Нагревостойкость диэлектриков

Способность электроизоляционных материалов и изделий без вреда для них как кратковременно, так и длительно выдерживать воздействие высокой температуры, а также резких смен температуры называют нагревостойкостью.

Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например заметному росту или снижению удельного электрического сопротивления. Величину нагревостойкости оценивают соответствующими значениям температуры (в ), при которой появились эти изменения.

Классы нагревостойкости

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлюлозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина и т. д.), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляционный материал.

Те же самые органические волокнистые материалы, если они работают в готовой изоляции, будучи пропитаны лаками, или же погруженными в жидкий электроизоляционный материал и, таким образом, защищены от непосредственного соприкосновения с кислородом, который ускоряет старение этих материалов, относятся уже к классу A.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим наполнителем и термореактивным связующим типа фенолоформальдегидных и подобных им смол (гетинакс, текстолит, пресспорошки с наполнением древесной мукой и т.п.) эпоксидные смолы и компаунды без наполнителей, изоляция эмаль — проводов на поливинилацеталиевых лаках и т.д.

Таким образом, к классам нагревостойкости Y, A и E относятся чисто органические электроизоляционные материалы.

В более высокие классы нагревостойкости входят уже материалы, для которых характерно наличие большого содержания неорганических составных частей. Так к классу B относятся щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы в сочетании с органическими связующими и пропитывающими материалами. Таковы большинство миканитов (в том числе и с бумажной или тканевой органической подложкой), стеклолакоткани, стеклотекстолиты на фенолформальдегидных термореактивных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями и т.п.

К классу F принадлежат миканиты, изделия на основе стекловолокна, без подложки или с неорганической подложкой, с применением органических связующих и пропитывающих материалов повышенной нагревостойкости, эпоксидных, термореактивных полиэфирных, кремнеорганических смол особо высокой нагревостойкости получаются материалы класса H.

К классу C относятся чисто неорганические материалы совершенно без склеивающих или пропитывающих органических составов. Таковы оксидная и фторидная изоляция алюминия, слюда, стекло и стекловолокнистые материалы кварц, асбест, микалекс, непропитанный асбоцемент, шифер, негревостойкие миканиты. Из всех органических электроизоляционных материалов к классу C относится только один политетрафторэтилен (фторопласт 4).

 

Трансформаторное масло

Трансформаторным маслом заливают силовые трансформаторы, из всех жидких электроизоляционных материалов находит наибольшее применение в электротехнике. Его назначение двояко: во-первых, масло, заполняя поры в волокнистой изоляции, а также промежутки между проводами обмоток и между обмотками и баком трансформатора, значительно повышает электрическую прочность изоляции; во-вторых, оно улучшает отвод теплоты, выделяемой за счет потерь в обмотках и сердечнике трансформатора. Лишь некоторые силовые и измерительные трансформаторы выполняются без заливки маслом («сухие» трансформаторы). Еще одна важная область применения трансформаторного масла — масляные выключатели высокого напряжения. В этих аппаратах разрыв электрической дуги между расходящимися контактами выключателя происходит в масле или в находящихся под повышенным давлением газах, выделяемых маслом под действием высокой температуры дуги; это способствует охлаждению канала дуги и быстрому ее гашению. Трансформаторное масло применяется также для заливки маслонаполненных вводов, некоторых типов реакторов, реостатов и других электрических аппаратов.

Трансформаторные, а также другие, нефтяные («минеральные») электроизоляционные масла получают из нефти посредством ее сту­пенчатой перегонки с выделением на каждой ступени определенной (по температуре кипения) фракции и последующей тщательной очистки от химически нестойких примесей в результате обработки серной кислотой, затем щелочью, промывки водой и сушки. Часто электроизоляционные масла дополнительно обрабатываются адсорбентами, т. е. веществами (особые типы глин или же получаемые искусственным путем материалы), которые обладают сильно развитой поверхностью и при соприкосновении с маслом поглощают воду и различные полярные примеси. Такая обработка производится или перемешиванием нагретого масла с измельченным адсорбентом с последующим отстаиванием, или же фильтрованием масла сквозь слой адсорбента (перколяция). Применяются и другие способы очистки масла.

Трансформаторное масло — это жидкость от почти бесцветной до темно-желтого цвета, по химическому составу представляющая собой смесь различных углеводородов. Нефти разных месторождений отличаются по своим параметрам и зависимостям этих параметров от температуры.

Практически важные свойства трансформаторного масла нормируются стандартом ГОСТ 982-80. По средним фактическим данным (при различных способах очистки) кинематическая вязкость этого масла составляет 17-18,5 мм²/с при 20 °С и 6,5-6,7 мм²/с при 50 °С; кислотное число 0,03-0,1 г КОН/ кг; температуря вспышки паров 135-140 °С; температура застывания около минус 45 °С. Ограничение вязкости весьма важно, так как слишком вязкое масло хуже отводит теплоту потерь от обмоток и магнитопровода трансформатора.

Трансформаторное масло — горючая жидкость; большие количества (часто тысячи тонн) масла, находящиеся, в масляных хозяйствах энергосистем, представляют собой большую пожарную опасность. Поэтому в масляных хозяйствах необходимо тщательно соблюдать все требования, предписываемые правилами пожарной безопасности. Пожарная опасность масла оценивается по температуре вспышки.

Температура застывания масла — параметр, особенно важный для масла, заливаемого в масляные выключатели, устанавливаемые на открытых подстанциях в районах с суровой зимой. Специальное «арктическое» масло (марки ATM - 65) имеет температуру застывания минус 70 °С.

