Электроизоляционные материалы служат для изоляции токоведущих частей устройств, находящихся под разными потенциалами, друг от друга и заземленных частей.
Качество электроизоляционных материалов при прочих равных условиях определяет срок службы трансформатора и характеризуется пробивным напряжением, электрической прочностью, диэлектрическими потерями, диэлектрической проницаемостью, высоким электрическим сопротивлением и другими свойствами.
Пробивным ивр называют напряжение, при котором происходит пробой изоляции, если к изоляционному материалу приложить напряжение и постепенно его повышать. Свойство изоляционного материала выдерживать напряжение количественно выражают напряженностью электрического поля Епр, при которой диэлектрик пробивается, т. е. значением пробивного напряжения, приходящегося на единицу толщины диэлектрика (кВ/мм).
Пробивную напряженность электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называют его электрической прочностью, являющейся одной из основных характеристик изоляционного материала. Электроизоляционные материалы, применяемые в трансформаторах, имеют среднюю электрическую прочность при 20°С от 5 до 90 кВ/мм.
Изоляция, находящаяся в переменном электрическом поле, под воздействием переменного напряжения поглощает часть электрической энергии, в результате чего нагревается. Поглощаемую энергию называют диэлектрическими потерями.
Диэлектрические потери можно измерить или подсчитать в ваттах, однако их принято оценивать тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ — отношением векторов двух токов — активной составляющей общего тока в диэлектрике к реактивной. В практике tgδ выражают не в абсолютных единицах, а в процентах.
Величина данного материала не является постоянной, а зависит от частоты приложенного переменного напряжения и температуры диэлектрика. Чем больше tg δ, тем при прочих равных условиях больше диэлектрические потери, т. е. качество диэлектрика хуже. Величина tg δ изоляционных материалов, применяемых в трансформаторах, при 20°С и частоте 50 Гц находится в пределах 0,005—0,02.
При увлажнении изоляции диэлектрические потери резко возрастают, поэтому tgδ является важной характеристикой, которой широко пользуются для определения увлажненности изоляции всего трансформатора. Значение tgδ трансформатора повышается не только в результате увлажнения или загрязнения изоляции активной части, но и при плохом качестве масла, залитого в трансформатор.
Диэлектрическая проницаемость е диэлектрика позволяет количественно оценить степень его поляризации и соответственно определить электрическую емкость, которой он обладает.
Диэлектрическая проницаемость так же, как и тангенс угла диэлектрических потерь, зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения. Применяемые в трансформаторах электроизоляционные материалы при частоте тока 50 Гц и температуре 20°С имеют диэлектрическую проницаемость от 2 до 8. Так как напряженность электрического поля в диэлектриках обратно пропорциональна их диэлектрической проницаемости, то при выборе различных изоляционных материалов, используемых вместе, стремятся к тому, чтобы их диэлектрические проницаемости были близки друг к другу. При неудачном соотношении диэлектрических проницаемостей и толщин изоляции напряженность электрического поля может превысить прочность изоляции, и она будет пробита.
В отличие от проводниковых материалов электроизоляционные материалы обладают высоким электрическим сопротивлением. Удельное объемное сопротивление у различных диэлектриков составляет от 1010 до 2020 Ом-см и более (у проводниковых материалов от 10~6 до 10-2 Ом-см). Чем больше удельные объемное и поверхностное сопротивления, тем выше их качество.
Качество изоляции определяют для всего трансформатора или его отдельных частей приложением повышенного напряжения, при этом в изоляции возникает электрический ток, называемый током утечки или током проводимости, зависящий от электрического сопротивления изоляции трансформатора. Сопротивление изоляции трансформатора, измеряемое мегаомметром в мегомах или килоомах (1 МОм= 1 000 000 Ом, 1 кОм = = 1000 Ом), зависит от диэлектрических свойств изоляционного материала, а также от внешних факторов — температуры, присутствия влаги, загрязнения.
Повышение температуры и особенно увлажненность резко понижают электрическое сопротивление изоляционного материала, а следовательно, увеличивают ток утечки и снижают качество изоляции. Большинство изоляционных материалов обладает значительной гигроскопичностью, т. е. способностью поглощать влагу из воздуха, поэтому после изготовления или ремонта трансформаторы сушат, в результате чего сопротивление их изоляции резко повышается.
Таким образом, изоляционные материалы должны иметь высокое электрическое сопротивление и обладать влагостойкостью. Сопротивление — важный показатель, определяющий качество изоляции трансформаторов.
Изоляционные материалы должны обладать рядом других свойств, обеспечивающих их длительную и надежную работу в аппарате: нагревостойкостью, механической прочностью, эластичностью, гибкостью, масло- и влагостойкостью и химической стойкостью.
При длительном воздействии на изоляцию повышенной температуры, механических сил, влаги, химических и других веществ она должна не ухудшать своих свойств и обеспечивать срок службы, установленный ГОСТом.
По нагревостойкости электроизоляционные материалы делят на семь классов: У, Л, Г, В, Е, Н, С. Для каждого класса установлена предельно допустимая температура нагрева, при которой материал может длительно работать. Большинство изоляционных материалов, применяемых в масляных трансформаторах, относится к классу А (например, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик волокнистые материалы из целлюлозы или шелка, а также другие материалы и их сочетания); их предельная длительно допустимая температура нагрева 105°С.
