Электроизоляционные материалы и изделия
К электроизоляционным относятся диэлектрические материалы, применяемые для устранения утечки электрической энергии в электротехнических устройствах. Электроизоляционные материалы бывают газообразными, жидкими и твердыми.
Наибольшее распространение в технике получили твердые диэлектрики, которые бывают органического и неорганического происхождения, природные или искусственные.
Общие свойства электроизоляционных материалов. Применение электроизоляционных материалов зависит от их свойств, основными из которых являются: электрическая проводимость и сопротивление, относительная диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность и нагревостойкость.
Электрическая проводимость (в См) определяется отношением проходящего через электроизоляционный материал тока (/) к приложенному электрическому напряжению (U);
Электрическую проводимость материала можно характеризовать также удельным электрическим сопротивлением (р), т. е. величиной, обратной удельной проводимости. Соответственно различают объемное (pv) и поверхностное (ps) удельное сопротивление диэлектрика, которые и обусловливают утечку тока. Ток утечки определяет величину мощности, выделяющуюся в виде теплоты.
Диэлектрическая проницаемость характеризует способность диэлектрика образовывать электрическую емкость.
Относительная диэлектрическая проницаемость любого вещества больше единицы.
Электрическая прочность характеризует способность диэлектрика сохранять свои электроизоляционные свойства при приложении к нему определенного напряжения. Электрическая прочность определяется отношением пробивного напряжения к толщине диэлектрика.
На электрические свойства диэлектриков оказывают влияние влажность, температура, наличие химических примесей и т. п.
Нагревостойкость диэлектриков характеризует способность этих материалов выдерживать воздействие высокой температуры (°С), при которой изменяются другие электрические свойства. При определенных значениях температуры обеспечиваются заданные сроки службы электрооборудования, обеспечивается его пожарная безопасность.
Важное значение для эксплуатации электроизоляционных материалов имеют также их механические и химические свойства.
К механическим свойствам диэлектриков относятся предел прочности, упругость, твердость, гибкость, вязкость и т. п.
Химические свойства определяют стойкость диэлектрика к действию кислот, щелочей и других агрессивных сред.
Газообразные электроизоляционные материалы. К ним относятся воздух и газы (азот, фреон, элегаз и др.) . Общим требованием к ним является химическая инертность, т. е. неспособность их вызывать коррозию металлов и разрушение других материалов.
Воздух в сухом состоянии применяется в электрических приборах.
Газы для электроизоляции используются под давлением (специальные кабели и т. п.).
Жидкие электроизоляционные материалы. К ним относятся в основном электроизоляционные нефтяные масла, которые в зависимости от назначения, а также состава и степени очистки подразделяются на трансформаторные, конденсаторные и кабельные.
В трансформаторах, кабелях и конденсаторах масло применяется для пропитки волокнистой изоляции и заполнения пространства между отдельными конструктивными элементами. Так, например, кабели на напряжение более 110 кВ имеют специальные каналы, в которые под давлением нагнетается масло.
Электроизоляционные нефтяные масла получают перегонкой нефти.
К вредным примесям, снижающим стабильность масел, относятся ненасыщенные углеводороды, сернистые соединения, смолисто-битумные вещества, органические кислоты. Для удаления вредных примесей масла подвергают специальной очистке.
В качестве жидких диэлектриков широко применяют хлорированные углеводороды: совол, трихлордифенил, совтол, гексол.
Совол представляет собой бесцветную жидкость с характерным запахом. Он имеет высокую плотность и вязкость по сравнению с трансформаторными маслами. Совол не горюч и применяется для пропитки и заливки бумажных конденсаторов.
Трихлордифенил (C12H7CI3) по сравнению с соволом имеет большую растворяющую способность, более низкую температуру застывания, меньшую зависимость вязкости от температуры, что обеспечивает более высокую стабильность свойств диэлектриков.
Совтол — это смесь совола с трихлорбензолом, которая обладает меньшей, чем совол, вязкостью и более низкой температурой застывания (до —50 °С). Используется также для пропитки бумажных конденсаторов.
Гексол — слабополярная жидкость, представляющая собой смесь совола (20%) с гексахлорбутадиеном (80%).
Используется в основном в силовых трансформаторах.
Твердые электроизоляционные материалы. К твердым электроизоляционным материалам относятся высокомолекулярные соединения и пластмассы на их основе (в том числе лакоэмалевые пленки), волокнистые (бумага, картон, пряжа, ткани и т. п.) и слюдяные материалы.