Помимо температуры застывания, для работающих при низких температурах окружающей среды электроизоляционных жидкостей имеющих плотность менее 1 Мг/м³, важна критическая температура плавучести льда. Ниже этой температуры кристаллики льда, образующегося при замерзании примесей воды, плавают в электроизоляционной жидкости и таким образом снижают ее электрическую прочность (иными словами, в этом интервале температур плотность электроизоляционной жидкости больше плотности льда). Электрическая прочность масла - величина, чрезвычайно чувствительная к его увлажнению. Незначительная примесь воды в масле резко снижает его электрическую прочность. Это объясняется тем, что воды (около 80) значительно выше, чем масла ( чистого масла около 2,2). Под действием сил электрического ноля капельки эмульгированной в масле воды втягиваются в места, где напряженность поля особенно велика и где, собственно, и начинается развитие пробоя. Еще более резко понижается электрическая прочность масла, если в нем, кроме воды, содержатся волокнистые примеси. Волокна бумаги, хлопчатобумажной, пряжи легко впитывают в себя влагу из масла, причем значительно возрастает их . Под действием сил поля увлажненные волокна не только втягиваются в места, где поле сильнее, по и располагаются по направлению силовых линий, что весьма облегчает пробой масла.

Вода легко может попасть в масло при его перевозке, хранении, переливке в недостаточно просушенную тару и т. п. Для сушки масла имеется несколько способов: пропускание под давлением сквозь фильтровальную бумагу в специальных установках — фильтропрессах; воздействие на масло центробежной силы в центрифуге, причем вода, имеющая плотность, большую, чем у масла, отжимается к периферии сосуда и отделяется от масла; уже упоминавшаяся обработка адсорбентами; распыление нагретого масла в камере, заполненной азотом, и т. п. При сушке электрическая прочность увлажненного масла восстанавливается.

Нормы электрической прочности трансформаторного масла

 

Для аппаратов с рабочим напряжением, кВ	Электрическая прочность Unp/2,5, Kb/mm, не менее
сухого масла	масла, находящегося в эксплуатации
б	25	20
35	30	25
10 и 220	40	35
330	50	45

Согласно «Правилам технической эксплуатации электростанции» (ПТЭ) предусматриваются наименьшие значения электрической прочности трансформаторного масла. В соответствии с этими «Правилами» пробой образца масла производят между двумя погруженными в масло металлическими дисковыми электродами диаметром 25 мм с закругленными краями при расстоянии между ним 2,5 мм; определяют действующее значение пробивного напряжения при частоте 50 Гц (усредняемое для нескольких последовательных пробоев одного и того же образца). В таблице даны значения пробивного напряжения (в киловольтах), отнесенные к междуэлектродному расстоянию 2,5 мм. ПТЭ предусматривают различные нормы для чистого и сухого масла, подготовленного к заливке в трансформатор или иной аппарат, и для масла, находившегося в эксплуатации в маслонаполненном аппарате (из всякого маслонаполненного аппарата периодически должны отбираться пробы масла для испытания).

Зависимости трансформаторных масел от температуры имеют вид, характерный для неполярных диэлектриков.

Плотность трансформаторного масла 0,85 - 0,90 Мг/м³. Его температурный коэффициент объемного расширения около 0,00065 (эта величина важна для расчета расширителей трансформаторов, в которые выдавливается из бака часть масла при повышении температуры). При нормальной температуре удельная теплоемкость масла примерно 1,5 Дж/ (), а коэффициент теплопроводности — около 1 Вт/ (); при росте температуры, как удельная теплоемкость, так и коэффициент тепловодности масла увеличивается. Масло отводит теплоту потерь от погруженных в него обмоток и магнитопровода трансформатора в 25-30 раз интенсивнее, чем воздух (при свободной конвекции).

 

 

Полиэтилен

Полиэтилен — кристаллизующийся полимер, степень кристалличности которого при комнатной температуре достигает 50...90% в зависимости от способа получения. От других термопластов отличается весьма ценным комплексом свойств. Для полиэтилена характерны высокая прочность, стойкость к действию агрессивных сред и радиации, хорошие диэлектрические свойства, нетоксичность.

Полиэтилен (ПЭ) получают при высоком, среднем и низком давлении полимеризацией этилена в присутствии катализаторов.

Выпускаемый в промышленности полиэтилен в зависимости от способа получения различается по плотности, молекулярной массе и степени кристалличности. Плотность полиэтилена 910...970 кг/м³, температура размягчения 11О...13О°С.

Наибольшей степенью кристалличности, плотности и температурой размягчения обладает полиэтилен низкого и среднего давления (полиэтилен высокой плотности). Полиэтилен, получаемый при высоком давлении, имеет меньшую плотность. Так как изделия из полиэтилена становятся хрупкими только при температуре - 70°С, то они могут эксплуатироваться в суровых климатических условиях.

Полиэтилены низкого и среднего давления относятся к полимерам с регулярной структурой молекул и называются изотактическими полимерами. С увеличением молекулярной массы и особенно плотности (что характерно для изотактического полиэтилена), возрастает химическая стойкость полимера. Полиэтилен стоек к действию щелочей, растворов солей, органических кислот (даже к концентрированной соляной и плавиковой кислотам). При температуре выше 80°С полиэтилен растворяется во многих растворителях, особенно хорошо в углеводородах и их галогенпроизводных. Для уве­личения атмосферостойкости и стойкости к термоокислительным процессам в полиэтилен вводят различные стабилизаторы.

Плотность полиэтилена существенно не влияет на его диэлектрические свойства, но примеси в полиэтилене высокой плотности увеличивают диэлектрические потери. Однако малые диэлектрические потери полиэтилена позволяют использовать электроизо­ляционные материалы и изделия на его основе в широком диапазоне частот и температур.

В промышленности получают полиэтилен со «сшитой» структурой молекул, когда создаются поперечные химические связи между линейными цепями макромолекул. «Сшитый» полиэтилен можно получить при облучении полиэтилена частицами высоких энергий или при действии специальных перекисных соединений, вызывающих «сшивку» макромолекул при высокой температуре. Такой полимер становится резиноподобным при температуре 110...115°С и сохраняет прочность при температуре до 200°С.

