Высоконагревостойкая электрическая изоляция - Исследование свойств изоляции проводов при высоких температурах

Свойства стеклокерамической изоляции проводов

При изготовлении обмоточных и термоэлектродных проводов широкое применение нашли органосиликатные материалы (ОСМ), Электрическая изоляция таких проводов выполнена из гибких стеклоэмалевых или керамических покрытий в сочетании с ОСМ - провода марки ПЭЖБ и ПНЖ. В исходном состоянии эти провода имеют малый радиус изгиба и прочное сцепление покрытия с жилой. Общие свойства таких проводов приведены в табл. 9.2. На рис. 9.4, 9.5 и в табл. 9.6 приведены изменения их электрических свойств при кратковременном и длительном воздействиях высокой температуры, а также в условиях повышенной влажности. Из данных рис. 9.4 видна защитная роль ОСМ в области температур выше 400 °С. Из рис. 9.5 видно, что влагостойкость проводов снижается через 2 сут увлажнения в условиях с относительной влажностью 80—100%, стабилизируясь при дальнейшем увлажнении.
Из данных табл. 9.6 можно заключить о стабильности пробивного напряжения стеклокерамической изоляции проводов во времени старения при 600 °С.

Рис. 9.4. Температурная зависимость Unp изоляции обмоточных проводов со стеклокерамической изоляцией:
1 — со стеклоэмалью М-33; 2 — со стеклоэмалью М-33 и органосиликатной композицией ОС-52-01 (провод ПЭЖБ); 3 - со стеклоэмалью ТК-40 и органосиликатной композицией ОС-82-05 (провод ПЭЖБ-700)
Рис. 9.5. Зависимость удельного сопротивления изоляции проводов ПЭЖБ от времени увлажнения при различной относительной влажности, %:
2-80; 2-90; 3- 100
Таблица 9.6. Зависимость Uпρ, В, стеклокерамической изоляции проводов от времени старения при 600 °С в воздушной среде

Исследованы также электрические и механические свойства тонкослойных покрытий проводов из органосиликатных материалов типа ОС-92-17, ОС-52-04, ОС-52-05 [82]. В качестве проводника в этих проводах применяли проволоку из хромеля, алюмеля и нихрома диаметром до 1 мм. Поверхность жил перед нанесением на них ОСМ обезжиривали спиртобензиновой смесью и отжигали при 700—800 °С. Исследованные органосиликатные материалы технологичны при нанесении на поверхность проволоки и имеют низкую температуру отверждения (150-300 °С). После отверждения покрытия эластичны (отношение диаметра изгиба к диаметру проволоки - 6-8 при толщине слоя 20-50 мкм), характеризуются хорошей адгезией к проводнику. Свойства изоляции проводов изучали до температуры 900 °С. На рис. 9.6 приведена температурная зависимость электрического сопротивления органосиликатной (ОС) изоляции нихромового провода диаметром 0,5 мм. Исследованы составы ОС-52-04 и ОС-52-05. Резкое изменение Rи3 наблюдали при температурах выше 400 °С, при 600 °С его значение составляло 108 Ом, при 900 °С - 10s Ом, при этом значения Rиз обоих материалов близки. Сопротивление изоляции провода существенно зависит от толщины изоляционного покрытия (рис. 9.7).

Рис. 9.6. Температурная зависимость Rиз органосиликатной изоляции нихромового провода диаметром 0,5 мм:
1 — ОС-52-04; 2 -ОС-52-05
Рис. 9.7. Зависимость Rиз нихромового провода диаметром 0,5 мм из ОС-97-17 от толщины покрытия при различных температурах, °С:
1 - 600; 2 - 700; 3 - 800; 4 - 900
Рис. 9.8. Температурная зависимость Unр органосиликатной изоляции нихромового провода диаметром 0,5 мм:

