Характеристики электроизоляционных лаков, эмалей и компаундов

Электроизоляционные бумаги и картоны относятся к достаточно распространенному виду материалов — волокнистых. Достоинствами таких материалов являются дешевизна, доступность, достаточная механи­ческая прочность, гибкость, технологичность, а их недостатками — невы­сокая электрическая прочность (из-за отсутствия сплошности структуры) и гигроскопичность (удельное сопротивление бумаги с влажностью 3 % примерно в 10⁶ раз меньше удельного сопротивления абсолютно сухой бумаги).

Бумага и картон — это материалы растительного происхождения, в основе которых лежит древесная целлюлоза. Она представляет собой полярное высокомолекулярное соединение, перерабатываемое в электро­изоляционную бумагу при варке древесины в растворах, содержащих едкий натр №ОН.

Электроизоляционные бумаги делятся на кабельные, конденсаторные, пропиточные, намоточные, микалентные, крепированные.

Кабельная бумага составляет основную изоляцию кабелей высокого напряжения. После намотки бумагу пропитывают изоляционным маслом. Все обозначения кабельных бумаг начинают с буквы К (кабельная) — К, КМ, КВ, КВУ, КВМ, КВМУ, где буквы М, В и У означают соответственно многослойная, высоковольтная, уплотненная. Некоторые кабельные бумаги служат для намотки изоляционных остовов высоковольтных вводов.

Конденсаторная бумага используется в качестве основного диэлектрика в бумажных конденсаторах, где ее также пропитывают жидким диэлектриком. Эта бумага выпускается в рулонах и бывает следующих видов: КОН — конденсаторная среднего качества, МКОН — с уменьшенными диэлект­рическими потерями (в том числе с пониженной плотностью 800 кг/м³), СКОН и ЭМКОН — с повышенной прочностью и малым числом токопро-водящих включений.

Пропиточная бумага марки ЗИП предназначена для изготовления гетинакса.

Намоточная бумага (ЭН) применяется для изготовления электроизоля­ционных намотанных изделий: цилиндров и изоляционных трубок для трансформаторов, электрических аппаратов и проходных изоляторов. Эта бумага может быть покрыта с одной стороны электроизоляционным лаком.

В качестве подложки для микаленты используют микалентную бумагу, на которую наклеивают листочки слюды. Такая бумага обеспечи­вает гибкость микаленты, повышает ее механическую прочность. Для изготовления микалентной бумаги применяют длинноволокнистый хло­пок, причем волокна ориентированы преимущественно в направлении длины полотна бумаги.

Крепированная бумага, имеющая на поверхности креп (гофрировку), нанесенный поперек ее полотна, используется для изолирования отводов и мест соединений в обмотках трансформаторов и других маслонаполнен-ных электрических устройств, а также при изготовлении остовов вводов.

Применение крепированной бумаги взамен дорогостоящих маслостойких лакотканей дает большой экономический эффект без снижения электри­ческой прочности изоляции выводов.

Электроизоляционные картоны отличаются от бумаг в основном тол­щиной, поскольку технология их получения одинакова.

Картоны изготовляют из древесной или хлопковой целлюлозы и выпускают двух типов: воздушные (более твердые и упругие) для работы на воздухе — прокладки для пазов электрических машин, каркасы кату­шек, шайбы и масляные (более рыхлой структуры и мягкие) для работы в жидкости, в основном в трансформаторном масле.

Свойства электроизоляционных бумаг и картонов представлены в табл. 14.9.

Лакоткани представляют собой гибкие рулонные материалы, тканевая основа которых пропитана электроизоляционным лаком. В этом случае ткань обеспечивает достаточно высокую механическую прочность, а лак — электрическую. В качестве тканевой основы применяют: хлопчатобумаж­ную (перкаль), капроновую (эксцельсиор), шелковую, а также стекло­ткань. Шелковые ткани по сравнению с хлопчатобумажными дороже, но зато тоньше, прочнее и обладают повышенными электрическими свой­ствами. Эти два вида лакотканей, так же как и капроновая, относятся к числу материалов класса нагревостойкости А; использование стеклотка­ней может повысить класс нагревостойкости до Н.