Полиэтилен применяется как электроизоляционный материал в электротехнике и радиоэлектронике, кабельной промышленности, строительстве, в качестве антикоррозионных покрытий и т.д. Полиэтилен всех марок является физиологически безвредным, поэтому получил широкое применение в производстве товаров народного потребления.

 

Поливинилхлорид

Поливинилхлорид (ПВХ) [ — СН₂ — CHCI — ] — термопластичный полимер преимущественно линейного строения — получают полимеризацией винилхлорида по радикальному механизму в массе, эмульсии, суспензии или в органическом растворителе.

В промышленности чаще всего используют эмульсионный и суспензионный методы. Винилхлорид можно также полимеризовать и по ионному механизму, однако число катализаторов ионной полимеризации очень ограничено.

ПВХ — твердый продукт белого цвета, теоретическое содержание хлора — 56,8 %, практическое всегда несколько меньше. Коэффициент полимеризации 100-2500. Элементарные звенья в цепях полимера расположены в основном в положении 1,2. Степень упорядоченности макромолекул ПВХ зависит от температуры полимеризации, а также от М. Максимально возможная упорядоченность реализуется при температурах полимеризации выше 55°С или в случае отжига при температурах выше 70°С. Степень кристалличности промышленного ПВХ может достигать 10%, а полимера, полученного при температурах ниже 10°С или радикальной полимеризацией при 20-50 °С, — соответственно 10-23% и 33-35%. Кристаллический ПВХ имеет синдиотактическую конфигурацию.

Температура текучести ПВХ тем выше, чем ниже температура полимеризации.

Плотность при 20°С, кг/м³....... 1350-1430

при 20°С.........................10¹³-10¹⁵

при 140°С.........................

Длительная рабочая температура, °С.......90

Материалы из ПВХ нашли широкое применение в электротехнике, особенно пластикаты в кабельном производстве. Они применяются для изоляции защитных оболочек кабельных изделий, изоляции проводов, а также в виде трубок, лент и листов в электрических машинах и аппаратах, работающих при промышленных частотах, являются хорошим дугогасящим материалом; находят применение в «стреляющих» разрядниках.

 

 

Политетрафторэтилен

Политетрафторэтилен (фторопласт-4) — это термостойкий материал, обладающий высокой гидрофобностью. Он горюч и стоек к действию кислот, щелочей и растворителей.

Фторопалст-4 может работать в широком диапазоне температур (от -60 до +230 ), сохраняя при этом высокие электроизоляционные свойства.

Под действием механических усилий фторопласт-4 деформируется, что позволяет изготовлять из него различные изделия сложной формы. Его недостатком является хладотекучесть, что позволяет применять его при низкой температуре в узлах, в которых имеются значительные механические напряжения. Фторопласт-4 прекрасно поддается механической обработке. По своим электроизоляционным свойствам он является одним из лучших материалов и широко применяется в высокочастотной техники и техники связи, а также в качестве нагревостойкой изоляции.

 

 

Эпоксидная смола

Характеризуется наличием в молекуле эпоксидных групп.

В исходном состоянии эти смолы имеют линейное строение; на каждом конце линейной молекулы находится по эпоксигруппе. Они представляют собой вязкие жидкости, могущие раствориться в ацетоне и других растворителях.

Они могут длительно храниться, не изменяя свойств. После добавления к ним отвердителей эпоксидные смолы сравнительно быстро приобретают пространственное строение.

Это явление полимеризации без выделения воды и других низкомолекулярных веществ.

Отвержение до монолитного, толстого слоя с высокой степенью водонепроницаемости.

В зависимости от типа отвердителя отвердение эпоксидных смол может проводиться либо при нагреве, либо при комнатной температуре, без внешнего давления, либо при повышенном давлении. Получается изоляция, обладающая более высокой электрической прочностью.

Распространенным отвердителем для холодного отвердевания являются азотосодержащие вещества (амины), при нагреве — органические кислоты.

Выбор отвердителя оказывает большое влияние на свойства вещества (эластичность, нагревостойкость) отвержденной эпоксидной смолы.

Эпоксидные смолы применяются для приготовления клеев, лаков, заливочных компаундов — например, для зависимости небольших трансформаторов или узлов аппаратуры.

Применяется в качестве кабельного соединительного материала и концевых муфт вместо чугунных муфт. При использовании эпоксидной смолы достигается значительное уменьшение размеров муфт и существенный экономический эффект.

 

 

Лакоткани

Лакоткань – это гибкий эластичный материал, представляющий собой ткань, пропитанную лаком. По виду применения ткани различаются: черные и светлые хлопчатобумажные лакоткани, светлые шелковые лакоткани, светлые и черные стеклоткани, кремнийорганические лакоткани.

Черная хлопчатобумажная лакоткань отличается более высокими электроизоляционными свойствами и повышенной влагостойкостью.

Шелковые лакоткани отличаются от хлопчатобумажных меньшей толщиной (до 0,004 мм) и применяются в тех случаях, когда при малой толщине необходима повышенная электрическая плотность.

Кремнийорганические лакоткани характеризуются малой зависимостью электроизоляционных свойств от температуры и влаги и могут долго работать при температуре до , в то время как для хлопчатобумажных лакотканей допускается температура не выше , а для стеклотканей не выше .

Лакоткани широко применяются при изготовлении обмоток, катушек трансформаторов, дросселей и в других изделиях в качестве межслойной корпусной изоляции.

 

Электрокартон

Электротехнический картон применяется для работы в воздушной среде, в зависимости от назначения выпускается трех марок: ЭВ, ЭВС, ЭВТ. Электрическая прочность картона толщиной от 0,1 до 0,5 мм после сушки составляет 11-13 кВ/мм. У нас картон широко применяется в качестве прокладочного материала при изготовлении катушек трансформаторов, дросселей и т.д.

 

Пластические массы

Пластмассами (пластиками) называют искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. Эти материалы способны при нагреве размягчаться, становиться пластичными, и тогда под давлением им можно придать заданную форму, которая затем сохраняется. В зависимости природы связующего переход отформованной массы в твердое состояние совершается или при дальнейшем ее нагреве, или при последующем охлаждении.

Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы. Многие пластмассы, главным образом термопластичные, состоят из одного связующего вещества, например полиэтилен, органические стекла и др.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества как органического, так и неорганического происхождения). После пропитки наполнителя связующим получают полуфабрикат, который спрессовывается в монолитную массу. Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства. Для повышения эластичности и облегчения обработки добавляют пластификаторы (олеиновую кислоту, стеарин, дибутилфталат и др.).

Пластификаторы – представляют собой густые маслообразные синтетические жидкости, вводимые в пластмассы для понижения их хрупкости и повышения холодостойкости.

Стабилизаторы – вещества, вводимые в пластмассы с целью повышения их стойкости к свету и нагреву.

Смазывающие вещества – (стеарин, олеиновая кислота) вводятся в пластмассы для лучшего отделения от поверхности стальной пресс формы отпрессованного изделия.

Отвердители – вещества, вводимые в некоторые пластмассы с целью ускорения процессов их отвердевания. Основой этих процессов является реакции полимеризации и поликонденсации.

Красители — вещества, придающие пластмассовым изделиям равномерную окраску. Красители вводят как для придания декоративного вида, так и для повышения стойкости пластмассовых изделий к свету.

Порообразователи — вещества, которые при нагревании выделяют большое количество газов, создающих пористую структуру в газонаполненных пластмассовых изделиях. Выбирая состав и количество компонентов пластмассы, можно получить изделия с теми или иными механическими, тепловыми и диэлектрическими свойствами

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты), получаемые на основе термореактивных смол. Термопласты удобны для переработки в изделия, дают незначительную усадку при формовании (1-3%). Материал отличается большой упругостью малой хрупкостью и способностью к ориентации. Обычно термопласты изготовляют без наполнителя. В последние годы стали применять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты).

Термореактивные полимеры после отверждения и перехода связующего в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10-15%) при их переработке, поэтому в их состав вводят усиливающие наполнители.

По виду наполнителя пластмассы делят на порошковые (карболиты) с наполнителями в виде древесной муки, графита, талька и др.: волокнистые с наполнителями в виде очесов хлопка и льна (волокниты) стеклянного волокна (стекловолокниты), асбеста (асбоволокниты); слоистые содержащие листовые наполнители (листы бумаги) в гетинаксе, хлопчатобумажные, стеклянные, асбестовые ткани в текстолите, стеклотекстолите и асботекстолите древесный шпон в древеснослоистых пластиках); газонаполненые (наполнитель — воздух или нейтральные газы — пено- и поропласты).

По применению пластмассы можно подразделить на силовые (конструкционные, фрикционные,и антифрикционные, электроизоляционные) и несиловые (оптически прозрачные, химически стойкие, электроизоляционные, теплоизоляционные, декоративные, уплотнителъные, вспомогательные). Однако это деление условно, так как одна и та же пластмасса может обладать разными свойствами.

 

 

Слоистые пластики

Широкое применение в качестве конструкционных и электроизоляционных материалов имеют слоистые пластики, в которых наполнителем является тот или иной листовой волокнистый материал. К этим материалам относятся гетинакс, текстолит и др.

Гетинакс получается посредством горячей прессовки бумаги, пропитанной бакелитом. Для производства гетинакса берется прочная и нагревостойкая пропиточная бумага. Пропитка ее смолой может производиться различными способами. Наиболее распространенным способом в течение ряда лет был способ пропитки лаком, т.е. раствором бакелита А в спирте, с последующей сушкой. В пропиточной машине бумага (или ткань – для производства текстолита), разматываясь с рулона, проходит через ванну с лаком, поднимается в сушильную шахту и через валики наматывается на приемный механизм. Существенным недостатком этого способа пропитки является расходование больших количеств дорогого растворителя – спирта, пары которого при сушке удаляются, к тому же применение легкогорючего спирта повышает пожарную опасность производства.

 

Свойства гетинакса марок I и V, текстолита марки Б и стеклотекстолита марки СТЭФ (образцы толщиной более 10 мм)
Свойство	Гетинакс	Текстолит Б	Стекло-текстолит СТЭФ
I	V
Плотность, Мг/м3	1,4	1,4	1,4	1,8
Предел прочности, МПа
при растяжении	120	110	60	400
при изгибе	110	100	100	440
Ударная вязкость, кДж/м2	20	22	28	140
Теплостойкость по Мартенсу, оС	185	190	160	260
Класс нагревостойкости	А	А	А	В

 

В России была разработана технология производства слоистых электроизоляционных пластиков, для которой характерна пропитка бумаги или ткани жидкими водными суспензиями фенолформальдегидных смол; при сушке пропитанной бумаги вода испаряется. Данная технология производства слоистых пластиков совершенно не требует применения спирта, и внедрение ее в производство некоторых марок слоистых пластиков дало большую экономию. Пропитанная (бакелитизированная) бумага нарезается листами требующегося формата, собирается пачками нужной толщины и укладывается между стальными плитами гидравлического пресса. Прессы для производства слоистых пластиков с целью повышения производительности выполняются с располагаемыми в несколько "этажей" плитами и заготовки из пропиточной бумаги закладывают одновременно во все этажи. Во время прессования через просверленные в плитах каналы пропускается пар, который нагревает плиты, от плит теплота передается прессуемому материалу, бакелит в нем расплавляется, заполняет поры между волокнами бумаги и отдельными листами ее и, запекаясь (переходя в стадию С), твердеет и связывает отдельные слои бумаги. При прессовке гетинакса обычно устанавливают давление около 1 МПа; температура плит пресса 160-165 ^оС; время выдержки под давлением от 2 до 5 мин на каждый миллиметр толщины досок, считая с момента достижения плитами пресса указанной выше температуры. По окончании прессования, перед выемкой отпрессованных досок, последние охлаждаются примерно до температуры +60 ^оС, для чего подача пара в каналы плит прекращается, и в эти же каналы пропускается холодная вода. У отпрессованного материала края обрезают под прямым углом циркульной пилой.

