ЕТМ_т_студ / ЕТМ_лк_pdf / ЕТМ_лк4-Тверді ізоляційні матеріали

Л е к ц і я 4

ТВЕРДІ ЕЛЕКТРОІЗОЛЯЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

План лекції:

1Волокнисті електроізоляційні матеріали.

1.1Волокнисті електроізоляційні матеріали органічного походження.

1.2Волокнисті електроізоляційні матеріали неорганічного походження.

2Електроізоляційні пластичні маси (пластмаси).

3Шаруваті пластики.

4Плівкова ізоляція.

5Комбіновані електроізоляційні матеріали.

6Електроізоляційні матеріали на основі каучуку (еластомери).

7Слюда та матеріали на її основі.

8Електроізоляційне скло.

9Електроізоляційна кераміка.

Література: 1. ст.. 72-93, 99-119; 2. ст. 66-76; 3. ст.159-217; 4. ст.36-51;

5. ст.215-242; 6. ст.168-190.

1 Волокнисті електроізоляційні матеріали

1.1 Волокнисті електроізоляційні матеріали органічного

походження

Волокнисті матеріали складаються переважно із часточок видовже-

ної форми – волокон, проміжки між якими, у не просочених матеріалів, за-

повнені повітрям, а у просочених – заповнені натуральними або синтетич-

ними маслами, оліями, смолами або лаками.

Перевагою волокнистих матеріалі є їх невисока вартість, достатньо висока механічна міцність, гнучкість та зручність обробки.

46

Недоліки волокнистих матеріалів – низька електрична міцність, ни-

зька теплопровідність, висока гігроскопічність.

Просочування покращує властивості волокнистих матеріалів.

Волокнисті матеріали можна розділити на матеріали органічного та неорганічного походження.

Волокнисті матеріали органічного походження:

–натуральні: деревина, папір, картон, бавовняна пряжа, шовк;

–синтетичні: ацетатний шовк, капрон, лавсан та ін.

Волокнисті матеріали неорганічного походження: скловолокно,

азбест.

Деревина – дуб, бук, граб, ясень, клен, береза. Основою цих матері-

алів, як і будь-якого рослинного волокна, є органічна речовина – целюлоза

(полімерний вуглеводень). Целюлоза – полярна речовина, її діелектрична проникність = 6,5…7, тангенс кута діелектричних втрат tgδ =0,005…0,01.

До недавнього часу деревина широко використовувались в електро-

техніці: для виготовлення ярмових балок, прокладок, клинів, стержнів в масляних трансформаторах; пазових клинів та прокладок в електричних машинах; штанг масляних вимикачів та роз’єднувачів; опор та траверс лі-

ній електропередач, та ін. Останнім часом їх майже витіснили більш якісні матеріали на основі скла, тканин, паперу та ін. Це пояснюється тим, що механічні та електричні характеристики дерева не високі і сильно залежать від напряму зрізу. Також деревина має високу гігроскопічність, низьку на-

грівостійкість, високу горючість.

Для поліпшення властивостей електроізоляційних виробів із дере-

вини їх обробляють лаками, маслами та ростинними оліями. Для захисту деревини від горіння на поверхню наносять вогнетривкі покриття.

Електротехнічний папір – це листовий або рулонний матеріал ко-

ротковолокнистої будови, для його виготовлення використовують целюлозу. За призначенням папір буває: конденсаторний, кабельний, про-

сочуваний, мікастрічковий та бавовняний.

47

Конденсаторний папір у просоченому вигляді використовується як діелектрик для паперових конденсаторів. Він буває двох типів: Звичайний конденсаторний папір (КОН) та для силових конденсаторів (силкон). Су-

часні марки електроізоляційних паперів наступні: КОН (звичайний),

СКОН (спеціальний із покращеними властивостями, МКОН (із малими ді-

електричними втратами), ЭКОН (із високою електричною міцністю та ма-

лими діелектричними втратами).

Товщина різних марок конденсаторного паперу – від 4 до 40 10-6м,

щільність D = 800…1250 кг/м3, електрична міцність Епр = 12...15 МВ/м,

діелектрична проникність = 3,7.

Кабельний папір розділяють на три види: кабельний (ізоляція струмопровідних жил кабелів), телефонній (для ізоляції телефонних кабе-

лів) та напівпровідний папір (для екранування ізоляції силових кабелів).

Кабельний папір виготовляють наступних марок: К, КВ, КМ, КВУ, КВМ,

КВМУ, КТ, КТУ та ін. К – кабельний, Т – телефонний, В - високовольтний,

М – багатошаровий, У – ущільнений. Цифрою біля літер позначають тов-

щину паперу в мкм (10-6м). Товщина кабельних паперів знаходиться в ме-

жах h = 15...240∙10-6м.

