН-2) с содержанием каучука (50...40%) используют для изготовления шланговых оболочек для кабелей, работающих в самых различных условиях. Диэлектрические характеристики резин зависят от типа исходного каучука и составных компонентов.
Более широкому распространению резин мешает их склонность к тепловому и световому старению, в результате чего они теряют эластичность и гибкость, становятся хрупкими и разрушаются, а также недостаточная нагревостойкость, водо- и химостойкость.
Кроме кабельных резин, в которых содержание серы не превосходит 5%, в электротехнике находят ограниченное применение твёрдая резина — эбонит с содержанием серы до 50%. Она выпускается в виде досок, палок, трубок, хорошо обрабатывается и используется в технике слабых токов.