По роду пропитывающего лака наиболее распространенные лакоткани подразделяют на светлые (желтые) — на масляных лаках и черные — на масляно-битумных лаках. Кроме того, используют эскапоновые, крем-нийорганические, полиэфирные лаки и другие составы.

Светлые лакоткани относительно стойки к действию органических растворителей, однако, имеют повышенную склонность к тепловому старению.

Черные лакоткани имеют более высокую электрическую прочность, меньшую гигроскопичность, однако менее стойки к действию органиче­ских растворителей.

Таблица 14.9

Некоторые параметры лакотканей приведены ниже:
Вид лакоткани ε,. р, Ом • м tgδ

Хлопчатобумажна 4,1 - 4,6 10¹¹ 0,06 - 0,175

Шелковая............. 3,8 - 4,5 10¹¹ - 10¹² 0,04 - 0,08

Стеклянная........... 3,0 - 4,4 10⁹ - 10¹² 0,002 - 0,08

Капроновая........... 3,9 - 4,4 10¹¹ - 10¹² 0,042 - 0,085

Лакоткани применяются для изоляции в электрических машинах, аппа­ратах, кабельных изделиях в виде обмоток, оберток, прокладок, а также для наружной изоляции катушек и отдельных групп проводов, В боль­шинстве случаев их используют в виде лент, вырезаемых под углом 45° по отношению к основе, что обеспечивает наибольшую эластичность.

Электроизоляционные ленты, трубки и помотанные изделия также широко применяются в различных видах изоляции. Липкие изоляцион­ные ленты чаще всего изготовляют на основе хлопчатобумажных или стекловолокнистых лент, а также на основе лент из поливинилхлоридного пластиката. В последнее время выпускаются липкие ленты из полиэти­лена (марки ПЛ), фторопласта.

Прорезиненная хлопчатобумажная лента изготовляется из хлопчато­бумажной ткани (типа миткаль), пропитанной вязким резиновым соста­вом, который устраняет гигроскопичность. Она применяется при монтаж­ных работах для изоляции мест соединений проводов в сетях и устройствах низкого напряжения.

Широко применяется в производстве электромонтажных работ липкая ПВХ лента, изготовленная из светотермостойкого ПВХ пластиката, на одну сторону которого нанесен липкий состав. Нагревостойкость ее непревышает 60 °С, а холодостойкость — минус 30 °С. Лента обычно светло-синего цвета, эластична, имеет хорошие механические свойства и удовлетворительную адгезию к металлам.

Липкую нагревостойкую стеклоленту изготовляют из стеклянной ленты, пропитанной нагревостойким кремнийорганическим лаком. Она служит для изоляции лобовых частей обмоток электрических машин, а также аппаратов с высокими рабочими температурами.

На основе кремнийорганической резины изготовляют самослипающу­юся термостойкую ленту ЛЭТСАР красного цвета, имеющую улучшен­ные электрические характеристики. Лента термо-, влаго- и маслостойка, а также устойчива к действию ультрафиолетовых лучей и озона.

Хлопчатобумажная киперная или тафтяная лента предназначена для подмоток катушек и обмоток, изолировки жил кабелей с пропиткой или промазкой лаком. Она гигроскопична, горюча, имеет белый цвет.

Электроизоляционные трубки служат для изоляции выводных концов и мест соединений, защиты от действия света, воздуха и температуры, для восстановления некоторых видов оболочек. Изготовляют их из хлоп- чатобумажной пряжи, натурального и лавсанового шелка, капроновых и стеклянных нитей, ПВХ пластиката, фторорганической и кремнийоргани-ческой резины, фторопласта.

Хлопчатобумажные лакированные {линоксиноеые) трубки представ­ляют собой трубки (чулки) из пряжи, пропитанной масляным лаком.