Просочуваний папір використовується для виготовлення листового гетинаксу. Цей папір має підвищену вбираючу здатність за рахунок змен-

шеної густини (500...750 кг/м3). Товщина просочуваного паперу 120 10-6м,

електрична міцність 5…8 МВ/м.

Мікастрічковий папір використовується в якості підкладки при ви-

готовленні слюдяних матеріалів – мікафолія та мікастічки. Його виготов-

ляють із довговолокнистої бавовни. Він має товщину h = 20 ∙ 10-6 м.

Електрокартони – найстаріші електроізоляційні матеріали вигото-

влені також на основі целюлози. Електрокартони бувають двох марок:

ЭВМ рихлої та м’якої структури для роботи в трансформаторному маслі,

та ЭВ – більш твердий та пружний, призначений для роботи на повітрі.

48

Електрокартон є єдиним матеріалом, який при роботі у трансформаторно-

му маслі забезпечує належні електричні характеристики.

Трансформаторний картон виготовляють чотирьох марок (А,Б,В,Г),

товщиною h = 1 ... 6 ∙ 10-3 м. Для зменшення гігроскопічності та покращен-

ня діелектричних властивостей картон просочують лаками, або емалями.

Фібра - багатошаровий пергаментований папір (оброблений сірча-

ною кислотою), оброблений у гарячому хлористому цинку та спресований.

Під дією електричної дуги фібра розкладається і виділяє велику кількість газів, які сприяють гасінню дуги.

Із фібрових трубок виготовляють корпуси плавких запобіжників,

стріляючих розрядників та ін.

Недоліки: фібра дуже гігроскопічна та становиться дуже крихкою при роботі в гарячому трансформаторному маслі. На сьогодні фібра витіс-

няється такими матеріалами як органічне скло, вініпласт та ін.

Волокнисті текстильні матеріали органічного походження – це текстильні матеріали із натуральних волокон: бавовняна пряжа, стрічки,

тканини та натуральний ізоляційний шовк, а також із штучних волокон: ві-

скозне, ацетатне, триацетатне, поліамідне, лавсанове, поліетиленове, полі-

уретанове, полівінілхлоридне та інші волокна.

Найгірші властивості мають бавовняне та віскозне волокно. Най-

кращі властивості у ацетатного шовку, капрону та лавсану. Ці матеріали застосовують у вигляді пряжі, стрічок та тканин. Найбільш поширені – та-

фтяна та кіперна стрічки. Вони мають велику механічну міцність, але у них низькі діелектричні характеристики та висока гігроскопічність.

1.2 Волокнисті електроізоляційні матеріали неорганічного

походження

До волокнистих матеріалів неорганічного походження відносяться:

скловолокно, азбест та плавлений кварц.

49

Скловолокно виготовляється із розплавленого скла. Скло – це крих-

кий матеріал, але вироби із його волокон мають високу гнучкість і можуть оброблюватися із використанням текстильних технологій. Скловолокно має високу нагрівостійкісь (до 1000 0С) та високу хімостійкість, низьку гіг-

роскопічність. Основним недоліком є низькі механічні властивості: низька механічна міцність, підвищена крихкість волокон, низька стійкість до сти-

рання, низьке подовження при розриві. Із скловолокна виготовляють стрі-

чки, трубки, папір, тканини.

Азбест – мінерал волокнистої структури. Для покращення зчеп-

лення поміж волокнами додають тальк та бавовняне волокно.

Основною особливістю азбесту є його велика нагрівостійкість

(до 4000), еластичність та прядильна здатність. Недоліки: відносно велика товщина волокон, висока гігроскопічність та низька механічна міцність.

Із азбестових волокон виготовляють нитки, пряжу, шнури, плетені трубки, стрічки, папір та картон та інші вироби.

Просочені волокнисті матеріали – волокнисті матеріали (папір,

тканини), які додатково просочені електроізоляційними лаками, емалями,

оліями. До цієї групи ізоляційних матеріалів відносяться лакотканини: ба-

вовняна та шовкова, склолакотканини, склолакотканини на основі фтороп-

ластів, лакопапери та лаковані трубки.

Ці матеріали виділяються підвищеною нагрівостійкістю, електрич-

ною міцністю, теплопровідністю та механічною міцністю, а також зниже-

ним вологопоглинанням.

В залежності від типу лаку, який використовується для просочуван-

ня матеріалів лакотканини підрозділяють на світлі (із використанням олій-

них лаків) та чорні (із використанням олійно-бітумних лаків).

