Проводниковые материалы

По агрегатному состоянию проводниковые материалы делятся на газообразные жидкие и твердые. В ремонте электрооборудования наиболее распространены последние. По сопротивлению, протекающему электрическому току их обычно делят на материалы с малым и высоким удельным сопротивлением.

1.1. Материалы с малым удельным сопротивлением

Их используют для токоведущих частей электрического оборудования, где требуется высокая проводимость (обмотки, провода линий электропередач и т.п.). Наибольшее применение для этих изделий получили медь и алюминий, а также их сплавы: латунь, бронзы и пр.

Медь — металл с характерным красноватым цветом. Ее достоинства: высокая проводимость (уступает только серебру), достаточно большая механическая прочность, хорошая устойчивость к окислению (коррозии), она относительно легко обрабатывается, сваривается, паяется.

В электротехнике используется в основном только электролитическая медь марок М I и М 0. Первая из них (М I) содержит не более 0,1 % примесей (при этом кислорода не более 0,08 %, так как он резко ухудшает механические свойства меди), вторая — МО — не допускает примесей более 0,05 % (в том числе кислорода — 0,02 %), из нее делается самая тонкая проволока.

Стандартная медь имеет плотность 8890 кг/м3 (при 20°С), удельное сопротивление р = 0,0172 мкОм м (при 20°С), удельную проводимость 58 МСм-м (при 20°С), температуру плавления — 1083°С.

По механическим свойствам медь делят на два вида: твердую и мягкую. Твердая, благодаря наклепу (марка МТ), создается холодной протяжкой меди, используется для проводов линий электропередач, шин, изготовления коллекторов и т.п. Мягкая (марка ММ) получается отжигом твердой меди при температуре 330-350°С, применяется для изготовления обмоточных и других проводов, где требуется большая гибкость.

Латунь — сплав меди, в основном с цинком. Достоинства: дешевле меди, прочнее ее, тверже, обладает большей пластичностью, поэтому лучше штампуется и вытягиваются как в холодном, так и в горячем состоянии. С ростом содержания цинка (до 45 %) предел прочности при растяжении возрастает.

Свойства латуней зависят от марок, граничные значения: плотность 7900-8500 кг/м3, удельное сопротивление р = 0,043- 0,326 мкОм-м (при 20°С), температура плавления — 960-1200°С.

Они используются для изготовления токоведущих деталей, как правило, сложной конфигурации, от которых требуется повышенная твердость и стойкость к действию электрических разрядов: пружинящие контакты и прочие подобные изделия.

Бронзы — сплавы меди с оловом, хромом и другими химическими элементами, кроме цинка и никеля. Достоинства по сравнению с медью: повышенная механическая прочность, стойкость к истиранию, твердость, упругость. Свойства бронз так же, как и латуней, зависят от марок, вместе с тем удельное сопротивление всех бронз выше, чем у чистой меди.

Использование бронз для токоведущих деталей электрооборудования — самое разнообразное в зависимости от условий их работы. Например, кадмиевые бронзы широко применяются для коллекторных пластин и даже контактных проводов в особо ответственных случаях. Бериллевые бронзы обладают повышенной стойкостью к истиранию. Хромовая бронза при высокой проводимости имеет хорошую механическую прочность.

Алюминий — металл серебристо-белого цвета. Его достоинство в том, что при малой по сравнению с медью плотностью он имеет достаточно большую проводимость. К тому же он дешевле и более доступен. Роль алюминия как заменителя меди все больше возрастает. Вместе с тем алюминиевый провод по сравнению с медным при той же длине и равном сопротивлении сечение имеет на 65 % (диаметр на 28 %) больше, однако по массе он в два раза легче. Алюминий — материал пластичный, устойчивый к окислению (коррозии), хорошо протягивается, штампуется, куется, но при обработке резанием, фрезеровании, опиловке из-за мягкости требует выполнения специальных мер.

В зависимости от марки содержание чистого алюминия колеблется от 99,0 (АО) до 99,99 % (А999). При этом чем меньше примесей, тем больше проводимость, но ниже механическая прочность и пластичность.

Алюминий, широко используемый в электротехнике, имеет плотность 2703 кг/м3 (при 20°С и содержании примесей 0,003-0,004 %), удельное сопротивление р = 0,028 мкОм м (при 20°С), удельную проводимость—38 МСм/м (при 20°С), температуру плавления —657°С.

По механическим свойствам алюминий, как и медь, делят на твердый и мягкий. Твердый, благодаря наклепу (марка AT), производится холодной протяжкой алюминия, применяется для проводов линий электропередачи и др. изделий. Мягкий (марка AM) получается отжигом AT при температуре 350-400°С, используется для изготовления обмоточных, монтажных проводов и других изделий, где требуется гибкость, мягкость и т.п. Однако в производстве большее применение, чем чистый алюминий, получили его сплавы.