1 - ОС-52-04; 2 - ОС-52-05; 3 - ОС-97-17
Испытания проводили при температурах 600, 700, 800 и 900 °С. При 800 °С при изменении толщины покрытия с 30 до 60 мкм значение Rиз увеличивалось вдвое. Для измерения электрического сопротивления изоляции провода отрезок его помещали на измерительный столик из жаростойкой стали под грузом из той же стали диаметром 10 мм, массой 15 г. Напряжение подавали между жилой и заземленным грузом, сопротивление определяли при напряжении 100 В. Как показали опыты, этот метод воспроизводит результаты измерений лучше, чем в скрутках или при зажатии двух отрезков проводов в капилляре. На рис. 9.8 приведена температурная зависимость пробивного напряжения органосиликатной изоляции ОС-52-04, ОС-52-05 и ОС-97-17. Пробивное напряжение определяли с помощью универсальной пробивной установки. Выпрямленное напряжение плавно повышали до пробоя. Напряжение прикладывали между жилой и заземленным грузом, как и при измерении сопротивления. При температурах выше 400 °С зависимость Unр = f(t) носит линейный характер, значение Unp и степень его уменьшения с ростом температуры различны даже при однотипных материалах, лучшие результаты при температурах 600-850 °С получены у состава ОС-97-17. В табл. 9.7 приведена зависимость пробивного напряжения изоляции проводов из ОСМ от времени воздействия температуры 850 °С в вакууме.
Пробивное напряжение ОС изоляции проводов на четырехслойной жиле (сплав 204, защищенный ниобием, медью и нержавеющей сталью) сохраняется в течение 2000 ч старения в вакууме при 850 °С, после 4000 ч несколько уменьшается у изоляции проводов из ОС-92-17, резко снижается у изоляции проводов из ОС-56-12 - изоляция местами осыпалась, жила стала хрупкой. Механическая прочность органосиликатной изоляции проводов ОС-52-04, ОС-52-05 и ОС-97-17 в процессе нагревания до 1000 °С уменьшается: отношение диаметра изгиба к диаметру жилы проводов с тонкослойной ОС изоляцией после нагревания до 1000 °С увеличивается до 40—50.

Таблица 9.7. Зависимость UПр, В, изоляции обмоточных проводов  из органосиликатных композиций от времени старения в вакууме при 850 С

Примечание. Значение в числителе - при температуре испытания в вакууме 20 ° С, в знаменателе — при 850 °С.

Проведены исследования проводов с тонкослойными стеклокерамическими покрытиями на растворной связке, в которой все компоненты стекла находились в виде растворенных в воде соединений — нитратов, борной кислоты и тетраэтилового эфира ортокремневой кислоты [83]. В качестве наполнителя применяли высокодисперсные порошки оксидов хрома и алюминия. Использование стекловидной связки в растворе позволяло при содержании в покрытии 10—13% стекла прочно закрепить наполнитель на проводнике кратковременным обжигом при 600—700 °С, а дополнительная пропитка стеклокерамического слоя раствором связки увеличивала содержание стекла до 20—25%, при этом уменьшалась газопроницаемость слоя. Исследование пробивного напряжения изоляции проводов проводили в воздушной среде и в вакууме при температуре до 850 °С и постоянном и переменном токах частотой 50 Гц.
При определении пробивного напряжения изоляции проводов при температуре до 850 °С в воздушной среде и в вакууме использовали приспособление, представляющее собой систему электродов, закрепленных на плате из нагревостойкого пластика. В шестиугольный держатель (для одновременного испытания шести образцов микропровода), изготовленный из нержавеющей стали, установлены платы из пластика, выдерживающего высокие температуры. На каждой плате закреплены два стальных электрода диаметром 30 мм (рис. 9.9). Образец микропровода длиной 200 мм, одним концом фиксированный на плате, протягивали полувосьмеркой между электродами и выводили к грузу, создающему постоянное натяжение в процессе испытания (масса груза 1 г). Приспособление с образцами проводов помещали в нагревательную камеру вакуумной установки или в термостат, нагревали по заданному режиму, затем проводили испытания плавным подъемом напряжения до пробоя образца. При этом испытательное напряжение подводили к первому электроду, а второй заземляли. В таком приспособлении испытывали изоляцию провода диаметром до 0,2 мм.