Світлі лакотканини більш стійкі до впливу нафтових масел, бензи-

ну, води, але вони більше схильні до теплового старіння.

Чорні лакотканини мають підвищені електроізоляційні характерис-

тики, але не стійкі до впливу масел та бензину.

50

Питомий об’ємний опір лакотканин = 107…1011 Ом∙м. Електрична міцність (Епр) лакотканин знаходиться в межах від 18 МВ/м (капронова світла лакотканина) до 90 МВ/м (шовкова світла лакотканина).

2 Електроізоляційні пластичні маси

Пластичними масами (пластмасами) називають групу твердих матеріалів, які складаються повністю або частково із полімерних з’єднань,

вони пластичні в процесі переробки і здатні набувати потрібної форми.

Пластмаси одержують на основі натуральних та штучних смол. В

залежності від типу смоли пластмаси бувають термореактивні та термоп-

ластичні.

До термопластичних належать пластмаси на основі полівінілових і поліамідних смол, ефірів, целюлози та ін.

До термореактивних належать пластмаси на основі епоксидних, по-

ліефірних, кремнійорганічних, фенолформальдегідних та інших смол.

Окрім смоли, яка є зв’язуючою речовиною (30…60%) до складу пластмас входять: наповнювачі, пластифікатори, стабілізатори, барвники.

Пластмаси мають високі механічні характеристики, високі електроі-

золяційні властивості, стійкі до корозії, мають високу хімічну стійкість, не гігроскопічні, легкі. Пластмаси мають також широкий діапазон коефіцієн-

та тертя та високий опір до стирання.

До основних недоліків пластмас відносяться: повзучість (здатність деформуватися під впливом навантаження), низька теплостійкість, низька міцність при змінних навантаженнях, порівняно швидке старіння.

Із пластмас виготовляють електроізоляційні шайби, дугогасні каме-

ри, вимикачі, розетки, патрони ламп, корпуси електричних апаратів склад-

ної конфігурації. Із пластмас виготовляють також армовані вироби (із за-

пресованими металевими деталями.

51

3 Шаруваті пластики

Шаруваті пластики – це матеріали, виготовлені шляхом спресову-

вання або намотування просочених або лакованих волокнистих наповню-

вачів. Шаруваті матеріали анізотропні, а тому їх властивості вздовж та по-

перек шарів різні.

Гетинакс – одержують пресуванням паперу, просоченого бакелі-

том. Гетинакс виготовляють двох марок . Гетинакс марки А з підвищеними електроізоляційними властивостями застосовують для роботи в трансфор-

маторному маслі, а гетинакс марки В з підвищеними механічними власти-

востями – для роботи на повітрі і в маслі. Гетинакс має недостатню дугос-

тійкість та вологостійкість.

Із гетинаксу виготовляють листи, плити, трубки, корпуси котушок.

Текстоліт – пластик аналогічний гетинаксу, який виготовляють із просоченої бакелітом тканини. Він має підвищену стійкість до стирання та підвищену питому ударну в’язкість. Недолік – значно вища вартість.

Текстоліт використовують в якості конструкційно-ізоляційного ма-

теріалу для виготовлення ізоляційних панелей, щитів, планок, в якості ос-

нови для печатних плат.

Склотекстоліт – пластик, який виготовляють із просоченого скловолокна, має підвищену нагрівостійкість, вологостійкість та механічну міцність. Використовується для закріплення нагрітих електродів, а також для трансформаторів, залитих совтолом.

Окрім перелічених також використовуються такі шаруваті пластики як азбогетинакс, азбоцемент, азботекстоліт, текстогетинакс та інші.

Питомий об’ємний опір шаруватих пластиків знаходиться в межах

= 106…1012 Ом∙м, діелектрична проникність = 5…8. Електрична міц-

ність азботекстоліту Епр = 2 МВ/м, а гетинаксу – до 35 МВ/м. Нагрівос-

тійкість таких пластиків становить 150…200 0С.

52

4 Плівкова ізоляція

Плівковими вважаються матеріали у яких товщина значно менша їх довжини. Вони мають підвищену електричну міцність, достатню механіч-

ну міцність, високу вологостійкість.

До плівкової ізоляції відносяться такі електроізоляційні плівки:

триацетатцелюлозна, поліетилентерафталатна, полікарбонатна, триацетат-

на, полістирольна, поліакрилатна, поліамідна, поліетиленова, поліпропіле-

нова, політетрафторетиленова (фторопластова), полівінилхлоридна, вініп-

ластова та інші.

Плівкова ізоляція має підвищені електроізоляційні властивості.