Листовой электротехнический гетинакс выпускается различных марок. Отметим только две из них:

I – для панелей распределительных устройств, щитов, изоляционных перегородок в устройствах низкого напряжения (выпускается в листах толщиной от 0,2 до 50 мм);

V – для деталей, работающих в маслозаполненной аппаратуре высокого напряжения (выпускается в листах толщиной от 5 до 50 мм. Для всех марок гетинакса длина – не менее 700 мм, ширина – не менее 550 мм. Электрическая прочность гетинакса в направлении, перпендикулярном слоям, Е_пр =20 – 40 МВ/М, диэлектрическая проницаемость от 5 до 6. Дугостойкость гетинакса, как и других пластиков на фенолформальдегидном связующем, невысока: после воздействия разряда на поверхности материала остается "науглероженный след", обладающий значитёльной "электрической проводимостью" (явление трекинга). Слоистая структура гетинакса, как и других слоистых пластиков (а также слюды и слюдяных материалов), приводит к заметной анизотропии свойств в направлениях, перпендикулярном и параллельном слоям. Так, например, удельное объемное сопротивление гетинакса вдоль слоев в 50 – 100 раз, а электрическая прочность вдоль слоев в 5 – 8 раз ниже, чем поперек слоев. Гетинакс может обрабатываться режущим инструментом из твердых сплавов, причем скорости резания при небольших подачах велики; станки должны быть оборудованы вытяжной вентиляцией для удаления пыли; охлаждение ведется воздушной струей. Торцы штампованных деталей рекомендуется защищать электроизоляционным лаком. Не следует снимать фрезой поверхностный слой материала, ибо такая обработка ведет к ухудшению влагостойкости гетинакса. Гетинакс нашел применение в высоко- и низковольтном аппаратоприборостроении, а также в технике связи.

Фольгированный гетинакс. Для изготовления печатных схем низковольтных цепей аппаратуры используют фольгированный гетинакс. В настоящее время выпускается около десяти марок такого материала. Он представляет собой гетинакс, облицованный с одной стороны или с двух сторон электролитической красномедной фольгой толщиной 0,035 – 0,05 мм.

Текстолит. Этот пластик аналогичен гетинаксу, но изготовляется из пропитанной ткани. Свойства различных марок листового электротехнического текстолита определяются ГОСТ 2910 – 74. Свойства текстолита на основе хлопчатобумажной ткани (например, марка Б) в общем близки к свойствам гетинакса; текстолит имеет повышенную удельную ударную вязкость, стойкость к истиранию и сопротивление раскалыванию (при вдавливании клина в торец доски). Текстолит в пять – шесть раз дороже гетинакса, так как стоимость ткани значительно выше стоимости бумаги, и применяется лишь в отдельных случаях для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам или работающих на истирание (детали переключателей и т.п.). Текстолит марки ЛТ на основе синтетической (лавсановой) ткани с пропиткой эпоксидно-фенолформальдегидной смолой более влагостоек, но его нагревостойкость (до 85 ^оС) понижена.

Другие виды слоистых пластиков. Это текстогетинакс (комбинированный слоистый пластик с внутренними слоями бумаги и наружными - с обеих сторон - слоями хлопчатобумажной ткани); древеснослоистые пластики (ДСП) – типа фанеры на бакелитовой смоле, более дешевые, чем гетинакс, но с худшими электроизоляционными свойствами и более гигроскопичные; более нагревостойкие слоистые пластики – на неорганических основах: асбогетинакс на основе асбестовой бумаги и асботекстолит на основе асбестовой ткани; наиболее нагревостойкие, влагостойкие и механически прочные слоистые пластики – стеклотекстолиты на основе неорганической стеклянной ткани с нагревостойкими связующими. Наряду со стеклотекстолитами выпускаются и более дешевые слоистые пластики на основе не стеклоткани, а стекловата, получаемого без тканья, т.е. без переплетения нитей друг с другом.

Фасонные и намотанные изделия. Помимо описанных выше листовых слоистых пластиков, находят применение и фасонные слоистые изделия. Таковы измотанные изделия, известные под названием гетинаксовых (бакелитовых) трубок (внутренний диаметр от 10 до 30 мм) и цилиндров (внутренний диаметр от 30 до 600 мм). Бакелитовые трубки и цилиндры выпускаются различной длины при толщине стенки от 1,5 до 3 мм. Они изготовляются из лакированной с одной стороны (на специальных лакировочных машинах) намоточной бумаги, более тонкой и плотной, чем пропиточная бумага, которая идет на производство листового гетинакса. Лакированная бумага туго наматывается на металлическую оправку и вместе с ней подвергается запеканию в термостате, после чего готовое изделие снимается с оправки. Свойства намотанных изделий уступают свойствам листового гетинакса. Изготовляются также текстолитовые цилиндры, стержни и различные фасонные детали сложной формы, в частности гасильные камеры для масляных выключателей. Текстолит применяется и как конструкционный материал, например, для изготовления подшипников и бесшумных зубчатых передач. Зубчатые колеса для таких передач прессуются из набранных в стопки заготовок, отштампованных из пропитанной ткани.

 

 

Стекловолокно

Большую группу аморфных тел составляют неорганические стёкла.

Электропроводность стекол самым тесным образом связана с химическим составом, что даёт возможность в ряде случаев получать заранее заданную величину удельной проводимости.

Кварцевое стекло, плавленый кварц и плавленый борный ангидрид обладают весьма малой удельной проводимостью. Температурная зависимость удельной проводимости этих стекол значительна: коэффициент указывает на большую энергию освобождения ионов. Введение в состав стекол металлов разных групп по-разному отражается на электропроводности. Введение в состав стекла окисных щелочных металлов первой группы сильно увеличивает электропроводность. Это увеличение зависит от радиуса иона.