1.2. Изделия с малым удельным сопротивлением

Рассмотренные материалы являются основой различных электротехнических изделий: проводов, шин, лент и пр. Особенно важны в ремонте электрического оборудования провода и кабели, поэтому изучим их более подробно.

• Обмоточные провода — проволока с особо тонкой изоляцией при повышенной электрической и механической прочности. Выпускаются они круглого и прямоугольного сечения.

В ремонтной практике в основном используются обмоточные провода с медной и алюминиевой жилой. Если в марке перед буквой «П» стоит буква «А» (АПБ) — жила провода алюминиевая, если «А» не стоит (ПБ) — жила медная.

Кроме того, марка характеризует изоляцию обмоточного провода, которая может быть: волокнистой (ПБД), эмалевой (ПЭВ), комбинированной (ПЭВШО), вместе с тем органической (например, хлопчатобумажной) и неорганической (например, стекловолокнистой).

Волокнистые изоляции проводов (ПБД, АПББО. ПШД и др.), как правило, обладают относительно повышенной механической, но относительно малой электрической прочностью, что объясняется наличием воздуха в порах. Обмоточные провода с такой изоляцией по сравнению с эмалевой имеют большую толщину, но они намного дешевле других.

Эмалевая изоляция проводов (ПЭЛ, ПЭВ-1, ПЭВТЛ и др.) при малой толщине обладает повышенной электрической прочностью. Провода предназначены для массового использования в обмотках электрических машин и трансформаторов. В зависимости от класс нагревостойкости рекомендуются марки:

. класс А и Е-ПЭВ-1, ПЭВ-2, ПЭМ-1, ПЭМ-2, ПЭТВЛ-1 и ПЭТВЛ-2. И ї них марки проводов ПЭВ и ПЭМ по электроизоляционным и физико-механическим характеристикам практически равноценны и не требуют дополнительного слоя волокнистой изоляции. Провода марки ПЭМ более устойчивы к трансформаторному маслу, их можно рекомендовать также для обмоток электромашин холодильных установок; марки проводов класса Е: ПЭТВЛ-1 и ПЭТВЛ-2 целесообразно использовать только для обмоток электродвигателей малой мощности;

класс В — ПЭТВ, ПЭ-939, ПЭТВ-ТС, их недостаток — пониженная стойкость к кратковременным тепловым перегрузкам;

класс F— ПЭТ-155, ПЭТМ, ПЭФ-155. Из них наибольшее применение в электрических машинах получила марка ПЭТ-155, так как обладает хорошими электроизоляционными свойствами и устойчивостью к тепловым ударам, но механические характеристики ее ниже, чем, например, у марки ПЭТМ. Марка ПЭФ-155 имеет повышенную стойкость к пониженным температурам.

Слабая механическая прочность изоляции многих эмалированных проводов (например. ПЭЛ, ПЭВ и др.) потребовала усиления ее за счет наложения поверх эмалевой пленки слоя волокнистой изоляции (ПЭЛ БО, ПЭВШО и др.). В том случае, если нити не удерживаются на эмали, их подклеивают лаком.

Комбинированная изоляция проводов (эмали с нитью) сочетает положительные качества проводов эмалированных и с волокнистой изоляцией. Но обычно толщина их больше и они дороже. Массовое применение для изготовления обмоток электрических машин получили провода со стекловолокнистой изоляцией ПСД (АПСД), ПСДК — два слоя стеклянных нитей, пропитанных соответственно глифталевым и кремнийорганическим лаками, классы нагревостойкости первых — F, вторых — Н. Широко распространены также провода с комбинированной изоляцией и с уменьшенной ее толщиной ПСДТ, ПСДКТ и, наконец, провода с лакированной поверхностью ПСД-Л, ПСДК-Л.

Силовые и установочные провода с резиновой и пластмассовой изоляцией применяются для распределения электрической энергии в силовых и осветительных сетях. Они используются на открытом воздухе и в закрытых помещениях, могут прокладываться открыто, в трубах и под слоем штукатурки. Предназначены для работы с температурой, °С: жил +65, окружающего воздуха +25, земли +15. При теплостойкой резине на основе бутилкаучука температура работы провода допускается до +85°С, с кремнийорганической — до +180°С. Провода изготавливаются для номинальных напряжений на 380, 660 и 3000 В.

Провода с резиновой изоляцией. ПРН, АПРН имеют медные и алюминиевые жилы с резиновой изоляцией и дополнительной негорючей резиновой оболочкой. Они в основном используются при прокладке в сырых и сухих помещениях, а также на открытом воздухе.