Из лавсанового шелка, пропитанного полиэфирными лаками, изготов­ляют лавсановые трубки (чулки). Эти трубки обладают большей механи­ческой прочностью и стойкостью к истиранию, чем линоксиновые. Рабо­чий диапазон температур их может быть расширен до 130 °С.

Лакированные стекловолокнистые трубки изготовляют на основе стекловолокнистой пряжи, пропитанной полиуретановым, эпоксидным или кремнийорганическим лаком. Кроме того, на их поверхность может быть нанесен слой кремнийорганической резины. Они менее эластичны, чем линоксиновые и лавсановые, но имеют высокую влагостойкость и повышенную рабочую температуру (до 180 °С).

Для изолирования мест соединения и оконцевания проводов и кабелей на различные напряжения, увязывания жгутов электропроводов, предох­ранения паяных соединений от загрязнения применяют термоусаживае-мые трубки, выполняемые на основе так называемого «эффекта памяти» полимеров: макромолекулы сшитого полимера, деформированные при температуре, близкой к температуре плавления, и зафиксированные в этом состоянии резким охлаждением, при повторном нагреве возвраща­ются к равновесному состоянию. При этом восстанавливаются размеры и формы изделия.

Отечественной промышленностью серийно выпускаются термоусажи-ваемые трубки на основе полиэтилена и фторкаучуков. В последнее время разработаны трубки из ПВХ пластиката и из черного полиэтилена — шланговые трубки.

Трубки из ПВХ пластиката обладают масло- и бензостойкостью, не распространяют горения и могут быть окрашены в красный, зеленый, синий, черный, белый и желтый цвета, что отражается в их маркировке.

Намотанные изделия по существу отличаются от электроизоляцион­ных трубок лишь размерами, поскольку к этому виду электрической изо­ляции относятся трубки с внутренним диаметром не менее 6 мм, цилин­дры, а также стержни. Изготовляют их из бумаги, ткани и стеклотканей, пропитанных бакелитовыми, эпоксидными или кремнийорганическими связующими. Все виды намотанных изделий можно разделить на бумажно-бакелитовые, текстолитовые на бакелитовом связующем, стек-лотекстолитовые на эпоксидном связующем и стеклотекстолитовые нагревостойкие.

Цилиндры обозначаются первой буквой Ц, трубки — Т, втулки — В, кольца — К; стержни не имеют буквенного обозначения.

В отличие от большинства рассмотренных ранее материалов неоргани­ческие вещества сложнее по составу. В них могут входить кислород, алю-

миний и другие металлы, кремний и т.д. Неорганические материалы имеют более высокую нагрев о стойкость, чем органические, однако чаще всего не обладают гибкостью и эластичностью, хрупки, поэтому применяются в основном там, где требуется обеспечить высокую рабочую температуру.

Керамическими материалами (керамикой) называют материалы, из которых могут быть изготовлены изделия различной формы, подвергае­мые в дальнейшем обжигу при высокой температуре. В результате обжига в сформованной керамической массе происходят сложные физико-хими­ческие процессы, и материал становится камнеподобным, который можно обрабатывать только абразивами. При этом керамическое изделие приоб­ретает и другие необходимые свойства.

По назначению керамические материалы разделяют на пять основных групп — изоляторная, конденсаторная, сегнетоэлектрическая, полупро­водниковая и магнитная керамика.

С точки зрения энергетики и электротехники наибольший интерес представляет изоляторная и конденсаторная керамика, обладающая такими достоинствами, как атмосферостойкость, стойкость к действию поверхностных разрядов, механическая прочность, хорошие изоляцион­ные свойства и долговечность.