Материалы на основе высокомолекулярных соединений. К ним относятся различные материалы на основе природных или синтетических полимеров, а также в виде их растворов (лаки, эмали). Наибольшее применение имеют синтетические полимеры как полймеризационные, так и поликонденсационные.
Из полимеризационных полимеров используются полиэтилен, полиизобутилен, полипропилен, поливинилхлорид, фторопласты, полистирол и др. На их основе выпускают пленки, волокна, ленты, пластикат и фасонные детали.
Из поликонденсационных полимеров для электроизоляционных материалов используют фенолоформальдегидные, полиэфирные, кремнийорганические, эпоксидные, полиуретановые и полиамидные. Они применяются для производства лаков, клеев и различных пропиток.
Широко применяются также полиорганосилоксаны для обработки электроизоляционных материалов с целью повышения их гидрофобности.
Резины и материалы на их основе. Резины получают вулканизацией природного или искусственного каучука. Содержание каучука существенно влияет на электрическую прочность резин.
При увеличении его электрическая прочность резин повышается.
В резиновую смесь для получения изоляционной резины вводят специфические наполнители (мел, тальк, молотая слюда и т. п.), а для окраски — пигменты и красители (сажа, цинковые белила и др.).
Применяется резина для изоляции жил проводов и кабелей, изготовления защитных перчаток, ковриков, изоляционных трубок. Применяемая непосредственно для изоляции токопроводящих жил резина имеет повышенные электроизоляционные свойства; резина для защитных оболочек (шланговая резина) должна иметь повышенную механическую прочность. Недостатком этих материалов является низкая теплостойкость и светово.е старение с повышением хрупкости и понижением электроизоляционных свойств.
Материалы на основе эф и ров целлюлозы. К ним относятся простые и сложные эфиры целлюлозы, получаемые замещением гидроксильных групп в ее молекуле. Наибольшее значение из них имеет эталцеллюлоза, применяемая в производстве пластмасс, пленок, лаков и эмалей для изготовления корпусов и деталей электро- и радиоаппаратуры.
Несмотря на их высокие диэлектрические свойства и хорошую технологичность, они имеют низкую нагревостойкость.
Волокнистые электроизоляционные материалы и слоистые пластики. К этой группе материалов относятся бумага и картон, фибра, текстильные материалы, а также другие продукты из волокнистых материалов с покрытием или пропиткой. Изготовляются эти материалы из различных волокон.
Волокнистые материалы имеют достаточно высокую механическую прочность, гибкость, гигроскопичность и невысокую стоимость.
Бумагу и картон изготовляют в основном из древесной сульфатной и нитратной целлюлозы. Выпускают бумагу кабельную, телефонную и конденсаторную. Кабельная бумага марок К, КМ, КВ, КВУ, КВМ, КВМУ (К — кабельная, М — многослойная, В — высоковольтная, У — уплотненная) используется для изоляции токо-проводящих жил силовых кабелей.
Толщина ее 15—240 мкм, объемная масса 0,76—1,10 кг/м3. Для повышения диэлектрической проницаемости бумагу пропитывают нефтяным маслом.
Телефонная бумага имеет толщину 50 мкм и объемную массу 0,80—0,82 кг/м3. Используется она для изоляции телефонных и обмоточных проводов, а также в виде подложки для изготовления композиционной изоляцйи.
Конденсаторную бумагу используют при производстве бумажных конденсаторов. Номинальная толщина ее 4—30 мкм, объемная масса 1,0—1,25 кг/м3.
Картон отличается от бумаги большей толщиной и массой. Картоны бывают воздушные и масляные.. Воздушные — более твердые и упругие, а масляные — менее плотные, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость.
Фибра получается в результате обработки бумаги раствором хлористого цинка. Выпускается она в виде листов толщиной 0,6— 3 мм и плотностью 1 —1,5 кг/м3. Применяется она для изготовления деталей разрядных устройств.
Текстильные материалы в виде пряжи и тканей изготовляют из природных, синтетических и минеральных волокон. Для этого используют натуральный хлопок, вискозный и ацетатный шелк, лавсановые, полиэтиленовые, полиамидные, поливинилхлоридные, по-литетрафторэтиленовые и асбестовые волокна.
Пряжу используют для защитных покровов кабелей и обмотки проводов; ленты и ткани — для защиты изоляции электрических машин и аппаратов. Ткани используют для изготовления лакотка-ней и слоистых пластиков.
