Изоляция вращающихся машин и трансформаторов изоляционные материалы и их классификация

В оборудовании энергосистем изоляция выполняет роль не толь­ко диэлектрического барьера между проводниками, имеющими разные потенциалы. В силовых конденсаторах, например, изоля­ция является средой, в которой накапливается энергия; в кабелях и других линиях в окружающей проводники изоляции распростра­няется электромагнитная энергия, и поэтому от параметров изоля­ции зависят волновые свойства линий. В коммутационных аппара­тах с помощью изоляционных конструкций осуществляется пере­дача механического движения от привода к подвижным контактам, а отдельные диэлектрики играют роль дугогасящей среды, кроме того, они способствуют охлаждению и теплоотводу.

Конструкция изоляции, предназначенной для оборудования вы­сокого напряжения, определяется многими факторами: выполняе­мыми функциями, режимами и условиями работы, определяющи­ми требования к электрической и механической прочности, нагревостойкости, устройством и технологией изготовления отдельных деталей и частей, сроками службы.

Чтобы полностью оценить свойства того или иного материала необходимо знать его механические, электрические, тепловые и физико-химические характеристики.

Основными механическими характеристиками являются: разру­шающее напряжение при растяжении, сжатии, статическом изгибе, а также ударная вязкость.

Характеристики по разрушающим нагрузкам показывают, при какой нагрузке произошло разрушение образца. При определении требований к механической прочности отдельно учитывают ста­тические и ударные нагрузки, вызываемые электродинамическими усилиями, возникающими при прохождении токов короткого за­мыкания, движением контактов или повышением давления при га­шении дуги, а также длительную вибрацию.

Основными электрическими характеристиками диэлектрических материалов являются: удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное), температурный коэффициент удель­ного сопротивления, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь и электрическая прочность.

Удельное электрическое сопротивление показывает степень элек­тропроводности материала, и для диэлектриков оно находится в интервале 10⁸—10¹⁸ Омм. Поверхностное удельное сопротивле­ние (электрическое сопротивление при протекании тока по его по­верхности) всегда меньше удельного объемного сопротивления и находится в интервале 10⁹—10¹⁶ Омм.

Температурный коэффициент удельного сопротивления позволя­ет оценить изменение удельного сопротивления проводника при изменении температуры.

Диэлектрическая проницаемость е позволяет определить способ­ность диэлектрика при присоединении к нему электродов и подаче напряжения образовывать электрическую емкость.

Тангенс угла диэлектрических потерь tg δ определяет потери энер­гии в диэлектриках, в сильной степени зависит от температуры.

Электрическая прочность представляет собой величину напря­женности однородного электрического поля, при которой проис­ходит пробой диэлектрика с образованием в нем сквозного про­водящего канала. Требования к кратковременной электрической прочности изоляционных конструкций представлены в виде ве­личин испытательных напряжений, установленных путем анализа возможных перенапряжений. Необходимая длительная электриче­ская прочность определяется наибольшим рабочим напряжением и требуемым сроком службы оборудования. Чтобы обеспечить ука­занную прочность изоляции, на основании специальных исследо­ваний и опыта эксплуатации устанавливают допустимые значе­ния мощности и других параметров, характеризующих способ­ность изоляции длительно выдерживать воздействие рабочего напряжения.

Тепловые характеристики позволяют оценить поведение элект­роизоляционных материалов при нагревании. Это имеет важное значение, так как большинство из них применяется в электриче­ских машинах и аппаратах при повышенных температурах. К этим характеристикам относятся: температура плавления, температура размягчения, теплостойкость, нагревостойкость, холодостойкость и температура вспышки паров жидких диэлектриков (масел).

Нагревостойкостью называется способность электроизоляцион­ного материала длительно выдерживать предельно допустимую температуру без появления признаков разрушения. Для электро­изоляционных материалов, применяемых в электрических маши­нах и аппаратах, а также кабелях установлены классы нагревостойкости (табл. 4.1). Классы нагревостойкости устанавливаются на основе предельно допустимых температур, длительно воздей­ствующих на материалы и системы изоляции, при которых они обеспечивают технически и экономически обоснованные сроки службы при нормальных условиях. Температура, соответствующая классу нагревостойкости, является фактической температурой ма­териала или системы изоляции.

Класс нагрево­стойкости	•доп. °с	Типы изоляционных материалов
Y	90	Волокнистые материалы из целлюло­зы, хлопка и натуральных волокон шел­ка, не пропитанные, не погруженные в жидкий электроизоляционный материал
А	105	Волокнистые материалы из целлюло­зы, хлопка или натурального, искусствен­ного и синтетического шелка, пропитан­ные и погруженные в жидкий электроизо­ляционный материал
Е	120	Синтетические органические матери­алы (пленки, волокна, смолы и др.) и ма­териалы или простые сочетания матери­алов, для которых на основании практи­ческого опыта или соответствующих испытаний установлено, что они могут работать при температуре, соответствую­щей данному классу
В	130	Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с органи-

Холодостойкость позволяет оценить способность материала противостоять действию низких температур. При таких темпера­турах диэлектрики могут растрескиваться (резины, пластмассы, ла­ковые пленки) или застывать (жидкие диэлектрики).