Введение в состав стекла тяжёлых окислов (например, окислов бария или свинца) не только нейтрализует вредное влияние щелочных окислов, но и приводит к значительному понижению удельной проводимости стекол.

Стекловолокном называют искусственное волокно, изготовляемое различными способами из расплавленного стекла.

Известно два основных вида стекловолокна: непрерывное и штапельное. Для непрерывного волокна, получаемого вытягиванием из расплава стекла, характерна неограниченно большая длина, прямолинейность и параллельное расположение волокон в нити. Штапельное волокно, получаемое путем расчленения струи расплавленного стекла воздухом, паром или газовым потоком, отличает небольшая длина, извитость и хаотическое расположение волокон в пространстве. Изделия из непрерывного волокна по внешнему виду напоминают натуральный или искусственный шелк, а из штапельного – хлопок или шерсть.

Для получения стеклянных волокон с различными показателями свойств синтезируют стекла, обеспечивающие эти свойства, но одновременно обладающие стабильностью процесса волокнообразования в заданном интервале температур. Способность стекломассы вытягиваться в волокно определяется отношением ее вязкости к поверхностному натяжению. На стабильность процесса волокнообразования в значительной степени оказывает влияние кристаллизационная способность стекла (температура плавления кристаллов, скорость образования центров кристаллов, скорость линейного роста кристаллов), вязкость, скорость твердения, химическая однородность стекломассы и содержание в ней газов.

Для производства стекловолокна применимы стекла с температурой ликвидуса на 30 – 50 ^оС ниже температуры его формования, поэтому составы стекол, пригодные для формования стеклянных волокон различного назначения, отличаются от известных рецептур "массивных" стекол.

Качество стекла для выработки стекловолокна в значительной степени зависит от гомогенизации и дегазации стекломассы, использования комплексного тонко измельченного сырья, высокой температуры варки стекла (1600 ^оС и выше), принудительного перемешивания стекломассы, применения стекло стойких огнеупоров и др.

Для варки стекол в производстве стеклянных волокон применяют горшковые, ванные печи непрерывного действия, пламенные печи прямого нагрева, электрические и газоэлектрические стекловаренные печи.

Для получения стеклянных волокон стекла синтезируют в различных стеклообразных системах, используя:

1) бесщелочные, алюмоборосиликатные стекла, содержащие до 0,5 – 2,0 % по массе R₂O – тип Е (электроизоляционного назначения);

2) бесщелочные или малощелочные натриево-кальциево-алюмо-боро-силикатные стекла (до 10 % по массе R₂О) – тип С (химически устойчивые);

3) щелочные-натриево-кальциево-силикатные стекла, содержащие более 10 % по массе R₂О – тип А (тепло-звукоизоляция);

4) бесщелочные магнийалюмосиликатные и другого состава стекла (высокопрочные и высокомодульные);

5) бесщелочные из оксидов тугоплавких металлов или их соединений стекла (кварцевые, высококремнеземные, алюмокремнеземные, алюмосиликатные и другие высокотемпературостойкие).

Стеклянные волокна различного химического состава обладают ценными свойствами – негорючестью, стойкостью к коррозии, высокой прочностью, сравнительно малой плотностью, высокими оптическими, диэлектрическими и теплофизическими свойствами, что позволяет их применять в различных областях техники, главным образом, для изготовления текстильных материалов и изделий (нитей, жгутов, лент, и нетканых материалов). Штапельные стекловолокна в процессе их получения формируют в виде ваты, матов и холстов, скрепляемых органическими и неорганическими связующими. Материалы из непрерывных и штапельных стеклянных волокон широко используются в электротехнической промышленности, машиностроении, химической промышленности, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

Большую часть изделий из непрерывных стеклянных волокон применяют в качестве армирующих материалов: стеклотканей, стеклопластиков, композитов и стеклоцемента при изготовлении электроизоляции, коррозионностойких трубопроводов и емкостей – в химической, автомобильной промышленности, строительстве, железнодорожном транспорте, судостроении, авиационной, космической технике и др.

Материалы из штапельного волокна используют для тепло-звуко-электроизоляции, фильтрации химически агрессивных сред и др.

Большинство волокнистых материалов, таких как бумага, картон, фибра, лакоткани в своем исходном состоянии не имеют таких свойств как стекловолокно. Основным отличительным свойством стекловолокна является структурное строение его волокон, для которых характерна неограниченно большая длина, прямолинейность и параллельное расположение волокон в нити, а также широкие возможности при его производстве, что оказывает значительное влияние на его свойства.

Миканиты

Рулонные материалы – это микалента и микафолий. Микалента состоит из щипаной слюды наклеенной на подложку – микалентную бумагу, стеклоткань или стеклосетку. Толщина микаленты 0,08 – 0,21мм.

Микафолий изготавливают из одного или нескольких слоев щипаной слюды, наклеиваемой на подложку того или иного вида. Толщина материала лежит в пределах 0,15 – 0,30 мм. Связывающими веществами служат глифталивая, полиэфирная, эпоксиднополиэфирная и кремнийорганическая смолы и лаки на их основе. Для нагревостойких сортов миканита используют диаммонийфосфат. В отличие от лака он при температуре 160 ^оС плавится и частично растворяет слюду. Прессование такого миканита производят при температуре 400 ^оС.

Миканиты коллекторный, прокладочный и формовочный выполняются без подложек. При использовании органических подложек и обычных клеящих лаков миканиты допускают температуру 130 ^оС, миканиты с неорганическими подложками рассчитаны на 155 ^оС, а при использовании кремнийорганических лаков 180 ^оС.

Твердый материал микалекс допускает рабочую температуру 300 ^оС, и используется как дугостойкий материал в электрических аппаратах, и для производства мощных радиопередатчиков, катушек индуктивности, плат переключателей.

 

Фарфор

Основными компонентами фарфора являются сырьевые вещества: каолин и глина, кварц, полевой шпат, гипс, пегматит. Максимальная температура обжига фарфора в зависимости от состава от 1300 до 1400 ^оС.