ПРГИ — провод с медной, гибкой жилой, с резиновой изоляцией, обладающей защитными свойствами. Используется при прокладке, где требуется повышенная эластичность, при монтаже соединений подвижных частей электрических машин в сухих и сырых помещениях.

АППР — провод с алюминиевой жилой и резиновой изоляцией, не распространяющей горение, применяется для прокладки в жилых и производственных зданиях, в частности, животноводческих помещениях.

Для осветительных сетей в сухих и сырых помещениях используются медные провода марки ПРД в непропитанной оплетке, двухжильные и скрученные.

Провода с пластмассовой изоляцией. АПВ — жила алюминиевая с поливинилхлоридной изоляцией, применяется для монтажа силовых и осветительных цепей в машинах и станках, в трубах, несгораемых строительных конструкциях; ПВ1 —то же, но с медной жилой; ПВЕ — то же, но с гибкой медной жилой, используется в основном для гибкого монтажа при скрытой и открытой прокладках. АВТ— провод с алюминиевыми жилами и изоляцией из поливинилхлоридного пластика с несущим тросом для наружной прокладки (например, в жилые дома или хозяйственные постройки в сетях 380 В, в 1-м и II-M районах гололедности. ДВТУ — то же, но с усиленным несущим тросом для III-го и IV-го районов гололедности. Применяются для прокладки в животноводческих помещениях.

Провода силовые гибкие (нагревостойкие) используются для выводов электродвигателей. Марки ПВБЛ и РКГМ имеют медные жилы, резиновую изоляцию, но первая из них выполнена на основе бутилкаучука, в оплетке лавсановой нитью, вторая - из кремнийорганической резины, в оплетке из стекловолокна, пропитанной эмалью или термостойким лаком.

• Соединительные шнуры служат для подключения питания от электрической сети до различных видов бытовых токоприемников: электрических машин, телевизоров, нагревательных приборов и т.п. Допустимая рабочая температура нагрева: при резиновой изоляции +65°С, при поливинилхлоридном пластике +70°С, номинальное напряжение — до 660 В.

По исполнению шнуры разделяют на: плоские без оболочки (ШПП, ПВП-1, ШВП-2), круглые без оболочки (ШВПТ), легкие с оболочкой (ШВВП, ШВЛ), обычные с оболочкой (ШРО, ШРС и др.).

• Монтажные провода предназначены для электрических соединений в аппаратах, приборах и других электрических устройствах, а также схемах. Они делятся по нагревостойкости на обычные (MB, МП, МВКЭ) и повышенной стойкости (МКР, МКТП, МПО), причем за основу берется наиболее нагретая точка в проводе. Жилы медные, у многих марок луженые, одно- и многопроволочные, изоляция: резина, поливинилхлоридный пластик, полиэтилен. Повышение механической прочности изоляции выполняется путем дополнительной оплетки (например, капроновой нитью, в марке ставится буква К), делается и экранирование в виде оплетки из медного провода (в марке — Э). Номинальное напряжение 500, 1000 В для обычных проводов и 2, 2,5 и 4 кВ для высоковольтных монтажных проводов типа ПВМП-2. Рабочая температура для обычных — до +70°С, с поливинилхлоридной изоляцией — до +85°С, с повышенной нагревостойкостью — от +85 до +150°С.

• Неизолированные провода нашли массовое применение в воздушных линиях электропередач. Они изготавливаются из меди (одной или нескольких скрученных проволок (марка М)), алюминия (несколько скрученных проволок (А, Ап)), алюминиевых сплавов (АН, АЖ). Для повышения механической прочности алюминиевых проводов их укрепляют стальными сердечниками (сталеалюминиевые провода марок АС, АпС).

Провода марок А, Ап, АС, АпС, АН, АЖ рекомендуются для использования в сельской, лесной, горной местности, допустимы в атмосфере промышленных районов; марки М — в атмосфере морской местности, а также и в промышленных районах.

Кабели служат для передачи энергии в электрических линиях. Они представляют собой изолированные друг от друга токопроводящие жилы с общей изоляцией, могут иметь свинцовую или алюминиевую оболочку и броню из стальных лент или из круглых оцинкованных стальных проволок, поверх которых накладывается защитный покров. Жилы выполняются одно- и многопроволочные из меди или алюминия. Изоляция делается бумажной с пропиткой составами, резиновой, пластмассовой.

По применению кабели делятся на силовые (для электроснабжения токоприемников (АВВГ, АСГ, ААГ)), контрольные (для подведения маломощных, низковольтных, управляющих сигналов к техническим устройствам и снятия информации (КРСГ, АКРВГ)), управления, отличающиеся от контрольных только конструкцией для соответствующих условий (КРШУ, КУПР), монтажные, назначение которых то же, что и монтажных проводов (КМПВ, КМПЭВ).