Лакоткани представляют собой гибкий электроизоляционный материал, состоящий из ткани (хлопчатобумажной, шелковой, стеклоткани), пропитанной электроизоляционным лаком. Шелковые лакоткани позволяют получить изоляцию с малыми габаритами и более высокой диэлектрической проницаемостью.
Стеклолакоткани пропитывают кремнийорганическими, полиэфирными, битумно-масляными лаками или бутадиенстирольными и полистирольными латексами. В зависимости от вида пропитки они имеют рабочую температуру 105—180 °С.
Лакоткани используют в качестве электроизоляционных прокладок в электрических машинах и приборах, а также для межслой-ной изоляции катушек, изоляции проводов, стержней и т. п.
Толщина лакотканей 0,10—0,30 мм; ширина 700—900 мм.
Маркировка лакотканей состоит из букв и цифр; буквы обозначают: Л — лакоткань; X — хлопчатобумажная, Ш — шелковая, К—капроновая; М — на основе масляного лака, Б — битумно-масляного. Цифры обозначают нагревостойкость лакоткани (°С). Например, ЛХМ-105 — лакоткань хлопчатобумажная на основе масляного лака для длительной работы при температуре 105°С.
Лакобумага представляет собой пропитанную масляным лаком конденсаторную или другую хлопковую бумагу. При этом получают гибкий материал с высокой электрической прочностью, но уступающий лакотканям по механической прочности. Толщина, лакобу-маги 0,04—0,10 мм.
К лакотканям и лакобумагам относятся также электроизоляционные трубки, представляющие собой плетеные чулки и шнуры, пропитанные электроизоляционными лаками. Применяются они для защиты выводных концов в электрических машинах и приборах.
Слоистые пластики представляют собой слоистый материал, состоящий из волокнистого наполнителя и полимерного связующего. Наибольшее распространение имеют гетинакс и текстолит.
Гетинакс получают путем горячего прессования бумаги, пропитанной фенольными смолами. Его удельное объемное сопротивление вдоль слоев в 50—100 раз, а электрическая прочность в 5— 8 раз ниже, чем поперек слоев. Гетинакс выпускают в виде листов толщиной 0,2—50 мм, длиной и шириной не менее 700 и 500 мм.
Слоистые пластики используют для приготовления деталей распределительных щитов, изоляционных перегородок, а также элементов устройств в маслозаполненной аппаратуре высокого напряжения.
Текстолит по способу получения аналогичен гетинаксу, но вместо бумаги используются хлопчатобумажные или стекловолок-нистые ткани. Текстолит в 4—5 раз дороже гетинакса, поэтому используется лишь в тех случаях, где изделия подвергаются ударным или истирающим нагрузкам.
Из других слоистых пластиков применяются также асбестоге-тинакс — на основе асбестовой бумаги и асботекстолит — на основе асбестовой ткани.
Наиболее нагревостойкими, влагостойкими и механически прочными являются стеклотекстолита — на основе стеклоткани и эпоксидного связующего.
Большое применение имеют и слоистые пластики, облицованные с обеих сторон медной фольгой. Они используются для изготовления печатных плат в электро- и радиоустройствах.
Слюдяные электроизоляционные материалы. Наибольшее распространение получили миканит, микалента и слюдинитовая бумага.
Миканит — листовой материал толщиной 0,5—5 мм, получаемый склеиванием лепестков слюды изоляционным лаком. Для увеличения прочности слой слюды склеивают с бумажной или стекло-тканевой подложкой. Применяют миканит для изоляции пластин коллекторов электрических машин, изготовления изоляционных деталей в форме трубок, конусов и шайб.
В нагревательных приборах используют специальный термоупорный миканит.
Микалента изготовляется из одного слоя пластинок слюды, наклеенного одной или обеими сторонами на бумажную или тканевую подложку. Толщина микаленты 0,08—0,21 мм. Микаледта на бумажной основе — микафолий, на шелке — микашелк, на ткали — микаполотно.
Используется микалента для витковой и корпусной изоляции электрических машин, где требуется большая гибкость изоляционного материала.
Слюдинитовая бумага представляет собой рулонный материал, полученный из слюдяной пульпы отливом на бумагоделательных машинах. Изготовляется с бумажной или стеклоТканевой подложкой. Различают коллекторный, формовочный, гибкий и стеклослю-динит.
По свойствам и применению эти материалы близки к миканитам, но отличаются меньшей влагостойкостью и пластичностью.