Одним из широко применяемых электрокерамических материалов является электротехнический фарфор (электрофарфор). Это сложный по технологии получения материал, основу которого (около 50 %) состав­ляют глинистые вещества (прежде всего каолин), а 25 % - «отошающие» материалы (кварц, полевой шпат и другие минералы), делающие массу менее липкой и уменьшающие усадку. Изготовленные и высушенные фар­форовые изделия покрывают глазурью, состав которой отличается от состава фарфоровой массы большим содержанием стеклообразующих компонентов (кварц, полевой шпат, доломит и др.)- Затем фарфоровые изделия обжигают, при этом глазурь расплавляется и покрывает поверх­ность фарфора гладким блестящим слоем, который защищает его от про­никновения внутрь влаги, повышает механическую прочность на 10 - 15 %, улучшает внешний вид, уменьшает ток утечки по поверхности и повышает напряжение перекрытия изоляционных конструкций.

Структурно готовый фарфор состоит из кристаллов муллита и кварца, промежутки между которыми заполнены стеклообразным материалом.

Фарфор применяется для изготовления различных электрических изо­ляторов и покрышек высоковольтных вводов.

Ультрафарфор различных марок, применяемый для высокочастотных керамических конденсаторов, обладает высокими электроизоляционными свойствами, а также механической прочностью (примерно в 2 раза выше, чем у электрофарфора).

Другим керамическим материалом является стеатит, изготовляемый на основе талька, стеклообразующих и глинистых материалов, а также безглинистый стеатит, где пластификатором является парафин. В отличие

от электрофарфора он обладает более высокими электроизоляционными свойствами и механической прочностью. Кроме того, при нагреве изоля­ционные свойства стеатита ухудшаются медленнее (до 250 °С изменений практически не происходит). Однако этот материал более дорогой, чем электрофарфор, и менее термостоек.

Стеатит применяется как высоковольтный и высокочастотный мате­риал для изготовления ламповых панелей, осей конденсаторов, каркасов катушек и т.п.

Конденсаторные керамические материалы отличаются от изолятор­ных большей диэлектрической проницаемостью, что позволяет изготов­лять конденсаторы большой емкости и сравнительно малых габаритов, не нуждающихся в защитных корпусах и оболочках. Эти материалы наряду с высокой диэлектрической проницаемостью имеют хорошие изоляцион­ные свойства. К ним относят материалы, содержащие диоксиды титана, олова и циркония, а также оксиды щелочноземельных материалов.

Для изготовления электрических конденсаторов большой емкости используют сегнетокерамику, для которой характерна зависимость диэлект­рической проницаемости от температуры и напряженности электричес­кого поля, в котором находится диэлектрик. Диэлектрическая проницае­мость у сегнетокерамики может достигать несколько тысяч единиц.

Из полупроводниковой керамики изготовляют терморезисторы, а из магнитной — ферриты.

Стекла — неорганические вещества, представляющие собой сложные системы различных оксидов, причем главным стеклообразующим веще­ством служит кварцевый песок, который содержит 98 % SiO₂- Из-за содержания в своем составе кварцевого песка стекла являются дешевым материалом и называются силикатными.

Свойства стекол во многом зависят от их состава и режима тепловой обработки. Например, если стекло изготовить из одного кварцевого песка (кварцевые стекла), оно будет обладать очень высокими электрическими характеристиками, термостойкостью и иметь очень малый температурный коэффициент линейного расширения.

Электротехнические стекла разделяют по назначению или химиче­скому составу.

По назначению стекла бывают:

Конденсаторные — диэлектрик конденсаторов, применяемых в высо­ковольтных фильтрах, импульсных генераторах, колебательных контурах высокочастотных устройств;

установочные -— для изготовления установочных деталей, изоляторов (телеграфных, антенных, опорных, проходных), бус и т.п.;

ламповые — для баллонов и ножек осветительных ламп, электронных приборов.

Для изготовления пластмассы горячей прессовки — микалекса — при­меняются специальные стекла с наполнителем.