По напряжению они подразделяются на низковольтные с номинальным напряжением до 1 кВ и высоковольтные с номинальным напряжением 1,6, 10, 20, 35 и более кВ.

• Контакты — самая уязвимая часть электрических сетей, они служат для периодического надежного замыкания и размыкания цепей. В процессах выполнения указанных операций они подвергаются воздействию электрической искры или дуги, что вызывает эрозию поверхностей, подгорание, даже приваривание друг к другу и т.п. Отсюда требования к контактным материалам: высокая электропроводность, тугоплавкость, твердость, хорошая устойчивость к истиранию и воздействию дуги. Для изготовления контактов кроме чистых тугоплавких металлов широко распространены специальные сплавы, в которые входят серебро, кобальт, медь, бериллий, никель, хром, молибден, вольфрам, кадмий. К контактным изделиям относятся щетки.

• Припои. Это специальные материалы, расплавляемые в месте соединений деталей или в целях защиты от окисления для их покрытия. По температуре плавления припои делят на мягкие и твердые, отличаются они также по механическим характеристикам.

Мягкие припои имеют температуру плавления до 400°С. Применяются там, где от соединений требуется в основном лишь хороший электрический контакт, поскольку механические качества таких соединений относительно невысоки. Кроме того, мягкие припои широко используют при лужении для защиты основного материала от окисления или для получения хорошего контакта при холодном соединении токоведущих частей (например, в местах соединений сборных шин).

В качестве мягких припоев используют олово, его сплавы со свинцом — ПОС-18 и др. (цифра показывает содержание олова в припое — 18 %). Чем больше олова, тем выше температура плавления и жидкотекучесть. Есть мягкие припои с добавками алюминия, серебра. Особой легкоплавкостью (с пониженной температурой плавления) отличаются припои, в которые входят кадмий и висмут.

Твердые припои имеют температуру плавления более 500°С. Применяются там, где от соединения требуется не только хороший контакт, но и высокие механические характеристики.

В качестве твердых припоев чаще всего используются сплавы: медно-фосфорные (ПМФ), медно-цинковые (ПЦ), серебряные (ПСр). Последний из них дает наилучший электрический контакт, но он и самый дорогой.

Флюсы — материалы с повышенной способностью к растворению окислов металлов и других загрязнений. Кроме того, у них пониженная температура плавления (значительно ниже припоя) и плотность, что позволяет им быстро всплывать на поверхность расплава и образовывать на нем надежную защиту (пленку) от окисления. Эти материалы также способны уменьшать поверхностное натяжение расплавленного припоя.

Такие материалы используются при пайке, сварке и лужении. Только под их слоем возможно получение высококачественных соединений с хорошими электрическими и механическими характеристиками.

В электротехнике в качестве флюсов для мягких припоев массово применяют канифоль и смеси на ее основе, для твердых — буру.

Флюсы на основе соляной и фосфорной кислот можно использовать только там, где они не могут вызвать ускоренного разрушения изоляции или окисления металлов.

1.3. Материалы высокого сопротивления

Для различных электронагревательных и электроизмерительных приборов, реостатов (пусковых, нагрузочных и пр.), где требуется высокое сопротивление, употребляются специальные сплавы.

В зависимости от применения к ним предъявляются специфические требования.

Например, от материалов, используемых в измерительных приборах, требуется: высокое удельное электрическое сопротивление (от этого зависят размер и масса приборов), малый температурный коэффициент удельного сопротивления (для обеспечения стабильности электрического сопротивления прибора), достаточная стабильность удельного сопротивления во времени, малая удельная термо-ЭДС в паре с медью (иначе растет ошибка измерений), хорошая обрабатываемость.

К этим материалам относится, например, сплав на основе меди с марганцем — манганин, марок МНМцЗ-12 и МНМцАЖЗ-12-0,3. Их удельное сопротивление в отрезке температур от -100 до+100°С меняется крайне мало. Массовое применение в электротехнике получил также сплав медно-никелевый — константан, марки МНМц40-1,5, его удельное сопротивление практически не зависит от температуры. Для контактных пружин, реостатов и т.п. широко используют другой медно-никелевый сплав — нейзильбер.

Иные требования предъявляются к материалам для электронагревательных приборов. Они длительно работают при температурах около 1000°С в воздушной среде. Поэтому от них, кроме высокого сопротивления, требуется также повышенная жаростойкость (т.е. способность работать, не разрушаясь при высоких температурах в воздухе или других газообразных средах). В настоящее время для этих целей широко применяют хромоникелевые и хромоалюминиевые сплавы. Первые из них отличаются большей жаропрочностью, но они дорогие, вторые — намного дешевле, но более тверды и хрупки.