Рис. 9.10. Температурная зависимость Unp стеклокерамической (на растворной керамике) изоляции проводов:
1 - никелевый микропровод с изоляцией 9С/4-5 в вакууме; 2 - трехслойная жила медь—ниобий-никель диаметром 0,5 мм с изоляцией 9А в воздушной среде; 3 - то же в вакууме
Рис. 9.9. Приспособление для испытания 0пр изоляции обмоточных проводов диаметром до 0,2 мм при высокой температуре
Изоляцию обмоточных проводов диаметром 0,5 мм и больше испытывали в прямых отрезках длиной 180—190 мм. Высоковольтным электродом служила платиновая фольга толщиной 15 мкм (шириной 15 мм), нанесенная на провод. Прижимные цилиндры из нержавеющей стали и токоведущую жилу заземляли. В табл. 9.8 приведены значения Uπρ изоляции для никелевого микропровода 9С с дополнительной пропиткой растворами стеклосвязок 84-1 и 4-5. Определения значений Uπρ проводили в разных средах при постоянном и переменном токах.
Из данных табл. 9.8 видно, что более высокие значения Uпр изоляции получены на постоянном токе в вакууме. На рис. 9.10 приведена температурная зависимость Uпр стеклокерамической изоляции (на растворной керамике) проводов. Микропровод изготовлен из никеля диаметром 0,1 мм с изоляцией 9С/4-5 толщиной 20-25 мкм, провод (с изоляцией 9А толщиной 15-20 мкм) — на трехслойной жиле медь-ниобий-никель диаметром 0,5 мм. Как видно из рис. 9.10, характер изменения Uпр изоляции с ростом температуры одинаков; в интервале температур 20—850 °С Unp снижается на 100—150 В в воздушной среде, на 200—300 В - в вакууме, при этом в вакууме значения Uпр значительно выше, чем в воздушной среде. Влияние длительного воздействия температуры в вакууме на значение пробивного напряжения проводов с различной изоляцией из растворной керамики показано в табл. 9.9 и 9.10.

Таблица 9.8. Uρ, В, стекло керамической изоляции (растворная керамика) никелевого микропровода

Таблица 9.9. Зависимость Uπρ, В, стекло керамической изоляции проводов от старения в вакууме при 850 °С

Примечание. Значение в числителе при температуре испытания 20 С, в знаменателе - при 850 °С.

Для изоляции 9А, полученной на основе корунда и полукристаллической тугоплавкой связки 9, характерен большой разброс данных UПр, что, по-видимому, объясняется хрупкостью полученного кристаллического покрытия. Провода с изоляцией 9А, 9А/9 выполнены на трехслойной жиле медь-ниобий-никель, с изоляцией 4-5/9А - на биметалле медь-ниобий. По данным табл. 9.9 значения Uпр изоляции представленных видов в вакууме при 850 °С практически не изменяются в течение 7000-9000 ч по сравнению с исходными.
Из данных табл. 9.10 видно, что значение Unр стеклокерамической изоляции микропроводов, определенное при 20 °С, после 1000 ч старения уменьшается примерно вдвое, при дальнейшем старении оно стабилизируется вплоть до 8000 ч старения. Значение Uпр, определенное при 850 °С, практически не изменяется во времени по сравнению с исходным.

Таблица 9.10. Зависимость С/Пр, В, стеклокерамической изоляции (толщиной 25 мкм) микропроводов от времени старения в вакууме при 850 С

Примечание. 1- Значение в числителе — при температуре испытания 20 °С, в знаменателе — при 850 °С 2.1 - постоянный ток, 2/2 - переменный ток.

Стабильность Unp стеклокерамической (на основе растворной керамики) изоляции проводов в процессе длительного воздействия температуры объясняется уплотнением слоя изоляции и уменьшением количества стекловидной составляющей в покрытии за счет ее кристаллизации и частичного взаимодействия с оксидным наполнителем.