Электрокерамические изделия (изоляторы и пр.) получают из исходных пластичных или порошкообразных электрокерамических масс. В состав исходных электрокерамических масс входят различные неорганические материалы, подразделяющиеся на две основные группы пластичных и отощающих материалов. К пластичным материалам относятся глины и каолины, к отощающим – кварц, полевой шпат и др. Исходные электрокерамические массы превращаются в твердые камнеподобные тела – электрокерамические изделия в результате сложных технологических процессов.

Общая схема технологического процесса производства электрокерамических изделий приводится ниже:

Приготовление исходных керамических масс Ú Оформление изделий Ú Сушка изделий Ú Глазурование Ú Обжиг Ú Армирование изделий.

В начальной стадии технологического процесса осуществляются измельчение, просев и смещение сырьевых материалов в определенном соотношении для получения однородной электрокерамической массы, обладающей оптимальными технологическими характеристиками. На следующей стадии процесса происходит оформление изделий из исходных электрокерамических масс. Способы оформления изделий различны в зависимости от их габаритов, конфигурации и электрического напряжения, на которые они рассчитаны. В результате оформления изделий состав и основные свойства исходных масс не изменяются.

Поскольку оформленные электрокерамические изделия содержат 12 – 18% влаги и не обладают достаточной механической прочностью, для увеличения последней проводят операцию сушки, в процессе которой удаляется основное количество влаги.

Большинство электрокерамических изделий (изоляторы) после сушки подвергают глазурованию с целью повышения уровня механических и электрических характеристик, приобретаемых ими после обжига.

На заключительной стадии технологического процесса производства все электрокерамические изделия подвергают высокотемпературной обработке – обжигу в специальных печах. Во время обжига под влиянием высокой температуры в исходных массах между сырьевыми материалами протекают сложные физико-химические процессы, приводящие к изменению их состава, в результате чего электрокерамические изделия приобретают электрические, механические и другие свойства.

В отдельных случаях, например при изготовлении изоляторов напряжения, после обжига производится их армирование, т.е. снабжение их металлической арматурой, для закрепления изоляторов на электрооборудовании, а также для присоединения проводов.

 

 

Проводники

Свойства проводников

Для характеристики проводящих свойств различных материалов вводится понятие объемного удельного сопротивления , оно равно сопротивлению между гранями куба с ребром 1 м, изготовленного из данного материала. Так как провода электрических линий передач и катушек относительно длины, а сечение их относительно мало, но этой причине над удельным сопротивлением материалов для таких электротехнических устройств подразумевают сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм², т.е. удельное сопротивление в Ом·мм²/м.

Наблюдается зависимость удельного сопротивления, а, следовательно, и сопротивления проводника постоянному току от температуры.

Сопротивление проводника зависит не только от внешней температуры, но и от тока в нем. В простейшем случае это объясняется тем, что при увеличении тока растет скорость движения свободных электронов, увеличивается число их соударений с атомами кристаллической решетки и в конечном счете повышается температура проводника и, следовательно, увеличивается его сопротивление – температурный коэффициент сопротивления, равный относительному изменению сопротивлений при изменении температуры на 1 ^оС. Ниже приведены некоторые основные материалы с их удельным сопротивлением и температурным коэффициентом.

 

Вещество	Удельное сопротивление	Температурный коэффициент сопротивления
Серебро	0,016	0,0035
Медь	0,0172-0,0182	0,0041
Алюминий	0,0295	0,004
Вольфрам	0,0503	0,0048

Между двумя различными проводниками при их сопротивлении возникает контактная разность потенциалов, которая обусловлена разностью значений работы выхода электронов из различных металлов. Если температуры "спаев" одинаковы, то в замкнутой цепи сумма разности потенциалов равна нулю. Когда же равенство температур не наблюдается, между проводниками возникает термо ЭДС.

Е=U_1-2+U_2-1

U_1-2; U_2-1 – потенциалы соприкасающихся материалов.

Зависимость термо ЕДС от разности температур спаев не всегда линейна и, следовательно, необходимо корректировать коэффициент, характеризующей соприкасающиеся проводники [ МкВ/К ].

Зависимость термо ЭДС от разности температур спаев может быть не строго линейной. Провод, составленный из двух изолированных друг от друга проволок из различных металлов или сплавов (термопара), может быть использован для измерения температур. В термопарах используются проводники, имеющие большой и стабильный коэффициент термо ЭДС. Наоборот, для обмоток измерительных приборов и эталонных резисторов стремятся применять проводниковые материалы и сплавы с возможно меньшим коэффициентом термо ЭДС, относительно меди, чтобы избежать появления в измерительных схемах паразитных термо ЭДС, которые могли бы вызвать ошибки при точных измерениях.

 

Медь

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1) малое удельное сопротивление (из всех материалов только серебро имеет несколько меньшее удельное сопротивление, чем медь);

2) достаточно высокая механическая прочность;

3) удовлетворительная в большинстве случаев стойкость по отношению к коррозии (медь окисляется на воздухе даже в условиях высокой влажности значительно медленнее, чем, например, железо; интенсивное окисление меди происходит только при повышенных температурах;

4) хорошая обрабатываемость (медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра);

5) относительная легкость пайки и сварки.

Получение меди. Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После нескольких плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехники, обязательно проходит процесс электролитической очистки. Полученные после электролиза катодные пластины меди переплавляют в болванки массой 80-90 кг, которые прокатывают и протягивают в изделия, требующегося поперечного сечения. При изготовлении проволоки болванки сперва подвергают горячей прокатке в так называемую катанку диаметром 6,5 – 7,2 мм; затем катанку протравливают в слабом растворе серной кислоты, чтобы удалить с ее поверхности оксид меди СиО, образующийся при нагреве, а затем уже протягивают без подогрева в проволоку нужных диаметров – до 0,03 – 0,02 мм.

Марки меди. В России в качестве проводникового материала используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99,9 % Си, а в общем количестве примесей (0.1 %) кислорода должно быть не более 0,08 %. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства.

Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0,05 % примесей, в том числе не свыше 0,02 % кислорода. Из меди марки М0 может быть изготовлена тонкая проволока. При холодной протяжке получают твердую (твердотянутую) медь (МТ), которая благодаря влиянию наклепа имеет высокий предел прочности при растяжении и малое относительное удлинение перед разрывом, а также обладает твердостью и упругостью при изгибе; проволока из твердой меди несколько пружинит. Если же медь подвергать отжигу, т.е. нагреву до нескольких сот градусов с последующим охлаждением, то получится мягкая (отожженная) медь (ММ), которая сравнительно пластична, имеет малую твердость или небольшую прочность, но весьма большое удлинение перед разрывом и (в соответствии с рассмотренными выше общими закономерностями) более высокую удельную проводимость. Отжиг меди производят в специальных печах без доступа воздуха, чтобы избежать окисления.

Стандартная медь, в процентах по отношению к удельной проводимости которой иногда выражают удельные проводимости металлов и сплавов, в отожженном состоянии при 20 ^оС имеет удельную проводимость 58 МСм/м, т.е. =0,017241 мкОм·м. Удельная проводимость меди – параметр весьма чувствительный к наличию примесей.

 

Свойства медной проволоки
Параметр	Медь
МТ	ММ
Предел прочности при растяжении , МПа, не менее	360-390	260-280
Относительное удлинение перед разрывом ,%, не менее	0,5-2,5	18-35
Удельное сопротивление , мкОм·м, не более	0,0179-0,0182	0,01754

 

Твердую медь употребляют там, где надо обеспечить особо высокую механическую прочность, твердость и сопротивляемость истиранию (для контактных проводов, для шин распределительных коллекторных пластин электрических машин и пр.). Мягкую медь в виде проволок круглого и прямоугольного сечения применяют главным образом в качестве токопроводящих жил кабелей и обмоточных проводов, где важна гибкость и пластичность (не должна пружинить при изгибе), а не прочность. Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом. Поэтому она должна расходоваться весьма экономно. Отходы меди на электротехнических предприятиях необходимо тщательно собирать; важно не смешивать их с другими металлами, а также с менее чистой (не электротехнической) медью, чтобы можно было, эти отходы переплавить и вновь использовать в качестве электротехнической меди. Медь как проводниковый материал все шире заменяется другими металлами, в особенности алюминием.

Сплавы меди. В отдельных случаях помимо чистой меди в качестве проводникового материала применяются ее сплавы с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронза, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь: бронзы может быть 800 – 1200 МПа и более. Бронзу широко применяют для изготовления токопроводящих пружин и т.п. Введение в медь кадмия при сравнительно малом снижении удельной проводимости значительно повышает механическую прочность и твердость. Кадмиевую бронзу применяют для контактных проводов и коллекторных пластин особо ответственного назначения. Еще большей механической прочностью обладает бериллиевая бронза ( – до 1350·МПа). Сплав меди с цинком – латунь – обладает достаточно высоким относительным удлинением перед разрывом при повышенном по сравнению с чистой медью пределе прочности при растяжении. Это дает латуни технологические преимущества перед медью при обработке штамповкой, глубокой вытяжкой и т.п.) В соответствии с этим латунь применяют в электротехнике для изготовления всевозможных токопроводящих деталей.

 

Алюминий

Алюминий – металл, занимающий второе место по значению среди проводниковых материалов и наиболее распространенный в природе, поскольку его содержание в земной коре не менее 7,5 %

Широкое распространение в электротехнике этот металл получил не только ввиду острого дефицита меди, но и благодаря своим свойствам. Алюминий, обладая большим сродством с воздухом, легко окисляется на воздухе, покрываясь при этом прочной оксидной пленкой, которая защищает металл от дальнейшего окисления и обусловливает его высокую коррозионную стойкость. На него не действуют водяной пар, пресная и морская вода. В обычных условиях алюминий слабо реагирует с концентрированной азотной кислотой. Однако при нагревании он растворяется в разбавленной серной и азотной кислотах, легко растворяется в щелочах, образуя при этом алюминаты с выделением водорода.

По отношению к большинству металлов алюминий имеет отрицательный электрохимический потенциал и, находясь в контакте с ними, образует гальванические пары, что в присутствии влаги способствует развитию электрохимической коррозии. Поскольку оксидная пленка обладает электроизоляционными свойствами, в месте контакта проводов создается достаточно большое переходное сопротивление, которое затрудняет пайку алюминия обычными методами. Для этой цели приходится использовать специальные припои и паяльники (ультразвуковые) или применять холодную сварку, т.е. пластическое обжатие проводов в месте их контакта.

В соответствии с количественным содержанием контролируемых примесей отечественная промышленность выпускает алюминий особой чистоты (не более 0,001 %), высокой чистоты (не более 0,05 %) и технической чистоты (не более 1,0 %). Марка алюминия начинается с буквы А, затем стоит цифра, определяющая процентное содержание алюминия, например алюминий марки А97 содержит 99,97 % алюминия, остальное – контролируемые примеси. Для электротехнических целей используются специальные марки алюминия А5Е и А7Е, в которых содержание железа и кремния находится в определенном соотношении, а содержание титана, ванадия, хрома и марганца снижено до тысячных долей процента.

Проводниковый алюминий используется для изготовления токопроводящих жил обмоточных, монтажных и установочных проводов, а также неизолированных проводов, для воздушных линий электропередачи, прессованных жил кабелей различного назначения и т.д. Для этих же целей может использоваться алюминий специальных марок А75К, А8К и А8КУ, в которых суммарное содержание примесей Ti + V + Mr + Cr уменьшено по сравнению с марками А7 и А8.

В марках алюминиевых сплавов буквы дают информацию о том, какие именно элементы содержатся в сплаве (А – алюминий, К – кремний, М – медь, Мг – магний, Ц – цинк, Мц – марганец), а цифры – их среднее процентное содержание.