Полікарбонатна плівка застосовується для ізоляції обмоточних та монтажних проводів та високовольтних кабелів, для виготовлення пазової ізоляції, для виготовлення конденсаторів низької напруги..

Поліетиленові плівки мають високу морозостійкість (-60 0С), під-

вищену нагрівостійкість (короткочасне нагрівання до 250 0С). Застосову-

ють в якості ізоляції кабелів та проводів.

Поліамідні плівки мають високу механічну міцність і не високі електричні параметри, які значно погіршуються при нагріванні. Викорис-

товують для виготовлення корпусної ізоляції електродвигунів, призначе-

них для роботи в тяжких умовах.

Поліетилентерефталева (лавсанова) плівка має високу міцність на розривання, високі електроізоляційні властивості, хімічно стійка, має високу вологостійкість.

Недолік – значна жорсткість та пружність.

Застосовують для виготовлення конденсаторів та кабелів та для ви-

готовлення ізоляції низьковольтних електричних приладів.

53

5 Комбіновані електроізоляційні матеріали.

Комбіновані електроізоляційні матеріали виготовляються із полі-

мерної плівки спресованої або склеєної із волокнистим матеріалом.

Плівкоелектрокартон – рулонний матеріал, який одержують шля-

хом склеювання електроізоляційного картону з поліетилентерефталатною плівкою. Пробивна напруга UПР = 7...11 кВ при товщині матеріалу

0,17...0,32∙10-3 м.

Плівкоазбокартон – гнучкий матеріал, що складається із поліети-

лентерафталатної плівки на яку з двох сторін наклеєний азбокартон.. Еле-

ктрична міцність Е пр = 15..25 МВ/м. Застосовується в електричних маши-

нах, що працюють при температурах –40....+1300С.

Ізофлекс – композиційний матеріал із склотканини, обклеєної з двох сторін поліетилентерефталатною плівкою. Використовується в якості пазової, міжфазної ізоляції. Він має високу волого-, хімота морозостій-

кість. Електрична міцність Епр = 90 ...130 МВ/м.

6 Електроізоляційні матеріали на основі каучуку (еластомери)

Еластомери – матеріали, одержані на основі натурального та синте-

тичного каучуку шляхом додавання до них відповідних наповнювачів. Ву-

лканізований каучук називають гумою. В залежності від вмісту сірки роз-

різняють м’яку та тверду (ебоніт) гуму.

Для виготовлення гум використовують натуральний та синтетичний

(бутадієновий, бутадієнстирольний, бутилкаучук, ізопреновий, поліхлоро-

преновий, полісилоксановий та ін.) каучук.

Натуральний та синтетичний каучук в чистому вигляді не викорис-

товують, так як вони мають ряд недоліків: мала стійкість до підвищених та знижених температур, низька міцність при розтягуванні, значне водопог-

линання, низька стійкість до розчинників.

54

Для позбавлення вказаних недоліків каучук вулканізують (нагріва-

ють із додаванням сірки, металічного натрію та ін.

Окрім каучуку та вулканізаторів до складу гум входять: наповнюва-

чі (сажа, вуглекислий марганець, крейда), пластифікатори (парафін, стео-

ринова та олеїнова кислоти), фарбники (ультрамарин, охра).

При вмісті сірки 1…3% одержують м’яку гуму, а при 30…40% сір-

ки – тверду гуму (ебоніт).

З м’якої гуми виготовляють ізоляційні та захисні оболонки проводів та кабелів, захисні рукавиці, боти, електроізоляційні килимки. М’які гуми виділяються значною еластичністю.

Тверду гуму (ебоніт, ескапон, асбодин) застосовують для виготов-

лення баків акумуляторів, ізоляційних втулок, прокладок, трубок. Елект-

рична міцність гум Епр = 10...20 МВ/м,

Недоліком гум є їх здатність до теплового та світлового старіння та низька нагрівостійкість.

7 Слюда та матеріали на її основі

Природна слюда - мінерал, який видобувають з гірських порід у ви-

гляді кристалів. Характерна особливість слюди – її властивість розшарову-

ватись на дуже тонкі пластинки.

За хімічним складом слюда це водяний алюмосилікат. Основні види природної слюди – мусковіт (алюмосилікат калію) та флогопіт (магнезіа-

льний силікат калію). Вони мають високі електричні та механічні характе-

ристики, негорючі, нагрівота хімічностійкі. Слюда є анізотропним матеріалом.

За електротехнічними властивостями мусковіт є одним із кращих електроізоляційних матеріалів і перевершує в цьому відношенні флогопіт.

Окрім цього він має більшу механічну міцність та твердість, більш гнуч-

кий та пружний ніж флогопіт.

55