Температура вспышки паров жидких диэлектриков показывает, при какой температуре пары и газы, образующиеся в процессе на­гревания определенного объема жидкого диэлектрика, при сопри­косновении с открытым пламенем вспыхивают.

К числу тепловых воздействий, влияющих на выбор конст­рукции и материалов изоляции, относятся длительные нагревы в номинальных режимах работы, кратковременные эпизодические повышения температуры, обусловленные большими тепловыде­лениями при прохождении токов, которые вызваны внешними ко­роткими замыканиями, а также циклические нагревы и остыва­ния, если оборудование может работать с периодически меня­ющейся нагрузкой. Большое значение при этом имеет состав окружающей среды, т.е. наличие в воздухе влаги и химически ак­тивных примесей.

Понятие «внутренняя изоляция» объединяет широкий круг кон­струкций, где в качестве диэлектрика применяются твердые, жид­кие и газообразные материалы. С целью уменьшения массы и га­баритов электрообуродования используют изоляционные матери­алы, обладающие высокой электрической прочностью. Например, чистое нефтяное масло имеет электрическую прочность в одно­родном поле 18—32 МВ/м (зависит от марки масла); твердые изо­ляционные материалы — электрическую прочность до 30—40 МВ/м (фарфор, стеатит); газы, особенно при повышенном давлении — 3—7,2 МВ/м (воздух, элегаз).

Весьма эффективным является применение комбинированной изоляции — жидкого и твердого диэлектрика. В некоторых случа­ях комбинация диэлектриков позволяет получить электрическую прочность изоляции выше, чем прочность ее составных частей (на­пример, бумажно-масляная изоляция). Твердая изоляция несет ме­ханическую нагрузку, а с помощью жидкой изоляции в ряде конст­рукций обеспечивается достаточно хороший теплоотвод благода­ря конвекции или принудительной циркуляции.

Внутренняя изоляция устройств высокого напряжения в боль­шинстве случаев не имеет прямого контакта с окружающей средой, поэтому сохраняет свои электрические характеристики практиче­ски неизменными при колебаниях температуры, давления и влаж­ности воздуха.

При рабочем напряжении происходит постепенное, длящееся годами снижение электрической прочности из-за старения изоля­ции, обусловленное протеканием электрохимических процессов, а также тепловыми и механическими воздействиями.

В процессе продолжительной работы при воздействии электри­ческих, тепловых полей происходит ухудшение физико-химических характеристик изоляции, что приводит к повышению диэлектри­ческих потерь, снижению сопротивления, возникновению пробо­ев. Основными факторами, вызывающими снижение характерис­тик изоляции (старение), являются частичные разряды, нагрев и ув­лажнение.

Изменение характеристик изоляции под действием частичных разрядов называется электрическим старением. Частичные разря­ды представляют собой локальные пробои ослабленных участков изоляции, которыми являются газовые включения в толще диэлек­трика или местные разряды в точках значительного усиления на­пряженности электрического поля, например на острых краях элек­тродов. Скорость разрушения зависит от того, как часто повторя­ются частичные разряды и какая энергия рассеивается при каждом единичном частичном разряде.

Постепенное ухудшение характеристик внутренней изоляции в ходе длительного воздействия тепловых полей (нагреве) называется тепловым старением и происходит в результате ускорения химиче­ских реакций в диэлектрике при повышении температуры. Тепловое старение проявляется в снижении механической прочности для твер­дых диэлектриков и в повышении проводимости и увеличении ди­электрических потерь для жидких диэлектриков, что в приводит к тепловому и электрическому пробоям изоляции в тех и других.

Скорости химических реакций при увеличении температуры на 10 °С повышаются в 2—4 раза, поэтому срок службы изоляции при тепловом старении зависит от температуры в условиях эксплуа­тации.

Чтобы обеспечить необходимую долговечность изоляции, уста­новлены предельно допустимые температуры Т_доп , которые зави­сят от типа изоляционных материалов (см. табл. 4.1). Электриче­ские машины и аппараты должны конструироваться таким обра­зом, чтобы при номинальном режиме температура в наиболее нагретом месте не превышала допустимую.

Увлажнение внутренней изоляции приводит к росту проводи­мости и увеличению диэлектрических потерь, поскольку влага сме­шиваясь с загрязнениями может образовывать электролиты, в ко­торых в результате диссоциации молекул образуются ионы. Таким образом, увлажнение изоляции приводит к увеличению ее нагрева и повышению скорости теплового старения. При постоянном на­пряжении увеличение проводимости изоляции вызывает резкое повышение интенсивности частичных разрядов. Чтобы предотвра­тить или ограничить увлажнение изоляции, применяют герметизи­рованные изоляционные конструкции, производят пропитку волок­нистых материалов гидрофибизирующими составами, лакировку внешних поверхностей твердой изоляции, выполненной из орга­нических материалов на основе целлюлозы.