По химическому составу стекла разделяют на следующие группы:

щелочные с большим содержанием щелочных оксидов. К ним относят обыкновенное оконное, бутылочное и посудное стекло, а также стекло типа «пирекс», стойкое к температурам и имеющее низкий температур­ный коэффициент линейного расширения;

щелочные с большим содержанием тяжелых оксидов. К ним относят флинты (содержащие РЬО) и кроны (содержащие ВаО), имеющие повы­шенные электрические характеристики. Эти стекла используют в оптике, а также в качестве электроизоляционных (конденсаторы, изоляторы и т.п.);

малощелочные с содержанием до 5 % щелочных оксидов. Эти стекла применяют для изготовления стеклянных изоляторов высокого напряжения;

бесщелочные с содержанием щелочных оксидов до 2 % или отсут­ствием этих оксидов (кварцевое стекло). Используют их для оптических, специальных целей, а также для изготовления стеклянного волокна (изо­ляционные стеклоткани).

Стекло для изготовления световодов и волоконнооптических кабелей, применяемых на ЛЭП, изготавливается на основе плавленого кварца с легирующими добавками (оксид бора, фтор, оксиды германия, фосфора и др.), а также на основе халькогенидных соединений (типичные предста­вители — сульфид и селенид мышьяка) и на основе фторидов (циркония, гафния, бария, редкоземельных элементов).

Промежуточное положение между стеклами и керамикой занимают ситаллы, непрозрачные материалы, изготовляемые кристаллизацией стекол различного состава. Эти материалы применяют для изготовления конструк­ционных, строительных и ответственных радиоэлектронных изделий.

Некоторые свойства керамики и стекол представлены в табл. 14.10.

Таблица 14.10

Свойства керамики и стекла

Слюда — один из важнейших природных электроизоляционных мате­риалов. Она имеет набор ценных свойств: высокую электрическую проч­ность, нагревостойкость, влагостойкость, достаточную механическую прочность и гибкость. Слюду применяют чаще всего в электрических машинах высокого напряжения и большой мощности, в том числе в круп­ных турбо- и гидрогенераторах, тяговых электродвигателях, а также в качестве диэлектрика в некоторых конденсаторах. Она представляет собой кристаллический материал в виде тонких пластинок, которые легко рас­щепляются. По химическому составу это водный алюмосиликат. В электро­изоляционной технике используют два вида слюды: мусковит и флогопит.

Мусковиты бывают бесцветными или имеют преимущественно крас­новатый или зеленоватый оттенок. Тонкие пленки этой слюды прозрачны.

Флогопиты (от греч. рhоlоgoроs — огнеподобный) окрашены в янтар­ный, золотистый, коричневый до почти черного цвета. По электрическим свойствам мусковит лучше флогопита, кроме того, он имеет более высо­кие механическую прочность, твердость, гибкость и упругость, а также более стоек к истиранию.

Теплопроводность флогопита немного выше, чем мусковита. Боль­шинство применяемых в электротехнике слюд сохраняет достаточно высокие электрические и механические свойства при нагреве до несколь­ких сотен градусов Цельсия.

Склеивая листочки слюды с помощью природных и синтетических смол или лаков, на их основе получают твердые или гибкие листовые материалы, называемые миканитами. Различают несколько видов мика­нитов — коллекторный, прокладочный, формовочный и гибкий.

Изготовление щепаной слюды и миканитовой изоляции — очень тру­доемкий процесс, поэтому из слюдяных отходов были получены новые материалы, называемые слюдяными бумагами. Основными видами слю­дяных бумаг являются слюдиниты и слюдопласты.

Слюдиниты (за рубежом — самика) изготовляют на основе слюдини­товой бумаги, предварительно обработанной каким-либо клеящим соста­вом (смола, лак). При дальнейшей обработке (пропитке, склеивании с подложками и т.п.) получают листовые слюдиниты (коллекторный, фор­мовочный, гибкий), слюдинитофолий (рулонный материал из слюдинито­вой бумаги с целлюлозным подслоем, пропитанный лаком) и слюдинито­вые ленты. Слюдинитовые материалы по свойствам приближаются к миканитам и даже имеют преимущество — большую равномерность свойств по площади, обладают достаточно высокой механической проч­ностью и нагревостойкостью. Недостатками этих материалов являются пониженная по сравнению с миканитами влагостойкость и малое удлине­ние при разрыве.

Слюдопласты изготовляют склеиванием и прессованием листов слю-допластовой бумаги, которую получают из непромышленных отходов слюды в результате механического дробления частиц. Слюдопластовая бумага существует без связующего, только за счет сил межмолекулярного

взаимодействия частичек. На основе слюдопластовых бумаг, которые толще и прочнее слюдинитовых, изготовляют слюдопласты: коллектор­ный, прокладочный, формовочный, жаростойкий и гибкий, стеклослюдо-пласт, слюдопластофолий, слюдопластовую ленту и др. Слюдопласты по сравнению со слюдинитами имеют повышенные механическую проч­ность и короностойкость, однако являются более дорогими заменителями миканитов.

К минеральным электро- и теплоизоляционным материалам широкого применения относят асбест и асбестоцемент.

Асбест — название группы минералов, сложного состава, обладающих волокнистым строением. Наиболее распространенным по своему про­мышленному значению и добыче является хризотиловый асбест — разно­видность минерала хризотила. Существуют и другие виды —- крокидолит, антофиллит и амозит. Способность волокон асбеста легко расщепляться на тонкие отдельные волоски диаметром в тысячные доли миллиметра и длиной до нескольких сантиметров дала асбесту название «горный лен».

Преимуществом асбеста по сравнению с другими волокнистыми мате­риалами (бумага, картон, дерево) является высокая нагревостойкость: он теряет механическую прочность лишь при 350—500 °С, плавится при температуре более 1150 °С.

Асбестовое волокно легко адсорбирует воду и влагу из воздуха, поэтому оно требует пропитки смолами, битумами и т.п. Диэлектрические свой­ства асбеста невысоки (р = 106 Ом * м, Епр = 1—2 МВ/м), в связи с чем в изоляции для высоких напряжений и частот он не применяется. В асбесте часто присутствуют примеси, в частности магнетит, хромит, кварц и др. Высокое содержание примеси полупроводящего магнетита в виде отдель­ных зерен очень вредно.

Из асбеста изготовляют пряжу, шнуры, ленты, ткани, чехлы и трубки, бумаги, картон и другие изделия. Ленты из асбеста (основа) с высоким содержанием магнетита, со стеклянным или лавсановым утком можно использовать в электрических машинах высокого напряжения, работаю­щих при температурах 200—-400 °С, для выравнивания электрического поля в местах выхода секций обмотки из пазов. В качестве волокнистого напол­нителя асбест применяют при изготовлении пластмасс с органическими связующими (асбодин и электронит). Асбестовые бумага (частично) и ткань (полностью) образуют основу слоистых пластиков - асбогетинакса и асботекстолита, применяемых для клиньев и распорок.

При работе с асбестом следует соблюдать повышенную безопасность, поскольку мельчайшие частицы асбестового волокна, попадающие при вдыхании с воздухом в легкие человека, вызывают тяжелые заболевания. Этот недостаток асбеста является причиной его замещения другими, безо­пасными материалами.

Асбестоцемент (асбоцемент) представляет собой неорганическую пластмассу с наполнителем (асбестом), в которой связующим является

цемент, и выпускается в виде досок толщиной 6—40 мм, труб и некото­рых фасонных изделий. Он обладает высокой нагревостойкостью, искро-и дугостойкостью. Применяют асбестоцемент при изготовлении распре­делительных досок и щитов, стенок искрогасительных камер, панелей и оснований электрических аппаратов и перегородок. Непропитанные асбестоцементные доски имеют довольно большое водопоглопдение (15— 20 %), поэтому при использовании этот материал необходимо пропиты­вать расплавленным парафином, битумом и т.п.